移动通信基础知识

移动通信基础知识

 

一、发展历史

 1. 发展过程

    移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897年，M.G．马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。
    现代移动通信技术的发展始于本世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。

第一阶段从本世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到40年代提高到30～40MHz可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。

第二阶段从40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工，随后，西德(1950年)、法国(1956年)、英国(1959年)等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。

    第三阶段从60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统(1MTS)，使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。

    第四阶段从70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1983年，首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，约10万移动用户。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800MHz汽车电话系统(HAMTS)，在东京、大胶、神户等地投入商用。西德于1984年完成C网，频段为450MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统(TACS)，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国，频段为900MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450MHz移动电话系统MTS。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT―450移动通信网，并投入使用，频段为450MHz。

这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信大发展的原因，除了用户要求迅猛增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次，提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔试验室在70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。

    第五阶段从80年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。  

以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。实际上，早在70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。泛欧网GSM已于1991年7月开始投入商用，预计1995年将覆盖欧洲主要城市、机场和公路。可以说，在未来十多年内数字蜂窝移动通信将处于一个大发展时期，及有可能成为陆地公用移动通信的主要系统。

与其它现代技术的发展一样，移动通信技术的发展也呈现加快趋势，目前，当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段，正方兴末艾之时，关于未来移动通信的讨论已如火如荼地展开。各种方案纷纷出台，其中最热门的是所谓个人移动通信网。关于这种系统的概念和结构，各家解释并末一致。但有一点是肯定的，即未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。 

2.  应用现状

目前，尽管第一个数字蜂窝网GSM已经投入实用，模拟蜂窝网仍然是公用移动通信系统的主体。模拟蜂窝网不存在世界范围统一标准。当前正在使用的各种模拟蜂窝系统由开发它们的国家根据各自不同的国情制定了不同的标准，包括使用频段，信道间隔等都不尽相同，其它国家又根据各自情况使用了不同的系统。欧洲各国在开发第二代蜂窝网即数字蜂窝移动网时，试图建立统一的标准，GSM标准就是在这种背景下产生的。表1-1给出了目前正在使用着的各种蜂窝系统的概况，表1-2列出了这些系统在这些国家的使用。  

表1-1          各类蜂窝系统概况

名    称	投入使用时间	信道间隔   (kHz)	频   率 (MHz)	信道数	特    点
NAMTS	1978	25	870―885(b―m) 925―940(m―b)	600	可增加到1000信道
NMT―450	1981	25	453―457.5(m-b) 463―467.5(b-m)	180	信道容量低，无线覆盖好，适用农村地区
AMPS	1983	30	825―845(m―b) 870―890(b―m)	666	城市地区使用, 大容量
C-450	1985		451.3-455.7   m-b 461.3-465.7 b-m
TACS	1985	25	890―915(m―b) 935―960(b―m)	1000	容量比AMPS高50％
NMT-900	1986	12．5	890―915(m―b) 935―960(b―m)	1999	城市地区使用,适合于手持机
GSM	1991		890―915(m―b) 935―960(b―m)		数字系统，ISDN兼容

注：m―b指移动台至基站，b―m指基站至移动台。

  表1-2          使用各类系统的国家和地区 

系统	国家或地区
AMPS	澳大利亚、加拿大、新西兰、泰国、美国
C―450／NETZ―C	联邦德国
NAMTS	日本、科威持

二、频段划分

    较早的移动通信主．要使用甚高频VHF(150MHz)和特高频UHF(450MHz)频段。其主要原因有三点：  

(1)  VHF／UHF频段适合于移动通信

    从VHF／UHF频段电波的传播特性来看，主要是在视距范围内，一般为几十公里。而大部分车辆的日常运动半径也在几十公里范围内，因此这个频段适于移动通信。

(2)  天线较短便于移动

    天线长度决定于波长，移动台中使用最多的是专的鞭状天线。例如，全频率为150MHz时，约为1250px；450MHz时才约为425px，便于移动、携带方便。

(3) 抗干扰能力强

    VHF／UHF频段，可以用较小的发射功率获得较好的信噪比。

    我国在VHF频段已有电视节目12个频道，在UHF频段也有36个频道7所以移动通信只能占用它们的间隙来进行通信了。在用户比较少时，尚可满足要求，随着用户量的增长，这两个频段已处于通信容量的饱和状态；因此，目前大容量移动通信均使用新开发的频段――900MHz。   

