培训教材一阶段理论基础

1、通 信 工 程 基 础 理 论 培 训（无线专业）设计业务部戴 维2012.08 1 基 础 理 论 2 通 信 原 理 3 无 线 通 信 原 理 1 基 础 理 论1、时 域 和 频 域2、基 带 和 频 带3、调 制 和 解 调4、电 磁 场 理 论1、时域和频域时域和频域的概念时域和频域是用来描述信号的两个维度： 时域描述信号波形与时间轴之间的关系； 频域描述信号波形与频率轴之间的关系；时域和频域都是对信号进行数学抽象的表达： 时域的物理意义:信号随时间t的连续变化而来； 频域的物理意义:信号由无限个正弦波的线性组合而来；数学上对于信号在其他维度还有相应的描述，但目前具备物理意义的只有

2、时域和频域；第一章基础理论时域和频域波形第一章基础理论第一章基础理论周期信号的频谱以周期为T的矩形波信号为例：非周期信号的频谱非周期信号时域和频域之间通过著名的傅里叶变换和逆变换进行相互转化：第一章基础理论利用下面的欧拉公式可以直观地看出正弦波信号对时域信号的线性组合形式正弦信号对时域信号的合成第一章基础理论直流分量叠加一个cos(x)余弦分量：y=0.5+0.637*cos(x)再叠加一个cos(3x)余弦分量：y=0.5+0.637*cos(x)-0.212*cos(3*x)再叠加一个cos(5x)余弦分量：y=0.5+0.637*cos(x)-0.212*cos(3*x)+0.127*c

3、os(5*x);由此可知，通过高频分量的不断叠加，直流分量+余弦信号的线性组合无限逼近周期矩形信号第一章基础理论关于时域和频域的总结1、时域和频域是人们对信号在不同角度上的描述，时域是自然认知的过程，频域是数学抽象的过程，但二者都具有确定的物理意义；2、时域和频域通过傅里叶正反变换相互转化；3、傅里叶变换本质上是利用无限多离散的（周期信号）或连续的（非周期信号）正弦函数的线性组合来逼近时域信号；2、基带和频带基带和频带的概念 基带和频带都是用来描述信号频谱特征的，即他们的适用范围都在频域内； 基带：狭义上，指的是未经过调制的信号的频谱；其特点是频率较低，信号中心频率从零频开始，具有低通形式；

4、频带：和基带相对，指调制后的信号频谱；其特点是中心频率较高，具有带通形式；第一章基础理论基带和频带示意图第一章基础理论信号的带宽第一章基础理论 信号的带宽和我们通常意义所说的“带宽”不是同一个概念； 日常所说的带宽一般以bit/s来形容 ，它表示一段信道物理层的数据传输速率； 信号的带宽以Hz（赫兹）为单位，它表示该信号在频域上所占的频谱宽度； 更精确地，我们约定信号频谱在正频率部分所占宽度为该信号的带宽；因此如上一页所示，基带信号带宽为B，频带信号带宽为2B 基带和频带在通信系统中的位置第一章基础理论1、原始信息编码后形成基带信号；2、基带信号通过调制操作转化为频带信号；3、频带信号在信道中

5、传输；4、接收端通过解调操作把频带信号转化为基带信号；5、基带信号解码后还原为原始信息；以上即为一个最常见的数字通信系统的基本过程，其中基带信号和频带信号通过调制和解调操作相互转化 3、调制和解调调制和解调的概念调制：发送端将基带信号的变化加载到一周期变化的高频载波（一般为正弦波）上的过程；解调：接收端从已调制的高频载波上还原基带信号的过程；调制和解调相对，互为反变换；第一章基础理论调制的目的 自然界的信息，无论模拟还是数字，其频谱特征都表现为基带信号的形式，即频谱分布在零频附近的低通信号。 这样频谱特征的信号不利于发射和在信道中长距离传输。 通过调制的手段，把以零频为中心的基带信号频谱搬移到

