移动通信基本原理.ppt

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1、第2章 移动通信基本原理,2.1 手机发展概况 2.2 移动通信网的组成 2.3 多址接入技术 2.4 语音处理技术 2.5 数字调制与解调技术 2.6 用户通信终端设备 2.7 SIM卡与UIM卡 习题二,2.1 手机发展概况,1.模拟式手机 模拟式手机泛指第一代移动通信的终端设备。第一代移动通信俗称“本地通”，多采用TACS制，频分多址（FDMA）方式。,2.数字式手机 现在正处于移动通信的第二阶段，数字式手机泛指第二代移动通信的终端设备。第二代数字式手机，俗称“全球通”，我国现有GSM、CDMA两种制式。我国首先采用GSM制，它属时分多址（TDMA）方式。,3.第三代手机 实用的第三代手

2、机已经问世，主要采用CDMA 2000技术。显然，它必须与第三代移动通信相适应，第三代手机应具备以下几个特点：（1）不仅能传送语音信号，也为传递图像信号奠定了基础。（2）手机中可加装微型摄像头，可实时拍摄景物，使可视通信成为可能，可随意拨打可视电话。,（3）由于通频带拓宽，通过无线电网络技术，能轻松地上网，能浏览网页，收发电子邮件，能下载网上文件和图片，实现多媒体通信。（4）手机与商务通浑然一体，能以手写体录入文字。,4.第四代手机 第三代手机以能达到3G频段为主要特征，第四代移动电话机的4G技术已经问世。美国AT&T实验室正在研究第四代移动通信技术，其研究的目标是提高手机访问互联网的速率。目

3、前，手机上网的连接速率大约为调制解调器的1/4，而采用4G技术的连接速率一开始就能达到拨号调制解调器的十几倍，但现在还不能将这种技术转向实用化。表1-1为三代移动通信的主要特点。,表2-1 三代移动通信的比较,5 小灵通PHS 小灵通又叫无线市话，英文简称为PHS(Personal Handphone System)，是一种个人无线接入系统。在不少城市，“小灵通”已成为人们日常生活中不可缺少的通信工具。“小灵通”采用的是微蜂窝技术，将用户终端以无线的方式接入固定电话网，使传统意义上的电话不再固定在某个位置，用户可在小灵通网络覆盖范围内自由移动实现通信。正是由于无线市话小巧、价廉、环保的特点，人

4、们亲切地称之为“小灵通”。,小灵通定位在对固定电话的补充与延伸上。它的最大特点是通信费用低廉，其手机发射功率小，平均发射功率为10 mW，手机通话时间较长。但其室内信号覆盖比较差，且它的移动速度一般不能超过35 km/h。在最后一章将详细讨论其工作原理。,2.2 移动通信网的组成,1.2.1 数字移动通信系统基本组成 一个数字移动通信系统主要由交换网络子系统NSS、基站子系统BSS和手机MS组成。基站子系统与移动电话机之间依赖无线信道来传输信息。移动通信系统与其他通信系统如PSTN固定电话网之间，需要通过中继线相连，实现系统之间的互连互通，其组成框图如图1-1所示。当然，对整个通信网络需要进行

5、管理和监控，这是由操作维护子系统OMS来完成的。,图1-1 移动通信系统组成框图,1.手机MS 终端设备就是移动客户设备部分，它由两部分组成：移动终端(MS)和客户识别模块（SIM）。移动终端在早期是以车载台、便携台形式出现的，现在多为大众化的移动电话机手机所取代，车载台仍有少量生产，主要用于通信部门和军事上。,2.基站子系统BSS 基站又称基地台，它是一个能够接收和发送信号的固定电台，负责与手机进行通信。基站（BSS）系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。,

6、1）基站收发信台BTS BTS完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。2）基站控制器BSC 基站控制器是基站的智能控制部分，负责本基站的收发信机的运行、呼叫管理、信道分配、呼叫接续等。一个基站控制器可以控制管理最多可达256个基站收发器。,3 交换网络子系统NSS 交换网络子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。交换网络子系统NSS能在任意选定的两条用户线（或信道）之间建立和（而后）释放一条通信链路，并实现整个通信系统的运行、管理。,1）移动交换中心MSC MSC是计算机控制的全自动交换系统。MS

