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1、1,第2章 宽带无线通信技术基础,主要内容:2.1 数字通信系统主要性能指标2.2 传输信道概述2.3 通信协议和协议分层结构2.4 宽带无线通信物理层关键技术 2.4.1 扩频技术 2.4.2 OFDM技术,2,2.1 数字通信系统主要性能指标,一般一个数字通信系统有如下技术指标：有效性 可靠性 适应性 标准性 维护性 工艺性 经济性,3,有效性和可靠性是数字通信系统最主要的两方面性能指标。有效性：传输速率（RB、Rb、码组速率、帧速率等）、频带利用率B。可靠性：差错率（Pe、Pb、Pg）、可靠度。,4,2.1.1 传输速率,1码元传输速率（RB）,通常也叫码元速率、数码率、传码率、码率、波
2、形速率或调制速率。指单位时间内传送码元的数目。RB=1/TbTb单位为秒（s）,RB单位为波特（B或Baud）。,5,2数据信息速率（Rb）,通常也叫信息速率、传信率、比特率等。指单位时间内传送数据的信息量,单位为比特/秒（bit/s、b/s或bps）。对于M进制，每个符号等概出现的消息，则每个符号的信息量I为：I=log2M(bit),6,3RB与Rb的关系,Rb=RBlog2MM为多进制，M=2时二者相等。,7,2.1.2 频带利用率,频带利用率（传输效率）用来描述系统传输速率与系统传输带宽之间的关系。表示单位频带内所能传输的信息速率。,单位是波特赫（BHz）或比特秒-1赫（bit s-1
3、Hz）。,8,2.1.3 差错率,表示在单位时间内系统传送数据时出现错误的概率。,1误码率（码元差错率）,9,2误信率（误比特率）,3误组率,10,例：某数字通信系统采用4电平调制，码元传输速率为1200波特，在半小时内共收到54bit错误信息，请计算系统的误信率。,解：,=54/(1200log243060)=1.25e-5,11,2.1.4 可靠度,是一个比较综合的可靠性指标，它反映了系统的总体性能。影响因素如MTBF、信道质量、操作维护水平等。,12,2.2 传输信道概述,图2-1 通信系统的模型,2.2.1 信道的概念,13,信道是组成通信系统的三大部分之一，信道的特性直接影响着通信的
4、质量。信道是指以传输媒介为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。信道的作用就是为了传输信号。（通信的目的是为了传输数据）,14,2.2.2 信道的分类,1按范围分类,（1）狭义信道,通常指具体的传输媒介，能够传输信号的任何抽象的或具体的通路，如：电话线、同轴电缆、光纤、微波、短波等。,15,（2）广义信道,包含传输媒介和完成各种形式的信号变换功能的设备。如：调制信道、编码信道、数据链路、数据电路等。,16,2按传输的信号类型分类,（1）模拟信道,传输的是在幅度和时间上都连续变化的模拟信号。,（2）数字信道,是指在信道上只能传输数字信号的信道。利用模拟通道也可以构成数字信道。,17,3按信道的
5、使用方式分类,（1）专用信道,指两点或多点之间的线路（信号通路）是固定不变的，通常是用户自己架设或专门租用的专用线路或固定路由的专用通路，如租用的光纤链路等。,（2）公用信道,是指通过公用交换网络，为广大用户（任何用户）提供服务的信道，如公用电话网、数字数据网等。,18,4按传输媒质分类,（1）有线信道,是指能够看得见、摸得着的信号线路。有线信道常见介质：双绞线、同轴电缆、光纤。,（2）无线信道,是指以自由空间为传输媒介的信道，也就是看不见、摸不着的那类信道。无线信道常见介质：中波信道、短波信道、微波信道、卫星信道。,19,5根据传输序列出错的关系分类,（1）记忆信道,指每个码元发生错误是与其
6、前后码元之间有一定的关系。,（2）无记忆信道,是指当前码元的差错与其他码元无关系。理想的数字信道是无记忆信道。,20,2.2.3 信道容量,信道容量（Channel Capacity）是指通信系统的最大传输速率，也就是指信道的极限传输能力。信道容量可通过Shannon 公式（模拟信道）和Nyquist准则（数字信道）来获得。,21,1模拟信道的信道容量,模拟信道的信道容量可通过香农（Shannon）公式来获得。在加性高斯白噪声信道中，传输功率受限的信号，信道极限传输速率（信道容量）C为：C=B log2(1+S/N)（bit/s）式中，B为信道带宽,单位为Hz；S/N是平均信号噪声功率比（信噪
7、比），通常使用dB作为单位：10lg(S/N)。,22,得出的几个结论：给定B、S/N，高斯白躁声信道能够保证无差错传输的极限传输速率为C；RC，则不可能实现无差错传输；通过B、S/N互换，可以保持C不变；N=n0B，S、n0一定时，B C。,23,香农公式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。信道容量的意义：当传输速率不大于信道容量时，总可以找到一种方法，实现无差错的传输。但如果想要达到的传输速率大于信道容量，则无论用什么方法，都不可能实现无差错传输。,24,1948年6月到10月，香农在贝尔系统技术杂志上连载发表了通信的数学原理。1949年
