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1、第?章?航 空 通 信?航空通信概述?用途和特点通信旨在将信息从发信者?信源?传输给另一时空点的收信者?信宿?通信系统系指实现这一信息交换过程的全部设备和传输媒质的总和?航空通信?顾名思义是与航空相关的通信?泛指所有用于航空器运营中的一切信息的传递交换?主要涉及航空器与地面的空地通信?航空器之间的空空通信?航空器与水面舰船?水中潜艇的空海通信?也涵盖地面场站之间的地地通信或地面?空中与空间的卫星通信?常规航空通信主要使用?射频无线信道?通信双方相对高速运动的影响远甚于普通地面个人移动通信?其应用环境的气候?电磁状况相当恶劣?因此对采用的通信技术?通信设备都有很高要求?与其他通信系统一样?航空通
2、信追求的目标是?最大的传递信息量?最高的频谱利用率?占用最小带宽?最小的发射功率?最强的信道抗扰能力?最低的能耗和成本?发展历史航空通信是紧随着常规通信技术的发展而展开的?以往多是将地面的通信方式移植到航空器上?并根据航空的特殊使用环境条件进行适应性改进?但也不乏因航空的特殊应用而开发出的全新通信技术?航空通信首先是从空地通信开始的?早期曾使用过的原始方式有灯光?旗帜?标记?甚至篝火?后来使用了莫尔斯码电报?这要求配备专门的收发报员?对于载荷?空间宝贵且经常机动摇晃的航空器来说不是好的选择?直到把调幅体制话音无线电电台搬上飞机?才真正开启了可靠实用的空地通信?成了必不可少的机载设备?并一直沿用
3、至今?之后的不断改进有提高话音质量的调频电台?节省频谱资源高效率的单边带调幅电台?超视距远程传输的短波?电台等?多局限于模拟电子技术范畴?随着数字信号处理技术的突飞猛进和计算机?网络技术的爆炸式发展?航空电台正迅速朝数字化?高阶调制?多模式多波段?嵌入式计算机实时操控?自适应通信协议?多接口多接入方式的方向演变?并逐步成为陆海空天综合通信网络中的一个节点和用户终端?通信类别按信源信宿的位置可分为空地?空海?空空?空天?地地通信?按传递信息种类可分为话音?数据通信?话音是航空器必备的基本通信手段?数据通信包括文字?图像?视频流?多媒体多样信息?适应实现日益剧增信息交换的生成?发射?接收?存储?管
4、理的自动化?按信息传输介质可分为有线?无线通信?有线方式可用于航空器内部机载设备之间的信息交换?无线方式是航空器对外的必备通信手段?按信息传递距离可分为局域近距?视距远距?超视距远程?全球卫星通信?按工作频率可分为短波?高频?超短波?甚高频?微波?波段?激光通信?其中高频?覆盖?频段?通过地面与电离层之间反射的天波和贴地前行的地波传播?主要优点是能够提供视线以外的通信能力?但受到气候变化的影响很大?甚高频?覆盖?频段?具有直线传播特点?信道稳定?微波覆盖?频段?通信容量大?易于设备小型化?可用于航空器内部局域无线组网或外部视距通信?激光通信带宽最大?保密性好?抗电磁干扰能力强?发射窄波束的非扩
5、散性是实现深空通信的唯一选择?组成和原理航空通信系统与其他通信系统一样?由信源?变换器?信道?噪声与干扰源?反变换器?信宿?部分组成?一对信源和信宿之间仅提供单向信息传递?如图?和图?所示?需另有一套相同系统传递反向信息才构成双向系统?图?典型模拟单向通信系统模型图?典型数字单向通信过程航空通信系统一般供多用户使用?可以是点对点?也可是点对多点通信?常采用?方式激活接入?这样有益于发话者周围的用户都能收听到信息?第?章?航 空 通 信?航空通信新技术航空通信追求占用消耗最少的资源实现最多或最快信息的准确传递交换?与之相关的新兴技术正是围绕该目的针对整个通信链路的各个环节挖潜创新展开研发?它们都
6、建立在数字技术基础之上?并充分受益于计算机及自动化技术?涉及信源信道编码调制?终端处理软件化?互联网络化?异构网络融合智能化?多收发天线?技术?超宽带?超窄带技术等?下面做概述性介绍?数字技术数字电子电路技术出现至今已半个多世纪?概念虽然不新?但却是通信技术迅猛发展的奠基石?数字通信与模拟通信的本质区别在于?前者以统计判决理论为基础?以码元或码字错误率来度量其信息传递质量?后者以参量估计为理论基础?其信息传递质量以输入和输出波形之间的方均误差或输出信噪比来度量?数字电台通过无线信道传递比特形式的信息?数字调制将比特映射为模拟波形后经过无线信道传输?而解调则是根据信道输出的信号估计发送的比特序列
