通信工程概论PPT课件

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1、现代通信技术概论2009年8月15日电气信息工程学院贾中宁第1章 通信概述 通信系统的一般构成 信源 发送变换器 信道 接收变换器 信宿 噪声声音数据文字图像信号 信号声音数据文字图像 通信系统分类 按信源产生消息的物理特征分类电话通信、电报通信、电视通信、数据通信、图像通信、多媒体通信 按传输信号的特征分类模拟通信：传输的信号是模拟信号数字通信：传输的信号是数字信号 按传输媒介和系统组成的特点分类长波通信、短波通信、微波通信卫星通信、光纤通信、移动通信 按用途分类民用通信、军事通信、气象通信海洋通信、宇宙通信、应急通信、通信方式概要 按通信对象的数量分类（1）点对点：电话（2）一点对多点：广

2、播、电视（3）多点对多点：Ad Hoc 按接入方式分类上行链路下行链路BS:Base StationMS:Mobile Station问题：MS用什么方法把信号发送到BS？BS用什么方法把信号发送到MS？接入方法问题常用的接入方式（多址技术）有：（1）频率分割多址接入（频分多址）FDMA：Frequency division Multiple Access（2）时间分割多址接入（时分多址）TDMA：Time division Multiple Access（3）编码分割多址复用（码分多址）CDMA：Code division Multiple Access 按消息传递方向与时间分类（双工方式）

3、（1）单工方式 消息只能单向传输，通信双方交替地进行接收和发。f1f1(f2)T T R RT:Transmitter;R:Receiver f1f1(f2)(2)半双工方式 其中一方双向通信，另一方交替收或发。f1f2 T T R Rf1f2双工器：能够让发射机和接收机 共用一副天线的设备。f1f2 T T R Rf1f2(3)全双工方式 通信双方均可同时发送或接收 通信系统的主要性能指标用有效性和可靠性衡量通信系统的性能有效性：在给定的信道内，传输信息量多少 的能力。具体指标用频谱利用率 和数据传输速率R表示 R 传输的比特数所需要的时间Analog传输的电话路数（电视频道数）占用的频带宽

4、度 digital传输的比特数所需要的频带宽度可靠性：接收端恢复信息的正确程度。模拟通信用接收信号的信噪比SNR（Signal to Noise ratio）表示数字通信用接收信号的误码率BER（Bit Error Rate）表示SNR 接收信号的功率噪声功率BER=接收数据中的错误比特数 接收数据的总比特数 第2章 数字通信简介模拟传输与数字传输PCM：Pulse Code Modulation t1 t2 t3 t4+3+5+4-71 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 11 0 0 1 0 00 0 0 1 1 1(a)原模拟信号抽样值信号PAM:Pluse Amplitude mo

5、dulation(c)数字信号式PCM(d)接收抽样(PAM信号)(e)解调信号信源编码和信道编码 格式 化 信源 编码加密信道编码复用 调制 扩频多路复用发送 信道 接收多路分离 逆扩散 解调分离信道译码解密 信源 译码 格式 化同步 基带处理 载波处理2log1SCWNSignal to Noise ratio传输信号的频带宽度数据传输速率(bit/s)Shannon定理数字调制技术2.5.1 问什么要调制？1.天线的长度与发射信号的波长可比拟时才能有效地发射电磁波。基带信号的频率较低，必须将基带信号的频谱搬移到频率很高的载波附近，该频谱搬移过程称为调制。2.不同的调制方式，其可靠性和有效

6、性不同。选择不同的调制方式满足不同的服务品质。调制电路带通滤波器 RF放大器0100100本振670MHz本振130MHz频率合成130+670=800MHz800MHz带通滤波器 RF放大器带通滤波器IF滤波器解调电路本振670MHz800MHz频率合成800MHz-670MHz=130MHz0100100无线数据传输系统的简化图 调制信号的一般表达式瞬时相位瞬时相位偏移瞬时振幅（包络线振幅）()()cos 2()()cos()mcmms tA tf ttA tt()()cos 2()()cos()cos 2()sin()sin 2 Re()cos 2Im()sin 2 Re()()cos(

