无线通信的历史 – 最流行的

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,采用模拟信号进行语音通信。 网络标准包括NMT、TACS、JTAGS、AMPS等,主要采用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。 频分多址将总带宽划分为多个正交信道,每个用户占用一个信道。 在一个频率信道上,同一时刻只能传输一个用户的业务信息,相邻载频之间应满足传输带宽要求。 每个载频间隔为30kHz或25kHz,单独采用频分多址方式,每个载频只传输1个用户信号,频段窄,移动站设备简单,但基站设备庞大复杂,有多少个通道就有多少个收发器,所以需要天线共享器,功率损耗大; 另外,切换比较复杂,切换过程中会出现数十到数百毫秒的通信中断,从而导致数据传输的数据丢失。

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图1 频分复用的基本概念

如果将频率资源想象成一个房间,将房间划分为不同的空间,不同的用户在不同的房间聊天,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,必须先对各个通道的信号进行调制,将其频谱函数移动到相应的频段,使之互不重叠。 然后一起发送到通道进行传输。 在接收端,采用不同通带的带通滤波器将各路信号分离,然后分别进行解调,恢复各路信号。 调制方式可以任意选择,但常用的是单边带调制。 由于每个信号占用的频段较小,因此最节省频段,并且可以增加同一信道传输的信道数。

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图3 频分复用系统示意图

频分复用提高了频带利用率,具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能,并且具有更短的恒定而非时变的延迟。

第二代移动通信系统

与1G不同的是,2G用数字传输取代了模拟蜂窝网络,最重要的是,2G除了可以打电话、进行语音通信外,还可以发送短信、上网。 2G系统的几种主流网络标准包括GSM、TDMA和CDMA。

所提出的多址方法包括时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)。 所提出的调制技术是高斯最小频移键控(GMSK)、四进制频移键控控制(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)

时分多址是一种用于实现共享传输介质(通常是无线电域)或网络的通信技术。 它允许多个用户在不同的时间片(时隙)使用相同的频率。 用户一个接一个地快速传输,每个用户都使用自己的时间片,如图 4 所示。

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图4 时分多址示意图

将频率资源视为一个房间,并将房间划分为不同的空间。 如果在这个房间内,某个时间段允许一个人发言,下一个时间段允许另一个人发言,则为时分多址,如图5所示。

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图 5 时分多址

图6为双通道TDMA发送接收框图

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图6 TDMA发送接收框图

假设发射机发送的两个波形如图7所示,通过复用和周期循环,每个用户占用不同的时隙,但使用相同的频率,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,通过调整AF0的占空比来恢复发射波形。

时分多址,多个用户可以共享一个载频,而不是连续传输,切换更简单,但频率分配更复杂,接收时更要注意时间问题,如果同步和定时错误的话,接收端将无法正确恢复原始信号。

2)码分多址(CDMA)

码分多址是指通过码序列相关实现的多地址通信。 基本思想是通过不同的地址码来区分地址。 每一个都配有不同的地址码,用户发送的载波(对于同一载波)是由基带数字信号和地址码共同调制的。 相应的基带信号,而其他接收器由于地址码不同而无法解调该信号。

将频率资源视为一个房间,并将房间划分为不同的空间。 如果这个房间里有人说英语,有人说法语,有人说中文,那就是时分多址,如图8所示。

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图 8 码分多址

如图10所示,假设有3个用户ABC共享一个频道,分配给A的筹码为-1 +1 -1 +1,分配给B的筹码为-1 -1 +1 +1,分配的筹码为-1 -1 +1 +1。 to C为- 1 -1 -1 -1(芯片必须正交,即乘法为零),设置bit 1为+1V,bit 0为-1V,不发送数据为0V,信号发送由A发送两位00,B发送两位10,C发送两位11

那么A的芯片信号为 (-1)*(-1 ,+1, -1, +1) (-1)*(-1 ,+1, -1, +1) =>+1,-1 ,+1,-1,+1,-1,+1,-1

那么B的芯片信号为 (+1)*(-1,-1, +1, +1) (-1)*(-1,-1, +1, +1) =>-1,-1 ,+1,+1,+1,+1,-1,-1

那么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

那么发送的编码信号是(将信号相加)-1,-3,+1,-1,+1,-1,-1,-3

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图9 CDMA流程

ABC用户根据接收到的信号和自己的芯片推导出信号

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,所有用户使用相同的载波并占用相同的带宽,并且每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质量的高要求。 频谱利用效率高。 具有语音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖范围广等特点。

第三代移动通信系统

3G有三种常用标准:WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。 传输速度比较快,都是在CDMA技术基础上发展起来的。 CDMA是3G的基本原理。

一、三项标准介绍

基于CDMA技术的实践和应用,WCDMA可以支持384Kbps到2Mbps的数据传输速率。 在高速移动状态下,可提供384Kbps的传输速率。 在低速或室内环境下,可提供高达2Mbps的传输速率。 速度。

CDMA2000首先由北美提出,是在IS-95B系统的基础上发展起来的。 因此,该系统的同步方式、帧结构、扩频方式、码片速率等许多方面与IS-95B系统相似。 地方。

TD-SCDMA是时分同步码分多址(TSCDMA)的缩写。 是基于我国知识产权、国际上广泛接受和认可的国际无线通信标准。 它也被国际电信联盟ITU正式列为第三代移动通信空中接口技术规范之一,它综合了CDMA、TDMA等技术的技术优势,具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强等特点。 -干扰能力。

