现代无线通信原理

第1章绪论 　　通信(Communication)，按照传统的理解，就是实现对信息高速、准确地传递。 　　从20世纪90年代开始，人类社会逐渐步入信息化社会。信息化社会是以信息技术为 基础，以信息产业为支柱，以信息价值的生产为核心，以信息产品为标志的社会。在信息化 社会中，信息（Information)成为重要的生产力要素，和物质、能源一起构成社会赖以生存 的三大资源。信息作为社会活动的战略资源和重要财富，只有通过广泛的流通和交换才能 产生价值，创造出巨大的经济效益和社会效益。而通信作为信息的传输方式，是人类社会传 递信息、交流思想、传播知识的重要手段。通信与微电子技术、计算机技术、传感技术相互 融合，发展迅速，尤其是无线通信技术在过去十几年取得了令人瞩目的成就。现代通信网络 (Network)已成为支撑国家经济社会发展*重要的基础设施之一。可以预见，未来通信的发 展仍将继续对人们的生产生活方式、行为方式和价值观念产生更加重大和意义深远的影响。 　　在信息化社会发展进程中，信息数字化是信息科学的一次重要革命。信息数字化包括 两个层面的含义：一是信息资源的数字化，包括图像、视频、文字等视觉信息的数字化，话 音、音乐等听觉信息的数字化，以及地理信息、空间信息和传感物理量等其他感觉信息的数 字化；另一层面则是信息处理的数字化，包括对通信信号的分析、表示、处理、自动识别等 过程的数字化，以及对信号处理和信息传输方法的数字化，如使用数字信号处理技术和对通 信网络的系统仿真等。数字化使得传统模拟(Analog)通信在实际应用中逐渐淡出，被数字 (Digital)通信代替，同时，数字通信也向全数字接收、软件无线电方向迈进。因此，本书将 主要讨论无线数字通信。在深入讨论之前，首先对数字通信系统作简单的介绍。 　　1.1数字通信系统模型 　　图1.1给出了数字通信系统的基本组成框架。以图中信道为界，上半部分为发射机部分， 下半部分为接收机部分。不考虑噪声和干扰带来的影响，接收过程在数学上可以看成发送过 程的逆过程，其中解扩是扩频的逆，解调是调制的逆，交织与解交织、信道编码与信道译码、 加密与解密、信源编码与信源译码、信源与信宿分别构成一对逆。因此这里重点讨论发射机 组成部分。 　　1.1.1信源 　　对于通信系统的传输信号，一般主要考虑电信号形式，所有非电信号（光、声、机械波等) 均通过传感器转换为电信号，然后进行处理和传输。数字通信系统（Digital Communication System， DCS)传输的信号是时间和取值幅度都离散的数字信号。实际信源输出可以是数字 信号也可以是模拟信号。对模拟信号需要作数字化处理将其转化为数字信号。数字化过程包 括三个步骤：抽样（Sampling)、量化(Quantization)和编码（Coding)为能够从数字信号 重新准确恢复出原模拟信号，要求抽样速率满足奈奎斯特(Nyquist)抽样定理，即抽样速率fs不小于2倍信号*高频率/h，即fs≥2/h。近年来出现了一种称为压缩感知（Compressive Sensing)的新理论[3]，利用合适的变换空间来描述信号，将对信号的抽样转变为对信息的抽 样，有望大幅降低抽样速率。 　　图1.1数字通信系统模型 　　经过数字化处理后信源消息全部变换为二进制数字（比特）序列，速率单位为比特/秒 (bit/s)o由于各种信息源产生信息的种类多、数量大、信息速率变化范围大，因此对传输系 统的要求也不尽相同。 　　信源在数学上可以用概率空间[X，P(x)}来描述⑷，其中X为全体信源符号构成的样 本空间（Sample Space)，P{x)为样本的出现概率（Probability)。 　　1.1.2信源编码 　　在将信源产生的消息变换成二进制数字序列时，应当用尽可能少的二进制数字符号 (Binary Digits)来表示尽可能多的信源输出信息，也就是得到的信源表示具有尽可能小的 或几乎没有冗余（Redundancy)。这一过程就是信源编码（Source Encoder)或数据压缩。信 源编码的目的是提高信息传输的有效性（Efficiency)。这就要求：①用于表示信源输出的符 号率尽可能低；②所得信息序列在接收端又可以准确再现信源输出，这一过程称为信源译码 (Source Decoder)，是信道编码的逆过程。信源编码的基本实现思路是删去数据符号中的冗余，使前后符号之间尽可能接近统计独立。 　　信源的压缩编码处理可以显著降低数据的传输速率，如64kbit/s的脉冲编码调制（Pulse Code Modulation， PCM)话音可压缩至2.4kbit/s。压缩编码有利于占用较少的信道带宽来实现传输，提高整个通信系统的网络容量。针对不同信源类型，有不同的压缩编码算法。例如， 针对语音信号问，有脉冲编码调制、自适应差分PCM(Adaptive Differential PCM， ADPCM)、增量调制（Delta Modulation， AM或DM)等波形编码方法，以及以线性预测编码（Linear Predictive Coding， LPC)为主的基于话音数学模型的参数编码方法；针对静止图像和活动图 像，有JPEG和MPEG等压缩标准[6，1对于一般数据文件，可基于概率统计而得到有效 的数据压缩。 　　信源编码器的编码极限为信源输出的熵率，实际信源输出信息速率为单位时间内产生 的二进制符号数，用Rb表示，单位为bit/s。信源编码输入（图1.1中A1位置）信源因存在 冗余，数据符号之间是相关的，信源编码输出（图1.1中B位置）因冗余已删除，可以认为 数据符号之间是统计独立的，符号出现概率可以看成均勻分布的。 　　