第五章-通信原理

第5章信道復(fù)用本章學(xué)習(xí)要求：掌握：信道的定義掌握：無線信道與有線信道掌握：復(fù)用技術(shù)和多址技術(shù)掌握：頻分復(fù)用FDM和時分復(fù)用TDM了解：分多址FDMA、時分多址TDMA、碼分多址CDMA和混合多址等幾種方式5．1通信信道概述信道定義：以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。狹義信道:信號的傳輸媒質(zhì)廣義信道:包括有關(guān)的變換裝置調(diào)制信道：編碼信道：有線信道：明線,電纜,光纖,波導(dǎo)管等。無線信道：地波、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼等。關(guān)心的是調(diào)制器輸出的信號形式、解調(diào)器輸入端信號與噪聲的最終特性。編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。狹義信道調(diào)制信道編碼信道明線5雙絞線568A標準：綠白，綠，橙白，藍，藍白，橙，棕白，棕

568B標準：橙白，橙，綠白，藍，藍白，綠，棕白，棕

抗干擾能力較差。帶寬和傳輸距離：決定于銅線的粗細同軸電纜(CoaxialCable)同軸電纜的分類基帶同軸電纜：50歐姆電纜，用于數(shù)字傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率：10Mb/s，信號傳輸距離：1-1.2km。寬帶同軸電纜：75歐姆電纜，用于模擬傳輸。CATV中標準傳輸電纜，帶寬可達：300-450MHz,傳輸距離：100km。同軸電纜的優(yōu)缺點抗干擾能力強帶寬寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離遠。價格貴，很重，無法結(jié)構(gòu)化布線應(yīng)用：電視網(wǎng)絡(luò)、近距離計算機網(wǎng)絡(luò)、長途電話傳輸光纖、光纜軸心：玻璃材質(zhì),用來傳送光波訊號。被覆層：折射率極低的物質(zhì)。外皮：不透光的材質(zhì),用以隔絕外在的干擾源,保護脆弱的軸心。光纖結(jié)構(gòu)纖芯包層按折射率分類階躍型梯度型按模式分類多模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖(a)(b)(c)光電轉(zhuǎn)換器光纖的類型單模光纖：軸心直徑較細,約5~10微米,傳輸距離長,

散射率小,傳輸效能極佳。多模光纖：軸心直徑較寬,約50~100微米,傳輸距離短,傳輸效能略差。光纖工作波段目前，在試驗室中光纖帶寬超過50Tbps；82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps的光纖傳輸已經(jīng)實用常用的三個波長窗口（光纖波段） 0.85um：衰減（attenuation)大，傳輸速率和距離受限制，但價格便宜1.30um：衰減小，無色散（dispersion）補償、功率放大情況下，最大傳40km（最壞情況）1.55um：衰減小，無色散補償、功率放大情況下，最大傳80km（最壞情況）無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km電離層對于傳播的影響反射散射大氣層對于傳播的影響散射吸收電磁波的分類：地波頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米天波頻率：2~30MHz特點：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：17傳播路徑地面圖3-1地波傳播地面信號傳播路徑圖3-2天波傳播復(fù)用技術(shù)

MultiplexingTechniques一般來說，正在通信的兩個站點不會完全用盡數(shù)據(jù)鏈路的全部帶寬。“復(fù)用”(multiplexing)就是使一條數(shù)據(jù)鏈路能同時傳輸多路信號的一組技術(shù)。復(fù)用技術(shù)最常用在使用大容量光纖、同軸電纜或微波鏈路的長途通信方面，以及廣域網(wǎng)的主干連接。P105圖6.1復(fù)用與無復(fù)用

Multiplexingvs.NoMultiplexing鏈路和通道（信道）

LinkandChannel在多路復(fù)用技術(shù)中，“鏈路”一詞指的是物理路線。“通道”（信道）一詞指的鏈路的一部分，它能在一對給定的線路間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。一條鏈路可以有許多(n)條通道。Inmultiplexing,thewordlinkreferstothephysicalpath.Thewordchannelreferstotheportionofalinkthatcarriesatransmissionbetweenagivenpairoflines.Onelinkcanhavemany(n)channels.

