無線通信工程

無線通信工程第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六課程簡介課程名稱：無線通信工程講課教師：姚彥課內(nèi)總學(xué)時：32課程目的以面向21世紀(jì)的無線通信為背景，介紹無線通信的系統(tǒng)組成、信道特性、調(diào)制與編碼、接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、抗衰落與抗干擾技術(shù)以及無線通信的新技術(shù)和新應(yīng)用，為從事這一領(lǐng)域研究的學(xué)生提供最基本的入門知識。課程概況第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六 第一講緒論 第二講組成及規(guī)范 第三講信道 第四講基帶傳輸 第五講載波傳輸 第六講信源編碼 第七講信道編碼 第八講多址1

課程大綱 第九講多址2 第十講抗衰落 第十一講抗干擾 第十二講無線網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng) 第十三講新技術(shù)及新應(yīng)用1 第十四講新技術(shù)及新應(yīng)用2 第十五講總復(fù)習(xí) 第十六講考試

第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六說明姚彥yaoy@可以通過Email答疑考試要求：以掌握基本概念為主第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六第一講緒論歷史環(huán)境應(yīng)用發(fā)展第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（1）通信發(fā)展歷史的回顧通信（Communication)作為電信（Telecommunication)是從19世紀(jì)30年度開始的。物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展 1831年法拉第電磁感應(yīng)1837年莫爾斯發(fā)明電報

1873年馬克斯韋爾的電1876年貝爾發(fā)明電話 磁場理論1895年馬可尼發(fā)明無線電開辟了電信（Telecommunication)的新紀(jì)元

第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（2）電話的發(fā)明者－貝爾貝爾（18xx－1922）英國人1868年在倫敦工作1871年去波士頓工作1873年任波士頓大學(xué)教授1875年發(fā)明多路電報1876年發(fā)明電話一生曾獲許多專利。妻子是一位聾人。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（3）無線電的發(fā)明者－馬可尼馬可尼（1874－1937）意大利人1894年在父親的莊園試驗1896年去倫敦1897年建立無線電報公司1899年首次實現(xiàn)英法無線通信1916年實現(xiàn)短波無線電通信1929年建立世界性無線通信網(wǎng)曾獲諾貝爾獎金曾參加法西斯黨第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（4）通信發(fā)展歷史的回顧 物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展 1906年發(fā)明電子管 模擬通信得到發(fā)展開辟了模擬通信的新紀(jì)元

－1928年奈奎斯特準(zhǔn)則和取樣定理－1948年山農(nóng)定理 在理論上為數(shù)字通信準(zhǔn)備了條件

第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（5）通信發(fā)展歷史的回顧 物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)50年代 數(shù)字通信得到發(fā)展 發(fā)明半導(dǎo)體 20世紀(jì)60年代 發(fā)明集成電路

開辟了數(shù)字通信的新紀(jì)元

第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（6）通信發(fā)展歷史的回顧 物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)50年代 20世紀(jì)40年代提出靜止衛(wèi) 航天技術(shù) 星概念，但無法實現(xiàn) 1963年第一次實現(xiàn)同步衛(wèi) 星通信

開辟了空間通信的新紀(jì)元

第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（7）通信發(fā)展歷史的回顧 物理發(fā)現(xiàn) 通信技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)60年代 企圖用于通信，未成功 發(fā)明激光 20世紀(jì)70年代 光纖通信得到發(fā)展 發(fā)明光導(dǎo)纖維

開辟了光纖通信的新紀(jì)元

第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六歷史（8）通信發(fā)展歷史的啟示通信傳輸始終是最活躍的技術(shù)領(lǐng)域，物理上的新進(jìn)展都可能在通信上找到新用途，從而形成新的通信產(chǎn)業(yè)。通信傳輸?shù)男乱笥謱⑼苿游锢砗推骷倪M(jìn)展，促使人們?nèi)パ芯堪l(fā)展新的物理機(jī)理來滿足信息傳輸?shù)男枰?。一個優(yōu)秀的通信工程師和研究人員，必須對物理學(xué)和器件技術(shù)的新進(jìn)展十分感興趣，并善于抓住新方向、新突破口迎接通信技術(shù)的革命。 第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六環(huán)境（1）：無線通信的頻譜環(huán)境長波 30－300KHz 10-1km 中波 0.3-1.5MHz 1000-200m短波 1.5-30MHz 100-10m超短波:米波 30-300MHz 10-1m微波：分米波 0.3－3GHz 100-10cm 厘米波 3-30GHz 10-1cm 毫米波 30-300GHz 10-1mm 亞毫米波 300-3000GHz 1-0.1mm光波：紅外光 3103-3105GHz 100-1m

