《通信工程概論》PPT課件.ppt

1、,現(xiàn)代通信技術(shù)概論,2009年8月15日 電氣信息工程學(xué)院 賈中寧,第1章 通信概述,1.1,通信系統(tǒng)的一般構(gòu)成,信源 發(fā)送變換器 信道 接收變換器 信宿,噪聲,聲音 數(shù)據(jù) 文字 圖像,信號(hào) 信號(hào),聲音 數(shù)據(jù) 文字 圖像,1.2,通信系統(tǒng)分類,1.2.1 按信源產(chǎn)生消息的物理特征分類,電話通信、電報(bào)通信、電視通信、 數(shù)據(jù)通信、圖像通信、多媒體通信 ,1.2.2 按傳輸信號(hào)的特征分類,模擬通信：傳輸?shù)男盘?hào)是模擬信號(hào) 數(shù)字通信：傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào),1.2.3 按傳輸媒介和系統(tǒng)組成的特點(diǎn)分類,長(zhǎng)波通信、 短波通信、微波通信 衛(wèi)星通信、 光纖通信、移動(dòng)通信,1.2.4 按用途分類,民用通信、軍事通信

2、、氣象通信 海洋通信、宇宙通信、應(yīng)急通信、,1.3,通信方式概要,1.3.1 按通信對(duì)象的數(shù)量分類,（1） 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)：電話 （2） 一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)：廣播、電視 （3） 多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)：Ad Hoc,1.3.2 按接入方式分類,上行鏈路,下行鏈路,BS: Base Station,MS:Mobile Station,問(wèn)題：MS用什么方法把信號(hào)發(fā)送到BS？ BS用什么方法把信號(hào)發(fā)送到MS？,接入方法問(wèn)題,常用的接入方式（多址技術(shù)）有：,（1）頻率分割多址接入（頻分多址） FDMA ：Frequency division Multiple Access （2）時(shí)間分割多址接入（時(shí)分多址） TDMA：Time

3、division Multiple Access （3）編碼分割多址復(fù)用（碼分多址） CDMA：Code division Multiple Access,1.3.3 按消息傳遞方向與時(shí)間分類（雙工方式）,（1）單工方式 消息只能單向傳輸，通信雙方交替地進(jìn)行接收和發(fā)。,f1,f1(f2),T,T,R,R,T: Transmitter; R: Receiver,f1,f1(f2),(2) 半雙工方式 其中一方雙向通信，另一方交替收或發(fā)。,f1,f2,T,T,R,R,f1,f2,雙工器：能夠讓發(fā)射機(jī)和接收機(jī) 共用一副天線的設(shè)備。,f1,f2,T,T,R,R,f1,f2,(3) 全雙工方式 通信雙方

4、均可同時(shí)發(fā)送或接收,1.4,通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),用有效性和可靠性衡量通信系統(tǒng)的性能,有效性：在給定的信道內(nèi)，傳輸信息量多少 的能力。 具體指標(biāo)用頻譜利用率 和數(shù)據(jù)傳輸速率R表示,可靠性：接收端恢復(fù)信息的正確程度。,模擬通信用接收信號(hào)的信噪比SNR（Signal to Noise ratio）表示 數(shù)字通信用接收信號(hào)的誤碼率BER（Bit Error Rate ）表示,BER=,接收數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤比特?cái)?shù),接收數(shù)據(jù)的總比特?cái)?shù),第2章 數(shù)字通信簡(jiǎn)介,模擬傳輸與數(shù)字傳輸,2.1,2.2,PCM：Pulse Code Modulation,t1 t2 t3 t4,+3,+5,+4,-7,1 0 0 0

5、 1 1 1 0 0 1 0 11 0 0 1 0 00 0 0 1 1 1,(a) 原模擬信號(hào),抽樣值信號(hào) PAM:Pluse Amplitude modulation,(c) 數(shù)字信號(hào)式PCM,(d) 接收抽樣(PAM信號(hào)),(e) 解調(diào)信號(hào),信源編碼和信道編碼,格式 化,信源 編碼,加密,信道 編碼,復(fù)用,調(diào)制 擴(kuò)頻,多路 復(fù)用,發(fā)送,信道,接收,多路 分離,逆 擴(kuò)散,解調(diào),分離,信道 譯碼,解密,信源 譯碼,格式 化,同步,基帶處理 載波處理,2.3,Signal to Noise ratio,傳輸信號(hào)的頻帶寬度,數(shù)據(jù)傳輸速率 (bit/s),2.4,Shannon定理,數(shù)字調(diào)制技術(shù),

