无线通信工程
? 课程简介
课程名称：无线通信工程
讲课教师：姚彦
课内总学时,32
? 课程目的
以面向 21世纪的无线通信为背景, 介绍无线通信的系统组
成, 信道特性, 调制与编码, 接入技术, 网络技术, 抗衰
落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用, 为从事
这一领域研究的学生提供最基本的入门知识 。
课程概况
第一讲 绪论
第二讲 组成及规范
第三讲 信道
第四讲 基带传输
第五讲 载波传输
第六讲 信源编码
第七讲 信道编码
第八讲 多址 1
课程大纲
第九讲 多址 2
第十讲 抗衰落
第十一讲 抗干扰
第十二讲 无线网络及系统
第十三讲 新技术及新应用 1
第十四讲 新技术及新应用 2
第十五讲 总复习
第十六讲 考试
说明
? 姚彦 yaoy@tsinghua.edu.cn
? 可以通过 Email答疑
? 考试要求：以掌握基本概念为主
第一讲
绪论
?历史
?环境
?应用
?发展
历史（ 1）通信发展历史的回顾
?通信（ Communication)作为电信（ Telecommunication)
是从 19世纪 30年度开始的。
物理发现 通信技术发展
1831年法拉第电磁感应 1837年莫尔斯发明电报
1873年马克斯韦尔的电 1876年贝尔发明电话
磁场理论 1895年马可尼发明无线电
?开辟了电信（ Telecommunication)的新纪元
历史（ 2）电话的发明者－贝尔
? 贝尔（ 18xx－ 1922）英国人
1868年 在伦敦工作
1871年 去波士顿工作
1873年 任波士顿大学教授
1875年 发明多路电报
1876年 发明电话
? 一生曾获许多专利。
? 妻子是一位聋人。
历史（ 3）无线电的发明者－马可尼
? 马可尼（ 1874－ 1937）意大利人
1894年 在父亲的庄园试验
1896年 去伦敦
1897年 建立无线电报公司
1899年 首次实现英法无线通信
1916年 实现短波无线电通信
1929年 建立世界性无线通信网
? 曾获诺贝尔奖金
? 曾参加法西斯党
历史（ 4）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
1906年发明电子管 模拟通信得到发展
? 开辟了模拟通信的新纪元
? － 1928年奈奎斯特准则和取样定理
－ 1948年山农定理
? 在理论上为数字通信准备了条件
历史（ 5）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
20世纪 50年代 数字通信得到发展
发明半导体
20世纪 60年代
发明集成电路
? 开辟了数字通信的新纪元
历史（ 6）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
20世纪 50年代 20世纪 40年代提出静止卫
航天技术 星概念，但无法实现
1963年第一次实现同步卫
星通信
? 开辟了空间通信的新纪元
历史（ 7）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
20世纪 60年代 企图用于通信，未成功
发明激光
20世纪 70年代 光纤通信得到发展
发明光导纤维
? 开辟了光纤通信的新纪元
历史（ 8）通信发展历史的启示
?通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都
可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。
?通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人
们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要。
?一个优秀的通信工程师和研究人员，必须对物理学和器
件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突
破口迎接通信技术的革命。
环境（ 1）：无线通信的频谱环境
?长波 30－ 300 KHz 10-1km
?中波 0.3-1.5 MHz 1000-200m
?短波 1.5-30 MHz 100-10m
?超短波, 米波 30-300 MHz 10-1m
?微波,分米波 0.3－ 3 GHz 100-10cm
厘米波 3-30 GHz 10-1cm
毫米波 30-300 GHz 10-1mm
亚毫米波 300-3000 GHz 1-0.1mm
?光波,红外光 3?103-3?105 GHz 100-1?m
可见光 3?105-3?106 GHz 0.8-0.4?m
环境（ 2）：无线通信的传播环境
? 无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、
地波（直射、反射、绕射）
? 无线传播的分类
－带宽受限信道和功率受限信道
－色散信道和非色散信道
－恒参信道和变参信道
－点对点信道和多址信道
环境（ 3）：无线通信的传播环境
带宽受限信道和功率受限信道
加性高斯白噪声信道上的山农定理
C＝ W log2(1+S/N) b/s
令,S/N=Eb/N0?C/W
山农定理就可以写成,
Eb/N0=(2C/W - 1)/(C/W)
? 带宽受限信道
Eb/N0? ? C/W ? ? W ?无限
功率可以换取带宽
? 功率受限信道
W ? ? C/W ? ? Eb/N0 ?有限
当 W ? ?,Eb/N0 ? -1.6dB，
即为山农极限，带宽不能无限制
地换取功率
山农信道容量曲线
Eb/N0
dB
C/W
b/s?Hz
-1.6dB
环境（ 4）：无线通信的传播环境
色散与非色散信道、恒参与变参信道
? 信道响应为 C(?;t),其中 ?代表响应时间,t 代表信号时刻。
? 输入信号为时域冲击函数，检验是
色散信道还是非色散信道。
其中 Tm为多径扩散，其倒数 ?fc为相
干带宽。
? 输入信号为频域冲击函数，检验是
恒参信道还是变参信道。
其中 Bd为多普勒展宽，其倒数 ?tc为
相干时间。
? 信号带宽 B ? ?fc, 色散信道
信号带宽 B ? ?fc, 非色散信道
? 码元周期 T ? ?tc, 变参信道
码元周期 T ? ?tc, 恒参信道
C(?;t)
u(t) v(t)
t t
?(t) v(t)
Tm
f f
?(f) S(f)
Bd
环境（ 5）：无线通信的传播环境
点对点信道和多址信道
? 点对点信道：和有线信道类似，体现不出无线的特点。
? 多址信道：无线传输的突出优点之
一是能实现多址接入。
设：有 N个用户地址，第 k个地址发
送的信号为,
N
Sk(t) = ? akj Skj (t),akj =1,0
j = 1
j ? k
第 k个地址接收的信号为,
N N
R(t) = ? ? Lik a ijSij (t) + nk(t)
I=1 j=1
无线用户
1
无线用户
2
无线用户
k
空间环境
无线用户
1
点对点信道
多址信道
空
间
环
境
Sk(t)
Rk(t)
应用（ 1）：无线通信的应用概况
? 短波 /超短波通信
天波（电离层）：数据 /电话、单边带
地波：小型接力机、单双工电台、对讲机
? 微波通信
微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波
电视、电话、数据
? 卫星通信
高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道
电视、电话、数据
? 移动通信
蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统
卫星移动系统
短波电离层通信
? 特点：超远距离、灵活
机动；容量小、质量差
? 用途,
－海外使馆
－远洋船队
－边防哨所
－应急通信
短波 /超短波地面通信
? 特点：绕射能力、灵活机
动、隐蔽性好；容量较小、
质量较差
? 用途,
－陆军电台
－对空电台
－特种通信 (武警、公安 )
－无绳电话
应用（ 2）：无线通信的应用说明
短波、超短波通信
应用（ 3）：无线通信的应用说明
微波通信
微波接力
? 特点：容量大、质量好、
视距传播条件
? 用途,
－中小容量微波
－ SDH大容量微波
－扩频微波
－高频段微波
点对多点微波
? 用途：－无线集中器
－无线用户环
散射微波通信
? 衰落时变信道，距离远，
频带较窄，质量较差
? 用途 －军用
－民用
应用（ 4）：无线通信的应用说明
卫星通信
高轨道卫星通信
? 特点：同步轨道、静止
卫星、容量大、质量好、
功率受限信道
? 用途,
－国际长途
－海事卫星
－电视广播
－军事通信
中低轨道卫星通信
? 特点：距离近、地面设
备简单灵活，非静止轨
道，要求跟踪
? 用途,
－非实时信息传送
－遥感
－侦测
－卫星移动通信
应用（ 5）：无线通信的应用说明
移动通信
蜂窝系统
? 无线通信最成功的应用
? 第一代：模拟
第二代：数字
第三代：多媒体
寻呼系统
? 无线通信最大众化的应
用
其它无线移动系统
? 集群系统
? 无绳电话系统
? 无线数据系统
? 无线 ATM系统
? 无线 IP系统
发展（ 1）,21世纪电信网的发展趋势
20世纪 21世纪
? 业务方式 以音频为主的单媒体 以视频为主的多媒体
? 干线传输 微波 光纤
? 用户传输 有线 无线
? 复接方式 PDH SDH
? 交换模式 STM ATM
? 网络方式 三网鼎立 三网合一
发展（ 2）,21世纪电信网的发展趋势
面向 21世纪通信的三大革命
?以干线 （ 包括部分支线 ） 传输光纤化为标志的光纤革命
?以 SDH,ATM和 IP为标志的数字革命
?以个人通信和无线接入为标志的无线革命
发展（ 3）,21世纪电信网的发展趋势
面向 21世纪通信的两大通信平台
光纤通信平台,无线通信平台,
超大容量、超长距离 宽带、移动
关键技术：波分复用,关键技术,CDMA,智
光纤放大器 能天线、软件无线电
IP over?
发展（ 4）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信面临的挑战及发展机遇
?光纤通信对无线通信的巨大冲击
－－巨大带宽
－－超低损耗
－－较低成本
未来信息高速公路的主干道，还有 Fiber to home
的趋势
?无线通信的发展机遇
－－灵活性
－－抗灾性
－－移动性
发展（ 5）,21世纪电信网的发展趋势
什么叫无线革命
?20世纪通信网的基本框架
中继线 无线为主（微波、卫星） 天上
包括部分有线（电缆）
用户线 有线为主（市话电缆） 地下
包括部分无线（无线电话）
?21世纪通信网的基本框架
中继线 有线为主（光缆） 地下
包括部分无线（微波、卫星）
用户线 无线为主 天上
包括部分有线
发展（ 6）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之一：个人通信
? 1986年 CCIR制订 FPLMTS，以个
人全球通信为目标，首次提出个
人通信概念
? 1986年 CCITT讨论 UPT（全球通
用个人通信）
? 1989年 英国政府发放许可证建
立双向个人通信网，首次出现
PCN名词
? 90年代以来，美国提出个人通信
业务（ PCS），或个人通信系统
（ PCS）
? 但是，到底什么是个人通信？
? CCITT
－个人的移动性和终端移动性分开
－着重于个人的移动性，用户号码可
以在任何终端上使用
－无线接入不是必要的条件
? CCIR、欧洲 PCN、美国 PCS
－个人的移动性靠终端的移动性实现
－移动通信网作为个人通信网的底层
网络结构
－无线接入是必要的条件
? 以无线接入为基础的个人通信叫做无
线个人通信
Wireless Personal Communications
发展（ 7）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之二：无线接入
?技术关键
－多址 －有效性与可靠性 －组网
－蜂窝 －信令与空间接口
?高层无线接入
特点：－蜂窝范围大 －复杂的信道处理（纠错、均衡、分集）
－快速移动 －无线交换
－功率大 －成本高 －低速语音编码
?低层无线接入
特点：－蜂窝范围小 －简单的信道处理
－慢速移动 －有线交换
－功率小 －成本低
－中速语音编码（ 32Kb/s ADPCM）
发展（ 8）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之三：无线 ATM
? 无线 ATM 的发展背景
－－ ATM方式是未来通信网发展的必然趋势
－－可移动多媒体业务的发展与普及
－－无线频谱资源的更加合理利用
? 无线 ATM 的技术关键
－－窄带化技术（低到几 Mb/s）
－－抗误码技术
－－按信源的信息量动态地分配带宽
? 无线 ATM 的应用前景
－－ 军事通信、多媒体通信
发展（ 9）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之四：扩频技术
? 扩频多址技术的缺点：非正交性 ( Non-orthogonality)
优点：坚韧性 (Robustness)
? 坚韧性体现在：－－抗多径
－－抗干扰
－－蜂窝分割的频率再用
－－扇区分割的频率再用
? 前沿技术：时空联合处理, 智能天线, 多用户检测
发展（ 10）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之五：软件无线电
? 当前无线系统在硬件及软件上存在的
问题,
－多种标准、多种制式、多种协议、
多种方案
－困难, －－互连互通难
－－设备更新难
－－研制开发难
? 能否搞成一个通用的无线系统,
－－硬件是公用的，除了天线和 RF
前端外，其它都是 DSP
－－所有无线通信过程都用软件实现，
而软件环境是开放的
－－无线协议都遵循一个公共的
Wireless OSI 分层结构
? 软件无线电的关键技术
－－多频段天线及 RF前端技术
－－直接式数字上、下变频技术
－－高速 DSP 技术
－－标准化无线协议及协议转换技
术
? 软件无线电的应用前景
－－多模手机
－－通用无线平台
－－通用抗干扰军用电台
发展（ 11）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之六：第三代移动通信（ 1）
? 第一代
－模拟话音
－ NMT,AMPS,TACS
? 第二代
－数字话音＋低速数据（小于
64Kbps)
－ GSM,PDC,IS-95,IS-136
（ D-AMPS）
? 第三代
－多媒体业务（小于 2Mbps）
＋ 第二代业务
－ UMTS / IMT-2000
? IMT－ 2000简介
1985年国际电联就开始研究 FPLMTS,
1996年正式更名为 IMT－ 2000
国际移动通信系统，工作频段 2000MHz,
使用日期 2000年
? IMT－ 2000特点
全球性
综合性
兼容性
灵活性
发展（ 12）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之六：第三代移动通信（ 2）
RTT标准的主要建议
? WCDMA
欧洲把二个标准溶合成 TDD
/FDD,得到日本、美国、韩
国支持，将会成为主流
? cdma2000
美国提出，和 IS-95兼容
? TD-SCDMA
中国提出
几点看法
? 关于市场定向
电话？多媒体？视频业务？
Internet？
? 关于体制标准
全球一个标准？还是一个标准族？
? 关于上下兼容
要和第二代兼容。
? 关于知识产权
各国都希望国际标准中涉及的技
术必须是开放的。
第二讲
系统组成及技术规范
?系统组成
?性能指标
?技术体制
?技术规范
系统组成
系统组成（ 1）：组成框图
发基带 单元 发中频 单元 发射频 单元 发天线 单元
收基带
单元
收中频
单元
收射频
单元
收天线
单元
无线传播
信道
系统组成（ 2）：基带单元框图
发端接 口处理 发端信 道处理 发端调 制映射 发端基 带滤波
收端接
口处理
收端信
道处理
收端解
调映射
收端基
带滤波
比特流及
时钟输入
比特流及
时钟输出
复接、分接
扰码、去扰
纠错、交织
均衡、去干扰
扩频映射
二进 /多进映射
基带成形
匹配滤波
基带复矢量
信号输出
基带复矢量
信号输入
系统组成（ 3）：中频单元框图
复数 调制器 中频放 大滤波
复数
解调器
中频信
道处理
AGC
中频放大
收端
中频滤波
发送中频
信号输出
接收中频
信号输入
基带复矢量
信号输入
基带复矢量
信号输出
发端中
频本振
载波时
钟同步
系统组成（ 4）：射频单元框图
上 变频器 射频功 率放大
下
变频器
射频信
道处理
射频前
臵放大
收端
射频滤波
发送射频
信号输出
接收射频
信号输入 接收中频 信号输出
发端射
频本振
收端射
频本振
发送中频
信号输入
发端
射频滤波
频率
控制
系统组成（ 5）：天线单元框图
发送射频
信号输入
接收射频
信号输出
天
线
收发双工
FDD/TDD
发射
信号
接收
信号
系统组成（ 6）：等效基带原理
? 发送信号,
s(t) = a(t)cos??0t+?(t)? = Re ?u(t)exp(j?0t)?
其中,u(t) = a(t)exp(j?(t)) = x(t)+ jy(t) 叫作等效基
带信号，亦称复包络。
? 正交调制及正交解调可以等效为复数乘法器。
? 带通滤波器可以等效为复数低通滤波器。
? 无线传播信道可以等效为时变的复数低通网络。
? 信道非线性（包括：调制、解调和放大器的非线性）
也可以进行复数低通等效。
? 带通噪声可以等效为复数低通噪声
系统组成（ 7）：调制解调的基带等效
?
?
合路 ?
cos?t
sin?t
x(t)
y(t)
S (t)
?
?
分路 ?
cos?t
-sin?t
x(t)
y(t)
S (t)
S (t) = ? x(t) + j y(t)? exp (j?t) x (t) = Re? S(t) exp (-j?t)?
y (t) = Im? S(t) exp (-j?t)?
系统组成（ 8）：带通滤波的基带等效
?0 ? ? 0
H(?) HB(?)
HB(?－ ?0) = H(?),??0
HB?(－ ?－ ?0) = H?(－ ?),??0
H(?) ＝ HB(?－ ?0) ＋
HB?(－ ?－ ?0)
系统组成（ 9）：无线传输的基带等效模型
调制
映射
解调
映射 HT (?) HR (?) HC (?)
N(t)
复数噪声
二
进
制
码
流
输
出
二
进
制
码
流
输
入
多
进
制
复
符
号
多
进
制
复
符
号
发端响应 收端响应 信道响应
性能指标
? 多址方式
? 双工方式
? 调制解调方式
? 信道编码方式
? 信源编码方式
? 发送频谱
? 发送功率
? 信道速率
? 误码门限
?工作频段及频谱安排
?传输距离及传输方式
?传输容量
?传输质量
?业务方式
?供电方式及耗电量
?环境条件
?可靠性
性能指标（ 1）：概述
性能指标（ 2）：工作频段及频谱安排
? 工作频段：根据频谱规
划，划分给该项业务的
工作频率范围。
? 波道配置：根据频谱规
划，在工作频段内划分
出若干个波道，供用户
选用。
? 收发配置：根据频谱规
划，在工作频段内划分
出发送和接收子频段。
频段宽度
波道间隔
收发频差
f
f
f
f1 f1'
f1 f2
性能指标（ 3）：传输距离和传输方式
传输距离
? 地面视距传播：取决于
天线高度、工作频段和
地形，一般 50公里以内。
? 地面绕射传播：一般 20
公里以内。
? 对流层传播：一般几百
公里。
? 电离层传播：可达几千
公里。
? 卫星传播：洲际传播
传输方式
? 单工点对点方式。
? 双工点对点方式。
? 中继（或称接力）方式
－有源中继
－无源中继
? 地面点对多点方式
? 卫星点对多点方式
? 平流层气球方式
传输容量
? 传输容量指对用户有效的
传输信息容量
? 传输容量表示方法
－用总的电话路数来表示，如：
?M16路,PCM30路等
－用 PDH的群路数来表示，如：
1?E1,4?E1等
－用有效传输的比特率来表示，
如,2Mb/s,8Mb/s
? 传输容量有时还要考虑一
些附加的信息
性能指标（ 4）：传输容量和信道速率
信道速率
? 信道速率指在无线信道
中传送的总速率，一般
用比特率表示
? 信道比特包括：用户信
息比特和辅助信息比特
? 辅助信息比特如,
－信道编码比特
－勤务和监控比特
－帧同步比特
性能指标（ 5）：传输质量和误码门限
传输质量
? 数字信号传输质量之一：
误码，包括,
－长时间统计的零星误码
－短时间统计的误码超过某
个值（如,10-3,10-6)的时间
百分数
? 数字信号传输质量之二：
同步，包括,
－时钟抖动
－时钟丢失
误码门限
? 无线传输系统的重要性能
指标
? 为达到一定误码率所需要
的最小接收电平，称为该
系统的误码门限
? 误码门限计算公式,
Pr0 = NF ? kT0 ? fb ? Eb/N0
其中,NF 为噪声系数,k为玻尔
兹曼常数,T0 为绝对温度,fb 为
信道速率,Eb/N0 为保证一定误
码率所需要的归一化信噪比
性能指标（ 6）：双工方式
? 频分双工（ FDD）
? 时分双工（ TDD）
发滤波
收滤波
发送
信号
接收
信号
去天线
发开关
收开关
发送
信号
接收
信号
去天线
环行器
TDD
控制
性能指标（ 7）：调制解调方式
调制方式
? 模拟调制及数字调制
? 常用数字调制方式,
FSK,MSK,GMSK,TFM
BPSK,QPSK,8PSK
16QAM,64QAM,256QAM
? 全数字实现方法
任何调制都可以正交展
开，即用复包络表示
解调方式
? 模拟解调和数字解调
? 数字解调
－相干解调
－非相干解调
? 同步问题的重要性
－载波同步
－时钟同步
? 全数字解调算法
性能指标（ 8）：信道编码方式
? 信道编码的目的,
－消除由于信道不理想
所带来的误码
－在理想信道上取得一
定的功率增益
? 考虑原则,
－系统对信道编码的要
求
－系统能提供多少冗余
度
? 常用的信道编码,
－分组码
－卷积码
－ Turbo码
? 纠错编码和交织结合
? 纠错编码和调制结合
? 代数译码和概率译码
性能指标（ 9）：信源编码方式
语音压缩编码
? 增量调制（ ?M）
16Kb/s,32Kb/s
? 脉冲编码调制（ PCM）
64Kb/s
? 自适应差分脉码调制
（ ADPCM）
32Kb/s
? 其它中低速语音编码
16Kb/s,8Kb/s,4.8Kb/s，
2.4Kb/s
图象压缩编码
? JPEG,静止图象
32,64,128 Kb/s
? H.261,会议电视
64,128,384,1920Kb/s
? MPEG-1,存储媒体
2Mb/s以下
? MPEG-2,数字电视
2Mb/s以上
性能指标（ 10）：发送频谱和发送功率
发送频谱框架
发送功率
? 为了保证有一个较好的
电磁环境，无线通信系
统的发送功率有较严格
的规定。
? 发送功率的等级,
－无绳电话,毫瓦级
－移动电话：瓦级
－微波通信：十瓦级
－卫星通信：百瓦级
f0 f
主瓣宽度,B
B
带外辐射,L
L
dB
性能指标（ 11）：供电方式及耗电量
供电方式
? 交流供电、直流供电
? 间断供电、不间断供电
? 各种方式,
－ 220V电网
－发电机
－太阳能
－蓄电池
－干电池
耗电量
? 无线通信系统的重要指
标
? 降低耗电量的方法,
－减少整个系统的传输
损耗，减少发射功率
－采用效率高的功率器
件
－提高电源变换器的效
率
性能指标（ 12）：环境条件
? 温度条件
－保证指标的温度范围
－保证工作的温度范围
－储存的温度范围
? 湿度条件
? 冲击及振动条件
? 电磁干扰条件
? 腐蚀条件
? 特种条件
温度条件举例
? 民品,
? 5?400C 保证指标
? 0?450C 保证工作
? 军品
?－ 10?450C 保证指标
?－ 20?500C 保证工作
性能指标（ 13）：可靠性
可靠性基本关系
? 失效率 ?：在单位时间内
从正常转为失效的概率
? 平均无故障工作时间 T。
T ＝ 1 / ?
? 可靠度 p,无故障工作的
概率。
p = exp(- ?t)
? 可用率 P。
P ＝ t工作 / (t工作 +t中断 )
无线通信的可靠性
? 包括：设备可靠性和传播
可靠性。
? 为提高设备可靠性,
－采用高可靠性的元件
－采用设备的备份措施
? 为提高传播可靠性,
－在传播能力上留有余量
－采用抗信道衰落技术
－采用波道的备份措施
技术体制
技术体制（ 1）：考虑原则
? 有效性：在给定的频率、功率和空间条件下实
现最大的传输容量。
? 可靠性：在给定的信道衰落和干扰条件下实现
最好的业务质量。
? 灵活性：为固定及移动用户提供最灵活的无线
接入手段。
? 实用性：成本、体积、重量、耗电等。
技术体制（ 2）：关于有效性
? 信源编码技术,采用有
效的信源编码技术，在
保证原始消息质量的条
件下，尽可能压缩传输
所需的比特率。
? 调制技术,采用高效率
的调制技术（包括频谱
成形技术），尽可能压
缩传输给定比特率所需
的带宽。
? 蜂窝技术：控制发射机
的功率，在通信区域内
划分出许多蜂窝状小区，
从而提高无线频谱的利
用率。
? 智能天线技术：利用天
线的自动定向或扇区划
分，在通信区域内形成
许多定向的小区，从而
提高无线频谱利用率。
技术体制（ 3）：关于可靠性
? 冗余度技术,
－纠错编码，比特上的
冗余度；
－扩频与跳频，频率上
的冗余度；
－电平储备，功率上的
冗余度；
－备份切换，设备上的
冗余度。
? 抵销技术
－均衡，用频域或时域
的方法校正信道的传递
函数；
－分集，用多重频率、
时间或天线接收的信号
抵销多径效应；
－多用户检测；
－自适应干扰抵销。
技术体制（ 4）：关于灵活性
无线多路
? 无线多路是无线通信灵
活性的表现之一。
? 无线多路一般遵循多路
电话的标准，如,PDH的
基群、二次群等,SDH的
STM-1等。采用 TDM体制。
? 无线通信还能提供灵活
的旁路业务。
无线多址
? 无线多址接入是无线通
信灵活性的表现之二。
? 采用 FDMA,TDMA,CDMA、
SDMA等多址接入技术。
? 既能固定接入，也能移
动接入。
? 在蜂窝移动系统中，越
区和漫游技术的重要性。
技术体制（ 5）：关于实用性
便携性
? 便于携带，是无线通信
作为个人通信物理层基
础的重要特点。
? 为了满足便携性，对个
人便携终端（如：手机）
的体积、重量、功耗都
提出了很高的要求。
? 为解决此问题需要综合
的技术。
经济性
? 随着个人通信的发展，
无线通信已从传统的投
资类产品转化为市场巨
大的消费类产品。
? 在市场竞争的推动下，
无线通信产品的成本价
格必须大幅度下降。
? 降低成本的关键：采用
系统集成技术和批量生
产技术。
技术规范
技术规范（ 1）：概述
? 无线通信技术规范的重要性
－无线频谱的合理使用
－无线系统的干扰协调
－无线用户的入网接口
－无线设备的跨域漫游
? 无线通信技术规范的核心
－无线传输技术（空中接口技术）
－无线入网技术
技术规范（ 2）：标准系列
? 国际电联的标准,CCIR,CCITT,ITU
? 世界各国的地区性标准
－欧洲标准
－北美标准
－日本标准
? 我国标准
－国家标准
－部门标准
技术规范（ 3）：无线法规
? 由国家无线电管理委员会制定无线电法规，作为国家行
政法规颁布。
? 各种无线产品必须符合无线法规制定的入网标准。
? 各种无线产品的研制、生产、引进、使用都必须向主管
部门（各级无委会）申报，特别是无线发射机。
? 各项无线通信工程的设计、施工和运营都必须向主管部
门（各级无委会）申报，特别是使用频率。
? 违反国家无线法规的行为都属于违法行为。
技术规范（ 4）：频谱规划
? 无线频谱的使用由国家无委会统一规划，并实行许可
证制度。
? 频谱规划种类：广播电视、射电天文、雷达定位、民
用通信、军用通信等。
? 民用通信举例：微波通信、卫星通信、移动通信、无
线寻呼、无绳电话、无线数据等。
? 频谱规划中允许不同业务共享某个频段，但在技术上
和管理上要做好协调。
技术规范（ 5）：数字微波技术规范
?工作频段,2GHz,4GHz,6GHz,8GHz,11GHz等
?传输容量,小容量 2Mb/s,8Mb/s
中容量 34Mb/s,68Mb/s
大容量 140Mb/s,155Mb/s
?传输质量,高误码，误码率超过 1?10－ 3的时间百分数
低误码，误码率超过 1?10－ 6的时间百分数
零星误码不超过 1?10－ 9
?传输距离,2500Km,1000Km,300Km
技术规范（ 6）：扩频微波技术规范
?工作频段,2.4-2.4835 GHz,5.725-5.85 GHz
?无需许可证频段
?传输容量：不小于 250 kbits/s
?扩谱方式：直接序列扩谱（ DSSS）,扩频比为 11
跳频扩谱（ FHSS）,跳频速率为 2.5次 /秒
?发射功率：不大于 100 mW
?峰值功率密度：不大于－ 10 dBW/100KHz（ 跳频）
不大于－ 20dBW/1MHz（ 直扩）
技术规范（ 7）：移动通信技术规范
? 模拟蜂窝 TACS
－ 频率 900MHz
－ 间隔 25KHz
－ 调制 话音 FM,信令 FSK
－ 多址 FDMA
－ 双工 FDD
? 数字蜂窝 GSM
－ 频率 900MHz
－ 间隔 200KHz
－ 调制 GMSK
－ 多址 TDMA/FDMA
－ 双工 FDD
? 数字蜂窝 Q-CDMA(IS-95)
－ 频率 800MHz
－ 间隔 1.25MHz
－ 调制 扩频 ＋ QPSK
－ 多址 CDMA
－ 双工 FDD
? 数字蜂窝 D-AMPS(IS-54)
－ 频率 800MHz
－ 间隔 30KHz
－ 调制 ?/4 DQPSK
－ 多址 TDMA/FDMA
－ 双工 FDD
技术规范（ 8）：军用电台频率规范
军用电台频率规划表
频率范围 波段 系统（设备）名称
200～ 500KHz 中长波 陆军电台
1.6～ 30MHz 短波 海陆空电台
30～ 88MHz VHF 陆军、海军
108～ 174MHz VHF 海军、空军
225～ 400MHz UHF 空军
技术规范（ 9）：某军用电台技术规范
? 背景
? 未来的数字化战场，特别
是电子对抗。
? 未来的综合业务，如：话
音、数据、传真、图象。
? 用途
? 取代原有的多制式、多品
种的短波、超短波战术电
台。
? 配备到陆军师、团、营、
连、排各级。
? 主要指标
? 工作频段,2－ 180MHz,兼
容陆军现有的短波、超短波
频段和陆军航空兵的地空指
挥导航频段。
? 可兼容现有的 AM,FM体制。
? 保密数字话,16Kb/s的 CVSD，
4.8/8Kbps的 CELP。
? 数据通信,50－ 9600b/s，
TCP/IP协议。
第三讲
无线通信的信道
?引言
?自由空间传播
?地面视距传播
?地面超视距传播
?移动传播
引 言
引言（ 1）：无线通信信道的分类
? 理想无线信道？非理想无线信道？
理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间
传播。
? 固定无线信道？移动无线信道？
? 视距无线信道？非视距无线信道？
视距，如：地面视距、卫星。
非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。
? 有干扰无线信道？无干扰无线信道？
干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、
敌意干扰。
引言（ 2）：无线通信信道的指标
? 传播衰减
－衰减的平均值
－衰减的最大值
－衰减的统计特性
? 传播延时
－延时的平均值
－延时的最大值
－延时的统计特性
? 延时扩展
－对信道色散效应的描
述
? 多普勒扩展
－对信道时变效应的描
述
? 干扰
－干扰的性质
－干扰的强度
引言（ 3）：无线传播信道的模型
? 信道响应为 h(?,t),可以表示色散和时变
? 假设：线性信道、加性干扰
h(?,t) ? s(t)
r(t)
n(t)
自由空间传播
自由空间传播（ 1）
? 什么叫自由空间？无任何衰
减、无任何阻挡、无任何多
径的传播空间。
? 无线电波在自由空间传播时，
其单位面积中的能量会因为
扩散而减少。这种减少，称
为自由空间的传播损耗。
? 如图所示，发射功率为 PT，
发射天线为各向均匀辐射，
则以发射源为中心,d为半
径的球面上单位面积的功率
为,
S ＝ PT / 4? d2
? 球面上的功率流
PT
d
自由空间传播（ 2）
? 由于天线有方向性（设发射
天线增益为 GT），故在主波
束方向通过单位面积的功率
为,
S = GT PT / 4? d2
? 设接收天线的有效面积为 A，
则接收天线所截获的功率为：
Pr = S A = A GT PT / 4? d2
? 对于抛物面天线，假定天线
口面场具有等相、等幅分布，
则天线的有效面积为,
A = Gr ?2 / 4?
其中 Gr为接收天线增益,?为
自由空间波长
? 代入 Pr公式。得到,
Pr = Gr GT PT (? / 4? d)2
? 令,
Pr / PT = Gr GT / LS
其中 LS定义为自由空间传
播损耗。
? 则,
LS = (4? d / ? )2
= (4? f d / c )2
? 以分贝数表示,
LS = 92.4 + 20 lg f(GHz)
+20 lg d(km) dB
地面视距传播
简 介
? 地面微波通信属于视
距传播。
? 视距传播的主要特点
是收发天线都在视距
范围内。
? 视距传播要考虑大气
效应和地面效应。
? 视距和天线高度的关系
由于地球是一个曲面，
天线高度 h1,h2和视距
d之间存在以下关系,
d = 3.57( )
其中 h1,h2的单位是 m，
d的单位是 km。
说明,此公式没有考虑大
气及地面对传播的影响，
所以只能用作大致的估
计。
21 hh ?
大气效应之一：吸收衰减
? 主要发生在高频段
水蒸汽的最大吸收峰
在 23GHz(1.3cm)；
氧气的最大吸收峰在
60GHz(5mm)；
? 对于 12GHz(2.5cm)以
下的频率，大气吸收
衰减小于,
0.015dB/km。
大气效应之二：雨雾衰减
? 在 10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只
有几 dB。
? 在 10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几
dB/km。
? 下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。
大气效应之三：大气折射
? 引入等效地球半径的概念,
3/4
2
1
一般取值为
等效地球半径因子
折射率随高度的变化率
实际地球半径
等效地球半径其中：
K
K
dh
dn
R
R
dh
dnR
R
KRR
e
e
?
??
地面效应之一,费涅尔半径和余隙
? 利用波动光学的惠更
斯－费涅尔原理，在
遇到障碍物时将产生
附加损耗。
? 障碍物到 T,R连线的
垂直距离为 hc,称为
余隙。一阶 费涅尔半
径为 h1,定义 hc/h1为
相对余隙。就可以从
右图求出附加损耗。
地面效应之二,地面反射
? 这是产生电平衰落的主
要原因之一。
? 设：反射系数为 m,反
射相位为 1800,自由空
间衰减系数为 ?，就可以
求出接收点的场强,
为收发之间的距离。
为收发天线高度，其中：
d
hh
d
hh
mm
E
E
t
r
21
2/1
212
,
22
c o s21 ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
????
?
?
?
平衰落
? 当衰落较严重时，接
收点的场强接近瑞利
分布
? 接收点场强小于某个
值的概率
? ?
为衰落深度
＝频率、距离有关，
分别和、关的因子，
表示和地形、气候有其中：
0
10/
0
/lg10
)()(
10)()(/
PPF
dNfM
dNfMPPU
r
F
r
?
?
?
???
? 通用公式
? 例,
B＝ 1
C＝ 3.5
A=1.4?10－ 8
Q=1
10/10 FCB dfQAU ??????
频率选择性衰落
? 根据 W.D.Rummler提出的伪三径模型，得到频率选择性衰
落的频率响应函数，如下图所示。
地面超视距传播
对流层散射传播
? 在地球表面 10－ 12
km处为对流层，存在
大量随机运动的不均
匀介质，能对电波产
生折射、散射和反射。
? 散射通信是利用部分
散射体内介质的前向
散射信号。这是典型
的多径信道。
? 通信距离可达几百－
上千公里。
? 散射信道不存在电波的直
射分量，是典型的瑞利衰
落信道。
? 根据测试结果，接收电平
小于其均方根值 10dB,
20dB,30dB的概率分别为
10％,1％,0.1%。
? 快衰落服从瑞利分布。
? 慢衰落服从对数正态分布。
? 克服散射信道衰落的主要
方法是采用分集接收技术。
电离层反射传播
? 在地球上空 60km以上是电离层，可以分为 D层,E层,F层。
D层能吸收电波,E层能反射电波，然而在晚上都会消失。
对电波起良好反射作用的是 F层，并且能够在昼夜都保持
一定的通信功能。
电离层反射传播（续）
? 存在严重的多径效应，最
大传播延时差可达毫秒量
级。
? 存在严重的时变性，电离
层的特性随时变化，并且
很难准确预测
? 存在最高可用频率，为了
实现较好的传输质量，工
作频率应尽可能接近最高
可用频率。这些频率都在
短波波段（ 2－ 30MHz）。
? 存在多种附加损耗。如：
吸收损耗（ 6－ 25dB），
地面反射损耗（ 20dB），
系统额外损耗（ 15－ 18dB）
? 存在严重的干扰，这是短
波通信的一大特点。包括：
大气噪声、工业干扰、天
电干扰、其它电台的干扰。
? 技术措施：自适应均衡、
自动线路建立、分集。
流星余迹传播
? 据统计，每昼夜有数百
亿的流星进入大气层，
和空气碰撞产生电离。
在地面 80－ 120km处形
成电离气体带，这就是
流星余迹。
? 利用流星余迹的散射和
反射进行通信。
? 工作频率 30－ 80MHz，
传输距离 200－ 2000km，
传输速率低，用于突发
通信。
卫星传播
? 静止卫星
? 信道稳定，可以按照
自由空间传播损耗计
算
? 长延时，要考虑对话
音质量和通信协议的
影响
? 移动卫星
? 要考虑地面的影响，
包括多径和遮蔽
? 接收信号电平服从莱
斯分布
? 要考虑多普勒频移
移动传播
说 明
? 移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环
境。
? 首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。
几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、
绕射、反射、散射。
? 其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变
化，引起接收场强的快速波动。
? 为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。
四种传播机制
? 直射：自由空间传播
? 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发
生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表
面。
? 绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐
的边缘阻挡时，发生绕射。
? 散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物
体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨
大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体
或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱
等。
二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型
? 大尺度路径损耗传播模型
描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变
化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。
? 小尺度多径衰落传播模型
描述移动台在极小范围内移动时, 短距离或短时
间上接收场强的快速变化, 用于确定移动通信系
统应该采取的技术措施 。
二种传播模型（续）
对数距离路径衰减规律
根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信
号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示,
0
)( ??
c
?
m
T
0
)( f
c
??
f?
m
c
T
f
1
)( ??
多径扩散和相干带宽的关系
0;21
*
0;21
21
21
)];();([
2
1
);,()(
???
???
???
??
t
tcc
ttctcE
t
??