1.1.3加密与信道编码 　　信源编码的输出数据符号因编码规律众所周知，任何接收者都能从中提取出正确信 息，实际应用系统中往往需要避免这一情况的出现。为此，需要在传送前对数据进行加密 (Encryption)，以确保通信的安全性（Security)。加密是指通过加密算法和加密密钥将原始数 据由明文（Plaintext)转变为密文(Ciphertext)，而接收端的解密(Decryption)则是通过解密 算法和解密密钥将密文恢复为明文。加解密过程利用密码技术对所传信息进行加密，实现信 息隐蔽，从而起到保护信息安全的作用。 　　信道编码能减弱传输过程所面临的噪声和干扰环境的影响，提高信息传输的可靠性(Reliability)。信道编码的实现思路是人为、可控地在传输序列中增加一定程度的冗余，接收端 利用冗余关系来判断是否在信息传输过程中产生了错误（即检错)，并用来修正在信息传输 过程中产生的错误（就是纠错)，从而达到增加信息传输可靠性的目的。常用的信道编码方法 包括各种前向纠错编码（Forward Error Correction， FEC)、自动请求重传(Automatic Repeat-reQuest， ARQ)等。 　　为了进一步对抗因信道记忆性导致的突发(Burst)差错，实际数字通信系统还常常采用 交织(Interleaver)技术将突发差错在时间上离散化，使得接收时分布在各码字上的差错相互 独立，降低纠错难度。 　　尽管信道编码增加了传输序列的相关性，但交织又进一步扰乱了相关性，因此基本上可 以认为交织输出（图1.1中B1位置）的数据序列是统计独立的，无记忆的。 　　本书主要考虑传输过程，信源编解码、加密解密、信道编码技术不在本书讨论的范围内，读者若有兴趣可以阅读相关书籍[8-10]。 　　1.1.4数据调制与扩频调制 　　数据调制（Modulation)的主要目的是将待传二进制符号序列映射成适合相应信道的信 号波形。针对不同的传输信道形式有不同的调制思想，对于基带信道，主要是码型变换；对 于频带信道，则以载波数字调制/解调(Demodulation)为主。 　　不少现代通信系统还利用扩频(Spread Spectrum， SS)调制来进一步提高系统性能和实 现多址传输。扩频调制通过在编码波形中引入伪随机码元使得传输信号的频谱比所传消息 实际需要带宽大得多，且传输信号带宽独立于信息带宽，扩频具有抗干扰、抗多径、低截获 　　概率等优势。本书对扩频技术不作详细讨论，有兴趣的读者可参阅相关书籍[11 -13]。 　　数据调制和扩频一般都在基带完成，因此可以更多地用等效基带信号的调制映射来表 示。此时数字调制相当于将二进制数据序列映射为信号空间上的矢量点即星座图。 　　1.1.5载波调制 　　图1.1中给出的为单载波调制，载波的复信号形式为，这在具体实现时，相当于I、Q两路正交载波（cos(2πfot)和sin(2πfot))调制。 　　为对抗信道衰落，多载波调制得到重视。有两种多载波调制方式：一种是用多路子载波 传输同样信息，如图1.2所示，这种传输模式主要用于信道不可靠概率较高的情况，如电离 层散射和对流层散射通信环境；另一种是数据串并变换后，每一路子载波承载一部分信息， 如图 1.3 所不，正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing， OFDM)调制正 是其中的典型[14]。 　　图1.2多载波调制1 　　图1.3多载波调制2 　　1.1.6信道 　　通信系统中，由传输介质构成的物理信道（Channel)及相应的交换、共享等技术为用户 提供传输信道。电信号的传输介质主要分为无线介质和有线介质两类。有线介质包括光纤、 电缆、双绞线、电力线、波导等，其中，光纤具有巨大的可用带宽和极低的传输损耗，在长 途干线网和区域网络中已完全取代了电缆成为主力。 　　无线介质主要包括无线电波、红外、激光等，根据国际电信联盟（International Telecommunications Union， ITU)的定义，无线电波指频率在3000GHz(3 x 1012)以下，不用人造 波导而在空间传播的电磁波。目前国际上只划分出9kHz?400GHz的范围，而实际上大多数应用系统都集中在40GHz以下的有限频段。根据波长，将无线电波分为长波、中波、短波 和微波等频段，主要用于移动通信、卫星通信、散射通信、微波接力等无线通信方式。国际上 主要由ITU来负责协调全球无线频谱资源管理，ITU利用《无线电规则》将世界划分为三个区域，中国位于第三区。在美国，商用频谱由联邦通信委员会（Federal Communications Commission， FCC)负责管理，军用频谱由频谱管理局（Office of Spectrum Management， OSM)负 责。欧洲商用频谱分配与管理由欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute， ETSI)负责管理。我国商用频谱由工业与信息化部无线电管理局负责管理， 对无线电频段使用的详细规定详见2011版《中华人民共和国无线电频率划分规定》[15]。 　　由于无线电波的开放性，其受到的各种干扰远比有线信道大得多，因此无线通信所能实 现的传输速率一直比同期的有线通信低一个数量级，甚至更多。但也正是无线电波的开放性 为人类通信交流提供了巨大的便利，才有可能实现随时随地不受时空限制的通信。 　　1.1.7同步与均衡 　　不考虑噪声和干扰的影响，接收过程是发送过程的逆。然而由于信道噪声和其他干扰的 存在，不仅接收端的处理过程一般远比对应发送端复杂得多，而且接收端还需考虑同步和信 道均衡处理。