第2章宽带无线通信技术基础

第2章宽带无线通信技术基础第一页，共185页。2.1

数字通信系统主要性能指标

一般一个数字通信系统有如下技术指标：有效性可靠性适应性标准性维护性工艺性经济性2第二页，共185页。 有效性和可靠性是数字通信系统最主要的两方面性能指标。 有效性：传输速率（RB、Rb、码组速率、帧速率等）、频带利用率ηB

。 可靠性：差错率（Pe、Pb

、Pg）、可靠度。3第三页，共185页。2.1.1传输速率1．码元传输速率（RB）

通常也叫码元速率、数码率、传码率、码率、波形速率或调制速率。指单位时间内传送码元的数目。 RB=1/Tb Tb单位为秒（s）,RB单位为波特（B或Baud）。4第四页，共185页。2．数据信息速率（Rb）

通常也叫信息速率、传信率、比特率等。指单位时间内传送数据的信息量

,单位为比特/秒（bit/s、b/s或bps）。

对于M进制，每个符号等概出现的消息，则每个符号的信息量I为：

I=log2M

(bit)5第五页，共185页。3．RB与Rb的关系

Rb=RB·log2M

M为多进制，M=2时二者相等。6第六页，共185页。2.1.2

频带利用率

频带利用率（传输效率）用来描述系统传输速率与系统传输带宽之间的关系。表示单位频带内所能传输的信息速率。 单位是波特／赫（B／Hz）或比特·秒-1／赫（bit·s-1／Hz）。7第七页，共185页。2.1.3

差错率

表示在单位时间内系统传送数据时出现错误的概率。1．误码率（码元差错率）8第八页，共185页。2．误信率（误比特率）3．误组率9第九页，共185页。例：某数字通信系统采用4电平调制，码元传输速率为1200波特，在半小时内共收到54bit错误信息，请计算系统的误信率。解：=54/(1200×log24×30×60)=1.25e-510第十页，共185页。2.1.4

可靠度

是一个比较综合的可靠性指标，它反映了系统的总体性能。影响因素如MTBF、信道质量、操作维护水平等。11第十一页，共185页。2.2

传输信道概述图2-1通信系统的模型2.2.1信道的概念12第十二页，共185页。

信道是组成通信系统的三大部分之一，信道的特性直接影响着通信的质量。 信道是指以传输媒介为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。信道的作用就是为了传输信号。（通信的目的是为了传输数据）13第十三页，共185页。2.2.2

信道的分类1．按范围分类（1）狭义信道

通常指具体的传输媒介，能够传输信号的任何抽象的或具体的通路，如：电话线、同轴电缆、光纤、微波、短波等。14第十四页，共185页。（2）广义信道

包含传输媒介和完成各种形式的信号变换功能的设备。如：调制信道、编码信道、数据链路、数据电路等。15第十五页，共185页。2．按传输的信号类型分类（1）模拟信道

传输的是在幅度和时间上都连续变化的模拟信号。（2）数字信道

是指在信道上只能传输数字信号的信道。利用模拟通道也可以构成数字信道。16第十六页，共185页。3．按信道的使用方式分类（1）专用信道指两点或多点之间的线路（信号通路）是固定不变的，通常是用户自己架设或专门租用的专用线路或固定路由的专用通路，如租用的光纤链路等。（2）公用信道是指通过公用交换网络，为广大用户（任何用户）提供服务的信道，如公用电话网、数字数据网等。17第十七页，共185页。4．按传输媒质分类（1）有线信道是指能够看得见、摸得着的信号线路。有线信道常见介质：双绞线、同轴电缆、光纤。（2）无线信道是指以自由空间为传输媒介的信道，也就是看不见、摸不着的那类信道。无线信道常见介质：中波信道、短波信道、微波信道、卫星信道。18第十八页，共185页。5．根据传输序列出错的关系分类（1）记忆信道指每个码元发生错误是与其前后码元之间有一定的关系。（2）无记忆信道是指当前码元的差错与其他码元无关系。理想的数字信道是无记忆信道。19第十九页，共185页。2.2.3

信道容量

信道容量（ChannelCapacity）是指通信系统的最大传输速率，也就是指信道的极限传输能力。

信道容量可通过Shannon公式（模拟信道）和Nyquist准则（数字信道）来获得。

20第二十页，共185页。1．模拟信道的信道容量

模拟信道的信道容量可通过香农（Shannon）公式来获得。

在加性高斯白噪声信道中，传输功率受限的信号，信道极限传输速率（信道容量）C为：

C=Blog2(1+S/N)

