移动计算技术 （Mobile Computing，MC）

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1 移动计算技术 （Mobile Computing，MC）

2 第2章 无线通信基础 2.1 移动通信技术发展史 2.2 无线通信的相关概念 2.3 调制与解调 2.4 扩频通信原理 2.5 正交编码原理
2.6 多路复用与多址技术

3 古代的通信 无线通信的历史 中国古代烽火台 狼烟 烽火戏诸侯 烽火科技

4 现代通信发展 在未发明电报以前，长途通讯的主要方法包括有：驿送、信鸽、信狗、以及烽烟等。 1793年，巴黎和里尔之间电报线
1835年，第一台电报机问世 1837年6月，英国青年库克获得了 第一个电报发明专利权。 电报线

5 电报的发明 莫尔斯是一名享有盛誉的美国画家、电报之父。1839年他发布了他的第一项发明“莫尔斯”码。1844年5月24日，莫尔斯用颤颤巍巍的手发出了人类历史上第一条电报信息：上帝创造了何等的奇迹！（What hath God wrought! ） 第一份长途电报：“上帝创造了何等的奇迹”。

6 莫尔斯电码

7 电话的发明 二、“沃森特先生，快来帮我啊”——电话的发明 亚历山大·贝尔 贝尔（18xx－1922）英国人 1868年 在伦敦工作
1871年 去波士顿工作 1873年 任波士顿大学教授 1875年 发明多路电报 1876年 发明电话 一生曾获许多专利。 妻子是一位聋人。 亚历山大·贝尔

8 电话的发明 1875年6月2日，也被人们作为发明电话的伟大日子而加以纪念，而这个地方——美国波士顿法院路109号也因此载入史册，至今它的门口仍钉着块铜牌，上面镌有:“1875年6月2日电话诞生在此。” 贝尔和他发明的电话

9 电话的发明 1876年3月7日，贝尔获得发明电话专利，专利证号码NO:174655。
1892年纽约芝加哥的电话线路开通。电话发明人贝尔第一个试音：“喂，芝加哥”，这一历史性声音被记录下来

10 电话的发明 1877年，也就是贝尔发明电话后的第二年，在波士顿和纽约架设的第一条电话线路开通了，两地相距300公里。贝尔共安装了230部电话，建立了贝尔电话公司，这是美国电报电话公司（AT&T）前身。 电话传入我国，是在1881年，英籍电气技师皮晓浦在上海十六铺沿街架起一对露天电话，付36文制钱可通话一次，这是中国的第一部电话。

11 想一想，说一说 电话与电报相比，有哪些进步？ 现在的电话与以前的电话相比，有哪些进步？

12 电磁波的发现 三、无形的信使—电磁波的发现
迈克尔·法拉第，英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家，出生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭，仅上过小学。1831年，他作出了关于电力场的关键性突破，永远改变了人类文明。 法拉第 电磁感应现象

13 电磁波的发现 1865年，麦克斯韦（J. C. Maxwell）建立了著名的电、磁、光现象相统一的麦克斯韦方程；
1887年，赫兹（H. R. Hertz）首次证明了在数米远两点之间可以发射和检测电磁波 ； 1895年5月7日，波波夫在俄国彼得堡的物理化学分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。

14 四、无线电报的发明 马可尼（1874－1937）意大利人 1894年 在父亲的庄园试验 1896年 去伦敦 1897年 建立无线电报公司
1899年 首次实现英法无线通信 1916年 实现短波无线电通信 1929年 建立世界性无线通信网 曾获诺贝尔奖金 曾参加法西斯党

15 五、无线电通信的发明 1900年，加拿大发明家费森登首次通过调幅广播远距离播出节目。
1906年，他成功地让无线电波跨越了大西洋，有史以来第一次完成了从波士顿到苏格兰的双向无线电传输。

16 收音机 早期电子管收音机 第一台国产收音机

17 寻呼机的诞生 六、个人通信的发源——寻呼机的诞生
1941年，摩托罗拉生产出了美军参战时唯一的便携式无线电通讯工具——5磅重手持对讲无线电样机及此后的SCR-300型高频率调频背负式通话机。 1956年，第一个无线电寻呼机也在该公司问世了。 标志产品：摩托罗拉是寻呼机最早的品牌拥有者之一， 摩托罗拉BRAVO数字寻呼机曾经是无数人梦寐以求的奢侈品。

18 寻呼机的诞生 1993年5月，中国第一台拥有自主知识产权的中文寻呼机由波导公司研发成功。
价格：90年代入网费100元，数字机一年180元，汉字机一年600元。后来为竞争用户，入网费降到50-30元，直至免费入网，服务费也降至数字机一年120元，汉字机每年 元甚至更低。 中国第1台有自主知识产权的中文寻呼机

