无线通信技术基础_02无线通信系统

无线通信技术基础第2章、无线通信系统内容介绍无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。近年来，在信息通信技术领域中发展最快、应用最广的就是无线通信技术。无线通信的应用已深入到人们生活和工作的各个方面，移动通信系统、无线局域网、蓝牙、卫星通信系统、微波通信系统、数字广播和电视等都是最热门的无线通信技术应用。无线通信系统是以无线通信技术为核心组成的通信设施，无线通信系统具有和有线通信系统不同的特点，可以为人类提供更加灵活的、无处不在的通信服务。本章重点一．无线通信的频段。二．无线通信的工作方式。三．无线通信系统的组成。四．典型的无线通信系统第2.1节、无线通信的频段频段名称频率范围波段名称波长范围极低频（ELF）3~30Hz极长波100~10Mm超低频（SLF）30~300Hz超长波10~1Mm特低频（ULF）300~3000Hz特长波1Mm~100Km甚低频（VLF）3~30KHz甚长波100~10Km低频（LF）30~300KHz长波10~1Km中频（MF）300~3000KHz中波1Km~100m高频（HF）3~30MHz短波100~10m甚高频（VHF）30~300MHz超短波（米波）10~1m特高频（UHF）300~3000MHz微波分米波1~0.1m超高频（SHF）3~30GHz厘米波10~1cm极高频（EHF）30~300GHz毫米波10~1mm至高频（THF）300~3000GHz亚毫米波1~0.1mm光频100~1000THz光波300~3000nm第2.1节、无线通信的频段波段代号频率范围波长范围L1~2GHz30~15cmS2~4GHz15~7.5cmC4~8GHz7.5~3.75cmX8~13GHz3.75~2.31cmKu13~18GHz2.31~1.67cmK18~28GHz1.67~1.07cmKa28~40GHz1.07~0.75cm现在的无线通信系统主要使用微波频段，其中：移动通信系统主要使用分米波（300~3000MHz），卫星通信和微波中继通信系统主要使用厘米波（3~30GHz）。行业内部常把部分微波波段分为及几个子波段。第2.2节、无线通信的工作方式无线通信的工作方式可以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、半双工通信方式和全双工通信方式三种。单向通信方式：通信双方中的一方只能发送信号，另一方只能接收信号，收信方不能对发信方直接进行信息反馈。典型应用：寻呼、广播。双向单工通信方式：通信的双方只能交替地进行发信和收信，收发不能同时进行。典型应用：对讲机，平时天线与收信机相连，当一方需要讲话时，要按下“送话”开关。TRAf1f1按-讲开关TRBf1f1按-讲开关送话器受话器送话器受话器第2.2节、无线通信的工作方式双向半双工通信方式：通信的一方使用双频双工方式（可以同时收发），另一方则使用双频单工方式（只能交替发信和收信）。典型应用：基群指挥调度电话系统，调度中心采用双频双工方式（需要双工器来完成收信和发信的信道隔离），“手台”采用双频单工方式，需要讲话时要按下“送话”开关。TRAf1f2双工器送话器受话器TRBf1f2按-讲开关送话器受话器第2.2节、无线通信的工作方式双向全双工通信方式：通信双方都可以同时进行发信和收信。收信与发信一般使用不同的工作频率，称为频分双工（FDD），这时通信双方的设备需要双工器来完成收信和发信的隔离。收信与发信也可以使用相同的频率，在不同的时间发送信号，称为时分双工（TDD），这时通信双方的设备需要射频开关来完成收信和发信的隔离。典型应用：蜂窝移动通信系统。TRAf1f2（f1）TRBf1送话器受话器送话器受话器双工器或射频开关双工器或射频开关f2（f1）第2.3节、无线通信系统的组成利用电磁波的辐射和传播特性，经过自由空间进行信息传送的通信方式称之为无线通信（RadioCommunication）。利用无线通信技术组成的通信系统就是无线通信系统，可以传送电话、传真、数据、图像以及广播电视节目等通信业务。