多址技术实用教案

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1、内容提要(nirntyo)概述(ish)频分多址（FDMA）时分多址（TDMA）扩谱技术码分多址（CDMA）空分多址（SDMA）第1页/共71页第一页，共72页。概述第2页/共71页第二页，共72页。多址传输多址传输(chun sh)(chun sh)模型模型(1)(1)共有N个地址，第k个地址发送的信号(xnho)为：其中skj(t)为kj的信号(xnho)，akj=1或0k多址信道sk(t)rk(t)第3页/共71页第三页，共72页。多址传输多址传输(chun sh)(chun sh)模型模型(2)(2)第k个地址(dzh)接收的信号为：其中Lik为ik的传输系数，nk(t)为k的接收机噪

2、声。说明：第4页/共71页第四页，共72页。多址传输多址传输(chun sh)(chun sh)模型模型(3)(3)要实现多址通信，必需在k站分离出其它各站送给(sni)它的信号：rk(t)M1k()M2k()MNk()s1k(t)s2k(t)sNk(t)第5页/共71页第五页，共72页。多址传输多址传输(chun sh)(chun sh)模型模型(4)(4)图中Mnk()是对r(t)进行某种运算的算符，在不考虑噪声的情况下：多址传输的主要问题是选择合适的波形集sij(t)和相应(xingyng)的算符集Mnk()，以满足正交分割的要求。第6页/共71页第六页，共72页。信号分割(fng)技术

3、信号(xnho)的分割正交FDMATDMASDMA非正交CDMA第7页/共71页第七页，共72页。双工双工(shun(shun nn) )技术技术多址还要考虑双工方式FDD：收发频率分开、接收和发送通过滤波器来完成；特点：合理安排频率；TDD：收发共用一个(y)频率、接收和发送通过开关来完成；特点：收发存在时间间隔。第8页/共71页第八页，共72页。各种(zhn)系统双工方式和多址方式要统一考虑；主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA；窄带系统(xtng)采用方式：FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD；宽带系统(xtng)采用方式：TDMA、CDMA/FDD、TDD；空分多

4、址（SDMA）是一种辅助方式。第9页/共71页第九页，共72页。各种(zhn)系统（续）CDMA/FDD美国窄带扩频（IS95）TDMA/TDD欧洲数字无绳电话（DECT）FDMA/TDDCT2（无绳电话）TDMA/FDD日本数字蜂窝（JDC）TDMA/FDD美国数字蜂窝（USDC）TDMA/FDD全球移动通信系统（GSM）FDMA/FDD高级移动电话系统（AMPS）多址技术蜂窝移动 通信系统第10页/共71页第十页，共72页。频分多址FDMA第11页/共71页第十一页，共72页。工作(gngzu)原理这是频率(pnl)域上的正交分割。信号集采用在频谱上互不重叠载频，算符集采用不同载频的带通滤

5、波器。f1f2f3f4f5f6f5Sij(f)Mnk()ff第12页/共71页第十二页，共72页。工作(gngzu)原理（续）这时，nk的选址(xunzh)输出为：()()()()()()()tntMtsaLtrMkjniokjnitststMknknknknkknknkijnk*+=*或,()()()()()()()tntMtstMaLtrtMtrMknkNiNjijijnkijikknkknk*+*=*=11Q第13页/共71页第十三页，共72页。信道(xndo)配置FDMA/FDD、TDD信道(xndo)配置图代码(di m)时间频率信道1信道2信道3信道n第14页/共71页第十四页，共

6、72页。技术(jsh)特点FDMA通常在窄带系统(xtng)实现；符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；不间断发送，系统(xtng)额外开销少；系统(xtng)简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰，消除基站的杂散辐射。信道非线性是FDMA系统(xtng)的主要矛盾。第15页/共71页第十五页，共72页。FDMA的非线性效应(xioyng)由于发射机功率(gngl)放大器的非线性，会产生：频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，会产生频谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，会产生大信号抑制小信号的现象，影响通信效果。交调噪声：多载

7、波的发送信号经过非线性信道，在发送信号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成干扰。第16页/共71页第十六页，共72页。交调举例(jl)例：IMmf1+nf2，m,n为任意整数(zhngsh)，如：f1=930MHz，f2=932MHz，求落在工作频率为19201940MHz的交调频率。解：可能的频率有：（2n+1）f1（2）2nf2（1），（2n+2）f1（2）（2n+1）f2（1）等等，n=0,1,2.1946*1942*193819341944*19401936193219161920192419281918192219261930n=3n=2n=1n=0第17页/共71页第十

