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1、第第2 2章章 3G3G关键技术关键技术移动通信信道移动通信信道2.1扩频通信系统扩频通信系统2.2数字调制技术数字调制技术2.3信源编码技术信源编码技术2.4 功率控制技术功率控制技术2.6信道编码技术信道编码技术2.5发送接收技术发送接收技术2.7 蜂窝组网技术蜂窝组网技术2.8随着社会的不断进步、经济的飞速发随着社会的不断进步、经济的飞速发展，对信息传输的需求越来越大，信息传展，对信息传输的需求越来越大，信息传输在工作、生活中的作用也越来越重要，输在工作、生活中的作用也越来越重要，“社会需求就是科学与技术发展的动力社会需求就是科学与技术发展的动力”，现代移动通信在经历了第一代模拟通信，现
2、代移动通信在经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统（以系统和第二代数字通信系统（以GSM和窄和窄带带CDMA为代表）之后，为适应市场发展为代表）之后，为适应市场发展的要求，由国际电信联盟（的要求，由国际电信联盟（ITU）主导协）主导协调，自调，自1996年开始了第三代（年开始了第三代（3G）宽带数）宽带数字通信系统的标准化进程。字通信系统的标准化进程。3G系统采用了无线宽带传输技术、复系统采用了无线宽带传输技术、复杂的编译码技术、调制解调技术、快速功杂的编译码技术、调制解调技术、快速功率控制技术、多用户检测技术、智能天线率控制技术、多用户检测技术、智能天线技术、蜂窝组网技术等。技术、蜂窝
3、组网技术等。本章重点介绍本章重点介绍3G的关键技术，主要包的关键技术，主要包括以下几方面的内容：括以下几方面的内容：移动通信信道移动通信信道扩频通信系统扩频通信系统数字调制技术数字调制技术信源编码技术信源编码技术信道编码技术信道编码技术功率控制技术功率控制技术发送接收技术发送接收技术蜂窝组网技术蜂窝组网技术2.1 2.1 移动通信信道移动通信信道信道是信号的传输介质，可分为有线信道是信号的传输介质，可分为有线信道和无线信道两类。信道和无线信道两类。移动通信中的各种新技术，都是针对移动通信中的各种新技术，都是针对无线信道的特点，优化解决移动通信中的无线信道的特点，优化解决移动通信中的有效性、可靠
4、性和安全性。有效性、可靠性和安全性。2.1.1无线电波的传播无线电波的传播 波波 段段波波 长长频频 率率主主 要要 用用 途途长长波波10km10km1km1km30kHz30kHz300kHz300kHz中波中波1km1km100m100m300kHz300kHz3MHz3MHz调调幅无幅无线电线电广播广播短波短波100m100m10m10m3MHz3MHz30MHz30MHz微波微波米波米波（VHFVHF）10m10m1m1m30MHz30MHz300MHz300MHz调频调频无无线电线电广播广播分米波分米波（UHFUHF）1m1m0.1m0.1m300MHz300MHz3GHz3GHz
5、电视电视、雷达、雷达、导导航、移航、移动动通通信信厘米波厘米波10cm10cm1cm1cm3GHz3GHz30GHz30GHz毫米波毫米波10mm10mm1mm1mm30GHz30GHz300GHz300GHz表表2-12-1无线电波分类无线电波分类从移动通信信道中的电波传播来看，从移动通信信道中的电波传播来看，可分为以下几种形式：可分为以下几种形式：（1）直射波）直射波（2）反射波）反射波（3）绕射波）绕射波（4）散射波）散射波2.1.2接收信号的接收信号的4种效应种效应移动通信信道有移动通信信道有3个主要特点：信号传个主要特点：信号传播的开放性，接收点地理环境的复杂性和播的开放性，接收点地
6、理环境的复杂性和多样性，以及通信用户的随机移动性。多样性，以及通信用户的随机移动性。无线电波有无线电波有3种主要传播形式：直射、种主要传播形式：直射、反射、绕射，在它们的共同作用下，接收反射、绕射，在它们的共同作用下，接收信号具有信号具有4种主要效应：阴影效应、远近效种主要效应：阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应。应、多径效应和多普勒效应。（1）阴影效应）阴影效应（2）远近效应）远近效应（3）多径效应）多径效应（4）多普勒效应）多普勒效应图图2-1 2-1 多径效应多径效应图图2-2 2-2 多普勒效应多普勒效应2.1.3接收信号的接收信号的3类损耗类损耗在移动通信信道的在移动通信信道的