可見光 3105-3106GHz 0.8-0.4m

第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六環(huán)境（2）：無線通信的傳播環(huán)境無線傳播環(huán)境的復(fù)雜性：天波（電離層、對流層）、地波（直射、反射、繞射）無線傳播的分類 －帶寬受限信道和功率受限信道 －色散信道和非色散信道 －恒參信道和變參信道 －點對點信道和多址信道第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六環(huán)境（3）：無線通信的傳播環(huán)境

帶寬受限信道和功率受限信道加性高斯白噪聲信道上的山農(nóng)定理

C＝Wlog2(1+S/N) b/s令：S/N=Eb/N0C/W山農(nóng)定理就可以寫成：

Eb/N0=(2C/W-1)/(C/W)帶寬受限信道

Eb/N0C/WW無限 功率可以換取帶寬功率受限信道

WC/WEb/N0有限 當(dāng)W，Eb/N0-1.6dB，即為山農(nóng)極限，帶寬不能無限制地?fù)Q取功率山農(nóng)信道容量曲線Eb/N0dBC/Wb/sHz-1.6dB第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六環(huán)境（4）：無線通信的傳播環(huán)境

色散與非色散信道、恒參與變參信道信道響應(yīng)為C(;t)，其中代表響應(yīng)時間，t代表信號時刻。輸入信號為時域沖擊函數(shù)，檢驗是色散信道還是非色散信道。 其中Tm為多徑擴(kuò)散，其倒數(shù)fc為相干帶寬。輸入信號為頻域沖擊函數(shù)，檢驗是恒參信道還是變參信道。 其中Bd為多普勒展寬，其倒數(shù)tc為相干時間。信號帶寬Bfc

，色散信道 信號帶寬Bfc，非色散信道碼元周期Ttc

，變參信道 碼元周期Ttc

，恒參信道C(;t)u(t)v(t)tt(t)v(t)Tmff(f)S(f)Bd第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六環(huán)境（5）：無線通信的傳播環(huán)境

點對點信道和多址信道點對點信道：和有線信道類似，體現(xiàn)不出無線的特點。多址信道：無線傳輸?shù)耐怀鰞?yōu)點之一是能實現(xiàn)多址接入。 設(shè)：有N個用戶地址，第k個地址發(fā)送的信號為：

N Sk(t)=akjSkj(t)，akj=1,0 j=1 jk

第k個地址接收的信號為：

NN R(t)=LikaijSij(t)+nk(t) I=1j=1

無線用戶1無線用戶2無線用戶k空間環(huán)境無線用戶1點對點信道多址信道空間環(huán)境Sk(t)Rk(t)第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用（1）：無線通信的應(yīng)用概況短波/超短波通信天波（電離層）：數(shù)據(jù)/電話、單邊帶地波：小型接力機(jī)、單雙工電臺、對講機(jī)微波通信微波接力（模擬、數(shù)字）、散射、點對多點微波電視、電話、數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信高軌道（同步靜止）、中軌道、低軌道電視、電話、數(shù)據(jù)移動通信蜂窩電話、無繩電話、無線數(shù)據(jù)、集群系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng)衛(wèi)星移動系統(tǒng)第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六 短波電離層通信特點：超遠(yuǎn)距離、靈活機(jī)動；容量小、質(zhì)量差用途： －海外使館 －遠(yuǎn)洋船隊 －邊防哨所 －應(yīng)急通信

短波/超短波地面通信特點：繞射能力、靈活機(jī)動、隱蔽性好；容量較小、質(zhì)量較差用途： －陸軍電臺 －對空電臺 －特種通信(武警、公安)

－無繩電話應(yīng)用（2）：無線通信的應(yīng)用說明

短波、超短波通信第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用（3）：無線通信的應(yīng)用說明

微波通信微波接力特點：容量大、質(zhì)量好、視距傳播條件用途： －中小容量微波 －SDH大容量微波 －擴(kuò)頻微波 －高頻段微波 點對多點微波用途：－無線集中器 －無線用戶環(huán) 散射微波通信衰落時變信道，距離遠(yuǎn)，頻帶較窄，質(zhì)量較差用途－軍用 －民用第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用（4）：無線通信的應(yīng)用說明

衛(wèi)星通信 高軌道衛(wèi)星通信特點：同步軌道、靜止衛(wèi)星、容量大、質(zhì)量好、功率受限信道用途： －國際長途 －海事衛(wèi)星 －電視廣播 －軍事通信 中低軌道衛(wèi)星通信特點：距離近、地面設(shè)備簡單靈活，非靜止軌道，要求跟蹤用途： －非實時信息傳送 －遙感 －偵測 －衛(wèi)星移動通信第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用（5）：無線通信的應(yīng)用說明

移動通信 蜂窩系統(tǒng)無線通信最成功的應(yīng)用第一代：模擬 第二代：數(shù)字 第三代：多媒體

尋呼系統(tǒng)無線通信最大眾化的應(yīng)用 其它無線移動系統(tǒng)集群系統(tǒng)無繩電話系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)無線ATM系統(tǒng)無線IP系統(tǒng)第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（1）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