8、，香农又在该杂志上发表了噪声下的通信。这两篇论文为信息论奠定了基础。人们通常将香农于1948年10月发表的论文通信的数学原理作为现代信息论研究的开端。由于在信息科学领域的卓越贡献，香农被称为“信息论之父”。,克劳德.艾尔伍德.香农(Claude Elwood Shannon 19162001）,25,例：已知数据传输信道，信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。,解：10lg(S/N)=30 S/N=1030/10=1000 C=B log2(1+S/N)=3klog2(1+1000)30k bps。,26,2数字信道的信道容量,1924年，奈奎斯特（H.Nyquist）推
9、导出无噪声、对称无记忆、有限带宽数字信道（理想信道）的最高传输率（信道容量）公式（奈奎斯特准则）：C=2B log2 L（bit/s）式中，B为信道带宽,单位为Hz；L为传输采用的进制数。奈奎斯特准则是理想的最大值，实际系统无法超越。,27,例：普通电话线路带宽约3kHz，请计算其传输二进制码元速率极限值；若码元采用16QAM调制，计算其最大信息传输速率。,解：C1=2B log2 L=23k log2 2=6k(bps)。C2=2B log2 L=23k log2 16=24k(bps)。,28,对于带宽为3KHz的信道，若有8种不同的物理状态来表示数据（例如8QPSK调制方式），信噪比为2
10、0dB，问：结合Nyquist定理和Shannon定理计算最大限制的数据速率是多少？,作业,29,2.3 通信协议和协议分层结构,1协议的概念,2.3.1 通信协议的一般概念,协议是网络内使用的“语言”，用来协调网络的运行，以达到互通、互控和互换的目的，是通信网络中不可缺少的重要组成部分。我们把通信双方必须遵守的规则和约定的集合称为通信协议或通信规程。,30,2通信协议的三大要素,（1）语法（Syntax）,规定通信的双方以什么方式交流数据信息，即确定数据与控制信息的结构或格式，也即“如何讲”。Data formats：数据格式Signal levels：信号电平,31,（2）语义（Seman
11、tics）,规定通信的双方要交流哪些数据信息，即确定需要发出何种控制信息、完成何种动作、返回什么应答等，也即“讲什么”。Control information：控制信息Error handling：差错控制,32,（3）定时关系（Timing）,规定事件执行的顺序，即确定通信过程中通信的状态变化，也即“何时讲”和“何时答”。Speed matching：速度匹配Sequencing：逻辑顺序,33,图2-2 通信协议示意图,34,图2-3 通信协议示例,35,通信协议是一个复杂而庞大的通信规则的集合，它主要完成以下功能。（1）信号的发送与接收 应规定的内容包括信息传送的格式、接口标准以及启动控
12、制、超时控制等功能。（2）差错控制 应使终端输出的数据具有一定的差错控制功能，目的终端根据收到的数据可进行相应的检错或纠错操作。,3协议的功能,36,（3）顺序控制 对发送的信息进行编号，以免重复接收或者丢失。（4）透明性 对传输的信息无限制，也即应采取必要的措施，保证所传送的数据信息为随机的比特序列。（5）链路控制与管理 控制链路的建立和拆除，显示设备的工作状态等。,37,（6）流量控制 为了避免链路阻塞，应能调节数据链路的信息流量，能够决定暂停或继续接受信息。（7）路径选择 确定信息报文通过多个节点和链路到达目的节点的传播路径和最优的路径选择策略。（8）对话控制 包括信息的处理、信息安全和
13、保密、应用服务等内容。,38,2.3.2 通信协议的分层,分层带来的好处：各层相互独立，所需知道的仅是层间接口所提供的服务；灵活性好，当任何一层发生变化时，只要接口关系保持不变，则相邻的层均不受影响，且层内提供的服务可修改，如提供的服务不再需要时，可将该层取消；结构上独立，各层都可以选择最适合的技术来实现；便于实现和维护；促进标准化工作。,39,1通信协议的分层原则,（1）层次有序,各层协议之间有一定的主从顺序，较低层为较高层提供服务。,（2）按功能分层,每层应实现定义明确的功能，即应根据功能进行分层。,40,（3）利于标准化,各层功能的选择应有助于国际标准化协议。,（4）层间信息量尽量少,层
14、次界面的选择应尽量减少跨过接口的信息量，主要目的是提高通信效率。,41,（5）各层彼此独立,层次之间的独立性，有利于开发工作的规范化和严谨性。,（6）层次的数量应适当,层次过少会使每层协议变得复杂，层次过多会增加通信处理的开销，降低通信效率。,42,2OSI参考模型及各层功能,OSI（Open System Interconnection）是ISO(International Standard Organization)提出的的开放系统互连参考模型。所谓开放性，是强调只要遵循对OSI标准的系统就可以实现互相通信。OSI模型采用了层次化结构的构造技术，自下而上分成7层，每层都由较低层提供有意义的