在多路復(fù)用技術(shù)中，“鏈路”一詞指的是物理路線?！巴ǖ馈保ㄐ诺溃┮辉~指的鏈路的一部分，它能在一對給定的線路間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

一條鏈路可以有許多(n)條通道。Note復(fù)用技術(shù)種類

CategoriesofMultiplexing異步時分復(fù)用:亦稱統(tǒng)計時分復(fù)用(STDM)5.2頻分復(fù)用(FDM)

Frequency-divisionMultiplexing頻分復(fù)用

FrequencyDivisionMultiplexingFDM是一種模擬技術(shù)，用于鏈路帶寬大于要傳輸?shù)膸茁沸盘枎捴偷那闆r。每路信號都被調(diào)制到一個不同的載波頻率上，然后組合成一個復(fù)合信號。各載波頻率之間應(yīng)有一定間隔（防護頻帶），保證各路信號不會重疊。應(yīng)用示例：廣播電臺和有線電視信道分配后，即使沒有數(shù)據(jù)傳送也被占用。FDM：模擬復(fù)用技術(shù)

FDM:AnalogMultiplexingTechnique如果源端發(fā)送的是數(shù)字信號，復(fù)用前要先轉(zhuǎn)換為模擬信號。頻分復(fù)用是一種模擬多路復(fù)用技術(shù)，用于將多路模擬信號合成為一路復(fù)合信號。FDMisananalogmultiplexingtechniquethatcombinesanalogsignals.Note頻分復(fù)用示意圖

FrequencyDivisionMultiplexingDiagram頻分復(fù)用：“齊頭并進”型復(fù)用P106圖6.3頻分復(fù)用系統(tǒng)FDMSystem復(fù)合基帶調(diào)制信號的頻譜

SpectrumofCompositebasebandmodulatingsignalFDM復(fù)用過程時域圖

FDMMultiplexing,TimeDomain復(fù)用器FDM解復(fù)用過程時域圖

FDMDemultiplexing,TimeDomainP106圖6.5FDM復(fù)用過程頻域圖

FDMMultiplexing,FrequencyDomainFDM解復(fù)用過程頻域圖

FDMDemultiplexing,FrequencyDomain例5個通道,帶寬均為100kHz，如果通道間需要10kHz的防護頻帶，求鏈路的最小帶寬。解：5×100+4×10=540kHz模擬載波系統(tǒng)

AnalogCarrierSystems由美國AT&T公司推出的分級的FDM結(jié)構(gòu)基群12路話音信道(每路4kHz)=48kHz頻譜60kHz～108kHz超群60路話音信道由5個基群信號通過FDM二次調(diào)制形成–超群復(fù)用器主群10個超群組成（600路話音信道）-主群復(fù)用器巨群由６個主群組成模擬載波系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)示意圖

AnalogHierarchyP108圖6.9應(yīng)用示例:ADSL

ExampleofFDMApplicationADSL(非對稱數(shù)字用戶線路）利用現(xiàn)有電話線(實際帶寬1.1MHz)實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)連接非對稱(Asymmetric)的含義下行速率大于上行采用頻分復(fù)用技術(shù)最低的25kHz用于傳統(tǒng)電話話音傳輸使用回聲抵消或FDM技術(shù)來分配兩個頻帶(上行和下行)在頻帶內(nèi)部使用FDM技術(shù)距離可達5.5千米ADSL信道設(shè)置

ADSLChannelConfiguration6.2波分復(fù)用

Wavelength-divisionMultiplexing波分復(fù)用示意圖

Wavelength-divisionMultiplexingDiagram波分復(fù)用：光纖通道上的頻分復(fù)用波分復(fù)用

WavelengthDivisionMultiplexing不同頻率的多路光線在同一光纖上傳輸，即在一根光纖上采用頻分復(fù)用技術(shù)，承載若干不同頻率的光信號。FDM的一種形式。每一種顏色（波長）的光承載一個數(shù)據(jù)信道。波分復(fù)用與分離過程中棱鏡的作用

