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1、第2章 蜂窝移动通信的关键技术,2.1 组网技术2.2 编码技术 2.3 多址接入技术 2.4 调制技术 2.5 均衡和分集技术 2.6 天线技术,2.1 移动通信的组网技术要实现移动用户在大范围内进行有序的通信，就必须解决组网过程中的一系列技术问题。下面主要介绍移动通信的组网方式、正六边形无线区群结构、多信道共用技术等内容。,2.1.1 组网方式根据服务区覆盖方式的不同，可将移动通信网分为大区制和小区制。1大区制移动通信网大区制是指在一个服务区(如一个城市或地区)只设置一个基站(Base Station，BS)，并由它负责移动通信网的联络和控制。,大区制移动通信示意图,1.大区制,系统及控制
2、简单 容量小 例：设大区制系统共有12个频道（信道ch：channel），每信道可容纳10个移动用户，求系统用户容量。解：系统容量=12(ch)10(用户/ch)=120个用户,大区制特点：,大区制的主要优点是：建网简单、投资少、见效快，在用户数较少的地域非常合适。缺点：服务区内的所有频率均不能重复使用，因而频谱利用率及用户数都受到了限制。,为了满足用户不断增长的需求，在频率有限的条件下，必须采用小区制的组网方式。,2小区制移动通信网小区制就是把整个服务区域划分为若干个无线小区，每个无线小区中分别设置一个基站，负责本小区移动通信的联络和控制。同时还要在几个小区间设置移动业务交换中心(MSC)。
3、移动业务交换中心统一控制各小区之间用户的通信接续，以及移动用户与市话网的联系。例如，将大区制图的服务区域一分为五，如图所示。,小区制移动通信示意图,小区制的核心思想是：用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机，每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。,例：设信道总数为12个（同大区制），4个小区为1区群，共100个区群，每信道容纳10个用户,求系统用户容量。解：每组信道数12ch/43ch 小区容量3ch10用户/ch30用户 每区群容量430120用户（=原大区制容量120用户）总容量10012012000用户,图中每个小区各设一个小功率基站(BS1BS5)，发射机的输
4、出功率一般为510 W，覆盖半径一般为220 km。可给每个小区分配不同的频率，但这样需要大量的频率资源，且频谱利用率降低。为了提高频谱利用率，需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，例如小区1与小区4、小区2与小区3就可以使用相同的频率而不会产生严重的干扰。在一个较大的服务区中，同一组信道可以多次重复使用，这种技术称为同频复用。此外，随着用户数目的增多，小区还可以进一步划小，即实现“小区分裂”，以适应用户数的增加。,采用小区制最大的优点是有效地解决了频道数量有限和用户数增大之间的矛盾。其次是由于基站功率减小，也使相互之间的干扰减小了。所以，公用移动电话网均采用这种体制。在这种体制中，从
5、一个小区到另一个小区通话，移动台需要经常更换工作频道，这样对控制交换功能的要求提高了，加上基站的数目增多，建网的成本增加，所以小区范围不宜过小，要综合考虑而定。,1、带状网 带状网主要用于覆盖公路、铁路和海岸等。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形；采用有向天线，则使每个小区呈扁圆形。,小区制移动通信网的地域覆盖,带状网可进行频率复用。若以采用不同信道的两个小区组成一个区群，称为双频制。若以采用不同信道的三个小区组成一个区群，称为三频制。从造价和频率资源的利用而言，当然双频制最好；但从抗同频干扰而言，双频制最差，还应考虑多频制。,2.面状服务区(1).小区形状 确定小区形状的准则：无空隙覆盖
6、全部服务区。在服务区总面积相同时，小区（BS）数最少，系统最经济。,满足准则 的小区形状有如下三种：,虚线：小区形状：BS圆形：BS辐射覆盖区域；r 为辐射半径。,满足准则 的小区为正六边形：因为正六边形最接近圆形(BS辐射区)，重叠小，在服务区总面积相同时，小区数最少。正六边形构成的区域复盖形同蜂窝，故称为蜂窝网。,通过表2.1的比较结果可以看出，正六边形小区的中心距离最大，覆盖面积也最大，重叠区面积最小，即对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，从而所需的频率个数也最少，因此采用正六边形组网是最经济的方式。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此把小区形状为六边形的小区制移动
