第1章點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信

第1章點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信第一頁，共46頁。課程介紹專業(yè)必修課對(duì)移動(dòng)通信原理、技術(shù)、系統(tǒng)、及其應(yīng)用

有基本認(rèn)識(shí)教材

丁奇《大話移動(dòng)通信》人民郵電出版社2011

參考書2023/4/172第二頁，共46頁?？己朔绞綉B(tài)度性評(píng)

價(jià)（20%）知識(shí)性評(píng)價(jià)(70%)技能性評(píng)價(jià)(10%)扣分項(xiàng)總評(píng)書面作業(yè)（40%）期末成績（60%）總評(píng)項(xiàng)目1（50%）項(xiàng)目2（50%）總評(píng)2023/4/173第三頁，共46頁。學(xué)習(xí)目標(biāo)

理解移動(dòng)通信的概念及其含義；

掌握移動(dòng)通信的特點(diǎn)、分類和工作方式；熟悉常用幾種移動(dòng)通信系統(tǒng)的名稱、結(jié)構(gòu)、功

能、特點(diǎn)與應(yīng)用；了解移動(dòng)通信系統(tǒng)的未來發(fā)展的方向；2023/4/174第四頁，共46頁。學(xué)習(xí)方式學(xué)“道”（信號(hào)與系統(tǒng)、隨機(jī)過程分析、電磁場與電磁波、無線通信原理）知其所以然（了解為什么可以這樣）學(xué)“術(shù)”（通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、功能、性能、配置）知其然（掌握如何這樣）學(xué)“術(shù)”為主、學(xué)“道”為輔！第五頁，共46頁。內(nèi)容一覽模塊一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信—從貝爾到莫爾斯模塊二多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信系統(tǒng)模塊三GSM網(wǎng)絡(luò)模塊四WCDMA網(wǎng)絡(luò)模塊五TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)模塊六cdma2000網(wǎng)絡(luò)模塊七LTE網(wǎng)絡(luò)2G網(wǎng)絡(luò)3G網(wǎng)絡(luò)4G網(wǎng)絡(luò)2023/4/176第六頁，共46頁。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程ITU:InternationalTelecommunicationsUnion國際電信聯(lián)盟IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IMT-2000:InternationalMobileTelecomSystem-2000國際移動(dòng)電話系統(tǒng)-20003GPP:The3rdGenerationPartnershipProject3G技術(shù)規(guī)范機(jī)構(gòu)2023/4/177第七頁，共46頁。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程（1G）1G（第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)）AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem）高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)AMPS在無線傳輸中采用了頻率調(diào)制FDMAAMPS是第一代的蜂窩技術(shù)模擬通信系統(tǒng)2023/4/178第八頁，共46頁。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程（2G）2G（第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)）TDMA（IS-95采用CDMA）以GSM系統(tǒng)、IS-136和IS-95CDMA為代表的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)2023/4/179第九頁，共46頁。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程（3G）3G（第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)）以WCDMA、CDMA2000與TD-SCDMA和它們的演進(jìn)系統(tǒng)為代表的IMT-2000系統(tǒng)理論下載速率WCDMA（7.2/14.4Mbps），CDMA2000(3.1Mbps/單載波)，TD-SCDMA(2.8Mbps/單載波)2023/4/1710第十頁，共46頁。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程（E3G）E3G（3.5G~3.9G）

LTE(LongTermEvolution,長期演進(jìn))項(xiàng)目是3G的演進(jìn)，始于2004年3GPP的多倫多會(huì)議。主流技術(shù)LTE-FDD,LTE-TDD.LTE也被通俗的稱為3.9G，改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，被視作從3G向4G演進(jìn)的主流技術(shù)。在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率2023/4/1711第十一頁，共46頁。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程（4G）4G進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能