7、3个主要特点和无线个主要特点和无线电波传播的电波传播的3种主要形式的共同作用下，接种主要形式的共同作用下，接收信号又具有收信号又具有3类不同层次的损耗：路径传类不同层次的损耗：路径传播损耗、大尺度衰落损耗和小尺度衰落损播损耗、大尺度衰落损耗和小尺度衰落损耗。耗。（1）路径传播损耗）路径传播损耗（2）大尺度衰落损耗）大尺度衰落损耗（3）小尺度衰落损耗）小尺度衰落损耗图图2-3 2-3 大尺度衰落和小尺度衰落大尺度衰落和小尺度衰落2.1.4移动通信中的噪声和干扰移动通信中的噪声和干扰在移动通信中，严重影响移动通信系在移动通信中，严重影响移动通信系统性能的主要噪声和干扰可分为四类：加统性能的主要噪声
8、和干扰可分为四类：加性白高斯噪声（性白高斯噪声（AdditionalWhiteGaussNoise，AWGN）、符号间干扰）、符号间干扰（IntersymbolInterference，ISI）、多址）、多址干扰（干扰（MultipleAccessInterference，MAI）和相邻小区（扇区）干扰）和相邻小区（扇区）干扰（AdjacentCell(Sector)Interference，AC(S)I），下面分别予以简要介绍。），下面分别予以简要介绍。（1）加性白高斯噪声）加性白高斯噪声 （2-1）（2）符号间干扰（）符号间干扰（ISI）图图2-4 AWGN2-4 AWGN信道信道（3）多
9、址干扰（）多址干扰（MAI）（4）相邻小区（扇区）干扰）相邻小区（扇区）干扰（AC(S)I）2.1.5移动通信信道的物理模型移动通信信道的物理模型 在实际研究工作中，移动通信信道可在实际研究工作中，移动通信信道可以分为以分为4种常用的信道模型。种常用的信道模型。（1）AWGN信道信道（2）阴影衰落信道）阴影衰落信道（3）平坦瑞利衰落信道）平坦瑞利衰落信道（4）选择性衰落信道）选择性衰落信道2.2 2.2 扩频通信系统扩频通信系统 CDMA是在扩频通信技术基础上发展是在扩频通信技术基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。2.2.1多址接入技术多址接入技术
10、 图图2-5 32-5 3种接入方式示意图种接入方式示意图1频分多址频分多址频分多址（频分多址（FDMA）是最成熟的多址）是最成熟的多址复用方式之一，它是基于频率划分信道，复用方式之一，它是基于频率划分信道，把可以使用的总频段平均划分为把可以使用的总频段平均划分为N个频道，个频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道。是一个通信信道。2时分多址时分多址时分多址（时分多址（TDMA）也是非常成熟的）也是非常成熟的通信技术。通信技术。TDMA是在同一载波上，将时间分成是在同一载波上，将时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干的时隙周期性的帧，每一帧再
11、分割成若干的时隙（每一帧和每个时隙都互不重叠），每个（每一帧和每个时隙都互不重叠），每个时隙是一个通信信道，分配给用户使用。时隙是一个通信信道，分配给用户使用。3码分多址码分多址码分多址（码分多址（CDMA）采用扩频通信技）采用扩频通信技术，每个用户分配特定的地址码，利用地术，每个用户分配特定的地址码，利用地址码相互之间的正交性（或准正交性）完址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。成信道分离的任务。CDMA在频率、时间、空间上可以相在频率、时间、空间上可以相互重叠。互重叠。由于由于CDMA系统采用扩频技术，与系统采用扩频技术，与FDMA和和TDMA相比，相比，CDMA具有如下独
12、具有如下独特的优点：特的优点：（1）系统容量大且有软容量的特性）系统容量大且有软容量的特性（2）可采用语音激活技术）可采用语音激活技术（3）抗干扰能力强）抗干扰能力强（4）软切换）软切换（5）可采用多种分集技术）可采用多种分集技术（6）低信号功率谱）低信号功率谱（7）频率规划简单，可同频组网）频率规划简单，可同频组网（8）保密性好）保密性好2.2.2扩频通信系统扩频通信系统1扩频通信和扩频通信系统扩频通信和扩频通信系统扩频通信，即扩展频谱通信，顾名思扩频通信，即扩展频谱通信，顾名思义是在发送端用某个特定的扩频函数（如义是在发送端用某个特定的扩频函数（如伪随机编码序列）将待传输的信号频谱扩伪随机
