第1章 点对点的无线通信

2020/3/151移动通信务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信22020/3/15课程介绍专业必修课对移动通信原理、技术、系统、及其应用有基本认识教材丁奇《大话移动通信》人民邮电出版社2011参考书务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信32020/3/15考核方式态度性评价（20%）知识性评价(70%)技能性评价(10%)扣分项总评书面作业（40%）期末成绩（60%）总评项目1（50%）项目2（50%）总评务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信42020/3/15学习目标理解移动通信的概念及其含义；掌握移动通信的特点、分类和工作方式；熟悉常用几种移动通信系统的名称、结构、功能、特点与应用；了解移动通信系统的未来发展的方向；务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信学习方式学“道”（信号与系统、随机过程分析、电磁场与电磁波、无线通信原理）知其所以然（了解为什么可以这样）学“术”（通信系统结构、设备、功能、性能、配置）知其然（掌握如何这样）学“术”为主、学“道”为辅！常州信息职业技术学院张立中52020/3/15务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信62020/3/15内容一览模块一点对点的无线通信—从贝尔到莫尔斯模块二多点对多点的无线通信系统模块三GSM网络模块四WCDMA网络模块五TD-SCDMA网络模块六cdma2000网络模块七LTE网络2G网络3G网络4G网络务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信72020/3/15移动通信网络的发展历程ITU:InternationalTelecommunicationsUnion国际电信联盟IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美国电气和电子工程师协会IMT-2000:InternationalMobileTelecomSystem-2000国际移动电话系统-20003GPP:The3rdGenerationPartnershipProject3G技术规范机构务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信82020/3/15移动通信网络的发展历程（1G）1G（第一代移动通信系统）AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem）高级移动电话系统AMPS在无线传输中采用了频率调制FDMAAMPS是第一代的蜂窝技术模拟通信系统务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信92020/3/15移动通信网络的发展历程（2G）2G（第二代移动通信系统）TDMA（IS-95采用CDMA）以GSM系统、IS-136和IS-95CDMA为代表的数字蜂窝系统务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信102020/3/15移动通信网络的发展历程（3G）3G（第三代移动通信系统）以WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA和它们的演进系统为代表的IMT-2000系统理论下载速率WCDMA（7.2/14.4Mbps），CDMA2000(3.1Mbps/单载波)，TD-SCDMA(2.8Mbps/单载波)务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信112020/3/15移动通信网络的发展历程（E3G）E3G（3.5G~3.9G）eNBMME/S-GWMME/S-GWeNBeNBS1S1S1S1X2X2X2E-UTRANLTE(LongTermEvolution,长期演进)项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。主流技术LTE-FDD,LTE-TDD.LTE也被通俗的称为3.9G，改进并增强了3G的空中接入技术，被视作从3G向4G演进的主流技术。在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信122020/3/15移动通信网络的发展历程（4G）4G进一步提升系统性能LTE-Advanced多频段层叠无线接入系统，100mhz频谱带宽。峰值速率：下行1Gbps，上行500MbpsIEEE802.16m是为用户站点和核心网络（如：公共电话网和Internet）间)提供通信路径而定义的WIMAX无线服务标准协议。4G手机，确切的说4G终端，其本质不是把手机做大，而是把电脑做小。务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信132020/3/15移动通信网络的发展历程移动通信系统发展趋势：“宽带接入移动化”“移动通信宽带化”务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信142020/3/15移动通信技术的演进务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信152020/3/15移动通信技术的演进2020/3/1516移动通信模块一点对点的无线通信务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信172020/3/15古代通信最早的无线通信：人与人之间对话发射机、接收机、声波“鸡犬之声相闻，老死不相往来”务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信182020/3/15古代通信征战部队：稳鼓而进，闻金（钲）而退队伍编号、旗语钲：中国古代一种铜制的打击乐器务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信古代通信烽火台（烽火戏诸侯、大意失荆州）驿站（阴符、阴书）编码、加密、跳频如何能实现千里眼、顺风耳？时时、处处、人人192020/3/15务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信现代通信系统架构麦克斯韦（1865预言电磁波存在）赫兹（1888实验验证电磁波存在）贝尔（电话之父）爱迪生常州信息职业技术学院张立中202020/3/15务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信现代通信系统架构声波变成电信号？