1概论07微波与扩频通信

微波通信技术第一部分、微波通信第二部分、扩频通信第一部分、微波通信概述1、微波通信－概念2、微波通信－特点3、微波通信－发展4、微波通信－原理5、微波通信－应用微波枢纽站1、微波通信－概念无线电频段的划分长波30～300KHz中波300～3000KHz短波3～30MHz超短波30～300MHz微波300MHz～300GHz波长与频率的关系入＝入＝C/入＝C/F1、微波通信－概念微波中继通信的定义工作在300MHz～300GHz的频率范围，采用无线通信方式，以接力的形式达到长距离传送信息叫微波中继通信。微波中继通信示意图2、微波通信－特点特点1通信稳定，与短波通信相比传播稳定受外界干扰小，但会受到地形、地物及气候等影响2、微波通信－特点特点2容量大长波、中波和短波总共带宽只有30MHz，而微波带宽有300GHz，是前三者总和的1000倍2、微波通信－特点特点3抗自然灾害能力强与有线通信网相比是有优势的。并且微波通信系统建设速度快，易于组网3、微波通信－发展无线通信是微波通信得以实现的基础。1901年马可尼使用800KHz中波无线电完成了人类第一次跨越大西洋的无线电通信，开创了人类无线通信的新纪元。3、微波通信－发展在20世纪30年代中期，世界上出现了第一个商用模拟无线电通信系统。采用甚高频（VHF）频段。二战期间，出现了特高频（UHF）的军用无线通信系统。3、微波通信－发展20世纪50年代才出现了真正意义上的微波通信系统。美国纽约-旧金山的商用微波通信系统采用4GHz的频段，能承载480路模拟话音，通过100多个中继站，第一次实现了长距离、中等容量的通信。3、微波通信－发展随着电子技术的发展，模拟微波通信的性能不断提高，容量增大,随着数字技术和时分复用技术的出现，数字微波通信系统逐步取代了模拟系统。3、微波通信－发展我国早在1955年就开展了微波通信技术的研究工作，进行了与微波技术相关的开发、引进和应用工作。60年代，用于邮电系统的微波通信干线达10000km。3、微波通信－发展70年代中期，由于数据传输的保密要求，我国也开始了数字微波通信系统的研究。1978年3月2GHz120路，6GHz120路数字微波通信系统研制成功，并应用于川汉输气工程。3、微波通信－发展1998年，我国研制的同步数字微波通信系统M-2000各项技术指标已达到或接近国际先进水平3、微波通信－发展数字微波通信系统的特点：1、抗干扰能力强采用检测、再生、纠错等技术手段，消除了模拟微波噪声和干扰逐级累积的问题。3、微波通信－发展2、保密性能好由于信号的数字化，很方便在信号发送端加入密码，接收端按照相同的规律解除密码，从而解决了模拟微波通信系统保密性差的问题。3、微波通信－发展3、便于组成数字通信网由于数字微波传输的是数字信号，可以直接在数字通信网上传输，计算机控制各种信息的交换容易。而模拟微波系统是做不到的。3、微波通信－发展4、设备可靠集成电路和计算机技术的高速发展，集成电路的集成度不断提高，功耗不断降低，也使得数字微波通信设备的可靠性和稳定性得到提高。3、微波通信－发展5、抗自然灾害能力强与模拟微波通信系统一样，与同轴电缆和光纤通信系统相比，数字微波通信系统具有更强的抵御自然灾害的能力。4、微波通信－原理⊙⊕⊙⊕⊕⊙⊕⊕⊙数字微波通信系统线路组成终端站终端站终端站中继接力站中继接力站枢纽站4、微波通信－原理功率放大器功率放大器馈线双工器天线上变频器调制器调制器多路复用设备用户终端设备发信机结构示意图发信机4、微波通信－原理功率放大器低噪声放大馈线双工器天线下变频器调制器解调器多路复用设备用户终端设备收信机结构示意图收信机4、微波通信－原理微波通信的频率设置为了提高系统的传输效率，节省频率资源，在微波通信系统中要采用复用技术。4、微波通信－原理微波站1微波站2微波站3微波站Nf1f2f2f1f1f1f2f2单信道设置的二频制方案5、微波通信－应用电视传输在50年代至80年代，它曾为电视广播节目的长距离传输和城市间电视节目的交换，促进电视广播事业的发展立下了汗马功劳。通信传输在此期间，与平衡电缆，同轴电缆的载波通信系统一起，同时承担长途电信业务的传输。5、微波通信－应用电信部门已建成大容量，长距离一级干线25000km，其中数字微波5100km，模拟电路占主导，在“九五”期间改为数字电路。铁路部门已开通微波线路2000km以上，到“九五”末全路干线微波达到10000km。同时采用小容量数字微波解决大城市地区用户接入、小容量局间中继、工程通信和局间通信。5、微波通信－应用电力部门建成了10多条数字微波电路，初步形成以北京为中心的全国性电力微波通信干线网。已开通数字微波电路33000km。其它部门广电、石油、煤炭等部门的微波专用网，除了广电部用于电视传输的电路多为8G的模拟电路外，其余为数字电路。总之，各部门专用微波电路总长150000km。5、微波通信－应用数字微波通信系统主要应用场合1、作为干线光纤传输的备份和补充2、应用于一些环境特殊的场合3、城市内的短距离支线连接第二部分：扩频通信一、扩频通信—基本概念二、扩频通信—发展历史三、扩频通信—理论基础四、扩频通信—主要特点五、扩频通信—工作原理一、扩频通信—基本概念扩频通信基本定义扩频通信是扩展频率通信的简称，指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式。1、扩频通信－基本概念频带宽度：它是一种信息传输方式，但传输信号所占用的带宽远大于所传信息必需的最小带宽；扩频方法：通过一个独立的码序列来完成，与所传信息数据无关；解扩方法：用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。2、解释—信号频谱被展宽扩频通信：传输信号所占用的带宽(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(F)，其比值称为处理增益Gp:FWGP常规通信通常尽量采用大体相当的带宽信号来传输信息。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；3、解释－采用伪随机码调制时频关系（傅立叶变换）在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。