??
??
?????
? ??? ???? ???? ?? def fjcC 2)()(
多径扩散和相干带宽
0
t
)( t
C
??
d
c
B
t
1
)( ??
t?
0
)( ?
C
S
?
d
B
c
t )( ?
多普勒扩散和相干时间的关系
0
*
0
)];();([
2
1
);()(
??
??
??
?????
f
fCC
ttfCtfCE
tft ??
? ? ?? ?? ??? tdetS tjCC ???? 2)()(
多普勒扩散和相干时间
基于多径时延扩散
平衰落
1,信号带宽 <相干带宽
2,时延扩散 <符号周期
频率选择性衰落
1,信号带宽 >相干带宽
2,时延扩散 >符号周期
基于多普勒扩散
快衰落
1,多普勒频移大
2,相干时间 <符号周期
3,信道变化快于基带信号的变化
慢衰落
1,多普勒频移小
2,相干时间 >符号周期
3,信道变化慢于基带信号的变化
?
?
衰落信道的分类
大尺度模型：室外模型
? Longley-Rice模型
? 适用频率范围,40MHz-
10GHz。
不同种类地形的点对点系统。
? 利用路径几何学及对流层
绕射性，预测大尺度中值
传播损耗。
? 有计算机程序，根据输入
的路径参数，进行点对点
预测或区域预测。
? 缺点：不能提供对环境因
素的修正，没有考虑多径
效应。
? Durkin模型
? 描述不规则地形场强预测的
计算机仿真器。
? 已被联合无线电委员会用于
进行有效移动无线覆盖区的
研究。
? 主要用于大尺度路径损耗的
预测。
? 缺点：不能精确预测由于树
叶、建筑物、其它人造结构
引起的传播效应，不能计算
除地面反射以外的多径传播。
大尺度模型：室外模型（续）
? Okumura模型
? 适用频率范围 150MHz-3GHz,
距离 1－ 100km,天线高度 30－
1000m。
? 预测城区信号时使用最广泛的
模型，在日本已经成为系统规
划的标准。
? 开发了一套在特定条件下自由
空间中值损耗的曲线。
? 缺点：对城区和郊区的快速变
化反应较慢，和实际情况偏差
约 10－ 14dB。
大尺度模型：室外模型（续）
? Hata模型
? 适用频率范围 150MHz -
1.5GHz
? 根据 Okumura曲线图所作的经
验公式，以市区传播损耗为
标准，并对其它地区进行修
正。
? 市区路径损耗的标准公式。
在 1km以上的情况下，预测结
果和 Okumura模型非常接近。
? 缺点：适用于大区制移动系
统，不适用于小区半径为 1km
的个人通信系统。
? 其它模型
? Hata模型的 PCS扩展
? WalfishBertoni模型
? 宽带 PCS微蜂窝模型
大尺度模型：室内模型
? 一般说明
? 室内传播特点：覆盖距离
更小，环境变化更大
? 受到影响的因素很多，如：
门窗是开还是关？天线放
臵的位臵？人员的分布情
况？
? 室内信道可以分为视距
（ LOS） 和阻挡（ OBS）
两种。
? 分隔损耗
? 同楼层的分隔损耗
给出不同频段、不同材料
不同分隔方式的损耗值。
如：混凝土墙在 1300MHz
的损耗为 8－ 15dB。
? 楼层间的分隔损耗
和建筑物的材料、类型、
层数、窗户及频段有关。
一层的衰减要大，而五、
六层以上的衰减很小。
大尺度模型：室内模型（续）
? 对数距离路径损耗模型
室内路径损耗公式
的正态随机变量表示标准偏差为为路径损耗指数，其中,??
?
Xn
X
d
dndPLdBPL ??? )l o g (10)()(
0
0
大尺度模型：室内模型（续）
? Ericsson多重断点模型
? 通过测试多层办公室建筑，
获得 Ericsson无线系统模型
? 此模型提供特定地形路径
损耗范围的确定限度
? 右图给出此模型的室内路
径损耗图
小尺度模型（ 1）
? 小尺度传播的主要效
应,
? 信号强度的快速变化
? 时变引起的多普勒频移
? 多径引起的延时扩展
? 多径信道的冲激响应
模型,
? 移动信道可以看成线性时
变信道，输入 x(t)和输出
y(t)存在以下关系
),()()( ?thtxty ??
小尺度模型（ 2）
? 移动多径信道的参数：延时扩展及相干带宽，描述色散
? 延时扩展的典型值如下表所示
? 相干带宽估算,
?? ?? 5
1
50
1 ??
cc BB 或，
小尺度传播模型（ 3）
? 移动多径信道的参数：多普勒扩展及相干时间，描述时变
? 多普勒频移计算,
? 相干时间计算,
? 对于高速行驶的车辆，只要传输速率大于几百 bits/s,多普
勒效应就可以忽略，信道就成为慢衰落信道。
?/vf m ?
m
c
m
c
m
c fTfTfT
423.0
16
9,1 ??? 或，或
?
小尺度传播模型（ 4）
? 平坦衰落的 Clarke模型
这是一种基于散射的统
计模型。接收信号的包
络服从瑞利分布,
? 射频信号受到多普勒衰
落影响的功率谱密度如
右图所示。
??
?
?
?
?
?????
0,0
0),
2
e x p ()( 2
2
2
r
rrrrp
??
小尺度传播模型（ 5）
? 电平交叉率（ LCR）,
瑞利衰落包络归一化为
本地 rms电平后，沿正向
穿过某一指定电平的速
率。表示为,
。为特定电平的归一化值其中,?
?? ?,2 2?? efN mR
? 平均衰落时段,
接收信号低于某指定电
平 R的平均时间段的值。
表示为,
??
?
?
2
12
mf
e ?＝
小尺度传播模型（ 6）
? 双线瑞利衰落模型
Clarke模型及瑞利衰落统
计模型只适用于平衰落，
而不考虑多径时延。为
此，采用一种常用的独
立双线瑞利衰落信道模
型。其冲激响应为,
)()e x p ()()e x p ()( 2211 ??????? ?? tjtjth b ＋
小尺度传播模型（ 7）
? Saleh和 Valenzuela室内统
计模型
? 根据测试结果，提出一个
简单的室内信道多径模型。
该模型假设多径分量以簇
的形式到达。接收信号的
幅度是独立的瑞利随机变
量，相位在（ 0,2?）之
间独立分布。
? 各个簇和簇内的多径分量
构成不同速率的泊松过程，
到达次数成指数分布。
? SIRCIM和 SMRCIM室内
和室外统计模型
? 基于离散冲激响应信道模
型提出了一个来源于实际
的统计模型，并编写了计
算机程序 SIRCIM。 后来又
有人编写了一个类似的程
序 SMRCIM,用以产生市
区蜂窝及微蜂窝信道的冲
激响应。
? 目前全世界有 100多家机构
使用这种程序。
第四讲：基带传输
?引言
?数字信息表示法
?基带传输过程
?功率谱密度
?奈奎斯特准则
?最佳检测准则
?比特差错率
引 言
?什么叫基带传输？
数字信号的电脉冲不对载波进行
调制，直接送往信道进行传输的
方法，叫基带传输。
?无线通信为什么要讨论基带传输？
1、一个载波传输系统，在调制前与解调后
所进行的信号变换过程，如：编码、译码、
滤波、判决、抽样、再生，和基带传输过程
十分相似。基带传输的方法完全可以用于载
波传输。
2、载波传输系统在一定条件下完全可以用
等效基带传输系统来代替。有关基带传输系
统的一些分析结果，如：功率谱密度、比特
差错率可以推广到载波传输系统。
数字信息的表示法
数字信息可以用 抽象代码 或 传输代码 来表示
? 抽象代码
? 一组数字或文字符号；
? 记为,是一组随机
序列；
? Ik 表示码元,k表示序
号,
Ik所能取得的各个符号
值为符号集,
? 在满足马尔可夫过程时，
其统计特性完全可以由
状态概率 pi(i = 1,2,…..,M)
及转移概率 pi,j(n) (i,j =
1,2 ……,M) 来描述。
? 二进制抽象代码举例,
0,1
＋ 1，－ 1
S0,S1
? ?kI
? ?MiS i,.,,,,,2,1,?
? 传输代码
? 一组电脉冲波形；
? 记为 u(t) =,
是一个随机过程；
? uk (t)表示在
kTS?t?(k+1)TS时隙中
的 码元,k表示序号；
uk (t)所能取得的各个波
形组成为波形集,
? 传输代码和抽象代码
的映射关系
? 二进制传输代码举例,
非归零码、归零码
?
?
???k
k tu )(
? ?Mitg i,.,,,,,2,1),( ?
? 多进制
在数字通信系统中，为
了提高传输效率，往往
采用多进制。
最常用的多进制为 2l进
制，即二进制、四进制、
八进制，等等。
一个多进制抽象代码可
以表示成多进制数，也
可以表示成二进制数组。
如,0 1 2 3
00 01 10 11
? 信息量
在不考虑传输误差情况
下，一个随机等概分布
的 M进制码元所包含的
信息量,
I ＝ log2(M) 比特
? 码元速率 （符号速率、
键控速率、数码率）,
？波特（ Baud)
? 信息速率 （比特率）,
？比特 /秒（ bits/s)
基带传输过程
? 基带传输 过程,发端滤波器、基带信道、噪声与
干扰、收端滤波器、再生器
? 传输过程的畸变：干扰与噪声、波形失真
? 再生器的作用
? 什么叫 眼图？
? 如何观察眼图？
? 眼图质量的几个重
要参数,
－－眼图开启度
－－眼皮厚度
－－交叉点发散度
? 比特差错率（ BER）
－各种叫法：误码率、
误字率、码元差错率、
比特差错率、符号差
错率
－发生差错的原因
－差错的计算及测量
－ BER和 Eb/N0的关
系曲线
功率谱密度
定义
? 平稳随机过程的功率谱密
度可以定义为自相关函数
的傅里叶变换。
? 数字信息的抽象代码是平
稳的随机序列，但映射成
传输代码，却不是平稳的
随机过程。
? 传输代码的自相关函数在
一个码元内和时间起点有
关，即,
R(t1+kTs,t2+KTs)＝ R(t1,t2)
并呈现周期性，称为 广义
周期平稳随机过程 。
? 求出平均自相关函数,
其中, t=t1,?=t2-t1。
? 对此进行傅里叶变换，得
到平均的功率谱密度,
?
?
?
2/
2/
1 ),()(
S
S
S
T
T
T dttRR ??
?
?
??
?? ?? ?? deRfS fj
uu
2)()(
计算方法之一
? u(t)的自相关函数,
Ru(t,t+?) =
E(u*(t)u(t+? ))
? 在一个周期中求平均,
? 进行傅里叶变换,
? 其中 Gi(f)为 gi(t)的傅里
叶变换,Rik(l)为 aim和
ai(m+l)的互相关。
? 自相关函数法
多进制数字信号可以写
成,
其中（ a1n,a2n,……,aMn)是抽
象代码 In对应的随机变量
组,gi(t),i=1,2,…,M是
相应的波形集。设 In是一
个马尔可夫过程，其状
态概率为 pi,i=1,2,…,M，
转移概率为 pi,k(l),i或
k=1,2,…,M
? ?
?
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n
M
i
Siin nTtgatu
1
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T
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S
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2/
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l
M
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M
k
Tjl
kiik
S
u
sefGfGlR
TfS 1 1
* )()()(1)( ?
计算方法之一（续）
? 得到,
? 存在线谱和连续谱
? 线谱不存在的充分必要
条件,
? 功率谱密度的一般表达
式
? 特例：纯随机数字信号
转移概率退化为状态概
率
pik(l) = pk
?
?
?
?
?
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M
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T
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T
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T
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M
i
ii
M
i
Sii
tgp
NfGp
1
1
0)(,
0)(
或
计算方法之二
? 样本函数 uT(t)的功率密度
? 对此随机过程进行统计平
均
? 可以证明,
? 样本统计法
先证明可行性。
? 从随机过程 u(t)中截取一
段
? 取 uT(t)的傅里叶变换
? 计算 uT(t)的平均功率
? Tt Tttutu T ? ??,0 ),()(
?
?
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?? dtetufU ftj
TT
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T
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T
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T
T
T
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22
TfUfS Tu T 2/)()( 2?
? ? ? ? TfUEfSE Tu T 2/)()( 2?
? ? )()(lim fSfSE uuT T ???
计算方法之二 (续）
? 特例：二进制随机数字信号
其中 Ik是平稳、遍历、纯随机
的二进制序列，以 p1的概率
取 1，以 p0的概率取 0，
p1+p0=1
? 从 u(t)中截取 (－ KTS,KTS)一段，
分成二部分,
u(t,T)=?(t,T)+?(t,T)
其中,?(t,T)＝ E(u(t,T))
?(t,T)=u(t,T)- ?(t,T)
? ???
???
?????
k
Sksk kTtgIkTtgItu )()1()()( 01
? 用样本统计法计算 ?(t)的
功率谱密度,
? 用样本统计法计算 ?(t)的
功率谱密度,
? 讨论：线谱、连续谱
??
???
???
N
sss
S
NffNfGpNfGpTfS )()()(1)( 200112 ??
2
0111 )()()1(
1)( fGfGpp
TfS S ????
举例
? 单极性基带信号
? 波形集,
g1(t)=g(t),概率 1/2
g0(t)=0.概率 1/2
? 功率谱密度,
? 讨论
? 双极性基带信号
? 波形集,
g1(t)=g(t),概率 1/2
g0(t)=－ g(t),概率 1/2
? 功率谱密度,
? 如果 g(t)为幅度等于 A,码
长为 TS的非归零脉冲,则,
2)(1)( fG
TfS Su ?
2
2 s i n)(
???
?
???
??
S
S
Su fT
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SS
S
S
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T
fG
T
fS
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4
1
)(
4
1
)(
2
2
2
?
奈奎斯特准则
说明
? 奈奎斯特第一准则：
抽样点无失真准则，
或无码间串扰 （ ISI
Free)准则
? 奈奎斯特第二准则：
转换点无失真准则，
或无抖动 （ Jitter Free）
准则
? 奈奎斯特第三准则：
波形面积无失真准则。
? 数字信号在传输过程
中产生二种畸变：叠
加干扰与噪声，出现
波形失真。
? 瑞典科学家哈利 ?奈奎
斯特在 1928年为解决
电报传输问题提出了
数字波形在无噪声线
性信道上传输时的无
失真条件，称为奈奎
斯特准则。
第一准则
? 理想低通滤波器频域响应
??
???
?
?? ?
2/,0
2/,)( 020
S
S
ftj
S
ff
ffeThfH ?
? 理想低通滤波器时域响应
)(
)(s i n)(
0
0
0 ttf
ttfhth
S
S
?
??
?
?
第一准则（续）
? 第一准则的推广：
升余弦滚降滤波器
? 左图为频域响应
?为滚降系数
? 时域响应,
2220 41
c o ss i n)(
tf
tf
tf
tfhth
S
S
S
S
?
??
?
?
?
??
第二准则
? 第二准则表示在转换点
无失真。
? 令传输信道的时域响应
为 h(t),输入为冲激函
数的随机序列，则满足
第二准则的条件为,
?
?
?
?
????
1,0,0
1,0,)
2
( 10 iihTiTth SS
第二准则（续）
? 满足第二准则的频域响
应为
? 其中 ?0＝ 2?fSt0,令
t0=0,有,
N
S
S
i
ji
N
i
ff
T
fTh
eiffH
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，
2
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N
S
S
i
N
i
ff
T
fTh
iffH
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?
???
，
2
2c o s2
)2()1(
1 ?
第二准则（续）
? 同时满足第一准则和第二
准则的滤波器
? 频域响应为 ?＝ 1升余弦
滚降特性的滤波器。
带宽为,(－ fS,fS )
? 时域响应为 ?＝ 1升余弦
滚降特性的滤波器。
时间为,(－ TS,TS )
? 满足第二准则的理想滤波
器
频域响应
时域响应
??
?
?
?
?
??
N
N
S
S
ff
ffTfThfH
,0
,
2
2c o s2)( 0 ?
220 41
c o s4)(
tf
tfhth
S
S
?
?? ?
?
第三准则
? 第三准则：波形面积无失
真准则。
? 第 n时隙的波形面积，只
决定于该时隙码元的取值，
而和其它时隙的码元无关。
? 可以证明：满足第三准则
的滤波器，是一个对矩形
脉冲的输出响应满足第一
准则的滤波器。
? 关系如下,
S
S
fT
fTfNfN
?
?
s i n
)()( 13 ??
第三准则（续）
? 第三准则滤波器的实用价值
? 由于一般的数字信号不可能是冲激响应，而是
矩形脉冲，为了满足第一准则，实际上都需要
采用第三准则滤波器。
? 有时把具有,
特性的滤波器称为网孔均衡器。
S
S
fT
fT
?
?
s in
最佳检测准则
基带传输模型
HT (f) HR (f) +
u(t) v(t)
n0 (t)
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)()(
tntxtv
kTtItu
k
sk
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?
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?
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?
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kTthItx
ftj
RT
k
sk
?2
)()()(
)()(
并有：
? 在 t=t0时刻对 v(t)抽样，得
到,
? 其中 n0是高斯噪声，均值
为 0，方差为
? 以上假定系统满足奈奎斯
特第一准则。
抽样点信噪比
000000 )()()( nxtntxtvv ?????
?
?
?
??
?
??
??
?
dfefHfHIhIx
dffHN
ftj
RT
Rn
02
0000
2
0
2
)()(
)(
?
?
而：
? X0为抽样点信号变量,n0为
抽样点噪声变量。当 I0为双
极性二进制码时，抽样点信
噪比可以写成,
?
?
?
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?
?? ?
?
?
?
?
?
?
dffHN
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x
R
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0
2
2
2
2
0
)(
)()( 0
?
?
? ＝
? 根据积分的施瓦兹不等式
? 有,
抽样点信噪比（续）
? ? ? ?? ?? ???
?
?
?
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a
b
a
b
a
dxxgdxxfdxxgxf 22
2
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dfefHfH
RT
ftj
RT
22
2
2
)()(
)()( 0
－
?
? 此式相等的条件,
? 这时抽样点信噪比取得最
大值,
02*0 )()( tfjTR efHCfH ???
00
2
2
*2
00
2
*
0
m a x
)(
)(
)()(
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E
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dffH
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dffHCfH
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T
T
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?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
??
?
??
?? ＝
? 令,C0＝ 1,t0＝ 0,
有,
? 收发滤波器满足共轭
相等条件。
共轭匹配
? 结论：基带信号在 AWGN
信道上实现最佳检测的条
件是收发滤波器共轭匹配，
这时抽样点的信噪比取得
最大值，并等于归一化信
噪比。
)()( * fHfH TR ?
基带传输响应最佳化
? 基带传输的最佳响应是收发滤波器各为平方根奈
奎斯特滤波器
? 收发滤波器响应,
)()()( 1 fNfHfH RT ??
比特差错率
说明
? 比特差错率是数
字信号传输的一
项重要指标
? 下面讨论计算过
程
? 计算时的假设
? 传输信道是 AWGN
信道
? 传输信道是线性信
道
? 收发滤波器满足无
码间串扰条件，并
且共轭匹配
双极性二进制码
? 接收端抽样点的电压
v0=x0+n0
服从高斯分布，均值为＋ h0，
－ h0,方差为 ?n2
? v0的条件概率密度函数如上
图所示
? 判决规则
? 误判区
? 计算平均比特差错率
0
2
2
0
0
0002
0
0001
2
1
2
1
2/
2
1
22
1
)1/(
)1/(
N
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e rf c
e rf c
h
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b
n
e
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?
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?
?
?
??
?
?
单极性二进制码
? 计算过程同双极
性二进制码
? 计算结果,
? 讨论
04
1
2
1
N
E
e r fcP be ?
存在码间串扰
? 存在码间串扰时的比特差
错率
? 定义码间串扰量
? = h(t0-Ts) =h(t0+Ts)
? 比特差错率表达式
其中,?＝ h02/ ?n2为抽样点
信噪比,?＝ ?/h0为相对
码间串扰量
? ?? ?
? ?? ?
?
?
?
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?
?
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2/21
2
1
2/21
2
1
2/
4
1
??
???
－＋
＋
e r fc
e r fce r fcP
e
第五讲
载波传输
?引言
?复包络分析法
?多相移相键控
?正交移幅键控
?连续相位移频键控
?载波同步
?时钟同步
引 言
引言 （ 1）
?模拟调制和数字调制
?以正弦波为载波的调制（无论是模拟调
制还是数字调制）总是可以分成：调幅、
调相、调频三大类
?数字信号的调幅、调相、调频一般称为：
移幅键控、移相键控、移频键控
?数字信号的解调可以分成：相干解调和
非相干解调二大类
引言 （ 2）
?数字信号调制
要关心的,
?频谱性能
?包络性能
?数字信号解调
要关心的,
?误码性能
复包络分析法
表示法
?载波键控信号可
以表示为,
?其中,
称为载波键控信号
的复包络。
?多相移相键控
?正交移幅键控
?连续相位移频键控
? ?tjetuts 0)(Re)( ??
)()()()( )( tjytxetatu tj ??? ?
? ???
k
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2
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?
?
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i
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)()(
)()(
)()()(
0
其中：
? ?? ???
?
k
kSkd
tj
kTtqIft
Aetu
???
?
)(2)(
)( )(
其中：
调制与解调过程
?调制过程
复数调制器
?解调过程
复数解调器
相乘
相乘
合路 coswt
sinwt
x(t)
y(t)
s (t)
分路
相乘
相乘
s (t)
coswt
-sinwt
x(t)
y(t)
求功率谱密度
?载波键控信号的功率
谱密度
?载波键控信号的功率
等于它的等效基带信
号功率的一半。
?窄带噪声信号的功率
谱密度
?若 N0代表窄带噪声的
单边功率谱密度，则它
也代表等效基带噪声中
同相或者正交分量的双
边功率谱密度。
? ?)()(41)( 00 ffSffSfS uus ???? )()(
)(
0,0,ffSffS
fS
QnIn
n
???＝
单边
通过带通信道
?带通信道 H(f)的等效
低通信道 HB(f),
?时域响应,
?载波键控信号通过
一个带通系统，等效
为它的等效基带信号
通过等效基带系统。
)()()( 0*0 ffHffHfH BB ?????
? ?tjB ethth 0)(Re2)( ??
多相移相键控
?绝对移相 ?相对移相
?相干解调 ?延时相干解调
?非相干解调
?正交展开
?其中,
?二相移相键控
M＝ 2,?0=?/2,Ik＝ 0,1
xk=(0,0)
yk=(1,-1)
?四相移相键控
M＝ 4,?0=?/4,Ik＝ 0,1,2,3
xk=(0.7,-0.7,-0.7,0.7)
yk=(0.7,0.7,-0.7,-0.7)
?八相移相键控
M＝ 8,?0=?/8,Ik＝ 0,1,2,3,4,5,6,7
xk=(0.9,0.4,-0.4,-0.9,-0.9,-0.4,0.4,0.9)
yk=(0.4,0.9,0.9,0.4,-0.4,-0.9,-0.9,-0.4)
)()(
)()
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?
?
?
??
??
M
Iy
M
Ix
kk
kk
?多相键控信号的矢量表示
?功率谱密度
2
0 )(2
1)( ffG
T
fS
s
s ??
2
0
0
2
)(
)(s i n
2
)( ?
?
?
?
?
?
?
??
s
ss
s Tff
TffTAfS
?
?
?相位逻辑：自然码
?相位逻辑：格雷码
?相位逻辑的矢量表示
?差分编码
?为什么需要差分编码？克服在接收端进行相干解调时存在
的参考载波相位含糊度。
?接收端的参考载波,
?发送码为, 接收码为
?让发送码和输入的信息码存在关系,
?接收端恢复信息码,
?就有,
0
2 ??? ???
MD
DII Mkk ??'kI
1??? k
M
kk JIJ
'1' ?? ?? kMkk JJI
kk
M
k
M
k
MM
kk IJJDJDJI ?????
??
?
? ???
?
??
?
? ??
??
?
11
?差分编码
?二进制差分编码：相对码、绝对码
?四进制差分编码：自然码差分编译码、格雷码差
分编译码
?差分运算会引入误码扩散
正交移幅键控
矢量表示
?常用的正交移幅键控,
QPSK,16QAM,64QAM,……..,
复包络表示
?复包络表示法
u(t) = x(t) + j y(t)
?其中 x(t)和 y(t)是多电平
的基带信号
QPSK,?1
16QAM,?1,?3
64QAM,?1,?3,?5,?7
?二进制和多进制的
转换：电平逻辑
?自然码电平逻辑
?格雷码电平逻辑
?功率谱密度
QPSK,
16QAM,
64QAM,
2
0
0
)(
)(s i n)(
?
?
?
?
?
?
?
??
s
s
sm
s
Tff
Tff
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?
2
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0
)(
)(s i n
9
5)(
?
?
?
?
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?
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sm
s
Tff
Tff
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fS
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2
0
0
)(
)(s i n
7
3)(
?
?
?
?
?
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s
s
sm
s
Tff
Tff
E
fS
?
?
?频谱利用率
QPSK,1b/s/Hz,
16QAM,2b/s/Hz
64QAM,3b/s/Hz
接收判决过程
?在解调判决过程中，分别对 I,Q二路进行
多电平判决，得到一系列判决变量，然后对
判决变量进行逻辑运算，得到原始信息。
?比特差错率计算公式
QPSK
16QAM
64QAM
02
1
N
Ee rf cP b
e ?
05
2
8
3
N
Ee r fcP b
e ?
07
1
24
7
N
Ee r fcP b
e ?
连续相位移频键控
说 明
?希望寻找一类调制方
法，具有较好的频谱利
用率、功率利用率，同
时又具有恒定包络。
?连续相位移频键控能
较好地满足这些要求。
?前二种调制方法存
在的问题,
?频谱利用率和功率
利用率的矛盾
?频谱利用率和恒定
包络的矛盾
最小移频键控（ MSK）
?满足二个条件,
－调制指数 h=0.5
－ 在码元交替点相位连续
?MSK的相位变换轨迹
?MSK的 调制
?MSK的 解调
?MSK的频谱特性
MSK的误码特性
和差分编码的四相移相键控（ DCQPSK）
一样。
0
N
E
e r fcP b
e
?
原理：有人证明，连续相位调制的频谱旁瓣随频率
的变化以 的规律下降，其中 c为相位函数的导
数保持连续的阶数。对于 MSK,c＝ 0,所以旁瓣随频
率按 f-4 的规律下降。
相位函数的导数是频率函数，令频率函数为高斯函
数，其无穷多阶的导数都连续，因而具有十分良好的
频谱特性。
)2(2 ?? cf
高斯预滤波最小移频键控（ GMSK）
高斯预滤波最小移频键控（ GMSK）
（续）
?频谱特性如左图
?误码特性比 QPSK
约恶化 1dB。
载波同步
载波同步的原理
?从插入载波的信号中实现载波同步
?从抑制载波的信号中实现载波同步
从抑制载波的信号中实现载波同步
非线性处理 线性过滤
键控信号 参考载波
QPSK信号的载波同步：四次方环
QPSK信号的载波同步：逆调制环
QPSK信号的载波同步：判决反馈环
QPSK信号的载波同步：通用环
时钟同步
从数字信号中提取时钟信息的原理
从数字信号中提取时钟同步
非线性处理 线性过滤
数字信号 时钟信号
微分－全波整流法
中频检波法
延时相干法
第六讲
无线通信的信源编码
引言
? 信源的原始信号绝大多数是模拟信号, 因
此, 信源编码的第一个任务是模拟和数字
的变换, 即,A/D,D/A。
? 抽样率取决于原始信号的带宽,
fc = 2 ? w,w为信号带宽
? 抽样点的比特数取决于 经编译码后的信号
质量要求,
SNR ＝ 6 ? L(dB),L为量化位数
概述
? 但是, 由于传输信道带宽的限制, 又由于
原始信源的信号具有很强的相关性, 则信
源编码不是简单的 A/D,D/A,而是要进行
压缩 。 为通信传输而进行信源编码, 主要
就是压缩编码 。
? 信源编码要考虑的因素,
－发信源的统计特性 。
－传输信道引入的损伤, 如误码 。
－ 受信者的质量要求 。
概述（续）
? 信源编码定理,
对于给定的失真率 D,总可以找到一种信源
编码方法, 只要信源速率 R大于 R(D),就可
以在平均失真任意接近 D的条件下实现波形
重建 。
? 说明 1,R(D)称为率失真函数, 它是单调非
增函数, 速率越高, 平均失真越小 。
? 说明 2：为了保证在一定速率下的失真, 必
需采用信源编码, 因而会引入编码延时 。
理论
? 信道编码定理,
如果信源速率 R小于信道容量 C,总可以找
到一种信道编码方法, 使得信源信息可以
在有噪声信道上进行无差错传输, 即,
R ? C,无差错传输条件
? 说明 1：信道容量 C是根据仙侬定理得到 的
C ＝ W?log2(1+S/N)
? 说明 2：为了保证无差错传输, 必需采用信
道编码, 因而会引入编码延时 。
理论（续）
? 信息传输定理,
将信源编码定理和信道编码定理综合, 就得
到信息传输定理 。 即：为保证无差错传输及
失真度, 必需满足,C ? R(D)
? 说明 1,在一般数字通信系统中, 信源编码和
信道编码可以分开考虑 。 信道编码定理给出
无差错的速率上限, 信源编码定理给出无失
真的速率下限 。
? 说明 2：为了实现理想性能, 都要付出延时的
代价 。
理论（续）
? 速率：高速率, 中速率, 低速率
压缩比
? 质量：客观评价
主观评价
? 延时：质量和延时的关系
不同业务对延时的要求
? 复杂性：算法的复杂性及软硬件实现的复杂
性
性能指标
? 波形编码
将波形直接变换成数字码流 。 特点：比特率较高, 解码后质
量较高, 延时较小 。 可以分为：时域波形编码, 如 PCM、
ADPCM,?M等；频域波形编码, 如：子带编码 （ SBC）,
自适应变换编码 （ ATC） 等 。
? 参数编码
从信源信号的某个域中提取特征参数, 并变换成数字码流 。
特点：比特率较低, 解码后质量较低, 延时较大 。 如：各种
声码器 。
? 混合编码
将以上二种方法混合, 特点：以较低的比特率获得较高的质
量, 延时适中, 复杂 。 如,G723.1,G728,G729,GSM的
语音编码, IS-95的语音编码等 。
实现方法
音频编码
? 提高传输的质量
? 便于处理
? 使用灵活, 便于多种媒体 （ 视频, 音频, 文字,
数据 ） 相结合应用
? 易于加密
? 适合大规模集成
? 可靠性高, 体积功耗小
? 价格便宜
音频编码的优点
分类 频 率 范 围
Hz
动 态 范 围 采样频
率
k Hz
质量
要求
主 要 应 用
电 话 语 音 3 0 0 - 3 4 0 0 48dB 8 清晰度 数 字 电 话
宽 带 语 音 5 0 - 7 0 0 0 84dB 16 清晰度
扬 声 器 电 话
I S D N 会议电视
广播
音频 1 0 - 2 0 k 96dB 48
4 4, 1
32
保真度 音 频 产 品
节 目 分 配 和 交 换
数 字 声 广 播
数 字 声 存 储
视 频 会 议
多 媒 体 系 统
高 质 量 电 视
音频编码的应用
压缩的必要性
类型
带宽
KHZ
采样率
KHZ
比特 / 样点
比特率
k b / s
电 话 语 音 0, 3 ~ 3, 4 8 12 96
宽 带 语 音 0, 0 5 ~ 7 16 14 2 2 4
调 频 广 播 0, 0 2 ~ 1 5 32 16 5 1 2
CD 光盘 0, 0 1 ~ 2 0 4 4, 1 16 7 0 5, 6
D A B / D A T 0, 0 1 ~ 2 0 48 16 7 6 8
? 波形编码
? PCM原理 （ 37年, 法 Alec Reeres）
电子管 PCM（ 46年, Bell实验室 ）
晶体管 PCM（ 62年, 市话扩容, 64kb/s）
单片 IC PCM（ 70年代, 微波, 卫星, 光纤 ）
? 增量编码原理 （ 46年, 法 De Loraine）
自适应增量 CVSD（ 60年代末, 军用, 32,16kb/s）
Continuously Variable Slope Delta Modulator
连续变化斜率增量调制器
? 其他编码 （ 70年代, ADPCM,SubBand,ATC,APC等 ）
在 16kb/s以上得到较好的话音质量 。
特点：话音质量好, 但编码速率高 。
音频编码历史：数字电话（ 1）
? 参数编码
? 波形编码通道声码器 （ 39年, Dudly,二次大战保密电话 ）
? LPC声码器 （ 67年, Atal,Schroeder）
? 同态声码器 （ 69年, Oppenheim）
? 共振峰声码器 （ 71年, Rabiner,Schafer,Elanagan）
? MBE声码器 （ 88年, Griffin,Lim）
? 波形插值 （ 91年, W.B,Kleijn）
2.4kb/s,1.2kb/s,较好； 600-800b/s可懂 。 特点：编码速率低, 自然度差 。
? 混合编码器
利用线性预测, VQ,A-B-S,感觉加权, 后滤波等技术 。
? 多脉冲激励线性预测 （ MPELP 1982 Atal,Remde）
? 规则脉冲激励线性预测 （ RPELP 1985 Deprettere,Kroon）
? 码本激励线性预测 （ CELP 1985 Manfred,Schroeder,Atal）
8-16kb/s,高质量 。 特点：话音质量高, 编码速率低, 但算法复杂 。
音频编码历史：数字电话（ 2）
主要应用于会议电视，相当于调幅广播的质量
? 1988年 CCITT制定了 G.722 标准,SB-ADPCM
? 1996 年左右, 美国 PictureTel 公 司 提 出 PTC －
PictureTel Transform Coder
? 1999 年 9 月发布：, ITU-T G.722.1 proposed for
decision,7 kHz Audio - Coding At 24 And 32kbit/s
For Hands Free Operation In Systems With Low Frame
Loss。,
音频编码历史：宽带语音
主要应用于娱乐与鉴赏, 对于重建信号的音质有很高的要
求, 目前采用比特率较高的波形编码技术进行压缩 。 可以
直接在时域进行, 也可以转到频域或其他变换域进行 。
? 1982年激光唱盘 (CD,Compact Disk)上市 。 MD,Mini-
Disk,日本索尼公 司采用 ATRAC－ Adaptive Transform
Acoustic Coder压缩技术 。
? 1987数字音频磁带录音 (DAT,Digital Audio Tape) 问
世 。
? DAB (Digital Audio Broadcasting) 源于欧洲 。
音频编码历史：宽带音频
音频压缩依据
1) 冗余度
?时域样点之间相关 （ 短时, 长时 ）
?频域谱的非平坦性 （ 谱包络, 谱离散 ）
?统计特性
2) 人耳听觉特性
?人耳分辨能力
?人耳对不同频段声音的敏感程度不同, 通常对低频比对高频更敏感
?人耳对语音信号的相位不敏感
?人耳掩蔽效应 Masking Effect …
说明：对人耳听不到或感知极不灵敏的声音分量都不妨视为冗余 。
可利用听觉心理特性 … 。
感觉加权, 量化, 去除多余分量, 后滤波, … 。
音频编码性能评价（ 1）
1) 编码速率 （ Kbps,Kb/s）
信号带宽：可懂度, 自然度, 透明度 。
200~3400Hz,50~7000Hz,20~15000Hz,10~20000HZ。
采样速率,8KHz,16KHz,32KHz,44.1/48KHz… 。
编码位数 R（ b/样点 ）, 总速率 I（ kb/s） 。
固定速率及可变速率 。
2) 重建语音质量
?客观评价,
?信噪比
?分段信噪比
（ 一般 15dB以上较好, 20dB以上相当好 ）
音频编码性能评价（ 2）
?主观评价
? MOS分（ Mean Opinion Score）
5~1分,Excellent,Good,Fair,Poor,Bad
4分：长途通信质量 (toll,transparency-电话线 )
3.5分：通信质量 (communication)
? 判断韵律测试 DRT（ Diagnostic Rhyme Test）
例如：为（ wei）、费（ fei）
95%以上 优秀,85%~94% 良好,75%~84% 中等
65%~74% 差,65% 以下不能接受
? 判断可接受度测试 DAT（ Diagnostic Acceptability Test）
多维因素测试
? 调制噪声参考单位 MNRU（ Modulated Noise Reference Unit）
? 量化失真单位 QDU（ Quantization Distortion Unit） 一次 PCM编解码
音频编码性能评价（ 3）
3) 编解码延时（ ms）
? 公众网（ 25ms）、点对点、广播、存储
? 回声控制或回声抵消
? 正常通话秩序
? 与重建质量关系
4) 算法复杂度
? 硬件、成本
? 浮点、定点
? MIPS,RAM,ROM
5) 其他
? 抗随机误码和突发误码能力
? 抗丢包和丢帧能力
? 对不同信号编码能力
? 级联或转接能力
现有标准（ 1）：宽带音频
? 宽 带 音 频
I S O / M P E G I （ 1 9 9 1 ）
名称 采 样 频 率 K H Z 编 码 速 率 K B / S 编 码 方 式 M O S 分
L a y e r 1 48 1 8 0 + 1 2 S B - D B A 4, 7
L a y e r 2 48 1 2 0 + 8 S B - D B A 4, 6
l a y e r 3 48 6 0 + 4 S B - D B A - M D C T 3, 7
SB, S u b - B a n d
D B A, D y n a m i c B i t A l l o c a t i o n
I S O / M P E G 2 （ 1993 ）,将 采 样 率 扩 充 到 16, 2 2, 0 5, 2 4 K H Z, 带 宽 分 别
为 7, 5, 1 0, 3, 1 1, 2 5 K H z 。
现有标准（ 2）：宽带语音
? 宽 带 语 音
名称 采 样 频 率 K H Z 编 码 速 率 K B / S 编 码 方 式 年代 M O S 分
G, 7 2 2 16 64, 56, 48 S B - A D P C M 1 9 8 8 4, 1 4, 0 3, 7
G, 7 2 2, 1 16 24, 32 M L T 19 99
M L T, M o d u l a t e d L a p p e d T r a n s f o r m
总 的 算 法 延 时 为 4 0 m s
现有标准（ 3）：数字电话
? 语 音 编 码 标 准
名称
采样
率
KHz
编 码 速 率
K B / S
编 码 制 式 年代 M O S D R T 备注
G, 7 1 1 8 64 P C M 72 4, 3 95
G, 7 2 6 8 1 6 ~ 4 0 A D P C M 8 4 - 8 8 4, 1 94 3 2 K B / S
G, 7 2 8 8 16 L D - C E L P 92 4, 1 94
G, 7 2 9 8 8 C S - A C E L P 95 4, 1
G, 7 2 3 8 5, 3 A C E L P 95 3, 8
G, 7 2 3 8 6, 3 M P - M L Q 95 4, 0
G, 7 2 2 16 4 8 ~ 6 4 S B - A D P C M 88 3, 7 ~ 4, 1
U S 1 0 1 5 8 2, 4 L P C - 1 0 82 2, 5 90
替 1015 8 2, 4 M E L P 97 优于 D O D 1 0 1 6
U S 1 0 1 6 8 4, 8 C E L P 89 3, 0 94
G S M 8 13 R P E - L T 88 3, 7
I S - 5 4 8 8 V S E L P 89 3, 7
J D C 8 6, 7 V S E L P 90 3, 5
I N M A R
S A T
8 4, 1 5 I M B E 91 3, 4
I S - 9 5 8 1 ~ 8 Q C E L P 95 ~ 3, 7 93 8 K B / S
I S - 1 2 7 - 1 8 1, 2, 4, 8,
9, 6
E V R C 98
现有标准（ 4）：数字电话（续）
PCM,脉冲编码调制
ADPCM,自适应差分脉冲编码调制
LD-CELP,低延时码本激励线性预测编码
CS-ACELP：共轭结构代数码本激励线性预测编码
ACELP：代数码本激励线性预测编码
MP-MLQ,多脉冲激励最大似然量化
SB-ADPCM,子带自适应差分脉冲编码调制
LPC-10：线性预测编码 -10
MELP,混合激励线性预测编码
CELP,码本激励线性预测编码
RPE-LT：长时间预测规则脉冲激励线性预测编码
VSELP,矢量和激励线性预测编码
IMBE,Inmarsat多带激励语音编码
QCELP,Qualcomm码本激励线性预测编码
EVRC,增强型变速率编码
无线通信的语音编码（ 1）
?军用无线通信
－ 16 kbps CVSD增量调制
－ 4.8 kbps美国军用电台标准
无线通信的语音编码（ 2）
?无绳电话
－用于 CT-2的 ADPCM,32kbps
－ 用于 DECT的 ADPCM,32kbps
无线通信的语音编码（ 3）
?移动通信
－用于 GSM的 REP-LTP（长时间预测规则码激励）
13kbps
－用于 IS-54的 VSELP（ 矢量和激励线性预测）
8kbps
－用于 IS-95的 QCELP（ Qualcomm码本激励线性预测）
1.2/9.6kbps
视频编码
压缩的必要性
V I D E O
类型 格式 分辨率 帧频 HZ 比特 / 像素
比特率
M b / s
电 视 电 话 Q C I F 1 7 6 * 1 4 4 2 9, 9 7 12 9, 1
会 议 电 视 C I F 3 5 2 * 2 8 8 2 9, 9 7 12 3 6, 4
常 规 电 视 I T U - R 6 0 1 7 2 0 * 5 7 6 25 16 1 6 5, 9
增 强 电 视 E D T V 9 6 0 * 5 7 6 25 16 2 2 1, 2
H D T V I T U - R 7 0 9 1 9 2 0 * 1 1 5 2 25 16 8 8 4, 7
图象编码的历史（ 1）
? 经 典 图 像 编 码
? 电 视 信 号 数 字 化 ( P C M ) 提出 ( 1 9 4 8 年 B, M, O l i v e r )
? 预 测 法, 亚 取 样 / 内 插 复 原, 视 觉 特 性 ( 5 0 ~ 6 0 年代 )
? 首 届 图 像 编 码 会 议 ( P C S,1 9 6 9 美国 )
? 条 件 帧 间 修 补 ( C F R, 1 9 6 9 年 M o u n t s 等 )
? 运 动 补 偿 预 测 ( M C, 70 年代 H a k e l l,8 0 年代 H, G, M u s m a n n 等 )
? 正 交 变 换 图 像 编 码 ( D F T,W H T 等,1968 ～ H, C, A n d r e w s 等 )
? D C T ( 1 9 7 4 年 N, A h m e d 等,接近 K L T )
? 混 合 编 码 ( 1 9 7 4 年 A, H a b i b i )
? 子 带 编 码 ( 1 9 8 5 年 S, D, O ’ N e i l )
? H, 1 2 0 会 议 电 视 系 统 ( 8 4 ~ 8 8 年 )
? H, 2 6 1, J P E G ( 8 8 ~ 9 0 年 ), H, 2 6 3, H, 2 6 3 + ( 9 5 ~ 9 7 )
? M P E G - 1 ( 9 2 ), M P E G - 2 ( 9 4 ), M P E G - 4 ( 9 X ), M P E G - 7 ( 9 X ),
M P E G - 21 ( 9 X )
图象编码的历史（ 2）
现代图像编码
?小波变换图像编码
?神经网络图像编码
?分型图像编码
?模型基图像编码
图象编码的依据
1,冗余度
同 画 面 样 点 之 间 相 关 （ 同 行 样 点, 不 同 行 样 点 － 空 域 相 关 ）
不 同 画 面 样 点 之 间 相 关 （ 时 域 相 关 ）
变 换 域 谱 的 非 平 坦 性 （ 频 域 相 关 ）
统 计 分 布 非 平 坦 （ 统 计 相 关 ）
（ 去 除 可 恢 复 ）
2, 人 眼 视 觉 特 性
空 间 分 辨 能 力 （ 亚 取 样 ）
时 间 分 辨 能 力 （ 帧 率 ）
幅 度 分 辨 能 力 （ 量 化 ）
亮 度 色 度 感 知 特 性 （ 色 度 亚 取 样 ）
空 间 － 幅 度 度 感 知 特 性 （ 平 坦 区, 边 缘 区 ）
空 间 － 时 间 感 知 特 性 （ 静 止 画 面, 运 动 画 面 ）
幅 度 － 时 间 感 知 特 性 （ 静 止 物 体, 运 动 物 体 ）
（ 不 可 恢 复 ）
图象编码的质量评价（ 1）
1, 编 码 速 率
分 辨 率, 帧 率, 压 缩 倍 数
2, 重 建 图 像 质 量
? 客 观 评 价
? (,) (,) (,)m n x m n y m n? ?