15、服务，同时又为较高层提供所定义的服务，高层依靠低层交换数据。,43,图2-4 OSI参考模型,44,（1）物理层（Physical Layer）,物理层是OSI参考模型的最低层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。为此，该层定义了物理链路的建立、维护和拆除有关的机械、电气、功能和规程特性。包括信号线的功能、“0”和“1”信号的电平表示、数据传输速率、物理连接器规格及其相关的属性等。物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流。,45,（2）数据链路层（Data Link Layer）,数据链路层是为网络层提供服务的，是在物理层提供的比特服务基础上，用以建立相邻结点之间的数据链路，传送的
16、协议数据单元称为数据帧。该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。此外，数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞等。,46,（3）网络层（Network Layer）,网络层是为运输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地。另外，为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞，需要对流入的数据包数量进行控制（拥塞控制）。当数据包要跨越多个通信子
17、网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。,47,（4）运输层（Transport Layer）,运输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。运输层传送的协议数据单元称为段或报文。,48,（5）会话层（Session Layer）,会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。,49,（6）表示层（Pre
18、sentation Layer）,表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。,50,（7）应用层（Application Layer）,会话层应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。,51,OSI模型的7层协议中，13主要是完成数据交换和数据传输，称之为网络低层（通信层），即通信子网，57层主要是完成信息
19、处理服务的功能，称之为网络高层，低层与高层之间由第4层衔接。上面4层也称为用户层。,52,3通过网络的OSI模型-电路交换方式,（1）呼叫建立阶段,在呼叫建立阶段，交换机下三层要参与呼叫建立过程。,图2-5 通过网络的OSI模型-电路交换方式呼叫建立,53,（2）数据传输阶段,在数据传输阶段，网络层和链路层已经不介入，因此效率高但可靠性差。,图2-6 通过网络的OSI模型-电路交换方式数据传输,54,4通过网络的OSI模型-分组交换方式,在分组交换方式中每个交换节点都是下三层参加，因此确保了数据的可靠性。,图2-7 通过网络的OSI模型-分组交换方式,55,图中表示了用户信息从最高的应用层下移
20、到网络层，由该层负责处理越过网络的路径选择（接通数据的传输通道），网络层为了完成他的任务需要数据链路层提供服务，保证网络层信息能跨越线路正确、无差错的传输。用户A发送的信息经过网络到达接收端后由网络层上移，并经过高层组的处理成为用户B可识别的信息。由高层组提供的功能使得各种不同厂家制造的计算机之间可以开放式的相互通信。,56,5OSI模型的数据传送,AH：应用层头；PH：表示层头；SH：会话层头；TH：运输层头；NH：网络层头；LH：链路层头；LT：链路层尾。每一层为了达到协议要求都增加了自己层所需要的头信息，因此可以看出，经过各层之后，信息已经被膨胀了许多。,图2-8 OSI模型的数据传输过
21、程,57,OSI模型的不同层次协议之间是相互独立的，因此改变某一层协议不会影响到其他层协议，它采用的方法是下一层在上一层提供的信息前面增加新的协议控制信息（链路层是在前面和后面都加）。另外两个数据终端在通信过程中，只有对等层次才可以进行协议对话，但是N层的协议对话必须依靠N-1层的帮助才能实现。,58,7层结构是一个通用的标准，而在实际应用中通常也将其简化成更少的层次，因为在目前的数据通信网络中，下三层已经成为通用的标准，无论设计何种通信网，下面三层已经成为固定的模式，不需要再进行重新设计，因此为了使处理更加简单，就有依托于计算机网络的简化的3层模型。,59,6简化的3层模型,图2-9 简化的
22、3层模型,60,（1）网络接入层,在计算机和网络之间交换数据；发送端计算机提供目的地址；可能包含多层服务；依托于已经使用的网络，例如LAN、分组交换等。,61,（2）传输层,可靠的数据交换；依托于正在使用的网络；依托于应用。,（3）应用层,支持不同的用户应用需求，例如e-mail、文件传送等。,62,7TCP/IP 五层协议及各层功能,图2-10 TCP/IP 5层模型,63,（1）物理层,定义了数据传送设备（例如计算机）之间的接口和传输媒质或网络；定义了传输媒质的特性；定义了信号电平；信号速率。,64,（2）网络接入层,定义了终端系统和网络的数据交换；目的地址提供；包含优先权等服务；这一层所