无线通信系统一般由发信机、收信机和与其连接的天馈系统（天线和馈线）构成。发信机收信机天馈天馈信源信宿第2.3节、无线通信系统的组成发信机：发信机的主要作用是将需要传送的信源信号发送出去。首先，用信源信号对高频载波（正弦波）进行调制形成调制载波。然后，调制载波经过中频放大、变频和滤波后成为射频载波。最后，将射频载波送到功率放大器经过放大后再送至天线发射出去。调制器中频放大器变频器滤波器功率放大器信源天线载波基带信号调制载波射频载波第2.3节、无线通信系统的组成天馈系统：天馈系统是无线通信系统的重要组成部分，主要包括天线和馈线。天线就是把导行模式的射频信号变换成扩散模式的空间电磁波及其逆变换的传输模式转换器。天线的主要作用是把发信机送来的射频载波变成空间电磁波辐射出去（发射）或者把接收到的空间电磁波变成射频载波送给收信机（接收）。馈线的主要作用是把发射机输出的射频载波高效地送至天线，一方面要求馈线的衰耗要小，另一方面其阻抗应当与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。第2.3节、无线通信系统的组成收信机：收信机的主要作用是将天线接收的射频载波恢复成信源信号并送给接受者（信宿）。收信机的工作过程实际上是发信机的逆过程。首先，对接收到的射频载波（经过空间传输后的微弱信号）进行低噪声放大。然后，经过变频、滤波和中频放大后恢复出调制载波。最后，解调并还原出信源信号送给接收者。低噪声放大器中频放大器解调器变频器滤波器信宿天线基带信号调制载波射频载波第2.3节、无线通信系统的组成实际应用的无线通信系统大多数是采用双向全双工的通信方式，即通信的双方都有发信机、收信机以及与其相连的天馈系统，这时收信机和发信机一般会做在一起而且带有双工器，称之为收发信机。发信机收信机双工器发信机收信机双工器天馈天馈收发信机A收发信机B第2.4节、无线通信系统的数字化早期的无线通信系统基本都是采用模拟调频技术。模拟无线通信系统的产生是由它的时代背景决定的，20世纪70~80年代，采用模拟无线通信技术是一个必然的选择。模拟蜂窝移动通信系统发展迅速，获得了很大成功，但是由于受到模拟技术的限制，暴露出了很多问题。频率利用率较低。提供的业务种类有限，特别是不能提供高速数据业务。保密性差，易被窃听。移动设备成本高，体积大。网络管理与控制存在很多问题。这些问题很难在模拟技术的框架内得到解决，必须突破模拟技术束缚。随着数字通信技术的日趋成熟，为蜂窝系统从模拟系统发展到数字系统奠定了基础。第2.4节、无线通信系统的数字化数字蜂窝移动通信系统能够很好地解决这些问题，其主要优点如下：频谱利用率高，可以进一步提高系统容量。大幅度提高系统容量是无线通信系统从模拟技术向数字技术发展的主要推动力之一。能提供综合业务服务。除话音业务以外，还可以传输数据、图像和视频等业务。信息安全性好。只有采用数字传输技术才能真正解决信息安全问题。抗信道衰落的能力强。除了分集以外，还可以采用扩频、跳频、交织、均衡以及信道编码等数字信号处理技术。数字系统的传输质量较高、话音质量好。能实现更有效、更灵活的网络管理。全数字化的蜂窝无线通信系统能实现高质量的网络管理与控制。系统和设备成本低、体积小。等等第2.5节、典型的无线通信系统无线通信技术最典型的应用之一是移动通信，即利用无线信道实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信。移动通信系统通常是一个有线技术和无线技术相结合的综合通信系统，用户终端与通信系统之间的接入链路采用无线方式，由于用户终端“可移动性”的特点，使人们希望随时、随地进行各种信息交互的愿望成为现实。无线通信系统的应用经过了几个发展阶段，从单向的无线寻呼，到固定电话的无线延伸，直到现在的数字蜂窝移动通信系统。第2.5节、典型的无线通信系统1、无线寻呼系统寻呼系统在20世纪90年代前后得到了广泛的应用，在蜂窝移动通信系统大规模普及之前，无线寻呼系统是主要的移动通信手段。无线寻呼系统是一种传送简单信息的单向通信系统，它由寻呼控制中心、基站和寻呼接收机（俗称BP机或BB机）三部分组成。