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无线通信关键技术介绍
主讲人:孔繁庭
2018/9/2
1
一、从有线通信到无线通信
1. 莫尔斯电码（通、断、长断） 1844年5月24日，华盛顿-巴尔的摩，64.4km， “ 上帝创造了何等奇迹！” 2. 1876年3月7日，贝尔获得发明电话专利，专 利证号码NO:174655。 “沃森特先生，快来帮我 啊！” 3. 电磁波的发现：1820年，丹麦物理学家奥斯 特发现变化的电流通过导线会引起磁针的偏转， 英国物理学家法拉第指出该实验证明了“电能生 磁”，即“电磁感应现象”；1864年，麦氏发表 了电磁场理论，成为人类历史上预言电磁波存在 的第一人。1887年，亨利希·鲁道夫·赫兹通过 实验证明了电磁波的存在。 2018/9/2 2
4. 无线电报的发明-“要是我能指挥电 磁波，就可飞越整个世界” 1896年，俄国的波波夫成功地用无线电 进行莫尔斯电码的传送，距离为250米， 电文内容为——“海因里斯·赫兹”； 在1897年5月18日，意大利的马可尼，通 过改进了的无线电传送和接收设备，在 英国的布里斯托尔海峡进行无线电通信 取得成功，把信息传播了12公里；于 1909年获得诺贝尔物理学奖。
2018/9/2 8
Hale Waihona Puke Baidu
无线信号传播
理想情况下，无线信号在从发射器到接 收器间的一条直线上传播，称为“视线” （line of sight, LOS） 实际情况下，由于传输障碍物等传输环 境的影响，无线信号的传播将发生如下 三种现象：反射、衍射和散射。其中物 体的几何形状决定了将产生哪种现象。
2018/9/2 9
2018/9/2
6
无线传输的电磁频谱
2018/9/2
7
无线频谱的分配
频率统一分配（FCC/ITU_R/各个国家）
– 根据信息类型分配频谱（AM/FM无线电台、TV 、蜂窝电话…）
工业科学医学频段（ISM）
– 可自由使用但限制功率 – 专用于非许可的商业用途
• 救护车、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等
反射（reflection）
反射：当信号遇到表面大于信号波长的 障碍物（地球表面、高建筑物、大型墙 面）导致信号的相位发生漂移
2018/9/2
10
衍射（Diffraction）
衍射：当信号遇到大于波长的不可穿透物的边 缘（如无线电波中途遇到的尖锐不规则的边缘 物），即使没有来自发送器的视线信号，也可 接收到信号。
2018/9/2
18
对已调信号的要求
针对无线通信信道的特点，已调信号应 具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、 抗衰落的能力。即： 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。
2018/9/2
19
抗衰落及抗干扰技术
1.分集技术 陆地移动信道、短波电离层反射信道等随 道引起 的多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散 等，会严重影响接收信号质量，使通信系统性能大大 降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用 抗衰落的有效措施。常采用的技术措施有抗衰落性能 好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交 织结合的差错控制技术、分集接收技术等。其中分集 接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、 移动通信系统中得到广泛应用。
2018/9/2
11
散射（Scattering）
散射：当信号遇到波长更小的物体（树 叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的出 境信号
2018/9/2
12
散射（Scattering）
散射还与障碍物表面的粗糙度有关。表 面越粗糙，越容易引起散射。 例如，
– 在户外，树木和路标都会导致移动电话信号 的散射。 – 在室内，椅子、书籍和计算机都会导致无线 Lan信号的散射。
2018/9/2 3
5.无线电通信的发明 —载着声音飞翔的电波
无线电广播之父——美国人巴纳特·史特波斐德，他 于1886年便开始研究无线电广播，在1902年，他在肯 塔基州穆雷市进行了第一次无线电广播。他们在穆雷 广场放好话筒，由巴纳特·史特波斐德的儿子在话筒 前说话、吹奏口琴，他在附近的树林里放置了5台矿石 收音机，均能清晰地听到说话和口琴声，试验获得了 成功。之后又在费城进行了广播，并获得了专利权。
2018/9/2
20
分集接收技术是分别接收若干个独立地 携带同一信息的信号，并将它们合并在 一起，这些信号同时被衰减掉的概率很 小，因而可改善随参信道的传输特性。
2018/9/2
21
分集原理
所谓分集接收， 是指接收端按照某种方式使它收到的 携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多 个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏， 减小各种衰落对接收信号的影响。从广义信道的角度 来看，分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分， 通过分集接收使包括分集接收在内的随参信道衰落特 性得到改善。 分集接收包含有两重含义：一是分散接收，使接收端 能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号； 二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰 落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善 系统性能。