（模拟信号变成电信号）金属片连接在电磁开关上212020/3/15务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信模拟通信系统222020/3/15务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信232020/3/15模拟通信系统模型如下图所示（以调幅/AM广播为例）：模拟信源调制器信道噪声源解调器信宿人的语音频率在300Hz到4000Hz之间，无法通过天线发射出去从这个过程中我们可以知道，实际上，模型中的调制解调器中都包含了放大功能务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信242020/3/15数字通信系统模型信源可能是模拟信源（如麦克风），也可能是数字信源（如计算机）信源编码如果信源是数字信源，主要对其压缩、加密等；如果是信源是模拟信源，则先进行A/D变换再进行压缩、加密信道编码主要功能是检错和纠错，主要目的是为了保证通信的可靠性数字调制与模拟调制的作用是类似的：都是为了使通信传输的信息更远、更多、更抗干扰信道噪声源数字解调信道译码信源译码信宿是发送端处理的“逆过程”，不再赘述随着通信技术的飞速发展，信道编码与数字调制有融合的趋势务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信252020/3/15和模拟通信相比，数字通信的优点：（1）抗干扰能力强，无噪声累积（2）便于多种信息传输（数字化语音、计算机数据、数字化图象、监控数据等）（3）便于信息处理（如加密、存储、网管等）（4）可靠性高、电路功耗低，体积小便于集成化(5)接收端具有纠错检错功能磁带-CD,模拟电视-数字电视，大哥大-GSM手机缺点：占用频带宽占用带宽多，相比模拟信号，有失真。胶片电影、光学摄像机等务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信262020/3/15信号的时域概念---信号随时间变化的曲线模拟信号数字信号周期信号非周期信号务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信272020/3/15信号的频域概念---描述信号在频率方面特性时域和频域是信号的基本性质，这样可以用多种方式来分析信号，每种方式提供了不同的角度。对于一个信号来说，它也有很多方面的特性。如信号强度随时间的变化规律（时域特性），信号是由哪些单一频率的信号合成的（频域特性）通常一个电磁信号会由多种频率组成，而非单一的频率：务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信282020/3/15信号的分析周期信号：周期信号可以用成谐波关系的正弦函数级数来表示，即傅里叶级数非周期信号：可以用不全成谐波关系的正弦信号的加权积分来表示----傅里叶变换基波、谐波----傅里叶反变换----傅里叶级数《高等数学》、教材参考书1非周期信号：可以用不全成谐波关系的正弦信号的加权积分来表示一个信号，无论它是周期的还是非周期的，我们都能用数学公式对它进行表达，傅里叶的理论构成了现代通信的基石务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信292020/3/15信号的分析时域和频域的转换f=1/t乔丹打球务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信302020/3/15“A/D变换”的3个步骤：采样、量化、编码将时间上连续的模拟信号变为时间上离散的采样值的过程就是采样。采样也称为取样、抽样等。图2-2-2采样过程示意图1.采样务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信312020/3/15奈奎斯特采样定理采样时，究竟要取多少个点，才能保证原有的连续时间信号所含的信息才不会丢失，才能完整的保留下来，然后被还原?针对上边这个问题，美国物理学家奈奎斯特（Nyquist）在1927年提出采样定理。采样定理内容——当采样频率fs大于等于信号中最高频率fmax的2倍时，即，采样之后的数字信号才能完整地保留了原始信号的信息max2ffs务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信2020/3/152.量化32均匀量化将纵轴均匀划分成M个区间一般这个量化值取这个区间的中点落在某一区间内的样值统统量化成1个值3m4m5m6m7m6m这样，本来纵坐标的取值是无限多个的模拟信号就变成了多进制数字信号务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信332020/3/15非均匀量化均匀量化非均匀压缩抽样后信号124大信号压缩率大小信号压缩率小11.21.6通过传输到接收端非均匀解压缩（即扩张器）大信号放大倍数大小信号放大倍数小124达到了非均匀量化效果下面主要学习非均匀压缩务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信342020/3/15A压缩律（我国使用）1||1n11||n111||0n11xAAxAAxAAxyA是大于1的常数y是x的2段函数：第1段是线性函数第2段是指数函数为了尽可能减小误差，采用15折线逼近μ律，采用13折线逼近A律务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信352020/3/153.编码将每一个量化电平用一组二进制代码表示的过程称为编码。在实际的设备中，量化和编码是同时完成的。我们重点介绍常用的逐次反馈比较型脉冲编码调制（PCM）编码的过程。在真正的通信系统中应用的PCM编码是采用A律13折线法的，用8个bit为来表征，共可以表示个电平。25628务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信362020/3/154.调制调制在通信中的作用：（1）调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求。（2）经过调制后的频带信号更容易辐射，从而满足无线通信的要求。（3）实现频率分配。（4）实现多路复用。（5）减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力。务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信372020/3/15数字调制的三种方式：务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信382020/3/15本章结构现代通信系统的整体框架信号的概念及信号分析方式模拟信号变为数字信号无线信道务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信392020/3/15无线信道提起无线信道，本章只关注两方面内容：一是它的理论容量，也就是说在既定带宽和信噪比的前提下最大传输速率会是多少；二是它有些什么特性会对通信系统有所影响一、无噪声的情况：奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则内容：信道在无噪声的理想情况下，如果信道带宽为B，那么在没有码间干扰的情况下，能够传输的最大信号速率为2B，数据率的限制仅仅来自于信道的带宽务实诚信自强奋进模块一点对点的无线通信402020/3/15二、有噪声的情况：香农定理其中我们用信噪比（SNR）来衡量信号功率相对噪声功率的强度，这个值越大，说明信号越好，我们越容易分辨出信号来在有噪声的情况下，信道带宽和信噪比共同决定了一个信道的容量，这里可以用公式来描