PrismsinWavelength-divisionMultiplexingandDemultiplexingWDM技術(shù)非常復(fù)雜，原理卻非常簡單：光源的組成與分離由棱鏡完成。P109圖6.115.3時分復(fù)用

Time-DivisionMultiplexingTDM：數(shù)字復(fù)用技術(shù)

TDM:DigitalMultiplexingTechnique如果源端發(fā)送的是模擬信號，復(fù)用前要先轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。時分復(fù)用是一種數(shù)字多路復(fù)用技術(shù)，用于將多個低速通道組合成為一個高速通道。TDMisadigitalmultiplexingtechniqueforcombiningseverallow-rate

channelsintoonehigh-rateone.Note時分復(fù)用示意圖

TimeDivisionMultiplexingTDM:“交替前進”型多路復(fù)用同步時分復(fù)用SynchronousTDMTDM是一種數(shù)字復(fù)用技術(shù)，它將不同源端的數(shù)字數(shù)據(jù)合并到一個時間共享的鏈路上，適用于媒體數(shù)據(jù)速率容量超過要傳輸?shù)膸茁窋?shù)字信號總速率的情況。幾路數(shù)字信號可以通過交替使用不同的“時隙”(timeslot,亦譯成“時間片”或“時槽”)在一條傳輸線路上傳送。交替可以按位、按字節(jié)塊或大數(shù)據(jù)塊進行。時隙被預(yù)先固定分配給每個數(shù)據(jù)源。即使某個數(shù)據(jù)源并沒有數(shù)據(jù)傳送，該時隙也得分配給它。每個數(shù)據(jù)源對應(yīng)的時隙數(shù)量可以是不同的。TDM幀

TDMFrames交替

Interleaving同步時分復(fù)用技術(shù)

SynchronousTDM復(fù)用器將不同的輸入交替組合成幀，然后送入傳輸鏈路。傳輸鏈路的容量必須能容納所有的輸入。如果上圖中每路輸入的帶寬是9.6kbps，傳輸鏈路所需總帶寬至少要48kbps。復(fù)用過程

MultiplexingProcess因為將每個時隙分配給特定的輸入線路，如果這些輸入線路沒有全部進入工作狀態(tài)，就會出現(xiàn)空閑的時隙。上圖中，只有前三個幀是完全填滿的。而24個時隙中有6個空閑未用，意味著鏈路傳輸能力的四分之一被浪費了。同步TDM系統(tǒng)分離過程

DemultiplexingProcess5.6多址通信方式基本概念多址接入與信道分類頻分多址(FDMA),頻道劃分,頻帶獨享,時間共享時分多址(TDMA),時隙劃分,時隙獨享,頻率共享碼分多址(CDMA),碼型劃分，時隙、頻率共享空分多址(SDMA),空間角度劃分,頻率/時隙/碼共享53

多址概念：—以信道區(qū)分通信對象，一個信道只容納一個用戶進行通話，不同的用戶同時進行通話，互相以信道來區(qū)分。多址接入：—如何建立用戶之間的無線信道的連接。多址方式是移動通信網(wǎng)體制范疇，關(guān)系到系統(tǒng)容量，小區(qū)構(gòu)成，頻譜和信道利用效率以及系統(tǒng)復(fù)雜性。54FDMATDMACDMA數(shù)分多址概念CDMA基本原理55共52頁56SDMAFDMATDMACDMA頻分多址(FDMA),頻道劃分,頻帶獨享,時間共享時分多址(TDMA),時隙劃分,時隙獨享,頻率共享碼分多址(CDMA),碼型劃分，時隙、頻率共享空分多址(SDMA),空間角度劃分,頻率/時隙/碼共享57頻分多址方式