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2
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2
l g ( ), lg
?
?
图象编码的质量评价（ 2）
? 主 观 评 价
M O S 分 （ M e a n O p i n i o n S c o r e ）
1 ~ 5 分,E x c e l l e n t, G o o d, F a i r, P o o r, B a d
5 分, 不 能 察 觉
4 分, 刚 能 察 觉
3 分, 明 显 察 觉, 略 讨 厌
2 分, 明 显 察 觉, 讨 厌
1 分, 不 能 用
图象编码的质量评价（ 3）
3, 编 解 码 延 时 （ ms ）
与 重 建 质 量 关 系
4, 算 法 复 杂 度
硬件、成本
M I P S, RAM, R O M
5,其他
抗 随 机 误 码 和 突 发 误 码 能 力
抗 丢 包 和 丢 帧 能 力
对 不 同 信 号 编 码 能 力
第七讲
无线通信的信道编码
引言
基本概念
? 仙侬定理指出带宽和功率的互换性。当带宽为
无限大时,Eb/N0趋于 -1.6dB,这就是仙侬极限。
? 如何实现带宽和功率的互换，仙侬定理本身没
有指明。
? 能否用扩频技术实现带宽与功率的互换？不能！
在高斯白噪声信道上，扩频技术没有任何功率
增益。
? 要实现带宽和功率的互换，可以采用纠错技术。
纠错属于一种信道编码。
基本概念
? 信道编码的目的
信道编码是为了保证信息传输的可靠性、提高传输质量
而设计的一种编码。它是在信息码中增加一定数量的多余
码元，使码字具有一定的抗干扰能力。
? 信道编码的实质
信道编码的实质就是在信息码中增加一定数量的多余码
元（称为监督码元），使它们满足一定的约束关系，这样
由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。
举例而言，欲传输 k位信息，经过编码得到长为 n(n>k)的
码字，则增加了 n - k = r 位多余码元，我们定义 R = k
/ n 为编码效率。
基本概念
? 信道编码公式
令信息速率为 fb,经过编码以后的速率为 ft,定义,R＝
fb/ft为编码率。则对于任何一个信道，总存在一个截止速
率 R0,只要 R?R0,总可以达到,BER?CR2-nR0,其中 CR为某个
常数,n为编码的约束长度。
? 对于等概二进码,AWGN信道，有,
)1(l o g1 00 /20 NER beR ????
12
1
ln
1
)1(
00
0 ?
? ? Rb
RN
E
基本概念
频带扩展 d B
0 1 2 3 4 5 6
1
2
3
4
5
6
7
E
b
/
N
o
(
d
B
)
1 7/8 3/4 2/3 1/2 1/4
R 0 1 0 l o g 1 / R 0
基本概念
? 从图可以看出：当带宽 ??,R0?0，得到
Eb/N0 ?1.4dB,信道编码所能达到的极限
比仙侬极限差 3dB。
? 从图可以看出,若 R0?1,即不加任何信道
编码，这时 Eb/N0 ??，说明在有限信噪比
情况下无法达到无差错传输。
? 从图可以看出：对于一定的 R0,相当于一定
的带宽扩展率，存在一个有限的 Eb/N0, 这
时可以通过选择适当的 n达到任意低的差错
率。
性能指标
? 编码率、编码效率、码率
? 编码增益
? 编码延时
? 编译码器的复杂度
分类
? 根据码的规律性可分为：正交编码和检、纠错
码
? 根据监督元与信息组之间关系可分为：分组码
和卷积码
? 根据监督元与信息元之间关系可分为：线性码
和非线性码
? 根据码的功能可分为：检错码和纠错码
分类（续）
信
道
编
码
检
纠
错
码
正
交
编
码
分组码
卷积码
m 序列
L 序列
非线性码
线性码
恒比码
群计数码
非循环码
循环码
非系统卷积码
系统卷积码
正交码
W-A码
岩垂码
扩散码
奇偶校验码
汉明码
BCH码
RS码
分组码
k k k k
k k k k
n
工作原理
? 图中,n ? k,R＝ k/n,称为编码率。
? 分组码的基本原理是将信息码分成 K比特一组，然后将
每组的比特数扩展成 n（ n ? k）,也就是说在信息比
特中插入 n-k个比特。
? 另一种看法：将 2k矢量空间映射到 2n矢量空间。
工作原理（续）
? 定义几个参数,
码重：一组二进制码中,1”的个数
码距 d,二组二进制码之间,0”或,1”不同的位数
? 定理,
（ 1） 为检查出 e个错误，要求,dmin ? e+1
（ 2） 为纠正 t个错误，要求,dmin ? 2t+1
（ 3） 为纠正 t个错误，同时检查出 e个错误，要求,
dmin ? e+t+1 （ e ? t）
? 用图说明
A A B B
线性分组码 ----举例
? 奇偶监督码
? 汉明码
? BCH码
? RS码
? CRC码
奇偶监督码
? 采用奇偶校验原理。
? 只能检错，不能纠错。
? 只能检查出某一分组的单个错误或奇数个错误，
而不能发现偶数个错误。
? 最小码距为 2。
? 水平奇偶监督码
? 水平垂直奇偶监督码。
汉明 码
（ Hamming码）
? 是一种纠正单个错误的线性分组码。
? 特点,码长 n = 2m-1
信息码位 k = 2n-m-1
监督码位 r = n-k = m
最小码距 d = 3
纠错能力 t = 1
? 扩展的汉明码：将监督码位由 m增至 m+1,信息位
不变，这时最小码距增加到 d = 4,能纠正 1位错误
同时检查出 2位错误。
BCH码
（ Bose-Chaudhuri-Hocquenghem码）
? 是线性分组码中循环码的一种重要子类，有严
密的代数结构，是目前研究较多、应用较广的
一种线性分组码。
? 具有纠正多个随机错误的能力。
? 根据对纠错能力的要求，选择参数，并根据代
数结构构造编译码算法。
? 如,n = 7,k = 4,t = 1;
n = 15,k = 7,t = 2;
n = 31,k = 16,t = 3;
n = 127,k = 50,t = 13。
RS码
（ Reed-Solomon码）
? 是一种非二进制的 BCH码。即：在（ n,k） RS码
中，输入信息被分成 km比特一组，每组包括 k个
符号，每个符号由 m比特组成。
? 纠正 t个符号错误的 RS码参数如下,
码长 n = 2m-1符号,或 m(2m-1)比特
信息段 k符号,或 km比特
监督段 n-k=2t符号,或 m(n-k)比特
最小码距 d=2t+1符号,或 m(2t+1)比特
CRC码
（循环冗余校验码）
? 是一种循环码，用于检错。
? 具有很强的检错能力，而且编码器及译码器都很容
易实现。因而在数据通信中得到广泛应用。
? 可以检测出的错误如下,
（ 1）突发长度 ?n-k的突发错误；
（ 2）大部分突发长度＝ n-k+1的错误；
（ 3）大部分突发长度 ?n-k+1的错误；
（ 4）所有与许用码组的码距 ?dmin-1的错误；
（ 5）所有奇数个随机错误。
卷积码
概述
? 分组码 ?卷积码
? 固定窗型 ?滑动窗型
k k k k k k k k
n n n n n n n n
k k k k k k k k
n n n n n n n n
概述（续）
? 例,R＝ 1/2卷积码
k k k k k k k k
＋
＋
Ik
ak
bk
编码原理
? 原理图
映射
u j0
u j1
u j,k-1
u j-m,k-1
u j-m,1
u j-m,0
x j0
x j1
x j,n-1
...
...
...
...
...
...
...
m stage delay
编码原理（续）
? 几个例子
+
+
u j
x j0
x j1
u j
x j0
x j1
(4)
(1)
+
(2)
x j0
x j1
u j
+
+
+
x j0
x j1
x j2
u j0
u j1
(3)
返回
编码原理（续）
? 卷积码的参数
–约束长度 N,
–输入比特 k,
–输出比特 n,
–编码率 R＝ k/n
编码原理（续）
? 状态转移图和 trellis图表示
0110
11
00
1 ；1 0
1 ；0 1 0 ；0 1
0 ；1 0
1 ；0 0
1 ；1 1 0 ；1 1
0 ；0 0
0/00
1/11
0/00 0/00 0/00
1/11
1/11 1/11
1/01
0/10
1/10 1/10
0/01 0/01
1/00 1/00
0/11
0/11 1/00
0/100/10
00
10
01
11
1/00
译码原理 ----方法分类
? 代数译码：纠错译码的经典方法。利用
纠错码的代数结构，经过一定的代数运
算，消除误差，恢复正确的信息。常用
的有：大数译码逻辑。特点：电路简单，
编码增益低。
? 概率译码：纠错译码的新方法。考虑到
信道的统计特性。常用的有：序列译码、
维特比译码。特点：电路复杂，编码增
益高。
译码原理 ----序列译码
? 原理,在码树图中每向前走一步，在决
定走哪一个分支时根据该分支子码与该
时刻接收子码之间的相似程度来判断。
亦称为逐分支译码。
? 一般采用对数似然值度量该相似程度
log P(R|C)=log?iP(ri|ci)=?ilog(p(ri|ci))
? 堆栈译码和费诺译码
译码原理 ----序列译码（续）
? 优点
–运算量和约束长度无关。
? 缺点
–运算量和信道质量有关。
–没有利用卷积码的记忆特性，不是最优算法。
译码原理 ----维特比译码
? 最大后验与最大似然译码
MAP,
ML,
? 硬判决和软判决
硬判决：解调器直接判 0,1
软判决：解调器对输出进行量化
)|(m a xa r g
~
iiSi SrfPS
i
?
)|(m a xa r g
~
iSi SrfS
i
?
译码原理 ----维特比译码（续）
? Viterbi译码原理
– Viterbi译码是建立在最大似然译码基础上的
译码方法
– 在译码过程中只需考虑整个路径集合中那些
能使似然函数最大的路径
– 最大似然序列译码要求序列有限，因此对卷
积码来说，要求能收尾
? ??
?
???
1
0
)(
~
)(~ ),(),(
mL
j
i
jj
i
i xrxr
译码原理 ----维特比译码（续）
? Viterbi译码举例
–设对于编码前信息比特为 (0,0,0,0,0,0)的接
收序列为
则硬判结果为
基于软判决时，采用如下路径度量
9.0,2.15.0,2.06.0,5.03.1,5.09.0,1.03.0,1.1~ ?????????r
0,01,10,00,00,11,0~ ?r
)1()1(
,
)0()0(
,,),( jpijpipij rxrxxr ???
译码原理 ----维特比译码（续）
1
1
1
2
2
3
2
1
3
3
2
2
3
3
2
3
2
2
2
3
3
3
00
10
01
11
基于硬判决的Viterbi译码
Trellis图
译码原理 ----维特比译码（续）
0.8
0.2
0
1.6
-1.8
3.4
2.0
0.8
-0.8
3.8
5.2
2.2
2.6
4.5
2.3
2.1
1.9
5.9
4.3
4.9
5.5
00
10
01
11
-0.8
基于软判决的Vite rbi译码
Trellis图
译码原理 ----维特比译码（续）
? Viterbi译码的特点
– 维特比算法是最大似然的序列译码算法
– 译码复杂度与信道质量无关
– 运算量和存贮量都与码长呈线性关系
– 运算量和存贮量都与状态数呈线性关系
– 状态数随 k及 m呈指数关系
Turbo码
产生背景
? 交织
–块交织：行写入，列读出
–卷积交织,L
L L
L L L
LL L L
LL L L L
0
1
2
3
W - 2
W - 1
入 出
产生背景（续）
? 串行级联码
? 优点：性能较一般短码有很大改善
? 缺点：编码效率低；当 R/C → 1时性能迅速恶化
外 码
编 码
内 码
编 码
交 织 器
信 息 数 据 编 码 输 出
编 码 器
内 码
译 码
外 码
译 码
解 交 织
接 收 信 号 译 码 输 出
译 码 器
产生背景（续）
? 软输入软输出和迭代译码
对数似然比 LLR
)()()()()()(
)()()()|(
)1(
)1(
l o g
)1|(
)1|(
l o g
)|1(
)|1(
l o g)|()(
^^^
'
^
^
'
dLdLxLdLdLdL
dLxLdLdxL
dP
dP
dxP
dxP
xdP
xdP
xdLdL
ece
c
?????
????
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
?
?
??
??
??
产生背景（续）
? 软输入软输出和迭代译码
Soft-in
soft-out
decoder
feedback for the next iteration
L e (d)
L' (d)L c (x)
L (d)
L(d),priori values
L c (x),channel values
L e (d), extrinsic values
L'(d), posterori values
output LLR = L e (d)+ L'(d)
返回
编译码原理
? 编码原理
编 码 器 1
编 码 器 2 交 织 器
开 关
单 元
复
接
器
编 码 输 出
信 息 数 据
编译码原理（续）
? 译码原理
软 输
出 译
码 器
1
软 输
出 译
码 器
2
外 信 息 Z
1k
交 织
交 织
似然值L
1k
解交织
信 息 符
号 序 列
校验序列y
2k
校验序列 y
1k
判决器
译码输出
似然值L
2k
外信息Z
2k
x
k
迭代译码
几点说明
? Turbo码具有优越性能的原因
? 寻找构造好码的规律（分量码构造，交
织器构造等）
? 译码延时大，译码算法复杂
? 广泛应用于移动通信、军事通信、深空
及卫星通信等
第八讲
无线通信的多址技术 （ 1）
内容提要
? 概述
? 频分多址（ FDMA）
? 时分多址（ TDMA）
? 码分多址（ CDMA）
? 空分多址（ SDMA）
概述
多址传输模型 (1)
? 共有 N个地址，第 k个地址发送的信号为,
其中 skj(t)为 k?j的信号,akj =1或 0
k 多址信道
sk(t)
rk(t)
?
?
?
?
N
kj
j
kjkjk tsats
1
)()(
多址传输模型 (2)
? 第 k个地址接收的信号为,
其中 Lik为 i?k的传输系数,nk(t)为 k的接收机噪声。
? 说明,
? ?
? ?
??
N
i
N
j
kijijikk tntsaLtr
1 1
)()()(
多址传输模型 (3)
? 要实现多址通信，必需在 k站分离出其它各站送给它的信号,
rk(t)
M1k(?)
M2k(?)
MNk(?)
s1k(t)
s2k(t)
sNk(t)
多址传输模型 (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)和相应的算符
集 Mnk(?),以满足正交分割的要求。
? ?
?
?
?
??
??
?
kjni
kjnits
tsM nkijnk
,,0
,),(
)(
信号分割技术
? 信号的分割
–正交
? FDMA
? TDMA
? SDMA
–非正交
? CDMA
双工技术
? 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：收发共用一个频率、接收和发送通过
开关来完成；
–特点：收发存在时间间隔。
各种系统
? 双工方式和多址方式要统一考虑；
? 主要多址方式,FDMA,TDMA,CDMA；
? 窄带系统采用方式,
– FDMA/FDD,TDMA/FDD,TDMA/TDD；
? 宽带系统采用方式,
– TDMA,CDMA/FDD,TDD；
? 空分多址（ SDMA） 是一种辅助方式。
各种系统（续）
CDMA/FDD 美国窄带扩频（ IS－ 95）
TDMA/TDD 欧洲数字无绳电话（ DECT）
FDMA/TDD CT2（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
频分多址
工作原理
? 这是频率域上的正交分割。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波器。
f1 f2 f3 f4 f5 f6
f5
Sij(f)
Mnk(?)
f
f
工作原理（续）
? 这时,n?k的选址输出为,
? ?? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ?
? ?
? ?? ? ? ? ? ? ? ?tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
????
?
?
?
??
??
??
????
??
? ?
?
?
?
或,
,,
1 1
?
信道配臵
? FDMA/FDD,TDD信道配臵图
代码
时间
频率
信
道
1
信
道
2
信
道
3
信
道n
技术特点
? FDMA通常在窄带系统实现；
? 符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；
? 不间断发送，系统额外开销少；
? 系统简单，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系统的主要矛盾。
FDMA的非线性效应
? 由于发射机功率放大器的非线性，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。
交调举例
? 例,IM＝ mf1+nf2,m,n为任意整数，如：
f1=930MHz,f2=932MHz，求落在工作频率为 1920～
1940MHz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* 1938 1934
1944* 1940 1936 1932
1916 1920 1924 1928
1918 1922 1926 1930
n=3 n=2 n=1 n=0
关键技术问题
? 需要很好解决信道的非线性问题
? 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）合理配臵频率避开交调分量；
（ 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。
典型应用举例
? 美国 AMPS系统,FDMA/FDD，模拟窄带
调频（ NBFM），按需分配频率；
? 同时支持的信道数,
N＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
Bt 系统带宽,Bc信道带宽,B保护 为分配频
率时的保护带宽。
典型应用举例（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＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
将上述数值代入即有 N＝ 416
时分多址
工作原理
? 这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行
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。
t1 t2 t3 t4 t5
t4
t
t
sij(t)
Mnk(?)
工作原理（续）
? 这时,n?k的选址输出为,
? ?? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ?
? ?
? ?? ? ? ? ? ? ? ?tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
????
?
?
?
??
??
??
????
??
? ?
?
?
?
或,
,,
1 1
?
信道配臵
? TDMA/TDD,FDD
信道配臵图
代码
时隙
时间
频率
信道 N
信道 1
信道 2
信道 3
TDMA帧结构
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
技术特点
? 多用户共享一个载波频率，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。
TDMA的效率
? 系统效率：在发射数据中信息所占的百
分比，不包括系统开销；
? 帧效率：发送数据比特在一帧中所占的
百分比。
TDMA系统的信道数
? 总的信道数：总的 TDMA时隙数。即每一
信道的 TDMA时隙数乘以有效信道数。
N＝ (m(Btot－ 2B保护 ))/Bc
m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。
应用举例
例,GSM系统，总带宽 25MHz，一个信道
200KHz，具有 8个 TDMA用户，未设保护
带宽，求总用户数。
解,Bc＝ 200/8＝ 25KHz
N＝ 25× 106 /25 × 103＝ 1000
TDMA的关键技术问题
?数据缓冲技术
?突发解调技术
?分帧同步技术
? 实现均匀 ?突发和突发 ?均匀的变换
数据缓冲技术
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
? 关键技术是解调过程中的载波快速同步
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
突发解调技术
? 分帧同步系统的重要性
? 分帧同步的指标：建立时间、保持时间、
同步精度
? 分帧同步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
分帧同步技术
第八讲
无线通信的多址技术 （ 2）
码分多址
CDMA技术的分类
?直扩码分多址（ DS-FHMA）
?跳频码分多址（ FH-CDMA）
?混合码分多址（ Hybrid-CDMA）
CDMA特点
? 方法：窄带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码具有类似噪声的性能；
（ 5）发射谱密度低，信号隐蔽。
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,G＝ W/B。
? 多址时存在远近效应。
? 具有一定的抗干扰、抗衰落特点。
工作原理
? 这是子码域上的正交分割。信号集采用互相正交的地址
码序列，算符集采用地址码相关器。
i?1
i?2
i?N
Ci1(t)
Ci2(t)
CiN(t)
i地址发
i?j地址收
Cij(t)
工作原理（续）
? 令发送信号为,
nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。
?
?
?
??
??
??
??
kjnitn
kjni
tCtC
tCtItCtItS
c
nkij
ijijijijij
或
并有：
为地址码序列为信息序列，其中
,),(
,,1
)()(
)()(),()()(
工作原理（续）
? 这时 n?k的选址输出为,
? ?
为热噪声。为码型噪声，其中 )()(
)()()(
)()()()()(
)()()(
''
''
1 1
tntn
tntntIaL
tntCtCtItCaL
trtCtrM
kc
kcnknknk
knk
N
i
N
ji
j
ijijnkijik
knkknk
???
???
??
? ?
?
?
?
工作原理（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)=0,地址码理想正交，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。
? ?
?
?
?
?
??
N
ni
i
N
kj
j
nkijc tCtCtn
1 1
' )()()(
信道配臵
? DS-CDMA信道配臵图
频率
时间
代码
C1
C2
CN
DS-CDMA系统的参数
? 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
? 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
扩频的实现
? 扩频过程框图
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
扩频的实现（续）
? 扩频过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
1 0 1 1 1 0
0001101 1110010 0001101 0001101 0001101 1110010
信息码
地址码
发送码
000??0? ???00?0 000??0? 000??0? 000??0? ???00?0 发端已调信号
解扩的实现
? 解扩过程框图
解扩
（相乘）
BPSK
解调
接收信号
参考
地址码
参考
载波
收端信息码 接收 信号
（扩频） （解扩）
扩频的实现（续）
? 解扩过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
1 0 1 1 1 0
0 0
收端
信息码
参考
地址码
接收信号
（解扩）
000??0? ???00?0 000??0? 000??0? 000??0? ???00?0
接收信号
（扩频）
? ? ? ?
DS-CDMA关键技术
? 地址码的选择
? 地址码的捕获与跟踪
? 远近效应与功率控制
地址码的选择
? 介绍一种常用的地址码,PN码（伪噪声码）。
? 最典型的是 m序列，即：最长线性移位寄存器
序列。
模二
和
T T T
移位时钟
m序列输出
地址码的选择（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 2n－ 1。
－ 除全 0状态外,n级移位寄存器可能出现的各种状态都在 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,
2n－ 1
－ 1
0 1 2
移位数
地址码的选择（续）
? m序列具有很好的自相关及互相关特性，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、互相关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。
地址码的捕获与跟踪
? 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）维持地址码相位的同步，
称为跟踪。
? 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
地址码的捕获与跟踪（续）
? 匹配滤波器和延迟锁定环的组合。
?
匹配
滤波器
鉴相
鉴相
低通
低通
相加
环路
滤波器 VCO
PN码
发生器
超前码
迟后码
接收码
延迟锁定环
地址码的捕获与跟踪（续）
? 延迟锁定环的鉴相特性
? ? ? ? ? ? ?/Tc
0.5 1 1.5 -0.5 -1 -1.5
远近效应与功率控制
? 什么叫做远近效应？
? 首先说明 CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地址
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。
远近效应与功率控制（续）
? 解决远近效应的方法之一：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,
控制移动台的发送功率
DS-CDMA的优点
? 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。
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。
? 处理增益,G＝ W/B。
? 多址通信时没有远近效应。
? 具有良好的抗干扰特点。
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
进一步说明
? 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。
空分多址
概念
? 空分多址方法之一：蜂窝划分
? 空分多址方法之二：扇区划分
A B C
D E F
G H I
A
B C
D
E
F G
H
利用天线实现空分多址
? 控制用户的空间辐射能量；
? 使用定向波束天线服务于不同用户；
? 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。
关键技术问题
? 需要很好解决天线的自适应定向问题。
? 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技术。
混合多址
混合多址技术
–混合频分 /码分多址（ F/CDMA）
–混合直扩 /跳频码分多址（ DS/FH-CDMA）
–混合直扩 /时分多址（ DS/TDMA）
–混合跳频 /时分多址（ FH/TDMA）
混合频分 /码分多址
? F/CDMA
宽带 CDMA频谱
窄带 CDMA频谱
混合直扩 /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
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；
? 不存在远近效应；
? 实际上是 TDMA，扩频只是抗干扰。
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；
? 抗严重衰落和碰撞事件；
? GSM标准采用，能成倍增加容量。
第九讲
无线通信的抗衰落技术
内容提要
? 概述
? 非频率选择性衰落的对抗技术
? 频率选择性衰落的对抗技术
–均衡技术
–分集技术
–瑞克 技术
? 联合编码技术
概述
什么叫衰落？
? 在无线通信的信道传输过程中，由于大
气及地面的影响而发生传播损耗及传播
延时随时间变化的现象叫做衰落。
? 衰落根据其频率特性可以分为二类：非
频率选择性衰落（又称平衰落）和频率
选择性衰落。
? 衰落根据其时间特性可以分为二类：快
衰落和慢衰落。
衰落有什么影响？
? 衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正
常通信。
? 衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的
误码。
? 衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延
有关的同步。
? 衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平
变化迅速，影响某些跟踪过程。
? 所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的
问题 。
如何对抗衰落？
? 减少通信距离；增加发送功率；调整
天线高度；选择合适路由；
? 在移动通信中采用微蜂窝、直放站；
? 采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、
纠错技术等。
非频率选择性衰落的
对抗技术
对抗原理
? 非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降
低。
? 统计特性：平均接收电平及接收电平降低到
某个门限值以下的概率。
? 抗衰落的原理：衰落储备法。
无线传播方程
? 门限接收电平
其中,Eb/N0为归一化门限信噪比的实际值,F为接收机噪声系
数,k为玻尔兹曼常数,T0为绝对温度,fb为传输比特率。
? 接收电平
其中,Pt为发送功率,GA为收发天线增益,LA为收发天 馈 系统
的损耗,LS为传播路径损耗。
b
b
r fkTFN
EP ????
0
0
0
sA
A
tr LL
GPP
?
?? 2
2
传播统计
? 注意,LS是一个随机变量，存在平均传播损耗 LS,平均 及传播损
耗大于某个值的概率 P（ LS?a） 。
? 如果信道没有衰落，传播损耗取平均传播损耗，就有,
? 令,Pr,平均 ＝ Pro,即平均接收电平等于门限接收电平，无线
通信系统就能正常工作。
? 实际无线传播信道是有衰落的，因此在没有衰落时的平均接
收电平必需大于门限接收电平，才能保证可靠通信。
平均
平均
,
2
2
,
sA
A
tr LL
GPP
?
??
衰落储备法
? 令平均接收电平和门限接收电平之比值为,
R＝ Pr,平均 /Pr0
就有,
称 R为衰落储备。
? 对抗非频率选择性衰落的主要方法是衰落储备法，即通过选
择足够的衰落储备来保证接收电平降低到门限以下（这种事
件可以称为中断）的概率小于某个值。
平均,
2
0
0
2
SAb
b
tA
LLfkTF
N
E
PG
R
?????
?
?
衰落储备法（续）
? 接收电平比平均接收电平下降 Fd(dB） 的概率 （或称为中断
概率） 为,
其中 A为和地形、气候有关的系数,m为频率因子,n为距离因
子。若选择 衰落储备量 R?Fd,就可以保证通信中断率的要求。
? 衰落储备的实现方法：增加发送功率、提高天线增益、减少
通信距离、降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等。
10/10 dFnm dfAU ?????
中断
频率选择性衰落的
对抗技术
对抗原理
? 频率选择性衰落主要是由于多径效应引
起的。
? 多径效应最严重的后果之一是在信道传
递函数中引入一个非理想的 Hc(f),破坏
奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产
生码间串扰，使有效的 Eb/No恶化。
? 对抗频率选择性衰落就是要消除非理想
Hc(f)的影响。
对抗原理（续）
? 对抗频率选择性衰落的主要方法,
－分集技术；
－瑞克技术；
－均衡技术；
－纠错技术。
分集技术
分集 原理
? 原理：利用 无线传播环境中来自不同途径
的多径信号的统计独立性进行合并，从而
实现分集。
? 首先要找出来自不同途径的多径信号，这
些途径可以是不同的空间、不同的极化、
不同的频率、不同的时间。
? 其次要以某种方法进行合并。
? 应该指出：分集技术不仅能改善频率选择
性衰落，同时也能改善非频率选择性衰落。
分集方式
采用什么途径接收分集信号？
? 空间分集：不同天线的接收信号相互独立；
? 极化分集, 水平极化和垂直极化 的信号相互 独立；
? 频率分集：不同频率 的 接收信号相互独立；
? 时间分集, 不同时间的接收信号相互独立。
合并方式
从分集信号中以什么方式作为输出？
? 选择 式 合并,选择最好的支路作为输出，其它支
路丢弃 。
? 最大增益合并,调整各个支路主径的相位，使之
同相，然后进行等增益相加 。
? 最小色散合并,调整各个支路次径的相位及幅度，
使之反相抵销 。
? 最大比合并, 调整各个支路的相位，使之同相，
然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加 。
分集举例
? 空间分集及其合并
S1(t)
S2(t)
相加
相位 幅度
控制
检测
分集后的接收信号
S1(t) S2(t)
最大增益合并 最小色散合并
瑞克技术
一种时间分集：瑞克接收
? 对时间上扩散的信号进行分集，尽可能多
的获取信号能量。
? 对多径信号进行分离，根据信道估计的结
果来进行多径信号合并。
? 对于 CDMA系统，当多径延时大于一个码
片时，多径信号可以看成是不相关的 。
瑞克接收的基本原理 -多径
? 传输环境时变,频率、相位、时间的变化
t
0
t
1
t
1
??
??
t
1
??
??
t
0
t
2
t
2
??
??
t
2
??
??
t
0
?? t
3
t
3
??
??
t
3
??
??
时延扩展
频率扩展
瑞克接收机原理
相关 1
相关 2
相关 M
?
接收机框图
?
?
＋ 积分 判决
a1
a2
aM
CDMA
多径信号
判决输出
瑞克接收机工作过程
? 假设接收信号中可以分离出 M个不同延时的多径
分量，每个分量用不同的相关器进行相关运算。
? 相关器 1和支路 1同步，相关器 2和支路 2同步，
等等，这样不同相关器就可以检测出各个支路的
CDMA信号能量。
? 对各个相关器的输出进行加权，然后相加，就得
到发送信号的最大可能的能量输出，对此输出进
行判决再生，就可以恢复出数字信息。
? 加权系数可以根据不同的准则，如：最大功率准
则、最大信噪比准则，等。
另一种时间分集,交织技术
? 原理,在无线通信中由于发生深衰落或遇到突发
干扰，误码的分布就不是平稳、纯随机的，而是
存在随机误码和突发误码。采用交织可以减少突
发误码的影响。
? 交织 不增加额外开销。
? 交织可以保护信源编码中的特殊比特。
? 交织与纠错编码同时使用，进一步提高传输质量。
? 交织器二种类型：分组交织、卷积交织。
? 交织器会引入时延（对语音不能超过 40ms）。
均衡技术
均衡技术
? 自适应均衡器,减少码间干扰。
? 工作模式：训练模式和跟踪模式 。
? 均衡器分类
– 频域均衡器，时域均衡器；
– 线性均衡器,非线性均衡器 。
? 均衡器实现方法
– 中频均衡器；
– 基带均衡器。
均衡原理
? 均衡器频域表达,
信道 时域响应 f(t),均衡器时域响应 heq(t),希望均衡后
的信道响应为,
g(t)=f*(t)?heq(t)= ?(t)
就有,Heq(f)F*(-f)=1
Heq(f)为均衡器频域响应,F(f)为信道频域响应。
? 均衡器是传输信道的 逆滤波器；
? 由于传输信道的时变性，均衡器必需是参数可变的自适
应均衡器；
? 均衡器的效果是补偿信道的 频率选择性，使衰落趋于平
坦、相位趋于线性。均衡器不能抵销平衰落。
频域 均衡器
? 频域均衡器一般在中频上实现。
? 举例：中频幅度倾斜均衡器
幅度倾斜
校正网络
f1 f2
检波 检波
差分放大器
中频输入 中频输出
时域均衡器（ 1）,
线性均衡器
? 横向滤波器；
–适用于 衰落深度不是很大的情况。均衡器对
深衰落的频谱及邻近频谱产生很大增益，从
而增加噪声。
–结构简单 。
? 格型均衡器；
–数值稳定性好；
–收敛速度快。
时域均衡器（ 2）,
非线性均衡器
? 适 用于深度衰落很大的情况。但算法相
对复杂，且稳定性差和收敛时间长。
?判决反馈均衡器（ DFE）；
?最大似然符号检测（ ML）；
?最大似然序列检测（ MLSE）。
均衡器算法 性能
? 算法性能参数,
–收敛速度：算法进入稳定的迭代次数，即收
敛时间；
–失调：滤波器均方差与最优的最小均方差的
差距；
–计算复杂度：完成迭代的 运算次数；
–数值特性：算法用数字逻辑实现时，由于计
算引起的误差, 影响算法稳定性。
均衡器算法 分类
? 迫零算法；
? 最小均方算法；
? 递归最小二乘算法；
? 其它算法。
迫零算法
? 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出响应
完全消除码间串扰，即除中心点外，其它抽样
点的数值全部为 0。
? 特点：简单，均衡效果较好。
? 缺点：没有考虑噪声的影响，在深衰落的频率
点处，会出现很大的噪声增益。
? 因此，不太适用于在无线信道。
最小均方算法
? 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的期
望值和实际值之间的均方误差最小。
? 特点：是一种最简单的均衡算法。算法的稳定
性好。
? 缺点：收敛速度不高，均衡能力有限。
? 在无线中适用于较慢的、不太深的衰落。
递归最小二乘算法
? 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的累
计平方误差最小。
? 特点：收敛速度快，跟踪性能好。
? 缺点：算法较复杂，还要较好的考虑稳定性问
题。
? 在无线中适用于快衰落信道。
联合编码技术
联合编码说明
? 什么叫联合编码？经典的无线通信系统
是将信源编码和信道编码分别进行的。
信源编码主要考虑信源的统计特性，信
道编码主要考虑信道的统计特性。
? 优点是设计简单、通用性好，可以分别
形成标准。
? 缺点是没有充分利用各自的优势，因而
不是最佳的。
联合编码说明
? 无线系统的信源编码由于压缩比很高，
对差错十分敏感；而信道编码面临十分
恶劣的传播环境，但提供的带宽冗余度
很小。
? 在这种背景下，需要将信源编码和信道
编码综合考虑。这就是联合编码的基本
思路。
? 在无线多媒体通信中，联合编码是抗衰
落的一种十分有效的措施。
信源信道联合编码的系统模型
)( RcRsk ?