6、2.5.1 問(wèn)什么要調(diào)制？ 1. 天線的長(zhǎng)度與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)可比擬時(shí)才能有效地發(fā)射電磁波。基帶信號(hào)的頻率較低，必須將基帶信號(hào)的頻譜搬移到頻率很高的載波附近，該頻譜搬移過(guò)程稱為調(diào)制。 2. 不同的調(diào)制方式，其可靠性和有效性不同。選擇不同的調(diào)制方式滿足不同的服務(wù)品質(zhì)。,2.5,調(diào)制電路,帶通濾波器,RF放大器,本振670MHz,本振130MHz,頻率合成,130+670=800MHz,800MHz,帶通濾波器,RF放大器,帶通濾波器,IF濾波器,解調(diào)電路,本振670MHz,800MHz,頻率合成,800MHz-670MHz=130MHz,無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖,2.5.2 調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式,

7、瞬時(shí)相位,瞬時(shí)相位偏移,瞬時(shí)振幅（包絡(luò)線振幅）,2.5.3 調(diào)制信號(hào)的矢量表示形式,實(shí)軸(I),虛軸(Q),2.5.4 幅度調(diào)制與相位調(diào)制,調(diào)制信號(hào),幅度調(diào)制：瞬時(shí)幅度隨調(diào)制信號(hào)線性變化。 相位調(diào)制：瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號(hào)線性變化。,2.5.5 ASK: Amplitude Shift Keying,A,I,“1” “0”,Q,ASK調(diào)制的信號(hào)空間配置（ PSK調(diào)制的星座圖）,2.5.6 PSK: Phase Shift Keying,令 則,-A A,I,Q,PSK調(diào)制的信號(hào)空間配置（ PSK調(diào)制的星座圖）,2.5.7 QPSK: Quadrature Phase Shift Keying,

8、發(fā)送數(shù)據(jù),串并轉(zhuǎn)換 電平轉(zhuǎn)換,低通濾波器,低通濾波器,移相,乘法器,乘法器,I相基帶信號(hào),Q相基帶信號(hào),QPSK調(diào)制的原理圖,QPSK調(diào)制的星座圖,第5章 移動(dòng)通信概述,移動(dòng)通信的概念,5.1,移動(dòng)通信的基本概念 通信雙方至少有一方在移動(dòng)的通信系統(tǒng) 2. 移動(dòng)通信的特點(diǎn) (1) 多經(jīng)傳輸問(wèn)題 多經(jīng)傳輸引起信號(hào)衰落和時(shí)延擴(kuò)展。,時(shí)延擴(kuò)展：,發(fā)射機(jī),發(fā)射機(jī)發(fā)送一個(gè)窄脈沖，由于多經(jīng)效應(yīng)，接收機(jī)接收到多個(gè)幅度不同、延遲時(shí)間也不同擴(kuò)展信號(hào)。,接收機(jī),時(shí)延擴(kuò)展,時(shí)延擴(kuò)展越大,相干帶寬BC越窄,衰落分類： 快衰落和慢衰落； 平坦衰落和頻率選擇性衰落 平坦衰落: 接收信號(hào)的幅度有時(shí)大有時(shí)小,但是不丟失頻率成分

9、. 頻率選擇性衰落:接收信號(hào)不但幅度變化,而且丟失某些頻率成分. 當(dāng)發(fā)射信號(hào)的帶寬小于信道的相干帶寬時(shí),產(chǎn)生平坦衰落;反之產(chǎn)生頻率選擇性衰落.,(2) 多普勒頻移: 移動(dòng)終端移動(dòng)導(dǎo)致接收的頻率不等于發(fā)射頻率,這種現(xiàn)象稱為多普勒頻移. 移動(dòng)通信中的特有干擾:同信道干擾. 位置登記,越區(qū)切換及漫游. 移動(dòng)臺(tái)小型化問(wèn)題,移動(dòng)通信系統(tǒng)分類,5.2,大區(qū)制與蜂窩 (大區(qū)制與小區(qū)制) 移動(dòng)通信的工作方式 單工方式 半雙工方式 全雙工方式,3. 移動(dòng)通信的接入方式,上行鏈路,下行鏈路,BS: Base Station,MS:Mobile Station,問(wèn)題：MS用什么方法把信號(hào)發(fā)送到BS？ BS用什么方法