7、?数字信号处理技术和相应硬件?软件技术的发展使得当前数字电台比模拟电台更廉价?速度更快?频谱效率更高?纠错抗扰能力更强?多址接入更高效?安全保密性更好?利用数字技术很容易实现多电平高阶调制?如?极大地提高了频谱使用效率?减小占用频率带宽?这是模拟技术所不可想象?难以达到的?当然多电平高阶调制对应着大而密集的星座图?使接收易受噪声?衰落?硬件缺陷等的影响?实际设计时需综合考虑相关因素?数字技术的发展和成熟才使下面的各种通信新技术成为可能?嵌入式数字处理器数字计算机的迅猛发展和普及?使通信设备广泛采用嵌入式数字计算机实时处理控制技术成为可能?嵌入式数字处理器由通用?演变而来?只保留与实时应用紧密相
8、关的功能硬件?去除其他无关和冗余功能部分?其?存储?接口等核心部分装配在专门设计的芯片上?具有较好的气候?电磁环境适应性和可靠性?以较低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求?硬件平台从早期兆赫兹速率?千字节容量?的?位单片机?到今天的吉赫兹速率多核并行处理?吉字节?和?字节海量存储容量的嵌入式实时处理器?系统?从通用数字信号处理器?到大规模专用集成电路器件?再到功能灵活软硬件结合的现场可编程逻辑门电路阵列?等器件?应用领域从广泛通用的数据采集?自动控制到专门复杂的数字信号运算处理?并继续快速扩张?软件无线电传统的模拟体制航空电台基于硬件?面向用途?功能单一?灵活性差?一般由若干特定功能的硬件电路
9、模块组合而成?典型接收通道模块功能有?前端?下变频?中放滤波?解?现代通信新技术第?版调?信道解码?信源解码?典型发射通道模块功能有信源编码?信道编码?调制?上变频?功放滤波?软件无线电以数字电子电路技术和数字信号处理技术为基础?以通用?标准的硬件平台为依托?采用可选软件配置改变硬件的配置架构?运行不同软件实现电台各种功能?软件无线电力求最小化模拟硬件环节?把数字化处理?和?转换?尽量前移靠近天线?把许多原本由硬件完成的功能现改由选择软件配置来实现?软件无线电电台主要有天线?模拟射频前端?数字信号处理几大部分?见图?射频前端一般覆盖?甚至?波段?发射时主要实现上变频?滤波?功放等功能?接收时主
10、要完成滤波?放大?下变频等任务?其中宽带?线性?高效是关键和难点?转换既要有足够高的带宽?以适应频率高达吉赫兹的模拟信号的数字化?又要有足够的速率和转换位数?以适应?以上的幅度变换?数字信号处理包括数字上?下变频?调制解调?各种抗干扰?衰落自适应均衡算法?检错纠错?帧调整?位填充?信源?信道编码?加密等功能?一般由通用数字处理器?和可编程逻辑器件?或专用集成电路?的组合来实现?这两类器件各有优点?相对高速?实时性好?则相对灵活?便于重构?图?软件无线电结构框图软件无线电的基本架构按对?器件性能要求的高低分为三种?射频低通采样结构?见图?射频带通采样结构?见图?宽带中频带通采样结构?见图?它们对
11、应着对模拟信号数字化的低通和带通采样的三种方法?软件无线电也基本按这三个层次基本架构逐步发展提高?随着数字化及其处理器件?的性能提升?模拟电台从信源模块向天线逐步数字化演变成为可能?首先中频以下数字化得以实现?基带信号在数字域处理?形成所谓的模数混合电台?随后是中频部分的数字化?并不断向天线端上移?最终必将实现除天线外全数字化的软件无线电电台?图?射频低通采样软件无线电结构?第?章?航 空 通 信图?射频带通采样软件无线电结构图?宽带中频带通采样结构?自适应收发技术航空通信一般在时变信道中进行?自适应收发技术可以增加其信息传输的可靠性和频带利用率?其基本思路是在接收端估计信道?即实时估计接收信
12、号的功率增益或信噪比?然后将估计结果反馈到发送端?发送端根据信道的特性和用户要求调整最佳发送方式?即相应调整控制调制和编码的参数?可调参数通常可是发射功率?信息速率?编码参数?相对非自适应系统而言?后者是按照最坏情况设计的?为了在信道条件变得很差时也能维持可接受的性能?需要预留一固定的链路余量?该余量通常高达?以上?如瑞利衰落就常引起该数量级的信号功率损失?所以按最坏情况进行的设计必然导致非常低效的资源消耗?自适应方式恰克服了此缺点?例如在信道条件好时会自动提高数据传输速率或降低发射功率?在信道条件差时反向调整?从而提高平均信息吞吐量?降低条件发射功率?或降低平均误码率?总之自适应技术会自动针