调制 + 解调
)( tn
?
x
v
k R s
w
信源编码器
?
量化
信道编码器
?
w?
v?
x?
信源译码器
?
反量化
信道译码器
?
信源编码器
量化
信道编码器
y
y?
2?)?,( xxxxd ??
信源信道译码联合优化
?利用信源编码后的残留冗余度进行
联合优化
?利用信道译码的软输出进行联合优
化
联合编码总结
? 无线视频传输中存在的主要问题
?错误在空间上的传播
?错误在时间上的传播
?同步信息和头信息的丢失
? 可能的解决方法
?减小错误空间传播
?减小错误的时间传播
?增强不等长译码的鲁棒性
?不均等差错保护的方法
?差错隐藏方法
第十一讲
无线通信的抗干扰技术
内容提要
? 概述
? 原理
? 关键技术
? 应用前沿
? 几点结论
概述
为什么要研究通信抗干扰？
? 提高全民的国防意识；
? 了解通信高技术的一个主要领域；
? 民用与军用的互相转换、互相借鉴、互相
支撑；
? 为进入军事通信领域提供一些入门知识。
信息战的内容及特点
信息战的内容
? 电子对抗。如：电磁波
的侦测与隐蔽、通信干
扰与抗干扰、雷达干扰
与抗干扰等。
? 网络对抗。如：计算机
病毒、软件攻击等。
? 消息对抗。如：加密与
解密、消息的收集与欺
骗等。
特点
? 高度的对抗性
? 极端的机密性
? 应用的综合性
? 对实战环境的依赖性
? 采用新技术的超前性
通信对抗的分类
? 通信侦察：使用通信侦察设备来探测、搜索、截获敌方
的无线通信信号，对信号进行测量、分析、识别、监视
以及测向和定位，以获取信号频率、电平、调制方式等
技术参数以及电台位置、通信方式、通信特点、网络结
构和属性等情报。
? 通信干扰：使用通信干扰设备发射专门的干扰信号，破
坏或扰乱敌方的无线通信，是通信对抗的进攻手段。
? 通信抗干扰：在军事通信设备及系统中采用的通信反侦
察、反干扰措施，是通信对抗的防御手段。本次讲座重
点讨论有关通信抗干扰问题。
军事通信的干扰环境
干扰种类
? 设备内部的干扰，如：收发
干扰、邻道干扰等。
? 现场非敌意干扰。如：多径
干扰、多用户干扰、环境噪
声干扰、其它电台的干扰等。
? 现场的敌意干扰。指敌方为
电子战需要而施放的干扰。
通信抗干扰主要指对抗敌方
的有意干扰。
敌意干扰的式样
? 阻塞干扰、压制干扰
? 跟踪干扰、瞄准干扰
? 窄带干扰、单频干扰
? 宽带干扰、梳状干扰、
脉冲干扰
? 升空干扰
? 智能化干扰
通信抗干扰性能
抗干扰性能之一：信号隐蔽性
? 无线信号的隐蔽性
单位面积天线，在单位带宽
中所能截获的信号功率
? 信号方式的隐蔽性
双工方式、调制方式、多路
方式、编码方式、同步方式
? 信号参数的隐蔽性
特别是与抗干扰有关的参数，
如：扩频序列、跳频序列、
同步参数、信令参数等。
抗干扰性能之二：信号鲁棒性
? 用干扰容限定义
PJ/PS(条件：设备性能、工作环境、
干扰性质）
? 三个层次的条件，即,
a、设备性能。如：比特差错率、语
音质量、同步及信令性能、网络性能
等，可以定一个门限，在此门限以下
用户不能接受。
b,工作 环境。如：单台设备还是多
台设备、有无天线抗干扰措施、干扰
源是否升空等。
c、干扰性质。如：干扰性质、干扰
强度、干扰时间等。
原理
通信抗干扰分类
? 频率域。
采用频率域处理，如；直扩、跳频、跳扩。
? 时间域。
采用时间域处理，如：瞬时、跳时等。
? 空间域。
采用空间域处理，如：自适应天线等。
? 其它数字处理。
如：干扰抵销、纠错编码等
原理框图
频率域之一：直接序列扩频
频谱图
扩频 调制 信息 比特
发送
扩频
序列 载波
解扩 解调
扩频
序列
同步
载波
同步
信息
比特
接收
fb
fc f0 f0 fc fb
2fc
窄带干扰
信号 干扰
扩频调制
接收解扩
G＝ fc/fb
扩频增益
原理框图
频率域之二：跳频
频谱图
调制 变频 信息 比特
发送 中频
载波
跳频
频综
解跳 解调
载波
同步
信息
比特
接收
fb
fi f01 f02,.,f0N f0 fi fb 窄带干扰
信号
干扰
跳频调制
接收解跳
G＝ N
跳频增益
跳频
图案
f01 f02,.,f0N
跳频
频综
跳频
图案
同步
fi
原理框图
频率域之三：跳扩频
跳扩频
增益
G＝
N× fc/
fb
调制 变频
信息
比特
发送
中频
载波
跳频
频综
解跳 解扩
载波
同步
信息
比特
接收
fb
fi f01 f02,.,f0N
跳频
图案
f01 f02,.,f0N
跳频
频综 跳频 图案
同步
fi
扩频
扩频
序列
解调
fc
扩频
序列
同步
时间域
瞬时通信
? 这是潜艇通信常用的方
法。
? 先进行信息压缩，然后
以很短的时间发送出去。
? 特点,
（ 1）隐蔽性好；
（ 2）抗干扰能力强；
（ 3）信息速率低；
（ 4）延时大，非实时业务。
跳时通信
? 基本是一个 TDM或 TDMA
系统；
? 时隙不用满，按某种跳
时图案在各个时隙上进
行跳时；
? 有一定的隐蔽性和抗干
扰性；
? 目前使用不多。
空间域
定向天线
? 天线波束越窄，电波隐
蔽性好，抗干扰性也强。
? 从抗干扰角度，全向天
线不如定向天线。
? 采用毫米波频段，天线
方向性很好，有利于通
信抗干扰。
自适应调零天线
? 利用相控阵天线原理，在干扰
源方向形成波束的零点 ；
? 利用数字信号处理技术对干扰
信号进行识别和检测；
? 利用自适应技术自动调整天线
波束的零点指向，使干扰信号
最小；
? 不足：在零点方向形成盲区，
影响这个区域内用户的正常通
信。
直扩系统的干扰容限
模 型 公式推导
Eb = Ps*Tb
N0 = FkT + Pj/W + (N-
1)Ps/W
得到,
N + Pj/Ps = 1 + W/fb*N0/Eb
- FkTW/Ps
接收机 Pi
Pj
F
Eb/N
0
条件,
信息比特率 fb,周期
Tb
扩频用户数 N
各用户的功率相等
Pi(i=1,2,… N)=Ps
扩频带宽 W
干扰功率 Pj,带宽 W
接收机噪声系数 F
直扩系统的干扰容限（续）
0
0
// NE
G
E
N
f
WPP
bbb
SJ ???
S
bb
SJ PF K T WE
N
f
WPPN /1/ 0 ?????
? 单用户，考虑热噪声
? 结论,无论是多用户干扰还
是热噪声干扰都会, 吃掉,
一些干扰容限，只有在单用
户及忽略热噪声的情况下，
才可能达到干扰容限的最大
值。
?对下列公式进行讨论,
?讨论
?单用户，忽略热噪声
?多用户，忽略热噪声
NNE GNENfWPP
bbb
SJ ??????? 1/1/
0
0
S
rb
S
J
bbr
S
b
SJ
P
P
G
NE
P
P
NEF K T fP
PF K T W
NE
G
PP
00
00
0
1
/
/
/
/
/
???
?
??
就有：
，令：接收机门限电平为
，
抗干扰体制的比较
阻塞干扰
可以是窄带、部分带、梳状
干扰等。
? 一般跳频优于一般直扩
这是因为直扩增益一般都小
于滤波器的防护度。
? 跳频最好再加上纠错编码措
施
某些跳频点碰上干扰，可以
通过纠错消除误码。
? 跳频最好再加上自适应调零
天线
增加对抗特强干扰的能力。
跟踪干扰
过程：对信号进行侦测、分
析，引导干扰机跟上信号。
? 快跳频是对付跟踪干扰的最
好方法。
临界跳速 ＝ 150KHz / d(km)
? 如果跳速做不快，可以采用
跳扩结合的方法。因为扩频
增加了信号的隐蔽性，不容
易被跟踪。
? 从抗干扰的角度，很少采用
直扩。
对直扩 /跳频抗阻塞干扰的说明 P
J
PS
PJ
PJ
PS
PS PJ’
PJ’=PJ/G
PJ
PS
PJ P
S
PJ P
S
PJ’
PJ’=PJ/L滤波器
对跟踪干扰和临界跳速的说明
电台 1 电台 2
侦察、分析、引导时间
接收时间
发送时间
干扰机 T总 =T接收 +T发送 +T侦察、分析、引导
对跟踪干扰和临界跳速的说明 （续）
fi fj
T总 ?T跳频
T总 ?T跳频
干扰 干扰
有效干扰时间
T跳频
关键技术
天线及射频
射频技术
? 宽频带射频收发技术
? 大功率线性功放
? 大动态范围接收机前
端
? 低损耗跳频滤波器
? 快速捷变频综
天线技术
? 宽频带或多频段天线
技术
? 窄波束天线
? 自适应调零天线
? 智能天线
? 天线阵技术
扩频的某些技术要点
? 有效性问题
扩频是以频带换取抗干扰能力，
因而降低了传输的有效性。
解决方法,采用多进制直扩技术。
基本原理是利用直扩码的正交性，
形成并行传输的通道，从而降低
所需的带宽。
? 可靠性问题
扩频抗干扰的基本机理是降低干
扰的功率密度或碰撞概率，但不
能完全消除误码。
解决方法,采用纠错，并把信道
编码和扩频处理结合起来。
? 跳频同步
为了实现跳频电台的正常通信，
必须要求网内电台有相同的跳频
图案，准确的时钟信息。这就需
要跳频同步。
方法,军用电台目前流行的是同
步字头法，即通过移动台对中心
台发出的时变跳频图案进行搜索，
实现移动台对中心台的跳频同步。
要求,同步信息的隐蔽性、传输
的可靠性、同步建立的快速性。
即具有抗干扰能力强、同步时间
短、传输可靠等优点。
快速跳频
? 这是针对中, 低速跳频通信系统易受跟踪式干扰而采
用的一项最新技术, 目前国际上还停留在理论研究阶
段, 尚未实用 。 其主要原理是：移动通信系统以高于
信息速率的跳速在很宽的频带上进行频率跳变, 即每
个信息比特跳几跳以上, 相当于跳速高达 100KHz～
1MHz,比目前的跳速提高 100～ 1000倍 。 与中, 低速跳
频方式相比, 这种体制的显著特点是,
? 能有效地对抗敌方的跟踪式干扰和转发式干扰；
? 能消除宽带移动通信中多径效应造成的不利因素；
? 大大改善数据传输时的误码性能, 从而提高可通率 。
? 以上这些优点特别适用于新一代的军用无线通信 。
Turbo Code
? 提出,Turbo code码又称并行级联码, 是 1993年法国学者提出的一
种性能接近极限的信道编码结构及相应的译码算法 。
? 特点,仙农的信息论给出了信道传输能力的上限, 即信道容量, 然
而这个极限始终未能达到 。 传统的信道编码都有不同程度的纠错能
力, 但离信道的容量极限还相距甚远, 使得信道资源一直得不到充
分的利用 。 Turbo code 则突破了传统的编码结构与思路, 它采用
了并行级联码的结构和利用软输出译码算法的迭代译码方法, 在理
论上可提供接近极限的能力 。
? 应用,由于 Turbo code 的这种优异性能, 其应用价值十分广阔,
尤其是军用移动通信领域, 在实战场合的电磁环境和电子对抗情况
下, 射频强干扰无处不在, 在这样恶劣的环境中进行可靠的通信对
编码提出了更高的要求, 传统编码是很难达到的, 而 Turbo code
则可充分利用这种信道所能提供的通信能力 。
软件无线电
? 提出,1992年在美国首先提出这个概念，并在美军的多频段多模
式电台（ Speakeasy)中得到应用，美国麻省理工学院的一些计算
机科学家开始进行软件无线电体系结构的研究，近年美国还组成
软件无线电 Forum,加快实用化的步伐。
? 特点,什么是软件无线电？ 软件无线电是将模块化、标准化的硬
件单元以总线或网络的方式连接构成基本平台，并通过软件加载
实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电体现
三个开放性：对研制的开放性，对生产的开放性，对使用的开放
性。是无线通信的第三次革命。
? 应用,a,可实现各种电台互联互通的 无线网关
b、可接入各种军用移动通信网的多功能车载电台
c,可 实现空中转信的多功能空中平台
d,可 进行智能化通信侦察与抗干扰的电子对抗系统
智能化对抗
? 智能化电子对抗是新一代军用通信系统发展的必然趋
势 。
? 通信抗干扰的智能化,
（ 1） 对战场电磁环境的智能化侦测和分析；
（ 2） 智能化天线技术, 把空间信号处理引入电子对抗；
（ 3） 智能化跳扩频技术, 根据战场情况实现电子对抗体
制及参数的最优化；
（ 4） 网络的智能化抗干扰技术, 根据战场情况实现网络
结构, 信令及控制的最优化 。
应用前沿
抗跟踪干扰
? 现有的对抗跟踪干扰或单频干扰手段, 主要靠慢跳频或中
速跳频 。 跳频对躲避固定干扰有很好的作用, 然而, 目前
的信号检测手段也日新月异, 检测能力日益加强, 目前任
一种 DSP芯片的 FFT速度能够很容易地达到 1ms以下, 即现
有的跳频系统很容量受到跟踪干扰的攻击 。
? 解决这个问题的根本办法就是采用快速跳频 。 也就是说要
将跳频速率提高到每个频点的停留时间不超过从通信发射
机到干扰机再到通信接收机的传播延迟, 从而使最理想的
跟踪干扰或转发干扰到达接收机的时间超过有效的通信时
隙而失去干扰作用 。 例如, 当干扰机在 10km以外时, 只要
跳频速率达到 15KHz即可彻底解决跟踪干扰和转发干扰问
题 。
抗阻塞干扰
? 传统的通信系统, 特别是宽带系统 （ 跳频和扩频 ） 对
干扰的抑制主要靠中频滤波, 然而由于前端高频放大
器和混频器都是非线性器件, 在有强干扰时会产生不
可恢复的交调干扰和噪声恶化, 即产生射频前端的阻
塞 。
? 解决办法,（ 1） 尽量提高前端器件的线性动态范围,
（ 2） 将增益尽量分配在中放, （ 3） 更重要的和更直
接的方法是在天线和高放间引入可快速编程的高 Q无源
跳频滤波器, 从而大幅度降低进入有源器件的干扰电
平, 提高抗阻塞能力 。
研究背景
? 超短波扩频电台在城市的电磁环境下由于受到民用无线
电设备的干扰产生阻塞，无法正常工作；
? 清华大学研制的 II型无线双工、广州 7所研制的 TCL-178
在野外试验中都遇到此问题；
? 希望了解：防止阻塞干扰对接收机线性的要求，和采用
跳频前置滤波器解决阻塞干扰的方法。
仿真成果：扩频电台的阻塞干扰
扩频电台的阻塞干扰（续）
仿真结果讨论（ 1）
超短波全频段（如,60－
110MHz）跳频电台在城市
环境（如：北京市）使用
时，民用无线电设备产生
的阻塞干扰将使接收机灵
敏度下降 30dB以上，这时
的通信距离只能达到 1－
2 Km,和野外试验结果完
全一致。
仿真结果讨论（ 2）
解决全频段跳频阻塞干
扰的一种有效手段是采
用跳频前置滤波器，仿
真结果表明：当跳频滤
波器带宽为 2MHz时，除
个别干扰点外，其它最
坏情况的阻塞干扰将不
会影响接收机灵敏度。
抗部分带干扰
? 现有的无线通信系统（特别是模拟系统）即使采用跳频技
术，在部分带干扰环境下，一般只要干扰比例达到总带宽
的 1/3，就无法正常通信了。
? 在这样的恶劣环境下，要想仍能正常通信，唯一的办法就
是采用有强大纠错能力编码，即 Turbo code编码。曾对
Turbo code在快跳频环境下的性能进行过仿真，发现 1/2
速率 Turbo code可在 1/3频点被干扰的情况下仍能以低于
10-3的误帧率进行通信。而 1/3速率 Turbo code的抗部分带
干扰比例则可达到 1/2。
Turbo-Code用于抗部分带干扰
? 仿真目的
– 验证 Turbo-Code在抗部分带干扰中
的作用
– 研究码长及跳速对抗干扰性能的影
响
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 1/3部分带干扰，码长 2400，每跳 40bit
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 1/3部分带干扰，码长
2400，每跳 120bit，迭
代 4次
? 1/3部分带干扰，码长
480，每跳 40bit，迭代 4
次
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 1/3部分带干扰，码长
480，每跳 12bit，迭代 4
次
? 1/3部分带干扰，码长 96，
每跳 1bit，迭代 4次
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 结论
– 运用 Turbo-Code，在一定的参数下可以频带展
宽一倍为代价，获得对抗 1/3部分带干扰的能
力
– 码长越长，性能越好
– 每跳比特数越少，性能越好
– 对快跳频系统更为合适
结论
? 通信抗干扰是信息战的一个重要环节，必须
放在大系统中进行研究和讨论。
? 通信抗干扰是一项综合性很强的技术，必须
多学科协同才能取得重大进展，并且要有足
够的技术储备。
? 通信抗干扰涉及到国家的稳定和安全，必须
依靠我国自己的力量进行研究。
第十二讲
无线通信系统及网络
内容提要
? 概述
? 无线固定接入
? 无线移动接入
? 无线数据接入
? 无线分组网原理
概述
无线系统的分类
? 按照频段范围分：短波、超短波、微波、毫米波等。
? 按照传播方式分：地面视距、地面超视距、对流层
散射、电离层反射、卫星等。
? 按照多址方式分：点对点、点对多点等。
? 按照应用背景分：固定接入、移动接入、数据接入
等。
? 按照连接方式分：电路连接、分组连接等。
地面无线系统的应用分类
? 无线固定接入
－ WLL,ISM,LMDS
? 无线移动接入
－ 第二代蜂窝及在第二代上增加的业务,i-mode,WAP、
GPRS,EDGE等
－ 第三代蜂窝
? 无线数据接入
－ WLAN,WWAN,WMAN,WHAN,WPAN,WVAN
－ 802.11,HIPERLAN,Bluetooth
无线系统及网络的主要性能
? 频率规划
? 传输范围
? 传输质量
? 业务种类
? 用户容量
? 标准及协议
无线固定接入
频率规划
? 450.5～ 452.5MHz/460.5～ 462.5MHz,FDD模式，窄带无
线接入。
? 1800～ 1805MHz,S-CDMA TDD模式，公众网或专用网无线
接入。
? 1900～ 1920MHz,TDD模式，用于 PHS,DECT,TDMA/CDMA
TDD,Cordless DECT。
? 2400～ 2483.5MHz及 5725～ 5850MHz,ISM频段扩频 SS系统
接入及 Bluetooth/Pico-cell无线接入。
? 3400～ 3430MHz/3500～ 3530MHz,FDD模式，中高速无线
接入。
? 24/26GHz及 38GHz,FDD模式,LMDS宽带无线接入。
无线用户环（ WLL）
? 用户环是在电话网中解决交换机到用户终端传输问题的一
种手段。可以有有线及无线等方式。
? 无线用户环的特点,
－依托有线网，主要解决用户接入问题，简单说就是将用
户线用无线代替有线。
－无线用户环有近距离（ 1公里以内）和远距离（几公里
到十几公里以上）二类。
－无线用户环以固定为主，但也能支持慢速行走的用户。
? 无线用户环产品类别,
－近距离，如,CT-2,DECT,PHS等无绳电话。
－远距离，如,TD-SCDMA,3.5GHz等。
ISM频段 SS系统
? 美国 FCC划分了三个频段（ 800M,2.4G,5.7G） 给工业、科
学和医学使用，无需许可证，简称 ISM频段。
? 我们国家目前也参照美国的标准，开放了二个频段，即
2.4G和 5.7G,但还要求执行许可证制度。
? 技术规范,
－频率规划为 2400－ 2483.5MHz,5725～ 5850MHz。
－采用扩频技术（直接序列扩频或跳频），扩频比大于 10，
或跳速大于 2.5跳 /秒。
－传输速率为 2Mbps。
－ 发送功率小于 100mW。
－ EIRP小于 -10dBW/100KHz（ 跳频）,-20dBW/MHz（ 直扩）
宽带 LMDS系统
? LMDS-Local Multipoint Distribution Service，本地多
点分配业务。这是一种微波宽带业务,在厘米波及毫米波 频
段，在较近的距离上以点对多点方式实现话音,视频和图
像信号双向传输。
? 通信距离,2-10公里。
? 使用频率,24/26,38GHz。
? 调制方式：多状态正交调幅（ 16QAM,64QAM等）。
? 无线频谱资源大于 1GHz，每基站总容量达 4.8G，每扇区容
量达 200M，每远端站容量达 Nx2M（ 2-155Mbps）。
? 可以支持现存的任何业务，包括：话音,数据和图像。
无线移动接入
频率规划
? 模拟蜂窝 TACS,890-915/935-960MHz
? 模拟蜂窝 AMPS,824-849/869-894MHz
? 数字蜂窝 GSM,890-915/935-960MHz
? 数字蜂窝 DCS-1800,1710-1785/1805-1880MHz
? 数字蜂窝 IS-95,824-849/869-894MHz
? 模拟集群 350MHz
? 数字集群,806-821/851-866MHz
蜂窝系统概念
? 引入蜂窝概念是无线移动通信的重大突破，其主要目
的是为了在有限的频谱资源上提供更多的移动电话用
户服务。
? 蜂窝的主要特点,
－通过控制发射功率使得频谱资源在一个大区的不同
小区间重复利用,
－通过将小区划分成更小的小区的方法（小区分裂）
来增大系统的容量。
蜂窝系统的频率再用
? 蜂窝系统在几何上可以
看出由六边形组成。形
同蜂窝。
? 频率再用距离,D
? 小区半径,R
? 频率再用因子,
Q＝ D/R
? 不同多址体制的 Q值,
FDMA,Q＝ 7
TDMA,Q＝ 3或 4
CDMA,Q＝ 1
f1
f2
f3
f1
D
R
蜂窝系统的容量
? 小区容量：每个小区在给定工作频段上所能支持的最大
用户数。
? 系统容量：整个系统在给定频段上单位面积所能支持的
用户数。
? 影响容量的因素,
可用带宽；要求的载波 -干扰比；频率再用因子；小区大
小；提高容量的其它措施，如：话音激活、扇区化等。
? TDMA（ GSM） 比 FDMA（ AMPS）的系统容量可提高 3－ 6倍。
? CDMA（ IS-95） 比 TDMA（ GSM）的系统容量可提高 3－ 4倍。
第一代蜂窝系统：模拟
? 模拟蜂窝系统：欧洲的 TACS和北美的 AMPS
? 多址方式,FDMA/FDD
? 信道带宽,30KHz（ AMPS）,25KHz（ TACS）
? 使用频率,8－ 900MHz
? 语音调制,FM
? 信道数,832（ AMPS）,1000（ TACS）
第一代蜂窝系统上的数据业务,
CDPD
? CDPD(CELLULAR DIGITAL PACKET DATA)：蜂窝
数字分组数据，美国一些公司联合开发的一种标准。
? 承载在美国模拟蜂窝 AMPS上，采用 TCP/IP。
? 调制方式为 GMSK,数据率为 19.2 kbps。
? 利用跳频技术在蜂窝频道的空闲时隙传送突发数据。
? 是一种无连接协议。
? 采用 RS码纠错，可以采用加密。
? 收费合理，是一种过渡方案。
第二代蜂窝系统：数字
? 基本上是两大标准：欧洲的 GSM和北美的 IS-95。
? 使用频率,8－ 900MHz。
? 多址方式,TDMA/FDMA/FDD(GSM),CDMA/FDMA/FDD(IS-95)。
? 传输速率,270.833kbps(GSM),1.2288Mbps(IS-95)。
? 调制方式,GMSK(GSM),QPSK/OQPSK(IS－ 95)。
? 语音编码,13kbps RPE-LTP(GSM),
1200/2400/4800/9600bps变速率 CELP(IS-95)。
? 信道编码,1/2卷积码 (GSM),
1/2卷积码 /维特比译码（ IS-95)。
第二代蜂窝系统上的数据业务,
WAP
? WAP（ Wireless Application Protocol） 无线应用协议 。
? 采用全球统一标准, 支持 GSM,GPRS和 WCDMA等移动
通信系统 。
? 简化, 优化和扩展了因特网 Web技术, 消除了移动终端在
屏幕显示, 内存, 处理能力和无线传输带宽等方面的限制 。
? 主要特点,
（ 1） WAP协议栈采用层次化的设计, 每层均定义有接口,
可被上一层协议使用, 也可被其它的服务或应用程序
直接使用 。
（ 2） WAP应用结构类似于因特网结构 。
第二代蜂窝系统上的数据业务,
GPRS
? GPRS（ General Packet Radio Service） 通用分组无线业
务 。
? 以分组技术为基础的传输系统, 能为用户提供高达
160kbits/s的数据速率 。
? 基于现有 GSM系统, 可根据需要对一个载频的 8个时隙进
行捆绑 。 在初始阶段, 4个时隙作为一组进行捆绑, 速率
可以提高 4倍 。
? 是由 ETSI定义的一种分组数据无线传输技术, 其目的是
在 GSM等移动通信网络上实现移动互联网的中低速业务,
使移动台和终端设备可以通过 GPRS访问全球任何一个网
络 。
第二代蜂窝系统上的数据业务,
EDGE
? EDGE（ Enhanced Data Rates for GSM Evolution）
? 在 GPRS基础上提高速率的一种标准。
? 主要技术措施：将 GSM的四相调制改为八相调制，使每
个信道的传输速率由 14.4kbps提高到 48kbps； 再通过
多时隙捆绑，最高传输速率可以达到 384kbps。
? 优点：只要在 GSM原有系统的基础上，对基站进行简单
的升级，就可以在兼容原有业务的情况下开通 EDGE业
务。
第 三 代蜂窝系统,IMT-2000
概况
? IMT2000是第三代移动通信系统标准,以支持移动多媒体通
信为目标，多个标准并存（出现所谓 IMT2000家族的概念），
频段为 2000MHz,使用日期为 2000年。
? 使用频率,1890~2030MHz,2110~2250MHz。
? 最高传输速率,144kb/s（高速运动）,384kb/s（步行速
度）,2Mb/s（室内环境）。
? 三种代表性的 RTT技术方案：欧洲和日本的 WCDMA方案，北
美的 CDMA2000方案，中国 CATT提出的 TD-SCDMA方案。
第 三 代蜂窝系统,IMT-2000
过渡情况
北美
欧洲
IS-95A IS-95B IS-95C CDMA2000
GSM
TDMA
GSM+
GPRS,HSCSD
GSM++
EDGE WCDMA
普通分组数据业务 高速电路交换数据 GSM增强数据率
第 三 代蜂窝系统,
WCDMA
? 特点
– 强调宽带技术，最小带宽 5MHz
– BTS间不需要同步和 GPS
– 正反向信道相干解调
? 基本参数
– 码片速率,4.096/8.192/16.3843Mc/s,
– 波道间隔,5/10/20 MHz
– 功率控制速率,1600b/s
– 编码方式：卷积码 R=1/3,1/2,k=9和 Turbo Code
第 三 代蜂窝系统,
CDMA-2000
? 以 IS-95为基础
– 相同的码片速率、软切换技术、功率控制技术
? 技术改进
– 反向信道连续导频和相干解调
– 多载波方式提高传输速率
? 基本参数
– 码片速率,1.2288/3.686Mc/s,
– 波道间隔,N?1.25/5 MHz
– 功率控制速率,800b/s
– 编码方式：卷积码 R=1/4,1/3,1/2,k=9和 Turbo
Code
第 三 代蜂窝系统,
TD-SCDMA
? 时分复用、时分双工，软件化、智能天线、同步 CDMA
技术
– 8个时隙，正、反向信道各 4个时隙
– 每个时隙 16各地址码
– 可变的双工信道速率
– 采用 16QAM和非对称传输支持 2Mb/s速率
? 语音传输,8kb/s
? 扩频切普率,1.1136Mc/s
? 信道编码：语音为 3/4卷积码
无线集群系统
? 专用网：主要用于公安和部队。
? 数字集群的性能,
－信道带宽 25KHz
－ 多址方式 6信道 TDMA
－ 信道速率 64kbps
－ 调制方式 16QAM
－ 语音编码 4.2kbps,VSELP
－信道编码 TCM
无线数据接入
各种应用系统
? WLAN,无线局域网
? WWAN,无线广域网
? WMAN,无线城域网
? WHAN； 无线家域网
? WPAN,无线个域网
? WVAN,无线车域网
标准,IEEE 802.11
? IEEE802是美国制定的局域网标准系列，其中 802.11是
无线访问方法和物理层规范，包括跳频、直扩等无线
传输以及数据率高达 2Mbps的红外传输。
? 媒质访问控制（ MAC） 方法：载波检测多址访问及避
免碰撞技术（ CSMA-CA）。 首先，每个要发送的无线
节点和数据必需检测到网络静默才能发送，但如果网
络静默时二个以上节点同时发送，就会产生碰撞。为
此，专门设计了避免碰撞的协议。
? 物理层采用：红外传输、跳频传输、直扩传输。最高
传输速率 2Mbps。 无线传输采用 2.4GHz ISM频段。
标准,HIPERLAN
? 高性能无线局域网的简称。这是欧洲各国制定的标准
系列。
? 使用频率,5.15-5.3GHz和 17.1-17.3GHz。
? 传输范围,50m。
? 支持异步和同步通信。
? 支持 32kbps音频,2Mbps视频,10Mbps数据。
? 标准规定网络结构中的网络层和数据链路层。
? 和 IEEE802.11不兼容。
标准,Bluetooth
? 目标：通过将一种微小的短距的无线通信技术集成到各种
不同的电子设备中来为移动和商业用户提供方便服务。
? 技术性能,
－使用频率 2.4GHz ISM频段
－ 传输速率 1Mbps
－ 调制方式 GFSK
－双工方式 TDD
－通信距离 10m（ 10mW）,100m（ 100mW）
－ 抗干扰方式 快速跳频（ 1600跳 /秒）,自适应发送
功率
－灵活而短的数据包，支持多种应用
无线分组网原理
无线分组网概念
? 无线分组网是一种分组交换网，采用分组交换而不是
电路交换。
? 无线分组网利用无线信道的特点，具有广播通信的性
质，可以同时把分组数据分发给多个用户。用户对信
道的访问是随机的。
? 传输速率可以较高，但延时也较大。
? 无线分组网在民用及军用的移动数据中有广泛的使用
前景。
空中接口的协议体系
? 空中接口是无线分组
网的核心问题之一。
? 空中接口协议可以分
成,物理层（ PHL）、
介质接入控制层
（ MAC）,数据链路
控制层（ DLC）,网
络层（ NWK）。 它
们和 OSI模型的低三
层有一定关系，但不
是严格对应的。
网络层
数据链路控制层
介质接入控制层
物理层 第一层
第二层
第三层
OSI
空中接口的协议（ 1）
物理层
? 确定无线参数，如；频率、定时、功率、码片、
比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。
? 分配无线资源，如：多址协议等。
? 在 MAC层的控制下进行数据或数据分组的收发。
空中接口的协议（ 2）
介质接入控制层
? 介质访问管理：首先选择物理信道，然后在这
些信道上建立或释放连接。
? 数据封装：将控制信息、高层的信息和差错控
制信息进行复接（或分接），使之适合在物理
信道上传输。
? 形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。如：
广播业务、面向连接的业务和无连接业务等。
空中接口的协议（ 3）
数据链路控制层
? 主要功能：为网络层提
供非常可靠的数据链路。
? 可以分为二个平面,
－控制平面：保护内部控
制信令和有限数量的用
户信息。
－用户平面：以不同能力
保护不同的用户信息。
网络层
? 主要是信令。
? 包括：链路控制、呼叫
控制、附加业务、面向
连接的消息业务、无连
接的消息业务、移动性
管理等。
关于介质访问协议
概述
? 各个用户的突发数据以随机方式接入信道，实
现多址；
? 无线信道是公用的，以竞争方式发送数据，这
样就存在碰撞问题；
? 用户数越多，碰撞概率越大，接入概率越低，
接入时间越长；
? 为此，就要有个规则，这就是介质访问协议。
关于介质访问协议
ALOHA访问方式
? 随机 ALOHA方式：随时发送 ?检测到碰撞 ?重新发送，
给每个用户分配不同的重发间隔时间。优点：实现简单，
缺点；吞吐量下降。
? 时隙 ALOHA方式：和随机 ALOHA类似，但把发送时间
划分成等长的时隙，按时隙发送，这样可以减少碰撞机
会和重发次数。因而改善吞吐量。
? 对时隙 ALOHA方式的改进：无主时隙 ALOHA和有主时隙
ALOHA。
关于介质访问协议
CSMA访问方式
? CSMA（ Carrier Sense Multiple Access） 载波侦听访问
方式 。用户在发送分组前首先检测信道上是否有载波，
如果有载波，则用户等候；一旦检测到信道上没有载波，
就立即发送。当然这时还会有碰撞，一旦发生碰撞，仍
采取重发的方式，但碰撞概率要小于 ALOHA方式。
? 这时目前无线分组网最常用的介质访问方式。
? 对 CSMA的改进,1-持续 CSMA；非持续 CSMA； P-持续 CSMA；
CSMA/CD；时间检测多址（ DSMA）。
关于介质访问协议
PRMA访问方式
? PRMA（ Packet Reservation Multiple Access） 分组预
约访问方式 。
? 将时间轴分成许多时隙，若干时隙组成一帧。每帧中的
时隙分为二类：预约时隙及可用时隙。时隙的类别根据
时隙末尾收到基站的应答信息来确定。
? 过程：移动台在语音突发开始时，根据 ALOHA方式竞争可
用时隙，若竞争成功，它就预约了后续帧中相同的时隙
这时就不会方式碰撞。当语音突发结束时，预约将被释
放，该时隙就变为可用时隙。
? 利用话音激活性质，将时隙动态地分配给有话音激活的
用户。
无线分组网的应用
? 分组协议存在不同优缺点，适合不同通信类型，下表
是不同通信类型的分组技术,
FDMA,TDMA,CDMA 数据流或确定性的（语音）
固定 TDMA预留信道的
预留协议
分组，长信息，少量用户
预留协议 分组，长信息，大量用户
竞争协议 分组，短信息
多址技术 通信类型
? 课程简介
课程名称：无线通信工程
讲课教师：姚彦
课内总学时,32
? 课程目的
以面向 21世纪的无线通信为背景, 介绍无线通信的系统组
成, 信道特性, 调制与编码, 接入技术, 网络技术, 抗衰
落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用, 为从事
这一领域研究的学生提供最基本的入门知识 。
课程概况
第一讲 绪论
第二讲 组成及规范
第三讲 信道
第四讲 基带传输
第五讲 载波传输
第六讲 信源编码
第七讲 信道编码
第八讲 多址 1
课程大纲
第九讲 多址 2
第十讲 抗衰落
第十一讲 抗干扰
第十二讲 无线网络及系统
第十三讲 新技术及新应用 1
第十四讲 新技术及新应用 2
第十五讲 总复习
第十六讲 考试
说明
? 姚彦 yaoy@tsinghua.edu.cn
? 可以通过 Email答疑
? 考试要求：以掌握基本概念为主
第一讲
绪论
?历史
?环境
?应用
?发展
历史（ 1）通信发展历史的回顾
?通信（ Communication)作为电信（ Telecommunication)
是从 19世纪 30年度开始的。
物理发现 通信技术发展
1831年法拉第电磁感应 1837年莫尔斯发明电报
1873年马克斯韦尔的电 1876年贝尔发明电话
磁场理论 1895年马可尼发明无线电
?开辟了电信（ Telecommunication)的新纪元
历史（ 2）电话的发明者－贝尔
? 贝尔（ 18xx－ 1922）英国人
1868年 在伦敦工作
1871年 去波士顿工作
1873年 任波士顿大学教授
1875年 发明多路电报
1876年 发明电话
? 一生曾获许多专利。
? 妻子是一位聋人。
历史（ 3）无线电的发明者－马可尼
? 马可尼（ 1874－ 1937）意大利人
1894年 在父亲的庄园试验
1896年 去伦敦
1897年 建立无线电报公司
1899年 首次实现英法无线通信
1916年 实现短波无线电通信
1929年 建立世界性无线通信网
? 曾获诺贝尔奖金
? 曾参加法西斯党
历史（ 4）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
1906年发明电子管 模拟通信得到发展
? 开辟了模拟通信的新纪元
? － 1928年奈奎斯特准则和取样定理
－ 1948年山农定理
? 在理论上为数字通信准备了条件
历史（ 5）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
20世纪 50年代 数字通信得到发展
发明半导体
20世纪 60年代
发明集成电路
? 开辟了数字通信的新纪元
历史（ 6）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
20世纪 50年代 20世纪 40年代提出静止卫
航天技术 星概念，但无法实现
1963年第一次实现同步卫
星通信
? 开辟了空间通信的新纪元
历史（ 7）通信发展历史的回顾
? 物理发现 通信技术发展
20世纪 60年代 企图用于通信，未成功
发明激光
20世纪 70年代 光纤通信得到发展
发明光导纤维
? 开辟了光纤通信的新纪元
历史（ 8）通信发展历史的启示
?通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都
可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。
?通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人
们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要。
?一个优秀的通信工程师和研究人员，必须对物理学和器
件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突
破口迎接通信技术的革命。
环境（ 1）：无线通信的频谱环境
?长波 30－ 300 KHz 10-1km
?中波 0.3-1.5 MHz 1000-200m
?短波 1.5-30 MHz 100-10m
?超短波, 米波 30-300 MHz 10-1m
?微波,分米波 0.3－ 3 GHz 100-10cm
厘米波 3-30 GHz 10-1cm
毫米波 30-300 GHz 10-1mm
亚毫米波 300-3000 GHz 1-0.1mm
?光波,红外光 3?103-3?105 GHz 100-1?m
可见光 3?105-3?106 GHz 0.8-0.4?m
环境（ 2）：无线通信的传播环境
? 无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、
地波（直射、反射、绕射）
? 无线传播的分类
－带宽受限信道和功率受限信道
－色散信道和非色散信道
－恒参信道和变参信道
－点对点信道和多址信道
环境（ 3）：无线通信的传播环境
带宽受限信道和功率受限信道
加性高斯白噪声信道上的山农定理
C＝ W log2(1+S/N) b/s
令,S/N=Eb/N0?C/W
山农定理就可以写成,
Eb/N0=(2C/W - 1)/(C/W)
? 带宽受限信道
Eb/N0? ? C/W ? ? W ?无限
功率可以换取带宽
? 功率受限信道
W ? ? C/W ? ? Eb/N0 ?有限
当 W ? ?,Eb/N0 ? -1.6dB，
即为山农极限，带宽不能无限制
地换取功率
山农信道容量曲线
Eb/N0
dB
C/W
b/s?Hz
-1.6dB
环境（ 4）：无线通信的传播环境
色散与非色散信道、恒参与变参信道
? 信道响应为 C(?;t),其中 ?代表响应时间,t 代表信号时刻。
? 输入信号为时域冲击函数，检验是
色散信道还是非色散信道。
其中 Tm为多径扩散，其倒数 ?fc为相
干带宽。
? 输入信号为频域冲击函数，检验是
恒参信道还是变参信道。
其中 Bd为多普勒展宽，其倒数 ?tc为
相干时间。
? 信号带宽 B ? ?fc, 色散信道
信号带宽 B ? ?fc, 非色散信道
? 码元周期 T ? ?tc, 变参信道
码元周期 T ? ?tc, 恒参信道
C(?;t)
u(t) v(t)
t t
?(t) v(t)
Tm
f f
?(f) S(f)
Bd
环境（ 5）：无线通信的传播环境
点对点信道和多址信道
? 点对点信道：和有线信道类似，体现不出无线的特点。
? 多址信道：无线传输的突出优点之
一是能实现多址接入。
设：有 N个用户地址，第 k个地址发
送的信号为,
N
Sk(t) = ? akj Skj (t),akj =1,0
j = 1
j ? k
第 k个地址接收的信号为,
N N
R(t) = ? ? Lik a ijSij (t) + nk(t)
I=1 j=1
无线用户
1
无线用户
2
无线用户
k
空间环境
无线用户
1
点对点信道
多址信道
空
间
环
境
Sk(t)
Rk(t)
应用（ 1）：无线通信的应用概况
? 短波 /超短波通信
天波（电离层）：数据 /电话、单边带
地波：小型接力机、单双工电台、对讲机
? 微波通信
微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波
电视、电话、数据
? 卫星通信
高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道
电视、电话、数据
? 移动通信
蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统
卫星移动系统
短波电离层通信
? 特点：超远距离、灵活
机动；容量小、质量差
? 用途,
－海外使馆
－远洋船队
－边防哨所
－应急通信
短波 /超短波地面通信
? 特点：绕射能力、灵活机
动、隐蔽性好；容量较小、
质量较差
? 用途,
－陆军电台
－对空电台
－特种通信 (武警、公安 )
－无绳电话
应用（ 2）：无线通信的应用说明
短波、超短波通信
应用（ 3）：无线通信的应用说明
微波通信
微波接力
? 特点：容量大、质量好、
视距传播条件
? 用途,
－中小容量微波
－ SDH大容量微波
－扩频微波
－高频段微波
点对多点微波
? 用途：－无线集中器
－无线用户环
散射微波通信
? 衰落时变信道，距离远，
频带较窄，质量较差
? 用途 －军用
－民用
应用（ 4）：无线通信的应用说明
卫星通信
高轨道卫星通信
? 特点：同步轨道、静止
卫星、容量大、质量好、
功率受限信道
? 用途,
－国际长途
－海事卫星
－电视广播
－军事通信
中低轨道卫星通信
? 特点：距离近、地面设
备简单灵活，非静止轨
道，要求跟踪
? 用途,
－非实时信息传送
－遥感
－侦测
－卫星移动通信
应用（ 5）：无线通信的应用说明
移动通信
蜂窝系统
? 无线通信最成功的应用
? 第一代：模拟
第二代：数字
第三代：多媒体
寻呼系统
? 无线通信最大众化的应
用
其它无线移动系统
? 集群系统
? 无绳电话系统
? 无线数据系统
? 无线 ATM系统
? 无线 IP系统
发展（ 1）,21世纪电信网的发展趋势
20世纪 21世纪
? 业务方式 以音频为主的单媒体 以视频为主的多媒体
? 干线传输 微波 光纤
? 用户传输 有线 无线
? 复接方式 PDH SDH
? 交换模式 STM ATM
? 网络方式 三网鼎立 三网合一
发展（ 2）,21世纪电信网的发展趋势
面向 21世纪通信的三大革命
?以干线 （ 包括部分支线 ） 传输光纤化为标志的光纤革命
?以 SDH,ATM和 IP为标志的数字革命
?以个人通信和无线接入为标志的无线革命
发展（ 3）,21世纪电信网的发展趋势
面向 21世纪通信的两大通信平台
光纤通信平台,无线通信平台,
超大容量、超长距离 宽带、移动
关键技术：波分复用,关键技术,CDMA,智
光纤放大器 能天线、软件无线电
IP over?