20世紀(jì) 21世紀(jì)業(yè)務(wù)方式 以音頻為主的單媒體 以視頻為主的多媒體干線傳輸 微波 光纖用戶傳輸 有線 無線復(fù)接方式

PDH SDH交換模式

STM ATM網(wǎng)絡(luò)方式 三網(wǎng)鼎立 三網(wǎng)合一第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（2）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

面向21世紀(jì)通信的三大革命以干線（包括部分支線）傳輸光纖化為標(biāo)志的光纖革命以SDH、ATM和IP為標(biāo)志的數(shù)字革命以個人通信和無線接入為標(biāo)志的無線革命第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（3）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

面向21世紀(jì)通信的兩大通信平臺光纖通信平臺： 無線通信平臺：超大容量、超長距離 寬帶、移動關(guān)鍵技術(shù)：波分復(fù)用、 關(guān)鍵技術(shù)：CDMA、智光纖放大器 能天線、軟件無線電IPover?第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（4）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

無線通信面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展機(jī)遇光纖通信對無線通信的巨大沖擊－－巨大帶寬－－超低損耗－－較低成本未來信息高速公路的主干道，還有Fibertohome的趨勢無線通信的發(fā)展機(jī)遇－－靈活性－－抗災(zāi)性－－移動性第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（5）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

什么叫無線革命20世紀(jì)通信網(wǎng)的基本框架中繼線 無線為主（微波、衛(wèi)星） 天上包括部分有線（電纜）用戶線 有線為主（市話電纜） 地下包括部分無線（無線電話）21世紀(jì)通信網(wǎng)的基本框架中繼線 有線為主（光纜） 地下包括部分無線（微波、衛(wèi)星）用戶線 無線為主 天上包括部分有線第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（6）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

無線通信熱點之一：個人通信1986年CCIR制訂FPLMTS，以個人全球通信為目標(biāo)，首次提出個人通信概念 1986年CCITT討論UPT（全球通用個人通信）1989年英國政府發(fā)放許可證建立雙向個人通信網(wǎng)，首次出現(xiàn)PCN名詞90年代以來，美國提出個人通信業(yè)務(wù)（PCS），或個人通信系統(tǒng)（PCS）但是，到底什么是個人通信？CCITT

－個人的移動性和終端移動性分開 －著重于個人的移動性，用戶號碼可以在任何終端上使用 －無線接入不是必要的條件 CCIR、歐洲PCN、美國PCS

－個人的移動性靠終端的移動性實現(xiàn)－移動通信網(wǎng)作為個人通信網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)－無線接入是必要的條件以無線接入為基礎(chǔ)的個人通信叫做無線個人通信

WirelessPersonalCommunications第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（7）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

無線通信熱點之二：無線接入技術(shù)關(guān)鍵－多址 －有效性與可靠性 －組網(wǎng)－蜂窩 －信令與空間接口高層無線接入 特點：－蜂窩范圍大－復(fù)雜的信道處理（糾錯、均衡、分集）－快速移動 －無線交換 －功率大－成本高－低速語音編碼低層無線接入特點：－蜂窩范圍?。唵蔚男诺捞幚恚僖苿?－有線交換－功率?。杀镜停兴僬Z音編碼（32Kb/sADPCM）第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（8）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

無線通信熱點之三：無線ATM無線ATM的發(fā)展背景－－ATM方式是未來通信網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢－－可移動多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展與普及－－無線頻譜資源的更加合理利用無線ATM的技術(shù)關(guān)鍵－－窄帶化技術(shù)（低到幾Mb/s）－－抗誤碼技術(shù)－－按信源的信息量動態(tài)地分配帶寬無線ATM的應(yīng)用前景－－軍事通信、多媒體通信第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（9）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

無線通信熱點之四：擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻多址技術(shù)的缺點：非正交性(Non-orthogonality)

優(yōu)點：堅韌性(Robustness)

堅韌性體現(xiàn)在：－－抗多徑－－抗干擾－－蜂窩分割的頻率再用－－扇區(qū)分割的頻率再用前沿技術(shù)：時空聯(lián)合處理、智能天線、多用戶檢測

第32頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六發(fā)展（10）：21世紀(jì)電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢

無線通信熱點之五：軟件無線電當(dāng)前無線系統(tǒng)在硬件及軟件上存在的問題：－多種標(biāo)準(zhǔn)、多種制式、多種協(xié)議、多種方案－困難:－－互連互通難－－設(shè)備更新難－－研制開發(fā)難能否搞成一個通用的無線系統(tǒng)： －－硬件是公用的，除了天線和RF前端外，其它都是DSP

－－所有無線通信過程都用軟件實現(xiàn)，而軟件環(huán)境是開放的 －－無線協(xié)議都遵循一個公共的WirelessOSI分層結(jié)構(gòu)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)