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文档简介
1、5.2 多址技术多址技术的分类频分多址(FDMA) Frequency Division Multiple Access 时分多址(TDMA) Time码分多址(CDMA) Code 空分多址(SDMA)Space .多波束频率复用。它通过标记不同方位的相同频率的天线波束来进行频率的复用。随机多址(CSMA/CD)Carrier Sense MA/Collision Dection 常用的多址方式: 1、频分多址(FDMA) 2、时分多址(TDMA) 3、码分多址(CDMA) PowerFrequencyTimeFDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMAFrequencyC
2、DMAPowerTime5.2 多址技术 频分多址(FDMA)定义:频分多址是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道(或称信道)供不同的用户使用。思考任意两个MS以FDMA/FDD方式进行通信时至少需要几个频道?例:GSM900890915935960上行fi下行Fi1、中国移动GSM占用的频段:890-908 (上行) 935-953 (下行) 中国联通GSM占用的频段:909-915 (上行) 954-960 (下行)频道间隔为:200KHz收发间隔为:45MHzf1fnF1Fn上行:下行:图51 FDMA的频道划分方法 F1Fnf1.fn移动台发(基站收)移动台收(基站发)5.2 多址
3、技术 时分多址TDMA应用:数字移动通信系统(北美的DAMPS和欧洲的GSM).信道划分:例如:DAMPS-先使用30KHz的频分信道,再将其分为6个时隙进行TDMA传输。GSM是将每个频道划分为8个时隙。双工方式:FDD:上下行链路采用不同的频率,且上下行链路的帧结构可同可不同。TDD:将某一频率上的一帧中一半的时隙用于MS发,另一半的时隙用于MS收。图 5 2 TDMA示意图 注意:不同通信系统的帧长度和帧结构是不一样的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。 例如:GSM系统的帧长为4.6ms(每帧8个时隙),DECT系统的帧长为10ms(每帧24个时隙),PACS系统的帧长为2.5ms(每
4、帧8个时隙)。在TDMA系统中,每帧中的时隙结构(突发结构)的设计通常要考虑三个主要问题:控制和信令信息的传输; 信道多径的影响;系统的同步。 5.2 多址技术 时分多址TDMABSMS1MS2MS3t1t2t5t帧1帧2f2t1t2t5t1t2t5t1t2t5f2f2f2上行(同一小区)思考一下:1. 用户通话时是否会感到断续?2. 同一小区的两个用户通话,需要多少个频点?时分多址的特点:基站可只用一部发射机,避免互调干扰容易进行时隙的动态分配必须有精确的同步和定时CDMA系统工作原理扩频通信扩频通信的几种方法地址码技术5.2 多址技术 码分多址CDMA码分多址(Code Division
5、Multiple Access- CDMA):码形划分,时隙、频率共享 CDMA系统工作原理扩频通信发送端以正交函数为扩频码进行扩频100110110011001100110011010010110011010011001用户输入信息正交扩频序列(正交函数)扩频后的发送数据+1-1+1-1在发送端用一个码(扩频码)来调制信号,即用扩频码去和信号相乘(用信号和扩频码的每一位进行相乘),这实际上提高了输出信号的速率,在时域信号速率的提高意味着频域信号带宽的展宽,这就是该传输方式被称为扩谱通信的原因。在接收端的信号恢复10011+1-1接收数据1001011001101001100101100110