13、对信道条件?在可用资源的约束下?按用户关心?期望的性能?实时改变信息传输参数?以获得最优性能或最大效益?非常灵活高效?自适应技术主要有以下几种?速率控制技术?根据信道增益控制发送的数据传输速率?一般采用固定码元速率方式?改变调制方式或星座大小?具体实现相对容易?也可固定调制方式而改变符号速率?当然这样会引起带宽的改变?使频带共享的问题复杂化?功率控制技术?单纯的功率控制一般是为了补偿衰落引起的信噪比变化其目标是维持一个固定的误比特率或者说是维持一个固定的接收信噪比?这种功率自适应方案实际是实时抵消了信道的衰落?使得调制器和解调器之间的信道如同时不变加性高斯白噪声信道?现代通信新技术第?版?差错
14、控制技术?亦称错误率控制技术?在给定平均误比特率?的条件下?控制调制瞬时误比特率?衰落信道中的瞬时错误率随接收信噪比的变化而变化?瞬时错误率的控制实际是通过其他形式的自适应技术间接实现的?比如可以调整功率?调制方式?星座大小等参数?编码控制技术?自适应编码通过不同的信道编码方式对传输信息比特提供不同的编码增益?当信道增益比较低时使用纠错能力强的编码?信道增益高时使用纠错能力弱的编码或者不编码?由于系统复杂度或功率峰均比等因素?调制方式必须固定时?自适应编码技术非常有用?靠调整编码的冗余量来适应信道变化?自适应编码的一种实现方式是设计多个不同纠错能力的编码器?不同信道条件时连接到不同的编码器?但
15、这些编码器的码字长度或约束长度大致不变?以维持固定信道带宽?另外使用?凿孔?技术的码率兼容凿孔卷积码?是另一种简单有效的方式?所谓?凿孔?就是不发送编码结果中的某些比特?改变编码比特的个数来调整编码的纠错能力?码基于同一个编码器和译码器的一族不同码率的卷积码?具有码率兼容性?纠错能力弱的高信息码率码的编码比特也包含在所有纠错能力强的低信息码率码中?发送端适当凿孔就可以达到所需差错保护能力?的译码器按最低码率用维特比算法译码?对于高码率?译码器在计算分支度量时考虑发送端凿掉的编码比特?混合控制技术?混合自适应技术按需同时控制调整多个发送参数?包括速率?功率?编码?调制?误码率等?提供不同参数的联
16、合优化达到预期的性能?比如自适应速率常与自适应功率组合起来以优化频谱效率?同时控制数据传输速率和误码率可以有效降低发射功率等?自适应收发技术的实际应用也存在一定限制?首先发送端和接收端之间必须有反馈通道?增加信息传输系统的资源开销?这对某些系统是不允许?不可行的?其次如果信道变化的速度快于信道估计?反馈的速度?自适应接收的性能将会很差?还需要采取对快衰落进行平均的对抗措施?最后自适应技术在平均功率约束下?为了最大化频谱效率?经常改变传输速率?而当信道条件很差时数据传输速率可能会调到很小甚至为零?这对于有硬性时延要求的固定速率业务来说性能将受到严重影响?如语音和视频?因此对于有时延约束的应用需针
17、对固定传输速率来优化调整参数?数据链和数据网络所谓?数据链?是指利用数字技术专门传递数据的点对点通信链路?它是在模拟通信系统已不能满足实际使用要求?针对其性能单一固定?低效?复杂等一系列缺点发展起来的?由于一般模拟信息?如话音?图像?视频流都可以数字化?所以数据链实际可以传递几乎所有形式的信息?与模拟通信相对的数字通信是质的飞跃?通信系统的数字化是其前提条件?按功能划分?数据链?通信系统有图?所示?数据终端设备?传输信道?数据电路终接设备?几部分?数据终端设备?完成数据的输入?输出和集中?分配?在传输信道是模拟信道时?的功能是把?送来的数据信号变换为模拟信号?这就是?在传输信道是数字信道时?的
18、功能是进行码型变换以使信号适合于在信道中传输?进行电平变换?信道通信均衡?同步时钟信号形成?差错控制?控制接续的建立?连接保持和拆断?维护测试等功能?进行数据通信需要执行一定的规则?对信源和信宿之间传输的数据进行时间?顺序等控?第?章?航 空 通 信图?数据通信系统组成制?以保证数据信息的正确发送和接收?这种通信操作规则就是数据链通信控制规程?其目的是在物理电路上建立起相对无差错的逻辑链路?它通常涉及开放系统互联?参考模型七层协议中最底层的物理层?数据链路层和网络层?对于单点对多点?多点对多点通信的情况?需要多条数据链路分时或更多是同时传递信息?即多用户之间需要组网通信?这就是所谓?数据链网络
