第四章多址通信技术课件.ppt

1、1第第4章多址通信技术章多址通信技术第四章 多址通信技术4.1 无线通信的多址技术概述4.2 频分多址4.3 时分多址4.4 码分多址4.5 空分多址4.6 混合多址4.7 正交频分复用4.1 无线通信的多址技术概述4.1.1 多址接入n多址技术：当把多个用户接入一个公共的传输媒质量实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户，这种技术称为多址技术。4.1 无线通信的多址技术概述4.1.2 双工技术n 双工方式FDD：收发共用一个时隙，收发频率分开、接收和发送占用不同的频段特点：合理安排频率；TDD：收发共用一个频率、接收和发送占用不同的时隙来完成；特点：收发存在时间

2、间隔4.1 无线通信的多址技术概述4.1.2 双工技术n双工方式和多址方式要统一考虑；n主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA；n窄带系统采用方式：FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD；n宽带系统采用方式：TDMA、CDMA/FDD、TDD；2.1 无线通信的多址技术概述4.1.2 双工技术CDMA/FDD美国窄带扩频（IS95）TDMA/TDD欧洲数字无绳电话（DECT）FDMA/TDDCT2（无绳电话）TDMA/FDD日本数字蜂窝（JDC）TDMA/FDD美国数字蜂窝（USDC）TDMA/FDD全球移动通信系统（GSM）FDMA/FDD高级移动电话系统（AMPS）多址多

3、址/双工技术双工技术蜂窝移动蜂窝移动 通信系统通信系统4.1 无线通信的多址技术概述4.1.3 窄带和宽带接入相干带宽相干带宽是描述时延扩展的指标，是表征多径信道特性的一个重要参数。它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。从频域看，如果相干带宽小于发送信道的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落窄带和宽带的区别窄带和宽带的区别基于信道的带宽和相干带宽之比。移动通信中，第三代为宽带，第二代为窄带。CDMA为宽带，TDMA、FDMA为窄带。4.1 无线通信的多址技术概述4.1.3 窄带和宽带接入时延

4、扩展：时延扩展：多径传输下各路径长度不同使得信号到达时间不同，基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅含有该信号，还包含有它的各个时延信号。这种由于多径效应使接收信号脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展。 时延扩展定义为最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值，实际上就是脉冲展宽的时间。时延扩展是衡量多径传播信道质量的一个重要指标。4.1 无线通信的多址技术概述4.1.3 多址接入的正交条件多址接入技术是设计载波及其参量，使多用户的已调制信号相互正交。在多个用户信号是正交的情况下，即使它们一起传输，可以利用正交性来分离出所需的信号。多址接入是两个过程

5、：多用户信号的合并和分离。4.1 无线通信的多址技术概述4.1.3 多址接入的正交条件设：有K个用户地址，为使K个用户信号成正交，必须满足条件：1( )( ),1, 2,0ijTijst st dtijKijT为正交周期，是数字系号的符号宽度。两式合并得到：4.1 无线通信的多址技术概述4.1.4 多址传输模型共有N个地址，第k个地址发送的信号为：其中skj(t)为kj的信号，akj =1或0Nkjjkjkjktsats1)()(k多址信道sk(t)rk(t)4.1 无线通信的多址技术概述4.1.4 多址传输模型第k个地址接收的信号为：其中Lik为ik的传输系数，nk(t)为k的接收机噪声。说

6、明：NiNjkijijikktntsaLtr11)()()(4.1 无线通信的多址技术概述4.1.4 多址传输模型要实现多址通信，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)4.1 无线通信的多址技术概述4.1.4 多址传输模型图中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。kjnikjnitstsMnkijnk, 0,),()(4.2 频分多址4.2.1频分多址的工作原理是频率域上的正交分割。信号集采用在频

7、谱上互不重叠载频，算符集采用不同载频的带通滤波器。f1f2f3f4f5f6Sij(f)Mnk()fff54.2 频分多址4.2.2 频分多址的信道配置FDMA/FDD、TDD信道配置图代码时间信道1信道2信道3信道n频率4.2 频分多址4.2.3 频分多址的技术特点nFDMA通常在窄带系统实现；n符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；n不间断发送，系统额外开销少；n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。4.2 频分多址4.2.4 频分多址的非线性效应n由于发射机功率放大器的非线性，会产生：l频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，会产生频

8、谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。l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。l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。4.2 频分多址4.2.5 频分多址的关键技术问题n需要很好解决信道的非线性问题l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。l方法：（1）采用高线性度的功率放大器；（2）合理配置频率避开交调分量；（3）功率放大器的输出功率倒退法；（4）功率放大器的线性补偿法。4.2 频分多址4.2.6 频分多址的典型应用举例n美国