7、)Im()()sin()mcmmmcmmcccmmmms tA tf ttA ttf tA ttf tz tf tz tf tz tA ttz tA tt 调制信号的矢量表示形式Re()()cos()mmz tAtt实轴(I)Im()()sin()mmz tA tt虚轴(Q)()mA t()mt2.5.4 幅度调制与相位调制调制信号()utcos(2)cf t()()cos 2()mcms tAtf tt幅度调制：瞬时幅度随调制信号线性变化。相位调制：瞬时相位偏移随调制信号线性变化。2.5.5 ASK:Amplitude Shift Keying (data 0)()0 (data 1)mAA

8、 tcos(2)(data 0)()0 (data 1)cAf ts t AI“1”“0”QASK调制的信号空间配置（PSK调制的星座图）2.5.6 PSK:Phase Shift Keying 0 (data 0)()1 (data 1)cos(20)cos(2)()cos(2)cos(2)mcccctAf tAf ts tAf tAf t 1 (data 0)(data 1)AaA 令 则1()cos(2)cs taf t -A AIQPSK调制的信号空间配置（PSK调制的星座图）2.5.7 QPSK:Quadrature Phase Shift Keying (:0,043 (:1,0)

9、4()5 (:1,1)47 (data:0,1)4mdatadatatdata()cos(2)4 coscos(2)sinsin(2)44 cos(2)sin(2)22cccccs tAf tAf tAf tAAf tf t发送数据串并转换电平转换低通滤波器低通滤波器90移相乘法器乘法器cos(2)ctfsin(2)ctf01001101011I相基带信号Q相基带信号QPSK调制的原理图EEEER(),I()(data:0,0)22R(),I()(data:1,0)22R(),I()(data:1,1)22R(),I()(data:0,1)22mmmmAAz tz tAAz tz tAAz t

10、z tAAz tz t QPSK调制的星座图 第5章 移动通信概述移动通信的概念 移动通信的基本概念 通信双方至少有一方在移动的通信系统2.移动通信的特点 (1)多经传输问题 多经传输引起信号衰落和时延扩展。时延扩展：发射机发射机发送一个窄脉冲，由于多经效应，接收机接收到多个幅度不同、延迟时间也不同扩展信号。接收机时延扩展时延扩展越大,相干带宽BC越窄衰落分类：快衰落和慢衰落；平坦衰落和频率选择性衰落 平坦衰落:接收信号的幅度有时大有时小,但是不丢失频率成分.频率选择性衰落:接收信号不但幅度变化,而且丢失某些频率成分.当发射信号的带宽小于信道的相干带宽时,产生平坦衰落;反之产生频率选择性衰落.

11、(2)多普勒频移:移动终端移动导致接收的频率不等于发射频率,这种现象称为多普勒频移.移动通信中的特有干扰:同信道干扰.位置登记,越区切换及漫游.移动台小型化问题移动通信系统分类 大区制与蜂窝(大区制与小区制)移动通信的工作方式 单工方式 半双工方式 全双工方式3.移动通信的接入方式上行链路下行链路BS:Base StationMS:Mobile Station问题：MS用什么方法把信号发送到BS？BS用什么方法把信号发送到MS？接入方法问题常用的接入方式（多址技术）有：（1）频率分割多址接入（频分多址）FDMA：Frequency division Multiple Access（2）时间分割

12、多址接入（时分多址）TDMA：Time division Multiple Access（3）编码分割多址复用（码分多址）CDMA：Code division Multiple Access ch-1 ch-2 ch-3 ch-N 信道带宽保护带ch-3ch-2ch-1user 1 user 2 user 3 user 4 user 5user 5user 4user 3user 2user 1FDMA(Frequency Division Multiple Access)保留時間系统带宽timefrequency frame j frame j+1#1#2#3#N#1#2#3#N#1#2Ti

