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无线通信史——最强普及

2023-04-18 20:06
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第一代移动通信系统


第一代移动通信系统由贝尔实验室研制成功,使用模拟信号进行语音通信,网络的标准由NMT、TACS、JTAGS、AMPS等,主要采用的是模拟技术和频分复用(FDMA)技术。


1、频分复用(FDMA)


如图1所示,是频分复用的概念图,频分多址是把总带宽分隔成多个正交的频道,每个用户占用一个频道。在一个频率信道中同一时刻只能传送一个用户的业务信息,相邻载频之间应满足传输带宽的要求。每个载频之间的间隔为30kHz或25kHz,单独使用频分多址方式,每个载频只传输1个用户信号,频带占用较窄,移动台设备简单,但基站设备庞大复杂,有多少个信道就要有多少个收发信机,因此需要天线共用器,功率损失大;另外,越区切换较为复杂,切换时通信会中断数十到数百毫秒,对于数据传输会带来数据丢失。


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图1 频分复用的基本概念


如果把频率资源想象成一个房间,把房间分割成不同的空间,不同用户在不同房间聊天,如图2所示,这就是频分复用


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图2 频分复用


如图3所示,是频分复用系统的示意图,在发送端首先要对各路信号进行调制将其频谱函数搬移到相应的频段内,使之互不重叠。再送入信道一并传输。在接收端则采用不同通带的带通滤波器将各路信号分隔,然后再分别解调,恢复各路信号。调制的方式可以任意选择,但常用的是单边带调制。因为每一路信号占据的频段小,最节省频带,在同一信道中传送的路数可以增加。


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图3 频分复用系统示意图


频分复用提高了频带的利用率,具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能,具有恒定而不是随时间变化的更短延迟。


第二代移动通信系统


与1G不同,2G用数字传输取代了模拟蜂窝网络,而且最重要的是,在2G网络下除了打电话语音沟通之外,还可以发短信以及上网。2G系统几个主流的网络制式有GSM、TDMA、CDMA。


提出的多址方式包括时分多址(TDMA),频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)提议采用的调制技术有高斯最小频移键控(GMSK)、四进制频移键控(4FSK)、正交幅度调制(QAM)和自适应差分脉冲调制(ADPM)。


1)时分多址(TDMA)


时分多址是一种为实现共享传输介质(一般是无线电领域)或者网络的通信技术。它允许多个用户在不同的时间片(时隙)来使用相同的频率。用户迅速的传输,一个接一个,每个用户使用他们自己的时间片,如图4所示。


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图4 时分多址示意图


把频率资源想象成一个房间,把房间分割成不同的空间,如果这个房间里,某一时间让某一人说话,下一时间段让另一个人说话,就是时分多址,如图5所示。


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图5 时分多址


如图6所示是两信道的TDMA发送和接收框图


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图6 TDMA发送接收框图


假设发射端发送的两种波形如图7所示,通过复接,周期性循环,每个用户占用不同的时隙,但是所用频率相同,大大减少了频率资源的使用。


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图7 发射信号


在接收端通过调节AF0的占空比来恢复出发射的波形。


时分多址,可以多个用户共享一个载波频率,不是连续传输,切换更简单,但是频率分配更复杂了,在接收时更要注意时间上的问题,如果同步和定时出错,接收端便无法正确恢复出原始信号。


2)码分多址(CDMA)


码分多址是指利用码序列相关性实现的多址通信,基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。每个配有不同的地址码,用户所发射的载波(为同一载波)既受基带数字信号调制,又受地址码调制,接收时,只有确知其配给地址码的接收机,才能解调出相应的基带信号,而其他接收机因地址码不同,无法解调出信号。


