第3章第4讲 扩频通信、抗衰落技术

——空间分集的两种变化形式：极化分集和角度分集
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频率分集(Frequency Diversity)
频率分集是将待发送的信息分别调制到频率不相关的载 波上发送，只要载频间隔大于相干带宽，则接收端所接 收到信号的衰落是相互独立的。 在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频 谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频 率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多 的频谱资源，在发端需要多部发射机。
CDMA网络与GSM网络完全不同，由于不再把信道和用户分开考 虑，也就没有了传统的覆盖和容量之间的区别。一个小区的业务 量越大，小区面积就越小。因为在CDMA 网络中业务量增多就意 味着干扰的增大。这种小区面积动态变化的效应称为小区呼吸。 “小区呼吸”动态分配小区负荷，改善网络覆盖，增加系统容量
5．空分多址
2．CDMA系统地址码和扩频码的应用
主要可以分为3类: （1）用户地址码。 （2）信道地址码。 （3）小区地址码。
3 扩频通信的主要性能指标
(1)．扩频处理增益
处理增益G定义为频谱扩展后的信号带 宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即
B2 R2 T1 G B1 R1 T2
（4-23）
（3）．频带利用率
频带利用率就是传输的数据率（bit/s） 与数字信号所占的频带（Hz）之比单位为 bit/s/Hz。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
多址技术主要是解决如何使多用户共享系统无线资源的问题。 必须对不同移动台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基 站能从众多移动台的信号中区分出哪一个移动台发出来的信 号，而各移动台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自 己的信号。
显分集
微分集
分集技术
（多套设备实现分集）
隐分集
交织编码技术 跳频技术 直接扩频技术
显分集：采用多套设备实现分集； 隐分集：采用一套设备而利用信号设计与处理技术来实现的分集为隐 分集。
1、分集技术分类
按“集”划分，即按照集合、合并方式划分，可分为： 最大比值合并、等增益合并、选择式合并。
2、获得分集信号的方式
图3-39 3种接入方式示意图
频分多址（FDMA）是不同用户使 用不同频带实现信号分割。 时分多址（TDMA）是不同用户使 用不同时隙实现信号分割。 码分多址（CDMA）是所有用户使 用同一频带在同一时隙传送信号，其信 号分割是利用不同地址码波形之间的正 交性（或准正交性）来实现的。 空分多址（SDMA）是利用空间分 割构成不同的信道分配给不同的用户。
跳频分慢跳频和快跳频。 慢跳频:跳频速率低于信息比特速率，即连续几个信息比特跳频一次； 快跳频:跳频速率高于信息比特速率，即每个信息比特跳频一次以上。
2．扩频通信系统主要特点
（1）抗干扰能力强。 （2）多址能力强。 （3）保密性强，抗截获、抗检测能力强。 （4）抗衰落能力强。 （5）抗多径能力强。 （6）高分辨率测距。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
在移动通信系统中，用户由于使用 共同的传输媒介，各用户间可能会产生 相互干扰，称为多址干扰。
根据不同的参量进行分割，多址技术可 以分为频分多址（FDMA）、时分多址 （TDMA）和码分多址（CDMA）
图3-39是FDMA、TDMA和CDMA 3 种接入方式的示意图。
采用分集技术便可在接收终端上大大降低深衰落的影响，从 而改善传输的可靠性。对于阴影衰落造成的宏观信号衰落可 使用宏观分集；对于多径传播造成微观衰落可使用微观分集。 宏分集（也叫多基站分集）：为了消除阴影区域产生的 信号衰落，将多个基站设置在不同的地理位置和不同的方 向上同时和小区内的一个移动台进行通信。 微分集：在一个局部区域接收到无线信号在空间、角度、 频率、时间等方面呈现出独立性，因此对应的分集方法有 空间分集、极化分集、角度分集、频率分集、时间分集和 分量分集等多种。
空分多址（SDMA）利用空间的分 割来构成不同的信道。 空分多址技术是卫星通信的基本技 术。 在陆地蜂窝移动通信系统中，需要 面对如下问题。
（1）基站完全控制了前向链路上所有发 射信号的功率。 （2）发射功率受到用户单元电池能量的 限制。
陆地移动通信系统中实现SDMA的 关键技术是“智能天线”。 图3-42所示为利用波束赋形技术实 现SDMA的示意图。
2．频分多址
频分多址（FDMA）是基于频率划 分信道的，把可以使用的总频段平均划 分为N个频道，这些频道在频域上互不重 叠，每个频道就是一个通信信道，如图 3-39（a）所示。
在模拟蜂窝移动通信系统中通常采 用频分多址，而在数字蜂窝系统中，则 很少单独采用频分多址的方式。
3．时分多址
时分多址（TDMA）是在同一载波 上，将时间分成周期性的帧，每一帧再 分割成若干的时隙（每一帧和每个时隙 都互不重叠），每个时隙是一个通信信 道，分配给用户使用，如图3-39（b）所 示。 TDMA的帧结构如图3-40所示。