由于TD-SCDMA采用时分双工,上下行信道特性基本相同,因此基站更容易根据接收信号估计上下行信道。 此外,TD-SCDMA具有采用智能天线技术的先天优势,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,调整上下行数据速率的比例,非常适合。 上行数据较少,下行数据较多。 但上下行转换点的可变性给同频网络增加了一定的复杂性。

2.TDD和FDD

TDD是通信系统的双工模式,用于在移动通信系统中分离接收和发送信道(或上行链路和下行链路)。 TDD方式移动通信系统中,接收和发送处于同一频率信道,即载波的不同时隙,利用保证时间来分隔接收和发送信道; 而FDD方式的移动通信系统中,接收和发送是在两个独立的对称频道上,利用保证频段来分开接收和发送通道。

图10中,横坐标表示时间; DL代表下行链路,即基站发送给移动台; UL代表上行链路,即移动台向基站发送。 从图中可以看出,基站和移动台之间的无线传输是在频率信道F上,使用不同的时隙进行双向传输。

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图10 TDD工作模式

FDD模式的特点是系统在两个对称的分开的频率信道(上下行频率间隔190MHz)上进行接收和发送,并使用保护频带将接收和发送信道分开,如图12所示。在第一代蜂窝系统中用于传输连续信息,发射机和接收机都必须具有产生不同载波频率的频率合成器。 接收器处还必须有一个双工滤波器,以防止传输的信号泄漏到接收器。 另外,为了便于双工器的生产,发射和接收载波频率之间必须有一定的频率间隔。 FDD技术还用于第二代GSM、IS-136和IS-95系统。 在这些系统中,由于信息是在时隙中传输的,因此可以在不同的时隙中进行发送和接收,并且移动台或基站的发送信号不会对接收机造成干扰。

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图11 FDD工作方式

频分双工 (FDD) 也称为全双工,需要两个独立的通道才能运行。 一个通道用于向下传输信息,另一通道用于向上传输信息。 两个通道之间有一个保护带,以防止相邻发射机和接收机之间的相互干扰。

时分双工 (TDD),也称为半双工,只需要一个通道。 该同一信道用于向下和向上传输信息。 由于发射器和接收器不同时工作,因此它们之间不可能发生干扰。

一般认为TDD微波无线系统比FDD微波无线系统简单。 由于系统复杂度直接决定系统成本,因此TDD系统成本较低。 在FDD系统中,导致系统复杂度较高、成本较高的主要部件是双工器。 双工器必须防止高功率发射信号干扰非常敏感的接收器前端。

第四代移动通信系统

4G通信技术是在之前的2G、3G通信技术的基础上,加入了一些新技术,使得无线通信信号更加稳定,数据传输速率提高,兼容性更加流畅,通信质量更高。 使用的主要技术是多输入多输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM),包括TD-LTE和FDD-LTE,可以以100Mbps的速度下载。

1.正交频分复用(OFDM)

正交频分复用 (OFDM) 是一种多载波调制。 通过频分复用实现高速串行数据的并行传输。 具有良好的抗多径衰落能力,可以支持多用户接入。 其调制和解调分别基于IFFT和FFT。 实现了复杂度最低、应用最广泛的多载波传输方案。

OFDM的主要思想是将信道划分为若干个正交的子信道,将高速数据信号转换为并行的低速子数据流,并对其进行调制在每个子信道上传输。 可以通过在接收器处使用相关技术来分离正交信号,这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,因此每个子信道可以视为平坦衰落,从而消除符号间串扰,并且由于每个子信道的带宽仅很小原有信道带宽的一部分,信道均衡变得相对容易。 发送和接收框图如图12所示。

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图12 基于IDFT和FDT的OFDM传输方案

OFDM 中的每个载波彼此正交。 每个载波在一个符号时间内具有整数个载波周期。 每个载波的频谱零点与相邻载波的频谱零点重叠,从而减少载波之间的干扰。 由于载波之间存在部分重叠,因此与传统的FDMA相比,提高了频段利用率,如图13所示。

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图 13 FDMA 与 OFDM 的比较

基于IDFT的OFDM基带传输流程

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部分模块简单介绍:

1、适配模块:通过AXI总线与ARM连接,通过以太网输入数据,DDR作为数据共享,适配主要作为数据速率适配,基带通常以固定的传输速率发送数据,码率不固定,这种情况下,这部分要做的就是对数据流和码率进行适配,突发数据按照固定的码率发送出去。

2、加扰模块:消除直流分量,使频谱更加离散。

3.BCH+LDPC:编码和纠错。 LDPC编码不能消除小概率错误。 使用这种方法可以实现无差错传输。

4. 位交织:对矩阵进行一些转置变换。

5、映射和调制:映射是将数据进行分组,调​​制是将分组后的数据以适当的方式映射到相应的复轴上,以提高频段利用率。

6、符号交织:映射完成后,数据变成多比特的符号,符号交织使符号更加离散。

7、时间交织:通常采用帧结构作为交织的单位,较大的矩阵转置会造成帧处理的延迟。 通常会进行乒乓操作来满足时序要求。

8、帧适配:设计帧长度后,数据的长度可能不满足一帧的长度,不满足的部分需要用0或随机数据填充。

9 试点插入:在相应的坐标点处插入能量突出的点。

10.数据折叠:将数据折叠一次,例如1024个数据,513-1024向前移动,1-512向后移动,本质是做pi/2的相移,这也是算法中的要求。

11.傅里叶逆变换

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