10、把信號(hào)發(fā)送到MS？,接入方法問(wèn)題,常用的接入方式（多址技術(shù)）有：,（1）頻率分割多址接入（頻分多址） FDMA ：Frequency division Multiple Access （2）時(shí)間分割多址接入（時(shí)分多址） TDMA：Time division Multiple Access （3）編碼分割多址復(fù)用（碼分多址） CDMA：Code division Multiple Access,ch-1 ch-2 ch-3 ch-N,信道帶寬,保護(hù)帶,ch-3 ch-2 ch-1,user 1,user 2,user 3,user 4,user 5,user 5 user 4 user 3 us

11、er 2 user 1,FDMA (Frequency Division Multiple Access),保留時(shí)間,系統(tǒng)帶寬,time,frequency,frame j frame j+1,#1 #2 #3 #N #1 #2 #3 #N #1 #2,Time,Time,f_uplink,f_downlink,TDMA/FDD (Time Division Multiple Access /Frequency Division Duplex),Uplink Downlink,Frequency,Frequency interval,#1 #2 #3 #N #1 #2 #3 #N #1 #2,

12、Slot,1 2 3 15,Downlink Uplink Downlink,time,frequency,Code,TDD,Code,time,FDD,CDMA TDD and FDD,Downlink,Uplink,5M,5M,frequency,移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本組成,5.3,BS,BS,BS,移動(dòng)交換中心,MSC,PSTN,移動(dòng)網(wǎng),移動(dòng)通信頻率分配和抗干擾技術(shù),5.4,頻率分配 GSM: MS BS 890MHz-915MHz BS MS 935MHz-960MHz,載頻間隔: 200kHz, 25MHz帶寬分為124個(gè)載頻 頻道間隔:25kHz.,中國(guó)移動(dòng)：18801900MHz，2

13、0102025MHz， 共35M頻率資源 中國(guó)電信：19201935MHz，21102125MHz ， 共30M頻率資源 中國(guó)聯(lián)通：19401955MHz，21302145MHz ， 共30M頻率資源,3G 移動(dòng)通信頻率分配,2. 抗干擾技術(shù) (1) 發(fā)射功率控制 (2) 分集接收 (3) 跳頻技術(shù) (4) 均衡技術(shù) (5) 間斷傳輸,第6章 第3代移動(dòng)通信概述,80年代,90年代,21世紀(jì),AMPS, NTT GSM,PDC, W-CDMA TACS IS-95, PHS cdma2000 TD-SCDMA,黎明期 成長(zhǎng)期 量變擴(kuò)展期 質(zhì)變擴(kuò)展期,以語(yǔ)言為中心 語(yǔ)言,低速數(shù)據(jù)64kbit/s

14、,語(yǔ)言,高速數(shù)據(jù) 384kbit/s (2Mbit/s),手機(jī),車載電話 無(wú)繩電話 1G,手機(jī),車載電話 短信息 2G,IMT-2000 3G,6.1 移動(dòng)通信的時(shí)代變遷,System beyond IMT-2000 4G,寬頻帶（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,6.2 IMT-2000 的服務(wù)目標(biāo),6.3 IMT-2000陸地系統(tǒng)無(wú)線接入方式,IMT-2000 CDMA Direct Spread (W-CDMA, UTRA FDD) IMT-2000

15、CDMA Multi-Carrier (cdma 2000) IMT-2000 CDMA TDD (UTRA TDD，TD-SCDMA) IMT-2000 CDMA Single-Carrier (UWC-136) IMT-2000 FDMA/TDMA (DECT),ITU-R的推薦方案,ITU-R：International Telecommunication Union Radio UTRA：Universal Terrestrial Radio Access,6.4 多址技術(shù)與雙工,上行鏈路,下行鏈路,BS: Base Station,MS:Mobile Station,問(wèn)題：MS用什么

16、方法把信號(hào)發(fā)送到BS？ BS用什么方法把信號(hào)發(fā)送到MS？,接入方法問(wèn)題, FDMA (Frequency division Multiple Access) TDMA/FDD (Time Division Multiple Access /Frequency division Duplex) TDMA/TDD (Time Division Multiple Access /Time division Duplex) CDMA(Code Division Multiple Access) Random Access Methods,6.4 多址技術(shù)與雙工,6.5 蜂窩通信的概念,FDMA/TDM