19、?简称数据网?在构成通信网络的各互联传输支路通道的交汇节点处必须有交换设备?它们除了完成数据交换?还有数据收发?存储?处理?路由等功能?常见的交换设备工作方式有电路交换?报文交换?分组交换?异步传输模式?交换?后三种方式都是以存储转发交换为基础的?电路交换方式包括传统电路交换?多速率电路交换?快速电路交换?分组交换包括一般分组?帧交换?帧中继?快速分组交换?电路交换可以是频分多址?或时分多址?的?每完成一次完整操作都要经过连接建立?连接保持和连接拆除三个阶段?即在信息发送者和接收者之间建立一条临时专用的物理连接通路?通信完毕后拆线?一旦连接建立?不论通信双方是否在传递信息?信道及有关系统资源都
20、一直被占用?因不对用户信息进行误码校正等处理?交换处理非常简单?所以信息传递时延非常小?传输速率较高?适用于话音?图像等实时性要求高的业务?是目前固定电话网的基本交换方式?主要缺点有连接通路占用时间长?线路资源利用率低?模拟电话通话间隙?停顿的电路空闲时间超过?计算机人机交互的空闲时间更高达?以上?传统电路交换的周期性使得信道速率只能取某些特定值?不能适应多种速率业务的接入要求?多速率电路交换是其改型?一个连接可以占用多个基本信道?可以基本信道速率整倍数的速率传递数据?快速电路交换适用于具有突发特性的信息传递?只在发送信息时才分配网络资源?不发送时就释放资源?在呼叫建立时?用户发出一个带宽为基
21、本速率某个整数倍的连接申请?系统将所需带宽?目的地等信息存入交换机?且在信令信道中分配一个信头表示此连接?当信源开始发送数据时?信令中的此信头就指示信道有数据发送?要求交换机立即分配必要的所需资源?这要求交换机能高速处理大量信令?报文交换和分组交换采用无物理连接操作方式?信息发送者不必先与接收者建立物理连接?而仅在逻辑信道上建立虚拟电路的连接?数据从信源发出时假设信源可用并可接收信息?待发信息按需可划分成多个一定长度的分组?每个分组都有其发?收地址?序号?差错控制等信息?结束尾标记和信息正文?数据传输途径的每个节点交换机必须检查每一个数据组的路由?现代通信新技术第?版标记?以决定是否接收暂存?
22、检验纠错或重发控制等处理或丢弃该数据组?如需继续路由就进入队列等待?一旦数据链路有空就向下一个节点转发?随着网络状态变换?这些分组数据可以从发送者通过不同节点?不同路径?无论前后次序动态路由至接收者?报文交换与分组交换的区别在于它把整个报文作为一个数据分组单位?其特点是整个报文一次全部路由转发?较大数据量处理要求较高网络资源?有可能导致报文传递较长延迟时间?分组交换则根据时延和开销等性能要求?把待传数据拆分成长度更短且固定?格式统一的若干报文分组?以分组为单位进行交换?传输?处理?节点交换机收到一个分组后就暂存起来?再根据分组内的地址信息?中继链路的忙闲?选择一条最佳路由把分组传送给下一交换机
23、?如此一直传送到收信终端?并由其将所有分组数据重新装配恢复原信息?由于每个分组携带地址?控制信息?可在网络中独立传输?可以以分组为单位进行流量控制?差错控制?路由选择等通信功能处理?分组交换相对报文交换减少了节点所需存储容量?大大缩短了网络时延?对突发性业务有良好的适应性?分组间转接交换技术的功能规约相当复杂?有赖于利用计算机?应用软件进行交换控制处理?使得数据传输速率受到较大限制?随着数字信号处理技术和元器件硬件?智能终端的发展普及?交换节点间的协议有可能大为简化?相继开发出新分组交换技术?第二代?帧交换和第三代?帧中继?帧中继免去了节点交换机差错恢复和流量控制两大负担?只实现?链路层的核心
24、功能和物理层功能?从而传输速率更高?吞吐量更大?时延更小?具有以下特点?信息在传输过程中如有差错只做检测而不纠正?差错控制任务留给传输相当两端的智能终端设备去处理完成?节点交换机处理过程大为简化?显著减少了分组数据在传输过程中的排队和等待数据?大大加快信息传输过程?最高传输速率达兆比特?秒量级?能在单一物理传输信道上对多条虚拟电路进行统计复用和分接?把多个数据流随机组合和分离?当一条逻辑信道出现突发信息且带宽不够时?可以使用另一逻辑信道的空闲频带?更有效利用信道频带宽度?每对用户动态?暂时?共享地占用信道?而不是固定?长期?独占资源?各对用户的数据交织传输?它们的编码方式?传输速率?通信协议等
