移动通信工程(一)移动通信概述.ppt

,移动通信工程 第一章 移动通信概述,教 学 内 容,自测训练题,移动通信概述,移动通信系统的组成移动通信的工作方式移动通信系统的频段使用 移动通信系统的相关技术,第一节 移动通信系统的组成,移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交换的通信方式。移动通信可分为陆地移动通信、海上移动通信和空中移动通信。目前实际系统使用的移动通信系统有：航空航天通信系统、航海通信系统、陆地移动通信系统和国际卫星移动通信系统。陆地移动通信系统包括：无线寻呼，无绳电话系统，集群系统，蜂窝移动通信系统。,移动通信的特点及组成,移动通信的特点终端用户具有移动性采用无线接入的方式具有网间漫游和互通功能移动通信系统的组成发信机、收信机、天线（含馈线）,移动通信系统的组成,信源,发信机,信宿,收信机,天线,天线,将所要传送的信号首先对载波信号进行调制，形成已调载波，已调载波信号经过变频成为射频载波信号送至功率放大器，经功率放大器放大后送至天馈线。,移动通信系统的组成,信源,发信机,信宿,收信机,天线,天线,把射频载波信号变成电磁波或者把电磁波变成射频载波信号,按照规范性的定义，天线就是把导行模式的射频电流变成扩散模式的空间电磁波的传输模式转换器及其逆变换的传输模式转换器。,移动通信系统的组成,信源,发信机,信宿,收信机,天线,天线,把发射机输出的射频载波信号高效地送至天线，这一方面要求馈线的衰耗要小，另一方面其阻抗应尽可能与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配,移动通信系统的组成,信源,发信机,信宿,收信机,天线,天线,把天线接收下来的射频载波信号首先进行低噪声放大，然后经过变频、中频放大和解调后还原出原始信号，最后经低频放大器放大输出,第二节 移动通信的工作方式,按照通话的状态和频率的使用方法，可将移动通信的工作方式分成单向通信方式和双向通信方式两大类别。双向通信方式分为：单工通信方式、双工通信方式和半双工通信方式三种。,移动通信的工作方式,单工通信,是指通信双方设备交替地进行收信和发信。根据通信方是否使用相同的频率，单工制又分为同频单工和双频单工常用的对讲机就采用这种通信方式,单工方式,移动通信的工作方式,双工通信,双工制，有时也叫全双工通信，是指通信双方收发信机均同时工作，即任一方讲话时，可以听到对方的语音，没有“按讲”开关，双方通话像市内电话通话一样。双工通信一般使用一对频道，以实施频分双工（FDD）工作方式。,双工方式,移动通信的工作方式,半双工通信,半双工制是指通信双方,有一方使用双工方式,即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率f1和f2；而另一方则采用双频单工方式，即收发信机交替工作。,半双工方式,第三节 移动通信系统的频段使用,GSM移动蜂窝系统频率划分,GSM系统根据所用频段可分为GSM900MHz和DCS1800MHz系列GSM900双工间隔45MHz，载频间隔200KHz，25MHz工作带宽890915MHz（MS发，BS收）890909MHz（BS发，MS收）中国移动占用 890909935954MHz，对应的ARFCN为1-95(通常频点95保留不用)中国联通占用890909 954-960MHz，对应的ARFCN为96-124,GSM移动蜂窝系统频率划分,DCSl800 双工间隔95MHz，载频间隔200KHz，75MHz工作带宽。17101785MHz（MS发，BS收）18051880MHz（BS发，MS收）共374个频点，绝对载频号为512-885。频率与载频号(n)的关系如下：基站收 f1(n)=1710.2+(n-512)0.2 MHz 基站发 f2(n)=f1(n)+95 MHz 中国移动占用1710-1720MHz，对应绝对载频号为512-561；中国联通占用1 745-1755MHz对应ARFCN为687-736,第四节 移动通信系统的相关技术,多址方式：将可用的无线资源同时分配给众多用户使用，已达到较高的系统容量。设计的主要问题：多路复用和信道分配。调制技术：信息载体的某些特性随信息的变化过程，并能使所要传送的信息适合于信道的特性，达到可靠的传输。话音编码：为满足带宽受限的移动信道的要求，提出的高效编码，尽可能的减少传输速率和提高话音质量。