LTE-Advanced多頻段層疊無線接入系統(tǒng)，100mhz頻譜帶寬。峰值速率：下行1Gbps，上行500MbpsIEEE802.16m是為用戶站點(diǎn)和核心網(wǎng)絡(luò)（如：公共電話網(wǎng)和Internet）間)提供通信路徑而定義的WIMAX無線服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。4G手機(jī)，確切的說4G終端，其本質(zhì)不是把手機(jī)做大，而是把電腦做小。2023/4/1712第十二頁，共46頁。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢：“寬帶接入移動(dòng)化”“移動(dòng)通信寬帶化”2023/4/1713第十三頁，共46頁。移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)2023/4/1714第十四頁，共46頁。移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)2023/4/1715第十五頁，共46頁。移動(dòng)通信模塊一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信2023/4/1716第十六頁，共46頁。古代通信最早的無線通信：人與人之間對(duì)話發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、聲波“雞犬之聲相聞，老死不相往來”2023/4/1717第十七頁，共46頁。古代通信征戰(zhàn)部隊(duì)：穩(wěn)鼓而進(jìn)，聞金（鉦）而退隊(duì)伍編號(hào)、旗語鉦：中國古代一種銅制的打擊樂器2023/4/1718第十八頁，共46頁。古代通信烽火臺(tái)（烽火戲諸侯、大意失荊州）驛站（陰符、陰書）編碼、加密、跳頻如何能實(shí)現(xiàn)千里眼、順風(fēng)耳？時(shí)時(shí)、處處、人人2023/4/1719第十九頁，共46頁?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)架構(gòu)麥克斯韋（1865預(yù)言電磁波存在）赫茲（1888實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波存在）貝爾（電話之父）愛迪生第二十頁，共46頁?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)架構(gòu)聲波變成電信號(hào)？（模擬信號(hào)變成電信號(hào)）金屬片連接在電磁開關(guān)上2023/4/1721第二十一頁，共46頁。模擬通信系統(tǒng)2023/4/1722第二十二頁，共46頁。模擬通信系統(tǒng)模型如下圖所示（以調(diào)幅/AM廣播為例）：模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去從這個(gè)過程中我們可以知道，實(shí)際上，模型中的調(diào)制解調(diào)器中都包含了放大功能2023/4/1723第二十三頁，共46頁。數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源可能是模擬信源（如麥克風(fēng)），也可能是數(shù)字信源（如計(jì)算機(jī)）信源編碼如果信源是數(shù)字信源，主要對(duì)其壓縮、加密等；如果是信源是模擬信源，則先進(jìn)行A/D變換再進(jìn)行壓縮、加密信道編碼主要功能是檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，主要目的是為了保證通信的可靠性數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的作用是類似的：都是為了使通信傳輸?shù)男畔⒏h(yuǎn)、更多、更抗干擾信道噪聲源數(shù)字解調(diào)信道譯碼信源譯碼信宿是發(fā)送端處理的“逆過程”，不再贅述隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信道編碼與數(shù)字調(diào)制有融合的趨勢2023/4/1724第二十四頁，共46頁。

和模擬通信相比，數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)，無噪聲累積（2）便于多種信息傳輸（數(shù)字化語音、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、數(shù)字化圖象、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等）（3）便于信息處理（如加密、存儲(chǔ)、網(wǎng)管等）（4）可靠性高、電路功耗低，體積小便于集成化(5)接收端具有糾錯(cuò)檢錯(cuò)功能磁帶-CD,模擬電視-數(shù)字電視，大哥大-GSM手機(jī)缺點(diǎn)：占用頻帶寬占用帶寬多，相比模擬信號(hào)，有失真。膠片電影、光學(xué)攝像機(jī)等2023/4/1725第二十五頁，共46頁。信號(hào)的時(shí)域概念---信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)周期信號(hào)非周期信號(hào)2023/4/1726第二十六頁，共46頁。信號(hào)的頻域概念---描述信號(hào)在頻率方面特性時(shí)域和頻域是信號(hào)的基本性質(zhì)，這樣可以用多種方式來分析信號(hào)，每種方式提供了不同的角度。對(duì)于一個(gè)信號(hào)來說，它也有很多方面的特性。如信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律（時(shí)域特性），信號(hào)是由哪些單一頻率的信號(hào)合成的（頻域特性）通常一個(gè)電磁信號(hào)會(huì)由多種頻率組成，而非單一的頻率：2023/4/1727第二十七頁，共46頁。信號(hào)的分析周期信號(hào)：周期信號(hào)可以用成諧波關(guān)系的正弦函數(shù)級(jí)數(shù)來表示，即傅里葉級(jí)數(shù)非周期信號(hào)：可以用不全成諧波關(guān)系的正弦信號(hào)的加權(quán)積分來表示----傅里葉變換基波、諧波----傅里葉反變換----傅里葉級(jí)數(shù)《高等數(shù)學(xué)》、教材參考書1非周期信號(hào)：可以用不全成諧波關(guān)系的正弦信號(hào)的加權(quán)積分來表示一個(gè)信號(hào)，無論它是周期的還是非周期的，我們都能用數(shù)學(xué)公式對(duì)它進(jìn)行表達(dá)，傅里葉的理論構(gòu)成了現(xiàn)代通信的基石2023/4/1728第二十八頁，共46頁。信號(hào)的分析時(shí)域和頻域的轉(zhuǎn)換f=1/t喬丹打球2023/4/1729第二十九頁，共46頁。“A/D變換”的3個(gè)步驟：采樣、量化、編碼

將時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間上離散的采樣值的過程就是采樣。采樣也稱為取樣、抽樣等。圖2-2-2采樣過程示意圖1.采樣2023/4/1730第三十頁，共46頁。奈奎斯特采樣定理采樣時(shí)，究竟要取多少個(gè)點(diǎn)，才能保證原有的連續(xù)時(shí)間信號(hào)所含的信息才不會(huì)丟失，才能完整的保留下來，然后被還原?