    900MH2蜂窝式移动电话系统，最早是由美国子1971年开始研制并投入军用的，于1973年由美国摩托罗拉公司(MOTOROLA)向美国联邦通信委员会(FCC)提出申请AMPS系统(AdvancedMobile Phone Servlce的缩写)，经批准于1983年投入商用。  

英国决定采用AMPS系统的改进型,即TACS系统(Totalaccess Communication systom)。现将这个系统的主要差别列于表2-1中。

       表2-1   AMPS制式与TACS制式的主要差别  

项    目	AMPS	TACS
工作频段(MHz)MS→BS               BS→MS	825～845 870～890	890～915 935～960
频道间隔(kHz)	30	25
话音频道调制峰值频偏(kHz)	±12	±9.5
控制信号传输速率(kbit／s)	10	8
控制频道调制峰值频偏(kHz)	±8	±6.4

       我国邮电部于1983年11月以邮电字921号《转发“全国无委关于移动通信公众网使用频段关于移动通信公众网使用频段问题的复函”》，规定了900MHz频段为870～488．975MHz和915―934．975MHz，频道间隔25kHz，双工收发频率间隔为45MHz。1984年邮电部以邮电字451函批准900MHz改为879―898．975MHz及924～943．975MHz。可见，我国的公用移动通信网为了能与其他国家和地区的TACS系统兼容工作，基本上采用了了TACS标准。

 近期国际上为了适应增容的需要，在TACS使用频段的基础上，又进行了频段扩展，把工作频段扩改为MS→BS:872～905MHz；BS→MS：917～950MHz，称为E-TACS制式。

三、工作方式

按照通话的状态和频率使用的方法可分为三种工作方式，单工制、半双工制和双工制。

1.     单工

(1)单频(同频)单工  

单频是指通信的双方，使用相同工作频率(f₁)；单工是指通信双方的操作采用“按――讲”方式，如图1―4所示。平时，双方的接收机均处于守听状态。如果A方需要发话，可按压“按――讲”开关，关掉A方接收机，使其发射机工作，这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话；同理，也可实现由B至A的通话。在该方式中，同一部电台(如A方)的收发信机是交替工作的。故收发信机可使用同一副天线，而不需要使用天线共用器。 

          

    这种工作方式，设备简单，功耗小，但操作不便。如使用不当，会出现通话断断续续的现象。譬如，A方在发话过程中，出现暂短的停顿时，如果B方误以为“讲话完毕，按压下B方的“按――讲”开关，开始讲话。结果是由于B方接收机停止工作，使B方收听不到A方后半部分的讲话；与此同时，由于A方不是处于守听状态(即接收机末工作)，所以也听不到B方前半部分的讲话。当A方讲完之后，按下“按――讲”开关，所听到的是B方讲话的后半部分。总之，如果配合不好，双方通话就会出现断断续续的现象。此外，若在同一地区多部电台使用根邻的频率，相距较近的电台间，将产生严重的干扰。 

   (2) 双频单工  

    双频单工是指通信的双方使用两个频率f₁和f₂，而操作仍采用“按――讲”方式。同一部电台(如A方)的收发信机也是交替工作的，只是收发各用一个频率，其优缺点大致与单频单工相同。单工制适用于用户少、专业性强的移动通信系统中。
2.     半双工制    