19 蜂窝式移动电话的诞生 七、实现个人电话的梦想 ——蜂窝式移动电话的诞生  摩托罗拉3200 中国市场上第一款手机

20 蜂窝式移动电话的诞生 发展情况： 1987年11月18日，广州开通我国第一个TACS模拟蜂 窝移动电话系统，首批用户发展了700个，并开通 我国第一个移动电话局。 1988年3月，北京模拟网开通首期放号，营业厅只有 一个。 价格昂贵：大哥大本身2.1万，入网费6000，预存话 费1000，一共2.8万。因为计划经济向市场经济转轨， “大哥大”需要购买指标，并非有钱就能买到。 ·网络差：一个大哥大打通一个电话花了五分钟，一 块大电池充电后，只能维持30分钟通话。 大哥大瞬间

21 GSM手机的出现通信 八、让手机走近每一个人——GSM手机的出现通信 1982年，欧洲成立了GSM（移动通信特别组）
全球首款商用/量产的GSM手机Nokia 1011 中国大陆第一款GSM手机： 爱立信GH337

22 全球“铱”星系统 九、辉煌的失败——全球“铱”星系统 地球外的中继——卫星能提供全球范围的无线电覆盖吗? 我国曾经发射铱星 铱星系统
 铱星系统 卫星电话的特点是有个大天线

23 新一代手机的诞生 十、山雨欲来风满楼——新一代手机的诞生
新一代的手机，可以单独地胜任某些原来必须要在电脑上才能完成的工作，如上网、记事、日程管理; 也可以和其它设备如电脑、打印机等配合工作，而且不需要接上这根线那根插头。 进入现代，发明一项科学技术或者制造一项科技产品都是团队的成果，标志新一代手机的典型技术就是现在人们正津津乐道的蓝牙、WAP和GPRS，它们的背后都有一大群科学家在为之工作，发明蓝牙技术的就是以瑞典电信巨人爱立信公司为主成立的蓝牙工作小组。

24 新一代手机的诞生 如今的手机功能强大 未来手机

25 移动通信的发展 终极目标： 个人通信 ( Personal Communication Networks，PCN )是人类通信的最高目标，它指使用各种可能的网络技术，实现任何人(Whoever)在任何时间(Whenever)、任何地点(Wherever)与任何人(Whomever)进行任何种类(Whatever)的信息交换。

26 第2章 无线通信基础 2.1 移动通信技术发展史 2.2 无线通信的相关概念 2.3 调制与解调 2.4 扩频通信原理 2.5 正交编码原理
2.6 多路复用与多址技术

27 无线通信的概念 利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式称为无线电通信（radio-communication），简称无线通信。
找一找身边的无线通信？ 红外、wi-fi、蓝牙、对讲机、电波.....

28 无线通信的特征 不需要铺设专有的线路 可同时向多个接受端传送信号 抗灾害能力强 可应用于移动通信，广泛适用于各种地形
容易受到雷、雨、磁暴等各种自然灾害的影响 保密性差 电波使用易受干扰，频率使用的规则多

29 数字通信系统的公共模型

30 无线信道的物理特点 介质是开放的空间，信号传输过程中损耗大、干扰多； 基带信号一般情况下不经调制根本就发送不了；
窄带信号在未调制之前频率只有载波频率的几十分之一到几 十万分之一，所以数据传输慢。

31 无线网络的信道与不利因素 a. 信号强度随时间起伏变化（衰落效应 Fading Effect） d. 传输延时随结点数增多而上升
b. 传输速率随距离增加而下降

32 不利因素的物理分类 (1) 衰减和衰减失真（attenuation and attenuation distortion）
信号在媒介中由于分子谐振导致的能量损失，随行程和频率而增大； (2) 自由空间损耗（free space loss） 能量发散后，其密度减小。用通过发射/接收天线的功率之比表示（dB）； (3) 噪声（noise） 即干扰信号，主要有4类 热噪声（thermal noise）：非绝对零度的电子器件和媒介都产生，随温度升高 互调噪声（intermodulation noise ）：两种信号通过共同媒介时产生新信号 串扰（crosstalk）：隔离不良时的耦合现象 脉冲噪声（impulse noise ）：突发能量，如闪电、击穿 (4) 大气吸收（atmospheric） 水蒸气主要吸收22GHz附近频率；氧气主要吸收60GHz附近频率 (5) 多径（multipath） 发射端到接收端之间多条反射路径长度不同，造成干涉（相增或相减） (6) 折射（refraction） 无线电波在密度不均的大气中发生弯曲，使接收信号强度不稳

33 衰落 衰落效应（Fading Effect）是指因传输媒介或传输路径的改变而引起的接收到的信号功率随时间变化。两个天线附近的障碍物使无线电波的传播方式除直射外，又增加了反射（R）、散射（S）和衍射（D）。 建筑物反射 屋顶衍射 线的视距(LOS) 路径 地面反射

34 衰落 衰落的类型： (1) 快速衰落（fast fading），由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化。 (2) 慢速衰落（slow fading），由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的．这种变化所造成的衰落比多径效应引起的快衰落要慢得多，称为慢衰落。慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化而引起的，通常与频率的关系不大。