25、均可不同?因此网络为帧中继付出的时间开销和空间开销都较小?是融合了电路交换和分组交换的交换技术?避开了它们的缺点?以固定长度?的短分组?信元?为数据基本传输单元?信头?净荷?信头中有?流量控制段?虚通道标识?虚通路标识?净荷类型?信元优先级?误码控制?标准化的信元使采用硬件电路高速对信头进行识别?复?分接和交换处理成为可能?信元动态占用非固定信道而不是像?中的时隙周期性占据固定信道?利用统计复用技术?动态使用传输和净荷资源?带宽分配非常灵活?可以适应数百兆比特?秒以内各种速率业务?且业务种类与复用设备荷净荷设备的类型无关?简化了分组交换的许多通信规程?去掉了误码和流量控制?消除了在网络节点间传
26、输的状态信息?采用类似电路交换中面向连接的呼叫接续控制方式?在通信前必须先在发送端和接收端之间建立起虚通路连接?网络根据用户要求?如峰值比特率?平均比特率?信元丢失率?信元时延和信元时延变化率等指标?分配?和相应带宽?设置相应路由?当该用户没有信元发送时?其他用户可使用这个用户的带宽?但其虚通路?虚通道连接依然保持?以上这些措施提高了?交换机的处理能力?增加了网络的吞吐量?减小了信元传输处理时延?保证了交换的实时性?技?第?章?航 空 通 信术是宽带综合业务数字网?包括低时延一定错误容差要求的话音?视频流业务和相对的低误码一定时延容差要求的数据业务?的核心技术通信结构?也正逐步在无线信道网络中
27、得到应用推广?但是要求高质量信道和低数据误码率是数据网络采用?技术的一个重要条件?认知无线电认知无线电?技术的核心思想是通信系统具备学习智能?能与周围环境交互信息?以感知和利用在该空间的可用频谱资源?并限制和降低冲突的发生?泛指任何具有自适应无线电频谱意识能力的技术?或更确切定义为基于与操作环境的交互而能动态改变其发射参数的技术?即具有环境感知和参数自我修正的功能?通信系统有了足够的人工智能?就能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行适配的响应?过去的经验包括对死区?干扰和使用模式等的了解?这样?就可能赋予无线电设备根据频带的可用性?位置和过去的经验来自主确定采用哪个频率的智能功能?通过在宽频带
28、上可靠地感知频谱环境资源?探测合法的授权用户?主用户?的出现?自适应地占用即时可用的本地频谱?同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰?技术涉及频谱感知?频分复用?动态频率选择和功率控制?频谱资源共享和分配等领域?由于无线信道状态和干扰是随时间变化的?所以?设备必须具有较高的实时快速调整的灵活性?目前在频谱政策管理部门的带动下?一些标准化组织先后制定了若干标准以推动?技术在多种应用场景下的发展?例如?工作组对基于?的无线局域网络?的空中接口标准?将分配给广播电视的?频带的空闲频道有效地利用起来?工作组正在着手制定?版本标准?致力于改进如策略?增强等机制以确保基于?的免授权系统之间?与授权系统
29、之间的共存?也称为频谱捷变无线电?机会频谱接入无线电等?是基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究的?显然?的研究正向认知无线网络渗透?包括网络协议的感知?识别?重配置等方面?技术在实际工程中实现的前提条件是有适应的软件无线电平台?异构网络融合一体化管理及智能网络目前在用的通信网络种类繁多?按用途?功能?特征等不同的分类可划分为有线网络?无线网络?固定网络?移动网络?广域网?城域网?局域网?个域网?公共网络?专用网络?电信网?互联网?广播电视网?物联网?民用网?军用网?平面通信网?航空通信网?卫星通信网?个人战术通信网?区域集群通信网?全球战略通信网?长波?中波?短波?超短波?微波?毫米
30、波?光波通信网?诸如此类?不一而足?它们各司其职?各有其长?成功地担负着所设计赋予的通信任务?但也多多少少存在某些缺陷和不足?原因是单一网络设计不可能过于复杂庞大面面俱到?结果只能是或功能单一?或覆盖范围有限?或容量小速率低等?建立这些数量庞大?涉及面广泛的现有通信网络?已经花费了大量的财力物力?全部推倒重来不现实?如何将这些宝贵资源综合挖潜利用?充分发挥各自特征?优势互补?正是异构网络融合的目标?异构网络融合的实现可从基站和用户终端两方面着手?思路?改造基站?使异构网络的基站之间联网互通?各类网络用户可以由各自基站接入并通过基站网络转换与异构网的用户通信?用户终端基本保持不变?改造升级基站?