17、A CDMA,6.6 CDMA原理,6.6.1 擴(kuò)頻與解擴(kuò)的過(guò)程,6.6.2 W-CDMA收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu),自適應(yīng)天線陣的方向性圖,6.7 自適應(yīng)天線陣列,7,第4代移動(dòng)通信的構(gòu)想,7.1 ITU的4G構(gòu)想（一）,7.2 ITU的4G構(gòu)想（二）,新業(yè)務(wù)平臺(tái) 新業(yè)務(wù)快速開發(fā) 新業(yè)務(wù)開發(fā)簡(jiǎn)單化 不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間無(wú)縫隙接續(xù)/切換,100Mbps (移動(dòng)環(huán)境峰值速度） 1Gbps (室內(nèi)環(huán)境峰值速度） 10倍以上（與3G比） 每比特1/101/100以下 All IP （多業(yè)務(wù)質(zhì)量類，支持IPv6） 50ms以下,追加新功能 開拓新業(yè)務(wù),改善性能 使已有業(yè)務(wù)高級(jí)化,信息速率：384kbps 系統(tǒng)容量 費(fèi)用

18、基站網(wǎng)絡(luò) 傳輸系統(tǒng)：ATM 傳輸延遲,IMT2000 第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2010年左右）,7.3 4G系統(tǒng)的主要目標(biāo)能力和性能,EMC：Electro-Magnetic Compatibility QoS : Quality of Service,7.4 4G系統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)課題,7.5 4G系統(tǒng)的構(gòu)想（三),AP: Access Point,7.6 利用多跳擴(kuò)大服務(wù)區(qū),8,OFDM技術(shù)概述,OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing,LPF,LPF,LPF,data,data,串并轉(zhuǎn)換 S/P,信道,并串轉(zhuǎn)換 P/S,8.1 多載波調(diào)制的

19、概念,8.2 OFDM信號(hào)的構(gòu)成,OFDM信號(hào)由載波頻率不同的多個(gè)數(shù)字調(diào)制信號(hào)構(gòu)成，各個(gè)載波之間保持正交關(guān)系。,設(shè) 表示符號(hào)的長(zhǎng)度，,表示OFDM信號(hào)的載波間隔,令,則， OFDM的基本信號(hào)的復(fù)數(shù)表示形式為,是對(duì)第n個(gè)載波（nf0)進(jìn)行調(diào)制的數(shù)據(jù)符號(hào),8.3 OFDM的基本信號(hào),8.4 OFDM基帶信號(hào),設(shè)載波數(shù)為N，則N個(gè)載波合成的基帶信號(hào)SB(t)為：,注意： 1. an,bn及載波都在變化，每個(gè)載波的振幅和相位都隨 調(diào)制符號(hào)an,bn變化。 2. 每個(gè)載波經(jīng)an,bn調(diào)制后構(gòu)成一個(gè)基本信號(hào)，每個(gè)基 本信號(hào)是一個(gè)正弦信號(hào)。,3. N個(gè)基本信號(hào)合成的信號(hào)是一個(gè)不規(guī)則的像噪聲 一樣的信號(hào)。,O

20、FDM信號(hào)接近隨機(jī)信號(hào)，頻譜平坦、頻譜利用率高。,4. 合成信號(hào)具有隨機(jī)性，但能夠利用三角函數(shù)的正交關(guān)系正確解調(diào)出an,bn,8.5 OFDM的頻帶信號(hào)S(t),頻帶信號(hào),基帶信號(hào),8.6 多載波信號(hào)在時(shí)域的波形,OFDM信號(hào)隨載波的變化關(guān)系,8.7 OFDM信號(hào)的頻譜,8.8 OFDM信號(hào)的解調(diào)方法：,同理，,對(duì)所有載波作如上處理，恢復(fù)出所有符號(hào)ak,bk。 在時(shí)間T（Sec）內(nèi)，同時(shí)傳輸N個(gè)載波能夠正確解調(diào)。,8.9 OFDM調(diào)制器的構(gòu)成,構(gòu)成思想如下：,設(shè),只要能生成u(t),就能生成SB(t),8.9.1 u(t)的生成方法,用 的間隔對(duì) 取樣 在一個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度 之間采樣，得到N個(gè)樣本值,dn的付氏逆變換,8.9.2 OFDM調(diào)制器的基本構(gòu)成,符號(hào)影射,串并轉(zhuǎn)換,IFFT,并串轉(zhuǎn)換,取實(shí)部,本振,BFT,IFFT: Inverse Fast Fourier Transform,9,MIMO: Multiple Input Multiple Output,用相同的無(wú)線資源，用多個(gè)發(fā)射機(jī)并行地發(fā)送多個(gè)不同的數(shù)據(jù)。,用多個(gè)發(fā)送天線，發(fā)送同一個(gè)信息數(shù)據(jù)。采用空時(shí)編碼方法。,發(fā)射天線的最大輻射方向?qū)?zhǔn)接收機(jī)。,STBC: Space Time Block Coding,信道編碼 數(shù)據(jù)調(diào)制,STBC