（bit/s）

式中，B为信道带宽,单位为Hz；S/N是平均信号噪声功率比（信噪比），通常使用dB作为单位：10lg(S/N)。21第二十一页，共185页。得出的几个结论：①

给定B、S/N，高斯白躁声信道能够保证无差错传输的极限传输速率为C；②

R＞C，则不可能实现无差错传输；③

通过B、S/N互换，可以保持C不变；④

N=n0B，S、n0一定时，B→∞≠》C→∞。22第二十二页，共185页。香农公式是利用信息论得出的，具有普遍意义；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以达到。 信道容量的意义： 当传输速率不大于信道容量时，总可以找到一种方法，实现无差错的传输。但如果想要达到的传输速率大于信道容量，则无论用什么方法，都不可能实现无差错传输。23第二十三页，共185页。1948年6月到10月，香农在《贝尔系统技术杂志》上连载发表了《通信的数学原理》。1949年，香农又在该杂志上发表了《噪声下的通信》。这两篇论文为信息论奠定了基础。人们通常将香农于1948年10月发表的论文《通信的数学原理》作为现代信息论研究的开端。由于在信息科学领域的卓越贡献，香农被称为“信息论之父”。克劳德.艾尔伍德.香农(ClaudeElwoodShannon1916—2001）24第二十四页，共185页。例：已知数据传输信道，信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。解：∵10lg(S/N)=30

∴S/N=1030/10=1000

∴C=Blog2(1+S/N)

=3klog2(1+1000)≈30kbps。25第二十五页，共185页。2．数字信道的信道容量

1924年，奈奎斯特（H.Nyquist）推导出无噪声、对称无记忆、有限带宽数字信道（理想信道）的最高传输率（信道容量）公式（奈奎斯特准则）：

C=2Blog2L

（bit/s）式中，B为信道带宽,单位为Hz；L为传输采用的进制数。

奈奎斯特准则是理想的最大值，实际系统无法超越。。26第二十六页，共185页。例：普通电话线路带宽约3kHz，请计算其传输二进制码元速率极限值；若码元采用16QAM调制，计算其最大信息传输速率。解：C1=2Blog2

L=2×3klog22=6k(bps)

。C2=2Blog2L=2×3klog216=24k(bps)

。27第二十七页，共185页。

对于带宽为3KHz的信道，若有8种不同的物理状态来表示数据（例如8QPSK调制方式），信噪比为20dB，问：结合Nyquist定理和Shannon定理计算最大限制的数据速率是多少？作业28第二十八页，共185页。2.3

通信协议和协议分层结构1．协议的概念2.3.1通信协议的一般概念

协议是网络内使用的“语言”，用来协调网络的运行，以达到互通、互控和互换的目的，是通信网络中不可缺少的重要组成部分。

我们把通信双方必须遵守的规则和约定的集合称为通信协议或通信规程。29第二十九页，共185页。2．通信协议的三大要素（1）语法（Syntax）

规定通信的双方以什么方式交流数据信息，即确定数据与控制信息的结构或格式，也即“如何讲”。Dataformats：数据格式Signallevels：信号电平30第三十页，共185页。（2）语义（Semantics）

规定通信的双方要交流哪些数据信息，即确定需要发出何种控制信息、完成何种动作、返回什么应答等，也即“讲什么”。Controlinformation：控制信息Errorhandling：差错控制31第三十一页，共185页。（3）定时关系（Timing）

规定事件执行的顺序，即确定通信过程中通信的状态变化，也即“何时讲”和“何时答”。Speedmatching：速度匹配Sequencing：逻辑顺序32第三十二页，共185页。!@#$%^&*请讲国语？？？语言不通无法沟通!@#$%^&*因为缺乏语法定义没有统一数据格式无法通信通信失败!@#$%^&*请讲国语您好！不能切入正题您好！因为缺乏语义定义不知道要通什么内容，无法通信通信失败您好！无聊！！！!@#$%^&*请讲国语等待超时人怎么走了？莫名其妙因为缺乏定时关系可能导致超时或者进入死循环通信失败图2-2通信协议示意图33第三十三页，共185页。图2-3通信协议示例34第三十四页，共185页。

通信协议是一个复杂而庞大的通信规则的集合，它主要完成以下功能。

（1）信号的发送与接收

应规定的内容包括信息传送的格式、接口标准以及启动控制、超时控制等功能。（2）差错控制

应使终端输出的数据具有一定的差错控制功能，目的终端根据收到的数据可进行相应的检错或纠错操作。3．协议的功能35第三十五页，共185页。（3）顺序控制

对发送的信息进行编号，以免重复接收或者丢失。（4）透明性

对传输的信息无限制，也即应采取必要的措施，保证所传送的数据信息为随机的比特序列。（5）链路控制与管理

控制链路的建立和拆除，显示设备的工作状态等。36第三十六页，共185页。（6）流量控制为了避免链路阻塞，应能调节数据链路的信息流量，能够决定暂停或继续接受信息。（7）路径选择