31、近期工程可行性强?思路?升级用户终端?现代通信新技术第?版进一步引入?技术?使异构网的基站与用户可以互通?非授权用户见缝插针地利用空闲的授权资源?提高融合深度?用户终端改造升级?重新研制?技术升级更彻底?分集技术信号衰落是影响无线通信质量的主要因素之一?具有指数型功率概率密度的短期快衰落深度可达?该现象在移动通信?航空通信中尤为突出?利用增加发射功率?天线增益等方法来弥补如此大的深衰落?其代价昂贵效率低下?而分集技术则是相对较好抵抗信道深?快衰落损耗的解决途径?但是反映信道媒质整体变化的长期衰落效应会同时影响所有分集支路?因此不能以分集技术来补偿解决?分集技术实质是?在无线传播环境中通过提供同
32、一信号的多个准独立样本?利用传送副本之间的准不相关性?各传输支路一般不会同时出现深衰落?使用专门技术把各支路不同衰落的信号取长补短合并得到最大有用能量?便可在接收终端大大降低深衰落概率从而提高正确判决率?它是一项如何充分利用传输过程中多径信号能量及参量在时域?频域?空域中?如何分散开又收集起来的技术?包括?分?与?集?一对矛盾的两个方面?一是分散发送传输携带同一信息?衰落不等的多个统计独立信号副本?二是集中处理线性合并这些不相关副本?从中选取幅度大?信噪比高的部分合成最佳总接收信号?减小信道衰落影响?获取分集效果的最关键条件是各信号副本之间不相关的统计独立?分集技术显然有发射分集和接收分集两大
33、类?而根据电波传播的机理和涉及的空间?时间?频率?相位和编码等多种资源及其相互组合?也可大致分为以下几种?空间分集?频率分集?时间分集?极化分集?场分量分集?角度分集?多径分集?法?站址分集及其混合分集等?空间分集指在两个或以上不同位置上接收同一信号?利用场强随空间的随机变化而实现?接收点间距越大信号传播差异越大?接收场强矢量族的相关性越小?一般两天线间距大于半波长即可有不错的分集效果?实践中最简便的方法就是采用多个分开的发射和接收天线?即也有空间发送分集和空间接收分集之分?接收分集一般在与入射波方向垂直平面上配置多副接收天线?空间分集的优点是分集增益高?缺点是接收设备甚至发送设备多重配置?频
34、率分集把待发信息调制在两个或以上一定频率间隔的载波上同时发送和接收?利用信道对不同频率信号有不同衰落的统计不相关性?实现抗频率选择性衰落的功能?所谓频率不相关的载波是指频率间隔大于频率相干区间?即载波频率间隔?大于信道相干带宽?或最大多径时延?倒数?载波频率间隔?越大?两信号衰落的相关性越小?频率分集的缺点是占用较多频率资源?设备多重配置?极化分集在发送端和接收端都用两个正交极化位置很近的天线?得到极化正交的两路衰落特性不相关的同一信号?达到空间分集收发的效果?极化分集是空间分集的特殊情况?其分集支路只有?路?优点是收发信机几乎无需改变?天线结构紧凑节省空间?缺点是分集增益取决于天线交叉极化的
35、隔离度?一般低于位置分离分集接收?且发射功率分配给两副天线造成?信号功率损失?场分量分集通过发送和接收携带同一信息的电磁矢量场的各场分量?利用正交场分量的衰落不相关特性?获得分集效果?与极化分集类似?角度分集使携带同一信息的电磁波以不同角度通过不同路径发送传输?而接收端用相应尖锐定向天线分离来自不同方向的信号?利用各路信号的相互独立衰落特性?实现角度分集?第?章?航 空 通 信时间分集是在相隔甚宽的时间区间上多次重发同一信息?只要发送间隔时间足够大?则各次重发的电平衰落基本上就是独立统计取样互不相关的?这些重发的任何合理的合并都获得了对衰落而言的分集增益?即利用时间上衰落统计特性的差异来实现抗
36、时间选择性衰落的功能?为保证重发信号具有独立的衰落特性?重发间隔时间?应大于信道相干时间?或最大多普勒频移?的倒数?即一般要比平均衰落速率的倒数大?重发间隔时间?越大?重发信号衰落的相关性越小?时间分集对于非移动通信没有效果?时间分集的优点是不靠多重配置设备获得分集增益?缺点是重发占用时隙资源开销增大?降低了传输效率?时间分集在收发两端均需存储信息?重发信号的分集合并对数字传输要比对模拟传输简单得多?所以多用于数字传输?交织等检验纠错编码以增强误码控制能力得概念?可以看做是应用时间分集得一种形式?多径分集是发送信号携带有特定的时间基准指示标记?且频带足够宽?多径可以看做产生的一系列回波?来自多
37、径结构不同途径独立统计衰落的分量?可以在接收过程中分离?合并?这样的多径分集是雷克?接收技术的一种解释?其中时基的?标记?由宽带伪白噪声波形来完成?在发送端用伪随机码调制待发信源符号?根据伪随机码尖锐的自相关性?只要选取的码片持续时间小于两条不同传播路径最小相对时延差?就可在接收端用?接收机分离各路径?实现信号多径分集?接收合并技术?接收端得到若干相互独立的分集支路信号后?需通过合并技术获取分集增益?从合并发生的位置来看?可以在检波器之前?即在射频和中频上合并?多在中频?也可在检波器之后?即在基带上合并?常用线性合并准则和方法有?种?最大比值合并?等增益合并?最佳选择合并?和切换合并?最大比值