6、以载波频率为中心的高频带通频段上，以利于信号的发射和传播第一章基础理论调制的基本类型 由调制的基本定义，理论上载波的各种特征都可以承载基带信号的变化； 我们考察一个一般性的余弦载波Acos（t+） 可以承载信息的特征有幅度A、频率、初始相位 由此得到三种基本调制类型： 幅度调制AM 频率调制FM 相位（角度）调制PM 他们对应的数字调制方式为ASK、FSK、PSK 目前所有的高阶调制、混合调制都以上述三种基本调制为基础；第一章基础理论三种基本数字调制波形 由于目前通信系统都是数字通信系统，所以我们重点考察三种数字调制波形 第一章基础理论正交调制和解调-概念第一章基础理论发送端调制过程为： 正交

7、调制也称为IQ调制，目前主流无线通信系统均以正交调制作为其调制手段；它将2路输入信号映射为复数平面上的一个复数，即输入信号X=a+jb；2路载波信号cosw0t和sinw0t在复平面上映射为一个复数载波正交调制和解调（续1）-系统框图第一章基础理论由上面的推导可以得到正交调制和解调的系统框图调制过程：基带信号复平面映射正交载波调制两路合并发送解调过程：接收正交载波相干解调分别滤波复平面逆映射基带信号正交调制和解调（续2）-映射第一章基础理论用正交调制生成QPSK信号输入映射IQIQ映射相位如下：QPSK信号星座图如下：第一步：复平面映射正交调制和解调（续3）-调制第一章基础理论第二步：正交载波

8、调制 第三步：两路合并为保证输出功率归一化，调整输入IQ信号的幅值即可正交调制和解调（续4）-时域波形第一章基础理论正交调制QPSK信号各点波形如下基带输入:I路映射:Q路映射:调制合并输出:正交调制和解调（续5）-频域波形第一章基础理论正交调制信号的频谱正交调制和解调（续6）-特点和优势第一章基础理论正交调制相对于一般调制方式具有以下优点：1、占用相同频带资源的两路载波同时调制基带信号，提高频带利用率；2、一路串行基带信号通过映射转变为两路并行信号，延长了基带符号时间，降低了基带码间串扰（ISI）的发生概率；3、两路正交载波恰好对应星座图的实部和虚部，特别适合MPSK、MQAM等高阶混合调制

9、信号的生成；4、电磁场理论电磁场理论核心思想由著名的麦克斯韦方程可以导出以下结论：1、变化的电场产生磁场；2、变化的磁场产生电场；3、电场强度和磁场强度的瞬时方向始终垂直；4、电磁波能量的传播方向与电场强度和磁场强度的瞬时方向也始终垂直；第一章基础理论电磁波的极化 我们称电磁波中电场强度的瞬时值所形成的轨迹为电磁波的极化方式，共有椭圆极化、圆极化和线极化三种。 我们把电场强度方向始终垂直于地面的线极化电磁波称为垂直极化方式（如上图所示）；把电场强度方向始终平行于地面的线极化电磁波称为平行极化方式； 实际应用中，我们利用两个独立的天线振子，分别发送和接收不同极化方向（线极化）的电磁波，称之为双极

10、化天线； 目前广泛采用的是45双极化天线； 第一章基础理论电磁波的传播损耗 电磁波在传播过程中的空间损耗是一个非常重要的概念，它是无线网络覆盖规划中的关键因素。 对于理想球面电磁波有 其中Pr为接收功率；Pt为发射功率；Gt、Gr为发射、接收天线增益；d为空间距离； 为电磁波波长 则定义空间损耗Pl=Pt/Pr 其对数形式为 Pl=10lgPt/Pr =32.45+20lgD（km）+20lgF（MHz） 第一章基础理论第一章基础理论第一章 结 束 2 通 信 原 理1）通 信 的 概 念2）通 信 的 内 涵3）通 信 系 统 框 图4）A/D 转 换5）信 道 编 码6）扩 频 、 加 扰