7、C与基站以光缆相连进行通信，一个MSC可以管理数十个基站，并组成局域网。,MSC支持的呼叫业务是：（1）本地呼叫、长途呼叫和国际呼叫。（2）通过MSC进行移动用户与市话、长话之间的联系，控制不同蜂窝小区的运营。（3）支持移动电话机的越区切换、漫游、入网登录和计费。,2）访问位置寄存器VLR 访问位置寄存器VLR是一个用于存储来访用户信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务，也可以为几个相邻的MSC控制区服务。移动台MS的不断移动导致了其位置信息的不断变化，这种变化的位置信息在VLR中进行登记。,3）归属位置寄存器HLR HLR是一种用来储存本地用户位置信息的数据库。当一个移动用户购机

8、后首次使用SIM卡加入蜂窝系统时，必须通过MSC在该地的HLR中登记注册，把其有关参数存放在HLR中。4）鉴权中心AUC 鉴权中心AUC的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并取得服务。,5）设备号识别寄存器EIR 设备号识别寄存器EIR存放设备类型信息，每个移动电话机都有一个国际移动设备识别码IMEI，EIR用来监视和鉴别移动设备，并拒绝非法移动台入网。,6）操作维护子系统OMS 操作维护子系统OMS，又称操作维护中心。其任务主要是对整个GSM网络进行管理和监控。通过OMS实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。,2.2.2 CDMA数字移动通信系统的基本

9、组成 各种CDMA系统的主要技术、具体构成不完全相同，我国主要是联通的800 MHz CDMA数字系统。一种CDMA数字移动通信系统的基本组成如图1-2所示。,图1-2 CDMA数字移动通信系统基本组成,CDMA的基本组成与GSM的大同小异，交换网络子系统NSS、基站子系统BSS、操作维护子系统OMS和手机MS是必不可少的组成部分。图1-2中，PCF部分主要实现对分组数据业务的处理功能。它能够提供强大的分组数据处理能力，满足用户对高速分组数据的传输要求，能适应目前和将来不断增长的业务需要。OMC-R部分主要是对整个BSS子系统来进行管理和控制，它是整个BSS子系统的操作维护中心。,2.3 多址

10、接入技术,多址技术就是要使众多的客户共用公共通信信道所采用的一种技术。实现多址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。,2.3.1 频分多址（FDMA）FDMA是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道（或称信道）分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路话音或数据信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。如图1-3所示。,图1-3 频分多址的频道划分,2.3.2 时分多址（TDMA）TDMA将每个频带信道分成若干时隙（时间片），然后把每个时隙再分配给每个用户，根据一定的时隙分配原则

11、，使各个移动用户在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各个移动用户的信号而不混扰。,图2-4 频分多址和时分多址工作示意图(a)FDMA；(b)TDMA,图2-4中所示（(a)为FDMA，(b)为TDMA）是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率/时隙（FDMA/TDMA）。TDMA信道的划分如图1-5所示。现在正广泛使用的GSM数字移动通信系统采用的就是TDMA/FDMA相结合的方式。,图2-5 TDMA信道的划分,TDMA系统具有如下特性：(1)每载频多路。（2）突发脉冲序列传输。（3）传输速率高，自适应均衡。（4）传输开销

12、大。(5)对于新技术是开放的。（6）共享设备的成本低。,2.3.3 码分多址（CDMA）在码分多址CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用不同的编码序列来区分的，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频率域或时间域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。,在FDMA和TDMA系统中，为了扩大通信用户容量，都尽力压缩信道带宽，但这种压缩是有限度的，因为信道带宽的变窄将导致通话质量的下降。而CDMA却相反，可大幅度地增加信道宽度，这是因为它采用了扩频通信技术。,CDMA的关键是所用扩频码有多少个不同的互相正交的码序列，就有多少个不同的地址码，也就有多少个

13、码分信道。为了扩大系统容量，人们正在致力于这种正交码序列的编码研究。CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频（DS）、跳频扩频（FH）、跳时扩频（TH）和复合式扩频，如图1-6所示。直接序列扩频（DS-SS）CDMA发射和接收电路构成如图1-7所示。,图2-6 CDMA扩频调制方式,图2-7 直接序列扩频（DS-SS）发射和接收电路构成框图,CDMA技术近年得到了迅速的发展，正在成为一项全球性的无线通信技术，它具有如下优点：（1）系统具有软容量。（2）能实现多媒体通信。（3）语音质量高。（4）无需防护间隔。（5）能实现软切换。（6）保密性强。（7）实现低功耗。（8）建网成本

