无线通信系统与技术

无线通信技术
1、概述
无线通信（Wireless Communication）是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。

无线通信与有线通信相对。

无线通信技术是近些年信息通信领域中发展最快、应用最广的通信技术。

在移动中实现的无线通信通称为移动通信，二者合称为无线移动通信。

无线通信的特点：
➢利用无线电磁波进行信息传输
➢占用无线频谱资源
➢电磁波信号强度随着距离增加而不断衰减
➢无线移动通信引起多普勒效应
➢在复杂的干扰环境中运行
➢环境的干扰
➢无线信号间的干扰
2、通信系统模型
通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传输媒质构成的总体。

通信系统由发送端、接收端和传输媒介组成。

通信机的发送端由信息源和发射机组成，接收端由接收机和终端设备组成，信号通过空间电磁波传送。

发射机（TX）对原始信号进行转换，形成已调制射频信号（高频电磁波），通过发射天线送出。

接收机（RX）接收信号，放大、变频后，将其进行解调，再送给终端设备。

图1 通信系统模型
3、模拟信号和数字信号
通信传输的消息可分为模拟消息（如：声音）和离散消息（如：文字）。

模拟消息的原始信息电信号的参量连续变化，成为模拟基带信号。

数字消息的原始电信号参量离散取值，称为数字基带信号。

传输数字基带信号的数字通信系统逐渐取代传输模拟基带信号的模拟通信系统。

对于模拟基带信号，可以通过信源编码技术转换成数字基带信号，再进行传输，信号接收后再经过信源译码技术恢复成模拟基带信号。

数字信号的优点：
✓信号可以再生（便于存储）
✓信道容量较大
✓安全性好（可以进行加密）
✓可以进行差错控制
✓可传送数据
数字信号的缺点：
与模拟方式相比，传送同样数量的信息需要更大的系统带宽。

图2 模拟信号和数字信号
4、发射机
数字通信系统的发射机主要由编码器、调制器和放大器等组成。

发射机对原始电信号进行转换，形成射频(RF)信号。

图3 发射机功能流程示意图
5、接收机
数字通信系统的接收机主要由放大器、调制器和解码器等组成。

射频(RF)信号经过处理后，输出音频信号或将数据送到终端设备。

图4 接收机功能流程示意图
6、通信系统中的语音处理
（1）模拟通信系统中的语音处理
语音信号频率范围一般在300Hz-3400Hz。

使用带通滤波器将传输的语音信号频率限制在300Hz-3000Hz（基本上仍然可以保证通话质量）。

在发送前使用预加重(Pre-emphasis)技术将信号提高6dB，然后在信号接收后再去加重(De-emphasis)，这样可以减少输出功率噪音，而又不使信号失真。

使用压缩器(Compressor)和扩展器(Expandor)减少输入语音信号的动态范围影响，将话音信号的动态范围由80dB压缩为40dB（2:1）。

图7 模拟语音信号处理过程
（2）数字通信系统中的语音处理
语音编译码器CODEC（编码器Coder / 译码器Decoder）CODEC是
数字通信系统的重要部件将语音信号由模拟信号转换成数字信号(编码)，在传输后又转换回模拟信号(译码)。

语音编码包括采样、量化、编码三个过程，译码过程相反。

图8 数字语音信号处理过程
7、调制解调
调制解调器MODEM（调制Modulation / 解调Demodulation）调制就是对信号源信号进行处理，使其变为适合于信道传输的形式。

解调则在接收端将收到的频带信号还原成基带信号。

基带信号：基带信号就是信号源信号，含有直流分量和频率较低的频率分量。

基带信号不能直接用于信道传输，而必须转变为频率非常高的信号。

（天线长度为接收信号波长的1/4时，其发射和接收的转换效率最高。

）基带信号经过调制器变成调制信号，以用于传输。

调制有模拟调制和数字调制两大类。

模拟调制使用基带信号去调制射频。

数字调制先对模拟信号进行编码，再对射频进行数字调制。

评估调制方案性能指标：
➢功率效率
➢带宽效率
➢抗干扰性
➢实现成本
（1）调制原理
信号的幅度、频率、相位是参数电磁波波形的三个基本参数。

为了将信息信号调制在载波上，可以利用此信息信号来改变载波的幅度、频率、相位。

对于模拟通信系统，与模拟信息对应的调制参数是连续变化的。

对于数字通信系统，与数字信息对应的调制参数可以离散取值。

按照调制参数的不同，调制可分为调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。

对于二进制数字信息，可以使用开关键控方式控制调制参数，对应于幅度、频率、相位对应的调制方式分别为：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

（2）数字调制方式
➢ASK：幅移键控，Amplitude Shift Keying
利用基带数字信号的离散取值特点去键控载波幅值大小的调制技术。

以二进制调幅为例，载波在数字信号1或0的控制下通或断。

在信号为“1”时载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为“0”时，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。