把频率资源想象成一个房间,把房间分割成不同的空间,如果这个房间里,有的人说英语,有的人说法语,有的人说中文,就是时分多址,如图8所示。


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图8 码分多址

如图10所示,假设有ABC三个用户共享一个信道,给A分配的码片为 -1 +1 -1 +1,B分配的为-1 -1 +1 +1,C分配的为-1 -1 -1 -1(码片必须正交,即相乘为零) ,设 bit 1 为+1V,bit 0 为-1V,不发送数据为0V,A发送的信号为两bit 00,B发送两bit 10,C发送两bit 11


则A的码片信号为 (-1)*(-1 ,+1,  -1, +1)    (-1)*(-1 ,+1,  -1, +1)   =>  +1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,-1


则B的码片信号为 (+1)*(-1 ,-1,  +1, +1)    (-1)*(-1 ,-1,  +1, +1)  =>  -1,-1,+1,+1,+1,+1,-1,-1


则C的码片信号为 (+1)*(-1 ,-1,   -1, -1)    (+1)*(-1 ,-1,  -1, -1)   =>   -1, -1,-1 ,-1, -1, -1,-1,-1


则发送的编码后信号为(将信号相加)          -1,-3,+1,-1,+1,-1,-1,-3


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图9CDMA过程


ABC用户根据收到的信号和自己的码片得出信号

A1/4*[(-1)*(-1)+(+1)*(-3)+(-1)*(+1)+(1)*(-1)]  1/4*[(-1)*(1)+(+1)*(-1)+(-1)*(-1)+(1)*(-3)]         => -1 ,-1         =>0 0


B1/4*[(-1)*(-1)+(-1)*(-3)+(+1)*(+1)+(1)*(-1)]  1/4*[(-1)*(1)+(-1)*(-1)+(+1)*(-1)+(+1)*(-3)]      =>  +1 ,-1        =>1 0


C1/4*[(-1)*(-1)+(-1)*(-3)+(-1)*(+1)+(-1)*(-1)]  1/4*[(-1)*(1)+(-1)*(-1)+(-1)*(-1)+(-1)*(-3)]      =>  +1 ,+1       =>1 1


在码分多址中,所有用户使用同一载波、占用相同的带宽、各个用户可以同时发送或接收信号。能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求。具有频谱利用率高。话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点。


第三代移动通信系统


3G常用的有3种标准:WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA,传输速度相对较快,都是在CDMA的技术基础上开发出来的,CDMA就是3G的根本基础原理。


1.三种标准介绍


WCDMA基于CDMA技术的实践和应用衍生,可支持 384Kbps 到2Mbps不等的数据传输速率,在高速移动的状态,可提供 384Kbps 的传输速率,在低速或是室内环境下,则可提供高达 2Mbps的传输速率。


CDMA2000由北美最早提出,在IS-95B系统的基础上发展而来的,因而在系统的许多方面,如同步方式、帧结构、扩频方式和码片速率等都与IS-95B系统有许多类似之处。


TD-SCDMA是(时分同步码分多址)的简称,是以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准,也被国际电信联盟ITU正式列为第三代移动通信空口技术规范之一,它集CDMA、TDMA等技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强。


TD-SCDMA由于采用时分双工,上行和下行信道特性基本一致,因此基站根据接收信号估计上下行信道比较容易。此外TD-SCDMA使用智能天线技术有先天的优势,可以减少用户之间的干扰,它还具有TDMA的优点,可以灵活设置上下行时隙的比例,而调整上下行的数据速率的比例,很适合上行数据少,下行数据多的场合,但是这种上下行转换点的可变性给同频组网增加了一定的复杂性。


2.TDD和FDD


TDD是一种通信系统的双工方式,在移动通信系统中用于分离接收与传送信道(或上下行链路)。TDD模式的移动通信系统中接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙,用保证时间来分离接收与传送信道;而FDD模式的移动通信系统的接收和传送是在分离的两个对称频率信道上,用保证频段来分离接收与传送信道。