11、7）基带滤波8）调制9）其他关键技术 第二章通信原理1）通信的概念 定义： 通信作为一个系统，其根本目的在于消息的传递。即把消息从发送处传递到接收处，并保证消息可以在接收处被正确理解的过程。 举例： 消息类型分类：语音通信、数据通信 消息特征分类：模拟通信、数字通信 传递方式分类：有线通信、无线通信第二章通信原理2）通信的内涵 通信系统的内涵极广，深刻理解通信原理除了作为一般工程科学所必备的高等数学、概率论、线性代数、物理学等基础知识外，还有以下一些较重要的专业学科理论基础。电子电路理论：包括模拟和数字电路，主要解决通信系统中各种信号处理电路的物理层实现。信号分析与处理：包括信号分析、信号与系

12、统和信号处理（主要是数字信号处理），主要解决各种信号处理方法的理论分析和逻辑实现。其他专业学科：包括无线通信原理、传输原理、交换原理、通信网等，主要解决各专业在通信系统中的应用。第二章通信原理2）通信的内涵 （续） 鉴于以上内容的纷繁复杂，本章节不对上述各理论进行深入展开，而只对通信原理中最基本的关键性理论进行阐述，中间涉及到的各专业知识尽量简化以利于理解，力求做到深入浅出，让新入门的同事从系统的角度快速建立正确概念。第二章通信原理3）通信系统框图 最基本的通信系统框图可以根据定义很容易得出：消息经过信道从发送方传递到接收方发送接收信道消息消息现实中，原始消息需要经过一系列处理后才能发送：处理

13、处理信道消息消息发送接收对于所谓“处理”我们可以做进一步细化：信道消息A/D转换消息信道编码扩频加扰调制基带滤波D/A转换信道解码解扩频解扰解调采样恢复bitsymbolchipBaud第二章通信原理3）通信系统框图（续） 以上可以清楚看到，发送端和接收端的处理过程都是一一对应的。接下来我们主要针对框图中的红色部分逐一进行重点介绍。作用 模拟信号转换为数字信号后，利用数字通信系统的信号处理方法进行通信，在接收端恢复模拟信号；第二章通信原理4）A/D转换定义 把模拟信号转换为数字信号的过程称为A/D转换。过程模拟信号抽样量化信源编码第二章通信原理4）A/D转换（采样、量化1）采样-定义 采样是将

14、时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用下，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的模拟信号；采样-方法 利用时间上间隔相等的采样脉冲和需采样信号相乘，获得需采样信号在脉冲时刻的离散幅值；采样-采样定理 如果一个连续信号f（t）的频谱中最高频率不超过fh，当抽样脉冲频率fs2fh时，抽样后的信号就包含原信号的全部信息 ；第二章通信原理4）A/D转换（采样、量化2）信号抽样过程图示 第二章通信原理4）A/D转换（采样、量化3）量化-定义 把经抽样得到的信号瞬时值的幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用其一一进行表示；量化-目的 把连续信号离散化，为下一步离散信号的数字化做准备。量化-分类

15、 根据量化间隔特征可分为均匀量化和非均匀量化两种量化方式；第二章通信原理4）A/D转换（信源编码）信源编码-定义 把经过采样、量化后的离散电平值数字化，尽量减少冗余，压缩信息速率；举例 陆地公用电话:PCM64kbps GSM:FR12.2kbps 、HR6.5kbps TD-SCDMA:AMR4.75-12.2kbps 8速率 CDMA:QCELP8kbps 、13kbps信源编码-目的 压缩单用户信息速率，相对提升系统容量；第二章通信原理4）A/D转换（总结）A/D转换图示 第二章通信原理5）信道编码定义 顾名思义，信道编码就是为了抵抗信道的各种失真和干扰，对信源编码后的数据比特进行二次变

16、换的过程。基本思想 使具有随机信号特征的原始信息比特在经过信道编码后符号之间具有一定的相关性。当符号因信道特性不佳而发生误码后，利用这种相关性可以对错误进行检测甚至纠正。实现方法 在编码器输入的原始比特中增加相关冗余比特后输出，即通过牺牲传输带宽的代价换取传输可靠性。第二章通信原理 举例 卷积码：每一段监督码元除了和对应码组的信息码元相关，而且和之前所有码组的信息码元都相关 Turbo码：对卷积码输出进行反馈后做二次编码，进一步增加码元相关性 应用 卷积码：IS95 CDMA2000-1X TD-SCDMA Turbo码：CDMA2000-EVDO TD-HSDPA5）信道编码（续1）第二章通