,传统多址技术,码分多址技术（直接扩频方式）,多址技术图示,FDMA方式,FDMA系统的工作示意图,FDMA系统原理FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。,FDD分配给用户的物理信道是一对信道，占用两段频段模拟TACS和AMPS系统均采用FDMA/FDD方式,FDD,FDMA/FDD频谱分割示意图,FDMA系统的特点,FDMA信道每次只能传送一个电话每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波允许指定信道里的信号通过，滤除其他频率的信号，从而限制临近信道间的相互干扰。FDMA移动通信系统复杂度较低容易实现,FDMA系统中的干扰问题,互调干扰 互调干扰是指系统内由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰。邻道干扰 邻道干扰是指相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内造成对有用信号的干扰。同频道干扰 同频道干扰一般是指相同频率电台之间的干扰,TDMA方式,TDMA系统原理,TDMA系统的工作示意图,TDMA是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。,每帧由前置码、消息码、尾比特构成；前置码中包括地址和同步信息，以便基站和用户都能彼此识别对方信号。,TDMA的帧结构,TDMA帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发（burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧，帧结构示意图如下图所示。,TDMA帧结构,TDMA系统的特点,TDMA系统中几个用户共享单一的载频，其中每个用户使用彼此互不重叠的时隙，每帧中的时隙数取决于几个因素，例如调制方式、可用带宽等等。移动台发送的是周期性突发信号，而基站发送的是时分复用信号，由于用户发射机可以在不用的时间(绝大部分时间)关掉，因而耗电较少。由于TDMA系统发射是不连续的，移动台可以在空闲的时隙里监听其它基站，从而使其越区切换过程大为简化。通过移动台在TDMA帧中的空闲时隙监听，可以提供给移动台辅助越区切换(MAHO)等等。同FDMA信道相比，TDMA系统的传输速率一般较高，故需要采用自适应均衡，用以补偿传输失真。TDMA必须留有一定的保护时间(或相应的保护比特)，但是如果为了缩短保护时间而使时隙边缘的发送信号压缩过快，则发射频谱将展宽，并将对相邻信道构成干扰。由于采用突发式发射，TDMA系统需要更大的同步报头。TDMA系统的一个优点是在每帧中可以分配不同的时隙数给不同的用户，通过基于优先级对时隙进行链接或重新分配，可以满足不同用户的带宽需求。,CDMA方式,CDMA系统原理 CDMA系统为每个用户分配了各自特定的地址码，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息,CDMA系统的工作示意图,码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息，有多少个互为正交的码序列就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码(伪随机码)，同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码，这个过程称为解扩。,CDMA系统的特点,CDMA系统的许多用户共享同一频率，不管使 用的是TDD还是FDD技术通信容量大 容量的软特性由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落在CDMA 系统中，信道数据速率很高平滑的软切换和有效的宏分集低信号功率谱密度。,CDMA系统存在的两个重要问题,来自非同步CDMA网中不同用户的扩频序列不完全是正交的“远-近”效应,调制技术的基本概念,调制是使信息载体的某些特性随信息变化的过程，并能使所要传送的信息适合于信道的特性，达到最有效和最可靠的传输。信号源的编码信息（信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号 基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号以适合于信道传输。