8、七页，共72页。关键技术问题(wnt)需要很好解决(jiju)信道的非线性问题目标：希望保持发送频谱的形状，主瓣不会展宽，旁瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率分量。方法：（1）采用高线性度的功率放大器；（2）合理配置频率避开交调分量；（3）功率放大器的输出功率倒退法；（4）功率放大器的线性补偿法。第18页/共71页第十八页，共72页。典型应用(yngyng)举例美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频(diopn)（NBFM），按需分配频率；同时支持的信道数：N（Bt2B保护）/BcBt系统带宽，Bc信道带宽，B保护为分配频率时的保护带宽。第19页/共71页第十九页，共72

9、页。典型应用(yngyng)举例（续）例：如Bt为12.5MHz，B保护为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系统的有效信道数。解：N（Bt2B保护）/Bc将上述(shngsh)数值代入即有N416第20页/共71页第二十页，共72页。时分多址TDMA第21页/共71页第二十一页，共72页。工作(gngzu)原理这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行(jnxng)分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符集采用相应时隙的选择开关。t1t2t3t4t5t4ttsij(t)Mnk()第22页/共71页第二十二页，共72页。工作(gngzu)原理（续）这时，nk的选址(xunzh)输

10、出为：第23页/共71页第二十三页，共72页。信道(xndo)配置TDMA/TDD、FDD信道(xndo)配置图代码时隙时间频率信道N信道1信道2信道3第24页/共71页第二十四页，共72页。TDMA帧结构(jigu)TDMA帧头比特信息尾比特时隙1时隙2时隙3时隙n尾比特同步比特信息数据保护比特第25页/共71页第二十五页，共72页。技术(jsh)特点多用户共享一个载波(zib)频率，时隙数取决于有效带宽和调制技术等；数据分组发送，不连续发送，需开关；由于速率较高，往往需要采用均衡器；系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等；采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。第26页/共71页第二

11、十六页，共72页。TDMA的效率(xiol)系统(xtng)效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统(xtng)开销；帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。第27页/共71页第二十七页，共72页。TDMA系统(xtng)的信道数总的信道数：总的TDMA时隙(shx)数。即每一信道的TDMA时隙(shx)数乘以有效信道数。N(m(Btot2B保护)/Bcm为每个信道所支持的TDMA用户数，Btot信道带宽，B保护保护带宽，Bc用户带宽。第28页/共71页第二十八页，共72页。应用(yngyng)举例例：GSM系统，总带宽(dikun)25MHz，一个信道200KHz，具有8个TDMA用

12、户，未设保护带宽(dikun)，求总用户数。解：Bc200/825KHzN25106/251031000第29页/共71页第二十九页，共72页。TDMA的关键技术问题(wnt)数据缓冲技术(jsh)突发解调技术(jsh)分帧同步技术(jsh)第30页/共71页第三十页，共72页。实现均匀突发(tf)和突发(tf)均匀的变换数据缓冲(hunchng)技术发缓冲收缓冲发送均匀数据发送突发数据接收突发数据接收突发数据第31页/共71页第三十一页，共72页。关键技术是解调过程(guchng)中的载波快速同步与时钟快速同步。载波快速同步的一种方法：延时相干解调时钟快速同步的一种方法：步进相位选择突发(t

13、f)解调技术第32页/共71页第三十二页，共72页。分帧同步(tngb)系统的重要性分帧同步(tngb)的指标：建立时间、保持时间、同步(tngb)精度分帧同步(tngb)质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率为了减少传播延时变化所带来的影响，需要采用自适应时隙跟踪方法分帧同步(tngb)技术第33页/共71页第三十三页，共72页。码分多址CDMA第34页/共71页第三十四页，共72页。CDMA技术(jsh)的分类直扩码分多址（DS-FHMA）跳频码分多址（FH-CDMA）混合(hnh)码分多址（Hybrid-CDMA）第35页/共71页第三十五页，共72页。CDMA特点(tdin)方法：窄带

14、调制信号与伪随机序列（PN码）直接相乘（直扩），或由PN序列控制载波发射频率（跳频），达到展宽频谱的目的。性能：（1）各用户使用同一频段，频谱效率较高；（2）具有(jyu)抗多径、抗干扰特性；（3）采用RAKE接收机提高抗多径性能；（4）PN码具有(jyu)类似噪声的性能；（5）发射谱密度低，信号隐蔽。第36页/共71页第三十六页，共72页。直扩码分多址（DS-CDMA）扩频方法：用PN码进行乘法调制。解扩方法：相关、匹配滤波等。处理增益：GW/B。多址时存在远近(yunjn)效应。具有一定的抗干扰、抗衰落特点。第37页/共71页第三十七页，共72页。工作(gngzu)原理这是子码域上的正交分