确定信息报文通过多个节点和链路到达目的节点的传播路径和最优的路径选择策略。（8）对话控制

包括信息的处理、信息安全和保密、应用服务等内容。37第三十七页，共185页。2.3.2

通信协议的分层

分层带来的好处：各层相互独立，所需知道的仅是层间接口所提供的服务；灵活性好，当任何一层发生变化时，只要接口关系保持不变，则相邻的层均不受影响，且层内提供的服务可修改，如提供的服务不再需要时，可将该层取消；结构上独立，各层都可以选择最适合的技术来实现；便于实现和维护；促进标准化工作。38第三十八页，共185页。1．通信协议的分层原则（1）层次有序

各层协议之间有一定的主从顺序，较低层为较高层提供服务。（2）按功能分层

每层应实现定义明确的功能，即应根据功能进行分层。39第三十九页，共185页。（3）利于标准化

各层功能的选择应有助于国际标准化协议。（4）层间信息量尽量少

层次界面的选择应尽量减少跨过接口的信息量，主要目的是提高通信效率。40第四十页，共185页。（5）各层彼此独立

层次之间的独立性，有利于开发工作的规范化和严谨性。（6）层次的数量应适当

层次过少会使每层协议变得复杂，层次过多会增加通信处理的开销，降低通信效率。41第四十一页，共185页。2．OSI参考模型及各层功能

OSI（OpenSystemInterconnection）是ISO(InternationalStandardOrganization)提出的的开放系统互连参考模型。所谓开放性，是强调只要遵循对OSI标准的系统就可以实现互相通信。

OSI模型采用了层次化结构的构造技术，自下而上分成7层，每层都由较低层提供有意义的服务，同时又为较高层提供所定义的服务，高层依靠低层交换数据。42第四十二页，共185页。图2-4OSI参考模型43第四十三页，共185页。（1）物理层（PhysicalLayer）

物理层是OSI参考模型的最低层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。为此，该层定义了物理链路的建立、维护和拆除有关的机械、电气、功能和规程特性。包括信号线的功能、“0”和“1”信号的电平表示、数据传输速率、物理连接器规格及其相关的属性等。物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流。44第四十四页，共185页。（2）数据链路层（DataLinkLayer）

数据链路层是为网络层提供服务的，是在物理层提供的比特服务基础上，用以建立相邻结点之间的数据链路，传送的协议数据单元称为数据帧。该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。此外，数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞等。45第四十五页，共185页。（3）网络层（NetworkLayer）

网络层是为运输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地。另外，为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞，需要对流入的数据包数量进行控制（拥塞控制）。当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。46第四十六页，共185页。（4）运输层（TransportLayer）

运输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。运输层传送的协议数据单元称为段或报文。

47第四十七页，共185页。（5）会话层（SessionLayer）

会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。48第四十八页，共185页。（6）表示层（PresentationLayer）

表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。49第四十九页，共185页。（7）应用层（ApplicationLayer）

会话层应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。50第五十页，共185页。

OSI模型的7层协议中，1～3主要是完成数据交换和数据传输，称之为网络低层（通信层），即通信子网，5～7层主要是完成信息处理服务的功能，称之为网络高层，低层与高层之间由第4层衔接。上面4层也称为用户层。51第五十一页，共185页。3．通过网络的OSI模型-电路交换方式（1）呼叫建立阶段

在呼叫建立阶段，交换机下三层要参与呼叫建立过程。图2-5通过网络的OSI模型-电路交换方式呼叫建立52第五十二页，共185页。（2）数据传输阶段在数据传输阶段，网络层和链路层已经不介入，因此效率高但可靠性差。图2-6通过网络的OSI模型-电路交换方式数据传输53第五十三页，共185页。4．通过网络的OSI模型-分组交换方式

在分组交换方式中每个交换节点都是下三层参加，因此确保了数据的可靠性。图2-7通过网络的OSI模型-分组交换方式54第五十四页，共185页。

图中表示了用户信息从最高的应用层下移到网络层，由该层负责处理越过网络的路径选择（接通数据的传输通道），网络层为了完成他的任务需要数据链路层提供服务，保证网络层信息能跨越线路正确、无差错的传输。用户A发送的信息经过网络到达接收端后由网络层上移，并经过高层组的处理成为用户B可识别的信息。由高层组提供的功能使得各种不同厂家制造的计算机之间可以开放式的相互通信。55第五十五页，共185页。5．OSI模型的数据传送AH：应用层头；PH：表示层头；SH：会话层头；TH：运输层头；NH：网络层头；LH：链路层头；LT：链路层尾。每一层为了达到协议要求都增加了自己层所需要的头信息，因此可以看出，经过各层之后，信息已经被膨胀了许多。图2-8OSI模型的数据传输过程56第五十六页，共185页。

OSI模型的不同层次协议之间是相互独立的，因此改变某一层协议不会影响到其他层协议，它采用的方法是下一层在上一层提供的信息前面增加新的协议控制信息（链路层是在前面和后面都加）。另外两个数据终端在通信过程中，只有对等层次才可以进行协议对话，但是N层的协议对话必须依靠N-1层的帮助才能实现。57第五十七页，共185页。

