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1、第1章 数字移动通信的基本原理,1.1 数字移动通信信息收/发的基本原理 1.2 移动通信的工作方式 1.3 数字移动通信系统的基本组成 1.4 数字移动通信系统的用户容量 1.5 移动通信的网络结构 1.6 移动通信的发展历程 1.7 移动通信的产业链,1.1 数字移动通信信息收/发的基本原理,数字移动通信信息收/发主要由发送部分、移动信道、接收部分三部分组成，通常把构成发送部分的物理设备称为发射机，而把构成接收部分的物理设备称为接收机，方框图构成如图1-1所示。 1、移动信道 移动信道属于无线信道，对信息的传输采用电磁波在空间进行传播。由于通信用户处于随机移动的过程中，移动信道具有许多新特
2、点。 （1）多径衰落现象 由于移动用户的通信地点处于可能处在高楼林立的城市中心繁华区、以一般性建筑物为主的近郊小城镇区和以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区三类典型区域，这会导致电磁波的传播由于受到地形、各种地物的影响而产生绕射、发射和散射使得到达接收端的信号是多路的合成，合成信号的幅度、相位和到达时间随机变化，从而严重影响通信的质量。这就是所谓的多径衰落现象，如图12所示。,下一页,返回,1.1 数字移动通信信息收/发的基本原理,（2）多普勒效应 由于移动用户可能处于慢速步行或高速车载的运动状态，这些都会导致电磁波在其中传播会受到各种因数的影响。这将导致移动台的工作频率随着载体的运动速度们改
3、变，产生不同的频移，而影响通信的质量，通常把这种现象称为多普勒效应。 (3) 运行在复杂的干扰环境中 在移动通信中，同时通信者成千上万，他们之间会产生许多干扰信号，还有各种工业干扰、认为干扰和天气变化产生的干扰，这些干扰也将会严重影响通信的质量。 (4)、频谱资源有限 移动通信可以利用的频谱资源非常有限，但移动通信的用户数量却不断扩大，这就必须要提高频谱的利用率。,上一页,下一页,返回,1.1 数字移动通信信息收/发的基本原理,既然移动通信的无线信道环境较为复杂，那么需要传输的信息必须要经过各种处理变换成适合在无线信道的传输信号才行。下面讨论信息是如何处理和为什么要这样处理？移动信息的处理包括
4、发送和接收两个部分，主要由基带处理电路和频带处理电路两部分构成。 2、发送/接收部分 （1）信源与信宿 信源是信息发射源，主要有语音信息、图像和视频信息等。信宿是信息的归宿，是通过移动台对信源信息的再现。,上一页,下一页,返回,1.1 数字移动通信信息收/发的基本原理,（2）、信源编码与信源解码 信源编码的主要作用是将信源送出的模拟信号取样、量化、编码，并对编码后的信号去掉信源多余的冗余信息，以达到压缩信源信息率，降低信号的传输速率、缩小信号带宽，从而提高通信的有效性。常用信源编码的方法有波形编码、参量编码和混合编码三种方式。 波形编码技术是以再现原始语音波形为目的的技术。当编码速率在16kb
5、it/s64kbit/s范围内时，可获得较好的话音质量；在64kbit/s以上时可以无失真地再现原话音波形；但编码速率在16kbit/s以下时，将使话音质量迅速下降。 声源编码技术是以发生机制的模型为基础的，如线性预测编码LPC等，它可以在低于16kbit/s以下的情况下获得较好的话音质量。,上一页,下一页,返回,1.1 数字移动通信信息收/发的基本原理,混合编码是以波形编码技术和声源编码技术结合在一起的混合编码技术。它兼有波形编码和声源编码的优点，在8kbit/s16kbit/s范围内，具有良好的话音质量 信源解码是信源编码的逆过程。 （3）、信道编码与信道解码 信道编码主要包括纠错编码和交
6、织技术。主要目的是提高通信的可靠性。纠错编码的作用是通过对信源编码的数据增加一些冗余数据对信源编码的数据进行监督，以使在接收时能从接收的数据中检出由于传送过程中引起的差错从而进行纠正。交织技术的作用是通过将纠错编码后分散，对付在传输过程中产生的各种连续干扰。 信道解码是信道编码的逆过程。,上一页,下一页,返回,1.1 数字移动通信信息收/发的基本原理,（4）、数字调制与解调 数字调制的主要作用：一是为了使传送信息的基带信号搬移至相应频段的信道上进行传输，以解决信源信号通过天线转化为电磁波发送到自由空间；二是为了进一步提高通信的有效性和可靠性。常用的基本数字调制方式如图1-3。数字调制在实现时可
7、分两步：首先是将含有信息的基带信号载荷（调制）至某一载波上，再通过上变频搬移至适合某信道传输的射频段。上述两步亦可一步完成。 数字解调是数字调制的逆过程。,上一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,按照通话的状态和频率使用的方法，移动通信可分为三种工作方式：单工、双工和半双工三种通信方式。 1.2.1 单工通信方式 所谓单工通信，是指通信双方交替进行收信和发信的通信方式，发送时不接收，接收时不发送。单工通信常用于点到点的通信，如图1-4所示。根据收发频率的异同，单工通信可分为同频单工和异频单工。 1同频单工 同频单工是指通信的双方在相同频率f1上由收/发信机轮流工作。通话的操作采用“按一讲”方
8、式。平时，双方的接收机均处于守听状态，如果A方需要发话，可按压“按一讲”开关，关掉自己的接收机，使其发射机工作，这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话；同理，也可实现由B至A的通话。在该方式中，同一部电台（如A方）的收发信机是交替工作的，故收发信机可使用同一副天线，而不需要使用天线共用器。,下一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,2异频单工异频单工是指通信的双方的收/发信机轮流工作，且工作在两个不同的频率f1和f2上。而操作仍采用“按一讲”方式。如图1-5所示。在移动通信中，基地站和移动台收、发使用两个频率实现双向通信，这两个频率通常称为一个信道。若基地站设置多部发射机和多部
9、接收机且同时工作，则可将接收机设在某一频率上，而将发射机设置在另一频率上，只要这两个频率有足够频差（或者称频距），借助于滤波器等选频器件就能排除发射机对接收机的干扰。,上一页,下一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,1.2.2 半双工通信方式 半双工通信方式是指通信的双方有一方（如A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（如 B方）则采用双频单工方式，即收发信机交替工作，如图1-6所示。平时，B方是处于守听状态，仅在发话时才按压“按一讲”开关，切断收信机使发信机工作。其优点是：设备简单、功耗小、克服了通话断断续续的现象，但操作仍不太方便。所以半双工通信