13、meTimef_uplinkf_downlinkTDMA/FDD(Time Division Multiple Access/Frequency Division Duplex)Uplink Downlink FrequencyFrequency interval#1#2#3#N#1#2#3#N#1#2Slot 1 2 3 15Downlink Uplink Downlink timefrequency CodeTDDCode timeFDDCDMA TDD and FDDDownlinkUplink5M5Mfrequency移动通信系统的基本组成BSBSBS移动交换中心 MSCPSTN移动网

14、移动通信频率分配和抗干扰技术 频率分配 GSM:MS BS 890MHz-915MHz BS MS 935MHz-960MHz载频间隔:200kHz,25MHz带宽分为124个载频频道间隔:25kHz.中国移动：18801900MHz，20102025MHz，共35M频率资源 中国电信：19201935MHz，21102125MHz，共30M频率资源中国联通：19401955MHz，21302145MHz，共30M频率资源3G 移动通信频率分配2.抗干扰技术 (1)发射功率控制 (2)分集接收 (3)跳频技术 (4)均衡技术 (5)间断传输第6章 第3代移动通信概述80年代 90年代21世纪

15、AMPS,NTT GSM,PDC,W-CDMA TACS IS-95,PHS cdma2000 TD-SCDMA 黎明期 成长期 量变扩展期 质变扩展期 以语言为中心 语言,低速数据64kbit/s 语言,高速数据384kbit/s(2Mbit/s)手机,车载电话无绳电话 1G手机,车载电话短信息 2G IMT-2000 3G 移动通信的时代变迁 System beyond IMT-2000 4G 宽频带（大于100Mbps)所有信息IMT-2000：International Mobile Telecommunication-2000 第一代 第二代 第三代 第四代 目 标无论何时不受时间制

16、约无论何地不受场所制约无论何人能和多样化媒体通信（PC,PDA,MS);WWW/Mail无论何种媒体声音、静止图像、活动图像、数据等低廉的价格降低通信费用分层次的通信品质和通信费用6.2 IMT-2000 的服务目标6.3 IMT-2000陆地系统无线接入方式IMT-2000 CDMA Direct Spread (W-CDMA,UTRA FDD)IMT-2000 CDMA Multi-Carrier (cdma 2000)IMT-2000 CDMA TDD (UTRA TDD，TD-SCDMA)IMT-2000 CDMA Single-Carrier (UWC-136)IMT-2000 FD

17、MA/TDMA (DECT)ITU-R的推荐方案ITU-R：International Telecommunication Union RadioUTRA：Universal Terrestrial Radio Access 多址技术与双工上行链路下行链路BS:Base StationMS:Mobile Station问题：MS用什么方法把信号发送到BS？BS用什么方法把信号发送到MS？接入方法问题 FDMA(Frequency division Multiple Access)TDMA/FDD(Time Division Multiple Access/Frequency division

18、Duplex)TDMA/TDD(Time Division Multiple Access /Time division Duplex)CDMA(Code Division Multiple Access)Random Access Methods6.4 多址技术与双工6.5 蜂窝通信的概念FDMA/TDMA CDMA 发送数据信道编码扩频码扩频频率合成(MAI)滤波扩频码解扩数据解调信道解码接收数据fWWWffffB(5MHz)B(5MHz)多址干扰数据调制6.6 CDMA原理用户1用户2发送数据序列发送数据序列扩频扩频符号序列扩频符号序列复合信号接收机端用户1扩频码副本积分存储恢复出用户1

19、的发送信息数据序列1111-11111-1111-1-11111-11 11 1-1-1-1-11111-1-1-1-1-1-1-12220 000 002226.6.1 扩频与解扩的过程MUXInter-leavingRatematchingChannelencodingCode blocksegmentationCRCattachmentPilot bitsTPC bitsTransmitteddataQuadraturemodulatorD/ASquare-rootraised cosineNyquist filterSpreadingData mapping(QPSK)Upconver