7层结构是一个通用的标准，而在实际应用中通常也将其简化成更少的层次，因为在目前的数据通信网络中，下三层已经成为通用的标准，无论设计何种通信网，下面三层已经成为固定的模式，不需要再进行重新设计，因此为了使处理更加简单，就有依托于计算机网络的简化的3层模型。58第五十八页，共185页。6．简化的3层模型图2-9简化的3层模型59第五十九页，共185页。（1）网络接入层

①在计算机和网络之间交换数据；②发送端计算机提供目的地址；③可能包含多层服务；

④依托于已经使用的网络，例如LAN、分组交换等。60第六十页，共185页。（2）传输层

①可靠的数据交换；②依托于正在使用的网络；③依托于应用。

（3）应用层

支持不同的用户应用需求，例如e-mail、文件传送等。61第六十一页，共185页。7．TCP/IP五层协议及各层功能图2-10TCP/IP5层模型62第六十二页，共185页。（1）物理层

①定义了数据传送设备（例如计算机）之间的接口和传输媒质或网络；

②定义了传输媒质的特性；③定义了信号电平；

④信号速率。63第六十三页，共185页。（2）网络接入层

①定义了终端系统和网络的数据交换；②目的地址提供；③包含优先权等服务；

④这一层所使用的具体软件取决于应用网络的类型。64第六十四页，共185页。（3）IP层

对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。该层有四个主要协议：网际协议（IP）、地址解析协议（ARP）、互联网组管理协议（IGMP）和互联网控制报文协议（ICMP）。IP协议是网际互联层最重要的协议，它提供的是一个不可靠、无连接的数据报传递服务。65第六十五页，共185页。（4）TCP层

TCP层对应于OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能。该层定义了两个主要的协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。

TCP协议提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务；而UDP协议提供的则是不可靠的、无连接的数据传输服务。66第六十六页，共185页。（5）应用层

应用层对应于OSI参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等支持例如HTTP、SMTP等用户应用。67第六十七页，共185页。图2-11TCP/IP五层协议体系结构68第六十八页，共185页。8．OSIvsTCP/IP图2-12OSI模型与TCP/IP模型的比较69第六十九页，共185页。2.4

宽带无线通信物理层关键技术1．什么是扩频通信2.4.1扩频技术

扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication），它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。70第七十页，共185页。

扩频通信是将待传送的信息数据伪随机编码，即扩频序列调制，使信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，实现频谱扩展后再传输，频带的扩展通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关，接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。71第七十一页，共185页。图2-13扩频通信时域和频域特性示意图72第七十二页，共185页。2．扩频通信的理论基础 根据香农（C.E.Shannon）在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式： C=Blog2(1+S/N)（bit/s）式中，B为信道带宽,单位为Hz；S/N是平均信号噪声功率比（信噪比）。73第七十三页，共185页。

由式中可以看出：为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。74第七十四页，共185页。

扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。75第七十五页，共185页。例：信噪比为S/N=-20dB，求带宽至少为多少时，信道容量可以达到3kb/s。（210KHz）。

说明在噪声比信号功率大100倍的情况下，信息速率3kb/s的信号在210KHz的信道上仍然可以保证可靠通信。76第七十六页，共185页。

结论说明使用增大信号带宽的方法，即使在信号功率远远小于噪声功率的情况下，也完全可以实现无差错的传输。扩频通信正好是利用这一原理。用高的扩频码来扩展待传输信号带宽的手段，达到系统抗干扰能力的目的。77第七十七页，共185页。3．频谱扩展的实现

频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。78第七十八页，共185页。

目前扩频系统常见的PN码有以下三种：（1）m序列，即最长线性移位寄存器序列；（2）GOLD序列；（3）

WALSH函数正交码。

选择PN要考虑长度、相关性、正交性和比特平衡性。79第七十九页，共185页。

当选定一种PN序列（即扩频码序列）后，如m序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息“1”和“0”。系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解调出原始信息，从而区分出不同用户的不同信息。 在发射前注入扩频序列，提高码速率的过程叫做扩频。相反的在接收端去除扩频序列的过程叫做解扩。80第八十页，共185页。图2-14扩频通信原理框图81第八十一页，共185页。4．扩频系统的处理增益与干扰容限

在扩频系统中，传输信号经过扩频和解扩的处理，系统的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处，称之为扩频系统的处理增益（扩频增益）。其定义为解扩器输出端基带数字信号的信噪比(S/N)out与解扩器输入端扩频码流的信噪比(S/N)in的比值。Gp一般在20~60dB之间。（1）处理增益Gp82第八十二页，共185页。经分析可知：