14、下降。,2.4 语音处理技术,2.4.1 语音编码 由于GSM系统是一种全数字系统，语音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把语音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。语音信号有多种编码方式，但最基本的是脉冲编码调制PCM。典型的脉冲编码调制电路组成如图1-8所示。,图2-8 脉冲编码调制电路组成,PCM编码是采用A律波形编码，分为三步：(1)采样。(2)量化。(3)编码。,声码器编码可以是很低的速率（可以低于5 kbs），虽然不影响语音的可懂性，但语音的失真很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器语音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。因此GSM系统语音编码器是采用声码器和波形编码器

15、的混合物混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器），见图1-9。,图2-9 GSM语音编码器框图,2.4.2 信道编码 1.信道编码的基本原理 语音信号经过语音编码后，紧接着还要进行信道编码。由语音编码过程可以看出，采用LPC-LTP-RPE 编码方案，可以降低数字信号的传输速率，实现数字信号压缩。,采用数字传输时，所传信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的来表示，并由此引出比特差错率(BER)的概念。BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比例要尽可能小。为了有所补益，可使用信道编码。信道编码能够检出和校正接收比

16、特流中的差错。这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但这种方法可以有效地减少数据差错。,为了便于理解，我们举一个简单的例子加以说明。假定要传输的信息是一个“0”或是一个“1”，为了提高保护能力，各添加3个比特：信息 添加比特 发送比特 0 000 0000 1 111 1111,对于每一比特(0或1)，只有一个有效的编码组(0000或1111)。如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错。比例关系是14，必须发送的是该信息所需要的4倍的比特。保护作用如何?接收编码组可能为：0000 0010 01

17、10 0111 1111 判决结果：0 0 X 1 1,图2-10表示了数字信号传输的过程，其中信源可以是语音、数据或图像的电信号“s”，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m”，人为地再按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个一个码字“c”(信道编码)，然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。,图2-10 数字信息传输方框图,移动通信的传输信道属变参信道，它不仅会引起随机错误，更主要的是会造成突发错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。分组编码的原理框图见图2-11。卷积编码的原理框图见图2-12。,图2-11 分组编码,图2

18、-12 卷积编码,2 GSM数字语音的信道编码 在GSM系统中，上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码，构成一个“信息分组+奇偶(检验)比特”的形式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成编码比特。这两次编码适用于语音和数据二者，但它们的编码方案略有差异。采用“两次”编码的好处是：在有差错时，能校正的校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利用分组编码特性)。,GSM系统首先是把语音分成20 ms的音段，这20 ms的音段通过语音编码器被数字化和语音编码，产生260个比特流，并被分成：(1)50个最重要比特。（2)132个重要比特。（3)78个不重要比特。如图1-13所示，对上述

19、50个最重要比特添加3个奇偶检验比特(分组编码)，这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率12，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。,图2-13 GSM数字话音的信道编码,2.4.3 交织技术 1 交织技术的一般原理 假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特24，也作同样处理，如图1-14所示。,图2-14 交织原理,2 GSM系统中交织方式 在GSM系统中，信道编码后进行交织。交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。话音编码器和信道编码器将每一2

20、0 ms语音数字化并编码，提供456个比特。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，见图1-15。,图2-15 GSM 20 ms话音编码交织,如果将同一20 ms语音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中(见图1-16)，那么该突发脉冲串丢失则会导致该20 ms的语音损失25的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。,图2-16 普通突发脉冲串,把每20 ms语音456比特分成的8帧为一个块，假设有A、B、C、D四块，见图1-17。在第一个普通突发脉冲串中，两个57比特组分别插入A块和D块的各1帧(插入方式如图1

21、-18所示.,图2-17 话音信道编码,图2-18 二次交织,1.4.4 CDMA系统的话音编码 目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8 kb/s和13 kb/s。8 kb/s的话音编码达到GSM系统的13 kb/s的话音水平甚至更好。13 b/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。,2.5 数字调制与解调技术,1.5.1 调制与解调 1.什么是调制 人的耳朵能够听到语音的频率在2020 000 Hz的范围内。一般认为只要有3003400 Hz，就足以表达说话的内容了。如果考虑