35 信道衰落模型 (1) 附加高斯白噪声AWGN（Additive White Gaussian Noise）模型：
只考虑直接的LOS路径和热噪声干扰，不考虑间接路径影响（如空中通信、同轴电缆有线通信） (2) 瑞利（Rayleigh）衰落模型： 只有多条间接路径，没有一条直接的LOS路径，这是最差的情况。常用于描述户外（特指闹市区）的通信。 (3) 瑞森（Rician）衰落模型： 有一条直接的LOS路径，和多条间接路径，这是最复杂的情况，常用于描述户内环境通信。信道参数用K表征 当K=0和K=∞时，分别代表瑞利衰落和AWGN情况。

36 频率、频段和波段 频率：是单位时间内完成振动的次数，是描述振动物体往 复运动频繁程度的量，常用符号f或v表示，单位为秒-1。 为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命 名为赫兹，简称“赫”。 频段：是指一定的无线电波的频率范围。 波段：又称波谱普段或波谱带，在电磁波谱中表示具有确 定波长范围的连续的电磁波。

37 频率和频段 你知道的有哪些频段，有哪些用途？

38 全范围无线电频谱图 电磁波传播时具有方向性, 当遇到物体阻挡时, 将产生反射, 绕射和折射, 并有一部分能量被物体吸收而转变为热量等形式. 最后还有一部分辐射穿透阻挡物。

39 频率 300GHz 3000MHz 30MHz 300kHz 3kHz 红外光 微米波 远程探测、激光通信、光空间通信
微米波 远程探测、激光通信、光空间通信 300GHz 极高频（EHF) 雷达、射电天文学 特高频（SHF) 微波链路、卫星通信 3000MHz 超高频（UHF) 电视与调频广播、无绳电话、地面移动通信 甚高频（VHF) 电视与调频广播、无线寻呼 30MHz 高频（HF) 短波广播、业余无线电 中频（MF) 中波广播、航海与航空导航信标 300kHz 低频（LF) 航海与航空导航信标、航空导航 甚低频（VLF) 导航、声纳、航空 3kHz 极低频（ELF) 军事潜艇通信

40 无线通信所涉及的地球大气层 电离层 (80 - 720 km) 天波 中间层 (50 - 80 km) 平流层 (12 - 50 km)
空间波 地波 接收机 对流层 ( km) 地球

41 大气层与无线通信的电波传播 无线通信电波传输会遇到的问题： 在大气层中传播时，由雨水和空气作用引起的散射、吸收。
由于空气密度不同而产生的折射 穿越对流层时被上层的电离层发射和折射

42 大气层与无线通信的电波传播 电磁波传播的形式

43 数字移动通信信号的表征 现代通信：通过电磁波传输信息。 电信号的数学表示：
信息是利用电信号的特征参数变化来表征的，这个过程叫编码与调制，经过编码与调制的电信号再经过频率变换以电磁波形式发送出去。 电信号的数学表示： 幅度 频率 时间 相位 主要特征参数

44 信号、信噪比、信号强度和频谱 信号：是消息的载体，一般表现为随时间变化的某种物理量。 消息：是信号的具体内容。
无线通信中，我们关心作为传输信息手段的电磁信号。 电磁信号有：时间特性（时域）和频率特性（频域）

45 频域与时域 Frequency Domain 频域 时域 Time Domain

46 频域无法观测时域的特性 Frequency Domain 频域 时域 Time Domain

47 噪声 噪声：传输过程中插入到数据信号中不希望有的信号。 根据产生原因不同分为四类： 热噪声 交调噪声 串音 脉冲噪声

48 噪声 噪声对数字信号传输造成的影响

49 信噪比：SNR(Signal to Noise Ratio)
信号在传输过程中不可避免地要受到噪声的影响，信噪比是用来描述在此过程中信号受噪声影响程度的量，它是衡量传输系统性能的重要指标之一。 信噪比通常是指某一点上的信号功率与噪声功率之比。

50 信噪比 用下面的公式表示信噪比 其中，Ｓ/Ｎ是信噪比，Ps是信号的平均功率，Pn是噪声的平均功率。
有时为了使用方便也会采用分贝（dB）来表示信噪比，公式如下：

51 信噪比 S/N <1? S/N=100 , 是多少dB？

52 信号强度 信号强度：用于表示信号的强弱 信号强弱最直接的表示方法是：功率 工程上使用对数来表示信号的强度
信号强度 = 10 * lg（P2 / P1）（dB） P2是信号的功率 P1是参考信号的功率，大小一般为1mW 信号的功率越大，信号强度越大

53 信号强度 某信号功率P2=10, 其信号强度I? 当P2增加1倍，I增加多少？

54 频谱 一个信号的频谱是指这个信号所包含的频率范围 实际上，一个电磁信号可以由多个频率成分组成。
傅立叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和余弦函数）或者他们的积分线性组合。

55 频谱 2个有趣的现象： 其它信号的频率是其中一个信号频率的整数倍，后者称为基频。 整个信号的周期是基频的周期。
由于从频率部分看可以得到时域部分看不到的信息，因此更注重频域部分的信息。 Frequency Domain 频域 时域 Time Domain