Bc：扩频信号带宽

Bb：传输的信息带宽

Rc：扩频后传输速率

Rb：信息速率83第八十三页，共185页。例：某扩频通信系统，扩频后带宽为20MHz，原始信号带宽为20KHz，求系统的处理增益。解：Gp

=10lg(20M/20K)=30dB说明扩频后系统增益提高了30dB。84第八十四页，共185页。

所谓干扰容限，是指在保证系统工作正常的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，Mj定义如下：（2）干扰容限Mj

Mj=Gp-[

Ls+(S/N)in](dB)其中，Gp：处理增益Ls：系统损耗

(S/N)in

：接收机输入端的信噪比

85第八十五页，共185页。在Gp和Ls一定的情况下，为了提供一定的通信质量，规定接收机输入端的信噪比必须达到一个最低的分贝值(S/N)in,min。这样，由同时通信用户的干扰造成的对信噪比的降低就不能太大，不能超过最大容限Mj,max。

干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，即只有当干扰功率超过干扰容限时，才能对扩频系统形成干扰。因而干扰容限往往比处理增益更确切地反映系统的抗干扰能力。86第八十六页，共185页。例：一个扩频系统的处理增益是33dB，系统损耗造成的信噪比降低3dB，系统的解调器要求其输入信噪比最小为6dB，求该系统的干扰容限。解：

如果干扰引起的信噪比降低超过24dB，接收机输入端的信噪比就将低于6dB，通信质量就得不到保证。Mj,max=Gp-[

Ls+(S/N)in,min]

=33-3-6=24（dB）87第八十七页，共185页。5．扩频通信系统的分类

根据扩展频谱的方式，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（Direct-SequenceSpreadSpectrum,DSSS）跳频扩频（Frequency-HoppingSpreadSpectrum,FHSS）跳时扩频（Time-HoppingSpreadSpectrum,THSS）混合扩频，如DS/FH系统、DS/TH系统、FH/TH系统等。88第八十八页，共185页。（1）直接序列扩频(DSSS)

所谓DSSS，就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。89第八十九页，共185页。图2-15信息的频谱扩展过程90第九十页，共185页。图2-16扩频信号的解扩过程91第九十一页，共185页。

在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次“模二相加”的过程。92第九十二页，共185页。图2-17直扩系统频谱宽度与功率谱密度示意图93第九十三页，共185页。

从上图的能量面积图示看出，待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升。

相对于信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。94第九十四页，共185页。直扩系统的优点： ①具有较强的抗干扰能力； ②具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力； ③具有选址能力，可实现码分多址； ④抗衰落，特别是抗频率选择性能好； ⑤抗多径干扰； ⑥可进行高分辨率的测向、定位。

直扩技术主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、保密通信、测距和定位等方面。95第九十五页，共185页。

直扩系统缺点和局限性： ①由于占用带宽较大，因此在工作频段内信道较少，如果同类型设备在较近范围内工作会影响性能，所以多应用于较短距离高速数据通信； ②直扩系统的接收机存在明显的远近效应。所谓远近效应是指大功率的信号（近处的电台）抑制小功率信号（远端的电台）的现象； ③直扩系统的处理增益受限于码片速率和信源的比特率。处理增益受限，意味着抗干扰能力受限，多址能力受限。96第九十六页，共185页。（2）跳频扩频(FHSS) FHSS就是用扩频的码序列去进行移频键控（FSK）调制，使载波的频率不断地跳变。跳频系统的跳变频率有多个，多达几十各甚至上千个，由传送的信息与这些扩频码的组合进行选择控制，在传送中不断跳变。在接收端，由于有与发送端完全相同的本地发生器发生完全相同的扩频码进行解扩，然后通过解调才能正确地恢复原有的信息。97第九十七页，共185页。图2-18跳频扩频系统方框图98第九十八页，共185页。图2-19跳频扩频示意图99第九十九页，共185页。

跳频通信一般分为两种：跳频频率高于信元码率时，称作快速跳频（FFH）。跳频频率低于信元码率时，称作慢速跳频（LHF）。100第一百页，共185页。图2-20慢速跳频系统跳频图案101第一百零一页，共185页。图2-21快速跳频系统跳频图案102第一百零二页，共185页。

跳频系统的优点： ①跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性； ②由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力； ③利用载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有抗多径衰落的能力； ④利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统； ⑤跳频系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信；

⑥跳频系统无明显的远近效应。103第一百零三页，共185页。

跳频系统缺点和局限： ①信号的隐蔽性差； ②跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限； ③快速跳频器的限制。 104第一百零四页，共185页。

跳频系统的主要用途：

目前，跳频系统主要用于军事通信，如战术跳频电台、抗干扰等，但也正在迅速地向民用通信渗透，如移动通信、数据传输、计算机无线数据传输、无线局域网等。105第一百零五页，共185页。（3）FHSS与DSSS的比较①抗强的定频干扰

直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰目的的，但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性能急剧恶化。而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰，强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率，若跳频系统的频道数很大，则对系统性能的影响是不严重的。因此，在抗强的定频干扰上，跳频系统比直扩系统优越。106第一百零六页，共185页。②