13、编码序列）将待传输的信号频谱扩展至很宽的频带，变为宽带信号。展至很宽的频带，变为宽带信号。送入信道中传输，在接收端再利用相送入信道中传输，在接收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，恢复到基带信号的频谱，从而达到传输信恢复到基带信号的频谱，从而达到传输信息、抑制传输过程中噪声和干扰的目的。息、抑制传输过程中噪声和干扰的目的。扩频通信系统是采用扩频通信技术的扩频通信系统是采用扩频通信技术的系统。系统。扩频通信系统有以下两个特点：扩频通信系统有以下两个特点：（1）传输信号的带宽远大于被传输的原始）传输信号的带宽远大于被传输的原始信号的带宽；信号的带宽
14、；（2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常为伪随机（伪噪声）编码此扩频函数通常为伪随机（伪噪声）编码信号。信号。2扩频通信的发展简史和应用扩频通信的发展简史和应用扩频通信技术起源于第二次世界大战，扩频通信技术起源于第二次世界大战，是基于军事领域的实际需要而产生的，目是基于军事领域的实际需要而产生的，目的是在敌方控制区内提供一种保密通信的的是在敌方控制区内提供一种保密通信的方法。方法。随着时间的推移和技术的发展，特别随着时间的推移和技术的发展，特别是信号处理技术、大规模集成电路和计算是信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，推动了扩频通信
15、理论、方机技术的发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和普及应用，法、技术等方面的研究发展和普及应用，使最初只用于军事领域的扩频通信系统越使最初只用于军事领域的扩频通信系统越来越广泛应用于卫星通信、个人移动通信、来越广泛应用于卫星通信、个人移动通信、雷达、导航、测距等领域。雷达、导航、测距等领域。3典型扩频通信系统框图典型扩频通信系统框图图图2-6 2-6 典型的扩频通信系统框图典型的扩频通信系统框图（1）信源和信宿）信源和信宿（2）编码和译码）编码和译码（3）扩频和解扩）扩频和解扩（4）调制和解调）调制和解调（5）无线信道）无线信道4扩频通信系统分类扩频通信系统分类（1）直接序
16、列扩频通信系统）直接序列扩频通信系统（2）跳频扩频系统）跳频扩频系统（3）跳时扩频系统）跳时扩频系统（4）线性脉冲调频系统）线性脉冲调频系统（5）混合扩频通信系统）混合扩频通信系统5扩频通信系统主要优缺点扩频通信系统主要优缺点扩频通信系统的主要优点如下。扩频通信系统的主要优点如下。（1）抗干扰能力强）抗干扰能力强（2）多址能力强）多址能力强（3）保密性强，抗截获、抗检测能）保密性强，抗截获、抗检测能力强力强（4）抗衰落能力强）抗衰落能力强（5）抗多径能力强）抗多径能力强（6）高分辨率测距）高分辨率测距2.2.3信道化码和扰码信道化码和扰码1基本概念基本概念（1）基本函数运算）基本函数运算如果二
17、进制数字信号用如果二进制数字信号用0或或1表示，是表示，是单极性码；如果用单极性码；如果用1表示表示0，1表示表示1，是双，是双极性码。极性码。单极性码的逻辑运算由模单极性码的逻辑运算由模2加实现，运加实现，运算规则是：算规则是：双极性码的逻辑运算由逻辑乘实现，双极性码的逻辑运算由逻辑乘实现，运算规则是：运算规则是：（2）相关函数）相关函数相关函数是任意两个信号之间的相似相关函数是任意两个信号之间的相似性的测度，分为周期相关函数和非周期相性的测度，分为周期相关函数和非周期相关函数两种，下面分别给出它们的定义。关函数两种，下面分别给出它们的定义。设两个长度为设两个长度为N的序列的序列a和和b，非
18、周期，非周期相关函数相关函数定义为：定义为：（2-22-2）周期相关函数周期相关函数定义为：定义为：,（2-32-3）其中其中表示逻辑运算，当表示逻辑运算，当a和和b是单极是单极性码时，性码时，表示模表示模2加；当加；当a和和b是双极性码是双极性码时，时，表示逻辑乘。表示逻辑乘。当当ab，和和分别被称为非周分别被称为非周期互相关函数和周期互相关函数；当期互相关函数和周期互相关函数；当a=b，和和分别被称为非周期自相关函分别被称为非周期自相关函数和周期自相关函数。简写为数和周期自相关函数。简写为和和。本书中的相关函数，如非特别声明，本书中的相关函数，如非特别声明，均指周期相关函数。均指周期相关函
19、数。（3）正交函数）正交函数正交函数是具有零相关特性的函数，正交函数是具有零相关特性的函数，则互相关函数为则互相关函数为0的两个序列是正交序列。的两个序列是正交序列。2CDMA系统中的扩频码和地址码系统中的扩频码和地址码在扩频通信系统中，决定系统性能的在扩频通信系统中，决定系统性能的主要因素是扩频函数。主要因素是扩频函数。理想的扩频码和地址码必须具备以下理想的扩频码和地址码必须具备以下特性：特性：（1）良好的自相关和互相关特性，即尖锐）良好的自相关和互相关特性，即尖锐的自相关函数和几乎处处为零的互相关函的自相关函数和几乎处处为零的互相关函数；数；（2）尽可能长的码周期，使干扰者难以通）尽可能长