20、terPathsearcherTxamplifierTo antennaQuadraturedetectorA/DSquare-rootraised cosineNyquist filterDe-multiplexingLow noiseamplifier(OA-RA)DespreaderbankCoherent RakecombinerRecovereddataDownconverterAGCamplifierFromantennaSIRmeasurementTPCcommandgeneratorInter-leavingChanneldecodingCode blockmultiplexi

21、ngBlock errordetection Transport Channel ATransport Channel B6.6.2 W-CDMA收发信机结构Node-BUEUELow rate useriMacHigh rate user 自适应天线阵的方向性图 6.7 自适应天线阵列 7第4代移动通信的构想下载信道数字广播业务和应用新的无线接口第2代手机由核心网实现分组通信IMT2000无线xDSLWLAN类近距离接续其它 7.1 ITU的4G构想（一）可移植性高低System Beyond IMT2000包含现有系统的功能System Beyond IMT2000的新功能部分IMT200

22、0扩展IMT2000NewMobileAccessNew Nomadic/LocalArea Wireless Access进步1101001000最大有效通信速度（Mbit/s）7.2 ITU的4G构想（二）新业务平台 新业务快速开发 新业务开发简单化 不同业务系统间无缝隙接续/切换100Mbps(移动环境峰值速度）1Gbps(室内环境峰值速度）10倍以上（与3G比）每比特1/101/100以下All IP（多业务质量类，支持IPv6）50ms以下追加新功能开拓新业务 改善性能 使已有业务高级化 信息速率：384kbps 系统容量 费用 基站网络 传输系统：ATM 传输延迟IMT2000 第

23、4代移动通信系统（2010年左右）7.3 4G系统的主要目标能力和性能EMC：Electro-Magnetic CompatibilityQoS:Quality of Service 7.4 4G系统的无线技术课题 7.5 4G系统的构想（三)AP:Access Point建筑物因建筑物遮挡不能通信服务区外不能通信基站多跳多跳单跳 7.6 利用多跳扩大服务区 8OFDM技术概述OFDM:Orthogonal Frequency Division MultiplexingLPFLPFLPF data data串并转换 S/P)2cos(1t f)2cos(2tf)2cos(tfN)2cos(1t

24、 f)2cos(2tf)2cos(tfN信道并串转换 P/S8.1 多载波调制的概念 8.2 OFDM信号的构成OFDM信号由载波频率不同的多个数字调制信号构成，各个载波之间保持正交关系。设 表示符号的长度，01fT表示OFDM信号的载波间隔T000000000 cos(2)cos(2)2 0 sin(2)sin(2)2 0 cos(2)sin(2)0TTTTmnmf tnf t dtmnTmnmf tnf t dtmnmf tnf t dt00cos(2)sin(2)nnanf tbnf tnnndajb02Rejnf tnd e令则，OFDM的基本信号的复数表示形式为,nna b是对第n个

25、载波（nf0)进行调制的数据符号 8.3 OFDM的基本信号8.4 OFDM基带信号设载波数为N，则N个载波合成的基带信号SB(t)为：1000()cos(2)sin(2)NBnnnStanf tbnf t注意：1.an,bn及载波都在变化，每个载波的振幅和相位都随 调制符号an,bn变化。2.每个载波经an,bn调制后构成一个基本信号，每个基 本信号是一个正弦信号。3.N个基本信号合成的信号是一个不规则的像噪声 一样的信号。OFDM信号接近随机信号，频谱平坦、频谱利用率高。4.合成信号具有随机性，但能够利用三角函数的正交关系正确解调出an,bn8.5 OFDM的频带信号S(t)1000()c

26、os 2()sin 2()NnCnCnS tafnf tbfnf t1000()cos(2)sin(2)NBnnnStanf tbnf t频带信号基带信号.子载波#1#2#3#4时间4个子载波合成后的信号时间.8.6 多载波信号在时域的波形OFDM信号随载波的变化关系频率信道带宽载波间隔子载波带宽 OFDM信号的频谱8.8 OFDM信号的解调方法：001000000000()cos(2)cos(2)cos(2)sin(2)cos(2)2()sin(2)2TBNTTnnnnkTBkStkf t dtanf tkf t dtbbnf tkf t dtTaTStkf tdtb同理，对所有载波作如上处

