第10章无线通信技术2.ppt

Wireless Communication 无线通信技术,2,课程内容,10.2,10.1,10.4,数字微波通信,10.3,无线传输技术,概述,无线传播环境及其特性,10.5,卫星通信系统,10.2.2 无线通信信号的传播方式,反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反 射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。,衍射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻 挡时将发生绕射。,散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体 积内阻挡体的个数非常巨大时，将发生散射。散射 发生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。,直射：发射机信号无阻挡到达接收机。,四种最基本传播方式：,10.2.3 接收信号中的四种效应,多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号是多条从不同路径过来的信号的合成。它们到达时的信号强度、信号相位、信号频率、信号方向都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和。称这种自干扰现象为多径干扰或多径效应。,10.2.3 接收信号中的四种效应,10.2.4 衰落,长期慢衰落,短期快衰落,由传播路径上固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起，也称为阴影衰落或大尺度衰落。衰落是缓慢的，且衰落速率与频率无关，只与周围地形、地物的分布、高度和物体的移动速度有关。,由于多径传播而引起的接收信号场强短时间内随机快速起伏，也称小尺度衰落。接收端接收到的信号是发送端的信号经过直射、反射、折射、散射、绕射等的信号的叠加，即接收信号是发送信号经过多径传播后的叠加信号。,10.3.1 扩频通信技术,1.扩频通信概念,扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication),所谓扩展频谱通信技术（简称扩频通信）一般是指：用比信号带宽宽得多的频带来传输信息的技术，与光纤通信、卫星通信一同誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。,扩频通信与传统通信系统不同的是，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。,扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。,具有伪随机编码调制和信号相关处理两个特点。,10.3.1 扩频通信技术,2.扩频通信理论基础,在信道容量C 不变时，如S/N 很小，则必须使用足够大的带宽W 来传输信号。用频带换取信噪比，就是现代扩频通信的基本原理，其目的是为了提高通信系统的可靠性,10.3.1 扩频通信技术,3.扩频通信基本原理,在扩频通信中，使用不同的伪随机编码，不同通信用户可在同一频段、同一时间工作，互不影响或影响极小。,B1,B2,B1,B2,扩频通信基本原理图,伪随机编码（PN码：Pseudo Noise Code）,10.3.1 扩频通信技术,5.直接序列扩频方式,【基本原理】,10.3.1 扩频通信技术,6.跳变频率方式（简称：跳频方式、FH方式）,调频通信是指传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式。跳频信号具有时变、伪随机的载频，所有可能的载波频率的集合称为跳频集。,10.3.2 多址技术,1.多址技术的概念,多址接入：两个或多个用户希望利用同一个传播信道同时相互通信的一种信号传输方式,自从电话技术和无线电技术问世以来，人们就在试图通过单条电路传送尽可能多的业务。,采用多址技术的好处,增加系统的容量，为更多的用户提供服务因为所需传输媒介减少，降低了系统成本降低单用户的费用,双绞线同轴电缆光缆空中接口(无线电信号),传输介质类型举例,10.3.2 多址技术,3.FDMA,原理：将通信系统的总带宽划分为若干等间隔的信道，分配给不同的用户。,10.3.2 多址技术,3.FDMA,每个用户分配一个信道，即一对频谱较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道必须同时占用2个信道（2对频谱）才能实现双工通信基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠前向信道与反向信道之间设有保护频带用户频道之间，设有保护频隙,10.3.2 多址技术,3.FDMA系统特点,每信道占用一个载频，信道的相对带宽较窄，即通常在窄带系统中实现符号时间 平均延迟扩展（Ts），所以码间干扰较少，无需自适应均衡基站复杂庞大，易产生信道间的互调干扰必须使用带通滤波器来限制邻道干扰越区切换复杂，必须瞬时中断传输，对于数据传输将带来数据的丢失,10.3.2 多址技术,4.TDMA,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，分配给一个用户基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙内收发信号,10.3.2 多址技术,4.TDMA,实例：GSM系统,前向/反向信道的单向带宽：25MHz信道数：共有125个RF载波，每个载波带宽200kHz。