这个带通信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号,窄带数字调制技术,分类,(1)线性调制方式,(2)连续相位调制方式,线性调制方式主要有各种进制的PSK和QAM等。这一类调制方式的频带利用率一般都大于1bit/sHz-1，但对调制器和功率放大器的线性要求非常高。线性调制方式又可分为频谱高效和功率高效两种，理论上可以得到大于2bit/sHz-1频带利用率的调制方式为频谱高效，如8PSK、16QAM、256QAM等。,射频已调波信号具有确定的相位关系且包络恒定，也称之为恒定包络调制技术，主要有MSK、TFM（平滑调频）、GMSK等。具有频谱旁瓣分量低，误码性能好，其发射功率放大器可以使用高效的C 类功放。此外，这一类调制方式可用于非同步检测。这种调制方式的缺点是频带利用率较低，一般不超过1bit/sHz-1。,窄带数字调制技术的应用,GMSK调制 在恒包络调制方式中，GMSK调制解调器结构比较简单，在目前的移动通信中得到广泛应用。欧洲电信联盟（CEPT）所确定的泛欧数字蜂窝移动通信系统（GSM）中就采用GMSK这种调制方式。该方式的优点是，解调方案有多种可供选择在线性调制方式中，/4相移QPSK方式有如下特点 相位迁移时不通过原点，因此，信号包络线的变动受功率放大器非线性影响比较小。不但适用于相干解调，而且也适用于对脉冲接收信号也很容易实现的延迟解调和频率解调。这种调制方式与TDMA方式有良好的配合，北美和日本的新一代数字移动通信系统均采用了这种调制方式。,语音编码技术,移动通信对语音编码的要求：(1)编码的速率要适合在移动信道内传输，纯编码速率应低于16kbit/s。(2)在一定编码速率下语音质量应尽可能高，即解码后的复原语音的保真度要高，主观评分MOS应不低于3.5分（按长途语音质量要求）。(3)编解码时延要短，总时延不得超过65ms。(4)要能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好，以保持较好的语音质量。(5)算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。,话音编码技术,话音编码的目的是尽可能减小传输速率和提高话音质量。目前话音编码大致可以分成两大类波形编码和参数编码。常用的波形编码有脉冲编码调制(PCM)、增量调制(DM)和白适应差分脉冲编码调制(ADPCM)等；参数编码主要有线性预测编码及其改进型(如规则脉冲激励长期预测编码RPE-LTP、矢量和激励线性预测编码VSELP等)。,话音编码技术,GSM声码器采用规则脉冲激励长期线性预测编码RPE-LPC，声码器将话音分成20ms的块，每块共有260比特，传输速率为13kbit/s。GSM在声码器中利用话音激活检测(VAD)和不连续发送(DTX)功能，这样可延长移动台电池工作寿命。GSM系统发射机在寂静期不工作。可降低瞬时无线电干扰。GSM采用舒适噪声子系统，可在接收机末端产生背景噪声来补偿由于DTX而形成的静寂,自测训练题,1.移动通信的工作方式可分为单向通信方式和双向通信方式两大类别，而后者又分为单工通信方式、双工通信方式和（）通信方式三种。2.单工制通信就是指通信的双方只能（）地进行发信和收信，不能同时进行。3.双工制通信就是指移动通信双方可（）进行发信和收信，这时收信与发信必须采用不同的工作频率，称为频分双工。4.移动通信网无线区群的激励方式一般分为中心激励和（）激励。5.移动通信系统中的码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的（）实现的多址方式。6.目前在数字移动通信系统中广泛使用的调制技术主要有（）调制技术和线性调制技术两大类。7.移动通信中的干扰有邻道干扰、（）、互调干扰。8.目前移动通信系统中话音编码大致可以分成两大类，即波形编码和（）编码。9.馈线的主要作用是把发射机输出的射频载波信号高效地送至天线，一方面要求馈线的衰耗要（），另一方面其阻抗应尽可能与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。,一、填空题,二、单项选择题,1.移动通信使用的极低频频段的频率范围为（）。A、330Hz B、3300Hz C、30300Hz D、3003000kHz2.