7、通信称为移动蜂窝网。基于蜂窝状的小区制是目前公共移动通信网的主要覆盖方式。,2.1.2 小区制的组网技术 1.信道复用技术信道复用技术：相邻小区不使用相同的信道组，但相隔几个小区间隔的不相邻小区可以重复使用同一组信道。区群：不使用同一组信道的若干个相邻小区就组成了一个区群。,区群的构成应满足两个条件：无线区群之间彼此邻接并且无空隙地覆盖整个面积；相邻无线区群中，同频小区之间的距离相等且为最大。,满足上述两个条件的区群形状和区群个数不是任意的。可以证明，区群内的小区数满足下式：,式中：a、b均为正整数，且不同时为0。a、b取不同值代入可确定K=3，4，7，9，12，13，16，19，21，。不同
8、区群内同频小区之间最小距离为，其中K为区群内小区数量，R为小区辐射半径。,2激励方式移动通信网中各小区的基站可以设置在小区的不同的两个位置上，因此就产生了两种不同的激励方式。(1)中心激励：基站设置在小区的中央，采用全向天线实现无限区的覆盖，如图(a)所示。(2)顶点激励：基站设置在每个小区相间的三个顶点上，并采用三个互成120扇形覆盖的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各1/3区域，每个小区由三幅120扇形天线共同覆盖，如图(b)所示。,无线小区的两种激励方式(a)中心激励；(b)顶点激励,3.无线小区模型的确定 目前GSM网络广泛采用的无线小区模型有43复用方式和33复用方式等。43复用方式
9、：每4个基站为一区群，每个基站分成3个120扇区，共需12组频率。,4.直放站技术 在组网时，出于经费或地形地物等方面的考虑，会出现无线电波覆盖不到的地区，称之为盲区或死区，如图所示。为了实现整个服务区内的通信，使死区变活，消除盲区，通常在适当的地方建立直放站，以沟通盲区和死区内的移动台与基站之间的通信。,5.多信道共用技术所谓多信道共用，就是指移动通信网内的大量用户共享若干无线信道(频率、时隙、码型)，这与市话用户共享中继线相类似。这种占用信道的方式相对于独立信道来说，可以显著提高信道利用率。,例如，一个无线小区有10个信道，110个用户，用户也分成10组，每11个用户被指定一个信道，不同的
10、信道内的用户不能互换信道，如图(a)所示。这就是独立信道方式。在这种情况下，只要有一个用户占用了本组内的信道，同组的其余10个用户均不能再占用了，在它通话结束前，这10个用户都处于阻塞状态，无法通话。但是，如果其他组的信道处于空闲状态，而又得不到利用，显然，信道利用率很低。,多信道共用方式如图(b)所示。在这种方式下，该小区内的10个信道被110个用户共用。当k(k10)个信道被占用时，其他需要通话的用户可以选择剩下的(10-k)中的任意一个空闲信道通信。因为任何一个移动用户选择空闲信道和占用空闲信道的时间都是随机的，所以，所有10个信道被同时占用的概率远小于一个信道被占用的概率。因此，多信道
11、共用方式可大大提高信道利用率。,信道使用方式(a)独立信道方式；(b)多信道共用方式,2.2 编码技术信源编码及信道编码技术是移动通信中的两个重要的技术领域。语音编码技术属于信源编码，可提高系统的频谱利用率和信道容量；信道编码技术可提高系统的抗干扰能力，从而保证良好的通话质量。,语音编码是为了把模拟语音转变为数字信号以便在信道中传输，语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。在移动通信中，节省频谱是至关重要的，移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的语音质量的前提下，尽可能地降低语音编码的比特率。信源编码的目的是为了提高系统的有效性。,移动通信对数字语音编码的要
12、求如下:速率较低,纯编码速率应低于16 kb/s;在一定编码速率下的音质应尽可能高;编码时延要短,要控制在几十毫秒之内;编码算法应具有较好的抗误码性能,计算量小,性能 稳定;编码器应便于大规模集成。,语音编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。,1波形编码波形编码是将随时间变化的信号直接变换为数字代码，尽量使重建的语音波形保持原语音信号的波形形状。其基本原理是对模拟语音波形信号进行抽样、量化、编码而形成的数字语音信号。解码是与其相反的过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。,为了保证数字语音信号解码后的高保真度，波形编码需要较高的编码速率，一般为1664 kb/s。通信
13、原理中讲过的脉冲编码调制(PCM)、增量调制(M)以及它们的各种改进形式自适应增量调制(ADM)、自适应差分编码调制(ADPCM)等都属于波形编码技术。波形编码有比较好的语音质量和成熟的实现方法，但其所用的编码速率比较高，占用的带宽比较宽，因此波形编码多用于有线通信中。,2参量编码参量编码是基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方法，因此也称之为声码器编码。参量编码由于只传送语音的特征参量，因此可实现低速率的语音编码，其编码速率一般为1.24.8 kb/s。线性预测编码(LPC)及其变形均属于参量编码。参量编码的语音可懂度较好，但有明显的失真，不能满足商用语音