半双工制是指通信的双方，有一方(如A方)使用双工方式，即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率f₁和f₂；而另一方(如B方)则采用双频单工方式，即收发信机交替工作，如图1―5所示。平时，B方是处于守听状态，仅在发话时才按压“按―讲”开关，切断收信机使发信机工作。其优点是：设备简单、功耗小、克服了通话断断续续的现象。但操作仍不太方便。所以半双工制主要用于专业移动通信系统中，如汽车调度等。

      

3.  双工制  

双工制指通信的双方，收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音，无需“按――讲”开关，与普通市内电话的使用情况类似，操作方便，如图1―6所示。但是采用这种方式，在使用过程中，不管是否发话，发射机总是工作的，故电能消耗大。这一点对以电池为能源的移动台是很不利的。为此，在某些系统中，移动台的发射机仅在发话时才工作，而移动台接收机总是工作的，通常称这种系统为准双工系统，它可以和双工系统相兼容。目前，这种工作方式在移动通信系统中获得了广泛的应用。   

         

 

四、多址方式

    在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式内问题。因为无线通信具有大面积无线电波覆盖和广播信道的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可接收，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为建立连接的首要问题。

多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即可写作：  

s(c,f,t)=c(t)s(f,t)  

其中c(t)是码型函数，s(f,t)为时间(t)和频率(f)的函数。

当以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接人时，称为频分多址方式(FDMA)；当以传输信号存在的时间不同划分来建立多址接入时，称为时分多址方式(TDMA)；当以传输信号的码型不同划分来建立多址接人时，称为码分多址方式(CDMA)。图1-4 分别给出了FDMA、TDMA和CDMA的示意图。  

      

    蜂窝结构的通信系统特点是通信资源的重用。频分多址系统是频率资源的重用；时分多址系统是时隙资源的多用；码分多址系统是码型资源的重用。多于频分多址系统是以频道来分离用户地址的，所以它是频道受限和干扰受限的系统；时分多过系统是以时隙来分离的，所以它是时隙受限和干扰受限的系统，但一般说来，它只是干扰受限的系统。  

下面将分别介绍FDMA、TDMA和CDMA 。
1.  频分多址（FDMA）  

    在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。在接收设备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过，但滤除其他频率的信号，从而限制临近信道之间的相互干扰。FDMA通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用4个频道才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，这些频道又可以重新分配给别的用户使用。

这种方式的特点是技术成熟，易于与模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。但是在系统设计中需要周密的频率规划，基站需要多部不同载波频率发射机同时工作，设备多且容易产生信道间的互调干扰。
2. 时分多址（TDMA）     

在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，每一个时隙就是一个通信信道,配给一个用户。然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号,满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。

FDMA通信系统比较，TDMA通信系统的特点如下：

TDMA系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；

    频率规划简单。TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配容易而经济，便于动态分配信道；如果采用话音检查技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，有利于提高系统容量；

    因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信号，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发射的信号强度，或检测网络系统发射的广播信息和控制信息，这对寸于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的；

    TDMA系统设备必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证，往往也是比较复杂的技术难题。

有些系统综合采用FDMA和TDMA技术，例如IS―136数字蜂窝标准采用30kHzFDMA信道，并将其再分割成6个时隙，用于TDMA传输。 

3. 码分多址(CDMA)  

在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，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机的相关器可以在多个CDMA信号选出使用的预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。

在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道。这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都市相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。

CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA模拟蜂窝通信系统或TDMA数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的话音质量以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注，并作为第三代数字蜂窝移动通信系统的首选方案。

五、调制技术

1. 四相移相键控(QPSK)调制

首先简单介绍一下二相移相键控(QPSP)。二进制序列的数字信息“1”和“0”，分别用载波的相位0和π这两个离散值来表示，这种调制方式称作二相移相键控。其表达式为

      S(t) = Acos[ω_c・t +Φ(t)]       （1―1）

其中S(t)为调制器输出信号，A、ω_c、Φ(t)分别为载波幅度、角频率、瞬时相位。式中的Φ(t)取值0或π，由数字信息比特取“1”或取“0”决定。按照选用的参考相位标准不同，移频键控分为绝对移相(BPSK)和相对移相(DPSK)两种。BPSK和DPSK信号的功率谱密度是完全相同的，它是抑制了载波分量的连续波。信号带宽约为二元比特率r_b的两倍。 