6、01100110011011110000000011111111相关扩频序列?接收数据100101100110100110010101010101010101010111000011001111001100不相关扩频序列在解调端,信号和相同的扩频码相乘,发送端的原始信号中的每一位在这里都变成了N位(N为扩频码的长度)。扩频通信扩展频谱通信的定义:扩频通信技术是一种信息传输方式,用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽;频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现,并与所传输的信息数据无关;在接收端则用相同的扩频码进行相关解调,实现解扩和恢复所传的信息数据。该项技术称为扩频调制,而传输扩频信号的系统
7、为扩频系统。扩频通信只有调制带宽比值大于100甚至1000的通信方式才称为扩频通信。扩频通信占用如此宽的频带传输信号是为了使信号具有强抗干扰能力。扩频通信的理论基础扩展频谱通信的理论基础是香农(Shannon)定理:在高斯白噪声干扰条件下,通信系统的信道容量(bit/s)B:信号带宽(Hz)S:信道输出信号平均功率(W)N:加性高斯噪声功率(W)上式表明:当信号与信道加性高斯噪声的平均功率给定时,在具有一定频带宽度B的信道上,理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要信源的信息传输速率Ri小于等于信道容量,即Ri C,则总可以找到一种编码方式实现信号的无差错传输;若传输速率大于信道容量,
8、则不可能实现信号的无差错传输。扩频通信理论基础若信道中噪声的单边功率谱密度为N0,则在信号带宽B内的噪声功率NN0B,则香农定理的另一表达形式为信号带宽B、信号噪声功率比S/N的互换例1 某一系统的信号带宽B4KHz,信噪比为15,求该系统保证信息无差错通过信道的极限速率为多少?在该值不变的条件下,若信号带宽分别增加1倍和减小一半,求该信号发射功率的相对变化值分别为多少?扩频通信理论基础当B较小时,增加B可使系统要求的信噪比迅速下降;而当B增加到一定程度时,SN下降比较缓慢。增加SN,也可减小B值,但信号功率的增加远比带宽下降速度快,由于B与C是成正比关系,而C与S/N是成对数关系,因此增加B
9、比增加SN(或发射功率S)更加有效。 信噪比与带宽的互换关系扩频通信理论基础扩频通信方法目前,最基本的展宽频谱的方法有三种直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)简称直接扩频或直扩(DS); 跳变频率扩频(Frequency Hopping),简称跳频(FH); 跳变时间扩频(Time Hopping),简称跳时(TH); 上述基本调制方法可以进行组合,形成各种混合系统,如跳频/直扩系统,跳时/直扩系统等。目前,扩展频谱的带宽常在1MHz-100MHz的范围,因此,系统的抗干扰性能非常好。直扩系统(1)直接序列调制系统亦称直接扩频系统,或称伪噪声系统,记作
10、DS系统。原理框图如下:直扩系统(2)假定同步单径BPSK信道中有K个用户,并假定所有的载波相位为0,则接收的信号等效基带表示为:其中:为第K个用户信息比特值表示加性高斯白噪声,其双边功率谱密度为为发送功率为第k个用户归一化扩频信号, 单位为W/Hz直扩系统(3)其中 为相关系数:对于某一特定比特,相关器(解扩)的输出为:上式表明:与第k个用户本身的自相关给出了希望接收的数据项,与其它用户的互相关产生出多址干扰项MAI,与热噪声的相关产生了噪声ZK项。 当相关系数为零时,多址干扰为零。即本小区其它用户对被检测用户不产生干扰。 直扩系统(4)fcf(a) 在接收机输入端的扩展频谱频谱密度BWf(
11、b) 接收机解扩输出端的频谱频谱密度BW 有用信号谱 干扰信号谱LBW射频带宽Bs信息带宽BS在发送端,有用信号经扩频处理后,频谱被展宽,如图 (a)所示;在接收端,利用伪码的相关性作解扩处理后,有用信号频谱被恢复成窄带谱,如图 (b)所示。宽带无用信号与本地伪码不相关,因此不能解扩,仍为宽带谱;窄带无用信号则被本地伪码扩展为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱,则可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平,这样,窄带内的信噪比就大大提高了。提高了扩频系统的抗干扰能力。(1.228 Mc/s)扩频增益Gp=RchipRbitP4P5P1f直扩系统(5)fP3窄带干扰宽带干扰调制解调