抗衰落

抗衰落特别是抗选择性衰落时直扩优于跳频，这是由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变，而对跳频系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能的恶化。107第一百零七页，共185页。③

抗多径干扰

抗由于直扩系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径就不能对直扩系统形成干扰，直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统的性能。而跳频系统则不然，跳频系统要抗多径干扰，则要求每一跳的驻留时间很短，即要求快跳频，在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。108第一百零八页，共185页。④

“远－近”效应

“远－近”效应对直扩系统的影响很大，而对跳频系统的影响就小得多。⑤

同步

由于直扩系统的伪随机码速率比跳频的伪随机码速率要高得多，因此直扩系统的同步精度要求高，因而同步时间也长，入网慢。直扩同步时间一般在秒级，而跳频可以在毫秒级完成，因此在同步方面，跳频优于直扩。109第一百零九页，共185页。⑥

信号处理

直扩系统一般采用相干检测，而跳频系统由于频率不断变化，频率的跳变需要一定的时间，因而多采用非相干检测。因此从性能上看，直扩系统性能优于跳频；但从实现来看，相干检测需要恢复载波，必然增加系统的复杂程度，恢复载波的频率和相位的偏差，又会降低系统性能，在一些对设备要求严格的场合，如移动通信等，就难以满足要求。110第一百一十页，共185页。⑦

通信安全保密

直扩信号谱密度低，信号淹没在噪声之中，可防窃听、防测向，是不可见的。而跳频系统虽然在很宽的频带上跳变，但其瞬时功率谱是较大的，是可见的，因而保密性能不如直扩系统。111第一百一十一页，共185页。⑧

组网能力

直扩系统和跳频系统都具有很强的组网能力。在移动通信中，CDMA系统的频谱利用率是模拟蜂窝传输系统的频谱利用率的二十多倍，是第一代TDMA系统的六倍。直扩系统用不同的伪随机码可组成不同的网，跳频系统用不同的跳频图案组成不同的网。就直扩和跳频系统而言，跳频系统的组网能力和频谱利用率略高于直扩系统。112第一百一十二页，共185页。⑨

与窄带系统的兼容性

直扩系统是一个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源（如话音）需作预先处理（如语音编码后），才可接入直扩系统。而对跳频系统而言，由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。兼容的好处在于：先进的跳频电台可以与常规的电台互通，或者将常规电台加装抗干扰的跳频模块就可以变成跳频电台。而且，跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。113第一百一十三页，共185页。6．扩频技术发展现状

扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。114第一百一十四页，共185页。

对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，如DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。2G中欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95标准采用DS-CDMA技术取得了巨大成功。在3G标准中（除了WiMAX）也都采用了某种形式的CDMA，因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。115第一百一十五页，共185页。1．概述2.4.2

OFDM技术 OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing），即正交频分复用技术，实际上是一种MCM（多载波调制）技术。其主要思想是：将整个信道分割成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一。116第一百一十六页，共185页。 正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。117第一百一十七页，共185页。

在传统的频分复用（FDM）系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。118第一百一十八页，共185页。TimedomainFrequencydomain图2-22OFDM时域和频域特性示意图119第一百一十九页，共185页。

OFDM系统中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰（ISI）。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的子载波间干扰（ICI）。120第一百二十页，共185页。

OFDM主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）、WiMAX、LTE等。

121第一百二十一页，共185页。2．OFDM发展历史 OFDM并不是如今才发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近50年的历史，开始主要用于军用的无线高频通信系统，但由于系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。122第一百二十二页，共185页。 最初的思想于1960年代中期提出，采用并行数据传输和频分复用（FDM）。 1960年代，OFDM在一些高频军事通信系统中得到应用。 1971年，Weinstein

和

Ebert提出利用DFT变换来实现OFDM的调制解调.进一步利用FFT变换为降低OFDM的实现复杂度提供了条件。123第一百二十三页，共185页。 1980年代，人们研究在数字移动通信的高速调制解调和高密度存储中应用OFDM技术。利用导频加强载波和频率的稳定性，引入网格编码技术。 1980年，Hirosaki提出采用均衡算法克服由于信道冲激响应不理想以及定时和频率偏差造成的符号间干扰ISI和载波间干扰ICI。 1981年，Hirosaki用DFT完成的OFDM调整技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。124第一百二十四页，共185页。 1990年代，OFDM技术在宽带数据通信中得到应用。移动广播无线FM信道有线传输HDSL、ADSL、VDSLDABDVB

HDTV

无线局域网

IEEE802.11a

IEEE802.11g

HiperLAN/2125第一百二十五页，共185页。

现在：已成为欧洲的DAB和HDTV标准OFDM/UWB（802.15.3a）IEEE802.16（WiMAX）IEEE802.20，即MBWALTE的下行传输4G的首选方案126第一百二十六页，共185页。3．OFDM基本原理