由于2PSK信号占用带宽约为2r_b；其相位路径不连续，在数据极性转换时刻，相位发生180°突跳，2PSK已调波功率谱高频滚降慢。为了提高频带利用率而提出了四相PSK(即QPSK)；为了进一步减小QPSK已调波的相位突跳值，又出现了交错正交移相键控O―QPSK。它们仍属于不连续相位路径的数字调制。 

1.1  QPSK信号调制 

    减小传输信号频带来提高信道频带利用率，可以将二进制数据变换为多进制(即N进制)数据来传输。多进制的基带信号对应于载波相位的多个相位值，就是多相移相键控(NPSK)，可表示为

       S(t) =Acos[ω₀・t +m_n(t)・�SΦ+Φ₀]           （1―2）

式中m_n(t)为非归零n电平的对称基带信号，例如±1，±2，±3，……；�SΦ=2π/n为相邻信号的相位间隔，Φ₀为初始相位。

    多相调制与二相调制相比，既可以压缩信号的频带，又可以减小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高了数字通信的有效性。

    但在多相调制时，相位取值数增大，信号之间的相位差也就越小，传输的可靠性将随之降低，因而，实际中用得较多的多相调制是四相制和八相制。

      四相绝对移相调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。但是调制器输入的数据是二进制数字序列。为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比***元。每一个双比***元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号，我们用X_i表示双比***元中前一个信息比特，用Y_i表示后一个信息比特，在发端可由串／并转换电路来完成这种二―四进制变换，而在收端则可通过并／串变换电路来实现其反变换。

我们知道，四相调相信号的载波相位可以取由 Φ₀ + 0°、Φ₀ + 90°、

Φ₀ + 180°、Φ₀+ 270°四个值，其中Φ₀为起始相位。因此载波相位也可以用四进制码来表示。其对应顺序依次为0，1，2，3，这种一一对应的逻辑关系是固定不变的。而双比***元与四进制0、1、2、3之间一一对应的逻辑关系，称为四相数字调相的相位逻辑。显然，这种对应关系的种类是很多的，从数字上讲，是在4个元素中取4个元素的全排列问题，总共有24种。然而归纳起来相位逻辑的种类只有两大类，一种称为自然码逻辑。另一种称为循环码(又叫反射码或格雷码)逻辑。应该说明，Φ₀取不同值时，仅使四个矢量同时旋转，而不会改变相位逻辑。

表1-1                自然码逻辑（Φ₀ = 45°）

载波相位	Φ0 + 0°	Φ0 + 90°	Φ0 + 180°	Φ0 + 270°
四进制码	0	1	2	3
双比***	00	01	10	00

  表1-2                循环码逻辑（Φ₀ = 45°）

载波相位	Φ0 + 0°	Φ0 + 90°	Φ0 + 180°	Φ0 + 270°
四进制码	0	1	2	3
双比***	00	01	11	10

   在上述24种相位逻辑种类中，其实一共只有6种是互不等效的，其余18种都与它们中的一种一样。

六、信令

信令是指以呼叫控制为主的网路规定。信令这个词，含有信号和指令双重意思。它是移动通信系统内部实现自动控制的关键。

1. 信令格式   

1.1  信令的功能及类型

无论是市内电话通信还是移动通信，要想进行一次正常的通话，除了话音信号外，还必须有信令才成。下面就以市内电话的一次通话过程为例进行说明。当你打电话时，第一步是拿起话筒，这时电话机的搁叉抬起，话机里的两片金属接点接合，同时向电话局的交换机送去一个直流电流，这个直流电流我们叫它做“摘机”信令。假定交换机的设备正好有空可以供你使用，它就向你的电话机送一个连续的“嗡--”的声音，表示请你拨号，这叫“拨号音”。