20、的码周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列，确过扩频码的一小段去重建整个码序列，确保安全与抗干扰的要求；保安全与抗干扰的要求；（3）足够多的码序列，用来作为独立的地）足够多的码序列，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求；址，以实现码分多址的要求；（4）易于产生、复制、控制和实现。）易于产生、复制、控制和实现。目前常用的、较为理想的扩频码和地目前常用的、较为理想的扩频码和地址码有：址码有：（1）伪随机（）伪随机（PN）码）码（2）沃尔什（）沃尔什（Walsh）码）码（3）正交可变速率扩频增益码）正交可变速率扩频增益码3常用的较理想的码序列常用的较理想的码序列（1）伪随机（）伪随
21、机（PN）码）码伪随机码又称为伪噪声码，简称伪随机码又称为伪噪声码，简称PN码。码。伪噪声码是一种具有白噪声性质的码。伪噪声码是一种具有白噪声性质的码。平衡特性：在每一个周期内，伪随机序平衡特性：在每一个周期内，伪随机序列中列中0和和1的个数接近相等；的个数接近相等；游程特性：把随机序列中连续出现游程特性：把随机序列中连续出现0或或1的子序列称为游程。的子序列称为游程。相关特性：随机序列的自相关函数具有相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。类似于白噪声自相关函数的性质。（2）m序列序列m序列是一种伪随机序列，是由序列是一种伪随机序列，是由n级移级移位寄存器所能产生的周
22、期最长的序列，又位寄存器所能产生的周期最长的序列，又称最大长度序列。称最大长度序列。m序列是最长线性移位寄存器序列的序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。生的周期最长的一种序列。n级非退化的线性移位寄存器的组成如级非退化的线性移位寄存器的组成如图图2-7所示。所示。图图2-7 2-7 n n级非退化的线性移位寄存器的组成级非退化的线性移位寄存器的组成（2-42-4）（2-52-5）m序列的特性如下。序列的特性如下。随机特性随机特性m序列是一种伪随机序列，它具有如序列是一种伪随机序列，它具有如下下3个特性：个
23、特性：01分布特性分布特性游程特性游程特性位移相加特性位移相加特性自相关函数自相关函数 图图2-8 m2-8 m序列周期性自相关函数的波形图序列周期性自相关函数的波形图 功率谱密度函数功率谱密度函数 m码功率谱的几个特点：码功率谱的几个特点：m码的功率谱为离散谱，谱线间隔为码的功率谱为离散谱，谱线间隔为；m码的功率谱密度函数具有抽样函数码的功率谱密度函数具有抽样函数的包络，第一个零点在的包络，第一个零点在k=N处，即处，即第二个零点在第二个零点在2N处，即，即，依此依此类推，当推，当n为整数整数时，。图图2-9 m2-9 m码的功率谱密度示意图码的功率谱密度示意图m码的功率谱的宽度（通常定义为
24、第一个码的功率谱的宽度（通常定义为第一个零点处的频率）由码元的持续时间零点处的频率）由码元的持续时间Tc决定，决定，带宽带宽（单边），与码长（单边），与码长N无关。无关。m码的直流分量与码的直流分量与N2成反比，当成反比，当m序列长序列长度度时，直流分量时，直流分量，谱线间隔，谱线间隔，m码的功率谱由离散谱向连续谱过渡，码的功率谱由离散谱向连续谱过渡，伪随机码过渡到随机码。伪随机码过渡到随机码。互相关函数互相关函数m序列的自相关函数具有理想的双值序列的自相关函数具有理想的双值函数，而函数，而m序列的互相关函数是指长度相序列的互相关函数是指长度相同而序列结构不同的两个同而序列结构不同的两个m序列
25、之间的相序列之间的相关函数。关函数。（3）Gold序列序列 Gold序列是序列是R.Gold提出的一类伪随机提出的一类伪随机序列，它具有良好的自相关和互相关特性，序列，它具有良好的自相关和互相关特性，可以用作地址码的数量远大于可以用作地址码的数量远大于m序列，而序列，而且易于实现，结构简单，在工程中得到广且易于实现，结构简单，在工程中得到广泛的应用。泛的应用。R.Gold指出：给定移位寄存器级数指出：给定移位寄存器级数n时，总可以找出一对互相关函数最小的码时，总可以找出一对互相关函数最小的码序列，采用移位相加的方法构成新码组，序列，采用移位相加的方法构成新码组，其互相关旁瓣都很小，而且自相关函