22、到语音的原始声音和真实度问题，则需要5015 000 Hz的频率范围。声音范围的频率被称作低频或音频。,2.常见的调制解调 调制时必须具备调制信号和载波。调制信号可以分为模拟信号和数字信号。可供使用的载波有正弦波和方波。调制方式可以按照调制信号的形式和载波形式的组合来分类。表1-2示出了调制方式的分类情况，可以依照信息的形式、传送线路的特性和对传送质量的要求来选择调制方式。,表2-2 调 制 方 式,载波具有振幅、频率、相位和宽度等要素。调制就是让载波的某一个要素随调制信号变化，如图1-19所示。数字调制是指调制信号是数字基带信号，载波为高频正弦波的调制。与模拟调制相同，数字调制也同样是让载波

23、的振幅、频率或者相位产生变化，但调制信号是1或0。,图2-19 载波的要素,2.5.2 数字移动通信系统的调制方式 经语音编码后的信号是数字信号，此信号向外发送还需要经过调制。应用于移动通信的数字调制技术，按信号相位是否连续可分为相位连续型调制和相位不连续型调制；按信号包络是否恒定可分为恒包络调制和非恒包络调制。频移键控FSK是数字信号的频率调制，可看成调频的一种特例。产生频移键控信号的基本原理如图1-20所示。,图2-20 FSK基本原理示意图,传送编码为10001101，其工作波形示意如图1-21所示。从图中可以看出，FSK调制相当于D/A变换，经过调制后的数字信号变成了f1、f2二值频率

24、变化，显然，这个信号具有模拟信号的特点。完成频移键控后，接收端如何解调出这个二进制码呢？FSK解调如图2-22所示。,图2-21 FSK波形示意图,图2-22 FSK解调,1.5.3 高斯最小频移键控GMSK 调制技术。其中应用最多的是最小频移键控MSK、平滑调频TFM、高斯最小频移键控GMSK。GSM系统采用高斯最小频移键控GMSK。GMSK与FSK不同之处是：（1）在调制时，使高、低电平所调制的两个频率f1、f2尽可能接近，即频移最小，这样可节省频带。,（2）GMSK调制可以控制相位的连续性，在每个码元持续期Ts内，频移恰好引起/2的相位变化。（3）在MSK之前加入了高斯滤波器，因其滤波特

25、性与高斯曲线相似，故以此相称。GMSK信号产生原理如图1-23所示，电路框图如图1-24所示。,图2-23 GMSK信号产生原理,图2-24 GMSK调制器电路框图,2.6 用户通信终端设备,1.6.1 手机组成 手机与SIM卡共同构成GSM移动通信系统的终端设备，也是移动通信系统的重要组成部分。虽然手机品牌、型号众多，但从电路结构上都可简单地分为射频部分、逻辑音频部分、接口部分和电源部分。手机的简单组成框图如图1-25所示。,图2-25 GSM手机组成框图,1)射频部分 射频部分由天线、接收、发送、调制解调器和振荡器等高频系统组成。2）逻辑音频部分 发送通道的处理包括语音编码、信道编码、加密

26、、TDMA帧形成。3)接口部分 接口模块包括模拟语音接口、数字接口及人机接口三部分。,4）电源 电源部分为射频部分和逻辑部分供电，同时又受到逻辑部分的控制。另外，软件也是手机的重要组成部分。手机的整个工作过程由CPU(中央处理器)控制，CPU由其内部的软件程序控制，而软件程序来源于GSM规范。后面的章节将详细介绍各部分电路的组成和功能。双频 GSM手机的技术指标见表1-3。,表2-3 双频 GSM手机的技术指标,2.6.2 CDMA手机 1 CDMA手机技术指标 CDMA手机一般的技术指标见表1-4。,表2-4 CDMA手机的技术指标,2 CDMA手机比GSM手机更具有优越性（1）接通率高。（