,GSM系统能同时容纳的用户数为：,上行：890MHz915MHz下行：935MHz960MHz收、发频率间隔为45MHz。,10.3.2 多址技术,4.TDMA-系统特点,突发传输的速率高，远大于语音编码速率，因为TDMA系统中需要较高的同步开销发射信号速率随N的增大而提高，引起码间串扰加大，所以必须采用自适应均衡不需双工器.TDMA用不同的时隙来发射和接收.基站复杂性小，互调干扰小抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大越区切换简单，可在无信息传输时进行，不会丢失数据,10.3.2 多址技术,5.CDMA,CDMA（Code Division Multi-Acccess）直接序列扩频多址方式,它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除TDMA以外的另一种形式，最典型的是IS-95。在第三代移动通信中，提出的最主要的三种体制也是采用CDMA，它们是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA，与TDD的TD-SCDMA。,10.3.2 多址技术,5.CDMA-基本原理,码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，才能对接收的信号进行相关检测,10.3.2 多址技术,5.CDMA-系统特点,多用户共享同一频率。通信容量大，CDMA是干扰限制性系统。容量的软特性 多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象，称“软容量”。由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落信道数据速率很高，无需自适应均衡。平滑的软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断低信号功率谱密度的好处。抗窄带干扰能力强对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段,10.3.2 多址技术,6.SDMA-工作原理,使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束相同的频率（在TDMA或CDMA系统中）或不同的频率（在FDMA系统中）用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域,SDMA系统工作示意图,23,课程内容,10.2,10.1,10.4,数字微波通信,10.3,无线传输技术,概述,无线传播环境及其特性,10.5,卫星通信系统,10.4.1 概述,【微波通信的定义】,微波通信是指用微波频率作载波携带信息,通过无线电波空间进行中继(接力)通信的方式,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,Microwave,10Km,1Km,100m,10m,1m,10cm,1cm,1mm,f,30KHz,300KHz,3MHz,30MHz,300MHz,3GHz,30GHz,300GHz,红外线,可见光,工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小,微波信号的频率范围,频率为300MHz300GHz的电磁波，其所对应的波长为1m1mm,10.4.1 概述,微波通信的发展：2030年代微波理论、元器件、应用4050年代模拟微波通信系统 AM模拟调制，2700路6070年代中、小容量的数字微波通信系统 第一代：短距离、低速率、PSK和QPSK调制，34Mbps，480路PDH系统8090年代大容量数字微波通信系统 第二代：中距离、高速率、16QAM调制、四次群、140Mb/s，1920路PDH微波90年代至今SDH微波通信 第三代：90年代，SDH微波，256QAM调制、400Mb/s,10.4.1 概述,【微波的传播特性】,微波,似光性,卫星、微波、移动通信,极化,分集,穿透电离层,天文学研究,频率高,多路通信,10.4.1 概述,【中继通信】,特点：微波，多路，接力“微波”是指微波工作频段宽，它包括了分米波、厘米波和毫米波三个频段。“多路”是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做得很宽。