56 移动计算技术 （Mobile Computing，MC）

57 第2章 无线通信基础 2.1 移动通信技术发展史 2.2 无线通信的相关概念 2.3 调制与解调 2.4 扩频通信原理 2.5 正交编码原理
2.6 多路复用与多址技术

58 无线通信调制的目的及方法 调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处 理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都 扮演着重要角色。 什么是调制呢？ 那么为什么要对信号进行调制处理？

59 无线通信调制的目的 通信的目的：为了把信息向远处传递（传播）。 说话的声音能够传多远？ 如何能够传得更远些？ 比更远还要远？

60 如何传得更远？ 用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远（见下图）。 远距离传输怎么办？ 扩音示意图

61 比更远还要远？ 有线： -----铺设电缆 BUT: 铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号。其传输成本之高、线路利用率之低，人们是无法接受的。

62 比更远还要远？--之有线 生活中复用的例子？ 解决方法： 是在一个物理信道中对多路信号进行复用。
信道复用技术：通过调制，使在一条信道里同时传送许多信号。 生活中复用的例子？

63 信道复用技术 通过调制把各种信号的频谱搬移，使它们互不重叠地占据不同的频率范围，即：使信号分别托付于不同频率的载波上，接收机通过解调就可以分离出所需频率的信号，不致互相干扰。 此问题的解决为在一个信道中传输多对通话提供了理论依据，这就是利用调制原理实现“多路复用”。 例如： 多路通信、广播、电视等。

64 比更远还要远？--之无线 无线： 利用无线电通信----发射天线/接收天线 人的声音为什么不直接用天线传播出去？
利用无线电通信时，需满足一个基本条件： 即欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。

65 比更远还要远？--之无线 而音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为 式中，λ为波长（m）；
c为电磁波传播速度（光速）（m/s）； f为音频（Hz）。 可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。

66 比更远还要远？--之无线 生活中类似低频调高频的例子？
解决方法: 是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号“变”成高频信号）。 生活中类似低频调高频的例子？

67 天线 All wireless devices have at least one antenna; most use the same antenna to transmit and receive The antenna must be at least one quarter wavelength in size to work well. So, no matter how small you make a cellular phone, the antenna is going to have to be about this size!

68 手机天线

69 手机天线

70 手机天线

71

72 调制 让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。
而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。

73 调制的目的 如何对信号进行调制呢？ 调制的目的： 将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号。
把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信道 的多路复用。 改善系统抗噪声性能 如何对信号进行调制呢？

74 模拟调制 AM和FM是什么？ AM是常规双边带调制，简称调幅，英文是Amplitude Modulation。
使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化 即通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了 FM是角度调制的一种，简称调频，英文是Frequency Modulation。 载波信号的频率随着调制信号的幅度变化而改变 调制信号幅度变大时，载波信号的频率也变大（或变小）；调制信号幅度变小时，载波信号的频率也变小（或变大）

75 模拟调幅调制(AM) 基本原理 设: m(t) = [1+m(t)]， |m(t)|  1， |m (t)| /A= m 1 ( 调幅度) 则有调幅信号： s(t) = [1+m(t)]Acos0t， 式中， [1+m(t)]  0，即s(t) 的包络是非负的。 +1 =  = 1 1+m(t) m(t) 1 1+m(t)

76 模拟调幅波的特点及应用 特点：高频信号幅度很容易被周围的环境所影响，所以调幅信 号的传输并不十分可靠。在传输的过程中也很容易被窃听，不 安全。 应用：现在这种技术已经比较少被采用；但在简单设备的通信 中还有采用，比如收音机中的AM波段就是调幅波。（大家可以 和FM波段的调频波相比较，可以看到它的音质和FM波段的调 频波相比会比较差，原因就是它更容易被干扰）

77 AM FM w0–Dwm w0+Dwm

78 AM、FM、PM 幅度调制 调幅AM 调频FM 角度调制 调相PM 载波信号 的受控参量 解调方式 的差别 解调方式 特点 用途 频带窄
频带利 用率高 振幅 相干解调或 非相干解调 频谱线性搬 移频谱结构 无变化 调频FM 广播 电视 通信 遥测 频谱非线性 频谱结构发 生变化属于 非线性频率 变换 频带宽 频带利 用不经 济、抗 干扰性 强 鉴频或 频率检波 频率 角度调制 调相PM 鉴相或 相位检波 数字 通信 相位

79 数字调制技术 现代移动通信系统都使用数字调制技术； 数字调制就是用数字信号调制载波的不同参量(模拟调制就是用模拟信号调制载波)。
数字信号的优点： 处理速度的提高（适合机器处理）； 灵活性高，能适应各种业务要求； 抗干扰性能得到加强，无噪声积累； 容易加密，保密性强； 设备便于集成化、微型化

80 调制与解调的过程 调制过程：用数字信号去改变载波的参数，从而获得携带数字信号的高频 复合波形——已调信号，发送出去。
解调过程：从接收到的已调信号中分离/还原出数据信号，是调制的逆过程 。