38、合并?对各分集支路调整相位?按适当的可变增益系数加权再相加后送入检波器进行相干检测?用最大似然检测法即可还原发送端的原始信息?可变增益加权系数为各分集支路信号的信噪比?过程简单易实现?合并分集增益与分集重数成正比?等增益合并?也称相位均衡?只对信道的相位偏移进行调整而不调整幅度?它的输出结果是各支路信号幅值的叠加?不改变系统的信噪比?在不便测量信号幅度时选用?分集重数较大时等增益合并与最大比值合并仅差?左右?等增益合并设备更简单?最佳选择合并?各分集支路的输出信号先送入选择逻辑?从中选取最高基带信噪比的作为输出?每增加一条分集支路?对选择式合并输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍?切换合并
39、?也称扫描合并?接收机扫描所有分集支路?选择信噪比在特定的预设门限之上的特定分支?在该信号的信噪比下降到所设的门限值以下之前?选择该信号作为输出?当信噪比低于设定的门限时?开始重新扫描切换到另一分支?由于并非连续选择最好的瞬时信号?因此比选择式合并可能要差些?但不需要同时连续不停监视所有的分集支路使得此法更简易得多?和?的输出都是只等于所有分集支路中的一个?也不需知道信道状态信息?因此它们既适用相干调制也适用非相干调制?以上?种合并方式均是线性的?其中?性能最好?性能最差?设备复杂度则相反?原则上线性合并是适用于无失真模拟传输接收的唯一方式?但对于串行的数字数据流的接收?则可采用其他有效处理方
40、法?如将匹配滤波器的概念推广到确定最佳分集合并技术上?其中?现代通信新技术第?版平方律合并应用较多?多天线?技术多输入多输出?技术是近年无线移动通信中一个重大突破?其显著特征是发送端和接收端配置有多副天线?所以也称为?多天线?它的核心思想是空时信号处理?即在常规时间维的基础上?通过使用多副收发天线来增加空间维度?从而实现空时多维信号处理?获得空间复用增益和空间分集增益?系统传输的信息通过的是矩阵信道而非普通矢量信道?把多径信道作为有利因素加以利用?与发送?接收视为一个整体进行优化?为改善性能或提高速率提供了更大的可能?技术充分利用空间资源?在不增加通信系统带宽和天线总发射功率的前提下?利用空间
41、复用增益成倍提高信道容量?或利用空间分集增益提高信道传输可靠性降低误码率?有效对抗无线信道衰落的影响?大大提高了频谱利用率和信道容量?空间复用?可以提高频谱利用率或数据传输速率?将高速信源数据流按照发送天线数目串并变换为若干并行子数据流?独立进行编码?调制?然后分别从各发送天线发射出去?这些射频信号占用相同的频带?经过无线信道后相互混合?接收端按对应的译码算法分离独立的数据流并给出其估值?据发送端对输入串行数据流进行分路方式的不同?空间复用方案主要有采用分层空时编码?技术的?系统?垂直?对角?和平行?空间分集?提高数据传输性能质量?来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本?相互补偿各自遭
42、受的深衰落?在任一给定时刻至少保证有强度足够大的信号副本供使用?使数字系统误码率减小?模拟系统信噪比提高?接收分集使用多副接收天线?用适当方式对每副天线得到的信号副本进行合并?使组合后的有用信号能量最大化?发送分集使用多副发射天线?为在接收端将多根天线发送且混叠后的信号分离?在发送?接收端都要进行空间和时间上的空时编码处理?以增加信号在时间上的冗余度?所以发送分集增益的获得是以牺牲传输速率为代价的?较接收分集更难实现?基于发送分集的空时编码技术主要有空时分组码?和空时网格码?两大类?前者只有分集增益但编译码简单易于实现?后者可同时获得分集增益和编码增益?但译码复杂度随分集重数和发送速率的增加呈
43、指数增长?天线工程中的智能天线赋形波束技术是实现空间分集的强力手段?通过调整组合诸天线元激励的幅度?相位的天线阵列和相控阵技术?可形成期望方向的窄波束?扇区化?多波束和零波束?自适应调零?天线的方向性可以增加作用距离?覆盖范围?减轻时延扩展和平衰落以及抑制用户间干扰?进一步获得天线方向性增益和角度分集增益等?可见通过多副收发天线在同一频带传输的射频信号?经过无线信道后必定相互混合?要想在接收端能够有效分离出各路独立数据流?在收发两端必须采用合适的空时编码技术?把编码?调制和分集有机结合起来?达到既实现信息分离又获得分集增益和编码增益的目的?所以空时编码是多天线?工程化的关键技术环节?上述的空时