14、通信的要求。,3混合编码混合编码是基于参量编码和波形编码发展的一类新的编码技术，它将波形编码和参量编码结合起来，力图保持波形编码语音的高质量与参量编码的低速率。在混合编码信号中，既包括若干语音特征参量，也包括部分波形编码信息。其比特率一般为416 kb/s，语音质量可达到商用语音通信的要求。因此，混合编码技术在数字移动通信中得到了广泛的应用。使用较多的编码方案是规则脉冲激励长期预测编/解码器(RPE-LTP)和码激励线性预测编码器(CELP)。,常用数字移动通信系统语音编码类型,信道编码技术 信道编码能够检查和纠正接收信息流中的差错。信道编码定理指出:在编码速率小于信道容量的条件下,通过编码可
15、以使译码错误概率任意小,从而达到可靠通信。该定理证明:确实存在一种编码方式,其误码率随着码长n的增长趋于任意小。这说明信道编码属于冗余编码,而且冗余度与误码率存在一定的反比关系。需要指出的是冗余度越高,误码率就越小,系统的可靠性就越高;但同时,编码位数就越多,需要的传输速率就越高,占用的信道带宽就越宽。因此,必须研究编码技术,在保证系统可靠性的前提下,尽量降低传输速率,减小信道带宽。,信道编码的基本思想是按一定规则给数字序列m(称为信息码元)增加一些多余的码元(称为监督码元),使不具有规律性的信息序列m变换为具有某种规律性的数码序列C;数码序列中C的信息序列码元m与多余码元之间是相关的。接收端
16、的译码器利用这种预知的编码规则进行译码,检验接收到的数字序列R是否符合既定的规则,从而发现R中是否有错，甚至纠正其中的差错。根据相关性来发现和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想。,纠错编码是应用最广泛的编码,又可分为如下几类:(1)按照纠正差错的类型可分为纠正随机错误的编码和纠正突发错误的编码两种。随机错误是指码元间的错误互相独立,即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否无关;突发错误是指一个码元的错误往往影响其前后码元的错误概率,换句话说,一个码元产生错误,则后面几个码元都可能发生错误。在移动通信系统中,既要纠正随机错误,又要纠正突发错误。,(2)按照信息码元和监督码元之间的约
17、束方式不同可分为分组码和卷积码两种。分组码是指编码的规则仅局限于本码组之内,本码组的监督码元仅和本码组的信息码元相关;卷积码是指本码组的监督码元不仅和本码组的信息码元相关,还与本码组相邻的前n-1个码组的信息码元相关。,(3)按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码和非线性码两种。线性码是指信息码元与监督码元之间的关系为线性关系,即监督码元是线性码元的线性组合,编码规则可用线性方程来表示;非线性码的信息码元与监督码元之间不存在线性关系。,(4)按照码字的结构不同,可分为系统码和非系统码两种。系统码是指前k个码元与信息码组一致的编码;非系统码不具有系统码的特性。(5)按照码字中每个
18、码元的取值可分为二进制码和多进制码。二进制码的码元有0和1两个取值,M进制码的码元有M个取值。二进制码是应用最广泛的编码制式。,根据发送端信道编码的特性,接收端在解码后采取的差错控制方式有:前向纠错(FEC)。发送端的信道编码器将信息码组编成具有一定纠错能力的码。接收端信道译码器对接收码字进行译码,若传输中产生的差错数目在码的纠错能力之内时,译码器对差错进行定位并加以纠正。自动请求重发(ARQ)。用于检测的纠错码在译码器输出端只给出当前码字传输是否可能出错的指示,当有错时按某种协议通过一个反向信道请求发送端重传已发送码字的全部或部分。,混合纠错(HEC)是FEC与ARQ方式的结合。发端发送同时
19、具有自动纠错和检测能力的码组,收端收到码组后,检查差错情况,如果差错在码的纠错能力以内,则自动进行纠正。如果信道干扰很严重,错误很多,超过了码的纠错能力,但能检测出来,则经反馈信道请求发端重发这组数据。信息反馈(IRQ)也称回程校验方式。收端把收到的数据,原封不动地通过反馈信道送回到发端,发端比较发的数据与反馈来的数据,从而发现错误,并且把错误的消息再次传送,直到发端没有发现错误为止。,2.3 多址接入技术,2023/8/22,2.3.1 多 址 技 术的含义及分类移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播信道和大面积覆盖的特点。在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的