81 三种常用的数字调制技术 1） 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 用载波的两个不同振幅表示0和1
2） 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 用载波的两个不同频率表示0和1 3） 相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相 用载波的起始相位的变化表示0 和1

82 幅移键控ASK ASK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) 1 1 1 1 ASK调幅

83 频移键控FSK FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz) 1 1 1 1 FSK调频

84 相移键控PSK PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相) 1 1 1 1 PSK调相

85 ASK调制与解调 进制振幅键控(2ASK）： 基本原理： “通-断键控(OOK)”信号表达式 波形

86 ASK调制与解调（续） 非相干解调(不恢复载波信号，包络检波法) 相干解调(恢复载波信号，同步检测法) 载波信号

87 FSK调制与解调 进制频率键控(2FSK）： 表达式：在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为
波形

88 FSK调制与解调（续） 其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。下图给出了过零检测法的原理方框图及各点时间波形。

89 FSK调制与解调（续） 非相干解调(包络检波法) 相干解调(同步检测法) 载波信号

90 PSK调制与解调 二进制相移键控（2PSK） ： 基本原理：
式中，n表示第n个符号的绝对相位： 因此，上式可以改写为

91 调制的分类 调制方式 用途举例 正弦波调制 模拟调制 常规双边带调幅AM 广播 单边带调制SSB 载波通信、短波无线电话通信
双边带调制DSB 立体声广播 残留边带调制VSB 电视广播、传真 频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播 相位调制PM 中间调制方式 数字调制 振幅键控ASK 数据传输 频移键控FSK 相移键控PSK、DPSK 其他高效调制QAM、MSK等 数字微波、空间通信 脉冲调制 脉冲模拟调制 脉幅调制PAM 中间调制方式、遥测 脉宽调制PDM 脉位调制PPM 遥测、光纤传输 脉冲数字调制 脉码调制PCM 市话中继线、卫星、空间通信 增量调制DM 军用、民用数字电话 差分脉码调制DPCM 电视电话、图像编码 ADPCM等其他方式 中继数字电话

92 课后作业 安装MATLAB

93 课内作业 通信系统中为什么要进行调制与解调？ 调制的分类方法有哪些？ 模拟调制与数字调制的区别?

94 第2章 无线通信基础 2.1 移动通信技术发展史 2.2 无线通信的相关概念 2.3 调制与解调 2.4 扩频通信原理 2.5 正交编码原理
2.6 多路复用与多址技术

95 扩频通信原理 针对窄带调制方式，将传输信息的频谱用扩频函数扩展为宽带信号 扩频通信系统的结构模型

96 扩频通信的理论依据 扩频通信的理论依据 根据香农（Claude Shannon）容量公式： C = Ws×log2(1+SNR)，
它说明在信噪比SNR过低的恶劣条件下，通过加大信号频带宽度 Ws 可以维持足够的信道容量C，即SNR与Ws互换原理。

97 扩频通信的优点 扩频通信的主要优点 抗干扰性强； 对其它电子设备干扰小； 节省电能，在移动通信终端上尤为重要；
不易被窃听，或者说不易被破译； 可以多方重复利用频段，实现码分多址（如CDMA移动电话），提高了无线 电频谱利用率； 抗多径干扰； 有可能用于精确定时和测距； 在有线通信中使用扩频通信，能获得上述部分好处，还能“借道”已有的电 话线、输电线进行通信而不干扰上面已接的原有电器（称为“载波通信”） ；

98 扩频通信方式的分类 跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）：在通信过程中按特定 花样不断变换载波频率fc。此方式实现成本低，广泛用于需要快速移动的手持 终端，如目前几乎所有类型的移动电话系统、无线广域网。 直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）：将要发送的数据序列 替换成高码率的扩频码序列，再调制载波。其带宽利用率、绝对速率和传播距 离都大于FHSS，但设备成本较高，目前多用于定点无线连网、无线局域网。 跳时扩频THSS（Time Hopping Spread Spectrum）：把时间轴分成许多时间片 ，由扩频码序列决定在哪个时间片发射信号。此方式本身抗干扰性不强，多与 其它方式混合使用。 宽带线性调频方式（Chirp Modulation，简称Chirp）：载波频率fc随时间线性连 续调变，曾主要用于雷达，现也用于通信技术。

99 跳频扩频 FHSS 原理 跳频扩频方式是在发送信号时，载波fc在一个很宽的范围内不断从一个频率跳变到另一个频率，收发双方同时切换频道来保持连续通信。 优势 由于频率转变规律（各点频值、停留时间等）只有双方知道，不知情的第三方试图窃听和施放特定频率干扰都会收效甚微（干扰电台的功率消耗 = 单位Hz的功率×干扰信号频宽），在某个频点上受干扰生成的少量错误bit通过纠错电路就能纠正。 对其它的非恶意通信者，他们的接收机也许会偶尔收到非常短暂的干扰信号，这种信号通常被作为“毛刺”杂波在模拟放大电路里被过滤掉，即便造成零星误码很容易被纠错电路所修复。