图10中,横坐标表示时间;DL表示下行即基站向移动台发射;UL表示上行即移动台向基站发射。从图中可知,基站和移动台之间的无线传输是在一个频率信道F上,使用不同时隙进行双向传输的。


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图10 TDD工作方式


FDD模式的特点是在分离(上下行频率间隔190MHz)的两个对称频率信道上,系统进行接收和传送,用保护频段来分离接收和传送信道,如图12所示。在第一代蜂窝系统中传输连续信息采用FDD技术时,收发两端都必须有产生不同载波频率的频率合成器,在接收端还必须有一个防止发射信号泄漏到接收机的双工滤波器。另外,为了便于双工器的制作,收发载波频率之间要有一定的频率间隔。在第二代的GSM、IS-136和IS-95等系统中,也采用了FDD技术。在这些系统中,由于信息是以时隙方式进行传输的,收发可以在不同的时隙中进行,移动台或基站的发射信号不会对本接收机产生干扰。


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图11 FDD工作方式


频分双工(FDD),也称为全双工,操作时需要两个独立的信道。一个信道用来向下传送信息,另一个信道用来向上传送信息。两个信道之间存在一个保护频段,以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。


时分双工(TDD),也称为半双工,只需要一个信道。无论向下还是向上传送信息都采用这同一个信道。因为发射机和接收机不会同时操作,它们之间不可能产生干扰。


一般认为,TDD微波无线系统比FDD微波无线系统简单。因为系统复杂度直接决定了系统成本,因此TDD系统成本较低。在FDD系统中,造成系统具有较大复杂度和较高成本的一个主要部件是双工器。双工器必须防止高功率的发送信号干扰十分敏感的接收机前端。


第四代移动通信系统


4G通信技术以之前的2G、3G通信技术为基础,在其中添加了一些新型技术,使得无线通信的信号更加稳定,还提高数据的传输速率,而且兼容性也更平滑,通信质量也更高。主要采用的技术有多输入多输出(MIMO) ,正交频分复用(OFDM),包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式,能够以100Mbps的下载速度。


1.正交频分复用(OFDM)


正交频分复用(OFDM)是多载波调制的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力,能够支持多用户接入,它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。


OFDM主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。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(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可以消除码间串扰,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。发送和接收的框图如图12所示。


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图12 基于IDFT和FDT的OFDM传输方案


OFDM中的各个载波是相互正交的,每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期,每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠,所以它比传统的FDMA提高了频带利用率,如图13所示。


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图13 FDMA和OFDM对比


基于IDFT的OFDM基带发射流程


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部分模块简要介绍:


1.适配模块:通过AXI总线和ARM相连,通过以太网输入数据,DDR作为数据共享,适配主要作为数据率的适配,基带通常是以固定的发送速率发送数据,在码率不固定的情况下,这部分需要做的就是适配数据流,适配码率,突发的数据按照固定的码率向外发送。


2.扰码模块:消除直流分量,使得频谱更加离散。


3.BCH+LDPC:编码和纠错,LDPC编码无法消除小概率错误,使用这种方法可以实现无误码传输。


4.位交织: 把矩阵做一些转置变换。


5.映射,调制: 映射是将数据分组,调制是把分组后的数据按照适当的方式对应到相应的复数轴上,提高频带利用率。


6.符号交织: 映射完成之后,数据变成多个bit的符号,符号交织使得符号更加离散化。


7.时间交织: 通常以帧结构作为交织的单位,进行一个大的矩阵转置,会引起帧处理的延迟,通常会做一次乒乓操作,满足时序的要求。


8.帧适配: 设计帧长度之后,数据的长度可能无法满足一帧的长度,需要对不满足的部分填充0或者随机的数据。


9导频插入: 在相应的坐标点插入能量突出的点。


10.数据折叠: 把数据折一次,比如1024个数据,513-1024 往前搬移,1-512往后移,本质是作了相位pi/2的平移,也是算法中的要求。


11.逆傅里叶变换



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