27、理，恢复出所有符号ak,bk。在时间T（Sec）内，同时传输N个载波能够正确解调。8.9 OFDM调制器的构成构成思想如下：0120()ReNjnf tBnnStd e0120()Njnf tnnu td e设只要能生成u(t),就能生成SB(t)u(t)的生成方法用 的间隔对 取样在一个符号长度 之间采样，得到N个样本值01Nf()u t01Tf001200210210 kNjnfNfnnnkNjNnnnkNjNnnkud eNfd ede(0,1,1)kNdn的付氏逆变换 8.9.2 OFDM调制器的基本构成符号影射串并转换 IFFT并串转换 取实部cos(2)Cf t本振BFTIFFT:

28、Inverse Fast Fourier Transform 9MIMO:Multiple Input Multiple Output 发送信号序列发送信号序列发送信号序列信号检测（信号分离）再生的发送信号序列再生的发送信号序列再生的发送信号序列(a)MIMO复用空时编码（STBC等）空时解码最大比合成(b)MIMO分集方向性波束生成部分加权系数1加权系数2加权系数3加权系数4最大比合成在接收用户的角度方向具有最大增益的有向波束(c)AAA-BF复制串/并变换并/串变换用相同的无线资源，用多个发射机并行地发送多个不同的数据。用多个发送天线，发送同一个信息数据。采用空时编码方法。发射天线的最大辐

29、射方向对准接收机。STBC:Space Time Block Coding 信道编码数据调制 STBC2*1S -S*21S S*12*21S -SAS S t t+T11 1221*212212rhSh SnrhSh Sn（1）(2)（3）*112 2*22 11 2Sh rh rSh rhr22*11121112222*212221 22 1-ShShSh nh nShShShnh n4G+的构想 10 移动Internet 移动多媒体 移动泛在2G 3G 4G移动网络 的时代业务概念新业务例短消息Web接入视频邮件TV会议TV电话宽带和泛在现实世界协调业务个人业务，现实通信GSM，PDC

30、 W-CDMA 超宽带蜂窝+Internet ATM All IP +多样化环境 10.1 移动业务和网络的发展移动性泛在性比特率移动系统监视（故障监视，自动驾驶）身体感知（生物信息监视，远程诊断）物品跟踪（SCM，质量管理）智能环境控制（智能装置，智能家居，智能办公）Pervasive computing（虚拟办公室，虚拟终端）新用户接口（游戏，家电，机器人）超现实通信（3D/生物信息通信）跟踪/感知控制丰富的内容分发4G+10.2 泛在网络的概念泛在网:是一个依靠所有物品及机器构成的网络，是一个在任何地点都能够自由自在、毫无意识、没有烦恼的对终端、网络及内容进行使用的环境。泛在设备:网络化

31、的泛在设备是多样化的，包含了从微小嵌入型到信息家电等具有高性能的多种设备。人们期望有效地利用这些设备去获取环境信息及个人信息，不仅是迄今为止的通信业务。对泛在网络的描述10.3 网络设施的扩展4G 蜂窝移动小区多跳中继室内小区室外小区移动网家居/PAN移动体服务区网络扩大网关网关网关网关网关网关网关公共空间终端功能扩展泛在网目标管理交互目标通信利用现实世界信息强化业务传感器网络10.4 移动网络与泛在网络的协作10.5 将移动终端作为网关的网络对4G+的理解超宽带+All IP+泛在网传感器网络智能家居网络物品、ID管理网络终端功能协调网络Ad Hoc 网络光纤通信概述 11光纤 光纤发信机电信号收信机电信号发送者接收者电信号光信号光信号电信号时分复用（TDM:Time Division Multiplexing)波分复用(WDM:Wavelength Division Multiplexing)多值调制(MM:Multi-level Modulation)极化复用(Polarization multiplexing)谢 谢！