20、连接，是多址方式的问题。解决多址方式问题的方法叫做多址技术。,多址技术是指射频信道的复用技术，对于不同的移动台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多的移动台发出的信号中区分出是哪个移动台的信号，移动台也能识别基站发出的信号中哪一个是发给自己的。信号特征的差异可表现在某些特征上，如工作频率、出现时间、编码序列等，多址技术直接关系到蜂窝移动通信系统的容量。蜂窝移动系统中常用的多址方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。下面将分别介绍它们的原理。,频分多址(FDMA),频分多址技术按照频率来分割信道,即给不同的用户分配不同的载波频率以共享
21、同一信道。频分多址技术是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移动通信的基本技术。在FDMA系统中,信道总频带被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频带(地址),每个子频带分配给一个用户,每个子频带在同一时间只能供给一个用户使用,相邻子频带之间无明显的干扰。,频分多址(FDMA),时分多址(TDMA)时分多址技术按照时隙来划分信道,即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。时分多址技术是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术。在TDMA系统中,时间被分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙(地址)。无论帧或时隙都是互不重叠的。然后,根据一定的时隙分配原则,使各个移动台在
22、每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不混扰。同时,基站发向多个移动台的信号都按顺序安排,在预定的时隙中传输。各移动台只要在指定的时隙内接收,就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。,时分多址(TDMA),与FDMA技术相比,TDMA具有如下特性:(1)每载频多路。TDMA系统能够在每一载频上产生多个时隙,而每个时隙都是一个信道,因而能够进一步提高频谱利用率,增加系统容量。(2)传输速率高。每一载频含有时隙多,则频率间隔宽,传输速率就高。(3)对新技术开放。例如当因语音编码算法的改进而降低比特速率时,TDMA系统的信道很
23、容易重新配置以接纳新技术(4)共享设备,成本低。由于每一载频为许多客户提供业务,因此TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。(5)不存在频率分配问题。对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济，所以,TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。(6)基站可以只用一台发射机。可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。,时分多址(TDMA),同时,TDMA也具有一定的缺陷:(1)必须有精确的定时和同步。(2)移动台较复杂。(3)传输开销大。,码分多址(CDMA),码分多址技术按照码序列来划分信道,即给不同的用户分配一个不同的编码序列
24、以共享同一信道。码分多址技术是第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。在CDMA系统中,每个用户被分配给一个惟一的伪随机码序列(扩频序列),各个用户的码序列相互正交,因而相关性很小,由此可以区分出不同的用户。与FDMA划分频带和TDMA划分时隙不同,CDMA既不划分频带又不划分时隙,而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱,因而CDMA采用的是扩频技术,它能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同码序列来实现多路通信。CDMA示意图如图所示。,码分多址(CDMA),以上三种多址技术相比较,CDMA技术的频谱利用率最高,所能提供的系统容量最大,它代表了多址技术的发展方向;其次是TDMA技
25、术,目前技术比较成熟,应用比较广泛;FDMA技术由于频谱利用率低,将逐渐被TDMA和CDMA所取代,或者与后两种方式结合使用,组成TDMA/FDMA、CDMA/FDMA方式。,空分多址(SDMA)空分多址(SDMA)是指利用无线电波束在空间的不重叠分割构成不同的信道，将这些空间信道分配给不同地址的用户使用，空间波束与用户具有一一对应的关系，依波束的空间位置区分来自不同地址的用户信号，从而完成的多址连接。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束。SDMA系统的工作示意图如图所示。,SDMA系统的工作示意图,SDMA使用定向波束天线来服务于不同的