23、使用的具体软件取决于应用网络的类型。,65,（3）IP层,对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。该层有四个主要协议：网际协议（IP）、地址解析协议（ARP）、互联网组管理协议（IGMP）和互联网控制报文协议（ICMP）。IP协议是网际互联层最重要的协议，它提供的是一个不可靠、无连接的数据报传递服务。,66,（4）TCP层,TCP层对应于OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能。该层定义了两个主要的协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP协议提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务；而UDP协议提供的则是不可靠的、无连接的数据传输服务
24、。,67,（5）应用层,应用层对应于OSI参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等支持例如HTTP、SMTP等用户应用。,68,图2-11 TCP/IP五层协议体系结构,69,8OSI vs TCP/IP,图2-12 OSI模型与TCP/IP模型的比较,70,2.4 宽带无线通信物理层关键技术,1什么是扩频通信,2.4.1 扩频技术,扩频通信，即扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽
25、之比将高达几百甚至几千倍。,71,扩频通信是将待传送的信息数据伪随机编码，即扩频序列调制，使信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，实现频谱扩展后再传输，频带的扩展通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关，接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。,72,图2-13 扩频通信时域和频域特性示意图,73,2扩频通信的理论基础,根据香农（）在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式：C=B log2(1+S/N)（bit/s）式中，B为信道带宽,单位为Hz；S/N是平均信号噪声功率比（信噪比）。,74,由式中可以看出：为了提高信息的
26、传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。,75,扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。,76,例：信噪比为S/N=-20dB，求带宽至少为多少时，信道容量可以达到3kb/s。（210KHz）。,说明在噪声比信号功率大100倍的情况下，信息速率3kb/s的信号在210KHz的信道上仍然可以保证可靠通信。,77,结论说明使
27、用增大信号带宽的方法，即使在信号功率远远小于噪声功率的情况下，也完全可以实现无差错的传输。扩频通信正好是利用这一原理。用高的扩频码来扩展待传输信号带宽的手段，达到系统抗干扰能力的目的。,78,3频谱扩展的实现,频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。,79,目前扩频系统常见的PN码有以下三种：（1）m序列，
28、即最长线性移位寄存器序列；（2）GOLD序列；（3）WALSH函数正交码。选择PN要考虑长度、相关性、正交性和比特平衡性。,80,当选定一种PN序列（即扩频码序列）后，如m序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息“1”和“0”。系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解调出原始信息，从而区分出不同用户的不同信息。在发射前注入扩频序列，提高码速率的过程叫做扩频。相反的在接收端去除扩频序列的过程叫做解扩。,81,图2-14 扩频通信原理框图,82,4扩频系统的处理增益与干扰容限,在
29、扩频系统中，传输信号经过扩频和解扩的处理，系统的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处，称之为扩频系统的处理增益（扩频增益）。其定义为解扩器输出端基带数字信号的信噪比(S/N)out与解扩器输入端扩频码流的信噪比(S/N)in的比值。Gp一般在2060dB之间。,（1）处理增益Gp,83,经分析可知：,Bc：扩频信号带宽Bb：传输的信息带宽Rc：扩频后传输速率Rb：信息速率,84,例：某扩频通信系统，扩频后带宽为20MHz，原始信号带宽为20KHz，求系统的处理增益。,解：,Gp=10lg(20M/20K)=30dB,说明扩频后系统增益提高了30dB。,85,所谓干扰容限，是指在保证系统工
