射频通信系统的多址方式及其功率控制解析

01：射频通信系统的多址方式

u多址技术及其优点

uFDMA（频分多址）

uTDMA（时分多址）

uCDMA（码分多址）

u当前各个通信系统采用的多址方式

u什么叫多址方式(Multiple Access)?

Ø多个独立的用户对一个传输媒介的同时、私有的使用。

u由于在电话和射频通信系统初期，运营商力图在一条电路上同时提供尽可能多的业务。于是产生了多址技术。

u什么叫信道(Channel)?

Ø在传输媒介上为每个用户单独分配的,专用的一个通道。

u物理传输媒介是一个公共资源,可以根据建立在不同使用技术的不同标准细分为单独的信道。

Ø多址技术的优点

◦增加容量:为更多用户提供服务；

◦减少资金投入；

◦降低每用户的费用。

FDMA：

ØFDMA (Frequency Division Multiple Access)

Ø频分多址；

Ø每个用户使用一个不同的频率；

Ø一个信道是一个频率；

Ø频分多址的形象类比是:每个用户都在一个单独的小房间里通话,相互不受干扰。

TDMA：

ØTDMA (Time Division Multiple Access)

Ø时分多址；

Ø每个用户使用一个时间上的一个不同窗口(时隙) (“time slot”)；

Ø一个信道是在一个指定频率上的一个指定的时隙；

Ø时分多址的形象类比是:在同一个小房间的多个用户(使用相同频率),在每个时隙只有一个用户在说话,相互之间不会干扰。

CDMA：

ØCDMA (Code Division Multiple Access)；

Ø码分多址；

Ø每个用户在所有的时间内使用相同的频率,通过不同的code patterns区分；

Ø一个信道是一个唯一的(一套)code pattern（s)代码模式；

Ø码分多址的形象类比是:在同一个房间的多个用户同时对话,每个对话者使用不同的语言,只要保证说话的声音大小一定,通话可以正常进行。

当前各个通信系统采用的多址方式：

ØGSM系统采用FDMA和TDMA混合多址方式；

Ø在频域,以每200kHz分成若干个物理信道；

Ø每个物理信道在每个时隙内被一个用户独占；

ØWCDMA采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)频分双工方式；

ØCDMA2000系统采用FDMA和CDMA混合多址方式；

Ø在频域,以每1.25MHz分成若干个物理信道；

Ø每个物理信道在所有时刻都被所有用户使用；

ØTD-SCDMA与CDMA2000系统类似,只是TD系统的前向信道和反向信道为同一载波,采用的是时分双工。

02：通信系统的调制解调

Ø调制/解调的基本功能；

ØGSM系统的调制方式；

Ø3G系统的调制方式。

Ø为什么要进行调制?

Ø调制的目的是将待传送的基带信号通过载波调制,将其载荷搬移至适应不同信道特性的射频频段上进行传输。

Ø调制的过程：

Ø调制的过程一般分为两步：

1>首先将含有信息的基带信号利用标准的中频载波(如70MHz)调制载荷至中频频段；

2>再通过混频,将中频信号搬移至所需射频信道频段；

Ø上述两步也可以合并为一步,即直接进行射频调制,进入射频信道，当前大部分移动通信系统均采用这种方式。

Ø调制的主要特性：

Ø抗干扰性 它是调制的最主要的特性,主要研究不同调制方式的抗干扰特性与比较,选择不同条件下的最佳调制方式。

Ø频谱有效性 它是调制的另一个主要功能,主要体现在通信系统的有效性和数量指标方面，频谱有效性可以用单位频带在单位时间内所传送的信息量,即bps/Hz来度量。

Ø调制信号的峰均比 峰均比是指已调信号的峰值功率与平均功率的比值,特别对于CDMA多个码分信道叠加时,它将直接影响高功放器件的线性度要求和动态范围要求等工程实现性能。

GSM系统的调制方式：

ØGSM系统采用的调制方式为GMSK调制,属于二进制连续相位移频键控(CPFSK)的一种特殊情况,是一种恒包络调制,不存在相位跃变点。

Ø采用GMSK调制的原因:

Ø可使用高效率的C类高功率放大器；

Ø紧凑的功率谱；

Ø较高的频谱利用效率。

3G系统的调制方式：

ØGSM系统采用了性能优良的GMSK调制方式,它在二进制调制中几乎具有最优综合性能，但是其频谱效率不如QPSK,在CDMA系统中即采用了QPSK调制的改进方式。

ØＷＣＤＭＡ的数据调制方式为ＢＰＳＫ（上行）和ＱＰＳＫ（下行）,扩频调制采用ＨＰＳＫ（上行）和ＱＰＳＫ（下行）。

ØＣＤＭＡ2000的数据调制采用ＢＰＳＫ（上行）和ＱＰＳＫ（下行）,扩频调制方式为ＢＰＳＫ（上行）和ＱＰＳＫ（下行）。

03：射频通信系统的功率控制

Ø功率控制的必要性；

Ø功率控制准则；

Ø功率控制的方法；

ØGSM系统的功率控制；

ØCDMA系统的功率控制。

功率控制的必要性

Ø引入功率控制的主要目的:

1.克服”阴影”效应带来的慢衰落;

2.克服由于多径传播,空间选择性衰落而引入的慢平坦衰落；

3.降低电流消耗,增加电池使用时间；

4.对于CDMA这样的干扰受限系统,功率控制可减少一系列干扰,这意味着在同一小区内可容纳的用户增多。

功率控制准则

Ø功率控制,是指在移动通信系统中根据信道变化情况及接收到的信号电平通过反馈信道,按照一定准则控制,调节发射信号电平。

Ø从原理上看,功率控制准则可分为:

1.功率平衡准则；

2.信噪比准则；

3.混合平衡准则；

4.误码率平衡准则。

功率平衡准则：

Ø功率平衡是指在接收端,各用户收到的信号功率应相等；

Ø对于上行链路,功率平衡的目的是使各用户到达基站的信号功率应相等；

Ø对于下行链路,则是要求各用户接收到基站的信号功率相等；

信噪比(SNR)平衡准则；

ØSNR平衡是指接收到的SNR应相等；

Ø对于上行链路,SNR平衡的目标是使基站接收到的各个用户SNR应相等；

Ø对于下行链路,SNR平衡的目标是使各用户接收到的基站信号的SNR应相等；

混合平衡准则：

Ø功率平衡准则的功控方法易于实现,但是其性能不如基于SNR平衡的功控；

Ø基于SNR平衡的功控也存在局限性,可能造成正反馈而导致系统崩溃；

Ø为了克服SNR的正反馈而带来的系统不稳定性,可采用功率平衡与SNR平衡相结合的混合平衡准则；

误码率BER平衡准则：

Ø对于数字与数据通信系统,往往采用误码率BER作为质量标准,所以也有人提出以误码率BER平衡作为功控准则；

Ø实现BER平衡准则有很多困难；

ØBER与SNR或信号功率之间不存在简单的线性对应关系,且与信道性质有关,所以很难建立具体分析模型

ØBER一般指平均误码率,它需要在一段时间内求平均值,因此以它为标准存在一定的时延,这段时延与求BER平均值的时间段是相互矛盾的,平均时间长时延大,延迟后执行功控的时间也就越长,从而影响功控准确度

开环功率控制：

Ø移动台(或基站)根据下行(或上行)链路接收到的信号强度或者SNR,对信道的衰落情况进行实时估计,若移动台(或基站)接收到的信号强度或者SNR很强,表明用户与基站距离很近,或者存在一个很好的传播路径,这时移动台(或基站可以降低其发射功率,相反就应增大其发射功率。

Ø开环功率控制在频分双工(FDD)系统中只能起到一个粗略控制的作用,而对于时分双工(TDD)系统中,由于上,下行链路使用同一频段不同时隙,只要上下行时隙间隔不太大,这时信道衰落基本上可以认为是对称的,开环功率控制可以有比较好的控制精度。

闭环功率控制：

Ø基站根据它所接收到的移动台上行链路中信号的强弱或SNR状况,产生功率控制命令,基站将功控指令通过反馈信道回送到移动台,并控制移动台的上行发射功率；

Ø与开环功控相比,闭环功控精度高,控制复杂。

GSM系统的功率控制：

GSM系统采用闭环功率控制

基站接收到移动台的信号,进行判断信号传播路径情况,根据判断结果发送功率控制指令给移动台.移动台根据功率控制指令调节输出功率大小。

Ø在手机中,GSM900最大功率为33dBm,功率调节等级为519，DCS最大功率30dBm，功率调节等级为015。

CDMA系统的功率控制

ØCMDA系统采用开环加闭环的功控方式；

Ø开环完成移动台入网功率控制,实现初控,每次移动台入网尝试都要通过多次入网探测,每次根据额定开环功率步长±0.5dB增加发射功率,一直到移动台接收到基站发送的认可消息探测序列才结束发送；

Ø闭环完成功率修正的精确控制,基站接收并提取信道估计信息进行判断给出功控指令,通过反馈信道传送功控指令到移动台,移动台执行并调整发送功率。

04射频通信系统的天线反馈部分

Ø天线反馈部分的组成；

Ø天线性能的衡量标准；

Ø环境对天线的影响。

天线反馈部分组成：

Ø天线反馈部分一般由天线,天线开关单元或者多工单元以及它们之间的匹配网络组成；

Ø天线完成电磁波能量和高频电流的相互转换；

Ø天线开关单元,多工单元完成接收和发送电路的切换,使得同一个天线能完成接收和发送两个任务；

Ø匹配网络完成天线和天线开关单元,多工单元之间的阻抗匹配,使天线工作在最佳状态。

天线性能的衡量标准

Ø天线的谐振频率；

天线的谐振频率反映了天线能将哪些频率有效的辐射出去；

Ø天线的回波损耗；

反映了天线与开关单元或者多工单元之间的匹配状况；

Ø天线的方向性；

反映了天线辐射的电磁波能量在空间的分布状况和天线对空间各个方向电磁波能量的感应能力；

Ø总辐射功率(TRP)；

反映了移动台整机的发射功率情况,跟移动台在传导情况下的发射功率和天线辐射性能有关；

Ø总感应灵敏度(TIS)

反映在整个辐射球面手机接收灵敏度指标的情况,跟手机的传导灵敏度和天线的辐射性能有关。

环境对天线的影响

Ø天线是环境敏感器件；

Ø天线周边物体即使与天线不接触,甚至相距有点间隔都可能对天线性能产生影响；

Ø周边物体对天线性能的影响与该物体的介电常数,电导率,磁导率有关；

Ø金属对手机天线辐射的电磁波有强烈的反射和散射作用,天线附近的金属会对天线的回波损耗,谐振频率,方向图产生明显影响；

Ø人体对手机天线辐射的电磁波有强烈的吸收作用,会对天线的TRP（总辐射功率）,TIS（总感应灵敏度）产生明显影响。

审核编辑：刘清