“接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。,10.4.1 概述,【微波通信需要中继的原因】,微波似光性，电波近似直线传播,微波的传输损耗大,波长越短，损耗越大。,微波的视距传播示意图,10.4.1 概述,【微波通信的特点】,微波占用频带宽，通信容量大 通信稳定、可靠 接力传输 通信灵活性较大 天线增益高、方向性强 投资少、建设快 数字化,10.4.1 概述,【微波中继通信系统在通信网中的地位】,10.4.1 概述,【典型的微波通信系统】,10.4.1 概述,【微波通信的应用】,济南-东营数字微波线路黄河水利委员会于1995年建成主要用于解决黄河下游到入海口的防洪、防凌预报、抗洪抢险等全长231.79公里，8个微波站电路容量为8M bit/s(120路)工作频率使用2GHz频段,10.4.1 概述,【微波通信的应用】,10.4.2 数字微波通信系统的组成,终端站、分路站、枢纽站和中继站,10.4.2 数字微波通信系统的组成,微波线路 发信设备 收信设备 中继方式,【数字微波通信线路】,10.4.2 数字微波通信系统的组成,处于线路两端或分支线路终点的站,可上下全部支路信号,可配备ADM或TM设备,处于长途干线上,需要完成数个方向上的通信任务,沟通本站上下部分支路,另外沟通干线上两个方向之间通信,对收到的已调信号进行解调,判决再生,转发至下一方向,【数字微波通信线路】,10.4.2 数字微波通信系统的组成,【微波中继站的中继方式】,可以分为直接中继(射频转接),外差中继(中频转接),基带中继(再生中继)三种方式,直接中继最简单,仅仅是将收到的射频信号直接移到其他射频上,无需经过微波-中频-微波的上下变频过程,因而信号传输失真小。这种方式的设备量小，电源功耗低,适用于无需上下话路的无人值守中继站。,10.4.2 数字微波通信系统的组成,(b)外差中继方式,外差中继是将射频信号进行中频解调,在中频进行放大,然后经过上变频调制到微波频率,发送到下一站。,10.4.2 数字微波通信系统的组成,(c)基带中继方式,采用数字接口，可消除噪声积累，可直接上下话路，微波终端站和中继站的设备可以通用，是目前数字微波通信中最常用的一种转接方式。,10.4.2 数字微波通信系统的组成,【发信设备】,微波调制发射机,信码经码型变换后直接对微波载频进行调制 发射机结构简单，但通用性差 发射频率较高时，设备制作难度大,10.4.2 数字微波通信系统的组成,【发信设备】,中频调制发射机,信码经码型变换后，首先在中频调制器对中频载频（70MHz/140MHz）进行调制；只要更换调制、解调单元，就可以传输模拟数字信号，实现数字模拟系统兼容。,10.4.2 数字微波通信系统的组成,【收信设备】,收信设备组成一般采用超外差接收方式,由射频系统、中频系统和解调系统组成。,10.4.2 数字微波通信系统的组成,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,1、波道的设置,一条微波线路提供的可用带宽一般都比较宽(几百兆)，而一般收发信机的通频带较之小得多(几十兆)。为了使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用,将微波线路的可用带宽划分成若干频率小段,并在每个频率小段上设置一套微波收发信机,构成一条微波通信的传输通道,也称为波道.通常一条微波通信线可以设置6,8,12个波道,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,2、射频波道设置,由于一条微波线路上允许有多套微波收发信机同时工作，这就必须对各波道的微波频率进行分配。波道频率配置的原则:在给定的可用频率范围内尽可能多安排波道数,增加通信容量;减少各波道间的干扰,以提高通信质量;有利于通信设备的标准化,系列化.,【一个波道频率设置：二频制】,各站交叉使用两个不同的收发频率。优点占用频带窄，频率利用率高缺点存在反向干扰和越站干扰要求天线的反向防卫度高。,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,各站的发设备和收设备分别交叉使用两个频率，共有四个不同的收发频率。四频制天线正反方向存在频率差，反向干扰小，但占用频带比二频制宽一倍。,【一个波道频率设置：四频制】,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,解决越站干扰的有效措施之一:是在设计微波线路时,使相邻的第四微波站不要选择在第一、二两微波站的延长线上,越区干扰与无越区干扰示意图,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,【多个波道频率设置】,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,多波道 一条微波线路上有多个波道同时工作配置方法 收发频率相间 每站各个波道的收、发频率按波道的次序间隔排列 收发频率集中排列 每站各个波道的收、发频率分别相对集中,【收发频率相间排列】,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,每站各个波道的收发频率按波道的次序间隔排列,相邻站的收发频率配置正好相反。