30、作正常的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，Mj定义如下：,（2）干扰容限Mj,Mj=Gp-Ls+(S/N)in(dB),其中，Gp：处理增益 Ls：系统损耗(S/N)in：接收机输入端的信噪比,86,在Gp和Ls一定的情况下，为了提供一定的通信质量，规定接收机输入端的信噪比必须达到一个最低的分贝值(S/N)in,min。这样，由同时通信用户的干扰造成的对信噪比的降低就不能太大，不能超过最大容限Mj,max。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，即只有当干扰功率超过干扰容限时，才能对扩频系统形成干扰。因而干扰容限往往比处理增益更确切地反映系统的抗干扰能力。
31、,87,例：一个扩频系统的处理增益是33dB，系统损耗造成的信噪比降低3dB，系统的解调器要求其输入信噪比最小为6dB，求该系统的干扰容限。,解：,如果干扰引起的信噪比降低超过24dB，接收机输入端的信噪比就将低于6dB，通信质量就得不到保证。,Mj,max=Gp-Ls+(S/N)in,min=33-3-6=24（dB）,88,5扩频通信系统的分类,根据扩展频谱的方式，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（Direct-Sequence SpreadSpectrum,DSSS）跳频扩频（Frequency-Hopping Spread Spectrum,FHSS）跳时扩频（Time-Hopping
32、 Spread Spectrum,THSS）混合扩频，如 DS/FH系统、DS/TH系统、FH/TH系统等。,89,（1）直接序列扩频(DSSS),所谓DSSS，就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。,90,图2-15 信息的频谱扩展过程,91,图2-16 扩频信号的解扩过程,92,在发端，信息码经码率较高的 PN 码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次“模二相加”的过程。,93,图2-17 直扩系统
33、频谱宽度与功率谱密度示意图,94,从上图的能量面积图示看出，待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升。相对于信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。,95,直扩系统的优点：具有较强的抗干扰能力；具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力；具有选址能力，可实现码分多址；抗衰落，特别是抗频率选择性能好；抗多径干扰；可进行高分辨率的测向、定位。直扩技术主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、保密通信、测距和定位等方面。,96,直扩系
34、统缺点和局限性：由于占用带宽较大，因此在工作频段内信道较少，如果同类型设备在较近范围内工作会影响性能，所以多应用于较短距离高速数据通信；直扩系统的接收机存在明显的远近效应。所谓远近效应是指大功率的信号（近处的电台）抑制小功率信号（远端的电台）的现象；直扩系统的处理增益受限于码片速率和信源的比特率。处理增益受限，意味着抗干扰能力受限，多址能力受限。,97,（2）跳频扩频(FHSS),FHSS就是用扩频的码序列去进行移频键控（FSK）调制，使载波的频率不断地跳变。跳频系统的跳变频率有多个，多达几十各甚至上千个，由传送的信息与这些扩频码的组合进行选择控制，在传送中不断跳变。在接收端，由于有与发送端完
35、全相同的本地发生器发生完全相同的扩频码进行解扩，然后通过解调才能正确地恢复原有的信息。,98,图2-18 跳频扩频系统方框图,99,图2-19 跳频扩频示意图,100,跳频通信一般分为两种：跳频频率高于信元码率时，称作快速跳频（FFH）。跳频频率低于信元码率时，称作慢速跳频（LHF）。,101,图2-20 慢速跳频系统跳频图案,102,图2-21 快速跳频系统跳频图案,103,跳频系统的优点：跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性；由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力；利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力；利用跳频图案的的
36、正交性可构成跳频码分多址系统；跳频系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信；跳频系统无明显的远近效应。,104,跳频系统缺点和局限：信号的隐蔽性差；跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限；快速跳频器的限制。,105,跳频系统的主要用途：目前，跳频系统主要用于军事通信，如战术跳频电台、抗干扰等，但也正在迅速地向民用通信渗透，如移动通信、数据传输、计算机无线数据传输、无线局域网等。,106,（3）FHSS与DSSS的比较,抗强的定频干扰 直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰目的的，但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性能急剧恶化。而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰
37、，强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率，若跳频系统的频道数很大，则对系统性能的影响是不严重的。因此，在抗强的定频干扰上，跳频系统比直扩系统优越。,107,抗衰落 抗衰落特别是抗选择性衰落时直扩优于跳频，这是由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变，而对跳频系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能的恶化。,108,抗多径干扰 抗由于直扩系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径就不能对直扩系统形成干扰，直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统的性能。而跳频系统则不然，跳频系统要抗多径干扰，则要求每一跳
38、的驻留时间很短，即要求快跳频，在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。,109,“远近”效应“远近”效应对直扩系统的影响很大，而对跳频系统的影响就小得多。,同步 由于直扩系统的伪随机码速率比跳频的伪随机码速率要高得多，因此直扩系统的同步精度要求高，因而同步时间也长，入网慢。直扩同步时间一般在秒级，而跳频可以在毫秒级完成，因此在同步方面，跳频优于直扩。,110,信号处理 直扩系统一般采用相干检测，而跳频系统由于频率不断变化，频率的跳变需要一定的时间，因而多采用非相干检测。因此从性能上看，直扩系统性能优于跳频；但从实现来看，相干检测需要恢复载波，必然增加系统的复杂程度，恢复载波的频率和相
39、位的偏差，又会降低系统性能，在一些对设备要求严格的场合，如移动通信等，就难以满足要求。,111,通信安全保密 直扩信号谱密度低，信号淹没在噪声之中，可防窃听、防测向，是不可见的。而跳频系统虽然在很宽的频带上跳变，但其瞬时功率谱是较大的，是可见的，因而保密性能不如直扩系统。,112,组网能力 直扩系统和跳频系统都具有很强的组网能力。在移动通信中，CDMA系统的频谱利用率是模拟蜂窝传输系统的频谱利用率的二十多倍，是第一代TDMA系统的六倍。直扩系统用不同的伪随机码可组成不同的网，跳频系统用不同的跳频图案组成不同的网。就直扩和跳频系统而言，跳频系统的组网能力和频谱利用率略高于直扩系统。,113,与窄
40、带系统的兼容性 直扩系统是一个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源（如话音）需作预先处理（如语音编码后），才可接入直扩系统。而对跳频系统而言，由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。兼容的好处在于：先进的跳频电台可以与常规的电台互通，或者将常规电台加装抗干扰的跳频模块就可以变成跳频电台。而且，跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。,114,6扩频技术发展现状,扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频
41、系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。,115,对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，如DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。2G中欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95标准采用DS-CDMA技术取得了巨大成功。在3G标准中（除了WiMAX）也都采用了某种形式的CDMA，因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。,116,1概述,2.4.2 OFDM技术,OFDM（Orthogonal Frequency Division
42、Multiplexing），即正交频分复用技术，实际上是一种MCM（多载波调制）技术。其主要思想是：将整个信道分割成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一。,117,正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。,118,在传统的频分复用（FDM）系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间
43、不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。,119,图2-22 OFDM时域和频域特性示意图,120,OFDM系统中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰（ISI）。如果用