17、信原理5）信道编码（续2） 形象类比 发 送： 床 前 明 月 光不编码 接收：床 X 明 X 光(第2、4码元发生误码）信道编码 ：床床前前明明月月光光接收：床 X 前 X 明明月月光光(第2、4码元发生误码）第二章通信原理5）信道编码（续3） 交织：交织作为一种抵抗信道快衰落的重要手段，从广义上来说也属于信道编码的范畴。 交织定义：将输入序列的顺序按一定规则交错分插后输出。 交织作用：对于短时间连续误码的信道具有很好的抵抗作用第二章通信原理5）信道编码（续4）交织类比 发 送： 床 前 明 月 光信道编码 ：床床前前明明月月光光接收：X X X 前明明月月光光(第1、2、3码元连续发生误码

18、）明月光月光床前床明前（1-6,2-8,3-10,4-7,5-9）交织无交织接收：X X X月光床前床明前(第1、2、3码元连续发生误码）接收：床床前前明 X月 X光 X（1-6,2-8,3-10,4-7,5-9 ）解交织第二章通信原理6）扩频、加扰扩频定义：利用高速率扩频码片流与低速信息符号流相乘，把一个符号扩展为多个码片，从而将窄带信息符号频谱扩展为宽带码片频谱。本质：扩频本质上属于信道编码范畴。在噪声功率一定的前提下，扩频用基带带宽的增加换取信噪比容忍上限的提高（香农公式）。并且利用扩频码的正交性达到码分复用的效果。正交概念：两个速率相同的双极化码流，相互乘积为0，自身乘积不为0，则称他

19、们正交；第二章通信原理6）扩频、加扰（续1）扩频、解扩过程：发送端：处于同一时间、同一频率通信的信道，基带符号流和相互正交的一组高速扩频码流相乘，符号速率被扩展为码片速率；符号频谱被扩展为码片频谱；接收端：所有码片的叠加信号在接收端分别与各扩频码相乘，干扰噪声因为扩频码间的不相关性而为0，再滤除高频部分后即获得原基带符号流； 码分多址系统的干扰噪声主要来自其他码道同一时间、同一频段叠加上的信号； 在扩频码组间完全正交的理想状态下，这种干扰将不存在；第二章通信原理6）扩频、加扰（续2）扩频原理图解：第二章通信原理6）扩频、加扰（续3）扰码： 概念：扰码是一组高速正交码流，用来与已扩频的码道的叠加

20、信号做相乘运算； 作用：扰码主要用于前向小区和反向用户的划分； 特点：扰码的码片速率和扩频码一致，所以扰码不扩展已扩频码片的频谱； 扩频码和扰码的区别：扩频码主要用来区分不同信道，所以也叫信道化码；扰码主要用于区分不同小区和不同用户；第二章通信原理7）基带滤波定义 基带滤波器一般位于调制之前，用于压缩基带符号（码片）的频谱带宽，以减小调制后频带信号所占带宽；同时滤除带外频谱，降低码间串扰；意义 基带滤波器是信号基带处理部分的最后一步，因为数字信号“非0即1”的离散性，对于数字基带信号的传输不需要完整体现整个基带信号的频谱，因而可以通过压缩基带频谱的方法节省有限的频率资源，相比较模拟传输系统也是

21、变相地提升了频谱利用率。第二章通信原理8）调制定义 将基带信号的符号变化加载到载波的某项特征上，使载波信号带有信息量。意义 把带有信息量的基带信号的频谱搬移到载波频率所在位置附近，以利于信号的发送及传输。举例 模拟调制：AM FM 数字调制：ASK FSK PSK MPSK MQAM第二章通信原理8）调制(续1）应用 以移动通信系统空口为例，目前主要采用各类数字调制方式有： GSM：GMSK 8PSK（EDGE） IS95：QPSK CDMATDWCDMA：QPSK 8PSK 16QAM TD-LTE：OFDM载波 用来承载基带信号变化的一段正弦波，载波本身不包含信息量；第二章通信原理8）调制