发展（ 4）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信面临的挑战及发展机遇
?光纤通信对无线通信的巨大冲击
－－巨大带宽
－－超低损耗
－－较低成本
未来信息高速公路的主干道，还有 Fiber to home
的趋势
?无线通信的发展机遇
－－灵活性
－－抗灾性
－－移动性
发展（ 5）,21世纪电信网的发展趋势
什么叫无线革命
?20世纪通信网的基本框架
中继线 无线为主（微波、卫星） 天上
包括部分有线（电缆）
用户线 有线为主（市话电缆） 地下
包括部分无线（无线电话）
?21世纪通信网的基本框架
中继线 有线为主（光缆） 地下
包括部分无线（微波、卫星）
用户线 无线为主 天上
包括部分有线
发展（ 6）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之一：个人通信
? 1986年 CCIR制订 FPLMTS，以个
人全球通信为目标，首次提出个
人通信概念
? 1986年 CCITT讨论 UPT（全球通
用个人通信）
? 1989年 英国政府发放许可证建
立双向个人通信网，首次出现
PCN名词
? 90年代以来，美国提出个人通信
业务（ PCS），或个人通信系统
（ PCS）
? 但是，到底什么是个人通信？
? CCITT
－个人的移动性和终端移动性分开
－着重于个人的移动性，用户号码可
以在任何终端上使用
－无线接入不是必要的条件
? CCIR、欧洲 PCN、美国 PCS
－个人的移动性靠终端的移动性实现
－移动通信网作为个人通信网的底层
网络结构
－无线接入是必要的条件
? 以无线接入为基础的个人通信叫做无
线个人通信
Wireless Personal Communications
发展（ 7）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之二：无线接入
?技术关键
－多址 －有效性与可靠性 －组网
－蜂窝 －信令与空间接口
?高层无线接入
特点：－蜂窝范围大 －复杂的信道处理（纠错、均衡、分集）
－快速移动 －无线交换
－功率大 －成本高 －低速语音编码
?低层无线接入
特点：－蜂窝范围小 －简单的信道处理
－慢速移动 －有线交换
－功率小 －成本低
－中速语音编码（ 32Kb/s ADPCM）
发展（ 8）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之三：无线 ATM
? 无线 ATM 的发展背景
－－ ATM方式是未来通信网发展的必然趋势
－－可移动多媒体业务的发展与普及
－－无线频谱资源的更加合理利用
? 无线 ATM 的技术关键
－－窄带化技术（低到几 Mb/s）
－－抗误码技术
－－按信源的信息量动态地分配带宽
? 无线 ATM 的应用前景
－－ 军事通信、多媒体通信
发展（ 9）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之四：扩频技术
? 扩频多址技术的缺点：非正交性 ( Non-orthogonality)
优点：坚韧性 (Robustness)
? 坚韧性体现在：－－抗多径
－－抗干扰
－－蜂窝分割的频率再用
－－扇区分割的频率再用
? 前沿技术：时空联合处理, 智能天线, 多用户检测
发展（ 10）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之五：软件无线电
? 当前无线系统在硬件及软件上存在的
问题,
－多种标准、多种制式、多种协议、
多种方案
－困难, －－互连互通难
－－设备更新难
－－研制开发难
? 能否搞成一个通用的无线系统,
－－硬件是公用的，除了天线和 RF
前端外，其它都是 DSP
－－所有无线通信过程都用软件实现，
而软件环境是开放的
－－无线协议都遵循一个公共的
Wireless OSI 分层结构
? 软件无线电的关键技术
－－多频段天线及 RF前端技术
－－直接式数字上、下变频技术
－－高速 DSP 技术
－－标准化无线协议及协议转换技
术
? 软件无线电的应用前景
－－多模手机
－－通用无线平台
－－通用抗干扰军用电台
发展（ 11）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之六：第三代移动通信（ 1）
? 第一代
－模拟话音
－ NMT,AMPS,TACS
? 第二代
－数字话音＋低速数据（小于
64Kbps)
－ GSM,PDC,IS-95,IS-136
（ D-AMPS）
? 第三代
－多媒体业务（小于 2Mbps）
＋ 第二代业务
－ UMTS / IMT-2000
? IMT－ 2000简介
1985年国际电联就开始研究 FPLMTS,
1996年正式更名为 IMT－ 2000
国际移动通信系统，工作频段 2000MHz,
使用日期 2000年
? IMT－ 2000特点
全球性
综合性
兼容性
灵活性
发展（ 12）,21世纪电信网的发展趋势
无线通信热点之六：第三代移动通信（ 2）
RTT标准的主要建议
? WCDMA
欧洲把二个标准溶合成 TDD
/FDD,得到日本、美国、韩
国支持，将会成为主流
? cdma2000
美国提出，和 IS-95兼容
? TD-SCDMA
中国提出
几点看法
? 关于市场定向
电话？多媒体？视频业务？
Internet？
? 关于体制标准
全球一个标准？还是一个标准族？
? 关于上下兼容
要和第二代兼容。
? 关于知识产权
各国都希望国际标准中涉及的技
术必须是开放的。
第二讲
系统组成及技术规范
?系统组成
?性能指标
?技术体制
?技术规范
系统组成
系统组成（ 1）：组成框图
发基带 单元 发中频 单元 发射频 单元 发天线 单元
收基带
单元
收中频
单元
收射频
单元
收天线
单元
无线传播
信道
系统组成（ 2）：基带单元框图
发端接 口处理 发端信 道处理 发端调 制映射 发端基 带滤波
收端接
口处理
收端信
道处理
收端解
调映射
收端基
带滤波
比特流及
时钟输入
比特流及
时钟输出
复接、分接
扰码、去扰
纠错、交织
均衡、去干扰
扩频映射
二进 /多进映射
基带成形
匹配滤波
基带复矢量
信号输出
基带复矢量
信号输入
系统组成（ 3）：中频单元框图
复数 调制器 中频放 大滤波
复数
解调器
中频信
道处理
AGC
中频放大
收端
中频滤波
发送中频
信号输出
接收中频
信号输入
基带复矢量
信号输入
基带复矢量
信号输出
发端中
频本振
载波时
钟同步
系统组成（ 4）：射频单元框图
上 变频器 射频功 率放大
下
变频器
射频信
道处理
射频前
臵放大
收端
射频滤波
发送射频
信号输出
接收射频
信号输入 接收中频 信号输出
发端射
频本振
收端射
频本振
发送中频
信号输入
发端
射频滤波
频率
控制
系统组成（ 5）：天线单元框图
发送射频
信号输入
接收射频
信号输出
天
线
收发双工
FDD/TDD
发射
信号
接收
信号
系统组成（ 6）：等效基带原理
? 发送信号,
s(t) = a(t)cos??0t+?(t)? = Re ?u(t)exp(j?0t)?
其中,u(t) = a(t)exp(j?(t)) = x(t)+ jy(t) 叫作等效基
带信号，亦称复包络。
? 正交调制及正交解调可以等效为复数乘法器。
? 带通滤波器可以等效为复数低通滤波器。
? 无线传播信道可以等效为时变的复数低通网络。
? 信道非线性（包括：调制、解调和放大器的非线性）
也可以进行复数低通等效。
? 带通噪声可以等效为复数低通噪声
系统组成（ 7）：调制解调的基带等效
?
?
合路 ?
cos?t
sin?t
x(t)
y(t)
S (t)
?
?
分路 ?
cos?t
-sin?t
x(t)
y(t)
S (t)
S (t) = ? x(t) + j y(t)? exp (j?t) x (t) = Re? S(t) exp (-j?t)?
y (t) = Im? S(t) exp (-j?t)?
系统组成（ 8）：带通滤波的基带等效
?0 ? ? 0
H(?) HB(?)
HB(?－ ?0) = H(?),??0
HB?(－ ?－ ?0) = H?(－ ?),??0
H(?) ＝ HB(?－ ?0) ＋
HB?(－ ?－ ?0)
系统组成（ 9）：无线传输的基带等效模型
调制
映射
解调
映射 HT (?) HR (?) HC (?)
N(t)
复数噪声
二
进
制
码
流
输
出
二
进
制
码
流
输
入
多
进
制
复
符
号
多
进
制
复
符
号
发端响应 收端响应 信道响应
性能指标
? 多址方式
? 双工方式
? 调制解调方式
? 信道编码方式
? 信源编码方式
? 发送频谱
? 发送功率
? 信道速率
? 误码门限
?工作频段及频谱安排
?传输距离及传输方式
?传输容量
?传输质量
?业务方式
?供电方式及耗电量
?环境条件
?可靠性
性能指标（ 1）：概述
性能指标（ 2）：工作频段及频谱安排
? 工作频段：根据频谱规
划，划分给该项业务的
工作频率范围。
? 波道配置：根据频谱规
划，在工作频段内划分
出若干个波道，供用户
选用。
? 收发配置：根据频谱规
划，在工作频段内划分
出发送和接收子频段。
频段宽度
波道间隔
收发频差
f
f
f
f1 f1'
f1 f2
性能指标（ 3）：传输距离和传输方式
传输距离
? 地面视距传播：取决于
天线高度、工作频段和
地形，一般 50公里以内。
? 地面绕射传播：一般 20
公里以内。
? 对流层传播：一般几百
公里。
? 电离层传播：可达几千
公里。
? 卫星传播：洲际传播
传输方式
? 单工点对点方式。
? 双工点对点方式。
? 中继（或称接力）方式
－有源中继
－无源中继
? 地面点对多点方式
? 卫星点对多点方式
? 平流层气球方式
传输容量
? 传输容量指对用户有效的
传输信息容量
? 传输容量表示方法
－用总的电话路数来表示，如：
?M16路,PCM30路等
－用 PDH的群路数来表示，如：
1?E1,4?E1等
－用有效传输的比特率来表示，
如,2Mb/s,8Mb/s
? 传输容量有时还要考虑一
些附加的信息
性能指标（ 4）：传输容量和信道速率
信道速率
? 信道速率指在无线信道
中传送的总速率，一般
用比特率表示
? 信道比特包括：用户信
息比特和辅助信息比特
? 辅助信息比特如,
－信道编码比特
－勤务和监控比特
－帧同步比特
性能指标（ 5）：传输质量和误码门限
传输质量
? 数字信号传输质量之一：
误码，包括,
－长时间统计的零星误码
－短时间统计的误码超过某
个值（如,10-3,10-6)的时间
百分数
? 数字信号传输质量之二：
同步，包括,
－时钟抖动
－时钟丢失
误码门限
? 无线传输系统的重要性能
指标
? 为达到一定误码率所需要
的最小接收电平，称为该
系统的误码门限
? 误码门限计算公式,
Pr0 = NF ? kT0 ? fb ? Eb/N0
其中,NF 为噪声系数,k为玻尔
兹曼常数,T0 为绝对温度,fb 为
信道速率,Eb/N0 为保证一定误
码率所需要的归一化信噪比
性能指标（ 6）：双工方式
? 频分双工（ FDD）
? 时分双工（ TDD）
发滤波
收滤波
发送
信号
接收
信号
去天线
发开关
收开关
发送
信号
接收
信号
去天线
环行器
TDD
控制
性能指标（ 7）：调制解调方式
调制方式
? 模拟调制及数字调制
? 常用数字调制方式,
FSK,MSK,GMSK,TFM
BPSK,QPSK,8PSK
16QAM,64QAM,256QAM
? 全数字实现方法
任何调制都可以正交展
开，即用复包络表示
解调方式
? 模拟解调和数字解调
? 数字解调
－相干解调
－非相干解调
? 同步问题的重要性
－载波同步
－时钟同步
? 全数字解调算法
性能指标（ 8）：信道编码方式
? 信道编码的目的,
－消除由于信道不理想
所带来的误码
－在理想信道上取得一
定的功率增益
? 考虑原则,
－系统对信道编码的要
求
－系统能提供多少冗余
度
? 常用的信道编码,
－分组码
－卷积码
－ Turbo码
? 纠错编码和交织结合
? 纠错编码和调制结合
? 代数译码和概率译码
性能指标（ 9）：信源编码方式
语音压缩编码
? 增量调制（ ?M）
16Kb/s,32Kb/s
? 脉冲编码调制（ PCM）
64Kb/s
? 自适应差分脉码调制
（ ADPCM）
32Kb/s
? 其它中低速语音编码
16Kb/s,8Kb/s,4.8Kb/s，
2.4Kb/s
图象压缩编码
? JPEG,静止图象
32,64,128 Kb/s
? H.261,会议电视
64,128,384,1920Kb/s
? MPEG-1,存储媒体
2Mb/s以下
? MPEG-2,数字电视
2Mb/s以上
性能指标（ 10）：发送频谱和发送功率
发送频谱框架
发送功率
? 为了保证有一个较好的
电磁环境，无线通信系
统的发送功率有较严格
的规定。
? 发送功率的等级,
－无绳电话,毫瓦级
－移动电话：瓦级
－微波通信：十瓦级
－卫星通信：百瓦级
f0 f
主瓣宽度,B
B
带外辐射,L
L
dB
性能指标（ 11）：供电方式及耗电量
供电方式
? 交流供电、直流供电
? 间断供电、不间断供电
? 各种方式,
－ 220V电网
－发电机
－太阳能
－蓄电池
－干电池
耗电量
? 无线通信系统的重要指
标
? 降低耗电量的方法,
－减少整个系统的传输
损耗，减少发射功率
－采用效率高的功率器
件
－提高电源变换器的效
率
性能指标（ 12）：环境条件
? 温度条件
－保证指标的温度范围
－保证工作的温度范围
－储存的温度范围
? 湿度条件
? 冲击及振动条件
? 电磁干扰条件
? 腐蚀条件
? 特种条件
温度条件举例
? 民品,
? 5?400C 保证指标
? 0?450C 保证工作
? 军品
?－ 10?450C 保证指标
?－ 20?500C 保证工作
性能指标（ 13）：可靠性
可靠性基本关系
? 失效率 ?：在单位时间内
从正常转为失效的概率
? 平均无故障工作时间 T。
T ＝ 1 / ?
? 可靠度 p,无故障工作的
概率。
p = exp(- ?t)
? 可用率 P。
P ＝ t工作 / (t工作 +t中断 )
无线通信的可靠性
? 包括：设备可靠性和传播
可靠性。
? 为提高设备可靠性,
－采用高可靠性的元件
－采用设备的备份措施
? 为提高传播可靠性,
－在传播能力上留有余量
－采用抗信道衰落技术
－采用波道的备份措施
技术体制
技术体制（ 1）：考虑原则
? 有效性：在给定的频率、功率和空间条件下实
现最大的传输容量。
? 可靠性：在给定的信道衰落和干扰条件下实现
最好的业务质量。
? 灵活性：为固定及移动用户提供最灵活的无线
接入手段。
? 实用性：成本、体积、重量、耗电等。
技术体制（ 2）：关于有效性
? 信源编码技术,采用有
效的信源编码技术，在
保证原始消息质量的条
件下，尽可能压缩传输
所需的比特率。
? 调制技术,采用高效率
的调制技术（包括频谱
成形技术），尽可能压
缩传输给定比特率所需
的带宽。
? 蜂窝技术：控制发射机
的功率，在通信区域内
划分出许多蜂窝状小区，
从而提高无线频谱的利
用率。
? 智能天线技术：利用天
线的自动定向或扇区划
分，在通信区域内形成
许多定向的小区，从而
提高无线频谱利用率。
技术体制（ 3）：关于可靠性
? 冗余度技术,
－纠错编码，比特上的
冗余度；
－扩频与跳频，频率上
的冗余度；
－电平储备，功率上的
冗余度；
－备份切换，设备上的
冗余度。
? 抵销技术
－均衡，用频域或时域
的方法校正信道的传递
函数；
－分集，用多重频率、
时间或天线接收的信号
抵销多径效应；
－多用户检测；
－自适应干扰抵销。
技术体制（ 4）：关于灵活性
无线多路
? 无线多路是无线通信灵
活性的表现之一。
? 无线多路一般遵循多路
电话的标准，如,PDH的
基群、二次群等,SDH的
STM-1等。采用 TDM体制。
? 无线通信还能提供灵活
的旁路业务。
无线多址
? 无线多址接入是无线通
信灵活性的表现之二。
? 采用 FDMA,TDMA,CDMA、
SDMA等多址接入技术。
? 既能固定接入，也能移
动接入。
? 在蜂窝移动系统中，越
区和漫游技术的重要性。
技术体制（ 5）：关于实用性
便携性
? 便于携带，是无线通信
作为个人通信物理层基
础的重要特点。
? 为了满足便携性，对个
人便携终端（如：手机）
的体积、重量、功耗都
提出了很高的要求。
? 为解决此问题需要综合
的技术。
经济性
? 随着个人通信的发展，
无线通信已从传统的投
资类产品转化为市场巨
大的消费类产品。
? 在市场竞争的推动下，
无线通信产品的成本价
格必须大幅度下降。
? 降低成本的关键：采用
系统集成技术和批量生
产技术。
技术规范
技术规范（ 1）：概述
? 无线通信技术规范的重要性
－无线频谱的合理使用
－无线系统的干扰协调
－无线用户的入网接口
－无线设备的跨域漫游
? 无线通信技术规范的核心
－无线传输技术（空中接口技术）
－无线入网技术
技术规范（ 2）：标准系列
? 国际电联的标准,CCIR,CCITT,ITU
? 世界各国的地区性标准
－欧洲标准
－北美标准
－日本标准
? 我国标准
－国家标准
－部门标准
技术规范（ 3）：无线法规
? 由国家无线电管理委员会制定无线电法规，作为国家行
政法规颁布。
? 各种无线产品必须符合无线法规制定的入网标准。
? 各种无线产品的研制、生产、引进、使用都必须向主管
部门（各级无委会）申报，特别是无线发射机。
? 各项无线通信工程的设计、施工和运营都必须向主管部
门（各级无委会）申报，特别是使用频率。
? 违反国家无线法规的行为都属于违法行为。
技术规范（ 4）：频谱规划
? 无线频谱的使用由国家无委会统一规划，并实行许可
证制度。
? 频谱规划种类：广播电视、射电天文、雷达定位、民
用通信、军用通信等。
? 民用通信举例：微波通信、卫星通信、移动通信、无
线寻呼、无绳电话、无线数据等。
? 频谱规划中允许不同业务共享某个频段，但在技术上
和管理上要做好协调。
技术规范（ 5）：数字微波技术规范
?工作频段,2GHz,4GHz,6GHz,8GHz,11GHz等
?传输容量,小容量 2Mb/s,8Mb/s
中容量 34Mb/s,68Mb/s
大容量 140Mb/s,155Mb/s
?传输质量,高误码，误码率超过 1?10－ 3的时间百分数
低误码，误码率超过 1?10－ 6的时间百分数
零星误码不超过 1?10－ 9
?传输距离,2500Km,1000Km,300Km
技术规范（ 6）：扩频微波技术规范
?工作频段,2.4-2.4835 GHz,5.725-5.85 GHz
?无需许可证频段
?传输容量：不小于 250 kbits/s
?扩谱方式：直接序列扩谱（ DSSS）,扩频比为 11
跳频扩谱（ FHSS）,跳频速率为 2.5次 /秒
?发射功率：不大于 100 mW
?峰值功率密度：不大于－ 10 dBW/100KHz（ 跳频）
不大于－ 20dBW/1MHz（ 直扩）
技术规范（ 7）：移动通信技术规范
? 模拟蜂窝 TACS
－ 频率 900MHz
－ 间隔 25KHz
－ 调制 话音 FM,信令 FSK
－ 多址 FDMA
－ 双工 FDD
? 数字蜂窝 GSM
－ 频率 900MHz
－ 间隔 200KHz
－ 调制 GMSK
－ 多址 TDMA/FDMA
－ 双工 FDD
? 数字蜂窝 Q-CDMA(IS-95)
－ 频率 800MHz
－ 间隔 1.25MHz
－ 调制 扩频 ＋ QPSK
－ 多址 CDMA
－ 双工 FDD
? 数字蜂窝 D-AMPS(IS-54)
－ 频率 800MHz
－ 间隔 30KHz
－ 调制 ?/4 DQPSK
－ 多址 TDMA/FDMA
－ 双工 FDD
技术规范（ 8）：军用电台频率规范
军用电台频率规划表
频率范围 波段 系统（设备）名称
200～ 500KHz 中长波 陆军电台
1.6～ 30MHz 短波 海陆空电台
30～ 88MHz VHF 陆军、海军
108～ 174MHz VHF 海军、空军
225～ 400MHz UHF 空军
技术规范（ 9）：某军用电台技术规范
? 背景
? 未来的数字化战场，特别
是电子对抗。
? 未来的综合业务，如：话
音、数据、传真、图象。
? 用途
? 取代原有的多制式、多品
种的短波、超短波战术电
台。
? 配备到陆军师、团、营、
连、排各级。
? 主要指标
? 工作频段,2－ 180MHz,兼
容陆军现有的短波、超短波
频段和陆军航空兵的地空指
挥导航频段。
? 可兼容现有的 AM,FM体制。
? 保密数字话,16Kb/s的 CVSD，
4.8/8Kbps的 CELP。
? 数据通信,50－ 9600b/s，
TCP/IP协议。
第三讲
无线通信的信道
?引言
?自由空间传播
?地面视距传播
?地面超视距传播
?移动传播
引 言
引言（ 1）：无线通信信道的分类
? 理想无线信道？非理想无线信道？
理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间
传播。
? 固定无线信道？移动无线信道？
? 视距无线信道？非视距无线信道？
视距，如：地面视距、卫星。
非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。
? 有干扰无线信道？无干扰无线信道？
干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、
敌意干扰。
引言（ 2）：无线通信信道的指标
? 传播衰减
－衰减的平均值
－衰减的最大值
－衰减的统计特性
? 传播延时
－延时的平均值
－延时的最大值
－延时的统计特性
? 延时扩展
－对信道色散效应的描
述
? 多普勒扩展
－对信道时变效应的描
述
? 干扰
－干扰的性质
－干扰的强度
引言（ 3）：无线传播信道的模型
? 信道响应为 h(?,t),可以表示色散和时变
? 假设：线性信道、加性干扰
h(?,t) ? s(t)
r(t)
n(t)
自由空间传播
自由空间传播（ 1）
? 什么叫自由空间？无任何衰
减、无任何阻挡、无任何多
径的传播空间。
? 无线电波在自由空间传播时，
其单位面积中的能量会因为
扩散而减少。这种减少，称
为自由空间的传播损耗。
? 如图所示，发射功率为 PT，
发射天线为各向均匀辐射，
则以发射源为中心,d为半
径的球面上单位面积的功率
为,
S ＝ PT / 4? d2
? 球面上的功率流
PT
d
自由空间传播（ 2）
? 由于天线有方向性（设发射
天线增益为 GT），故在主波
束方向通过单位面积的功率
为,
S = GT PT / 4? d2
? 设接收天线的有效面积为 A，
则接收天线所截获的功率为：
Pr = S A = A GT PT / 4? d2
? 对于抛物面天线，假定天线
口面场具有等相、等幅分布，
则天线的有效面积为,
A = Gr ?2 / 4?
其中 Gr为接收天线增益,?为
自由空间波长
? 代入 Pr公式。得到,
Pr = Gr GT PT (? / 4? d)2
? 令,
Pr / PT = Gr GT / LS
其中 LS定义为自由空间传
播损耗。
? 则,
LS = (4? d / ? )2
= (4? f d / c )2
? 以分贝数表示,
LS = 92.4 + 20 lg f(GHz)
+20 lg d(km) dB
地面视距传播
简 介
? 地面微波通信属于视
距传播。
? 视距传播的主要特点
是收发天线都在视距
范围内。
? 视距传播要考虑大气
效应和地面效应。
? 视距和天线高度的关系
由于地球是一个曲面，
天线高度 h1,h2和视距
d之间存在以下关系,
d = 3.57( )
其中 h1,h2的单位是 m，
d的单位是 km。
说明,此公式没有考虑大
气及地面对传播的影响，
所以只能用作大致的估
计。
21 hh ?
大气效应之一：吸收衰减
? 主要发生在高频段
水蒸汽的最大吸收峰
在 23GHz(1.3cm)；
氧气的最大吸收峰在
60GHz(5mm)；
? 对于 12GHz(2.5cm)以
下的频率，大气吸收
衰减小于,
0.015dB/km。
大气效应之二：雨雾衰减
? 在 10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只
有几 dB。
? 在 10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几
dB/km。
? 下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。
大气效应之三：大气折射
? 引入等效地球半径的概念,
3/4
2
1
一般取值为
等效地球半径因子
折射率随高度的变化率
实际地球半径
等效地球半径其中：
K
K
dh
dn
R
R
dh
dnR
R
KRR
e
e
?
??
地面效应之一,费涅尔半径和余隙
? 利用波动光学的惠更
斯－费涅尔原理，在
遇到障碍物时将产生
附加损耗。
? 障碍物到 T,R连线的
垂直距离为 hc,称为
余隙。一阶 费涅尔半
径为 h1,定义 hc/h1为
相对余隙。就可以从
右图求出附加损耗。
地面效应之二,地面反射
? 这是产生电平衰落的主
要原因之一。
? 设：反射系数为 m,反
射相位为 1800,自由空
间衰减系数为 ?，就可以
求出接收点的场强,
为收发之间的距离。
为收发天线高度，其中：
d
hh
d
hh
mm
E
E
t
r
21
2/1
212
,
22
c o s21 ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
????
?
?
?
平衰落
? 当衰落较严重时，接
收点的场强接近瑞利
分布
? 接收点场强小于某个
值的概率
? ?
为衰落深度
＝频率、距离有关，
分别和、关的因子，
表示和地形、气候有其中：
0
10/
0
/lg10
)()(
10)()(/
PPF
dNfM
dNfMPPU
r
F
r
?
?
?
???
? 通用公式
? 例,
B＝ 1
C＝ 3.5
A=1.4?10－ 8
Q=1
10/10 FCB dfQAU ??????
频率选择性衰落
? 根据 W.D.Rummler提出的伪三径模型，得到频率选择性衰
落的频率响应函数，如下图所示。
地面超视距传播
对流层散射传播
? 在地球表面 10－ 12
km处为对流层，存在
大量随机运动的不均
匀介质，能对电波产
生折射、散射和反射。
? 散射通信是利用部分
散射体内介质的前向
散射信号。这是典型
的多径信道。
? 通信距离可达几百－
上千公里。
? 散射信道不存在电波的直
射分量，是典型的瑞利衰
落信道。
? 根据测试结果，接收电平
小于其均方根值 10dB,
20dB,30dB的概率分别为
10％,1％,0.1%。
? 快衰落服从瑞利分布。
? 慢衰落服从对数正态分布。
? 克服散射信道衰落的主要
方法是采用分集接收技术。
电离层反射传播
? 在地球上空 60km以上是电离层，可以分为 D层,E层,F层。
D层能吸收电波,E层能反射电波，然而在晚上都会消失。
对电波起良好反射作用的是 F层，并且能够在昼夜都保持
一定的通信功能。
电离层反射传播（续）
? 存在严重的多径效应，最
大传播延时差可达毫秒量
级。
? 存在严重的时变性，电离
层的特性随时变化，并且
很难准确预测
? 存在最高可用频率，为了
实现较好的传输质量，工
作频率应尽可能接近最高
可用频率。这些频率都在
短波波段（ 2－ 30MHz）。
? 存在多种附加损耗。如：
吸收损耗（ 6－ 25dB），
地面反射损耗（ 20dB），
系统额外损耗（ 15－ 18dB）
? 存在严重的干扰，这是短
波通信的一大特点。包括：
大气噪声、工业干扰、天
电干扰、其它电台的干扰。
? 技术措施：自适应均衡、
自动线路建立、分集。
流星余迹传播
? 据统计，每昼夜有数百
亿的流星进入大气层，
和空气碰撞产生电离。
在地面 80－ 120km处形
成电离气体带，这就是
流星余迹。
? 利用流星余迹的散射和
反射进行通信。
? 工作频率 30－ 80MHz，
传输距离 200－ 2000km，
传输速率低，用于突发
通信。
卫星传播
? 静止卫星
? 信道稳定，可以按照
自由空间传播损耗计
算
? 长延时，要考虑对话
音质量和通信协议的
影响
? 移动卫星
? 要考虑地面的影响，
包括多径和遮蔽
? 接收信号电平服从莱
斯分布
? 要考虑多普勒频移
移动传播
说 明
? 移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环
境。
? 首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。
几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、
绕射、反射、散射。
? 其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变
化，引起接收场强的快速波动。
? 为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。
四种传播机制
? 直射：自由空间传播
? 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发
生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表
面。
? 绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐
的边缘阻挡时，发生绕射。
? 散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物
体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨
大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体
或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱
等。
二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型
? 大尺度路径损耗传播模型
描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变
化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。
? 小尺度多径衰落传播模型
描述移动台在极小范围内移动时, 短距离或短时
间上接收场强的快速变化, 用于确定移动通信系
统应该采取的技术措施 。
二种传播模型（续）
对数距离路径衰减规律
根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信
号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示,
0
)( ??
c
?
m
T
0
)( f
c
??
f?
m
c
T
f
1
)( ??
多径扩散和相干带宽的关系
0;21
*
0;21
21
21
)];();([
2
1
);,()(
???
???
???
??
t
tcc
ttctcE
t
??
??
??
?????
? ??? ???? ???? ?? def fjcC 2)()(
多径扩散和相干带宽
0
t
)( t
C
??
d
c
B
t
1
)( ??
t?
0
)( ?
C
S
?
d
B
c
t )( ?
多普勒扩散和相干时间的关系
0
*
0
)];();([
2
1
);()(
??
??
??
?????
f
fCC
ttfCtfCE
tft ??