100 跳频系统的编码表和发送器结构方框图

101 直接序列扩频 DSSS 直接序列扩频技术是将原来的每位数据信号“1”或“0”，利用10个以上的码 片（chips）来逐一代表，形成高频宽的输送信号。 扩频增益Gp ，它定义为频谱扩展后的信号带宽Ws与频谱扩展前的数据带宽 Wd之比，在这里也就是每个bit使用的码片数。较高的处理增益可以增加抗 噪声干扰性能。 抗干扰容限：指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作，定义为 Mj = Gp － [ Ls + SNR ] 其中, Mj为抗干扰容限，Gp为处理增益；SNR为信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比，Ls为接收系统的工作损耗。抗干扰容限随处理增益同步提高。

102 直接序列扩频 DSSS 一种最简单的直接序列扩频实现方法是使用“异或（XOR）”运算将数据序列与扩频码序列结合。接收方再用同样的扩频码序列“异或”一次就能恢复原来的数据序列。 输入数据 发送端 比特流 传送信号 接收信号 接收端 比特流 输出数据

103 FHSS 与 DSSS 的比较 跳频扩频 FHSS 简单，成本低（特别适合消费电子应用）； 在强干扰环境下生存能力高；
频带利用率高； 在同样的频带范围内，具有更高的数据容量（更适合计算机应用）；

104 第2章 无线通信基础 2.1 移动通信技术发展史 2.2 无线通信的相关概念 2.3 调制与解调 2.4 扩频通信原理 2.5 正交编码原理
2.6 多路复用与多址技术

105 窄带通信与频率资源匮乏 单信道已调信号所占频宽 设载频为单一频率fC，数据信号也先设为单一频率fD，根据和差化积公式，已调信号的频率组成为
实际上数据信号由0～fD范围的全部频率混合而成，fD被称为“上限频率”或“数据频宽”，所以已调信号实际占据fC–fD到fC+fD的整个频率范围（“双边带”）。为了节约频率资源，目前都采用“单边带”发射技术，即只让fC到fC+fD部分发射出去，所以单一用户实际占用的频率宽度为fD 。

106 窄带通信与频率资源匮乏 频率资源分配： 为了防止计算机通信干扰其它无线电用户，1985年FCC（美国联邦通信委 员会Federal Communication Committee）授权普通用户（在规定功率范围 内）可以使用ISM（Industrial-Scientific-Medical）频段而无须事先向无线 电管理机构申请。 ISM频段包括902～928MHz、2.4～2.4835GHz、5.725～5.875GHz三个频段 ，1996年中国无线电管理委员会开放了2.4～2.4835GHz频段，2004年又开 始试行开放5.725～5.875GHz频段。

107 窄带通信与频率资源匮乏 可用带宽计算： 有线通信的总带宽
以2.4～2.4835GHz频段为例，其带宽为835MHz，参照有线网络目前的数据 速率，每个用户需100MHz，那么在同一电磁场强度空间里（一般为几十 米到几百米），只能容纳8.35个用户同时通信。实际上各用户分配的频带 之间还必须留出50%左右的隔离带，这样算下来可容纳用户只剩5.57个。 有线通信的总带宽 在同一空间里，有线通信的总带宽等于每条电缆的带宽乘以电缆总数，理 论上是可以无线增加的。 无线通信速率低于有线通信、以及必须发展扩频通信的原因。

108 窄带通信与频率资源匮乏 频率复用的各种方案 由于频率资源紧张，各频段的获得者都要设法在有限的频率范围内容纳更大的数据传输率。
主要思路是同一频率同时传输多路数据，这就是频率复用。 在无线广域网上，可以利用电磁波能量密度随距离平方下降的特点，按蜂窝图形划分频率小区，不相邻的小区使用相同频率而不混淆，因为本区信号强度远远大于隔区传来的另一同频信号，接收机可设定信号/噪声鉴别阈值，把后者作为噪声过滤掉。 在无线局域网上，由于同频发射信号强度相差不大，就只能用其他方法来区分，其中一个就是利用正交函数的特性。

109 利用三角函数正交性复用 (1) 三角函数正交性复用 在高等数学“傅里叶级数”章节开头学过的三角函数正交性。
a. 频率不同的信号的乘积在一个周期中的积分等于0，这可称为异频正交 [ 举例：设m = 2，n = 3，并简记ω=2πft（通常称ω为“角频率”或“圆频率”），则cos(ω)在－π至π（即－180°至180°）范围积分等于0 。显然cos(5ω)和cos(－ω)在该区域的积分也等于0。]

110 同频不同相的信号乘积积分 b. 同频不同相的信号的乘积在一个周期中的积分值由相位角决定
用φ代表两信号相差的相位角，则可计算出（参看下图(a)）

111 同频不同相信号乘积积分结果分析 当相位差φ=±π/2时（即±90°），乘积的积分值等于0，这时称两个信号“同频正交”，下图(b)；
当相位差φ = 0或π时，乘积的积分绝对值（幅度）最大，其中φ = 0时积分值为+π，φ =π时积分值为－π，下图(c)； 当相位差φ在［－π/2，+π/2］（即±90°）区间之内时，乘积的积分为正，区间之外为负，下图(d)。