当载波的相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应的变化称之为（）A、PSK B、FSK C、ASK D、PM3.移动通信使用的中频频段的频率范围为（）。A、330Hz B、3300Hz C、30300Hz D、3003000kHz4.当载波的频率按照数字信号“1”、“0”变化而对应的变化称之为（）A、PSK B、FSK C、ASK 37D、FM,5.移动通信使用的极高频频段的频率范围为（）。A、330Hz B、3300Hz C、30300Hz D、3003000kHz6.移动通信使用的甚长波的波长范围是（）。A、10.1m B、101MmC、10001000kMm D、100lOkMm7.GSM系统根据所用频段可分为GSM900MHz和GSM1800MHz，GSM900系统载频间隔为（）A、45MHz B、200KHz C、25MHz D、95MHz 8.移动通信使用的短波的波长范围是（）。A、10lkm B、1000l00m C、100l0m D、10lm9.GSM1800双工间隔为（）A、45MHz B、75 MHz C、25MHz D、95MHz 10.移动通信使用的厘米波的波长范围是（）。A、10.1m B、10lm C、100.lmm D、10.lmm,11.我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统890MHz，采用（）MHz频段。A、600 B、900 C、1200 D、150012.标准的有线传输采用脉冲编码调制（PCM），每秒钟抽样（）次，每次抽样值用8ht来表示，总的码率是64kbps。A、400 B、800 C、4000 D、800013.目前移动通信使用超低频的频率范围是（）。A、330Hz B、30300Hz C、3003000Hz D、300030000Hz14.信号源的编码信息（信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为（）A、基带信号 B、调制信号 C、已调信号 D、低频信号15.移动通信使用的长波的波长范围是（）。A、100lOMm B、101Mm C、10010km D、101m16.当载波的振幅按照数字信号“1”、“0”变化而对应的变化称之为（）A、PSK B、FSK C、ASK D、AM,三、多项选择题,1.移动通信系统一般由（）构成。A、发信机 B、收信机 C、天线 D、馈线2.下列系统哪些属于移动通信系统（）A、无线寻呼 B、无绳电话系统 C、集群系统 D、PSTN3.在移动通信系统中常用的多址方式有（）以及它们的混合应用方式等。A、频分多址 B、时分多址 C、码分多址 D、空分多址4.下列调制方式哪些属于相位连续调制方式（）A、PSK B、QAM C、TFM D、GMSK5.移动通信的工作方式可分为单向通信方式和双向通信方式两大类别，而后者又分为（）。A、单工通信方式 B、双工通信方式C、半双工通信方式 D、半单工通信方式6.下列哪些移动通信系统属于FDMA工作方式（）A、TACS B、GSM C、AMPS D、D-AMPS,四、判断题,（）1.移动通信是指移动体之间，或移动体与固定体之间的通信。（）2.目前实用的移动通信系统大多数采用双工通信方式，即通信双方都有收发信机，而且收发信机做在一起交替工作。（）3.半双工制通信方式与双工通信相类似，其中一方使用双频双工通信方式，另一方则使用双频单工方式，发信时要按下按讲开关。（）4.采用单工通信方式的对讲机平时天线总是与发信机相连。（）5.移动通信系统中的收信机的主要作用是把天线接收下来的射频载波信号首先进行低噪声放大，然后经过变频、中频放大和解调后还原出原始信号，最后经中频放大器放大输出。（）6.线性调制方式对功率放大器的线性要求较低。（）7.频分多址是按照频率的不同给每个用户分配单独的物理信道。（）8.TDMA每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。（）9.时分多址系统把每个无线载波按时间划分成若干时隙，每个时隙仅允许一个用户发射或接收信号。,五、简答题,1.与有线通信相比移动通信的特点有哪些？2.简述GSM网络中直放站（中继器）的功能及其工作原理。3.简述移动通信系统中发信机的主要作用。4.进行移动通信多址系统设计时应考虑哪些主要问题？5.简述CDMA系统的特点,六、综合题,1.阐述移动通信系统中天线和馈线的主要作用。2.阐述移动通信中时分多址的特点。,