26、数和其互相关旁瓣都很小，而且自相关函数和互相关函数都是有界的，这个新码组被称互相关函数都是有界的，这个新码组被称为为Gold码或码或Gold序列。序列。图图2-10 Gold2-10 Gold序列的移位寄存器乘积型结构图序列的移位寄存器乘积型结构图图图2-11 Gold2-11 Gold序列的移位寄存器模序列的移位寄存器模2 2和型结构图和型结构图码长码长N N=2 2n n 1 1互相关函数互相关函数值值（非（非归归一化）一化）出出 现现 概概 率率n n为为奇数奇数 1 1 0.50.5 0.50.5n n为为偶数，且不是偶数，且不是4 4的倍数的倍数 1 1 0.750.75 0.250
27、.25表表2-22-2 Gold Gold码序列的三值互相关函数特性码序列的三值互相关函数特性（4）Walsh序列序列 如果序列间的互相关函数值很小，特如果序列间的互相关函数值很小，特别是正交序列的互相关函数为别是正交序列的互相关函数为0，这类序列，这类序列称为第二类伪随机序列。称为第二类伪随机序列。Walsh序列是第二类伪随机序列。序列是第二类伪随机序列。Walsh函数是以数学家函数是以数学家Walsh的名字命的名字命名，他证明了名，他证明了Walsh函数的正交性。函数的正交性。Walsh函数是有限区间上的一组归一化函数是有限区间上的一组归一化正交函数集，可由哈达玛矩阵产生。正交函数集，可由
28、哈达玛矩阵产生。哈达玛矩阵哈达玛矩阵H是由是由+1和和1两个元素组两个元素组成的正交方阵。成的正交方阵。所谓正交方阵是指任意两行（或两列）所谓正交方阵是指任意两行（或两列）都是相互正交的。即都是相互正交的。即。哈达玛矩阵有如下两个性质：哈达玛矩阵有如下两个性质：哈达玛矩阵是对称矩阵，即哈达玛矩阵是对称矩阵，即；哈达玛矩阵的逆矩阵和哈达玛矩阵本身哈达玛矩阵的逆矩阵和哈达玛矩阵本身成比例，比例因子为成比例，比例因子为1/N，即，即。（5）正交可变速率扩频增益（）正交可变速率扩频增益（OVSF）码）码OVSF码与码与Walsh序列码很相似，不同序列码很相似，不同长度的码字很容易产生。长度的码字很容易
29、产生。由简单的电路就可以生成各种长度的由简单的电路就可以生成各种长度的码字。码字。它们可以排成如图它们可以排成如图2-12所示的码树结所示的码树结构。构。图图2-12 OVSF2-12 OVSF码树结构图码树结构图图图2-13 2-13 两个长度为两个长度为8 8，属于不同分支的码字同步时正交，属于不同分支的码字同步时正交图图2-14 2-14 两个长度为两个长度为8 8，属于不同分支的码字不同步时不正交，属于不同分支的码字不同步时不正交4信道化码和扰码信道化码和扰码在在3G系统中，扩频码和地址码主要可系统中，扩频码和地址码主要可以划分成如下以划分成如下3类：类：（1）用户地址码）用户地址码（
30、2）信道地址码）信道地址码（3）小区地址码）小区地址码5信道化码和扰码在信道化码和扰码在3G中的应用中的应用（1）cdma2000系统中信道化码和扰码系统中信道化码和扰码（2）WCDMA系统中信道化码和扰码系统中信道化码和扰码（3）TD-SCDMA系统中信道化码和扰码系统中信道化码和扰码图图2-15 2-15 扩频、信道化码和扰码的关系扩频、信道化码和扰码的关系2.2.4扩频通信技术扩频通信技术 1扩频通信理论基础扩频通信理论基础（1）香农公式。香农定理指出：在高斯白）香农公式。香农定理指出：在高斯白噪声信道中，通信系统的最大传信率（或噪声信道中，通信系统的最大传信率（或称信道容量）为称信道容
31、量）为（2-122-12）式中，式中，B为信号带宽，为信号带宽，S为信号的平均为信号的平均功率，功率，N为噪声平均功率。为噪声平均功率。若白噪声的单边功率谱密度为若白噪声的单边功率谱密度为No，噪，噪声功率为声功率为N=NoB，则信道容量，则信道容量C表示为表示为（2-132-13）由香农公式可以看出：由香农公式可以看出：要增加系统的信息传输速率，则要求增要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。加信道容量。信道容量信道容量C为常数时，带宽为常数时，带宽B与信噪比与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽可以互换，即可以通过增加带宽B来降来降低系统对信噪比低系统对信噪比S/N的要求，也可通