15、割。信号集采用(ciyng)互相正交的地址码序列，算符集采用(ciyng)地址码相关器。i1i2iNCi1(t)Ci2(t)CiN(t)i地址发ij地址收Cij(t)第38页/共71页第三十八页，共72页。工作(gngzu)原理（续）令发送(fsn)信号为：nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。第39页/共71页第三十九页，共72页。工作(gngzu)原理（续）这时nk的选址(xunzh)输出为：第40页/共71页第四十页，共72页。工作(gngzu)原理（续）关于码型噪声的讨论。在忽略Lik,aij,Iij(t)各项的情况下，码型噪声取决于：这实际上是全部地址码互相关之和。如果：nc(t)

16、=0，地址码理想(lxing)正交，属于正交分割；如果：nc(t)0，地址码非正交，属于非正交分割。码分多址的首要问题是选择尽量好的正交码组。第41页/共71页第四十一页，共72页。信道(xndo)配置DS-CDMA信道(xndo)配置图频率(pnl)时间代码C1C2CN第42页/共71页第四十二页，共72页。DS-CDMA系统(xtng)的参数信息速率：原始信息的速率码片（chip）速率：地址码速率扩频比：码片速率和信息速率的比值(bzh)地址码周期、地址码码长地址码的正交性及数目地址码的同步及捕获性能第43页/共71页第四十三页，共72页。扩频的实现(shxin)扩频过程(guchng)框

17、图扩频（模二和）BPSK调制信息码地址码载波发端已调信号发送码第44页/共71页第四十四页，共72页。扩频的实现(shxin)（续）扩频过程(guchng)波形1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1 0 1 1 1 00001101 1110010 0001101 0001101 0001101 1110010信息码地址码发送码0000 000 0000 0000 0000 000 发端已调信号第45页/共71页第四十五页，共72页。解扩的实现(shxin)解扩过程(guchng)框图解扩（相乘(xin chn)）BPSK解调接收信号

18、参考地址码参考载波收端信息码接收信号（扩频）（解扩）第46页/共71页第四十六页，共72页。扩频的实现(shxin)（续）解扩过程(guchng)波形 1 0 1 1 1 01110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 0 0收端信息码参考地址码接收信号（解扩）0000 000 0000 0000 0000 000接收信号（扩频）第47页/共71页第四十七页，共72页。DS-CDMA关键技术地址码的选择地址码的捕获与跟踪远近(yunjn)效应与功率控制第48页/共71页第四十八页，共72页。地址码的选择(xunz)介绍一种常用的地址码：PN码（

19、伪噪声码）。最典型(dinxng)的是m序列，即：最长线性移位寄存器序列。模二和TTT移位时钟m序列输出第49页/共71页第四十九页，共72页。地址码的选择(xunz)（续）m序列的性质：类似于噪声，所以也称为伪噪声序列由n级移位寄存器产生的m序列，其周期为2n1。除全0状态外，n级移位寄存器可能出现的各种(zhn)状态都在m序列的一个周期中出现，而且只出现一次。m序列中“0”码和“1”码个数大致相同。将m序列循环移位后还是一组m序列。m序列的自相关函数：2n11012移位数第50页/共71页第五十页，共72页。地址码的选择(xunz)（续）m序列具有很好的自相关(xinggun)及互相关(x

20、inggun)特性，因而在无线及移动通信中有广泛的使用。但是，应该注意m序列不是一种理想正交序列，因此当用户数增加时，会引入很大的码型噪声干扰。如何选择正交码组？对m序列的改进，如：插入一些“0”。构造新的地址码，如：Gold序列、Walsh序列。良好自相关(xinggun)、互相关(xinggun)及正交的前提是地址码的同步，如果不能达到准确的同步，会引入附加的码型噪声，严重影响CDMA系统的正常工作。第51页/共71页第五十一页，共72页。地址码的捕获(bhu)与跟踪这是码分多址的一项关键技术，可以分为二个过程：（1）确定地址码的相位，称为捕获。（2）维持(wich)地址码相位的同步，称为

21、跟踪。采用方法举例：（1）捕获可以采用匹配滤波器。（2）跟踪可以采用延迟锁定环。地址码一帧捕获跟踪第52页/共71页第五十二页，共72页。地址码的捕获(bhu)与跟踪（续）匹配滤波器和延迟(ynch)锁定环的组合。匹配滤波器鉴相鉴相低通低通相加环路滤波器VCOPN码发生器超前码迟后码接收码延迟锁定环第53页/共71页第五十三页，共72页。地址码的捕获(bhu)与跟踪（续）延迟锁定(sudn)环的鉴相特性/Tc0.511.5-0.5-1-1.5第54页/共71页第五十四页，共72页。远近效应(xioyng)与功率控制什么叫做远近效应？首先说明CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于(yuy)地址