? ? ?? ?? ??? tdetS tjCC ???? 2)()(
多普勒扩散和相干时间
基于多径时延扩散
平衰落
1,信号带宽 <相干带宽
2,时延扩散 <符号周期
频率选择性衰落
1,信号带宽 >相干带宽
2,时延扩散 >符号周期
基于多普勒扩散
快衰落
1,多普勒频移大
2,相干时间 <符号周期
3,信道变化快于基带信号的变化
慢衰落
1,多普勒频移小
2,相干时间 >符号周期
3,信道变化慢于基带信号的变化
?
?
衰落信道的分类
大尺度模型：室外模型
? Longley-Rice模型
? 适用频率范围,40MHz-
10GHz。
不同种类地形的点对点系统。
? 利用路径几何学及对流层
绕射性，预测大尺度中值
传播损耗。
? 有计算机程序，根据输入
的路径参数，进行点对点
预测或区域预测。
? 缺点：不能提供对环境因
素的修正，没有考虑多径
效应。
? Durkin模型
? 描述不规则地形场强预测的
计算机仿真器。
? 已被联合无线电委员会用于
进行有效移动无线覆盖区的
研究。
? 主要用于大尺度路径损耗的
预测。
? 缺点：不能精确预测由于树
叶、建筑物、其它人造结构
引起的传播效应，不能计算
除地面反射以外的多径传播。
大尺度模型：室外模型（续）
? Okumura模型
? 适用频率范围 150MHz-3GHz,
距离 1－ 100km,天线高度 30－
1000m。
? 预测城区信号时使用最广泛的
模型，在日本已经成为系统规
划的标准。
? 开发了一套在特定条件下自由
空间中值损耗的曲线。
? 缺点：对城区和郊区的快速变
化反应较慢，和实际情况偏差
约 10－ 14dB。
大尺度模型：室外模型（续）
? Hata模型
? 适用频率范围 150MHz -
1.5GHz
? 根据 Okumura曲线图所作的经
验公式，以市区传播损耗为
标准，并对其它地区进行修
正。
? 市区路径损耗的标准公式。
在 1km以上的情况下，预测结
果和 Okumura模型非常接近。
? 缺点：适用于大区制移动系
统，不适用于小区半径为 1km
的个人通信系统。
? 其它模型
? Hata模型的 PCS扩展
? WalfishBertoni模型
? 宽带 PCS微蜂窝模型
大尺度模型：室内模型
? 一般说明
? 室内传播特点：覆盖距离
更小，环境变化更大
? 受到影响的因素很多，如：
门窗是开还是关？天线放
臵的位臵？人员的分布情
况？
? 室内信道可以分为视距
（ LOS） 和阻挡（ OBS）
两种。
? 分隔损耗
? 同楼层的分隔损耗
给出不同频段、不同材料
不同分隔方式的损耗值。
如：混凝土墙在 1300MHz
的损耗为 8－ 15dB。
? 楼层间的分隔损耗
和建筑物的材料、类型、
层数、窗户及频段有关。
一层的衰减要大，而五、
六层以上的衰减很小。
大尺度模型：室内模型（续）
? 对数距离路径损耗模型
室内路径损耗公式
的正态随机变量表示标准偏差为为路径损耗指数，其中,??
?
Xn
X
d
dndPLdBPL ??? )l o g (10)()(
0
0
大尺度模型：室内模型（续）
? Ericsson多重断点模型
? 通过测试多层办公室建筑，
获得 Ericsson无线系统模型
? 此模型提供特定地形路径
损耗范围的确定限度
? 右图给出此模型的室内路
径损耗图
小尺度模型（ 1）
? 小尺度传播的主要效
应,
? 信号强度的快速变化
? 时变引起的多普勒频移
? 多径引起的延时扩展
? 多径信道的冲激响应
模型,
? 移动信道可以看成线性时
变信道，输入 x(t)和输出
y(t)存在以下关系
),()()( ?thtxty ??
小尺度模型（ 2）
? 移动多径信道的参数：延时扩展及相干带宽，描述色散
? 延时扩展的典型值如下表所示
? 相干带宽估算,
?? ?? 5
1
50
1 ??
cc BB 或，
小尺度传播模型（ 3）
? 移动多径信道的参数：多普勒扩展及相干时间，描述时变
? 多普勒频移计算,
? 相干时间计算,
? 对于高速行驶的车辆，只要传输速率大于几百 bits/s,多普
勒效应就可以忽略，信道就成为慢衰落信道。
?/vf m ?
m
c
m
c
m
c fTfTfT
423.0
16
9,1 ??? 或，或
?
小尺度传播模型（ 4）
? 平坦衰落的 Clarke模型
这是一种基于散射的统
计模型。接收信号的包
络服从瑞利分布,
? 射频信号受到多普勒衰
落影响的功率谱密度如
右图所示。
??
?
?
?
?
?????
0,0
0),
2
e x p ()( 2
2
2
r
rrrrp
??
小尺度传播模型（ 5）
? 电平交叉率（ LCR）,
瑞利衰落包络归一化为
本地 rms电平后，沿正向
穿过某一指定电平的速
率。表示为,
。为特定电平的归一化值其中,?
?? ?,2 2?? efN mR
? 平均衰落时段,
接收信号低于某指定电
平 R的平均时间段的值。
表示为,
??
?
?
2
12
mf
e ?＝
小尺度传播模型（ 6）
? 双线瑞利衰落模型
Clarke模型及瑞利衰落统
计模型只适用于平衰落，
而不考虑多径时延。为
此，采用一种常用的独
立双线瑞利衰落信道模
型。其冲激响应为,
)()e x p ()()e x p ()( 2211 ??????? ?? tjtjth b ＋
小尺度传播模型（ 7）
? Saleh和 Valenzuela室内统
计模型
? 根据测试结果，提出一个
简单的室内信道多径模型。
该模型假设多径分量以簇
的形式到达。接收信号的
幅度是独立的瑞利随机变
量，相位在（ 0,2?）之
间独立分布。
? 各个簇和簇内的多径分量
构成不同速率的泊松过程，
到达次数成指数分布。
? SIRCIM和 SMRCIM室内
和室外统计模型
? 基于离散冲激响应信道模
型提出了一个来源于实际
的统计模型，并编写了计
算机程序 SIRCIM。 后来又
有人编写了一个类似的程
序 SMRCIM,用以产生市
区蜂窝及微蜂窝信道的冲
激响应。
? 目前全世界有 100多家机构
使用这种程序。
第四讲：基带传输
?引言
?数字信息表示法
?基带传输过程
?功率谱密度
?奈奎斯特准则
?最佳检测准则
?比特差错率
引 言
?什么叫基带传输？
数字信号的电脉冲不对载波进行
调制，直接送往信道进行传输的
方法，叫基带传输。
?无线通信为什么要讨论基带传输？
1、一个载波传输系统，在调制前与解调后
所进行的信号变换过程，如：编码、译码、
滤波、判决、抽样、再生，和基带传输过程
十分相似。基带传输的方法完全可以用于载
波传输。
2、载波传输系统在一定条件下完全可以用
等效基带传输系统来代替。有关基带传输系
统的一些分析结果，如：功率谱密度、比特
差错率可以推广到载波传输系统。
数字信息的表示法
数字信息可以用 抽象代码 或 传输代码 来表示
? 抽象代码
? 一组数字或文字符号；
? 记为,是一组随机
序列；
? Ik 表示码元,k表示序
号,
Ik所能取得的各个符号
值为符号集,
? 在满足马尔可夫过程时，
其统计特性完全可以由
状态概率 pi(i = 1,2,…..,M)
及转移概率 pi,j(n) (i,j =
1,2 ……,M) 来描述。
? 二进制抽象代码举例,
0,1
＋ 1，－ 1
S0,S1
? ?kI
? ?MiS i,.,,,,,2,1,?
? 传输代码
? 一组电脉冲波形；
? 记为 u(t) =,
是一个随机过程；
? uk (t)表示在
kTS?t?(k+1)TS时隙中
的 码元,k表示序号；
uk (t)所能取得的各个波
形组成为波形集,
? 传输代码和抽象代码
的映射关系
? 二进制传输代码举例,
非归零码、归零码
?
?
???k
k tu )(
? ?Mitg i,.,,,,,2,1),( ?
? 多进制
在数字通信系统中，为
了提高传输效率，往往
采用多进制。
最常用的多进制为 2l进
制，即二进制、四进制、
八进制，等等。
一个多进制抽象代码可
以表示成多进制数，也
可以表示成二进制数组。
如,0 1 2 3
00 01 10 11
? 信息量
在不考虑传输误差情况
下，一个随机等概分布
的 M进制码元所包含的
信息量,
I ＝ log2(M) 比特
? 码元速率 （符号速率、
键控速率、数码率）,
？波特（ Baud)
? 信息速率 （比特率）,
？比特 /秒（ bits/s)
基带传输过程
? 基带传输 过程,发端滤波器、基带信道、噪声与
干扰、收端滤波器、再生器
? 传输过程的畸变：干扰与噪声、波形失真
? 再生器的作用
? 什么叫 眼图？
? 如何观察眼图？
? 眼图质量的几个重
要参数,
－－眼图开启度
－－眼皮厚度
－－交叉点发散度
? 比特差错率（ BER）
－各种叫法：误码率、
误字率、码元差错率、
比特差错率、符号差
错率
－发生差错的原因
－差错的计算及测量
－ BER和 Eb/N0的关
系曲线
功率谱密度
定义
? 平稳随机过程的功率谱密
度可以定义为自相关函数
的傅里叶变换。
? 数字信息的抽象代码是平
稳的随机序列，但映射成
传输代码，却不是平稳的
随机过程。
? 传输代码的自相关函数在
一个码元内和时间起点有
关，即,
R(t1+kTs,t2+KTs)＝ R(t1,t2)
并呈现周期性，称为 广义
周期平稳随机过程 。
? 求出平均自相关函数,
其中, t=t1,?=t2-t1。
? 对此进行傅里叶变换，得
到平均的功率谱密度,
?
?
?
2/
2/
1 ),()(
S
S
S
T
T
T dttRR ??
?
?
??
?? ?? ?? deRfS fj
uu
2)()(
计算方法之一
? u(t)的自相关函数,
Ru(t,t+?) =
E(u*(t)u(t+? ))
? 在一个周期中求平均,
? 进行傅里叶变换,
? 其中 Gi(f)为 gi(t)的傅里
叶变换,Rik(l)为 aim和
ai(m+l)的互相关。
? 自相关函数法
多进制数字信号可以写
成,
其中（ a1n,a2n,……,aMn)是抽
象代码 In对应的随机变量
组,gi(t),i=1,2,…,M是
相应的波形集。设 In是一
个马尔可夫过程，其状
态概率为 pi,i=1,2,…,M，
转移概率为 pi,k(l),i或
k=1,2,…,M
? ?
?
??? ?
??
n
M
i
Siin nTtgatu
1
)()(
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T
R
S
S
T
T
u
S
u ),(
1)( 2/
2/
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l
M
i
M
k
Tjl
kiik
S
u
sefGfGlR
TfS 1 1
* )()()(1)( ?
计算方法之一（续）
? 得到,
? 存在线谱和连续谱
? 线谱不存在的充分必要
条件,
? 功率谱密度的一般表达
式
? 特例：纯随机数字信号
转移概率退化为状态概
率
pik(l) = pk
?
?
?
?
?
?
??
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M
i
M
K l
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ikkii
S
M
i
ii
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u
SepfGfGp
T
fGp
T
fS
1 1 1
)(*
2
1
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2
)(
1
)(
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?
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?
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?
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M
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M
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M
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iii
S
N
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M
i
sii
S
u
fGfGpp
T
fGpp
T
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T
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2
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1
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1
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?
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?
?
M
i
ii
M
i
Sii
tgp
NfGp
1
1
0)(,
0)(
或
计算方法之二
? 样本函数 uT(t)的功率密度
? 对此随机过程进行统计平
均
? 可以证明,
? 样本统计法
先证明可行性。
? 从随机过程 u(t)中截取一
段
? 取 uT(t)的傅里叶变换
? 计算 uT(t)的平均功率
? Tt Tttutu T ? ??,0 ),()(
?
?
??
?? dtetufU ftj
TT
?2)()（
df
T
fU
tu
T
dttu
T
P
T
T
T
T
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?
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?
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2
)(
)(
2
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)(
2
1
2
22
TfUfS Tu T 2/)()( 2?
? ? ? ? TfUEfSE Tu T 2/)()( 2?
? ? )()(lim fSfSE uuT T ???
计算方法之二 (续）
? 特例：二进制随机数字信号
其中 Ik是平稳、遍历、纯随机
的二进制序列，以 p1的概率
取 1，以 p0的概率取 0，
p1+p0=1
? 从 u(t)中截取 (－ KTS,KTS)一段，
分成二部分,
u(t,T)=?(t,T)+?(t,T)
其中,?(t,T)＝ E(u(t,T))
?(t,T)=u(t,T)- ?(t,T)
? ???
???
?????
k
Sksk kTtgIkTtgItu )()1()()( 01
? 用样本统计法计算 ?(t)的
功率谱密度,
? 用样本统计法计算 ?(t)的
功率谱密度,
? 讨论：线谱、连续谱
??
???
???
N
sss
S
NffNfGpNfGpTfS )()()(1)( 200112 ??
2
0111 )()()1(
1)( fGfGpp
TfS S ????
举例
? 单极性基带信号
? 波形集,
g1(t)=g(t),概率 1/2
g0(t)=0.概率 1/2
? 功率谱密度,
? 讨论
? 双极性基带信号
? 波形集,
g1(t)=g(t),概率 1/2
g0(t)=－ g(t),概率 1/2
? 功率谱密度,
? 如果 g(t)为幅度等于 A,码
长为 TS的非归零脉冲,则,
2)(1)( fG
TfS Su ?
2
2 s i n)(
???
?
???
??
S
S
Su fT
fTTAfS
?
?
?
?
???
?
??
N
SS
S
S
u
NffNfG
T
fG
T
fS
)()(
4
1
)(
4
1
)(
2
2
2
?
奈奎斯特准则
说明
? 奈奎斯特第一准则：
抽样点无失真准则，
或无码间串扰 （ ISI
Free)准则
? 奈奎斯特第二准则：
转换点无失真准则，
或无抖动 （ Jitter Free）
准则
? 奈奎斯特第三准则：
波形面积无失真准则。
? 数字信号在传输过程
中产生二种畸变：叠
加干扰与噪声，出现
波形失真。
? 瑞典科学家哈利 ?奈奎
斯特在 1928年为解决
电报传输问题提出了
数字波形在无噪声线
性信道上传输时的无
失真条件，称为奈奎
斯特准则。
第一准则
? 理想低通滤波器频域响应
??
???
?
?? ?
2/,0
2/,)( 020
S
S
ftj
S
ff
ffeThfH ?
? 理想低通滤波器时域响应
)(
)(s i n)(
0
0
0 ttf
ttfhth
S
S
?
??
?
?
第一准则（续）
? 第一准则的推广：
升余弦滚降滤波器
? 左图为频域响应
?为滚降系数
? 时域响应,
2220 41
c o ss i n)(
tf
tf
tf
tfhth
S
S
S
S
?
??
?
?
?
??
第二准则
? 第二准则表示在转换点
无失真。
? 令传输信道的时域响应
为 h(t),输入为冲激函
数的随机序列，则满足
第二准则的条件为,
?
?
?
?
????
1,0,0
1,0,)
2
( 10 iihTiTth SS
第二准则（续）
? 满足第二准则的频域响
应为
? 其中 ?0＝ 2?fSt0,令
t0=0,有,
N
S
S
i
ji
N
i
ff
T
fTh
eiffH
??
???
?
???
，
2
2c o s2
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1
0
?
?
N
S
S
i
N
i
ff
T
fTh
iffH
??
???
?
???
，
2
2c o s2
)2()1(
1 ?
第二准则（续）
? 同时满足第一准则和第二
准则的滤波器
? 频域响应为 ?＝ 1升余弦
滚降特性的滤波器。
带宽为,(－ fS,fS )
? 时域响应为 ?＝ 1升余弦
滚降特性的滤波器。
时间为,(－ TS,TS )
? 满足第二准则的理想滤波
器
频域响应
时域响应
??
?
?
?
?
??
N
N
S
S
ff
ffTfThfH
,0
,
2
2c o s2)( 0 ?
220 41
c o s4)(
tf
tfhth
S
S
?
?? ?
?
第三准则
? 第三准则：波形面积无失
真准则。
? 第 n时隙的波形面积，只
决定于该时隙码元的取值，
而和其它时隙的码元无关。
? 可以证明：满足第三准则
的滤波器，是一个对矩形
脉冲的输出响应满足第一
准则的滤波器。
? 关系如下,
S
S
fT
fTfNfN
?
?
s i n
)()( 13 ??
第三准则（续）
? 第三准则滤波器的实用价值
? 由于一般的数字信号不可能是冲激响应，而是
矩形脉冲，为了满足第一准则，实际上都需要
采用第三准则滤波器。
? 有时把具有,
特性的滤波器称为网孔均衡器。
S
S
fT
fT
?
?
s in
最佳检测准则
基带传输模型
HT (f) HR (f) +
u(t) v(t)
n0 (t)
)()()(
)()(
tntxtv
kTtItu
k
sk
??
?? ?
?
???
?
?
?
?
??
?
???
?
??
dfefHfHth
kTthItx
ftj
RT
k
sk
?2
)()()(
)()(
并有：
? 在 t=t0时刻对 v(t)抽样，得
到,
? 其中 n0是高斯噪声，均值
为 0，方差为
? 以上假定系统满足奈奎斯
特第一准则。
抽样点信噪比
000000 )()()( nxtntxtvv ?????
?
?
?
??
?
??
??
?
dfefHfHIhIx
dffHN
ftj
RT
Rn
02
0000
2
0
2
)()(
)(
?
?
而：
? X0为抽样点信号变量,n0为
抽样点噪声变量。当 I0为双
极性二进制码时，抽样点信
噪比可以写成,
?
?
?
??
?
?? ?
?
?
?
?
?
?
dffHN
dfefHfH
x
R
ftj
RT
n 2
0
2
2
2
2
0
)(
)()( 0
?
?
? ＝
? 根据积分的施瓦兹不等式
? 有,
抽样点信噪比（续）
? ? ? ?? ?? ???
?
?
?
?
? b
a
b
a
b
a
dxxgdxxfdxxgxf 22
2
)()()()(
??
?
?
??
?
??
?
?
??
?
?
?
?
?
?
dffHdffH
dfefHfH
RT
ftj
RT
22
2
2
)()(
)()( 0
－
?
? 此式相等的条件,
? 这时抽样点信噪比取得最
大值,
02*0 )()( tfjTR efHCfH ???
00
2
2
*2
00
2
*
0
m a x
)(
)(
)()(
N
E
N
dffH
dffHCN
dffHCfH
s
T
T
TT
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
??
?
??
?? ＝
? 令,C0＝ 1,t0＝ 0,
有,
? 收发滤波器满足共轭
相等条件。
共轭匹配
? 结论：基带信号在 AWGN
信道上实现最佳检测的条
件是收发滤波器共轭匹配，
这时抽样点的信噪比取得
最大值，并等于归一化信
噪比。
)()( * fHfH TR ?
基带传输响应最佳化
? 基带传输的最佳响应是收发滤波器各为平方根奈
奎斯特滤波器
? 收发滤波器响应,
)()()( 1 fNfHfH RT ??
比特差错率
说明
? 比特差错率是数
字信号传输的一
项重要指标
? 下面讨论计算过
程
? 计算时的假设
? 传输信道是 AWGN
信道
? 传输信道是线性信
道
? 收发滤波器满足无
码间串扰条件，并
且共轭匹配
双极性二进制码
? 接收端抽样点的电压
v0=x0+n0
服从高斯分布，均值为＋ h0，
－ h0,方差为 ?n2
? v0的条件概率密度函数如上
图所示
? 判决规则
? 误判区
? 计算平均比特差错率
0
2
2
0
0
0002
0
0001
2
1
2
1
2/
2
1
22
1
)1/(
)1/(
N
E
e rf c
e rf c
h
e rf c
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dvIvppP
b
n
e
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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?
?
?
??
?
?
单极性二进制码
? 计算过程同双极
性二进制码
? 计算结果,
? 讨论
04
1
2
1
N
E
e r fcP be ?
存在码间串扰
? 存在码间串扰时的比特差
错率
? 定义码间串扰量
? = h(t0-Ts) =h(t0+Ts)
? 比特差错率表达式
其中,?＝ h02/ ?n2为抽样点
信噪比,?＝ ?/h0为相对
码间串扰量
? ?? ?
? ?? ?
?
?
?
?
?
?
??
2/21
2
1
2/21
2
1
2/
4
1
??
???
－＋
＋
e r fc
e r fce r fcP
e
第五讲
载波传输
?引言
?复包络分析法
?多相移相键控
?正交移幅键控
?连续相位移频键控
?载波同步
?时钟同步
引 言
引言 （ 1）
?模拟调制和数字调制
?以正弦波为载波的调制（无论是模拟调
制还是数字调制）总是可以分成：调幅、
调相、调频三大类
?数字信号的调幅、调相、调频一般称为：
移幅键控、移相键控、移频键控
?数字信号的解调可以分成：相干解调和
非相干解调二大类
引言 （ 2）
?数字信号调制
要关心的,
?频谱性能
?包络性能
?数字信号解调
要关心的,
?误码性能
复包络分析法
表示法
?载波键控信号可
以表示为,
?其中,
称为载波键控信号
的复包络。
?多相移相键控
?正交移幅键控
?连续相位移频键控
? ?tjetuts 0)(Re)( ??
)()()()( )( tjytxetatu tj ??? ?
? ???
k
jMjI
S
tj eekTtgetatu k 0
2
)( )()()( ?
?
?
?
?
???
??
??
i
yi
k
xk
TiTtgyty
kTtgxtx
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)()(
)()(
)()()(
0
其中：
? ?? ???
?
k
kSkd
tj
kTtqIft
Aetu
???
?
)(2)(
)( )(
其中：
调制与解调过程
?调制过程
复数调制器
?解调过程
复数解调器
相乘
相乘
合路 coswt
sinwt
x(t)
y(t)
s (t)
分路
相乘
相乘
s (t)
coswt
-sinwt
x(t)
y(t)
求功率谱密度
?载波键控信号的功率
谱密度
?载波键控信号的功率
等于它的等效基带信
号功率的一半。
?窄带噪声信号的功率
谱密度
?若 N0代表窄带噪声的
单边功率谱密度，则它
也代表等效基带噪声中
同相或者正交分量的双
边功率谱密度。
? ?)()(41)( 00 ffSffSfS uus ???? )()(
)(
0,0,ffSffS
fS
QnIn
n
???＝
单边
通过带通信道
?带通信道 H(f)的等效
低通信道 HB(f),
?时域响应,
?载波键控信号通过
一个带通系统，等效
为它的等效基带信号
通过等效基带系统。
)()()( 0*0 ffHffHfH BB ?????
? ?tjB ethth 0)(Re2)( ??
多相移相键控
?绝对移相 ?相对移相
?相干解调 ?延时相干解调
?非相干解调
?正交展开
?其中,
?二相移相键控
M＝ 2,?0=?/2,Ik＝ 0,1
xk=(0,0)
yk=(1,-1)
?四相移相键控
M＝ 4,?0=?/4,Ik＝ 0,1,2,3
xk=(0.7,-0.7,-0.7,0.7)
yk=(0.7,0.7,-0.7,-0.7)
?八相移相键控
M＝ 8,?0=?/8,Ik＝ 0,1,2,3,4,5,6,7
xk=(0.9,0.4,-0.4,-0.9,-0.9,-0.4,0.4,0.9)
yk=(0.4,0.9,0.9,0.4,-0.4,-0.9,-0.9,-0.4)
)()(
)()
2
(s i n
)()
2
c o s (
)()(
0
0
2
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k
k
sk
k
k
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M
jI
S
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kTtg
M
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kTtg
M
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o
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?
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?
?
?
?
?
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2
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)
2
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0
0
?
?
?
?
??
??
M
Iy
M
Ix
kk
kk
?多相键控信号的矢量表示
?功率谱密度
2
0 )(2
1)( ffG
T
fS
s
s ??
2
0
0
2
)(
)(s i n
2
)( ?
?
?
?
?
?
?
??
s
ss
s Tff
TffTAfS
?
?
?相位逻辑：自然码
?相位逻辑：格雷码
?相位逻辑的矢量表示
?差分编码
?为什么需要差分编码？克服在接收端进行相干解调时存在
的参考载波相位含糊度。
?接收端的参考载波,
?发送码为, 接收码为
?让发送码和输入的信息码存在关系,
?接收端恢复信息码,
?就有,
0
2 ??? ???
MD
DII Mkk ??'kI
1??? k
M
kk JIJ
'1' ?? ?? kMkk JJI
kk
M
k
M
k
MM
kk IJJDJDJI ?????
??
?
? ???
?
??
?
? ??
??
?
11
?差分编码
?二进制差分编码：相对码、绝对码
?四进制差分编码：自然码差分编译码、格雷码差
分编译码
?差分运算会引入误码扩散
正交移幅键控
矢量表示
?常用的正交移幅键控,
QPSK,16QAM,64QAM,……..,
复包络表示
?复包络表示法
u(t) = x(t) + j y(t)
?其中 x(t)和 y(t)是多电平
的基带信号
QPSK,?1
16QAM,?1,?3
64QAM,?1,?3,?5,?7
?二进制和多进制的
转换：电平逻辑
?自然码电平逻辑
?格雷码电平逻辑
?功率谱密度
QPSK,
16QAM,
64QAM,
2
0
0
)(
)(s i n)(
?
?
?
?
?
?
?
??
s
s
sm
s
Tff
Tff
E
fS
?
?
2
0
0
)(
)(s i n
9
5)(
?
?
?
?
?
?
?
??
s
s
sm
s
Tff
Tff
E
fS
?
?
2
0
0
)(
)(s i n
7
3)(
?
?
?
?
?
?
?
??
s
s
sm
s
Tff
Tff
E
fS
?
?
?频谱利用率
QPSK,1b/s/Hz,
16QAM,2b/s/Hz
64QAM,3b/s/Hz
接收判决过程
?在解调判决过程中，分别对 I,Q二路进行
多电平判决，得到一系列判决变量，然后对
判决变量进行逻辑运算，得到原始信息。
?比特差错率计算公式
QPSK
16QAM
64QAM
02
1
N
Ee rf cP b
e ?
05
2
8
3
N
Ee r fcP b
e ?
07
1
24
7
N
Ee r fcP b
e ?
连续相位移频键控
说 明
?希望寻找一类调制方
法，具有较好的频谱利
用率、功率利用率，同
时又具有恒定包络。
?连续相位移频键控能
较好地满足这些要求。
?前二种调制方法存
在的问题,
?频谱利用率和功率
利用率的矛盾
?频谱利用率和恒定
包络的矛盾
最小移频键控（ MSK）
?满足二个条件,
－调制指数 h=0.5
－ 在码元交替点相位连续
?MSK的相位变换轨迹
?MSK的 调制
?MSK的 解调
?MSK的频谱特性
MSK的误码特性
和差分编码的四相移相键控（ DCQPSK）
一样。
0
N
E
e r fcP b
e
?
原理：有人证明，连续相位调制的频谱旁瓣随频率
的变化以 的规律下降，其中 c为相位函数的导
数保持连续的阶数。对于 MSK,c＝ 0,所以旁瓣随频
率按 f-4 的规律下降。
相位函数的导数是频率函数，令频率函数为高斯函
数，其无穷多阶的导数都连续，因而具有十分良好的
频谱特性。
)2(2 ?? cf
高斯预滤波最小移频键控（ GMSK）
高斯预滤波最小移频键控（ GMSK）
（续）
?频谱特性如左图
?误码特性比 QPSK
约恶化 1dB。
载波同步
载波同步的原理
?从插入载波的信号中实现载波同步
?从抑制载波的信号中实现载波同步
从抑制载波的信号中实现载波同步
非线性处理 线性过滤
键控信号 参考载波
QPSK信号的载波同步：四次方环
QPSK信号的载波同步：逆调制环
QPSK信号的载波同步：判决反馈环
QPSK信号的载波同步：通用环
时钟同步
从数字信号中提取时钟信息的原理
从数字信号中提取时钟同步
非线性处理 线性过滤
数字信号 时钟信号
微分－全波整流法
中频检波法
延时相干法
第六讲
无线通信的信源编码
引言
? 信源的原始信号绝大多数是模拟信号, 因
此, 信源编码的第一个任务是模拟和数字
的变换, 即,A/D,D/A。
? 抽样率取决于原始信号的带宽,
fc = 2 ? w,w为信号带宽
? 抽样点的比特数取决于 经编译码后的信号
质量要求,
SNR ＝ 6 ? L(dB),L为量化位数
概述
? 但是, 由于传输信道带宽的限制, 又由于
原始信源的信号具有很强的相关性, 则信
源编码不是简单的 A/D,D/A,而是要进行
压缩 。 为通信传输而进行信源编码, 主要
就是压缩编码 。
? 信源编码要考虑的因素,
－发信源的统计特性 。
－传输信道引入的损伤, 如误码 。
－ 受信者的质量要求 。
概述（续）
? 信源编码定理,
对于给定的失真率 D,总可以找到一种信源
编码方法, 只要信源速率 R大于 R(D),就可
以在平均失真任意接近 D的条件下实现波形
重建 。
? 说明 1,R(D)称为率失真函数, 它是单调非
增函数, 速率越高, 平均失真越小 。
? 说明 2：为了保证在一定速率下的失真, 必
需采用信源编码, 因而会引入编码延时 。
理论
? 信道编码定理,
如果信源速率 R小于信道容量 C,总可以找
到一种信道编码方法, 使得信源信息可以
在有噪声信道上进行无差错传输, 即,
R ? C,无差错传输条件
? 说明 1：信道容量 C是根据仙侬定理得到 的
C ＝ W?log2(1+S/N)
? 说明 2：为了保证无差错传输, 必需采用信
道编码, 因而会引入编码延时 。
理论（续）
? 信息传输定理,
将信源编码定理和信道编码定理综合, 就得
到信息传输定理 。 即：为保证无差错传输及
失真度, 必需满足,C ? R(D)
? 说明 1,在一般数字通信系统中, 信源编码和
信道编码可以分开考虑 。 信道编码定理给出
无差错的速率上限, 信源编码定理给出无失
真的速率下限 。
? 说明 2：为了实现理想性能, 都要付出延时的
代价 。
理论（续）
? 速率：高速率, 中速率, 低速率
压缩比
? 质量：客观评价
主观评价
? 延时：质量和延时的关系
不同业务对延时的要求
? 复杂性：算法的复杂性及软硬件实现的复杂
性
性能指标
? 波形编码
将波形直接变换成数字码流 。 特点：比特率较高, 解码后质
量较高, 延时较小 。 可以分为：时域波形编码, 如 PCM、
ADPCM,?M等；频域波形编码, 如：子带编码 （ SBC）,
自适应变换编码 （ ATC） 等 。
? 参数编码
从信源信号的某个域中提取特征参数, 并变换成数字码流 。
特点：比特率较低, 解码后质量较低, 延时较大 。 如：各种
声码器 。
? 混合编码
将以上二种方法混合, 特点：以较低的比特率获得较高的质
量, 延时适中, 复杂 。 如,G723.1,G728,G729,GSM的
语音编码, IS-95的语音编码等 。
实现方法
音频编码
? 提高传输的质量
? 便于处理
? 使用灵活, 便于多种媒体 （ 视频, 音频, 文字,
数据 ） 相结合应用
? 易于加密
? 适合大规模集成
? 可靠性高, 体积功耗小
? 价格便宜
音频编码的优点
分类 频 率 范 围
Hz
动 态 范 围 采样频
率
k Hz
质量
要求
主 要 应 用
电 话 语 音 3 0 0 - 3 4 0 0 48dB 8 清晰度 数 字 电 话
宽 带 语 音 5 0 - 7 0 0 0 84dB 16 清晰度
扬 声 器 电 话
I S D N 会议电视
广播
音频 1 0 - 2 0 k 96dB 48
4 4, 1
32
保真度 音 频 产 品
节 目 分 配 和 交 换
数 字 声 广 播
数 字 声 存 储
视 频 会 议
多 媒 体 系 统
高 质 量 电 视
音频编码的应用
压缩的必要性
类型
带宽
KHZ
采样率
KHZ
比特 / 样点
比特率
k b / s
电 话 语 音 0, 3 ~ 3, 4 8 12 96
宽 带 语 音 0, 0 5 ~ 7 16 14 2 2 4
调 频 广 播 0, 0 2 ~ 1 5 32 16 5 1 2
CD 光盘 0, 0 1 ~ 2 0 4 4, 1 16 7 0 5, 6
D A B / D A T 0, 0 1 ~ 2 0 48 16 7 6 8
? 波形编码
? PCM原理 （ 37年, 法 Alec Reeres）
电子管 PCM（ 46年, Bell实验室 ）
晶体管 PCM（ 62年, 市话扩容, 64kb/s）
单片 IC PCM（ 70年代, 微波, 卫星, 光纤 ）
? 增量编码原理 （ 46年, 法 De Loraine）
自适应增量 CVSD（ 60年代末, 军用, 32,16kb/s）
Continuously Variable Slope Delta Modulator
连续变化斜率增量调制器
? 其他编码 （ 70年代, ADPCM,SubBand,ATC,APC等 ）
在 16kb/s以上得到较好的话音质量 。
特点：话音质量好, 但编码速率高 。
音频编码历史：数字电话（ 1）
? 参数编码
? 波形编码通道声码器 （ 39年, Dudly,二次大战保密电话 ）
? LPC声码器 （ 67年, Atal,Schroeder）
? 同态声码器 （ 69年, Oppenheim）
? 共振峰声码器 （ 71年, Rabiner,Schafer,Elanagan）
? MBE声码器 （ 88年, Griffin,Lim）
? 波形插值 （ 91年, W.B,Kleijn）
2.4kb/s,1.2kb/s,较好； 600-800b/s可懂 。 特点：编码速率低, 自然度差 。
? 混合编码器
利用线性预测, VQ,A-B-S,感觉加权, 后滤波等技术 。
? 多脉冲激励线性预测 （ MPELP 1982 Atal,Remde）
? 规则脉冲激励线性预测 （ RPELP 1985 Deprettere,Kroon）
? 码本激励线性预测 （ CELP 1985 Manfred,Schroeder,Atal）
8-16kb/s,高质量 。 特点：话音质量高, 编码速率低, 但算法复杂 。
音频编码历史：数字电话（ 2）
主要应用于会议电视，相当于调幅广播的质量
? 1988年 CCITT制定了 G.722 标准,SB-ADPCM
? 1996 年左右, 美国 PictureTel 公 司 提 出 PTC －
PictureTel Transform Coder
? 1999 年 9 月发布：, ITU-T G.722.1 proposed for
decision,7 kHz Audio - Coding At 24 And 32kbit/s
For Hands Free Operation In Systems With Low Frame
Loss。,
音频编码历史：宽带语音
主要应用于娱乐与鉴赏, 对于重建信号的音质有很高的要
求, 目前采用比特率较高的波形编码技术进行压缩 。 可以
直接在时域进行, 也可以转到频域或其他变换域进行 。
? 1982年激光唱盘 (CD,Compact Disk)上市 。 MD,Mini-
Disk,日本索尼公 司采用 ATRAC－ Adaptive Transform
Acoustic Coder压缩技术 。
? 1987数字音频磁带录音 (DAT,Digital Audio Tape) 问
世 。
? DAB (Digital Audio Broadcasting) 源于欧洲 。
音频编码历史：宽带音频
音频压缩依据
1) 冗余度
?时域样点之间相关 （ 短时, 长时 ）
?频域谱的非平坦性 （ 谱包络, 谱离散 ）
?统计特性
2) 人耳听觉特性
?人耳分辨能力
?人耳对不同频段声音的敏感程度不同, 通常对低频比对高频更敏感
?人耳对语音信号的相位不敏感
?人耳掩蔽效应 Masking Effect …
说明：对人耳听不到或感知极不灵敏的声音分量都不妨视为冗余 。
可利用听觉心理特性 … 。
感觉加权, 量化, 去除多余分量, 后滤波, … 。
音频编码性能评价（ 1）
1) 编码速率 （ Kbps,Kb/s）
信号带宽：可懂度, 自然度, 透明度 。
200~3400Hz,50~7000Hz,20~15000Hz,10~20000HZ。
采样速率,8KHz,16KHz,32KHz,44.1/48KHz… 。
编码位数 R（ b/样点 ）, 总速率 I（ kb/s） 。
固定速率及可变速率 。
2) 重建语音质量
?客观评价,
?信噪比
?分段信噪比
（ 一般 15dB以上较好, 20dB以上相当好 ）
音频编码性能评价（ 2）
?主观评价
? MOS分（ Mean Opinion Score）
5~1分,Excellent,Good,Fair,Poor,Bad
4分：长途通信质量 (toll,transparency-电话线 )
3.5分：通信质量 (communication)
? 判断韵律测试 DRT（ Diagnostic Rhyme Test）
例如：为（ wei）、费（ fei）
95%以上 优秀,85%~94% 良好,75%~84% 中等
65%~74% 差,65% 以下不能接受
? 判断可接受度测试 DAT（ Diagnostic Acceptability Test）
多维因素测试
? 调制噪声参考单位 MNRU（ Modulated Noise Reference Unit）
? 量化失真单位 QDU（ Quantization Distortion Unit） 一次 PCM编解码
音频编码性能评价（ 3）
3) 编解码延时（ ms）
? 公众网（ 25ms）、点对点、广播、存储
? 回声控制或回声抵消
? 正常通话秩序
? 与重建质量关系
4) 算法复杂度
? 硬件、成本
? 浮点、定点
? MIPS,RAM,ROM
5) 其他
? 抗随机误码和突发误码能力
? 抗丢包和丢帧能力
? 对不同信号编码能力
? 级联或转接能力
现有标准（ 1）：宽带音频
? 宽 带 音 频
I S O / M P E G I （ 1 9 9 1 ）
名称 采 样 频 率 K H Z 编 码 速 率 K B / S 编 码 方 式 M O S 分
L a y e r 1 48 1 8 0 + 1 2 S B - D B A 4, 7
L a y e r 2 48 1 2 0 + 8 S B - D B A 4, 6
l a y e r 3 48 6 0 + 4 S B - D B A - M D C T 3, 7
SB, S u b - B a n d
D B A, D y n a m i c B i t A l l o c a t i o n
I S O / M P E G 2 （ 1993 ）,将 采 样 率 扩 充 到 16, 2 2, 0 5, 2 4 K H Z, 带 宽 分 别
为 7, 5, 1 0, 3, 1 1, 2 5 K H z 。
现有标准（ 2）：宽带语音
? 宽 带 语 音
名称 采 样 频 率 K H Z 编 码 速 率 K B / S 编 码 方 式 年代 M O S 分
G, 7 2 2 16 64, 56, 48 S B - A D P C M 1 9 8 8 4, 1 4, 0 3, 7
G, 7 2 2, 1 16 24, 32 M L T 19 99
M L T, M o d u l a t e d L a p p e d T r a n s f o r m
总 的 算 法 延 时 为 4 0 m s
现有标准（ 3）：数字电话
? 语 音 编 码 标 准
名称
采样
率
KHz
编 码 速 率
K B / S
编 码 制 式 年代 M O S D R T 备注
G, 7 1 1 8 64 P C M 72 4, 3 95
G, 7 2 6 8 1 6 ~ 4 0 A D P C M 8 4 - 8 8 4, 1 94 3 2 K B / S
G, 7 2 8 8 16 L D - C E L P 92 4, 1 94
G, 7 2 9 8 8 C S - A C E L P 95 4, 1
G, 7 2 3 8 5, 3 A C E L P 95 3, 8
G, 7 2 3 8 6, 3 M P - M L Q 95 4, 0
G, 7 2 2 16 4 8 ~ 6 4 S B - A D P C M 88 3, 7 ~ 4, 1
U S 1 0 1 5 8 2, 4 L P C - 1 0 82 2, 5 90
替 1015 8 2, 4 M E L P 97 优于 D O D 1 0 1 6
U S 1 0 1 6 8 4, 8 C E L P 89 3, 0 94
G S M 8 13 R P E - L T 88 3, 7
I S - 5 4 8 8 V S E L P 89 3, 7
J D C 8 6, 7 V S E L P 90 3, 5
I N M A R
S A T
8 4, 1 5 I M B E 91 3, 4
I S - 9 5 8 1 ~ 8 Q C E L P 95 ~ 3, 7 93 8 K B / S
I S - 1 2 7 - 1 8 1, 2, 4, 8,
9, 6
E V R C 98
现有标准（ 4）：数字电话（续）
PCM,脉冲编码调制
ADPCM,自适应差分脉冲编码调制
LD-CELP,低延时码本激励线性预测编码
CS-ACELP：共轭结构代数码本激励线性预测编码
ACELP：代数码本激励线性预测编码
MP-MLQ,多脉冲激励最大似然量化
SB-ADPCM,子带自适应差分脉冲编码调制
LPC-10：线性预测编码 -10
MELP,混合激励线性预测编码
CELP,码本激励线性预测编码
RPE-LT：长时间预测规则脉冲激励线性预测编码
VSELP,矢量和激励线性预测编码
IMBE,Inmarsat多带激励语音编码
QCELP,Qualcomm码本激励线性预测编码
EVRC,增强型变速率编码
无线通信的语音编码（ 1）
?军用无线通信
－ 16 kbps CVSD增量调制
－ 4.8 kbps美国军用电台标准
无线通信的语音编码（ 2）
?无绳电话
－用于 CT-2的 ADPCM,32kbps
－ 用于 DECT的 ADPCM,32kbps
无线通信的语音编码（ 3）
?移动通信
－用于 GSM的 REP-LTP（长时间预测规则码激励）
13kbps
－用于 IS-54的 VSELP（ 矢量和激励线性预测）
8kbps
－用于 IS-95的 QCELP（ Qualcomm码本激励线性预测）
1.2/9.6kbps
视频编码
压缩的必要性
V I D E O
类型 格式 分辨率 帧频 HZ 比特 / 像素
比特率
M b / s
电 视 电 话 Q C I F 1 7 6 * 1 4 4 2 9, 9 7 12 9, 1
会 议 电 视 C I F 3 5 2 * 2 8 8 2 9, 9 7 12 3 6, 4
常 规 电 视 I T U - R 6 0 1 7 2 0 * 5 7 6 25 16 1 6 5, 9
增 强 电 视 E D T V 9 6 0 * 5 7 6 25 16 2 2 1, 2
H D T V I T U - R 7 0 9 1 9 2 0 * 1 1 5 2 25 16 8 8 4, 7
图象编码的历史（ 1）
? 经 典 图 像 编 码
? 电 视 信 号 数 字 化 ( P C M ) 提出 ( 1 9 4 8 年 B, M, O l i v e r )
? 预 测 法, 亚 取 样 / 内 插 复 原, 视 觉 特 性 ( 5 0 ~ 6 0 年代 )
? 首 届 图 像 编 码 会 议 ( P C S,1 9 6 9 美国 )
? 条 件 帧 间 修 补 ( C F R, 1 9 6 9 年 M o u n t s 等 )
? 运 动 补 偿 预 测 ( M C, 70 年代 H a k e l l,8 0 年代 H, G, M u s m a n n 等 )
? 正 交 变 换 图 像 编 码 ( D F T,W H T 等,1968 ～ H, C, A n d r e w s 等 )
? D C T ( 1 9 7 4 年 N, A h m e d 等,接近 K L T )
? 混 合 编 码 ( 1 9 7 4 年 A, H a b i b i )
? 子 带 编 码 ( 1 9 8 5 年 S, D, O ’ N e i l )
? H, 1 2 0 会 议 电 视 系 统 ( 8 4 ~ 8 8 年 )
? H, 2 6 1, J P E G ( 8 8 ~ 9 0 年 ), H, 2 6 3, H, 2 6 3 + ( 9 5 ~ 9 7 )
? M P E G - 1 ( 9 2 ), M P E G - 2 ( 9 4 ), M P E G - 4 ( 9 X ), M P E G - 7 ( 9 X ),
M P E G - 21 ( 9 X )
图象编码的历史（ 2）
现代图像编码
?小波变换图像编码
?神经网络图像编码
?分型图像编码
?模型基图像编码
图象编码的依据
1,冗余度
同 画 面 样 点 之 间 相 关 （ 同 行 样 点, 不 同 行 样 点 － 空 域 相 关 ）
不 同 画 面 样 点 之 间 相 关 （ 时 域 相 关 ）
变 换 域 谱 的 非 平 坦 性 （ 频 域 相 关 ）
统 计 分 布 非 平 坦 （ 统 计 相 关 ）
（ 去 除 可 恢 复 ）
2, 人 眼 视 觉 特 性
空 间 分 辨 能 力 （ 亚 取 样 ）
时 间 分 辨 能 力 （ 帧 率 ）
幅 度 分 辨 能 力 （ 量 化 ）
亮 度 色 度 感 知 特 性 （ 色 度 亚 取 样 ）
空 间 － 幅 度 度 感 知 特 性 （ 平 坦 区, 边 缘 区 ）
空 间 － 时 间 感 知 特 性 （ 静 止 画 面, 运 动 画 面 ）
幅 度 － 时 间 感 知 特 性 （ 静 止 物 体, 运 动 物 体 ）
（ 不 可 恢 复 ）
图象编码的质量评价（ 1）
1, 编 码 速 率
分 辨 率, 帧 率, 压 缩 倍 数
2, 重 建 图 像 质 量
? 客 观 评 价
? (,) (,) (,)m n x m n y m n? ?