32、过增加的要求，也可通过增加信号功率，降低信号的带宽，这就为那些信号功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。功率的有效途径。当当B增加到一定程度后，信道容量增加到一定程度后，信道容量C不可不可能无限地增加。考虑极限情况，令，考查能无限地增加。考虑极限情况，令，考查C的极限值为的极限值为（2-142-14）（2）差错概率公式。信息传输差错概率公）差错概率公式。信息传输差错概率公式可表示为式可表示为Eb/N0的函数，即：的函数，即：Pe=f(Eb/N
33、0)（2-17）式中，式中，Pe为差错概率，为差错概率，Eb为二进制数为二进制数字信息比特能量（字信息比特能量（W/Hz），），N0是噪声单边是噪声单边功率谱密度（功率谱密度（W/Hz），），f为一个函数。为一个函数。设二进制数字信息码元宽度为设二进制数字信息码元宽度为T，则信，则信息带宽息带宽B为为B=1/T(Hz)。传输信号功率（二进制数字信息功率）传输信号功率（二进制数字信息功率）S为为S=E/T(W)。已扩频信号的带宽为已扩频信号的带宽为W(Hz)，则噪声，则噪声功率功率N为为N=N0W(W)。由上式可得信息传输差错概率公式为由上式可得信息传输差错概率公式为Pe=f(Eb/N0)=f(
34、STW/N)=f(S/N W/B)（2-18）上面公式指出，差错概率上面公式指出，差错概率Pe是传输信是传输信号功率与噪声功率之比（号功率与噪声功率之比（S/N）和传输信号）和传输信号带宽与信息带宽之比（带宽与信息带宽之比（W/B）二者乘积的）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的，同样函数，信噪比与带宽是可以互换的，同样增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。2扩频通信的主要性能指标扩频通信的主要性能指标（1）扩频处理增益）扩频处理增益处理增益处理增益G定义为频谱扩展后的信号定义为频谱扩展后的信号带宽带宽B2与频谱扩展前的信号带宽与频谱扩展前的信号带宽B
35、1之比，之比，即：即：（2-192-19）其中，其中，T1为信息数据脉冲宽度，为信息数据脉冲宽度，T2为为PN码的码元宽度，码的码元宽度，R1为信息速率，为信息速率，R1=1/T1，R2为为PN码的码片速率，码的码片速率，R2=1/T2。处理增益也可表示为处理增益也可表示为（2-202-20）式中，式中，(S/N)out为扩频解扩后的信噪比，为扩频解扩后的信噪比，(S/N)in为扩频解扩前的信噪比。为扩频解扩前的信噪比。在工程中，一般用对数形式表示即：在工程中，一般用对数形式表示即：（2-212-21）所谓干扰容限，是指在保证系统正常所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受
36、的干扰信工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的号比有用信号高出的dB数，用数，用Mj表示，有：表示，有：（2-222-22）（2）干扰容限）干扰容限其中，其中，Ls为系统内部损耗，为系统内部损耗，(S/N)0为为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比，噪比，G为系统的处理增益。为系统的处理增益。（3）频带利用率）频带利用率数据传信速率，简称传信率或比特率数据传信速率，简称传信率或比特率Rb，是指每秒传输二进制码元的个数，单，是指每秒传输二进制码元的个数，单位为比特位为比
37、特/秒（秒（bit/s）。）。频带利用率是反映数据传输系统对频频带利用率是反映数据传输系统对频带资源利用的水平和有效程度，定义为单带资源利用的水平和有效程度，定义为单位频带内的传信速率，常用位频带内的传信速率，常用 表示。表示。（2-232-23）3直接序列扩频通信系统直接序列扩频通信系统直接序列扩频（直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DS-SS）通信系统是用）通信系统是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参形相乘后，去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。量，来扩展传输信