112 利用其它正交函数复用 (2) 利用其它正交函数复用
最有名的是沃尔什（Walsh）函数，因为它容易用数字电路实现。沃尔什序列广泛应用于 CDMA系统中。 例如在包含64个正交序列的沃尔什码表中，随意抽取沃尔什序列#23与#59来验证： 　　沃尔什序列在CDMA前向链路（从基站指向手机方向）中用于复用目的，用来区分信道；在反向链路中（从手机指向基站方向），沃尔什码仅用作正交调制码。

113 相干检测（分离）法 (3) 利用正交函数特性的相干检测（分离）法
设在同一小区域中有n个发射机分别向n个接 收机发送信息，分别使用彼此正交的n个信号 函数，每个接收机都收到相同的混合信号f(t) = f1(t) + f2(t) + ……+ fn(t)，其中第i号接收 机使用与fi(t)同频同相的参考信号gi(t)与f(t) 相乘，然后作积分处理，最后得到的就只有 gi(t)×fi(t)的积分值。 ∫gi(t)×f(t)dt == ∫gi(t)×[f1(t)+f2(t)+……+fn(t)]dt == ∫gi(t)×fi(t) dt 如果gi(t)的振幅恒定为1，则乘积函数的幅值就是fi(t)的幅值。

114 第2章 无线通信基础 2.1 移动通信技术发展史 2.2 无线通信的相关概念 2.3 调制与解调 2.4 扩频通信原理 2.5 正交编码原理
2.6 多路复用与多址技术

115 多路复用技术 复用 —— 多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？线路成本 DEMUX 复用器 解复用器 共享信道 MUX

116 多路复用与多址技术 随着通信技术的发展和通信系统的广泛应用，通信网的规模和需求越来越大 。因此，系统容量就成为一个非常重要的问题。
一方面，原来只传输一路信号的链路上，现在可能要求传输多路信号。 另一方面，通常一条链路的频带很宽，足以容纳多路信号传输。 所以，多路独立信号在一条链路上传输，称多路通信，应运而生了。 为了区分在一条链路上的多个用户的信号，理论上可以采用正交划分的方法 。也就是说，凡是在理论上正交的多个信号，在同一条链路上传输到接收端 后都可能利用其正交性完全区分开。

117 多路复用与多址技术 在实际中，常用的正交划分体制主要有在频域中划分的频分制、在时域中划分的时分制和利用正交编码划分的码分制。
如图所示，图中纵坐标为振幅与这三种方法相对应的技术，分别称为频分复用FDM、时分复用TDM 以及码分复用CDM。

118 多路复用技术 频分多路复用 (FDM) 时分多路复用 (TDM) 码分多址 (CDMA) 波分多路复用 (WDM)

119 频分复用 频分复用（FDM, Frequency Division Multiplexing ）
当传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需带宽的总和时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，这就是频分多路复用。 在频分复用时，每路信号占用不同的频段。在有大量信号需做频分复用时，总的占用频带必然很宽。因此，希望在复用时每路信号占用的频带宽度尽量窄。

120 FDM 多路复用与解复用全过程例

121 FDM 分层多路复用 典型例子：多路载波电话系统
每路电话信号的频带限制在300—3400Hz，在各路已调信号间留有防护 频带，每路电话信号取4 kHz作为标准带宽。 层次结构：12路电话复用为一个基群；5个基群复用为一个超群，共60 路电话；由10个超群复用为一个主群，共600路电话。如果需要传输更 多路电话，可以将多个主群进行复用，组成巨群。 基群频谱结构图 载波频率

122 FDM 分层多路复用

123 频分复用 FDM 技术主要用于模拟信号，普遍应用在多路载波电话系统中。 优点：信道利用率高，技术成熟；
缺点：设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。

124 多路复用技术 频分多路复用 (FDM) 时分多路复用 (TDM) 码分多址 (CDMA) 波分多路复用 (WDM)

125 时分复用 时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）
当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传 输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换 地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信 道传输，这就是时分多路复用。 采样定理已经证明，时间上连续的信号可以用它的离散抽样 值来表示，只要其抽样速率足够高。这样，我们就可以利用抽 样信号的间隔时间传输其他路的抽样信号。

126 时分复用 时分复用（TDM，Time Division Multiplexing） TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该
通道，将会造成带宽浪费。

127 统计(异步)TDM —— STDM 改进：使用统计时分多路复用（STDM），用户不固 定占用某个通道，有空时间片就将数据放入。
各数据之前要附有该路地址， 以便接收方能分出各路信号

128 TDM 和 STDM 的比较 A B C D t1 t2 t3 A1 B1 C1 D1 C2 D2 A2 B2 同步 TDM 统计TDM
待发数据 t1 t2 t3 A1 B1 C1 D1 C2 D2 A2 B2 周期1 周期2 同步 TDM 带宽浪费 可用带宽 统计TDM (数据之前附有该路地址)