图3-40 TDMA的帧结构
和频分多址比较，时分多址具有如 下特点。 （1）抗干扰能力强，频带利用率高，系 统容量大。 （2）基站复杂度降低，互调干扰小。 （3）越区切换简单。 （4）系统需要精确的定时和同步。
4．码分多址
（1）码分多址的特点 3G的三大主流标准WCDMA、 CDMA2000和TD-SCDMA中，都采用了码分 多址（CDMA）技术，因此CDMA成为3G系 统的最佳多址接入方式。
第3章 移动通信基本技术
3.2 扩频通信
3.3
抗衰落技术
3.2 扩频通信
基本理论基础：
根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容 量公式，即香农公式：C = W×Log2(1+S/N) 式中：C--信息的传输速率 S--有用信号功率 W--频带宽度 N--噪声功率 由式中可以看出：为了提高信息的传输速率C，可以从两 种途径实现，既加大带宽W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W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。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。
空间分集(Space Diversity) 空间分集在发端采用一副天线发射，而在接收端采用多副间隔 距离d≥λ /2（λ 为工作波长）的天线接收，以保证接收天线输出信 号的衰落特性是相互独立的。经相应的合并电路从中选出信号幅度较 大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低 了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。该技术在FDMA、TDMA及 CDMA移动通信系统中都有应用。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
其目的是区分多个动态地址，且必须在射频段实现。实现多 址连接的理论基础是信号分割技术。在发送端通过恰当的信 号设计使信号按某种参量相互正交或准正交，以实现各站信 号的差异性；在接收端有信号识别能力，能从混合信号中分 离选择出相应的信号。Βιβλιοθήκη 复用针对资源，多址针对用户！！
式中，T1为信息数据脉宽， T2为PN码的码元宽度， R1为信息速率， R1=1/T1， R2为PN码的时钟速率， R2=1/T2。
处理增益也可表示为
( S / N )out G ( S / N )in
（4-24）
式中，(S/N)out为扩频解扩后的信噪 比，(S/N)in为扩频解扩前的信噪比。
3.2.3 扩频系统中常用的扩频码
1 理想地址码和扩频码的特点
（1）良好的自相关和互相关特性。 （2）尽可能长的码周期。 （3）足够多的码序列。 （4）易于产生、复制、控制和实现。
目前常用的、较为理想的扩频码和 地址码有： 伪随机（PN）码 沃尔什（Walsh）码 正交可变速率扩频增益（OVSF）码
直接序列扩频：通过扩频序列直接与基带脉冲数据相乘来 扩展基带数据。即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。伪随机序列的一个 脉冲或符号称为一个“码片”。 直接序列扩频通信系统是以直接扩频方式构成的扩展频谱通 信系统，通常简称直扩（DS）系统，又称伪噪声（PN： Pseudo-Noise）扩频系统。
（2）CDMA移动通信系统具有的特性
① 多址干扰 ② 远近效应 ③ 边缘问题 ④ CDMA系统接收的特点 ⑤ CDMA系统软容量的特点 ⑥ CDMA系统的小区呼吸效应 ⑦ 软切换
图3-41 软容量示意图
当相邻小区的负荷不相同时，负荷重的小区降低发射 功率，使本小区边缘的用户切换到临近小区，从而实 现负载控制
直扩系统组成原理框图
扩频系统示意图
跳频序列扩频通信系统
跳频系统的组成原理框图
跳频信号的时域矩阵图
从时域上看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从 频域上看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上随机跳变 的不等间隔的频率信道。图中载波频率跳变次序是： f5→f4→f7→f0→f6→f3→f1。如果从时间-频率域来看， 跳频信号为一个时-频矩阵，每个频率持续时间为Tc秒。
扩频通信系统有以下两个特点。 （1）传输信号的带宽远大于被传输的原始信 号的带宽。 （2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定， 此扩频函数通常为伪随机编码信号。
2．典型扩频通信系统框图
图3-37是一个典型的扩频通信系统框 图。 由发送端、接收端和无线信道3部分 组成。
图3-37 典型的扩频通信系统框图
3.2 扩频通信 3.2.1 扩频通信技术简介
1．扩频通信
扩频通信，即扩展频谱通信，就是在发 送端用某个特定的扩频函数，如伪随机编码 序列，将待传输的信号频谱扩展至很宽的频 带，变为宽带信号，送入信道中传输；在接 收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频 谱进行压缩，恢复到基带信号的频谱，从而 达到传输信息、抑制传输过程中噪声和干扰 的目的。