26、用户。相同的频率或不同的频率用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域。扇形天线可被看做是SDMA的一个基本方式。在极限情况下，自适应阵列天线具有极小的波束和极快的跟踪速度，它可以实现最佳的SDMA。将来有可能使用自适应天线，迅速地引导能量沿用户方向发送，这种天线最适合于TDMA和CDMA。CDMA和SDMA有相互补充的作用，当几个用户靠得很近的时候，SDMA技术无法精确分辨用户位置，每个用户都会因受到临近用户的强干扰而无法正常工作，所以采用CDMA的扩频技术可以很轻松地降低其他用户的干扰。因此，将SDMA和CDMA技术结合起来，即SCDMA可以充分发挥这两种技术的优越性。,2.4 调制与解调技术
27、,2023/8/22,无线通信系统框图：,调制：把要传输的信号变换成适合信道传输的信号的过程。调制信号：调制器的输入信号（调制前）。已调信号（调幅、调频和调相信号）：调制器的输出信号（调制后）。,移动通信信道的基本特征：,带宽有限。干扰和噪声影响大。存在多径衰落。对调制的要求：已调信号所占的带宽要窄。经调制解调后的输出信噪比(S/N)较大或误码率较低。,数字调制的性能指标,数字调制的性能指标通常通过功率有效性p和带宽有效性B来反映。1.功率有效性p是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力，可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：,数字调制的性能指标,2.带宽有效性B是反映调
28、制技术在一定的频带内数字有效性的能力，可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率：式中，R为数据速率（bit/s），B为调制射频RF信号占用带宽。,第一代蜂窝移动通信系统采用模拟调频（FM）传输模拟语音，其信令系统采用2FSK数字调制。第二代数字蜂窝移动通信系统传送的语音都是经过语音编码和信道编码后的数字信号。GSM系统采用GMSK调制；IS-54系统和PDC系统采用/4 DQPSK调制；IS-95 CDMA系统的下行信道采用QPSK调制，其上行信道采用OQPSK调制。第三代蜂窝移动通信系统将采用MQAM、QPSK或8PSK调制。,1.高斯最小频移键控(GMSK),最小频移键控(MSK)调制是
29、调制指数()为0.5的二元数字频率调制,其调频带宽较窄,且具有恒定的包络,因而可以在接收端采用相干检测法进行解调。但是对于数字移动通信系统,对信号带外辐射功率的限制十分严格,如带外衰减要求在7080 dB以上,再采用MSK就不能满足要求了。这时,可采用MSK的改进型GMSK作为替代的调制方法。,高斯最小频移键控(GMSK),以高斯低通滤波器的归一化3 dB带宽BbTs为参变量(Ts为码元宽度,T=1/fb),以归一化频差(f-fc)Ts为横坐标(fc为载波功率)的功率谱特性曲线如图所示。由图可知,BbTs越小,功率谱越集中，当BbTs=0.2时,GMSK的频谱与平滑调频(TFM)的频谱几乎相同
30、;当BbTs=时,GMSK就蜕变为MSK。,高斯最小频移键控(GMSK),高斯最小频移键控(GMSK),需要指出的是,GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄,输出功率谱就越紧凑,但误码率性能就变得越差。GMSK信号的解调可采用正交相干解调,也可采用鉴相器或差分检测器。GMSK在移动通信中有着广泛的应用,如GSM系统就采用这种方法。GSM的信道传输速率1/Ts=1625/6kb/s,BbTs=0.3。研究证明,当BbTs=0.3时,GMSK的功率谱完全满足GSM标准的要求。,2.四相相移键控(QPSK),QPSK调制器的原理框图如图所示。它可以看成由两个BP
31、SK调制器构成,输入的串行二进制信息序列经串/并变换,分成两路速率减半的序列,电平发生器分别产生双极性电平信号I(t)和Q(t),然后分别对A cosct和A sinct进行调制,相加后即得QPSK信号。,四相相移键控(QPSK),QPSK调制器原理框图,四相相移键控(QPSK),信号波形图,3.交错正交四相相移键控(OQPSK),OQPSK是在QPSK调制基础上演变而来的，是QPSK的改进型，它将输入数据经数据分路器分成奇偶两路，并使其在时间上相互错开一个码元间隔，然后再对两个正交的载波进行BPSK调制，叠加成为OQPSK信号。这样两个信道上的数据流，每次只有其中一个可能发生极性转换，因此最