系統(tǒng)原理頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess-FDMA):頻道劃分，頻帶獨享，時間共享共52頁58頻分多址方式7.2頻分多址方式FDMA系統(tǒng)的頻譜管理FDD,FrequencyDivisionDuplex共52頁59......反向信道保護頻帶前向信道保護頻隙f1’f2’fN’f1

f2

fN

共52頁60頻分多址方式FDMA系統(tǒng)的特點1.單路單載波傳輸：每個頻道只傳送一路業(yè)務(wù)信息。載波間隔必須滿足業(yè)務(wù)信息傳輸帶寬的要求。2.信號連續(xù)傳輸：在分配好話音信道后，基站和移動臺同時連續(xù)不斷的發(fā)送和接收。3.需要周密的頻率規(guī)劃，是一個頻道受限和干擾受限系統(tǒng)。4.實現(xiàn)簡單，無需自適應(yīng)均衡。5.基站需要多個收發(fā)信道設(shè)備,越區(qū)切換復(fù)雜。6.頻率利用率低，容量小。7.3 時分多址共52頁61GSM系統(tǒng)的幀長為4.6ms（每幀8個時隙），每一個時隙分配給一個用戶。時分多址系統(tǒng)原理（TimeDivisionMultipleAccess-TDMA):時隙劃分，時隙獨享，頻率共享共52頁627.3時分多址時分復(fù)用各個移動臺在上行幀內(nèi)只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號。為了保證在不同傳播時延情況下，各移動臺到達基站處的信號不會重疊，通常上行時隙內(nèi)必須有保護間隔，在該間隔內(nèi)不傳送信號?；景错樞虬才旁陬A(yù)定的時隙中向各移動臺發(fā)送信息。2TDMA的幀結(jié)構(gòu)63保護間隙TDMA/TDD:64一個幀......反向信道保護間隙前向信道保護時隙t1’t2’tN’t1

t2

tN

移動臺A基站基站移動臺B時分多址TDMA/FDD(GSM):65f前向信道反向信道tt…………t1t2t3t4tNt1’t2’t3’t4’tN’延時3個時隙移動臺A基站基站移動臺A

時分多址TDMA系統(tǒng)的同步與定時位同步針對每個時隙，接收機解調(diào)所需方法（1）用專門的信道傳輸（2）插入業(yè)務(wù)信道中傳輸幀同步針對每個幀，進行復(fù)用/解復(fù)用所需方法：在每幀的前面設(shè)置一個同步碼同步碼的要求：傳輸效率高（碼短）同步可靠性、抗干擾強（碼長）建立時間短、錯誤捕獲概率小、同步保持時間長、失步概率小66矛盾7.3時分多址TDMA系統(tǒng)的特點突發(fā)傳輸速率高>語音編碼速率，N·Rbit/s；發(fā)射信號速率隨N的增大而提高,需要自適應(yīng)均衡；不需雙工器；基站復(fù)雜性減小，只需一部收發(fā)信機；頻率利用率高，容量大越區(qū)切換簡單共52頁675.6CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)

5．6．1CDMA系統(tǒng)的基本原理5．6．1．1CDMA的基本概念頻分多址FDMA時分多址TDMA碼分多址CDMA三種基本多址接入方式示意5．6．1．2CDMA移動通信系統(tǒng)分類根據(jù)系統(tǒng)所采用的擴頻技術(shù)，即獲得寬帶信號所采用的調(diào)制方式進行劃分，把CDMA移動通信系統(tǒng)分為直接序列擴頻DS系統(tǒng)、跳頻FH系統(tǒng)、跳時TH以及它們的混合等幾種。

1.

直擴DS方式——直接序列擴頻調(diào)制方式，它將數(shù)字信號與高速率的擴頻序列碼直接相乘后調(diào)制到載波上進行發(fā)射，其原理框圖如下圖所示。2.跳頻FH方式——簡稱FH方式，其載頻在同一個時間周期內(nèi)不變，但在下一個時間周期內(nèi)卻可能跳變到了另一個許可的頻率上，其跳變的模式由偽隨機擴頻序列碼決定。一般將所有可用的載波頻率集合稱為跳頻集。DS—CDMA收發(fā)框圖