38、号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。码序列。直接序列扩频通信系统的简化框图如直接序列扩频通信系统的简化框图如图图2-16所示。所示。图图2-16 2-16 直接序列扩频通信系统的简化框图直接序列扩频通信系统的简化框图在直接序列扩频通信系统中，通常对在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（载波进行相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）调制。）调制。图图2-17 2-17 发送端的扩频过程发送端的扩频过程图图2-18 2-18 接收端的解扩过程接收端的解扩过程2.2.5各种蜂窝系统容量比较各种蜂窝系统容量比较移动通信系统的指标有
39、移动通信系统的指标有3个：有效性、个：有效性、可靠性和安全性；前者属于数量指标，后可靠性和安全性；前者属于数量指标，后两者属于质量指标。两者属于质量指标。（1）每个小区可用信道数（）每个小区可用信道数（ch/cell）：它）：它表征每个小区允许同时工作的用户数；表征每个小区允许同时工作的用户数；（2）每个小区每兆赫可用信道数）每个小区每兆赫可用信道数（ch/cell/MHz）：它表征每个小区单位带）：它表征每个小区单位带宽允许同时工作的用户数；宽允许同时工作的用户数；（3）每小区爱尔兰数（）每小区爱尔兰数（Erl/cell）：它表征）：它表征每小区允许的话务量。每小区允许的话务量。1频分多址（
40、频分多址（FDMA）的蜂窝系统容量）的蜂窝系统容量对于对于FDMA系统来说，系统容量的计系统来说，系统容量的计算比较简单。算比较简单。FDMA方式是把通信系统的总频段划方式是把通信系统的总频段划分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配给不同的用户使用，在相邻频道间无明显给不同的用户使用，在相邻频道间无明显的串扰。的串扰。因此因此FDMA系统容量系统容量m的计算公式为的计算公式为（2-242-24）式中，式中，W为无线系统总带宽，为无线系统总带宽，N为区群为区群小区数，小区数，B为信道带宽。为信道带宽。每个载波信道又被分成每个载波信道又被分成M个时隙（时个时隙（时
41、分信道），所以信道带宽分信道），所以信道带宽B为载波间隔为载波间隔Bc/M。2时分多址（时分多址（TDMA）的蜂窝系统容量）的蜂窝系统容量TDMA方式是把时间分割成周期性不方式是把时间分割成周期性不交叠的帧，每一帧再分割成若干个不交叠交叠的帧，每一帧再分割成若干个不交叠的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信号；在接收端按不同时隙来区分出不同用号；在接收端按不同时隙来区分出不同用户的信息，从而实现多址通信。户的信息，从而实现多址通信。对于对于TDMA系统来说，系统容量的计系统来说，系统容量的
42、计算也比较简单。算也比较简单。TDAM系统容量系统容量m的计算公式为的计算公式为式中，式中，W为无线系统总带宽，为无线系统总带宽，N为区群为区群小区数，小区数，B为信道带宽。为信道带宽。每个载波信道又被分成每个载波信道又被分成M个时隙（时个时隙（时分信道），所以信道带宽分信道），所以信道带宽B为载波间隔为载波间隔Bc/M。3码分多址（码分多址（CDMA）的小区容量）的小区容量CDMA多址方式用不同码型的地址码多址方式用不同码型的地址码来划分信道，每一地址码对应一个信道，来划分信道，每一地址码对应一个信道，每一信道对时间及频率都是共享的，而每一信道对时间及频率都是共享的，而FDMA、TDMA系统
43、信道的数量要受到频系统信道的数量要受到频率或时隙的限制。率或时隙的限制。因此因此CDMA系统是干扰受限系统，现系统是干扰受限系统，现考虑一般考虑一般CDMA系统的通信容量。系统的通信容量。m个用户共用一个无线信道同时通信，个用户共用一个无线信道同时通信，每一个用户的信号受到其他每一个用户的信号受到其他m1个用户信个用户信号的干扰。号的干扰。假定系统的功率控制理想，即到达接假定系统的功率控制理想，即到达接收端的所有用户信号功率强度一样，则信收端的所有用户信号功率强度一样，则信干比（干比（SIR）为）为（2-252-25）同时，一般扩频系统的信干比（同时，一般扩频系统的信干比（SIR）为为（2-2
44、62-26）式中，式中，Rb为信息速率，为信息速率，Eb为比特能量，为比特能量，N0为干扰的功率谱密度，为干扰的功率谱密度，W为为CDMA系统系统占据的有效频带宽度，占据的有效频带宽度，W/Rb为为CDMA系统系统的扩频增益，的扩频增益，Eb/N0是归一化信噪比，取决是归一化信噪比，取决于对误码率和话音质量的要求，并与系统于对误码率和话音质量的要求，并与系统的调制方式有关。的调制方式有关。由上面两个公式可得由上面两个公式可得CDMA系统的容系统的容量量m为为（信道（信道/小区）小区）（2-272-27）2.3 2.3 数字调制技术数字调制技术2.3.1数字调制的概念数字调制的概念 调制的最基本