32、大相位跳变为/2，这样就可以避免频谱加宽的现象。,4./4-QPSK,/4-QPSK也是QPSK的改进型,改进之一是将QPSK的最大相位跳变由降为3/4,从而减小了信号的包络起伏,改善了频谱特性。,/4-QPSK,具体来看,/4-QPSK可以看成是在QPSK的基础上,每个码元周期内其相位旋转/4而形成的。QPSK共有四个状态,由其中一个状态可以转换为其他三个状态中的任何一个,因而存在180的相位变化(即相位迁移通过原点)。/4-QPSK共有八个状态,分为两组,相位相差45,在图中分别以白点和黑点表示。/4-QPSK矢量转换,只能在这两组之间进行.,/4-QPSK,也就是说,如果现在的码元周期内
33、,相位状态是白点中的一个,在下一个码元周期内相位状态只能是黑点中的某一个。可见/4-QPSK中可能出现的最大相位变化是135。因此,/4-QPSK已调信号的包络起伏比原型QPSK要小,经非线性放大后的频谱特性也优于原型QPSK。,/4-QPSK,/4QPSK星座图和相位转移图,/4-QPSK对QPSK的改进之二是解调方式。QPSK只能采用相干解调,而/4-QPSK 既可以采用相干解调,也可以采用非相干解调,如差分检测和鉴频器检测等。/4-QPSK相位调制技术是近几年来移动通信中使用较多的一种调制方式,美国的IS-136数字蜂窝系统、日本的个人数字蜂窝系统(PDC)和美国的个人接入通信系统(PA
34、CS)都采用这种调制技术。,5.正交振幅调制(QAM),正交振幅调制是二进制PSK和四进制QPSK调制的进一步推广,通过相位和振幅的联合控制,可以得到更高频谱效率的调制方式,从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。正交振幅调制的一般表达式为 Y(t)Am cost+Bm sint,0tTs 上式由两个相互正交的载波构成,每个载波被一组离散的振幅Am、Bm所调制,故称这种调制方式为正交振幅调制。式中,Ts为码元宽度,m1,2,M;而M为Am和Bm的电平数。,正交振幅调制(QAM),QAM调制和相干解调的原理框图,正交振幅调制(QAM),经分析可知,QAM具有更高的频谱效率,这是由于它具有更大的符
35、号数。对于给定的系统,所需要的电平数为2n,这里n是每个电平的比特数。每个电平包含的比特(基本信息单位)越多,效率就越高。如16QAM在25kHz信道中可实现64 kb/s的传输速率,其频谱利用率高达2.56 b/sHz;而64QAM的频带利用率可达5 b/sHz。但需要指出的是,QAM的高频带利用率是以牺牲其抗干扰性来获得的,电平数越大,信号星座点数越多,其抗干扰性能就越差。因为随着电平数的增加,电平间的间隔减小,噪声容限减小,同样噪声条件下误码也就增加。,2.5 均衡与分集接收技术 为了克服信道中的码间干扰，可在接收端抽样判决之前附加一个可调滤波器，来校正或补偿信号传输中产生的线性失真。这
36、种对系统中的线性失真进行校正的过程就叫做均衡，而实现均衡的滤波器就是均衡滤波器。均衡技术就是用来克服信道中码间干扰的一种技术。,分集技术就是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。它利用多条具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径来传输相同信息，并在接收端对这些信号进行适当的合并，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的性能。下面分别介绍均衡技术和分集接收技术的工作原理。,均衡技术均衡分为频域均衡和时域均衡两类。（1）频域均衡是指使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。（2）时域均衡是指直接从时间响应的角度去考虑，使均衡器与实际传输系统总和的冲击响应接近无码间
37、干扰的条件。,频域均衡比较直观且易于理解，常用于模拟通信系统中，而数字通信系统中常用的是时域均衡。因此，本节只介绍时域均衡的原理。时域均衡的基本原理可通过图2-6来说明。它利用波形补偿的方法对失真波形直接加以校正，这可以通过观察波形的方法直接进行调节。,图2-6 时域均衡的原理,图2-6(a)所示为单个脉冲的发送波形，图2-6(b)所示为经过信道和接收滤波器后输出的信号波形。由于信道特性的不理想和干扰造成了波形的失真，附加了一个“拖尾”。这个尾巴将在t02Tb、t0Tb、t0+Tb、t0+2Tb各抽样点上对其他码元信号的抽样判决造成干扰。如果设法加上一个与拖尾波形大小相等、极性相反的补偿波形(
38、如图2-6(c)所示)，那么这个波形恰好就把原失真波形中多余的“尾巴”抵消掉。这样，校正后的波形就不再有“拖尾”了，如图2-6(d)所示，这样就消除了该码元对其他码元信号的干扰，达到了均衡的目的。,接下来的问题就是如何得到补偿波形及如何实现时域均衡。时域均衡所需要的补偿波形可以由接收到的波形经过延迟加权后得到，所以均衡滤波器实际上由一抽头延迟线加上一些可变增益的放大器组成，如图2-7(a)所示。,图2-7 均衡滤波器,它共有2N节延迟线，每节的延迟时间都等于码元宽度Tb，在各节延迟线之间引出抽头共(2N+1)个。每个抽头的输出经可变增益(增益可正可负)放大器加权后输出。因此，当输入有失真的波形