要用多天线，一般不采用。,【收发频率集中排列】,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,每站各个波道的收发频率分别相对集中。分割制的收发频率相隔较远，抗干扰能力优于交错制。,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,3、射频波道的频率再用,常用,圆极化,椭圆极化,在相同或相近的波道频率上,借助于不同的极化方式来安排更多的射频波道。,10.4.3 数字微波的波道及其射频频率配置,3、射频波道的频率再用,同波道型再用方案 主用与再用的波道频率完全重合 插入波道型再用方案 主用与再用的波道频率互相错开,10.5.1 概述,1、卫星通信的基本概念,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行的通信。由于作为中继站的卫星离地面很高，所以经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。用于实现通信目的的这种人造地球卫星被称为通信卫星。卫星通信是宇宙通信形式之一，采用的是微波频段。,1、卫星通信的基本概念,地球上的无线电通信站之间利用人造地球卫星作为中继站而进行的通信。,使用微波技术的原因：1、通信容量大 2、微波可以穿透电离层,10.5.1 概述,1、卫星通信的基本概念,10.5.1 概述,通信卫星,地面站A,地面站B,2、卫星通信由幻想到现实,10.5.1 概述,卫星通信概念的提出：Sir Arthur Charles Clarke（1917-2008）1945年，英国空军雷达军官阿瑟克拉克在无线电世界上发表了科学设想论文：地球外的中继卫星能提供全球范围的无线电覆盖吗？陈述通讯和电视传播的基本原理最先提出了利用静止卫星进行通信的设想为卫星通信奠定了理论基础,2、卫星通信由幻想到现实,10.5.1 概述,约20年之后，人类就实现了阿瑟克拉克的设想1965年4月6号世界第一颗半试验、半实用的卫星“晨鸟号”的发射成功，标志着卫星通信时代的开始克拉克还精确地预言，在1969年前后，人类将登上月球。是二十世纪最伟大的太空预言家之一 He never grew up,but he never stop growing,3、卫星通信的特点,通信距离远，通信成本与距离无关利用静止卫星，单跳最大通信距离达1800km建站费用和运行费用不因通信站之间的距离不同而改变通信覆盖面积大，具有多址通信能力一颗同步卫星可覆盖地球表面积的42%左右，在这个覆盖范围内的地球站，不论是地面、海上或空间，都可同时共用这一颗通信卫星来转发信号，即可以实现多址连接传输容量大，适于多种业务传输 由于卫星使用微波频段，因而可使用频带宽，通信容量大，适于传送电话、电报、数据、宽带电视等多种业务。一颗卫星的通信容量达数千以至上万路电话，其通信容量仅次于光纤通信,10.5.1 概述,3、卫星通信的特点,10.5.1 概述,两极地区为通信盲区，高纬度 地区通信效果不佳存在日凌中断现象 卫星发射和控制技术比较复杂有较大的信号延迟和回声干扰在同步卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为027s。进行双向通信时，往返传播延迟约为0.54s。所以通过卫星打电话时，讲完话后要等半秒钟才能听到对方的回话，使人感到很不习惯通信卫星有一定的寿命 轨道上所能容纳的卫星数目有限,4、卫星通信的应用,10.5.1 概述,通信广播中继卫星导航卫星遥感（对空和对地遥感）气象观测地球资源勘探、海洋监视侦察（包括照相侦察和电子侦察）、预警支持载人航天远程教育、远程医疗,5、卫星通信使用的频率,10.5.1 概述,上行频率：地球站发射，通信卫星接收所使用的频率下行频率：通信卫星发射，地球站接收所使用的频率 卫星通信上下行通信频率卫星通信的工作频段常用：上（下）行（线）下（上）行（线）频段来表示 比如，64GHz频段 上下行分开是为了免于相互干扰目前大都使用C波段的64GHz频段上行频率为5.9256.425GHz下行频段为3.74.2GHz,5、卫星通信使用的频率,10.5.1 概述,政府、军事：x频段的87GHz频段上行频率为7.9GHz8.4GHz下行频率为7.257.75GHz。将民间卫星通信频段和政府部门、军事部门卫星通信频段分开，可以避免相互之间的干扰,ku 频段的1411GHz频段上行频率为1414.5GHz下行频率为11.712.2GHz，10.9511.2GHz和11.45GHz11.7GHz并已用于卫星通信和卫星广播业务中。目前卫星通信又使用ka频段的3020GHz频段:上行频率为27.531GHz下行频率为17.721.2GHz；,6、我国的通信卫星,10.5.1 概述,年月日时分在甘肃酒泉东风靶场一举成功，由此开创了中国航天史的新纪元，使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。