2018/9/2
4
与此同时，无线电通信逐渐被用于战争。 在第一次和第二次世界大战中，它都发 挥了很大的威力，以致有人把第二次世 界大战称之为“无线电战争”。
二、无线通信的特点
1.传输环境的复杂性 2.电磁波的传播不需要任何有形介质 3.接收信号的时变多径 4.多个无线电载波同存于同一空间 5.频率资源有限，需统一划分
解 调
电 信 号
信 宿
消 息
无线通信系统框图
2018/9/2 16
调制技术
调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成 传输的信 号。该信号称为已调信号。 调制过程用于通信系统的发端。在接收端需 将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。
2018/9/2
17
按照调制器输入信号(该信号称为调制信号)的形 式，调制可分为模拟调制(或连续调制)和数字调制。 模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制(或改变)载 波(正弦波)的振幅、频率或相位，从而得到调幅(AM) 、 调频(FM)或调相(PM)信号。 数字调制是利用数字 信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的数字调 制有：ASK、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等。
2018/9/2
13
电波的多径传播和衰落
电波传播的长期慢衰落
由传播路径上固定障碍物的阴影引起，也称为阴影衰落。
2018/9/2
14
无线传输技术
调制技术 抗衰落及抗干扰技术 多天线与空时编码技术 多址技术
2018/9/2
15
调制技术
电 信 号
信 源
调 制
发 无线信道 射 机
噪声 和干 扰
接 收 机
主讲人:孔繁庭
2018/9/2
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一、从有线通信到无线通信
1. 莫尔斯电码（通、断、长断） 1844年5月24日，华盛顿-巴尔的摩，64.4km， “ 上帝创造了何等奇迹！” 2. 1876年3月7日，贝尔获得发明电话专利，专 利证号码NO:174655。 “沃森特先生，快来帮我 啊！” 3. 电磁波的发现：1820年，丹麦物理学家奥斯 特发现变化的电流通过导线会引起磁针的偏转， 英国物理学家法拉第指出该实验证明了“电能生 磁”，即“电磁感应现象”；1864年，麦氏发表 了电磁场理论，成为人类历史上预言电磁波存在 的第一人。1887年，亨利希·鲁道夫·赫兹通过 实验证明了电磁波的存在。 2018/9/2 2
4. 无线电报的发明-“要是我能指挥电 磁波，就可飞越整个世界” 1896年，俄国的波波夫成功地用无线电 进行莫尔斯电码的传送，距离为250米， 电文内容为——“海因里斯·赫兹”； 在1897年5月18日，意大利的马可尼，通 过改进了的无线电传送和接收设备，在 英国的布里斯托尔海峡进行无线电通信 取得成功，把信息传播了12公里；于 1909年获得诺贝尔物理学奖。
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Hale Waihona Puke Baidu
无线信号传播
理想情况下，无线信号在从发射器到接 收器间的一条直线上传播，称为“视线” （line of sight, LOS） 实际情况下，由于传输障碍物等传输环 境的影响，无线信号的传播将发生如下 三种现象：反射、衍射和散射。其中物 体的几何形状决定了将产生哪种现象。
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无线传输的电磁频谱
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无线频谱的分配
频率统一分配（FCC/ITU_R/各个国家）
– 根据信息类型分配频谱（AM/FM无线电台、TV 、蜂窝电话…）
工业科学医学频段（ISM）
– 可自由使用但限制功率 – 专用于非许可的商业用途
• 救护车、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等
反射（reflection）
反射：当信号遇到表面大于信号波长的 障碍物（地球表面、高建筑物、大型墙 面）导致信号的相位发生漂移
2018/9/2
10
衍射（Diffraction）
衍射：当信号遇到大于波长的不可穿透物的边 缘（如无线电波中途遇到的尖锐不规则的边缘 物），即使没有来自发送器的视线信号，也可 接收到信号。
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对已调信号的要求
针对无线通信信道的特点，已调信号应 具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、 抗衰落的能力。即： 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。
2018/9/2
19
抗衰落及抗干扰技术