22、码不可能完全正交。即使采用理想的正交码和理想的正交分割，但由于(yuy)信道传输及同步电路的不理想，会产生码型噪声。假定所有的用户发送功率都一样，则来自不同地址的码型噪声由于(yuy)传输距离不同（即传输衰减不同）就会有很大的差别，特别对于那些距离很近的用户，产生的码型噪声将会很大，因而造成接收干扰的提高，有效用户数的降低。这就是CDMA系统的远近效应。第55页/共71页第五十五页，共72页。远近效应与功率(gngl)控制（续）解决远近效应的方法(fngf)之一：功率控制开环功率控制闭环功率控制基站移动台用移动台检测下行的衰落，控制移动台的发送功率用基站检测上行的衰落，并把信息发给移动台，控制

23、移动台的发送功率第56页/共71页第五十六页，共72页。DS-CDMA的优点(yudin)用户共享一个频率，无需频率规划；PN码的正交性；远近效应：功率(gngl)控制；具有软容量限制，用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好；抗多径衰落：固有的频率分集；利用宏分集可以实现软越区切换；多用户干扰：PN码不完全正交；利用多用户检测提高系统性能和容量；利用多径，采用RAKE技术提高系统性能。第57页/共71页第五十七页，共72页。跳频码分多址（FH-CDMA）实现方法：在发送端用PN码控制频率合成器，发射频率随PN序列在一定带宽跳变；在接收端实现本振的同步跳频，然后还原成某个固定中频，进行解调。处

24、理增益：GW/B。多址通信(tngxn)时没有远近效应。具有良好的抗干扰特点。第58页/共71页第五十八页，共72页。跳频码分多址（续）（FH-CDMA）发送信息码中频调制上变频跳频本振跳频码发送信号跳频本振下变频解调跳频码捕获参考中频接收信号接收信息码第59页/共71页第五十九页，共72页。进一步说明(shumng)采用跳频实现多址；每个地址分配不同的跳频序列；安全性能好、抗干扰能力强；跳频同步跟踪是关键技术难点；存在深度(shnd)衰落、存在频率碰撞问题；一般要求采用纠错编码和交织编码措施；纯跳频系统多用于军方抗干扰通信中。第60页/共71页第六十页，共72页。空分多址61清华大学微波与数

25、字通信技术国家(guji)重点实验室CDMA移动通信(tng xn)技术多址技术(jsh)清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室第61页/共71页第六十一页，共72页。概念空分多址方法之一：蜂窝(fngw)划分空分多址方法之二：扇区划分ABCDEFGHIABCDEFGH第62页/共71页第六十二页，共72页。利用天线(tinxin)实现空分多址控制用户(yngh)的空间辐射能量；使用定向波束天线服务于不同用户(yngh)；扇形天线是一种基本方式；自适应天线，效果更好；最适合和TDMA及CDMA系统结合。第63页/共71页第六十三页，共72页。关键技术问题(wnt)需要很好解决天线的自适应(s

26、hyng)定向问题。目标：天线具有良好的波束，并能对用户进行快速跟踪。方法：天线阵技术和自适应(shyng)技术。第64页/共71页第六十四页，共72页。混合(hnh)多址65清华大学(qn hu d xu)微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信(tng xn)技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室第65页/共71页第六十五页，共72页。混合(hnh)多址技术混合(hnh)频分/码分多址（F/CDMA）混合(hnh)直扩/跳频码分多址（DS/FH-CDMA）混合(hnh)直扩/时分多址（DS/TDMA）混合(hnh)跳频/时分多址（FH/TDMA）第66页/共71页第六

27、十六页，共72页。混合(hnh)频分/码分多址F/CDMA宽带(kun di)CDMA频谱窄带(zhi di)CDMA频谱第67页/共71页第六十七页，共72页。混合(hnh)直扩/跳频码分多址DS/FH-CDMA信道中的码组其它码组信道DS/FH-CDMA系统频谱第68页/共71页第六十八页，共72页。直扩/时分多址（DS/TDMA）不同小区分配不同的扩频码；一个小区分配用户一个特定时隙；不存在(cnzi)远近效应；实际上是TDMA，扩频只是抗干扰。第69页/共71页第六十九页，共72页。跳频/时分多址（FH/TDMA）实际上是TDMA；一帧一跳；避免邻近小区同信道干扰问题；抗严重(ynzh

28、ng)衰落和碰撞事件；GSM标准采用，能成倍增加容量。第70页/共71页第七十页，共72页。感谢您的欣赏(xnshng)第71页/共71页第七十一页，共72页。内容(nirng)总结内容提要。第1页/共71页。第2页/共71页。共有N个地址，第k个地址发送的信号为：。第25页/共71页。系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括(boku)系统开销。分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率。在忽略Lik,aij,Iij(t)各项的情况下，码型噪声取决于：。信息速率：原始信息的速率。码片（chip）速率：地址码速率。扩频比：码片速率和信息速率的比值。m序列中“0”码和“1”码个数大致相同。感谢您的欣赏第七十二页，共72页。