44、分组码?空时网格码?和分层空时码?均要求在接收端已知信道的?故对信道估计有严格的要求?为此有一种基于差分方式的在接收端无须知道信道?的差分空时码?通常认为?发送?分集与空间复用是相互排斥的?但实用中却希望能在?信道上通?第?章?航 空 通 信过高速矩阵传输而同时达到较高的符号速率和分集增益?线性弥散码?非正交矩阵调制?等方法迎合该要求?它们是在空时编码的基础上?以牺牲一定正交性为代价?结合了空间复用和发送分集的一种空时映射?方案?空间复用技术通过增加系统的自由度?追求频谱效率的极大化?或说传输速率的极大化?但不适用低信噪比环境?空间分集技术追求分集增益极大化?或说传输性能质量的极大化?却会使传
45、输速率损失?因此?系统需要在编码处理中得到的分集好处与复用得到的速率好处之间折中权衡?这是数据传输速率?错误率和复杂度的折中?根据不同的目标要求采取相应的方案?例如按信道条件的权衡?当信道条件差时多用一些天线作分集?当信道条件好时用更多的天线作复用?在衰落系数连续?个符号保持不变的慢衰落信道中?分别使发送?接收天线数目?极大化空间分集增益为?极大化空间复用增益为?它也是信道所能提供的最大自由度数?系统的信道容量?设?系统使用?副发送天线?副接收天线?第?副发送天线发射信号为?第?副接收天线收到的信号是?第?副发送天线到第?副接收天线之间的信道速率系数是?系统模型如图?所示?图?副发送天线?副接
46、收天线的?系统模型单输入单输出?系统就是以往常规通信系统?使用单根天?现代通信新技术第?版线发送?单根天线接收?传输信道容量满足加性高斯白噪声带限香农公式为?()?单输入多输出?系统是单天线发送?多天线接收的系统?也即接收分集系统?接收端采用最大比值合并时传输信道容量为?()?接收端采用最佳选择合并时传输信道容量为?()?多输入单输出?系统是多天线发送?单天线接收的系统?也即发送分集系统?传输信道容量为?()?系统对于正交并行信道的传输容量为?()?这里?时?时?当?时?有?信道容量与信噪比?成线性增长?而不像香农公式那样依对数增长?注意如不采用正交并行多信道?仅用一个信道?且总发射功率保持不
47、变?那么信道容量将是?也是依信噪比?成对数增长?因此?系统将发射功率平均分配到?个统计独立信道并以同一速率传输统计独立信号的简单方法?却可获得大得多的信道容量?无线电波恰好具备这种特性?需要强调说明的是?并非?系统的传输容量突破了香农定理?而是?系统使用了多条统计独立信道?对每条信道香农定理仍然成立?只不过这些统计独立信道不是显性的?表面看上去是一个信道?系统信道容量是?系统信道容量在矩阵信道下的扩展?理论分析证明在非频率选择平坦衰落信道中?对于相同发射功率和传输带宽?系统的信道容量可比?系统的高?多倍?大约随收发天线对数目线性增加?即可提供最小值?线性增加的容量?分别为发送?接收天线数目?系
48、统?技术的实质是频率分集?利用串并变换和正交性将信道分成若干正交的窄子信道?从时域看是展宽了信息符号的持续时间?变高速数据信号为并行低速子数据流?从频域看是将频率选择信道变为平坦衰落信道?在小于信道相干时间的时间间隔内?信道可视为线性时不变?把?技术和?技术有机组合使用?通过?调制把频率选择性衰落信道转换成一组并行非频率选择平坦衰落信道?再利用可显著提高平坦衰落信道容量的?技术来提高系统的信道容量?超宽带技术超宽带?是?世纪?年代后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术?它的?信号带宽大于?或相对信号带宽大于?这只是从?第?章?航 空 通 信信号带宽的角度来加以定义?有多种不同的实现
49、方式?最初始典型的实现方式是采用冲激脉冲?以占空比极低的纳秒?亚纳秒级间歇窄脉冲串而不是正弦波作为信息载体?通过对?量级脉冲前后沿?幅度?位置等参量直接调制?使信号具有?量级的带宽?这种超宽带冲激无线电?直接发射窄脉冲串?不再具有传统的射频?中频概念?其发射的信号既是基带信号?依传统无线电而言?又是射频信号?就通信频谱而言?信号的占用带宽由脉冲波形决定?发射天线通常还起带通滤波器的作用?近来涌现出不少新的?实现技术?最突出的是基于正交频分复用?的多频段调制方式?还可以采用常规窄带技术并行构造超宽带系统?的信号产生?信道特性?调制解调?信号同步和实际应用等各方面都与传统无线电有很大差别?在信号隐
50、蔽性?系统处理增益?多径分辨能力?数据传输速率?体积和成本等方面具有独特的优势?下面介绍主要优点?隐蔽安全性?发射占空比极低的窄脉冲串所需平均功率很小?能量又被分散在宽阔的频段上?发射功率谱密度极低?其信号电平甚至低于环境噪声?多被淹没在其他信号和噪声中?难以被非法用户检测到?低截获保密性好?另一方面又表现为对使用同频段其他传统通信设备基本无干扰?极利于频谱资源共享共存?强抗干扰性?具有高出常规抗干扰扩谱系统处理增益?以上的超高处理增益?信号的射频带宽与信息带宽之比?在相同信息带宽条件下?系统具备超强抗干扰能力?强多径分辨能力?最大多径传播时间差小于信息符号持续时间时?大量多径分量的交叠造成严