9、AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分配频率；n同时支持的信道数： N（Bt2B保护）/BcBt 系统带宽，Bc信道带宽， B保护为分配频率时的保护带宽。4.2 频分多址4.2.6 频分多址的典型应用举例例：如Bt为12.5MHz， B保护 为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系统的有效信道数。解：N（Bt2B保护）/Bc 将上述数值代入即有N4164.3 时分多址4.3.1 时分多址的工作原理时分多址：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。t1t2t3t4t5t4ttsij(t)Mnk()4.3 时分多址

10、42.3.2 时分多址的信道配置nTDMA/TDD、FDD 信道配置图代码时隙时间频率信道N信道1信道2信道34.3 时分多址4.3.3 时分多址的帧结构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4.3 时分多址4.3.4 时分多址的技术特点n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；n数据分组发送，不连续发送，需开关；n由于速率较高，往往需要采用均衡器；n系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等；n采用时隙重新分配的方法，为用户提供所需要的带宽。4.3 时分多址4.3.5 时分多址的效率n系统效率：在发射数据中信息所占的百分比。n帧效率：

11、发送数据比特在一帧中所占的百分比。4.3 时分多址4.3.6 时分多址系统的信道数n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(Btot2B保护)/Bcm为每个信道所支持的TDMA用户数， Btot信道带宽， B保护保护带宽，Bc用户带宽。4.3 时分多址4.3.6 时分多址系统的应用举例例：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：Bc200/825KHz N25106 /25 10310004.3 时分多址4.3.6 时分多址的关键技术问题n数据缓冲技术n突发解调技术n分帧同步技术4.3

12、时分多址4.3.6 时分多址的关键技术问题一、数据缓冲技术一、数据缓冲技术n实现均匀突发和突发均匀的变换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均匀数据4.3 时分多址4.3.6 时分多址的关键技术问题二、突发解调技术二、突发解调技术n关键技术是解调过程中的载波快速同步与时钟快速同步。n载波快速同步的一种方法：延时相干解调n时钟快速同步的一种方法：步进相位选择4.3 时分多址4.3.6 时分多址的关键技术问题三、分帧同步技术三、分帧同步技术n分帧同步的指标：建立时间、保持时间、同步精度n分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率n为了减少传播延时变化所带来的影响，需要采用自适应

13、时隙跟踪方法4.4 码分多址4.4.1 码分多址技术分类n直扩码分多址（DS-CDMA）n跳频码分多址（FH-CDMA）n多载波码分多址4.4 码分多址4.4.2 码分多址的特点n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。n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。4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址一、直扩工作原理一、直扩工作原理码分多址的首要问题是选择尽量好的正交码组。

14、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。i1i2iNCi1(t)Ci2(t)CiN(t)i地址发ij地址收4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址二、信道配置二、信道配置频率时间代码C1C2CN4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址三、系统参数三、系统参数n信息速率：原始信息的速率n码片（chip）速率：地址码速率n扩频比：码片速率和信息速率的比值n地址码周期、地址码码长n地址码的正交性及数目n地址码的同步及捕获性能4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址三、扩频的实现三、扩频的实现扩频过程框图信息码扩频（模二和）BPSK调制地址码载波发端已调信号发送

15、码4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址扩频过程波形 1 0 1 1 1 0信息码地址码发送码0000 000 0000 0000 0000 000发端已调信号4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址四、解扩的实现四、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）4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址解扩过程波形 1 0 1 1 1 0 0 0收端信息码参考地址码接收信号（解扩）0000 000 0000 0000 0000 000接收信号（扩频）4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址五、关键技术五、关键技术n地址码的选择n地址

16、码的捕获与跟踪n远近效应与功率控制4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址1 1、地址码的选择、地址码的选择n最典型的是m序列，即：最长线性移位寄存器序列。4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址2 2、地址码的捕获与跟踪地址码的捕获与跟踪n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。n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。4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址3 3、远近效应与功率控制远近效应与功率控制什么叫做远近效应？n远近效应，就是指当基站同时接收两个距离不同的移动台发来的信号

17、时，由于距离基站较近的移动台信号较强，距离较远的移动台信号较弱，则距离基站近的移动台的强信号将对另一移动台信号产生严重的干扰。46lCDMA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l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，特别对于那些距离基站很近的用户，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。4.4 码分多址4.4.3 直扩码分多址n解决远近效应的方法之一：功率控制n开环功率

18、控制n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4.4 码分多址4.4.4 跳频码分多址n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。n多址通信时没有远近效应。n具有良好的抗干扰特点。4.4 码分多址4.4.4 跳频码分多址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4.4 码分多址4.4.4 跳频码分多址特点n采用跳频实现多址；n每个地址分配不同的跳频序列；n安全性能好、抗干扰能力强；n跳频同步跟踪是关键技术难点；n存在深度衰落、存在频率碰撞问题；n纯跳频系统多用于军方抗干扰通信中。