➢FSK：频移键控，Frequency Shift Keying
利用基带数字信号的离散取值特点去键控载波频率的调制技术。

以二进制调频为例，信号为“1”时，调制后载波与未调载波频率相同（高频）；信号为“0”时调制后载波频率降低（低频）。

➢PSK：相移键控，Phase Shift Keying
利用基带数字信号的离散取值特点去键控载波相位的调制技术。

以二进制调相为例，信号为“1”时，调制后载波与未调载波同相；信号为“0”
时，调制后载波与未调载波反相。

8、无线通信工作方式
无线通信有单工、半双工和双工三种工作方式。

（1）单工制
单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。

根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。

采用“按键”控制方式，通常双方接收机均处于守候状态。

设备简单，功耗小，但操作不便，通话时易产生断断续续的现象。

一般应用于用户少的专用调度系统，常用于点到点通信。

（2）半双工制
半双工是指基站双工工作、移动台单工工作。

信息双向传输，使用两个频率。

设备简单，功耗小，克服了通话断断续续的现象，但操作仍不大方便。

主要用于专用移动通信系统。

（3）双工制
双工通信是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，亦称全双工通信。

收发双方采用一对频率，同时工作。

操作方便，但电能消耗大。

模拟或数字式的蜂窝电话系统都采用双工制。

双工制也分为同频双工和异频双工。

异频双工采用的是FDD技术，同频双工采用的是TDD技术。

异频双工优点：
➢收发频率分开，可大大减小干扰。

➢不需严格同步，满足高速移动。

异频双工缺点：
➢移动台之间通话需占用两个频道，频谱利用率低。

➢设备较复杂，价格较贵。

9、多址技术
（1）多址技术概念：
在移动通信系统中，有许多用户都要同时通过一个基站和其它用户进行通信。

必须对不同用户台和基站发出的信号赋于不同特征，使基站能从众多用户台的信号中区分出是哪一个用户台发出来的信号，各用户台也能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号。

解决这个问题的办法称为多址技术。

（2）多址方式有:
➢频分多址FDMA （Frequency Division Multiple Access）
➢时分多址TDMA （Time Division Multiple Access）
➢码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）
实际应用中常用到三种基本多址方式的混合多址方式。

（3）多址技术应用：
➢模拟式蜂窝移动通信网采用FDMA
➢GSM网采用TDMA/FDMA混合多址方式
➢CDMA网采用CDMA/FDMA混合多址方式
➢TD-SCDMA网采用TDMA/CDMA混合多址方式
（4）多址技术比较
举例说明：
在一间房子里，有很多人在互相交流。

因为人很多，而谈话的内容又不同，必须采取一定的措施才能使得交流顺畅。

怎么办？
方法1：
将房子分隔成很多小房间，每一组话题相同的人分在一个小房间。

如果将频率作为房间资源的话，那么这个方法相当于FDMA。

方法2：
每个人讲一句，轮流讲。

按时间分配资源相当于TDMA
方法3：
使用不同的语言不同的语言等同于不同的码相当于CDMA。

10、天线技术
（1）天线的定义：
能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波，或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。

（2）天线的功能：
➢能量转换：导行波和自由空间波的转换；
➢定向辐射（接收）：具有一定的方向性。

（3）半波振子
半波振子是天线的基本辐射单元。

根据：C（光速）=f（频率）×λ（波长）得出：波长与频率成反比，结论：频率越低，波长越长，天线越长。

电磁波传播具有“类声性”和“类光性”。

类声性：大尺度衰减特性、小尺度衰减特性、多普勒频移类光性：视距传输特性、反射/ 折射/ 衍射/ 散射特性、阴影效应电磁波“多径”传输特性：
➢空间扩展特性：每条路径经历不同的衰减，叠加不同的干扰和噪声
➢时间扩展特性：每条路径具有不同的时间延迟
➢频率扩展特性：每条路径经历不同的多普勒频移
传输的环境随时间变化，无线通信信道还具有“时变”特性。

11、扩频技术
扩频通信技术：
用来传输信息所用带宽远大于此信息本身带宽的一种通信方式。

传输信息使用的带宽是信息带宽的100倍以上。

扩频原理：以频带换取信噪比
香农公式：C=Bw ×log2 (1+S/N)
C：信道容量（bps）
Bw：信道带宽（Hz）
S：有用信号平均功率（W）
N：噪声的平均功率（W）
香农公式含义：一个信道无误差的传输信息的能力取决于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽。

➢给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比来组合传输。

➢给定信噪比，只要增加用于传输信息的带宽，理论上就可以增加在信道中无误差的传输的信息率。

➢在同样的信道容量下，增大传输带宽可由较小的信号传输功率传送，这表明宽带系统具有较好的抗干扰性（通常所谓用带宽换功率）。

扩频通信技术的优点：
➢抗干扰能力强，可抗白噪声、人为干扰、多径干扰等。

➢保密性好。

扩频信号频谱近似白噪声，不知PN序列生成方法就难以获取原
始信息。

➢隐蔽性好。

扩频信号近似白噪声，难以检测，扩频信号功率谱密度很低，难以监听。

➢易于实现大容量多址通信。

易于精确定时和测距。

➢易于采用各种先进的分集技术，如RAKE接收、智能天线等。

扩频技术类型：
➢直接序列扩频（DS）
➢跳频（FH)
➢跳时（TH）
➢混合扩频
12、跳频技术
（1）跳频定义：
在通信时所使用的载波频率在工作带宽范围内，按照某种规律跳变的通信技术。

发射机和接收机都可以跳频，所选用的频率集合中所包含的频点是预先设定好的。

（2）工作原理：
跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按伪随机码的规律不断改变频率。

在接收端，接收机的频率合成器受伪随机码的控制，保持与发射端的变化规律一致。

（3）跳频的作用：
➢可获得一个良好的电波环境。

➢提供给每个用户大体相同的通话质量。

➢可以使用更紧密的频率复用以实现增容。

（4）跳频的优点（引入跳频的原因）：
➢提高频率复用率
➢均化干扰（对多径衰落、同频干扰、邻频干扰都有改善作用）
（5）跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高抗干扰性能越好。

➢快跳频，军用跳频系统可达每秒上万跳。

➢慢跳频，GSM每秒217跳。

➢慢跳频系统实现简单，因此低速无线局域网产品常常采用（一般在每秒50跳以下）。