10、方式主要用于专业移动通信系统中，如汽车调度等。,上一页,下一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,1.2.3 双工通信方式 双工通信方式指通信的双方、收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音，无需“按一讲”开关，与普通市内电话的使用情况类似，操作方便，如图1-7所示。但是采用这种方式，在使用过程中，不管是否发话，发射机总是工作的，故电能消耗大。这一点对以电池为能源的移动台是很不利的。为此，在某些系统中，移动台的发射机仅在发话时才工作，而移动台接收机总是工作的，通常称这种系统为准双工系统，它可以和双工系统相兼容。目前，这种工作方式在移动通信系统中获得了广泛的应用。,上一页,
11、返回,1.3 数字移动通信系统的基本组成,数字移动通信系统是一种双向双工通信系统。该系统一般由移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心（MSC）及与市话网（PSTN）相连的中继线等组成，如图1-8所示。 基站和移动台设有收/发信机和天馈线等设备。基站的主要作用是为移动台提供一个双向的无线链路。每个基站都有一个可靠的通信服务范围，称为无线小区，无线小区的大小主要由发射机功率和基站天线的有效高度等因素决定。整个系统的服务区域可由一个或若干个无线小区组成。移动业务交换中心主要用来处理信息的交换和整个系统的集中控制管理。从图中我们不难看出，通过基地站、移动业务交换中心就可以实现在整个服务区内任意
12、两个移动用户之间的通信；也可以经过中继线与市话局连接，实现移动用户和市话用户之间的通信，从而构成一个有线、无线相结合的移动通信系统。,返回,1.4 数字移动通信系统的用户容量,我们知道，移动通信系统由于要使用无线电波，而无线电波的频率资源是有限的，结果移动通信就会受到频率资源的限制。事实上，无线电波的资源有限并不是说无线电波会被用掉、花掉等等，而是指一定时间、空间、频率上的占用，因此必须分配使用。而无线电波频率资源有限就意味着系统容量的有限，从而无法容纳更多的用户。为了提高移动通信系统的容量，就要根据无线电波的时间、空间、频率的三维占用性，从这三个角度上想办法。常用的提高系统容量的方法主要多址
13、技术、蜂窝技术等等。,下一页,返回,1.4 数字移动通信系统的用户容量,1.4.1 多址技术 在一个无线小区中，如何使一个基站能容纳更多的用户同时和其它用户进行通信？又如何使基站能从众多用户台的信号中区分出是哪一个用户台发出来的信号，而各用户台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号？解决这个问题的办法称为多址技术。 目前移动通信采用多址方式基本类型有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。实际中也常用到其他一些多址方式，其中也包括这3种基本多址方式的混合多址方式，如时分多址/频分多址（TDMA/FDMA）和码分多址/频分多址（CDMA/FDMA）等。,上一页,
14、下一页,返回,1.4 数字移动通信系统的用户容量,选择什么样的多址方式取决于通信系统的应用环境和要求。就数字移动通信网络而言，由于用户数和通信业务量剧增，一个突出的问题是在频率资源有效的条件下，如何提高通信系统的容量。因为多址方式直接影响到移动通信系统的容量，因而采用什么样的多址方式更有利于提高这种通信系统的容量，一直是人们非常关心的问题，也是研究和开发移动通信的热门课题。下面就介绍一下几种多址方式的基本概念。 1、频分多址（FDMA）在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道，分配给不同的用户使用。这些频道互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而在相邻频道
15、之间无明显的干扰。,上一页,下一页,返回,1.4 数字移动通信系统的用户容量,频分多址系统的工作示意图如图1-9所示。由图可见，系统的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时都必须经过基站中转：因而要占用两个信道（4个频道）才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的信道并不是固定的，通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后移动台将退回占用的信道，这些信道又可以重新分配给其它用户使用。 这种多址方式的特点是多个移动台进行通信时占用数量众多的频点，浪费频率资源，频带利用率不高，容量有限。,上一页,下一页,返回,1.4 数字移动通信系统的用户容量,
16、2、时分多址(TDMA) 时分多址(TDMA)是在一个载波频率上把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙(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。如图1-10所示。系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射(突发信号)，在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。由此可见，在同样频道数的情况下，采用TDMA比FDMA通信方式能容纳更多的用户。,上一页,下一页
17、,返回,1.4 数字移动通信系统的用户容量,3、 码分多址(CDMA) CDMA是指不同的移动台的识别不是靠频率不同或时隙不同，而是用各自不同的独特的随机的地址码序列来区分，地址码序列彼此互不相关的，或相关性很小。在这样一个信道中，可容纳比TDMA还要多的用户数。 图1-11是码分多址(CDMA)收发系统示意图，其基本工作原理如下：在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘(或模2加) 后进行合成，经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉（这个过程称之为相关检测）。,