,东方红三号于年月日由中国运载火箭技术研究院研制的长征三号甲运载火箭发射升空。东方红三号卫星是中国新一代通信卫星，主要用于电视传输、电话、电报、传真、广播和数据传输等业务。,年月日“东方红二号”的发射成功，开始了用我国自己的通信卫星进行卫星通信的历史。,6、我国的通信卫星,10.5.1 概述,鑫诺二号卫星使用我国研制的新一代大型静止轨道卫星公用平台，即东方红四号卫星平台，装载22路Ku频段大功率转发器，卫星寿命末期输出功率10500W，发射重量5100kg，设计寿命15年，整星指标和能力达到国际先进水平。,6、我国的通信卫星,10.5.1 概述,2008年6月9日20时15分，“中星九号”广播电视直播卫星点火发射,“中星九号”卫星，是中国卫星通信集团公司向法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司订购的一颗广播电视直播卫星。“中星9号”采取不加密方式传输节目，居民只要安装卫星地面接收设施就可收看。中国将进入直播卫星时代。,10.5.2 卫星通信基础,一个卫星通信系统是由空间分系统、通信地球站群、跟踪遥测及指令系统和监控管理分系统四大部分组成，如图所示。其中有的直接用来进行通信，有的用来保障通信的进行。,1、卫星通信系统的组成,空间段：转发无线电信号，要求放大，且尽量无失真，无噪声；地面段：放大、发射、接收信号等；监控中心：保证通信卫星正常运转，通信网络正常工作，对地球站的方向图、功率和频率进行监测。,10.5.2 卫星通信基础,空间段：转发无线电信号，要求放大，且尽量无失真，无噪声；,1、卫星通信系统的组成,10.5.2 卫星通信基础,地面段：放大、发射、接收信号等,1、卫星通信系统的组成,10.5.2 卫星通信基础,用户段,1、卫星通信系统的组成,10.5.2 卫星通信基础,2、卫星通信中的多址技术,所谓多址连接方式，就是许多个地面站通过共同的通信卫星来实现覆盖区域内的相互连接，而无需中间转接。这就要求各个地面站发向其它地面站的信号之间必须有区别。,【频分多址（FDMA）】根据各地面站发射的信号频率不同，按照频率的高低，顺序排列在卫星的频带里，各地面站的信号频谱要排列得互相不重叠。也就是说，按照频率不同来区分是哪个站址。,10.5.2 卫星通信基础,2、卫星通信中的多址技术,【频分多址（FDMA）】单址载波 每个地球站在规定的时间内可发多个载波，每个载频代表一个通信方向,10.5.2 卫星通信基础,2、卫星通信中的多址技术,【频分多址（FDMA）】多址载波 每个地球站只发一个个载波，利用基带的多路复用进行信道定向,10.5.2 卫星通信基础,2、卫星通信中的多址技术,【频分多址（FDMA）】单路单载波,10.5.2 卫星通信基础,2、卫星通信中的多址技术,【时分多址（TDMA）】,将卫星工作时间分成周期性的若干个不重叠时隙分给各地球站使用，它利用转发器不同的工作时间区分各地球站。,10.5.2 卫星通信基础,2、卫星通信中的多址技术,【玛分多址（CDMA）】,采用一组正交的伪随机序列通过相关处理实现多用户共享频率资源和时间资源。,10.5.3 同步卫星通信系统,1、同步卫星通信系统,地球同步卫星也叫静止卫星，运行轨道是赤道平面内的圆形轨道，距离地面35786.6公里，卫星的运行方向与地球的自转方向相同，绕地球旋转一周的时间23小时56分4.09秒，卫星与地球同步旋转，卫星所处的轨道称为地球同步轨道，从地面看上去，卫星相对地面是静止的。,10.5.3 同步卫星通信系统,1、同步卫星通信系统,用三颗同步卫星配置的实现全球卫星通信的示意图，这是任何一种通信方式都无法实现的形式，图中三颗通信卫星之间以120等间隔配置在同步轨道上，除地球的南北两极之外，地球的其他区域均在卫星波束的覆盖之下。,10.5.3 同步卫星通信系统,1、同步卫星通信系统,10.5.3 同步卫星通信系统,2、同步卫星的组成,控制系统 控制系统的任务是根据地面指令信号来控制卫星姿态和位置等。通信卫星的控制系统包括卫星的位置控制系统和卫星的姿态控制系统。,天线系统 通信卫星天线系统包括通信天线和遥测指令天线两种。它们的特点是：体积小、重量轻、馈电容易，有便于在卫星上组装的结构以及可靠性高和寿命长等。,10.5.3 同步卫星通信系统,2、同步卫星的组成,遥测系统 为了保持卫星的正常运转和通信，需要及时了解卫星内部的各种情况和设备的工作是否正常。在必要时，应该通过遥测信号（即指令信号）去控制卫星上某些设备的动作；另外，当一些部件发生故障时，还需自动将备份件转换上去等。所有这些工作都是通过卫星上的遥测系统来完成。,电源系统 通信卫星的电源一般同时采用太阳能电池和化学电池（或原子能电池）。通常太阳能电池作为常用电源使用，当卫星进入地球阴影区(或者说卫星日蚀)时，使用化学电池供电。,10.5.3 同步卫星通信系统,2、同步卫星的组成,通信系统 在通信卫星的各组成系统中，真正起到卫星通信中继站作用的是通信系统，也叫转发器。,