22、(续2）调制前后时域、频域波形对比1、时域2、频域 调制前 调制后第二章通信原理9）其他关键技术多址技术定义：使多用户共享信道，“同时”通话，互不干扰的技术。常用的多址方式：时分TDMA 频分FDMA 码分CDMA 空分SDMA举例：TDMA GSM TD-SCDMA CDMA2000-EVDOFDMA 目前所有主流系统CDMA IS95 TD-SCDMA CDMA2000 WCDMASDMA TD-SCDMA第二章通信原理9）其他关键技术（续1）双工定义：通信双方在上行和下行方向上同时进行通信的方式。常用的双工方式：时分双工TDD、频分双工FDD举例：TD-SCDMA双工方式为TDD其他主流

23、移动通信制式多为FDD第二章通信原理均衡定义：通信双方为补偿整个通信过程中累积的各种时域或频域上的失真，从而引入可调滤波器对系统总传输函数进行调节。均衡方式：时域均衡主要解决时域码间串扰问题频域均衡主要解决频域幅度和相位失真问题举例：GSM帧中的训练序列TD-SCDMA帧中的Midamble码9）其他关键技术（续2）第二章通信原理分集定义： 通过对两条或以上独立的多径传播信号接收后进行合并，提高接收信噪比的技术；主要分集方式：1、空间分集：使用多副空间上有一定间隔的天线进行分集接收；2、极化分集：使用正交的两种极化方向的天线振子进行分集接收；目前普遍采用45双极化天线；3、时间分集：使用不同时

24、隙发送同一信号，以平衡信道的时变特性；4、频率分集：采用不同频点发射信息，以对抗信道的频率选择性衰落；目前主要在跳频技术上获得应用；9）其他关键技术（续3）第二章通信原理第二章 结 束 3 无 线 通 信 原 理1）说 明2）概 念3）无 线 通 信 技 术 发 展 过 程4）无 线 通 信 网 络 结 构5）小 区 制6）频 率 复 用7）电 磁 波 的 自 由 空 间 传 播8）大 尺 度 衰 落 和 小 尺 度 衰 落9）话 务 量 第三章无线通信1）说明 本章主要作为上一章通信原理在无线专业中的应用，同时为下一章无线网络规划铺垫必要的理论基础。2）概念 无线通信狭义的定义：利用空气作为

25、信息传播媒介进行传输的通信方式，侧重点在于空中接口的链路技术。 无线通信广义的定义：除了狭义定义包含的所有内涵，还包括了空口之后的所有有线设备组成的整个通信网络实体。第三章无线通信3）无线通信技术发展过程第三章无线通信4）无线通信网络结构第三章无线通信5）小区制 考虑基站发射功率、用户容量、频率资源等多方面因素，我们将所要覆盖的区域划分为若干半径较小的小区，每小区设立一个基站为本小区覆盖范围内的用户服务。第三章无线通信6）频率复用 定义： 小区制中不同小区之间重复使用相同频率的方式称为频率复用 意义： 控制同频干扰于可接受的范围的前提下，提高频谱利用率 使用范围： 频率复用一般用于FDMA系统，对于CDMA系统由于扩频码的正交性，可以同频组网第三章无线通信6）频率复用（续）第三章无线通信7）电磁波的自由空间传播 概念： 自由空间电波传播是研究无线电磁波最简单、也是最基本的传播方式；目前各种复杂的传播模型都是在自由空间传播模型基础上进行参数修正而已； 接收功率和传播损耗： 电波从点源发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上.如用定向天线，电波将向某一方向汇聚，在此方向上获得增益，那么到达接收点的信号接收功率表达式为： 其中Pt为发射功率、Gt为发射天线增益、Gr为接收天线增益；另外Lp为自由空间传播损耗，其表达式为：