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图象编码的质量评价（ 2）
? 主 观 评 价
M O S 分 （ M e a n O p i n i o n S c o r e ）
1 ~ 5 分,E x c e l l e n t, G o o d, F a i r, P o o r, B a d
5 分, 不 能 察 觉
4 分, 刚 能 察 觉
3 分, 明 显 察 觉, 略 讨 厌
2 分, 明 显 察 觉, 讨 厌
1 分, 不 能 用
图象编码的质量评价（ 3）
3, 编 解 码 延 时 （ ms ）
与 重 建 质 量 关 系
4, 算 法 复 杂 度
硬件、成本
M I P S, RAM, R O M
5,其他
抗 随 机 误 码 和 突 发 误 码 能 力
抗 丢 包 和 丢 帧 能 力
对 不 同 信 号 编 码 能 力
第七讲
无线通信的信道编码
引言
基本概念
? 仙侬定理指出带宽和功率的互换性。当带宽为
无限大时,Eb/N0趋于 -1.6dB,这就是仙侬极限。
? 如何实现带宽和功率的互换，仙侬定理本身没
有指明。
? 能否用扩频技术实现带宽与功率的互换？不能！
在高斯白噪声信道上，扩频技术没有任何功率
增益。
? 要实现带宽和功率的互换，可以采用纠错技术。
纠错属于一种信道编码。
基本概念
? 信道编码的目的
信道编码是为了保证信息传输的可靠性、提高传输质量
而设计的一种编码。它是在信息码中增加一定数量的多余
码元，使码字具有一定的抗干扰能力。
? 信道编码的实质
信道编码的实质就是在信息码中增加一定数量的多余码
元（称为监督码元），使它们满足一定的约束关系，这样
由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。
举例而言，欲传输 k位信息，经过编码得到长为 n(n>k)的
码字，则增加了 n - k = r 位多余码元，我们定义 R = k
/ n 为编码效率。
基本概念
? 信道编码公式
令信息速率为 fb,经过编码以后的速率为 ft,定义,R＝
fb/ft为编码率。则对于任何一个信道，总存在一个截止速
率 R0,只要 R?R0,总可以达到,BER?CR2-nR0,其中 CR为某个
常数,n为编码的约束长度。
? 对于等概二进码,AWGN信道，有,
)1(l o g1 00 /20 NER beR ????
12
1
ln
1
)1(
00
0 ?
? ? Rb
RN
E
基本概念
频带扩展 d B
0 1 2 3 4 5 6
1
2
3
4
5
6
7
E
b
/
N
o
(
d
B
)
1 7/8 3/4 2/3 1/2 1/4
R 0 1 0 l o g 1 / R 0
基本概念
? 从图可以看出：当带宽 ??,R0?0，得到
Eb/N0 ?1.4dB,信道编码所能达到的极限
比仙侬极限差 3dB。
? 从图可以看出,若 R0?1,即不加任何信道
编码，这时 Eb/N0 ??，说明在有限信噪比
情况下无法达到无差错传输。
? 从图可以看出：对于一定的 R0,相当于一定
的带宽扩展率，存在一个有限的 Eb/N0, 这
时可以通过选择适当的 n达到任意低的差错
率。
性能指标
? 编码率、编码效率、码率
? 编码增益
? 编码延时
? 编译码器的复杂度
分类
? 根据码的规律性可分为：正交编码和检、纠错
码
? 根据监督元与信息组之间关系可分为：分组码
和卷积码
? 根据监督元与信息元之间关系可分为：线性码
和非线性码
? 根据码的功能可分为：检错码和纠错码
分类（续）
信
道
编
码
检
纠
错
码
正
交
编
码
分组码
卷积码
m 序列
L 序列
非线性码
线性码
恒比码
群计数码
非循环码
循环码
非系统卷积码
系统卷积码
正交码
W-A码
岩垂码
扩散码
奇偶校验码
汉明码
BCH码
RS码
分组码
k k k k
k k k k
n
工作原理
? 图中,n ? k,R＝ k/n,称为编码率。
? 分组码的基本原理是将信息码分成 K比特一组，然后将
每组的比特数扩展成 n（ n ? k）,也就是说在信息比
特中插入 n-k个比特。
? 另一种看法：将 2k矢量空间映射到 2n矢量空间。
工作原理（续）
? 定义几个参数,
码重：一组二进制码中,1”的个数
码距 d,二组二进制码之间,0”或,1”不同的位数
? 定理,
（ 1） 为检查出 e个错误，要求,dmin ? e+1
（ 2） 为纠正 t个错误，要求,dmin ? 2t+1
（ 3） 为纠正 t个错误，同时检查出 e个错误，要求,
dmin ? e+t+1 （ e ? t）
? 用图说明
A A B B
线性分组码 ----举例
? 奇偶监督码
? 汉明码
? BCH码
? RS码
? CRC码
奇偶监督码
? 采用奇偶校验原理。
? 只能检错，不能纠错。
? 只能检查出某一分组的单个错误或奇数个错误，
而不能发现偶数个错误。
? 最小码距为 2。
? 水平奇偶监督码
? 水平垂直奇偶监督码。
汉明 码
（ Hamming码）
? 是一种纠正单个错误的线性分组码。
? 特点,码长 n = 2m-1
信息码位 k = 2n-m-1
监督码位 r = n-k = m
最小码距 d = 3
纠错能力 t = 1
? 扩展的汉明码：将监督码位由 m增至 m+1,信息位
不变，这时最小码距增加到 d = 4,能纠正 1位错误
同时检查出 2位错误。
BCH码
（ Bose-Chaudhuri-Hocquenghem码）
? 是线性分组码中循环码的一种重要子类，有严
密的代数结构，是目前研究较多、应用较广的
一种线性分组码。
? 具有纠正多个随机错误的能力。
? 根据对纠错能力的要求，选择参数，并根据代
数结构构造编译码算法。
? 如,n = 7,k = 4,t = 1;
n = 15,k = 7,t = 2;
n = 31,k = 16,t = 3;
n = 127,k = 50,t = 13。
RS码
（ Reed-Solomon码）
? 是一种非二进制的 BCH码。即：在（ n,k） RS码
中，输入信息被分成 km比特一组，每组包括 k个
符号，每个符号由 m比特组成。
? 纠正 t个符号错误的 RS码参数如下,
码长 n = 2m-1符号,或 m(2m-1)比特
信息段 k符号,或 km比特
监督段 n-k=2t符号,或 m(n-k)比特
最小码距 d=2t+1符号,或 m(2t+1)比特
CRC码
（循环冗余校验码）
? 是一种循环码，用于检错。
? 具有很强的检错能力，而且编码器及译码器都很容
易实现。因而在数据通信中得到广泛应用。
? 可以检测出的错误如下,
（ 1）突发长度 ?n-k的突发错误；
（ 2）大部分突发长度＝ n-k+1的错误；
（ 3）大部分突发长度 ?n-k+1的错误；
（ 4）所有与许用码组的码距 ?dmin-1的错误；
（ 5）所有奇数个随机错误。
卷积码
概述
? 分组码 ?卷积码
? 固定窗型 ?滑动窗型
k k k k k k k k
n n n n n n n n
k k k k k k k k
n n n n n n n n
概述（续）
? 例,R＝ 1/2卷积码
k k k k k k k k
＋
＋
Ik
ak
bk
编码原理
? 原理图
映射
u j0
u j1
u j,k-1
u j-m,k-1
u j-m,1
u j-m,0
x j0
x j1
x j,n-1
...
...
...
...
...
...
...
m stage delay
编码原理（续）
? 几个例子
+
+
u j
x j0
x j1
u j
x j0
x j1
(4)
(1)
+
(2)
x j0
x j1
u j
+
+
+
x j0
x j1
x j2
u j0
u j1
(3)
返回
编码原理（续）
? 卷积码的参数
–约束长度 N,
–输入比特 k,
–输出比特 n,
–编码率 R＝ k/n
编码原理（续）
? 状态转移图和 trellis图表示
0110
11
00
1 ；1 0
1 ；0 1 0 ；0 1
0 ；1 0
1 ；0 0
1 ；1 1 0 ；1 1
0 ；0 0
0/00
1/11
0/00 0/00 0/00
1/11
1/11 1/11
1/01
0/10
1/10 1/10
0/01 0/01
1/00 1/00
0/11
0/11 1/00
0/100/10
00
10
01
11
1/00
译码原理 ----方法分类
? 代数译码：纠错译码的经典方法。利用
纠错码的代数结构，经过一定的代数运
算，消除误差，恢复正确的信息。常用
的有：大数译码逻辑。特点：电路简单，
编码增益低。
? 概率译码：纠错译码的新方法。考虑到
信道的统计特性。常用的有：序列译码、
维特比译码。特点：电路复杂，编码增
益高。
译码原理 ----序列译码
? 原理,在码树图中每向前走一步，在决
定走哪一个分支时根据该分支子码与该
时刻接收子码之间的相似程度来判断。
亦称为逐分支译码。
? 一般采用对数似然值度量该相似程度
log P(R|C)=log?iP(ri|ci)=?ilog(p(ri|ci))
? 堆栈译码和费诺译码
译码原理 ----序列译码（续）
? 优点
–运算量和约束长度无关。
? 缺点
–运算量和信道质量有关。
–没有利用卷积码的记忆特性，不是最优算法。
译码原理 ----维特比译码
? 最大后验与最大似然译码
MAP,
ML,
? 硬判决和软判决
硬判决：解调器直接判 0,1
软判决：解调器对输出进行量化
)|(m a xa r g
~
iiSi SrfPS
i
?
)|(m a xa r g
~
iSi SrfS
i
?
译码原理 ----维特比译码（续）
? Viterbi译码原理
– Viterbi译码是建立在最大似然译码基础上的
译码方法
– 在译码过程中只需考虑整个路径集合中那些
能使似然函数最大的路径
– 最大似然序列译码要求序列有限，因此对卷
积码来说，要求能收尾
? ??
?
???
1
0
)(
~
)(~ ),(),(
mL
j
i
jj
i
i xrxr
译码原理 ----维特比译码（续）
? Viterbi译码举例
–设对于编码前信息比特为 (0,0,0,0,0,0)的接
收序列为
则硬判结果为
基于软判决时，采用如下路径度量
9.0,2.15.0,2.06.0,5.03.1,5.09.0,1.03.0,1.1~ ?????????r
0,01,10,00,00,11,0~ ?r
)1()1(
,
)0()0(
,,),( jpijpipij rxrxxr ???
译码原理 ----维特比译码（续）
1
1
1
2
2
3
2
1
3
3
2
2
3
3
2
3
2
2
2
3
3
3
00
10
01
11
基于硬判决的Viterbi译码
Trellis图
译码原理 ----维特比译码（续）
0.8
0.2
0
1.6
-1.8
3.4
2.0
0.8
-0.8
3.8
5.2
2.2
2.6
4.5
2.3
2.1
1.9
5.9
4.3
4.9
5.5
00
10
01
11
-0.8
基于软判决的Vite rbi译码
Trellis图
译码原理 ----维特比译码（续）
? Viterbi译码的特点
– 维特比算法是最大似然的序列译码算法
– 译码复杂度与信道质量无关
– 运算量和存贮量都与码长呈线性关系
– 运算量和存贮量都与状态数呈线性关系
– 状态数随 k及 m呈指数关系
Turbo码
产生背景
? 交织
–块交织：行写入，列读出
–卷积交织,L
L L
L L L
LL L L
LL L L L
0
1
2
3
W - 2
W - 1
入 出
产生背景（续）
? 串行级联码
? 优点：性能较一般短码有很大改善
? 缺点：编码效率低；当 R/C → 1时性能迅速恶化
外 码
编 码
内 码
编 码
交 织 器
信 息 数 据 编 码 输 出
编 码 器
内 码
译 码
外 码
译 码
解 交 织
接 收 信 号 译 码 输 出
译 码 器
产生背景（续）
? 软输入软输出和迭代译码
对数似然比 LLR
)()()()()()(
)()()()|(
)1(
)1(
l o g
)1|(
)1|(
l o g
)|1(
)|1(
l o g)|()(
^^^
'
^
^
'
dLdLxLdLdLdL
dLxLdLdxL
dP
dP
dxP
dxP
xdP
xdP
xdLdL
ece
c
?????
????
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
?
?
??
??
??
产生背景（续）
? 软输入软输出和迭代译码
Soft-in
soft-out
decoder
feedback for the next iteration
L e (d)
L' (d)L c (x)
L (d)
L(d),priori values
L c (x),channel values
L e (d), extrinsic values
L'(d), posterori values
output LLR = L e (d)+ L'(d)
返回
编译码原理
? 编码原理
编 码 器 1
编 码 器 2 交 织 器
开 关
单 元
复
接
器
编 码 输 出
信 息 数 据
编译码原理（续）
? 译码原理
软 输
出 译
码 器
1
软 输
出 译
码 器
2
外 信 息 Z
1k
交 织
交 织
似然值L
1k
解交织
信 息 符
号 序 列
校验序列y
2k
校验序列 y
1k
判决器
译码输出
似然值L
2k
外信息Z
2k
x
k
迭代译码
几点说明
? Turbo码具有优越性能的原因
? 寻找构造好码的规律（分量码构造，交
织器构造等）
? 译码延时大，译码算法复杂
? 广泛应用于移动通信、军事通信、深空
及卫星通信等
第八讲
无线通信的多址技术 （ 1）
内容提要
? 概述
? 频分多址（ FDMA）
? 时分多址（ TDMA）
? 码分多址（ CDMA）
? 空分多址（ SDMA）
概述
多址传输模型 (1)
? 共有 N个地址，第 k个地址发送的信号为,
其中 skj(t)为 k?j的信号,akj =1或 0
k 多址信道
sk(t)
rk(t)
?
?
?
?
N
kj
j
kjkjk tsats
1
)()(
多址传输模型 (2)
? 第 k个地址接收的信号为,
其中 Lik为 i?k的传输系数,nk(t)为 k的接收机噪声。
? 说明,
? ?
? ?
??
N
i
N
j
kijijikk tntsaLtr
1 1
)()()(
多址传输模型 (3)
? 要实现多址通信，必需在 k站分离出其它各站送给它的信号,
rk(t)
M1k(?)
M2k(?)
MNk(?)
s1k(t)
s2k(t)
sNk(t)
多址传输模型 (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)和相应的算符
集 Mnk(?),以满足正交分割的要求。
? ?
?
?
?
??
??
?
kjni
kjnits
tsM nkijnk
,,0
,),(
)(
信号分割技术
? 信号的分割
–正交
? FDMA
? TDMA
? SDMA
–非正交
? CDMA
双工技术
? 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：收发共用一个频率、接收和发送通过
开关来完成；
–特点：收发存在时间间隔。
各种系统
? 双工方式和多址方式要统一考虑；
? 主要多址方式,FDMA,TDMA,CDMA；
? 窄带系统采用方式,
– FDMA/FDD,TDMA/FDD,TDMA/TDD；
? 宽带系统采用方式,
– TDMA,CDMA/FDD,TDD；
? 空分多址（ SDMA） 是一种辅助方式。
各种系统（续）
CDMA/FDD 美国窄带扩频（ IS－ 95）
TDMA/TDD 欧洲数字无绳电话（ DECT）
FDMA/TDD CT2（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
频分多址
工作原理
? 这是频率域上的正交分割。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波器。
f1 f2 f3 f4 f5 f6
f5
Sij(f)
Mnk(?)
f
f
工作原理（续）
? 这时,n?k的选址输出为,
? ?? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ?
? ?
? ?? ? ? ? ? ? ? ?tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
????
?
?
?
??
??
??
????
??
? ?
?
?
?
或,
,,
1 1
?
信道配臵
? FDMA/FDD,TDD信道配臵图
代码
时间
频率
信
道
1
信
道
2
信
道
3
信
道n
技术特点
? FDMA通常在窄带系统实现；
? 符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；
? 不间断发送，系统额外开销少；
? 系统简单，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系统的主要矛盾。
FDMA的非线性效应
? 由于发射机功率放大器的非线性，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。
交调举例
? 例,IM＝ mf1+nf2,m,n为任意整数，如：
f1=930MHz,f2=932MHz，求落在工作频率为 1920～
1940MHz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* 1938 1934
1944* 1940 1936 1932
1916 1920 1924 1928
1918 1922 1926 1930
n=3 n=2 n=1 n=0
关键技术问题
? 需要很好解决信道的非线性问题
? 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）合理配臵频率避开交调分量；
（ 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。
典型应用举例
? 美国 AMPS系统,FDMA/FDD，模拟窄带
调频（ NBFM），按需分配频率；
? 同时支持的信道数,
N＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
Bt 系统带宽,Bc信道带宽,B保护 为分配频
率时的保护带宽。
典型应用举例（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＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
将上述数值代入即有 N＝ 416
时分多址
工作原理
? 这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行
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。
t1 t2 t3 t4 t5
t4
t
t
sij(t)
Mnk(?)
工作原理（续）
? 这时,n?k的选址输出为,
? ?? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ?
? ?
? ?? ? ? ? ? ? ? ?tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
????
?
?
?
??
??
??
????
??
? ?
?
?
?
或,
,,
1 1
?
信道配臵
? TDMA/TDD,FDD
信道配臵图
代码
时隙
时间
频率
信道 N
信道 1
信道 2
信道 3
TDMA帧结构
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
技术特点
? 多用户共享一个载波频率，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。
TDMA的效率
? 系统效率：在发射数据中信息所占的百
分比，不包括系统开销；
? 帧效率：发送数据比特在一帧中所占的
百分比。
TDMA系统的信道数
? 总的信道数：总的 TDMA时隙数。即每一
信道的 TDMA时隙数乘以有效信道数。
N＝ (m(Btot－ 2B保护 ))/Bc
m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。
应用举例
例,GSM系统，总带宽 25MHz，一个信道
200KHz，具有 8个 TDMA用户，未设保护
带宽，求总用户数。
解,Bc＝ 200/8＝ 25KHz
N＝ 25× 106 /25 × 103＝ 1000
TDMA的关键技术问题
?数据缓冲技术
?突发解调技术
?分帧同步技术
? 实现均匀 ?突发和突发 ?均匀的变换
数据缓冲技术
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
? 关键技术是解调过程中的载波快速同步
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
突发解调技术
? 分帧同步系统的重要性
? 分帧同步的指标：建立时间、保持时间、
同步精度
? 分帧同步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
分帧同步技术
第八讲
无线通信的多址技术 （ 2）
码分多址
CDMA技术的分类
?直扩码分多址（ DS-FHMA）
?跳频码分多址（ FH-CDMA）
?混合码分多址（ Hybrid-CDMA）
CDMA特点
? 方法：窄带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码具有类似噪声的性能；
（ 5）发射谱密度低，信号隐蔽。
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,G＝ W/B。
? 多址时存在远近效应。
? 具有一定的抗干扰、抗衰落特点。
工作原理
? 这是子码域上的正交分割。信号集采用互相正交的地址
码序列，算符集采用地址码相关器。
i?1
i?2
i?N
Ci1(t)
Ci2(t)
CiN(t)
i地址发
i?j地址收
Cij(t)
工作原理（续）
? 令发送信号为,
nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。
?
?
?
??
??
??
??
kjnitn
kjni
tCtC
tCtItCtItS
c
nkij
ijijijijij
或
并有：
为地址码序列为信息序列，其中
,),(
,,1
)()(
)()(),()()(
工作原理（续）
? 这时 n?k的选址输出为,
? ?
为热噪声。为码型噪声，其中 )()(
)()()(
)()()()()(
)()()(
''
''
1 1
tntn
tntntIaL
tntCtCtItCaL
trtCtrM
kc
kcnknknk
knk
N
i
N
ji
j
ijijnkijik
knkknk
???
???
??
? ?
?
?
?
工作原理（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)=0,地址码理想正交，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。
? ?
?
?
?
?
??
N
ni
i
N
kj
j
nkijc tCtCtn
1 1
' )()()(
信道配臵
? DS-CDMA信道配臵图
频率
时间
代码
C1
C2
CN
DS-CDMA系统的参数
? 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
? 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
扩频的实现
? 扩频过程框图
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
扩频的实现（续）
? 扩频过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
1 0 1 1 1 0
0001101 1110010 0001101 0001101 0001101 1110010
信息码
地址码
发送码
000??0? ???00?0 000??0? 000??0? 000??0? ???00?0 发端已调信号
解扩的实现
? 解扩过程框图
解扩
（相乘）
BPSK
解调
接收信号
参考
地址码
参考
载波
收端信息码 接收 信号
（扩频） （解扩）
扩频的实现（续）
? 解扩过程波形
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
1 0 1 1 1 0
0 0
收端
信息码
参考
地址码
接收信号
（解扩）
000??0? ???00?0 000??0? 000??0? 000??0? ???00?0
接收信号
（扩频）
? ? ? ?
DS-CDMA关键技术
? 地址码的选择
? 地址码的捕获与跟踪
? 远近效应与功率控制
地址码的选择
? 介绍一种常用的地址码,PN码（伪噪声码）。
? 最典型的是 m序列，即：最长线性移位寄存器
序列。
模二
和
T T T
移位时钟
m序列输出
地址码的选择（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 2n－ 1。
－ 除全 0状态外,n级移位寄存器可能出现的各种状态都在 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,
2n－ 1
－ 1
0 1 2
移位数
地址码的选择（续）
? m序列具有很好的自相关及互相关特性，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、互相关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。
地址码的捕获与跟踪
? 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）维持地址码相位的同步，
称为跟踪。
? 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
地址码的捕获与跟踪（续）
? 匹配滤波器和延迟锁定环的组合。
?
匹配
滤波器
鉴相
鉴相
低通
低通
相加
环路
滤波器 VCO
PN码
发生器
超前码
迟后码
接收码
延迟锁定环
地址码的捕获与跟踪（续）
? 延迟锁定环的鉴相特性
? ? ? ? ? ? ?/Tc
0.5 1 1.5 -0.5 -1 -1.5
远近效应与功率控制
? 什么叫做远近效应？
? 首先说明 CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地址
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。
远近效应与功率控制（续）
? 解决远近效应的方法之一：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,
控制移动台的发送功率
DS-CDMA的优点
? 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。
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。
? 处理增益,G＝ W/B。
? 多址通信时没有远近效应。
? 具有良好的抗干扰特点。
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
进一步说明
? 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。
空分多址
概念
? 空分多址方法之一：蜂窝划分
? 空分多址方法之二：扇区划分
A B C
D E F
G H I
A
B C
D
E
F G
H
利用天线实现空分多址
? 控制用户的空间辐射能量；
? 使用定向波束天线服务于不同用户；
? 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。
关键技术问题
? 需要很好解决天线的自适应定向问题。
? 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技术。
混合多址
混合多址技术
–混合频分 /码分多址（ F/CDMA）
–混合直扩 /跳频码分多址（ DS/FH-CDMA）
–混合直扩 /时分多址（ DS/TDMA）
–混合跳频 /时分多址（ FH/TDMA）
混合频分 /码分多址
? F/CDMA
宽带 CDMA频谱
窄带 CDMA频谱
混合直扩 /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
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；
? 不存在远近效应；
? 实际上是 TDMA，扩频只是抗干扰。
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；
? 抗严重衰落和碰撞事件；
? GSM标准采用，能成倍增加容量。
第九讲
无线通信的抗衰落技术
内容提要
? 概述
? 非频率选择性衰落的对抗技术
? 频率选择性衰落的对抗技术
–均衡技术
–分集技术
–瑞克 技术
? 联合编码技术
概述
什么叫衰落？
? 在无线通信的信道传输过程中，由于大
气及地面的影响而发生传播损耗及传播
延时随时间变化的现象叫做衰落。
? 衰落根据其频率特性可以分为二类：非
频率选择性衰落（又称平衰落）和频率
选择性衰落。
? 衰落根据其时间特性可以分为二类：快
衰落和慢衰落。
衰落有什么影响？
? 衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正
常通信。
? 衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的
误码。
? 衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延
有关的同步。
? 衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平
变化迅速，影响某些跟踪过程。
? 所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的
问题 。
如何对抗衰落？
? 减少通信距离；增加发送功率；调整
天线高度；选择合适路由；
? 在移动通信中采用微蜂窝、直放站；
? 采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、
纠错技术等。
非频率选择性衰落的
对抗技术
对抗原理
? 非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降
低。
? 统计特性：平均接收电平及接收电平降低到
某个门限值以下的概率。
? 抗衰落的原理：衰落储备法。
无线传播方程
? 门限接收电平
其中,Eb/N0为归一化门限信噪比的实际值,F为接收机噪声系
数,k为玻尔兹曼常数,T0为绝对温度,fb为传输比特率。
? 接收电平
其中,Pt为发送功率,GA为收发天线增益,LA为收发天 馈 系统
的损耗,LS为传播路径损耗。
b
b
r fkTFN
EP ????
0
0
0
sA
A
tr LL
GPP
?
?? 2
2
传播统计
? 注意,LS是一个随机变量，存在平均传播损耗 LS,平均 及传播损
耗大于某个值的概率 P（ LS?a） 。
? 如果信道没有衰落，传播损耗取平均传播损耗，就有,
? 令,Pr,平均 ＝ Pro,即平均接收电平等于门限接收电平，无线
通信系统就能正常工作。
? 实际无线传播信道是有衰落的，因此在没有衰落时的平均接
收电平必需大于门限接收电平，才能保证可靠通信。
平均
平均
,
2
2
,
sA
A
tr LL
GPP
?
??
衰落储备法
? 令平均接收电平和门限接收电平之比值为,
R＝ Pr,平均 /Pr0
就有,
称 R为衰落储备。
? 对抗非频率选择性衰落的主要方法是衰落储备法，即通过选
择足够的衰落储备来保证接收电平降低到门限以下（这种事
件可以称为中断）的概率小于某个值。
平均,
2
0
0
2
SAb
b
tA
LLfkTF
N
E
PG
R
?????
?
?
衰落储备法（续）
? 接收电平比平均接收电平下降 Fd(dB） 的概率 （或称为中断
概率） 为,
其中 A为和地形、气候有关的系数,m为频率因子,n为距离因
子。若选择 衰落储备量 R?Fd,就可以保证通信中断率的要求。
? 衰落储备的实现方法：增加发送功率、提高天线增益、减少
通信距离、降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等。
10/10 dFnm dfAU ?????
中断
频率选择性衰落的
对抗技术
对抗原理
? 频率选择性衰落主要是由于多径效应引
起的。
? 多径效应最严重的后果之一是在信道传
递函数中引入一个非理想的 Hc(f),破坏
奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产
生码间串扰，使有效的 Eb/No恶化。
? 对抗频率选择性衰落就是要消除非理想
Hc(f)的影响。
对抗原理（续）
? 对抗频率选择性衰落的主要方法,
－分集技术；
－瑞克技术；
－均衡技术；
－纠错技术。
分集技术
分集 原理
? 原理：利用 无线传播环境中来自不同途径
的多径信号的统计独立性进行合并，从而
实现分集。
? 首先要找出来自不同途径的多径信号，这
些途径可以是不同的空间、不同的极化、
不同的频率、不同的时间。
? 其次要以某种方法进行合并。
? 应该指出：分集技术不仅能改善频率选择
性衰落，同时也能改善非频率选择性衰落。
分集方式
采用什么途径接收分集信号？
? 空间分集：不同天线的接收信号相互独立；
? 极化分集, 水平极化和垂直极化 的信号相互 独立；
? 频率分集：不同频率 的 接收信号相互独立；
? 时间分集, 不同时间的接收信号相互独立。
合并方式
从分集信号中以什么方式作为输出？
? 选择 式 合并,选择最好的支路作为输出，其它支
路丢弃 。
? 最大增益合并,调整各个支路主径的相位，使之
同相，然后进行等增益相加 。
? 最小色散合并,调整各个支路次径的相位及幅度，
使之反相抵销 。
? 最大比合并, 调整各个支路的相位，使之同相，
然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加 。
分集举例
? 空间分集及其合并
S1(t)
S2(t)
相加
相位 幅度
控制
检测
分集后的接收信号
S1(t) S2(t)
最大增益合并 最小色散合并
瑞克技术
一种时间分集：瑞克接收
? 对时间上扩散的信号进行分集，尽可能多
的获取信号能量。
? 对多径信号进行分离，根据信道估计的结
果来进行多径信号合并。
? 对于 CDMA系统，当多径延时大于一个码
片时，多径信号可以看成是不相关的 。
瑞克接收的基本原理 -多径
? 传输环境时变,频率、相位、时间的变化
t
0
t
1
t
1
??
??
t
1
??
??
t
0
t
2
t
2
??
??
t
2
??
??
t
0
?? t
3
t
3
??
??
t
3
??
??
时延扩展
频率扩展
瑞克接收机原理
相关 1
相关 2
相关 M
?
接收机框图
?
?