針對(duì)上邊這個(gè)問題，美國物理學(xué)家奈奎斯特（Nyquist）在1927年提出采樣定理。采樣定理內(nèi)容——當(dāng)采樣頻率fs大于等于信號(hào)中最高頻率fmax的2倍時(shí)，即，采樣之后的數(shù)字信號(hào)才能完整地保留了原始信號(hào)的信息

2023/4/1731第三十一頁，共46頁。2.量化32均勻量化將縱軸均勻劃分成M個(gè)區(qū)間一般這個(gè)量化值取這個(gè)區(qū)間的中點(diǎn)落在某一區(qū)間內(nèi)的樣值統(tǒng)統(tǒng)量化成1個(gè)值這樣，本來縱坐標(biāo)的取值是無限多個(gè)的模擬信號(hào)就變成了多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)2023/4/17第三十二頁，共46頁。非均勻量化均勻量化非均勻壓縮抽樣后信號(hào)124大信號(hào)壓縮率大小信號(hào)壓縮率小11.21.6通過傳輸?shù)浇邮斩朔蔷鶆蚪鈮嚎s（即擴(kuò)張器）大信號(hào)放大倍數(shù)大小信號(hào)放大倍數(shù)小124達(dá)到了非均勻量化效果下面主要學(xué)習(xí)非均勻壓縮2023/4/1733第三十三頁，共46頁。A壓縮律（我國使用）A是大于1的常數(shù)y是x的2段函數(shù)：第1段是線性函數(shù)第2段是指數(shù)函數(shù)為了盡可能減小誤差，采用15折線逼近μ律，采用13折線逼近A律2023/4/1734第三十四頁，共46頁。3.編碼

將每一個(gè)量化電平用一組二進(jìn)制代碼表示的過程稱為編碼。在實(shí)際的設(shè)備中，量化和編碼是同時(shí)完成的。我們重點(diǎn)介紹常用的逐次反饋比較型脈沖編碼調(diào)制（PCM）編碼的過程。

在真正的通信系統(tǒng)中應(yīng)用的PCM編碼是采用A律13折線法的，用8個(gè)bit為來表征，共可以表示個(gè)電平。2023/4/1735第三十五頁，共46頁。4.調(diào)制調(diào)制在通信中的作用：（1）調(diào)制把基帶信號(hào)頻譜搬移到一定的頻帶范圍以適應(yīng)信道的要求。（2）經(jīng)過調(diào)制后的頻帶信號(hào)更容易輻射，從而滿足無線通信的要求。（3）實(shí)現(xiàn)頻率分配。（4）實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。（5）減少噪聲和干擾的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。2023/4/1736第三十六頁，共46頁。數(shù)字調(diào)制的三種方式：2023/4/1737第三十七頁，共46頁。本章結(jié)構(gòu)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的整體框架信號(hào)的概念及信號(hào)分析方式模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)無線信道2023/4/1738第三十八頁，共46頁。無線信道

提起無線信道，本章只關(guān)注兩方面內(nèi)容：一是它的理論容量，也就是說在既定帶寬和信噪比的前提下最大傳輸速率會(huì)是多少；二是它有些什么特性會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)有所影響一、無噪聲的情況：奈奎斯特第一準(zhǔn)則奈奎斯特第一準(zhǔn)則內(nèi)容：信道在無噪聲的理想情況下，如果信道帶寬為B，那么在沒有碼間干擾的情況下，能夠傳輸?shù)淖畲笮盘?hào)速率為2B，數(shù)據(jù)率的限制僅僅來自于信道的帶寬2023/4/1739第三十九頁，共46頁。二、有噪聲的情況：香農(nóng)定理其中我們用信噪比（SNR）來衡量信號(hào)功率相對(duì)噪聲功率的強(qiáng)度，這個(gè)值越大，說明信號(hào)越好，我們?cè)饺菀追直娉鲂盘?hào)來在有噪聲的情況下，信道帶寬和信噪比共同決定了一個(gè)信道的容量，這里可以用公式來描述，這個(gè)公式是由香農(nóng)推理出來的，這就是著名的香農(nóng)定理2023/4/1740第四十頁，共46頁。三、信道特性有線信道的物理特性比較恒定，而無線信道的物理特性沒有一刻是恒定的，總是處于不斷的變化中，也稱為變參信道。電磁波的傳播可以分以下四種傳播方式：2023/4/1741第四十一頁，共46頁。2023/4/1742第四十二頁，共46頁。接收信號(hào)的四種效應(yīng)：2023/4/1743第四十三頁，共46頁。2023/4/17