调制方法如果用很窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。4、接收端－相关解调解扩解扩方法在接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。扩频目的这种在发端把窄带信息扩展成宽带，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。二、扩频发展历史1、扩频通信—思想产生2、扩频通信—实现思路3、扩频通信—实用产品4、扩频通信—迅速发展1、扩频通信思想的产生海蒂.拉玛，1914年9月9日出生于奥地利的维也纳，父亲是当地知名的银行家，母亲是一名钢琴家。她因迷上了表演，跟随著名戏剧导演马克思·莱因哈特到柏林学习表演。曾被誉为“世界上最美丽的女人”。因32年主演第一部的电影《神魂颠倒》而全球闻名。1966年出版争议性自传后消失于影坛。因发明跳频通信被誉为“调频扩频通信之母”。1914一20001、扩频通信思想的产生产生背景：二战初期拉玛（Lamarr）为了防止德国窃听到美国用于指挥鱼雷攻击德国军舰的无线电信号，想到跳频扩频的方法。基本想法：采用某种传送方法，使传送信号随机地从一个频道跳到另一个频道，从而阻止敌人通过获知无线电信号的发送频道来窃听。2、扩频通信实现思路思想的实施拉玛和安塞尔开始完善这个想法。遇到问题鱼雷的接收器如何知道什么时候应该监听什么频道呢？安塞尔（Antheil）设计了一种方案，来同步跳频接收器和跳频发送器。具体方法利用一个长的呈现随机变化的频道模式向鱼雷发送信号，接收器知道这个秘密的跳频模式，所以它可以在每一时刻都注意收听正确的频道。1、扩频通信思想的产生关于同步问题安塞尔提出，可以用他在欧洲期间曾尝试过的对16部同步演奏的自动钢琴进行调节的类似方式来调节无线电频率。自动钢琴很象老式计算机，通过读入编好码的打孔纸带来演奏，实现跳频技术时也选用了类似自动钢琴上使用的打孔纸带来同步信道，甚至连信道数都参考了钢琴键的数目－－88个。3、扩频通信实用产品实用产品50年代，开始跳频技术的实验，利用新型的电子部件代替了最初的机械系统。并在1962年古巴危机时首次应用中取得了极大的成功。民用化80年代中期，美国军方公开了扩频技术，许多商业公司将它用于消费类电子产品。导弹危机事件时间：1962年10月地点：古巴境内事件：围绕前苏联在古巴布置导弹，美苏两国之间大有战争一触即发的架势美国前总统肯尼迪前苏联领导人赫鲁晓夫4、扩频通信飞速发展CDMA商用化90年代初期，美国高通公司解决了CDMA商用化中的基本问题，并制订了IS－95窄带CDMA标准。CDMA特点频谱效率高（GSM的3—4倍）话音质量好（抗干扰能力强）掉话率低基站覆盖面广三、扩频通信理论基础1、仙农（shannon）公式2、仙农(shannon)定理3、哈尔凯维奇定理三、扩频通信理论基础1940年获得MIT数学博士学位和电子工程硕士学位。《通信数学原理》和《噪声下的通信》两篇论文成为信息论的奠基性著作，使他成为信息论的创始人。克劳德.仙农（1916--2001）1、仙农公式C＝Wlog2(1十S/N)C—信道容量，W—信道带宽；S—信号功率，N—白噪声功率；仙农（Shannon）美国数学家，信息论的创始人，在1948年发表了通信的数学理论。2、仙农定理仙农定理在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。实现难点理想白噪声信号的产生，加工和复制一直存在困难。可以用伪随机序列来代替，它们的统计特性近似于高斯白噪声。3、哈尔凯维奇定理定理克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式具有白噪声统计特性。推论扩频函数（伪随机序列）逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信又具有抗多径干扰能力。哈尔凯维奇50年代，前苏联数学家，证明了定理；4、性能指标－处理增益基本定义频带扩展后的信道带宽W与频谱扩展前的信息带宽F之比：FWGP4、性能指标－处理增益增益原理在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为F的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。处理增益Gp反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。4、性能指标－抗干扰容限基本定义抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：注意Mj--抗干扰容限，Gp--处理增益，(S／N)--信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比，Ls--接收系统的工作损耗SPJLNSGM04、性能指标－抗干扰容限举例说明一个扩频系统的处理增益为35dB．要求误码率小于l0－5的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out＜10dB，系统损耗Ls＝3dB，则干扰容限Mj＝35－(10＋3)＝22dB这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作。也就是说信号在噪声湮没下也能够正常工作。四、扩频通信的主要特点1、易于频率重用2、抗干扰性强3、隐蔽性好4、实现码分多址5、抗多径干扰6、能精确地定时和测距7、适合多种业务8、安装简便易于维护1、易于频率重用频率重用扩频通信发送功率极低，采用了相关接收技术，易于在同一地区重复使用同一频率,由于可工作在信道噪声和热噪声背景中，也可与现今各种窄道通信共享同一频率资源。所以，扩频通信不需申请频率，任何个人与单位可以无执照使用。绿色手机发射功率的对于移动通信意味着节省电源以及对人体的影响也很小。2、抗干扰性强，误码率低扩频