系统的通信能力实际上受制于信道的传播特性。对于高速数据业务，发送符号的周期可以与时延扩展相比拟，甚至小于时延扩展，此时将引入严重的码间干扰，导致系统性能的急剧下降。 信道均衡是经典的抗码间干扰技术，在许多移动通信系统中都采用了均衡技术消除码间干扰。但是如果数据速率非常高，采用单载波传输数据，往往要设计几十甚至上百个抽头的均衡器。127第一百二十七页，共185页。 OFDM系统既可以维持发送符号周期远远大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，并且不需要复杂的信道均衡。

OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。128第一百二十八页，共185页。（1）OFDM系统结构图2-23OFDM系统的结构129第一百二十九页，共185页。（2）串行和并行的概念图2-24串/并变换原理130第一百三十页，共185页。

传统串行通信系统中，符号连续串行传输每个数据符号占用所有可用频带。当数据速率很高时，在频率选择性衰落信道和多径时延扩展信道中会产生严重的符号间干扰。 并行传输时，单个数据只占用整个频带的一部分。由于整个信道带宽被分割成多个窄带子频带，单个信道的频率响应相对较为平坦，并行传输体制提供了对抗串行传输体制频率选择性衰落的可能性。131第一百三十一页，共185页。（3）调制与映射数据到星座点的映射特性决定了调制特性。一个OFDM信号包含多个子载波之和，每个子载波可以是MPSK或QAM信号。OFDM常用的调制形式：MPSKQAM132第一百三十二页，共185页。（4）IFFT和FFT OFDM应用IDFT和DFT方法来实现正交子载波的调制与解调,大大降低了OFDM系统实现的复杂度。IFFT和FFT算法是它们的快速实现形式。133第一百三十三页，共185页。 考察一个数据序列：

其中，fk

=k/(N△t)，tn=n△t

，△t是串行数据Xk

的符号周期。134第一百三十四页，共185页。 低通滤波后：135第一百三十五页，共185页。（5）正交性时域频域 对数字通信系统：136第一百三十六页，共185页。 对OFDM系统需考虑以下两种子载波间的正交性情况：

①每个子载波在FFT处理时间内严格地有整数个周期。

②相邻子载波的上述周期数正好相差为1。137第一百三十七页，共185页。图2-25OFDM子载波的时域和频域正交性 时域频域138第一百三十八页，共185页。（6）保护间隔和循环前缀①OFDM符号周期图2-26OFDM符号周期139第一百三十九页，共185页。②OFDM系统需考虑的两类干扰符号间干扰Inter

symbolinterference（ISI）：同一子信道在连续的时间间隔为T的FFT帧之间的串扰。载波间干扰Inter

carrierinterference（ICI）：同一FFT帧内相邻子信道或频带间的串扰。140第一百四十页，共185页。③保护间隔 为了消除码间干扰，需要在OFDM的每个符号中插入保护间隔（保护时间），只要保护间隔大于多径时延扩展，则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。保护时间内可以完全不发送信号。但此时由于多径效应的影响，子载波可能不能保持相互正交，从而引入了子载波间干扰。141第一百四十一页，共185页。

Tg>Tdelay-spread:Tg:保护间隔；Tdelay-spread:时延扩展

Tg<Tdelay-spread:图2-27保护间隔>时延扩展时对OFDM符号的影响图2-28保护间隔<时延扩展时对OFDM符号的影响142第一百四十二页，共185页。④循环前缀 产生ICI的原因主要是由于在FFT积分时间内两个子载波的周期不再是整倍数，从而不能保证正交性。143第一百四十三页，共185页。

保护间隔内发送全0信号由于多径效应造成的子载波间干扰（ICI）。图2-29子载波间正交性遭破坏144第一百四十四页，共185页。

1980年Peled和Ruiz把循环前缀（CyclicPrefix，CP）引入OFDM以解决正交性问题。为了克服ICI，他们在保护间隔中加入的是OFDM符号的循环扩展，而不是使用空白保护间隔。CP是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的，这样可以保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期。因此只要多径延时小于保护间隔，就不会造成载波间干扰。145第一百四十五页，共185页。图2-30OFDM符号的循环前缀结构146第一百四十六页，共185页。图2-31多径时延小于保护间隔147第一百四十七页，共185页。 上图中的保护间隔大于多径时延，因此第二条径的相位跳变点正好位于保护间隔内，因此接收机收到的是满足正交特性的多载波信号，不会造成性能损失。如果保护间隔小于多径时延，则相位跳变点位于积分时间内，则多载波信号不再保持正交性，从而会引入子载波干扰。148第一百四十八页，共185页。4．OFDM的优势与不足（1）优势①OFDM具有非常高的频谱利用率