39、x(t)时，只要适当选择各个可变增益放大器的增益Ci(i=N，N+1，0，N)，就可以使相加器输出的信号y(t)对其他码元波形造成的串扰最小。图2-7(b)、(c)分别为存在码间干扰的信号x(t)和经过均衡后在判决时刻不存在码间干扰的信号y(t)的波形。,理论上，拖尾只有当t时才会为0，故必须用无限长的均衡滤波器才能对失真波形进行完全校正，但事实上拖尾的幅度小于一定值时就完全可以忽略其影响了，即一般信道只需要考虑一个码元脉冲对其临近的有限几个码元产生串扰的情况就足够了，故在实际中只要采用有限个抽头的滤波器就可以了。均衡器在实际使用过程中，通常都用示波器来观察均衡滤波器的输出信号的眼图，通过反复
40、调整各个增益放大器的增益Ci，使眼图的眼睛达到最大且最清晰为止。,2.分集接收技术（1）分集接收的概念所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一个信息数据流)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的方法。其基本思想是：将接收到的多径信号分离成独立的多路信号，然后将这些多路分离信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，数字信号误码率最小。,分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，以降低衰落的影响。,(2)分集技术的分类 a.按分集的目的分类 宏观分集：抗
41、慢衰落；微观分集：抗快衰落；b.按信号传输的方式分类 显分集：比较明显的分集信号的传输方式 隐分集：分集作用隐含在传输信号之中的方式,(3)常用的显分集及其合并技术 显分集技术的种类有很多种，可以分为时间分集、频率分集、空间分集和极化分集等。下面分别加以介绍。,1)时间分集对于一个随机衰落的信道来说，若对其振幅进行顺序取样，那么在时间上间隔足够远(大于相干时间)的2个样点是互不相关的。这就提供了实现分集的一种方法时间分集，即发射机将给定的信号在相隔一定的时间上重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，接收机就可以得到M条独立的分集支路，接收机再将这一重复收到的多路同一信号进行合并，就能减小衰落的
42、影响。,时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号，这有利于克服移动信道中因多普勒效应而引起的信号衰落现象。由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：,T,式中：fm为衰落速率；v为移动台的运动速度；为工作波长。若移动台处于静止状态，即v=0，由式(2-1)可知，要求T为无穷大，表明时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落。时间分集只需使用一部接收机和一副天线。,2)频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。,
43、根据相关带宽的定义有Bc=1/(2)，其中为延时扩展。例如，市区中，=3 s，Bc约为53 kHz，这样频率分集需要两部发射机(频率相隔53 kHz以上)同时发送同一信号，并用两部独立的接收机来接收信号。另外，在移动通信中，可采用信号载波频率跳变(调频)技术来达到频率分集的目的，只是要求频率跳变的间隔应大于信道的相关带宽。,3)空间分集 空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的。在移动通信中，空间的任何变化都可能引发场强的变化。一般两副天线间的间距越大，多径传播的差异也越大，接收场强的相关性就越小，因此衰落也就很难同时发生。换句话说，利用两副天线的空间间隔可以使接收信号的衰落降低到最小。,空间
44、分集,移动通信中空间分集的基本做法是在基站的接收端使用两副相隔一定距离的天线对上行信号进行接收，这两幅天线分别称为接收天线和分集接收天线。这两副接收天线的距离相隔为d，d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中，通常取：市区 d=0.5郊区 d=0.8 在满足上述条件时，两信号的衰落相关性已很弱；d越大，相关性就越弱。,在900 MHz的频段工作时，两副天线的间隔也只需0.27 m，在小汽车的顶部安装这样两副天线并不困难，因此空间分集不仅适用于基站(取d为几个波长)，也可用于移动台。,4)极化分集移动环境下，两个在同一地点，极化方向相互正交的天线发出的信号具有不相关的特性。利用这一点，在发