＋ 积分 判决
a1
a2
aM
CDMA
多径信号
判决输出
瑞克接收机工作过程
? 假设接收信号中可以分离出 M个不同延时的多径
分量，每个分量用不同的相关器进行相关运算。
? 相关器 1和支路 1同步，相关器 2和支路 2同步，
等等，这样不同相关器就可以检测出各个支路的
CDMA信号能量。
? 对各个相关器的输出进行加权，然后相加，就得
到发送信号的最大可能的能量输出，对此输出进
行判决再生，就可以恢复出数字信息。
? 加权系数可以根据不同的准则，如：最大功率准
则、最大信噪比准则，等。
另一种时间分集,交织技术
? 原理,在无线通信中由于发生深衰落或遇到突发
干扰，误码的分布就不是平稳、纯随机的，而是
存在随机误码和突发误码。采用交织可以减少突
发误码的影响。
? 交织 不增加额外开销。
? 交织可以保护信源编码中的特殊比特。
? 交织与纠错编码同时使用，进一步提高传输质量。
? 交织器二种类型：分组交织、卷积交织。
? 交织器会引入时延（对语音不能超过 40ms）。
均衡技术
均衡技术
? 自适应均衡器,减少码间干扰。
? 工作模式：训练模式和跟踪模式 。
? 均衡器分类
– 频域均衡器，时域均衡器；
– 线性均衡器,非线性均衡器 。
? 均衡器实现方法
– 中频均衡器；
– 基带均衡器。
均衡原理
? 均衡器频域表达,
信道 时域响应 f(t),均衡器时域响应 heq(t),希望均衡后
的信道响应为,
g(t)=f*(t)?heq(t)= ?(t)
就有,Heq(f)F*(-f)=1
Heq(f)为均衡器频域响应,F(f)为信道频域响应。
? 均衡器是传输信道的 逆滤波器；
? 由于传输信道的时变性，均衡器必需是参数可变的自适
应均衡器；
? 均衡器的效果是补偿信道的 频率选择性，使衰落趋于平
坦、相位趋于线性。均衡器不能抵销平衰落。
频域 均衡器
? 频域均衡器一般在中频上实现。
? 举例：中频幅度倾斜均衡器
幅度倾斜
校正网络
f1 f2
检波 检波
差分放大器
中频输入 中频输出
时域均衡器（ 1）,
线性均衡器
? 横向滤波器；
–适用于 衰落深度不是很大的情况。均衡器对
深衰落的频谱及邻近频谱产生很大增益，从
而增加噪声。
–结构简单 。
? 格型均衡器；
–数值稳定性好；
–收敛速度快。
时域均衡器（ 2）,
非线性均衡器
? 适 用于深度衰落很大的情况。但算法相
对复杂，且稳定性差和收敛时间长。
?判决反馈均衡器（ DFE）；
?最大似然符号检测（ ML）；
?最大似然序列检测（ MLSE）。
均衡器算法 性能
? 算法性能参数,
–收敛速度：算法进入稳定的迭代次数，即收
敛时间；
–失调：滤波器均方差与最优的最小均方差的
差距；
–计算复杂度：完成迭代的 运算次数；
–数值特性：算法用数字逻辑实现时，由于计
算引起的误差, 影响算法稳定性。
均衡器算法 分类
? 迫零算法；
? 最小均方算法；
? 递归最小二乘算法；
? 其它算法。
迫零算法
? 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出响应
完全消除码间串扰，即除中心点外，其它抽样
点的数值全部为 0。
? 特点：简单，均衡效果较好。
? 缺点：没有考虑噪声的影响，在深衰落的频率
点处，会出现很大的噪声增益。
? 因此，不太适用于在无线信道。
最小均方算法
? 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的期
望值和实际值之间的均方误差最小。
? 特点：是一种最简单的均衡算法。算法的稳定
性好。
? 缺点：收敛速度不高，均衡能力有限。
? 在无线中适用于较慢的、不太深的衰落。
递归最小二乘算法
? 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的累
计平方误差最小。
? 特点：收敛速度快，跟踪性能好。
? 缺点：算法较复杂，还要较好的考虑稳定性问
题。
? 在无线中适用于快衰落信道。
联合编码技术
联合编码说明
? 什么叫联合编码？经典的无线通信系统
是将信源编码和信道编码分别进行的。
信源编码主要考虑信源的统计特性，信
道编码主要考虑信道的统计特性。
? 优点是设计简单、通用性好，可以分别
形成标准。
? 缺点是没有充分利用各自的优势，因而
不是最佳的。
联合编码说明
? 无线系统的信源编码由于压缩比很高，
对差错十分敏感；而信道编码面临十分
恶劣的传播环境，但提供的带宽冗余度
很小。
? 在这种背景下，需要将信源编码和信道
编码综合考虑。这就是联合编码的基本
思路。
? 在无线多媒体通信中，联合编码是抗衰
落的一种十分有效的措施。
信源信道联合编码的系统模型
)( RcRsk ?
调制 + 解调
)( tn
?
x
v
k R s
w
信源编码器
?
量化
信道编码器
?
w?
v?
x?
信源译码器
?
反量化
信道译码器
?
信源编码器
量化
信道编码器
y
y?
2?)?,( xxxxd ??
信源信道译码联合优化
?利用信源编码后的残留冗余度进行
联合优化
?利用信道译码的软输出进行联合优
化
联合编码总结
? 无线视频传输中存在的主要问题
?错误在空间上的传播
?错误在时间上的传播
?同步信息和头信息的丢失
? 可能的解决方法
?减小错误空间传播
?减小错误的时间传播
?增强不等长译码的鲁棒性
?不均等差错保护的方法
?差错隐藏方法
第十一讲
无线通信的抗干扰技术
内容提要
? 概述
? 原理
? 关键技术
? 应用前沿
? 几点结论
概述
为什么要研究通信抗干扰？
? 提高全民的国防意识；
? 了解通信高技术的一个主要领域；
? 民用与军用的互相转换、互相借鉴、互相
支撑；
? 为进入军事通信领域提供一些入门知识。
信息战的内容及特点
信息战的内容
? 电子对抗。如：电磁波
的侦测与隐蔽、通信干
扰与抗干扰、雷达干扰
与抗干扰等。
? 网络对抗。如：计算机
病毒、软件攻击等。
? 消息对抗。如：加密与
解密、消息的收集与欺
骗等。
特点
? 高度的对抗性
? 极端的机密性
? 应用的综合性
? 对实战环境的依赖性
? 采用新技术的超前性
通信对抗的分类
? 通信侦察：使用通信侦察设备来探测、搜索、截获敌方
的无线通信信号，对信号进行测量、分析、识别、监视
以及测向和定位，以获取信号频率、电平、调制方式等
技术参数以及电台位置、通信方式、通信特点、网络结
构和属性等情报。
? 通信干扰：使用通信干扰设备发射专门的干扰信号，破
坏或扰乱敌方的无线通信，是通信对抗的进攻手段。
? 通信抗干扰：在军事通信设备及系统中采用的通信反侦
察、反干扰措施，是通信对抗的防御手段。本次讲座重
点讨论有关通信抗干扰问题。
军事通信的干扰环境
干扰种类
? 设备内部的干扰，如：收发
干扰、邻道干扰等。
? 现场非敌意干扰。如：多径
干扰、多用户干扰、环境噪
声干扰、其它电台的干扰等。
? 现场的敌意干扰。指敌方为
电子战需要而施放的干扰。
通信抗干扰主要指对抗敌方
的有意干扰。
敌意干扰的式样
? 阻塞干扰、压制干扰
? 跟踪干扰、瞄准干扰
? 窄带干扰、单频干扰
? 宽带干扰、梳状干扰、
脉冲干扰
? 升空干扰
? 智能化干扰
通信抗干扰性能
抗干扰性能之一：信号隐蔽性
? 无线信号的隐蔽性
单位面积天线，在单位带宽
中所能截获的信号功率
? 信号方式的隐蔽性
双工方式、调制方式、多路
方式、编码方式、同步方式
? 信号参数的隐蔽性
特别是与抗干扰有关的参数，
如：扩频序列、跳频序列、
同步参数、信令参数等。
抗干扰性能之二：信号鲁棒性
? 用干扰容限定义
PJ/PS(条件：设备性能、工作环境、
干扰性质）
? 三个层次的条件，即,
a、设备性能。如：比特差错率、语
音质量、同步及信令性能、网络性能
等，可以定一个门限，在此门限以下
用户不能接受。
b,工作 环境。如：单台设备还是多
台设备、有无天线抗干扰措施、干扰
源是否升空等。
c、干扰性质。如：干扰性质、干扰
强度、干扰时间等。
原理
通信抗干扰分类
? 频率域。
采用频率域处理，如；直扩、跳频、跳扩。
? 时间域。
采用时间域处理，如：瞬时、跳时等。
? 空间域。
采用空间域处理，如：自适应天线等。
? 其它数字处理。
如：干扰抵销、纠错编码等
原理框图
频率域之一：直接序列扩频
频谱图
扩频 调制 信息 比特
发送
扩频
序列 载波
解扩 解调
扩频
序列
同步
载波
同步
信息
比特
接收
fb
fc f0 f0 fc fb
2fc
窄带干扰
信号 干扰
扩频调制
接收解扩
G＝ fc/fb
扩频增益
原理框图
频率域之二：跳频
频谱图
调制 变频 信息 比特
发送 中频
载波
跳频
频综
解跳 解调
载波
同步
信息
比特
接收
fb
fi f01 f02,.,f0N f0 fi fb 窄带干扰
信号
干扰
跳频调制
接收解跳
G＝ N
跳频增益
跳频
图案
f01 f02,.,f0N
跳频
频综
跳频
图案
同步
fi
原理框图
频率域之三：跳扩频
跳扩频
增益
G＝
N× fc/
fb
调制 变频
信息
比特
发送
中频
载波
跳频
频综
解跳 解扩
载波
同步
信息
比特
接收
fb
fi f01 f02,.,f0N
跳频
图案
f01 f02,.,f0N
跳频
频综 跳频 图案
同步
fi
扩频
扩频
序列
解调
fc
扩频
序列
同步
时间域
瞬时通信
? 这是潜艇通信常用的方
法。
? 先进行信息压缩，然后
以很短的时间发送出去。
? 特点,
（ 1）隐蔽性好；
（ 2）抗干扰能力强；
（ 3）信息速率低；
（ 4）延时大，非实时业务。
跳时通信
? 基本是一个 TDM或 TDMA
系统；
? 时隙不用满，按某种跳
时图案在各个时隙上进
行跳时；
? 有一定的隐蔽性和抗干
扰性；
? 目前使用不多。
空间域
定向天线
? 天线波束越窄，电波隐
蔽性好，抗干扰性也强。
? 从抗干扰角度，全向天
线不如定向天线。
? 采用毫米波频段，天线
方向性很好，有利于通
信抗干扰。
自适应调零天线
? 利用相控阵天线原理，在干扰
源方向形成波束的零点 ；
? 利用数字信号处理技术对干扰
信号进行识别和检测；
? 利用自适应技术自动调整天线
波束的零点指向，使干扰信号
最小；
? 不足：在零点方向形成盲区，
影响这个区域内用户的正常通
信。
直扩系统的干扰容限
模 型 公式推导
Eb = Ps*Tb
N0 = FkT + Pj/W + (N-
1)Ps/W
得到,
N + Pj/Ps = 1 + W/fb*N0/Eb
- FkTW/Ps
接收机 Pi
Pj
F
Eb/N
0
条件,
信息比特率 fb,周期
Tb
扩频用户数 N
各用户的功率相等
Pi(i=1,2,… N)=Ps
扩频带宽 W
干扰功率 Pj,带宽 W
接收机噪声系数 F
直扩系统的干扰容限（续）
0
0
// NE
G
E
N
f
WPP
bbb
SJ ???
S
bb
SJ PF K T WE
N
f
WPPN /1/ 0 ?????
? 单用户，考虑热噪声
? 结论,无论是多用户干扰还
是热噪声干扰都会, 吃掉,
一些干扰容限，只有在单用
户及忽略热噪声的情况下，
才可能达到干扰容限的最大
值。
?对下列公式进行讨论,
?讨论
?单用户，忽略热噪声
?多用户，忽略热噪声
NNE GNENfWPP
bbb
SJ ??????? 1/1/
0
0
S
rb
S
J
bbr
S
b
SJ
P
P
G
NE
P
P
NEF K T fP
PF K T W
NE
G
PP
00
00
0
1
/
/
/
/
/
???
?
??
就有：
，令：接收机门限电平为
，
抗干扰体制的比较
阻塞干扰
可以是窄带、部分带、梳状
干扰等。
? 一般跳频优于一般直扩
这是因为直扩增益一般都小
于滤波器的防护度。
? 跳频最好再加上纠错编码措
施
某些跳频点碰上干扰，可以
通过纠错消除误码。
? 跳频最好再加上自适应调零
天线
增加对抗特强干扰的能力。
跟踪干扰
过程：对信号进行侦测、分
析，引导干扰机跟上信号。
? 快跳频是对付跟踪干扰的最
好方法。
临界跳速 ＝ 150KHz / d(km)
? 如果跳速做不快，可以采用
跳扩结合的方法。因为扩频
增加了信号的隐蔽性，不容
易被跟踪。
? 从抗干扰的角度，很少采用
直扩。
对直扩 /跳频抗阻塞干扰的说明 P
J
PS
PJ
PJ
PS
PS PJ’
PJ’=PJ/G
PJ
PS
PJ P
S
PJ P
S
PJ’
PJ’=PJ/L滤波器
对跟踪干扰和临界跳速的说明
电台 1 电台 2
侦察、分析、引导时间
接收时间
发送时间
干扰机 T总 =T接收 +T发送 +T侦察、分析、引导
对跟踪干扰和临界跳速的说明 （续）
fi fj
T总 ?T跳频
T总 ?T跳频
干扰 干扰
有效干扰时间
T跳频
关键技术
天线及射频
射频技术
? 宽频带射频收发技术
? 大功率线性功放
? 大动态范围接收机前
端
? 低损耗跳频滤波器
? 快速捷变频综
天线技术
? 宽频带或多频段天线
技术
? 窄波束天线
? 自适应调零天线
? 智能天线
? 天线阵技术
扩频的某些技术要点
? 有效性问题
扩频是以频带换取抗干扰能力，
因而降低了传输的有效性。
解决方法,采用多进制直扩技术。
基本原理是利用直扩码的正交性，
形成并行传输的通道，从而降低
所需的带宽。
? 可靠性问题
扩频抗干扰的基本机理是降低干
扰的功率密度或碰撞概率，但不
能完全消除误码。
解决方法,采用纠错，并把信道
编码和扩频处理结合起来。
? 跳频同步
为了实现跳频电台的正常通信，
必须要求网内电台有相同的跳频
图案，准确的时钟信息。这就需
要跳频同步。
方法,军用电台目前流行的是同
步字头法，即通过移动台对中心
台发出的时变跳频图案进行搜索，
实现移动台对中心台的跳频同步。
要求,同步信息的隐蔽性、传输
的可靠性、同步建立的快速性。
即具有抗干扰能力强、同步时间
短、传输可靠等优点。
快速跳频
? 这是针对中, 低速跳频通信系统易受跟踪式干扰而采
用的一项最新技术, 目前国际上还停留在理论研究阶
段, 尚未实用 。 其主要原理是：移动通信系统以高于
信息速率的跳速在很宽的频带上进行频率跳变, 即每
个信息比特跳几跳以上, 相当于跳速高达 100KHz～
1MHz,比目前的跳速提高 100～ 1000倍 。 与中, 低速跳
频方式相比, 这种体制的显著特点是,
? 能有效地对抗敌方的跟踪式干扰和转发式干扰；
? 能消除宽带移动通信中多径效应造成的不利因素；
? 大大改善数据传输时的误码性能, 从而提高可通率 。
? 以上这些优点特别适用于新一代的军用无线通信 。
Turbo Code
? 提出,Turbo code码又称并行级联码, 是 1993年法国学者提出的一
种性能接近极限的信道编码结构及相应的译码算法 。
? 特点,仙农的信息论给出了信道传输能力的上限, 即信道容量, 然
而这个极限始终未能达到 。 传统的信道编码都有不同程度的纠错能
力, 但离信道的容量极限还相距甚远, 使得信道资源一直得不到充
分的利用 。 Turbo code 则突破了传统的编码结构与思路, 它采用
了并行级联码的结构和利用软输出译码算法的迭代译码方法, 在理
论上可提供接近极限的能力 。
? 应用,由于 Turbo code 的这种优异性能, 其应用价值十分广阔,
尤其是军用移动通信领域, 在实战场合的电磁环境和电子对抗情况
下, 射频强干扰无处不在, 在这样恶劣的环境中进行可靠的通信对
编码提出了更高的要求, 传统编码是很难达到的, 而 Turbo code
则可充分利用这种信道所能提供的通信能力 。
软件无线电
? 提出,1992年在美国首先提出这个概念，并在美军的多频段多模
式电台（ Speakeasy)中得到应用，美国麻省理工学院的一些计算
机科学家开始进行软件无线电体系结构的研究，近年美国还组成
软件无线电 Forum,加快实用化的步伐。
? 特点,什么是软件无线电？ 软件无线电是将模块化、标准化的硬
件单元以总线或网络的方式连接构成基本平台，并通过软件加载
实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电体现
三个开放性：对研制的开放性，对生产的开放性，对使用的开放
性。是无线通信的第三次革命。
? 应用,a,可实现各种电台互联互通的 无线网关
b、可接入各种军用移动通信网的多功能车载电台
c,可 实现空中转信的多功能空中平台
d,可 进行智能化通信侦察与抗干扰的电子对抗系统
智能化对抗
? 智能化电子对抗是新一代军用通信系统发展的必然趋
势 。
? 通信抗干扰的智能化,
（ 1） 对战场电磁环境的智能化侦测和分析；
（ 2） 智能化天线技术, 把空间信号处理引入电子对抗；
（ 3） 智能化跳扩频技术, 根据战场情况实现电子对抗体
制及参数的最优化；
（ 4） 网络的智能化抗干扰技术, 根据战场情况实现网络
结构, 信令及控制的最优化 。
应用前沿
抗跟踪干扰
? 现有的对抗跟踪干扰或单频干扰手段, 主要靠慢跳频或中
速跳频 。 跳频对躲避固定干扰有很好的作用, 然而, 目前
的信号检测手段也日新月异, 检测能力日益加强, 目前任
一种 DSP芯片的 FFT速度能够很容易地达到 1ms以下, 即现
有的跳频系统很容量受到跟踪干扰的攻击 。
? 解决这个问题的根本办法就是采用快速跳频 。 也就是说要
将跳频速率提高到每个频点的停留时间不超过从通信发射
机到干扰机再到通信接收机的传播延迟, 从而使最理想的
跟踪干扰或转发干扰到达接收机的时间超过有效的通信时
隙而失去干扰作用 。 例如, 当干扰机在 10km以外时, 只要
跳频速率达到 15KHz即可彻底解决跟踪干扰和转发干扰问
题 。
抗阻塞干扰
? 传统的通信系统, 特别是宽带系统 （ 跳频和扩频 ） 对
干扰的抑制主要靠中频滤波, 然而由于前端高频放大
器和混频器都是非线性器件, 在有强干扰时会产生不
可恢复的交调干扰和噪声恶化, 即产生射频前端的阻
塞 。
? 解决办法,（ 1） 尽量提高前端器件的线性动态范围,
（ 2） 将增益尽量分配在中放, （ 3） 更重要的和更直
接的方法是在天线和高放间引入可快速编程的高 Q无源
跳频滤波器, 从而大幅度降低进入有源器件的干扰电
平, 提高抗阻塞能力 。
研究背景
? 超短波扩频电台在城市的电磁环境下由于受到民用无线
电设备的干扰产生阻塞，无法正常工作；
? 清华大学研制的 II型无线双工、广州 7所研制的 TCL-178
在野外试验中都遇到此问题；
? 希望了解：防止阻塞干扰对接收机线性的要求，和采用
跳频前置滤波器解决阻塞干扰的方法。
仿真成果：扩频电台的阻塞干扰
扩频电台的阻塞干扰（续）
仿真结果讨论（ 1）
超短波全频段（如,60－
110MHz）跳频电台在城市
环境（如：北京市）使用
时，民用无线电设备产生
的阻塞干扰将使接收机灵
敏度下降 30dB以上，这时
的通信距离只能达到 1－
2 Km,和野外试验结果完
全一致。
仿真结果讨论（ 2）
解决全频段跳频阻塞干
扰的一种有效手段是采
用跳频前置滤波器，仿
真结果表明：当跳频滤
波器带宽为 2MHz时，除
个别干扰点外，其它最
坏情况的阻塞干扰将不
会影响接收机灵敏度。
抗部分带干扰
? 现有的无线通信系统（特别是模拟系统）即使采用跳频技
术，在部分带干扰环境下，一般只要干扰比例达到总带宽
的 1/3，就无法正常通信了。
? 在这样的恶劣环境下，要想仍能正常通信，唯一的办法就
是采用有强大纠错能力编码，即 Turbo code编码。曾对
Turbo code在快跳频环境下的性能进行过仿真，发现 1/2
速率 Turbo code可在 1/3频点被干扰的情况下仍能以低于
10-3的误帧率进行通信。而 1/3速率 Turbo code的抗部分带
干扰比例则可达到 1/2。
Turbo-Code用于抗部分带干扰
? 仿真目的
– 验证 Turbo-Code在抗部分带干扰中
的作用
– 研究码长及跳速对抗干扰性能的影
响
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 1/3部分带干扰，码长 2400，每跳 40bit
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 1/3部分带干扰，码长
2400，每跳 120bit，迭
代 4次
? 1/3部分带干扰，码长
480，每跳 40bit，迭代 4
次
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 1/3部分带干扰，码长
480，每跳 12bit，迭代 4
次
? 1/3部分带干扰，码长 96，
每跳 1bit，迭代 4次
Turbo-Code用于抗部分带干扰
（续）
? 结论
– 运用 Turbo-Code，在一定的参数下可以频带展
宽一倍为代价，获得对抗 1/3部分带干扰的能
力
– 码长越长，性能越好
– 每跳比特数越少，性能越好
– 对快跳频系统更为合适
结论
? 通信抗干扰是信息战的一个重要环节，必须
放在大系统中进行研究和讨论。
? 通信抗干扰是一项综合性很强的技术，必须
多学科协同才能取得重大进展，并且要有足
够的技术储备。
? 通信抗干扰涉及到国家的稳定和安全，必须
依靠我国自己的力量进行研究。
第十二讲
无线通信系统及网络
内容提要
? 概述
? 无线固定接入
? 无线移动接入
? 无线数据接入
? 无线分组网原理
概述
无线系统的分类
? 按照频段范围分：短波、超短波、微波、毫米波等。
? 按照传播方式分：地面视距、地面超视距、对流层
散射、电离层反射、卫星等。
? 按照多址方式分：点对点、点对多点等。
? 按照应用背景分：固定接入、移动接入、数据接入
等。
? 按照连接方式分：电路连接、分组连接等。
地面无线系统的应用分类
? 无线固定接入
－ WLL,ISM,LMDS
? 无线移动接入
－ 第二代蜂窝及在第二代上增加的业务,i-mode,WAP、
GPRS,EDGE等
－ 第三代蜂窝
? 无线数据接入
－ WLAN,WWAN,WMAN,WHAN,WPAN,WVAN
－ 802.11,HIPERLAN,Bluetooth
无线系统及网络的主要性能
? 频率规划
? 传输范围
? 传输质量
? 业务种类
? 用户容量
? 标准及协议
无线固定接入
频率规划
? 450.5～ 452.5MHz/460.5～ 462.5MHz,FDD模式，窄带无
线接入。
? 1800～ 1805MHz,S-CDMA TDD模式，公众网或专用网无线
接入。
? 1900～ 1920MHz,TDD模式，用于 PHS,DECT,TDMA/CDMA
TDD,Cordless DECT。
? 2400～ 2483.5MHz及 5725～ 5850MHz,ISM频段扩频 SS系统
接入及 Bluetooth/Pico-cell无线接入。
? 3400～ 3430MHz/3500～ 3530MHz,FDD模式，中高速无线
接入。
? 24/26GHz及 38GHz,FDD模式,LMDS宽带无线接入。
无线用户环（ WLL）
? 用户环是在电话网中解决交换机到用户终端传输问题的一
种手段。可以有有线及无线等方式。
? 无线用户环的特点,
－依托有线网，主要解决用户接入问题，简单说就是将用
户线用无线代替有线。
－无线用户环有近距离（ 1公里以内）和远距离（几公里
到十几公里以上）二类。
－无线用户环以固定为主，但也能支持慢速行走的用户。
? 无线用户环产品类别,
－近距离，如,CT-2,DECT,PHS等无绳电话。
－远距离，如,TD-SCDMA,3.5GHz等。
ISM频段 SS系统
? 美国 FCC划分了三个频段（ 800M,2.4G,5.7G） 给工业、科
学和医学使用，无需许可证，简称 ISM频段。
? 我们国家目前也参照美国的标准，开放了二个频段，即
2.4G和 5.7G,但还要求执行许可证制度。
? 技术规范,
－频率规划为 2400－ 2483.5MHz,5725～ 5850MHz。
－采用扩频技术（直接序列扩频或跳频），扩频比大于 10，
或跳速大于 2.5跳 /秒。
－传输速率为 2Mbps。
－ 发送功率小于 100mW。
－ EIRP小于 -10dBW/100KHz（ 跳频）,-20dBW/MHz（ 直扩）
宽带 LMDS系统
? LMDS-Local Multipoint Distribution Service，本地多
点分配业务。这是一种微波宽带业务,在厘米波及毫米波 频
段，在较近的距离上以点对多点方式实现话音,视频和图
像信号双向传输。
? 通信距离,2-10公里。
? 使用频率,24/26,38GHz。
? 调制方式：多状态正交调幅（ 16QAM,64QAM等）。
? 无线频谱资源大于 1GHz，每基站总容量达 4.8G，每扇区容
量达 200M，每远端站容量达 Nx2M（ 2-155Mbps）。
? 可以支持现存的任何业务，包括：话音,数据和图像。
无线移动接入
频率规划
? 模拟蜂窝 TACS,890-915/935-960MHz
? 模拟蜂窝 AMPS,824-849/869-894MHz
? 数字蜂窝 GSM,890-915/935-960MHz
? 数字蜂窝 DCS-1800,1710-1785/1805-1880MHz
? 数字蜂窝 IS-95,824-849/869-894MHz
? 模拟集群 350MHz
? 数字集群,806-821/851-866MHz
蜂窝系统概念
? 引入蜂窝概念是无线移动通信的重大突破，其主要目
的是为了在有限的频谱资源上提供更多的移动电话用
户服务。
? 蜂窝的主要特点,
－通过控制发射功率使得频谱资源在一个大区的不同
小区间重复利用,
－通过将小区划分成更小的小区的方法（小区分裂）
来增大系统的容量。
蜂窝系统的频率再用
? 蜂窝系统在几何上可以
看出由六边形组成。形
同蜂窝。
? 频率再用距离,D
? 小区半径,R
? 频率再用因子,
Q＝ D/R
? 不同多址体制的 Q值,
FDMA,Q＝ 7
TDMA,Q＝ 3或 4
CDMA,Q＝ 1
f1
f2
f3
f1
D
R
蜂窝系统的容量
? 小区容量：每个小区在给定工作频段上所能支持的最大
用户数。
? 系统容量：整个系统在给定频段上单位面积所能支持的
用户数。
? 影响容量的因素,
可用带宽；要求的载波 -干扰比；频率再用因子；小区大
小；提高容量的其它措施，如：话音激活、扇区化等。
? TDMA（ GSM） 比 FDMA（ AMPS）的系统容量可提高 3－ 6倍。
? CDMA（ IS-95） 比 TDMA（ GSM）的系统容量可提高 3－ 4倍。
第一代蜂窝系统：模拟
? 模拟蜂窝系统：欧洲的 TACS和北美的 AMPS
? 多址方式,FDMA/FDD
? 信道带宽,30KHz（ AMPS）,25KHz（ TACS）
? 使用频率,8－ 900MHz
? 语音调制,FM
? 信道数,832（ AMPS）,1000（ TACS）
第一代蜂窝系统上的数据业务,
CDPD
? CDPD(CELLULAR DIGITAL PACKET DATA)：蜂窝
数字分组数据，美国一些公司联合开发的一种标准。
? 承载在美国模拟蜂窝 AMPS上，采用 TCP/IP。
? 调制方式为 GMSK,数据率为 19.2 kbps。
? 利用跳频技术在蜂窝频道的空闲时隙传送突发数据。
? 是一种无连接协议。
? 采用 RS码纠错，可以采用加密。
? 收费合理，是一种过渡方案。
第二代蜂窝系统：数字
? 基本上是两大标准：欧洲的 GSM和北美的 IS-95。
? 使用频率,8－ 900MHz。
? 多址方式,TDMA/FDMA/FDD(GSM),CDMA/FDMA/FDD(IS-95)。
? 传输速率,270.833kbps(GSM),1.2288Mbps(IS-95)。
? 调制方式,GMSK(GSM),QPSK/OQPSK(IS－ 95)。
? 语音编码,13kbps RPE-LTP(GSM),
1200/2400/4800/9600bps变速率 CELP(IS-95)。
? 信道编码,1/2卷积码 (GSM),
1/2卷积码 /维特比译码（ IS-95)。
第二代蜂窝系统上的数据业务,
WAP
? WAP（ Wireless Application Protocol） 无线应用协议 。
? 采用全球统一标准, 支持 GSM,GPRS和 WCDMA等移动
通信系统 。
? 简化, 优化和扩展了因特网 Web技术, 消除了移动终端在
屏幕显示, 内存, 处理能力和无线传输带宽等方面的限制 。
? 主要特点,
（ 1） WAP协议栈采用层次化的设计, 每层均定义有接口,
可被上一层协议使用, 也可被其它的服务或应用程序
直接使用 。
（ 2） WAP应用结构类似于因特网结构 。
第二代蜂窝系统上的数据业务,
GPRS
? GPRS（ General Packet Radio Service） 通用分组无线业
务 。
? 以分组技术为基础的传输系统, 能为用户提供高达
160kbits/s的数据速率 。
? 基于现有 GSM系统, 可根据需要对一个载频的 8个时隙进
行捆绑 。 在初始阶段, 4个时隙作为一组进行捆绑, 速率
可以提高 4倍 。
? 是由 ETSI定义的一种分组数据无线传输技术, 其目的是
在 GSM等移动通信网络上实现移动互联网的中低速业务,
使移动台和终端设备可以通过 GPRS访问全球任何一个网
络 。
第二代蜂窝系统上的数据业务,
EDGE
? EDGE（ Enhanced Data Rates for GSM Evolution）
? 在 GPRS基础上提高速率的一种标准。
? 主要技术措施：将 GSM的四相调制改为八相调制，使每
个信道的传输速率由 14.4kbps提高到 48kbps； 再通过
多时隙捆绑，最高传输速率可以达到 384kbps。
? 优点：只要在 GSM原有系统的基础上，对基站进行简单
的升级，就可以在兼容原有业务的情况下开通 EDGE业
务。
第 三 代蜂窝系统,IMT-2000
概况
? IMT2000是第三代移动通信系统标准,以支持移动多媒体通
信为目标，多个标准并存（出现所谓 IMT2000家族的概念），
频段为 2000MHz,使用日期为 2000年。
? 使用频率,1890~2030MHz,2110~2250MHz。
? 最高传输速率,144kb/s（高速运动）,384kb/s（步行速
度）,2Mb/s（室内环境）。
? 三种代表性的 RTT技术方案：欧洲和日本的 WCDMA方案，北
美的 CDMA2000方案，中国 CATT提出的 TD-SCDMA方案。
第 三 代蜂窝系统,IMT-2000
过渡情况
北美
欧洲
IS-95A IS-95B IS-95C CDMA2000
GSM
TDMA
GSM+
GPRS,HSCSD
GSM++
EDGE WCDMA
普通分组数据业务 高速电路交换数据 GSM增强数据率
第 三 代蜂窝系统,
WCDMA
? 特点
– 强调宽带技术，最小带宽 5MHz
– BTS间不需要同步和 GPS
– 正反向信道相干解调
? 基本参数
– 码片速率,4.096/8.192/16.3843Mc/s,
– 波道间隔,5/10/20 MHz
– 功率控制速率,1600b/s
– 编码方式：卷积码 R=1/3,1/2,k=9和 Turbo Code
第 三 代蜂窝系统,
CDMA-2000
? 以 IS-95为基础
– 相同的码片速率、软切换技术、功率控制技术
? 技术改进
– 反向信道连续导频和相干解调
– 多载波方式提高传输速率
? 基本参数
– 码片速率,1.2288/3.686Mc/s,
– 波道间隔,N?1.25/5 MHz
– 功率控制速率,800b/s
– 编码方式：卷积码 R=1/4,1/3,1/2,k=9和 Turbo
Code
第 三 代蜂窝系统,
TD-SCDMA
? 时分复用、时分双工，软件化、智能天线、同步 CDMA
技术
– 8个时隙，正、反向信道各 4个时隙
– 每个时隙 16各地址码
– 可变的双工信道速率
– 采用 16QAM和非对称传输支持 2Mb/s速率
? 语音传输,8kb/s
? 扩频切普率,1.1136Mc/s
? 信道编码：语音为 3/4卷积码
无线集群系统
? 专用网：主要用于公安和部队。
? 数字集群的性能,
－信道带宽 25KHz
－ 多址方式 6信道 TDMA
－ 信道速率 64kbps
－ 调制方式 16QAM
－ 语音编码 4.2kbps,VSELP
－信道编码 TCM
无线数据接入
各种应用系统
? WLAN,无线局域网
? WWAN,无线广域网
? WMAN,无线城域网
? WHAN； 无线家域网
? WPAN,无线个域网
? WVAN,无线车域网
标准,IEEE 802.11
? IEEE802是美国制定的局域网标准系列，其中 802.11是
无线访问方法和物理层规范，包括跳频、直扩等无线
传输以及数据率高达 2Mbps的红外传输。
? 媒质访问控制（ MAC） 方法：载波检测多址访问及避
免碰撞技术（ CSMA-CA）。 首先，每个要发送的无线
节点和数据必需检测到网络静默才能发送，但如果网
络静默时二个以上节点同时发送，就会产生碰撞。为
此，专门设计了避免碰撞的协议。
? 物理层采用：红外传输、跳频传输、直扩传输。最高
传输速率 2Mbps。 无线传输采用 2.4GHz ISM频段。
标准,HIPERLAN
? 高性能无线局域网的简称。这是欧洲各国制定的标准
系列。
? 使用频率,5.15-5.3GHz和 17.1-17.3GHz。
? 传输范围,50m。
? 支持异步和同步通信。
? 支持 32kbps音频,2Mbps视频,10Mbps数据。
? 标准规定网络结构中的网络层和数据链路层。
? 和 IEEE802.11不兼容。
标准,Bluetooth
? 目标：通过将一种微小的短距的无线通信技术集成到各种
不同的电子设备中来为移动和商业用户提供方便服务。
? 技术性能,
－使用频率 2.4GHz ISM频段
－ 传输速率 1Mbps
－ 调制方式 GFSK
－双工方式 TDD
－通信距离 10m（ 10mW）,100m（ 100mW）
－ 抗干扰方式 快速跳频（ 1600跳 /秒）,自适应发送
功率
－灵活而短的数据包，支持多种应用
无线分组网原理
无线分组网概念
? 无线分组网是一种分组交换网，采用分组交换而不是
电路交换。
? 无线分组网利用无线信道的特点，具有广播通信的性
质，可以同时把分组数据分发给多个用户。用户对信
道的访问是随机的。
? 传输速率可以较高，但延时也较大。
? 无线分组网在民用及军用的移动数据中有广泛的使用
前景。
空中接口的协议体系
? 空中接口是无线分组
网的核心问题之一。
? 空中接口协议可以分
成,物理层（ PHL）、
介质接入控制层
（ MAC）,数据链路
控制层（ DLC）,网
络层（ NWK）。 它
们和 OSI模型的低三
层有一定关系，但不
是严格对应的。
网络层
数据链路控制层
介质接入控制层
物理层 第一层
第二层
第三层
OSI
空中接口的协议（ 1）
物理层
? 确定无线参数，如；频率、定时、功率、码片、
比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。
? 分配无线资源，如：多址协议等。
? 在 MAC层的控制下进行数据或数据分组的收发。
空中接口的协议（ 2）
介质接入控制层
? 介质访问管理：首先选择物理信道，然后在这
些信道上建立或释放连接。
? 数据封装：将控制信息、高层的信息和差错控
制信息进行复接（或分接），使之适合在物理
信道上传输。
? 形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。如：
广播业务、面向连接的业务和无连接业务等。
空中接口的协议（ 3）
数据链路控制层
? 主要功能：为网络层提
供非常可靠的数据链路。
? 可以分为二个平面,
－控制平面：保护内部控
制信令和有限数量的用
户信息。
－用户平面：以不同能力
保护不同的用户信息。
网络层
? 主要是信令。
? 包括：链路控制、呼叫
控制、附加业务、面向
连接的消息业务、无连
接的消息业务、移动性
管理等。
关于介质访问协议
概述
? 各个用户的突发数据以随机方式接入信道，实
现多址；
? 无线信道是公用的，以竞争方式发送数据，这
样就存在碰撞问题；
? 用户数越多，碰撞概率越大，接入概率越低，
接入时间越长；
? 为此，就要有个规则，这就是介质访问协议。
关于介质访问协议
ALOHA访问方式
? 随机 ALOHA方式：随时发送 ?检测到碰撞 ?重新发送，
给每个用户分配不同的重发间隔时间。优点：实现简单，
缺点；吞吐量下降。
? 时隙 ALOHA方式：和随机 ALOHA类似，但把发送时间
划分成等长的时隙，按时隙发送，这样可以减少碰撞机
会和重发次数。因而改善吞吐量。
? 对时隙 ALOHA方式的改进：无主时隙 ALOHA和有主时隙
ALOHA。
关于介质访问协议
CSMA访问方式
? CSMA（ Carrier Sense Multiple Access） 载波侦听访问
方式 。用户在发送分组前首先检测信道上是否有载波，
如果有载波，则用户等候；一旦检测到信道上没有载波，
就立即发送。当然这时还会有碰撞，一旦发生碰撞，仍
采取重发的方式，但碰撞概率要小于 ALOHA方式。
? 这时目前无线分组网最常用的介质访问方式。
? 对 CSMA的改进,1-持续 CSMA；非持续 CSMA； P-持续 CSMA；
CSMA/CD；时间检测多址（ DSMA）。
关于介质访问协议
PRMA访问方式
? PRMA（ Packet Reservation Multiple Access） 分组预
约访问方式 。
? 将时间轴分成许多时隙，若干时隙组成一帧。每帧中的
时隙分为二类：预约时隙及可用时隙。时隙的类别根据
时隙末尾收到基站的应答信息来确定。
? 过程：移动台在语音突发开始时，根据 ALOHA方式竞争可
用时隙，若竞争成功，它就预约了后续帧中相同的时隙
这时就不会方式碰撞。当语音突发结束时，预约将被释
放，该时隙就变为可用时隙。
? 利用话音激活性质，将时隙动态地分配给有话音激活的
用户。
无线分组网的应用
? 分组协议存在不同优缺点，适合不同通信类型，下表
是不同通信类型的分组技术,
FDMA,TDMA,CDMA 数据流或确定性的（语音）
固定 TDMA预留信道的
预留协议
分组，长信息，少量用户
预留协议 分组，长信息，大量用户
竞争协议 分组，短信息
多址技术 通信类型