129 T1 信道 T1 信道 广泛用于北美和日本的电话系统中。每秒 8000 次采样(帧)，一共24路信号，每路信号8位(含1比特控制), 每帧还有1同步比特。数据传输率：193 * 8000 = Mbps

130 T1 信道复用24路电话

131 T1 信道传输速率1.544 Mbps

132 E1信道 用于北美和日本以外地区，包括中国。每秒8000次采样(帧)，一共32路信号(其中2路作信令同步)，每路信号8位,每帧还有1同步比特。 速率为：8 * 32 * 8000 = Mbps 1 2 16 31 125 ms = 32 时隙 = Mbps 帧同步 信令信道 30 路话音数据信道 + 2 路控制信道

133 E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s 传输线路 … 时分复用帧 T CH2 CH30 t 8 bit 15 个话路 T = 125 μs

134 多路复用技术 频分多路复用 (FDM) 时分多路复用 (TDM) 码分多址 (CDMA) 波分多路复用 (WDM)

135 码分复用 码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）
各种复用技术都是利用信号的正交性。在码分复用中，各路信号码元在 频谱上和时间上都是混叠的，但是代表每个码元的码组是正交的。 每个站被指派一个唯一的 m 位码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m 位码片序列 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码 例如，S 站的 8 位码片序列是 。 发送比特 1 时，就发送序列 发送比特 0 时，就发送序列 为数学运算方便，将S 站的码片序列表示成 (–1, –1, –1, +1, +1, –1, +1, +1)

136 码片序列间要相互正交 设向量 S 表示站 S 的码片向量， T 表示站T的码片向量。两个不同站的码片序列正交，必须向量 S 和T 的归 一化内积(inner product)为 0： 例如： 设 S＝(–1 –1 – – ), T= (–1 –1 +1 – –1), 则

137 CDMA 举例 1 编码端

138 CDMA 举例 1 解码端

139 CDMA 举例 2 编码端 数据0 = (1, 0, 1, 1) 数据1 = (0, 0, 1, 1) (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0) 步骤 编码端0 编码端1 正交码0 = (1, −1) 数据0 = (1, 0, 1, 1) 正交码1 = (1, 1) 数据1 = (0, 0, 1, 1) 1 编码0 = 2(1, 0, 1, 1) − (1, 1, 1, 1) = (1, −1, 1, 1) 编码1 = 2(0, 0, 1, 1) − (1, 1, 1, 1) = (−1, −1, 1, 1) 2 信号0 = 编码0 ⊗ 正交码0 = (1, −1, 1, 1) ⊗ ( 1, −1) = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) 信号1 = 编码1 ⊗正交码1 = (−1, −1, 1, 1) ⊗ ( 1, 1) = (−1, −1, −1, −1, 1, 1, 1, 1) 信号叠加 (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) + (−1, −1, −1, −1, 1, 1, 1, 1) = (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0)

140 CDMA 举例 2 解码端 数据0 = (1, 0, 1, 1) 数据1 = (0, 0, 1, 1) (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0) 步骤 解码端0 解码端1 正交码0 = (1, −1) 信号= (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0) 正交码1 = (1, 1) 1 解码0 = ((0, −2), (−2, 0), (2, 0), (2, 0)).(1, −1) 解码1 = ((0, −2), (−2, 0), (2, 0), (2, 0)).(1, 1) 2 解码0 = ((0 + 2), (−2 + 0), (2 + 0), (2 + 0)) 解码1 = ((0 − 2), (−2 + 0), (2 + 0), (2 + 0)) 3 数据0=(2, −2, 2, 2) 设立阈值后(1, 0, 1, 1) 数据1=(−2, −2, 2, 2) 设立阈值后(0, 0, 1, 1)

141 CDMA 举例 2 只有编码段0发送信号的情况 步骤 解码端0 解码端1
正交码0= (1, −1),信号= (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) 正交码1= (1, 1),信号= (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) 1 解码0= ((1, −1), (−1, 1), (1, −1), (1, −1)).(1, −1) 解码1 = ((1, −1), (−1, 1), (1, −1), (1, −1)).(1, 1) 2 解码0= ((1 + 1), (−1 − 1),(1 + 1), (1 + 1)) 解码1 = ((1 − 1), (−1 + 1),(1 − 1), (1 − 1)) 3 数据0 = (2, −2, 2, 2) 设立阈值后(1, 0, 1, 1) 数据1 = (0, 0, 0, 0) 无数据传输

142 课堂练习 解释信号快衰落和慢衰落的区别。 什么是多径衰落？请说明其对数字移动通信系统的影响。
描述解释无线通信模型的结构和过程。并用图画出模型。 解释无线信号调制解调的必要性。 写出ASK调制的表达式，并描述过程，画出波形。 描述ASK调制的相干解调和非相干解调过程，画出波形。 常用的扩频方法有哪几种，图示说明直接扩频与调频发送/接收端的处理过程。 解释CDMA系统中的正交编码原理。