45、送端同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线，就可得到两路衰落特性互不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路只有两路。这种方法的优点是结构比较紧凑，节省时间；缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，因此信号功率要损失3 dB。目前，可以将这种分集天线集成于一副发射天线和一副接收天线。若采用双工器，则只需一副收/发合一的天线，但对天线要求较高。,5)分集合并方式接收端收到M(M2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。,一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t)，rM(t)，则合并器输出
46、电压r(t)为,式中，ak为第k个信号的加权系数。,选择不同的加权系数ak，就可以构成不同的合并方式。常用的合并方式有如下3种。(1)选择式合并：它检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一条支路的信号作为合并器的输出。图2-8所示为二重分集选择式合并的示意图。两个支路的高频信号分别经过解调，然后进行信噪比比较，将其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。选择式合并又称开关式相加。这种方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落效果不好。,图2-8 二重分集选择式合并,(2)最大比值合并：它是一种最佳的合并方式，其方框图如图2-9所示。每一支路信号包络为rk，每一
47、支路的加权系数ak与包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即,由此可得，最大比值合并器输出的信号包络为,式中，下标R表征最大比值合并方式。,图2-9 最大比值合并方式,(3)等增益合并：当最大比值合并法中的加权系数ak为1时，就是等增益合并。它无需对信号加权，其方框图如图2-10所示。等增益合并性能仅次于最大比值合并，但由于省了加权系数的选定，实现起来比较容易。等增益合并方式输出的信号包络为,式中，下标E表示等增益合并方式。,图2-10 等增益合并方式,(3)常用的隐分集技术 1）交织编码技术 把一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串
48、的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种方法就是交织技术。,交织过程示意图,交织排列方式应考虑的因素,交织的排列方式可以有多种方案,但在具体情况下究竟采用何种方案,要综合考虑以下几个因素及参数:(1)信道参数电平通过率。(2)平均衰落持续时间。(3)衰落持续时间分布。(4)纠错能力。(5)编码种类。,(3)常用的隐分集技术 2）跳频技术 跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。,2.6 天线技术,1.天线基本概念,天线
49、的方向性:指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对接收天线表示天线对来自不同方向的电波的接收能力。方向图：天线方向的选择性常用方向图来表示辐射方向图：以天线为球心的等半径球面上，相对场强随坐标变量和变化的图形。工程设计中一般使用二维方向图无线网络优化中需使用三维方向图,二维方向图,三维方向图,方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣波束宽度：主瓣两半功率点间的夹角，又称为半功率（角）波束宽度、3dB波束宽度主瓣波束宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强经常考虑3dB、10dB波束宽度,波束宽度示意图,前后比：天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。前后比值越大，天线
50、定向接收性能就越好。以dB表示的前后比=10log前向功率/反向功率典型值为25dB左右，有一个尽可能小的反向功率,天线的增益：表示在某特定方向上能量集中能力天线增益指在相同输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点产生的辐射功率密度之比。a.若参考天线为全方向性天线(在所有方向上辐射功率密度都均匀相同)：增益用dBi表示 b.若参考天线为半波振子天线:增益用dBd表示 同一个天线用dBd和dBi分别表示时的转换关系为：0dBd=2.15dBi,天线的极化平面波按极化可分为线极化波、圆极化波（或椭圆极化波）极化是指在垂直于传播方向的波阵面上，电场强度矢