OFDM使用正交的子载波作为子信道，各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率。另外，各子信道上还可以采用多进制调制（QAM、QPSK等），进一步提高了OFDM系统的频谱效率。149第一百四十九页，共185页。②有效对抗频率选择性衰落

OFDM把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道有可能是极不平坦的衰落信道，但各子信道均可看成是近似平坦衰落。因此，OFDM能够有效对抗频率选择性衰落或窄带干扰，并通过各子信道的联合编码，实现子信道间的频率分集作用，提高系统的整体抗衰落能力。150第一百五十页，共185页。③

均衡简单

OFDM各子信道均可看成是近似平坦衰落，这使得子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽。

另外，OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。151第一百五十一页，共185页。④抗多径干扰能力强 由于一般的OFDM系统均采用循环前缀（CP）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。152第一百五十二页，共185页。⑤

实现比较简单

各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换IFFT和离散傅利叶变换FFT实现，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。153第一百五十三页，共185页。⑥

带宽扩展性强

由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。尤其是随着移动通信宽带化（由5MHz增加到最大20MHz），OFDM系统对大带宽的有效支持，成为其相对于单载波技术（如CDMA）的“决定性优势”。 154第一百五十四页，共185页。⑦频谱资源灵活分配

OFDM系统可以通过灵活选择适合的子信道进行传输，来实现动态的频域资源分配。一方面，宽带数据业务一般存在非对称性，OFDM系统可以动态地调整子信道数来实现上、下行链路中不同的传输速率。另一方面，可充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。155第一百五十五页，共185页。⑧易于和其他技术结合使用 由于每个OFDM子载波内的信道可看作平坦衰落信道，MIMO-OFDM可将多天线系统带来的额外复杂度控制在较低的水平（随天线数量呈线性增加）。相反，单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO技术的应用。 OFDM较易于和其它多种接入方式结合，构成MC-CDMA和OFDM-TDMA等。156第一百五十六页，共185页。（2）不足①对频偏和相位噪声比较敏感

OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。157第一百五十七页，共185页。②存在较高的峰均功率比（PAPR）

OFDM的PAPR（Peak-to-AveragePowerRatio）相对较大，将会增加A/D和D/A的复杂性，对非线性放大更为敏感，故OFDM系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高，而且会降低射频功率放大器的效率。158第一百五十八页，共185页。图2-32OFDM较高的PAPR159第一百五十九页，共185页。③自适应调制技术使用受限

自适应调制技术就是根据信道状况调整各个子载波的调制方式。 负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度高于每小时30km时，信道变化加快，刷新频率增加，此时自适应调制就不是很适合了，同时也会降低系统效率。160第一百六十页，共185页。5．OFDM与CDMA的比较

CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术，OFDM技术属于多载波调制技术。OFDM和CDMA技术各有利弊。下面主要从调制技术、峰均功率比、抗窄带干扰能力等角度分析这两种技术在性能上的具体差异。

161第一百六十一页，共185页。 一般来说，无线系统中频谱效率可以通过采用16QAM、64QAM等高阶调制乃至更高阶的调制方式得到提高，而且一个好的通信系统应该在频谱效率和误码率之间获得最佳平衡。（1）调制技术162第一百六十二页，共185页。

在CDMA系统中，下行链路可支持多种调制，但每条链路的符号调制方式必须相同，而上行链路却不支持多种调制，这就使得CDMA系统丧失了一定的灵活性。并且，在这种非正交的链路中，采用高阶调制方式的用户必将会对采用低阶调制的用户产生很大的噪声干扰。163第一百六十三页，共185页。在OFDM系统中，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论在上行还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性，可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。164第一百六十四页，共185页。 PAPR过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高，这就意味着要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸，进而增加基站和用户设备的成本。（2）PAPR165第一百六十五页，共185页。

CDMA系统的PAPR一般在5～11dB，并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。目前已有很多技术可以降低CDMA的PAPR。在OFDM系统中，由于信号包络的不恒定性，使得该系统对非线性很敏感。如果没有改善非线性敏感性的措施，OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统和手机等。目前有很多技术可以降低OFDM的PAPR。166第一百六十六页，共185页。 CDMA的最大优势就表现在其抗窄带干扰能力方面，因为干扰只影响整个扩频信号的一小部分。而OFDM中窄带干扰也只影响其频段的一小部分，而且系统可以不使用受到干扰的部分频段，或者采用前向纠错和使用较低阶调制等手段来解决。（3）抗窄带干扰能力167第一百六十七页，共185页。 CDMA接收机采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源，RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等，试验证明，如果路径数超过7或8条，这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低，RAKE的接收性能下降就会很快。（4）抗多径干扰能力168第一百六十八页，共185页。 OFDM技术与RAKE接收的思路不同，它是将待发送的信息码元通过串/并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。同时它使用CP作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，并且保证了各信道间的正交性，从而大大减少了信道间干扰。当然，这样做也付出了带宽的代价，并带来了能量损失，CP越长，能量损