FH—CDMA收發(fā)框圖

載波發(fā)生器數(shù)據(jù)信息調(diào)制向上轉(zhuǎn)換器向下轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)信息解調(diào)本地PN碼生成本地載波發(fā)生PN碼生成同步追蹤3.跳時方式——跳時擴頻的信號以快速突發(fā)脈沖的形式在時隙上傳輸，而使用的時隙則由分配給用戶的編碼決定，簡稱TH方式。4．混合方式——指為了綜合利用各多址方式的優(yōu)點并抑制其缺點，同時采用前述三種多址方式中的兩種或多種的調(diào)制方式。目前常用的混合方式是DS—CDMA方式。5．6．1．3CDMA移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5．6．2CDMA移動通信系統(tǒng)的特點

1.強抗干擾能力;2.系統(tǒng)容量大，接通率高;3.系統(tǒng)容量的配置靈活;4.語音質(zhì)量更佳;5.不易掉話;6.延長手機電池壽命;7.低攔截概率LPI.5．6．3CDMA移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

通信系統(tǒng)的性能衡量從有效性、可靠性和安全性三個方面著。CDMA移動通信系統(tǒng)采取的措施主要包括：用于抗慢衰落的功率控制技術(shù);抗頻率選擇性衰落的Rake接收;抗空間選擇性衰落的分集接收和發(fā)送技術(shù);抗掉話現(xiàn)象的軟切換技術(shù);提高通話質(zhì)量的線性預(yù)測話音編碼技術(shù)。5．6．3．1功率控制技術(shù)

“遠近效應(yīng)”現(xiàn)象——如果所有的移動臺都以同樣的發(fā)射功率工作，則離基站遠的移動臺的信號在到達基站時將受到離基站近的移動臺信號的影響甚至被淹沒，出現(xiàn)強信號壓制弱信號的情況。解決上述現(xiàn)象的有效技術(shù)是功率控制。反向開環(huán)功率控制——用于控制小區(qū)內(nèi)所有移動臺發(fā)射信號在到達基站時都達到標稱功率，以補償陰影、拐彎等效應(yīng)及平均路徑衰落。反向閉環(huán)功率控制——根據(jù)接收信號估算出移動臺的開環(huán)功率并立即進行調(diào)整或補償，使移動臺保持最適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率。前向功率控制——基站根據(jù)測量結(jié)果自行調(diào)整每個移動臺的發(fā)射功率，對路徑衰落小的移動臺分派較小的前向鏈路功率，而對那些遠離基站的和誤碼率較高的移動臺分派較大的前向鏈路功率。5．6．3．2PN地址碼的選擇與實現(xiàn)

CDMA系統(tǒng)中的信號都占用同樣的頻段同時發(fā)送，它們對信道的區(qū)分完全依賴于用收端的再生地址碼對信號的相關(guān)解調(diào)來完成。地址碼選擇的好壞必將影響系統(tǒng)的容量、抗干擾力、接入及切換速率等性能。所選用的地址碼應(yīng)該具有足夠多的地址碼碼組序列、各地址碼組間彼此獨立（互相關(guān)函數(shù)值為零或很小）、不同的碼元數(shù)應(yīng)平衡相等等幾個特點。通常用偽噪聲序列模擬符合上述要求的高斯噪聲信號，常用的有序列、序列和碼。5．6．3．3軟切換技術(shù)

“硬切換”方式，即當(dāng)一個正在通話中的移動用戶從一個基站覆蓋區(qū)進入另一個基站覆蓋區(qū)時，因為原基站與新基站的載波頻率不同，移動臺必須在接收新基站的信號之前，切斷與原基站的聯(lián)系，然后再尋找新進入的覆蓋區(qū)的基站頻率進而與之進行聯(lián)系，此即通常所說的“先斷開后連接”?！败浨袚Q”技術(shù)，即先連接、再斷開。在通信用戶進行越區(qū)切換時，手機并不斷掉與原基站的聯(lián)系而是同時與新基站進行聯(lián)系，只有當(dāng)手機確認已經(jīng)和新基站聯(lián)系上已后，它才將與原基站的聯(lián)系斷開，使掉話的發(fā)生率大為降低。5．6．3．4CDMA的話音編碼技術(shù)

CDMA通信系統(tǒng)的話音編碼主要采用