27、2）手机电池的使用寿命延长。（3）“绿色手机”。（4）话音质量高。（5）不易掉话。（6）保密性能更好。,2.7 SIM卡与UIM卡,1.7.1 概述 手机与SIM卡共同构成移动通信终端设备。GSM手机用户在“入网”时会得到一张SIM卡，机卡分离式CDMA手机“入网”时也需配置UIM卡，SIM或UIM卡是“用户识别模块”的意思。,2.7.2 手机卡的内容 手机卡是一张符合通信网络规范的“智能”卡，它内部包含了与用户有关的、被存储在用户这一方的信息。SIM卡内部保存的数据可以归纳为以下四种类型：,（1）由SIM卡生产商存入的系统原始数据，如生产厂商代码、生产串号、SIM卡资源配置数据等基本参数。（

28、2）由GSM网络运营商写入的SIM卡所属网络与用户有关的、被存储在用户这一方的网络参数和用户数据等，包括：,鉴权和加密信息Ki(Kc算法输入参数之一：密钥号)国际移动用户号（IMSI）；A3：IMSI认证算法；A5：加密密钥生成算法；A8：密钥（Kc）生成前，用户密钥（Kc）生成算法；移动电话机用户号码、呼叫限制信息等。,（3）由用户自己存入的数据。如缩位拨号信息、电话号码簿、移动电话机通信状态设置等。（4）用户在使用SIM卡过程中自动存入及更新的网络接续和用户信息。,在实际使用中有两种功能相同而形式不同的SIM卡：(1)卡片式(俗称大卡)SIM卡，这种形式的SIM卡符合有关IC卡的ISO标准

29、，类似IC卡。(2)嵌入式(俗称小卡)SIM卡，其大小只有25 mm15 mm，是半永久性地装入到移动台设备中的卡。,图2-26 SIM卡外形,2.7.3 SIM卡的构造 SIM卡是带有微处理器的芯片，包括五个模块，每个模块对应一个功能：微处理器、程序存储器、工作存储器、数据存储器和串行通信单元。最少有五个端口：电源；时钟；数据；复位；接地端。图1-27为SIM卡触点端口功能，图1-28为移动电话机中SIM卡座。,图2-27 SIM卡触点功能,图2-28 SIM卡座,2.7.4 SIM卡相关知识 1.国际移动设备识别码（IMEI码）在移动电话机背面标签上有一些代码，这些代码有其特殊的含义。首先

30、是15位数字组成的国际移动设备识别码（IMEI码），每部移动电话机出厂时设置的该号码是全世界惟一的，作为移动电话机本身的识别码，不仅标在机背的标签上，还以电子方式存储于移动电话机中，具体地说是在移动电话机电路板中的电可擦除存储器（EEPROM）中。IMEI码各部分含义如下：,第16位数字（TAC（6位）型号批准号，由欧洲型号批准中心分配；第78位数字（FAC（2位）最后装配号码，表示生产厂家或最后装配所在地，由厂家进行编码；第914位数字（SNR（6位）序号码，这个独立序号惟一地识别每个TAC和FAC中的每个移动设备；第15位数字（SP（1位）备用，一般为0。,2.开户管理 开户管理主要是在办

31、理登记和购机时选定移动电话机号码。只有在运营商指定的业务处，或电信管理部门授权允许经营移动电话机的商业点购机，才给予办理入网登记手续，允许入网使用。3.收费管理 目前收费管理分为开户入网收费和通话计费管理。开户入网费包括开户费和SIM卡费，不同的GSM网络运营商的此项费用价格也不同，而且和地区也有关。,2.7.5 UIM卡 机卡分离式CDMA手机，“入网”时需要配置UIM卡（机卡一体式手机无须配置）。UIM卡功能、外型与SIM卡相似，同样有电源、时钟、数据、复位、接地端，只是各个触点的具体位置排列与SIM略有差异。相应的，CDMA手机中必须有一个UIM卡电路，以给UIM卡提供电源、时钟、数据、复位等。,习 题 二,1.简述手机的发展概况。2.说明数字移动通信系统的基本组成。3.什么是多址接入技术？有哪些基本方法？4.CDMA技术有什么特点？5.什么是信道编码？信源编码与信道编码有什么不同？6.什么是交织技术？7.什么是信号调制技术？,8.GSM系统采用什么调制方法？画出GMSK调制电路的框图。9.简述GSM手机的组成。10试比较CDMA手机、GSM手机的技术指标，它们有什么异同？,