12、LPDET(9.6 kb/s)54321P2扩频解扩直扩系统的抗干扰能力1. 扩频处理增益在一个信息处理系统中,系统的输入信噪比、输出信噪比分别为(SN)in,和(SN)out,由系统的扩频处理增益Gp表示了信噪比的改善程度,即由于高斯白噪声的功率谱近似均匀分布,因此也常用扩频前后带宽的比值来近似估算系统的扩频处理增益。扩展频谱通信的基本性能参数直扩系统(7)由频谱扩展对抗干扰性带来的好处,称为扩频增益GP ,可表示为 式中,BW为发射扩频信号的带宽;BS为信码的速率。其中BW与所采用的伪码(伪随机序列或伪噪声序列的简称)速率有关。为获得高的扩频增益,通常希望增加射频带宽BW,即提高伪码的速率
13、。 例2 有一个扩展频谱通信系统,信号扩频后带宽为20MHz,原始基带信号带宽为20KHz,则系统的扩频处理增益为GP? 直扩系统(6)直扩系统的优点在于它可以在很低的甚至负信噪比环境中使系统正常工作。例3 数据带宽为9.6kHz,扩展带宽为1.2288MHz,则扩频增益GP=21.7dB。要求进入基带解调器的最小输出信噪比 (SN)out =6.7dB,则系统的输入信噪比(SN)in(SN)out -Gp-15 (dB)跳频系统(1)跳频扩频系统就是用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器,在多个频率中进行选择的频移键控。与直扩系统相比,跳频系统中的伪随机序列并不是直接传输,而是用来选择信
14、道。跳频系统的原理方框图:跳频系统(2)伪码随机置定频率合成器时,发射机的振荡频率在很宽的频率范围内不断地改变,从而使射频载波亦在一个很宽的范围内变化,于是形成了一个宽带离散谱,如图所示。 图(a)所示为跳频扩频系统输出频率在信道间随机跳变的示意图。多频率的跳频信号是由时间频率矩阵图(也称为跳频图案)组成的,每个频率的持续时间为T,并按照跳频指令的规定在时频矩阵内跳变,如图(b)所示。 跳频系统(3)跳频系统(4)接收端必须以同样的伪码置定本地频率合成器,使其与发端的频率作相同的改变,即收发跳频必须同步,这样,才能保证通信的建立。解决同步及定时是实现跳频系统的一个关键问题。跳频系统的抗干扰性能
15、用其跳频处理增益表示,跳频系统处理增益的定义与直扩系统的扩频增益是相同的,即 更直观地表述为 (可供选用的频率数目)跳时系统 跳时是用伪随机码去控制信号的发送时刻及发送时间的长短。它和跳频的差别在于一个是控制发送时间,一个是控制发送频率。在跳时系统中,时间轴被分成若干个时隙,由伪码控制在哪个时隙发送信码。在信码很短的传输时间内,以较高的峰值功率传送,而其它时间不发射。由于采用了窄得多的时隙去发送信号,因此信号的频谱被展宽了。 扩频通信的特点抗干扰能力强信号隐蔽性好可以实现码分多址抗衰落和多径干扰能力强能与传统通信系统共用频段二、地址码技术地址码的选择直接影响CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等,所选地址码应能提供足够数量的相关函数特性尖锐的码系列,在经过解扩后具有较高的信噪比。 在直接扩频任意选址的通信系统中,对地址码有如下三个要求:伪码的比特率应能满足扩展带宽的需要; 伪码应具有尖锐的自相关特性,且互相关要小; 伪码应具有近似噪声的频谱性质,即近似连续谱,且均匀分布。 CDMA中的地址码类型 用户地址:用于区分不同移动用户;多速率(多媒体)业务地址:用于多媒体业务中区分不同速率类型的业务; 信道地址:用于区分每个小区或每个扇区内的不同信道; 基站地址:用于区分不同基站或扇区。常采用m序列、Gold序列、 Wals
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