PSTN寻呼控制中心基站寻呼机第2.5节、典型的无线通信系统2、无绳电话系统无绳电话系统是PSTN电话网络的无线延伸，它主要由基站和移动终端组成。通常将之安装在话务量较高的热点地区。PSTN基站无绳电话基站无绳电话网络管理中心计费中心第2.5节、典型的无线通信系统3、集群调度系统集群调度通信系统是一种专用移动通信系统，主要由控制中心、基站调度台和移动台组成。集群调度系统是一个多信道工作的系统，最大特点是集中和分级管理并举，系统可以供多个单位同时使用。控制中心调度台1电度台N基站基站基站基站移动台移动台移动台移动台移动台移动台移动台移动台第2.5节、典型的无线通信系统4、无线接入系统传统的用户接入系统采用双绞线电缆进行连接，需要敷设地下电缆或架设明线。随着无线通信技术的发展，用无线取代有线来迅速解决用户接入的方案得到推广。利用无线通信技术将用户接入到市话网络的通信系统称之为无线接入系统。本地交换机控制器网络管理器操作维护终端基站无线终端用户终端I/F1I/F2I/F3I/F4I/F5无线接入系统I/F6第2.5节、典型的无线通信系统无线接入系统的特点建设速度快。安装灵活方便。造价低。安全性好、抗灾害能力强。适应个人通信系统的发展。无线接入系统的应用范围人口稀疏的农村和边远地区。城市繁华商业区和新兴居民区。难以架设有线电缆的地区。需要迅速建立应急通信的地区。第2.5节、典型的无线通信系统5、无线局域网WLAN作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，是利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信信息。WLAN可以让覆盖区域的人员随时随地获取信息，提高员工的办公效率。第2.5节、典型的无线通信系统6、蜂窝移动通信系统在蜂窝移动通信系统中，每个基站发射机的覆盖范围都限制在一个称为“蜂窝（Cell）”的很小的地理范围（无线小区）内，使用“越区切换”技术，可以保证移动用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不会中断通话。蜂窝移动通信系统采用了标准的组网方式，用户可以在同一个运营商所服务的不同地区“漫游”。甚至可以在采用相同标准的不同国家的运营商之间进行漫游。可以说真正意义上的移动通信是从蜂窝移动通信系统的大规模商用开始的。一个最基本的蜂窝移动通信系统由移动台（MS）、基站（BTS）和移动交换中心（MSC）组成。第2.5节、典型的无线通信系统BTSMSCMSPSTNMSC蜂窝第2.5节、典型的无线通信系统移动台（MS）：包括无线收发信机、天线和控制电路，既可以是安装在汽车上的移动终端，也可以是便携式的手机，移动台通过无线信道与基站连接。基站（BTS）：由若干套无线收发信机组成，以便进行双工通信，它通过有线或微波线路与MSC连接，起到移动台和MSC之间的桥梁作用。一个大城市的蜂窝系统通常有上千个基站。移动交换中心（MSC）：负责协调所有基站的工作并将整个蜂窝系统连接到PSTN。MSC负责所有移动台之间以及移动台与PSTN之间的连接和交换，主要功能与PSTN中的电话交换局类似。由于要处理鉴权、漫游和越区切换等操作，MSC比PSTN的电话交换局要复杂得多。典型的MSC可以管理几十万个蜂窝用户，还要承担所有的用户计费及系统维护，一个大城市的蜂窝系统通常会包括几个MSC。第2.5节、典型的无线通信系统7、卫星通信系统卫星通信的最大优点是通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、传输容量大、建设周期短、可靠性高。卫星通信是解决全球通信覆盖的最佳选择之一。理论上三颗彼此相隔120°的同步卫星，就可以覆盖地球除两极部分地区以外的全部区域。同步轨道卫星固定通信系统：同步卫星位于地球赤道上空大约三万六千公里，绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面看卫星相对于地球是静止的。在通信网络发达的中心城市建立一个大型卫星地球站（中心站）并与