44、循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的子载波间干扰（ICI）。,121,OFDM主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）、WiMAX、LTE等。,122,2OFDM发展历史,OFDM并不是如今才发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近50年的历史，开始主要用于军用的无线高频通信系统，但由于系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。,123,最初的思想于1960年代中期
45、提出，采用并行数据传输和频分复用（FDM）。1960年代，OFDM在一些高频军事通信系统中得到应用。1971年，Weinstein 和 Ebert 提出利用DFT变换来实现OFDM的调制解调.进一步利用FFT变换为降低OFDM的实现复杂度提供了条件。,124,1980年代，人们研究在数字移动通信的高速调制解调和高密度存储中应用OFDM技术。利用导频加强载波和频率的稳定性，引入网格编码技术。1980年，Hirosaki提出采用均衡算法克服由于信道冲激响应不理想以及定时和频率偏差造成的符号间干扰ISI和载波间干扰ICI。1981年，Hirosaki用DFT完成的OFDM调整技术，试验成功了16QA
46、M多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。,125,1990年代，OFDM技术在宽带数据通信中得到应用。移动广播无线FM信道有线传输HDSL、ADSL、VDSLDABDVB HDTV 无线局域网IEEE 802.11a IEEE 802.11g HiperLAN/2,126,现在：已成为欧洲的DAB和HDTV标准OFDM/UWB（）IEEE 802.16（WiMAX）IEEE 802.20，即MBWALTE的下行传输4G的首选方案,127,3OFDM基本原理,系统的通信能力实际上受制于信道的传播特性。对于高速数据业务，发送符号的周期可以与时延扩展相比拟，甚至小于时延扩展，此时将引入
47、严重的码间干扰，导致系统性能的急剧下降。信道均衡是经典的抗码间干扰技术，在许多移动通信系统中都采用了均衡技术消除码间干扰。但是如果数据速率非常高，采用单载波传输数据，往往要设计几十甚至上百个抽头的均衡器。,128,OFDM系统既可以维持发送符号周期远远大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，并且不需要复杂的信道均衡。OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。,129,（1）OFDM系统结构,图2-23 OFD
48、M系统的结构,130,（2）串行和并行的概念,图2-24 串/并变换原理,131,传统串行通信系统中，符号连续串行传输每个数据符号占用所有可用频带。当数据速率很高时，在频率选择性衰落信道和多径时延扩展信道中会产生严重的符号间干扰。并行传输时，单个数据只占用整个频带的一部分。由于整个信道带宽被分割成多个窄带子频带，单个信道的频率响应相对较为平坦，并行传输体制提供了对抗串行传输体制频率选择性衰落的可能性。,132,（3）调制与映射,数据到星座点的映射特性决定了调制特性。一个OFDM信号包含多个子载波之和，每个子载波可以是MPSK或QAM信号。OFDM常用的调制形式：MPSKQAM,133,（4）I
49、FFT和FFT,OFDM应用IDFT和DFT方法来实现正交子载波的调制与解调,大大降低了OFDM系统实现的复杂度。IFFT和FFT 算法是它们的快速实现形式。,134,考察一个数据序列：,其中，fk=k/(N t)，tn=n t，t是串行数据 Xk 的符号周期。,135,低通滤波后：,136,（5）正交性,对数字通信系统：,137,对OFDM系统需考虑以下两种子载波间的正交性情况：每个子载波在FFT处理时间内严格地有整数个周期。相邻子载波的上述周期数正好相差为1。,138,图2-25 OFDM子载波的时域和频域正交性,时域 频域,139,（6）保护间隔和循环前缀,OFDM符号周期,图2-26
50、OFDM符号周期,140,OFDM系统需考虑的两类干扰,符号间干扰Inter symbol interference（ISI）：同一子信道在连续的时间间隔为T的FFT帧之间的串扰。载波间干扰Inter carrier interference（ICI）：同一FFT帧内相邻子信道或频带间的串扰。,141,保护间隔,为了消除码间干扰，需要在OFDM的每个符号中插入保护间隔（保护时间），只要保护间隔大于多径时延扩展，则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。保护时间内可以完全不发送信号。但此时由于多径效应的影响，子载波可能不能保持相互正交，从而引入了子载波间干扰。,142,TgTdelay-spread