1.分集技术 陆地移动信道、短波电离层反射信道等随 道引起 的多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散 等，会严重影响接收信号质量，使通信系统性能大大 降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用 抗衰落的有效措施。常采用的技术措施有抗衰落性能 好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交 织结合的差错控制技术、分集接收技术等。其中分集 接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、 移动通信系统中得到广泛应用。
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散射（Scattering）
散射：当信号遇到波长更小的物体（树 叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的出 境信号
2018/9/2
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散射（Scattering）
散射还与障碍物表面的粗糙度有关。表 面越粗糙，越容易引起散射。 例如，
– 在户外，树木和路标都会导致移动电话信号 的散射。 – 在室内，椅子、书籍和计算机都会导致无线 Lan信号的散射。
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5.无线电通信的发明 —载着声音飞翔的电波
无线电广播之父——美国人巴纳特·史特波斐德，他 于1886年便开始研究无线电广播，在1902年，他在肯 塔基州穆雷市进行了第一次无线电广播。他们在穆雷 广场放好话筒，由巴纳特·史特波斐德的儿子在话筒 前说话、吹奏口琴，他在附近的树林里放置了5台矿石 收音机，均能清晰地听到说话和口琴声，试验获得了 成功。之后又在费城进行了广播，并获得了专利权。
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分集接收技术是分别接收若干个独立地 携带同一信息的信号，并将它们合并在 一起，这些信号同时被衰减掉的概率很 小，因而可改善随参信道的传输特性。
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分集原理
所谓分集接收， 是指接收端按照某种方式使它收到的 携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多 个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏， 减小各种衰落对接收信号的影响。从广义信道的角度 来看，分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分， 通过分集接收使包括分集接收在内的随参信道衰落特 性得到改善。 分集接收包含有两重含义：一是分散接收，使接收端 能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号； 二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰 落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善 系统性能。
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与此同时，无线电通信逐渐被用于战争。 在第一次和第二次世界大战中，它都发 挥了很大的威力，以致有人把第二次世 界大战称之为“无线电战争”。
二、无线通信的特点
1.传输环境的复杂性 2.电磁波的传播不需要任何有形介质 3.接收信号的时变多径 4.多个无线电载波同存于同一空间 5.频率资源有限，需统一划分
解 调
电 信 号
信 宿
消 息
无线通信系统框图
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调制技术
调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成 传输的信 号。该信号称为已调信号。 调制过程用于通信系统的发端。在接收端需 将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。
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按照调制器输入信号(该信号称为调制信号)的形 式，调制可分为模拟调制(或连续调制)和数字调制。 模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制(或改变)载 波(正弦波)的振幅、频率或相位，从而得到调幅(AM) 、 调频(FM)或调相(PM)信号。 数字调制是利用数字 信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的数字调 制有：ASK、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等。
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电波的多径传播和衰落
电波传播的长期慢衰落
由传播路径上固定障碍物的阴影引起，也称为阴影衰落。
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无线传输技术
调制技术 抗衰落及抗干扰技术 多天线与空时编码技术 多址技术
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调制技术
电 信 号
信 源
调 制
发 无线信道 射 机
噪声 和干 扰
接 收 机