45、功能是将基带信号通过调制的最基本功能是将基带信号通过载波调制，使其频谱搬移至适应不同信道载波调制，使其频谱搬移至适应不同信道特性的射频频带上进行传输。特性的射频频带上进行传输。这种用基带数字信号控制高频载波，这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带信号的过程称把基带数字信号变换为频带信号的过程称为数字调制。为数字调制。在接收端通过解调器把频带信号还原在接收端通过解调器把频带信号还原成基带数字信号，这种数字信号的逆变换成基带数字信号，这种数字信号的逆变换过程称为解调。过程称为解调。通常将数字调制和解调合起来称为数通常将数字调制和解调合起来称为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系
46、字调制，把包括调制和解调过程的传输系统称为数字信号的频带传输系统。统称为数字信号的频带传输系统。2.3.2数字调制的基本原理数字调制的基本原理通常正弦波可用下式表示：通常正弦波可用下式表示：其中，变量其中，变量t代表时间，代表时间，a(t)是正弦波是正弦波的振幅，的振幅，w(t)是角频率，是角频率，(t)是相位。是相位。数字调制主要有数字调制主要有3种形式：幅移键控种形式：幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、频移）、频移键控（键控（FrequencyShiftKeying，FSK）和）和相移键控（相移键控（PhaseShiftKeying，PSK），），它们分别是正弦
47、波的幅度、频率、相位随它们分别是正弦波的幅度、频率、相位随着数字基带信号而变化。着数字基带信号而变化。2.3.3数字调制的分类数字调制的分类 数字调制主要有数字调制主要有3种形式：幅移键控种形式：幅移键控（ASK）、频移键控（）、频移键控（FSK）和相移键控）和相移键控（PSK）。）。若将由若将由0和和1组成的基带二进制信号进组成的基带二进制信号进一步推广到多进制信号，将产生相应的一步推广到多进制信号，将产生相应的MASK，MFSK，MPSK调制。调制。在实际的相移键控（在实际的相移键控（PSK）方式中，）方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊问题，为了克服在接收端产生的相位模糊问题，通常采用
48、相对相移通常采用相对相移DPSK及及DQPSK（DifferentialQuadraturePhaseShiftKeying）代替绝对相移）代替绝对相移PSK。表表2-32-3数字调制分类数字调制分类2.3.4基本调制方法性能分析基本调制方法性能分析2ASK，2FSK，2PSK和和2DPSK调制原调制原理如图理如图2-19所示。所示。数字信号在传输过程中由于干扰、噪数字信号在传输过程中由于干扰、噪声和波形畸变的影响，可能产生误码。二声和波形畸变的影响，可能产生误码。二进制数字信号在进制数字信号在AWGN信道上通过载波键信道上通过载波键控方式传输时，如果接收端采用理想的相控方式传输时，如果接收端
49、采用理想的相干解调方式并消除码间干扰，则平均误比干解调方式并消除码间干扰，则平均误比特率特率和归一化信噪比和归一化信噪比/关系可以表关系可以表示为示为（1）2ASK：（2）2FSK：（3）2PSK：（2-282-28）（2-292-29）（2-302-30）图图2-19 2ASK2-19 2ASK，2FSK2FSK，2PSK2PSK和和2DPSK2DPSK调制原理图调制原理图图图2-20 32-20 3种调制方式的误比特率性能比较种调制方式的误比特率性能比较2.3.5现代数字调制技术现代数字调制技术 在移动通信系统中采用的调制技术如在移动通信系统中采用的调制技术如表表2-4所示。所示。移移动动
50、通信系通信系统统调调 制制 技技 术术第一代蜂第一代蜂窝窝模模拟拟移移动动通信系通信系统统（1G1G）语语音：音：FMFM（Frequency ModulationFrequency Modulation）信令：信令：2FSK2FSK第二代蜂第二代蜂窝窝数字移数字移动动通信系通信系统统（2G2G）GSMGSM系系统统GMSKGMSK日本日本PDCPDC/4-DQPSK/4-DQPSK美国美国IS-136IS-136/4-DQPSK/4-DQPSKIS-95AIS-95A、IS-IS-95B95B下行：下行：QPSKQPSK，上行：，上行：OQPSKOQPSK2.5G2.5GGSM/GPRSGS