随着拨号信令的到达，电话机内金属片一会儿跳断，一会儿接合，直流电流变成了时断时续的脉冲，断续的速度大约是一秒钟十次，这叫做“拨号” 信令。

当用户打完电话或听完忙音后，挂上话筒，此时搁叉压下，金属片断开，直流电流中断，交换机就把占用过的机线拆开，恢复正常。这个直流电流中断的过程，就是一个“挂机” 信令。

从上述的信令和控制过程可见，交换机和用户电话机之间的每一个动作，是互相以信令方式来进行控制的。例如，没有听到拨号音，用户电话机就不能拨号，拨了也不起作用，而交换机发出的拨号音又是受用户的摘机信令控制的。

    移动通信系统的信令要比市内自动电话的信令复杂得多，种类也增加很多，这是因为市内电话大部分用户是每个用户有固定的线路，在交换机中占一对用户线，且有相应的机件接口，即用户是有固定的信道位置，而移动通信的无线信道不能采用这种专用信道的方式，用户所在位置是经常移动的，所以需要用增加信令种类，提高信令的功能来解决。

对一个公用移动电话网来说，从移动业务交换中心到市话局的局间信令，以及从基地站到移动业务交换中心之间的信令都是有线信号，很多与市话局信令一致。这里主要讨论基地站与移动台之间的无线信令。如果从信令的形式分，又可分为模拟信令和数字信令两大类，由于目前移动通信设备多采用数字信令，所以下面主要介绍数字信令。

  1.2 数字信令

 (1) 数字信令构成与特点   

    数字信令

在传送数字信令时，为了便于收端解码，要求数字信令按一定格式编排。常用的数字信令构成如下所示。

位同步(码)

字同步(码)

信息(码)

纠、检错(码)

  位同步码又称前置码(或比特同步码)，其作用是把收发两端时钟对准，使码位对齐，以给出每个码元的判决时刻。通常采用二进制不归零间隔码：10100…并以0作为码组的结束码元。

字同步码又称帧同步码，它表示信息(报文)的开始位，作为信息起始的时间标准，以便内时间标准，以便使接收端实现正确的分路、分句或分字。通常采用二进制不归零码(NRZ)。目前最常用的码组是巴克码，它具有尖锐的自相关函数，便于与随机的数字信息相区别。在接收时，通过从数接收时，通过从数字信号序列中识别出这些特殊码组的位置，来实现字同步。目前已找到的巴克码，如表2-2所示。

表2-2        巴  克  码

N(位数)	+ +
2	+ + -
3	+ + + -
4	+ + + - ; + + - +
5	+ + + - +
7	+ + + - - + -
11	+ + + - - - + - - + -
13	+ + + + + - - - + + - - + - +

    信息码是真正的信息内容，通常包括控制、寻呼、拨号等信令，各种系统都有独特规定。纠检错码的作用是检测和纠正传送过程中产生的差错，主要是指纠、检信息码的的差错。因此，通常纠、检错码与信息码共同构成纠、检错编码，所以有时又称纠检错码为监督码，以区别于信息码。 

数字信令的传输 

基带数字信令常以二进制0、l表示，为了能在Ms与Bs之间的无线信道中传输，必须进行调制。一般二进制数据流在发射机中按移频键控(FSK)方式进行调制，即对数字信号“1”以高于发射机载频的固定频率发送；而“0”则次低于载频的固定频率发射。如图2-42所示。其数据流的传输速率为8kbit／s(TACS制)，不同制式、不同设备其传输速率不同。

    数据流可以在控制信道上，也可以在话音信道上传送。通常把BS至MS方向的控制信道称为前向控制信道(FOCC)，其信息是以连续数据报文形式发送。而把MS至BS方向的控制信道叫做反向控制信道(RECC)，它只在调谐到控制信道的任一移动台产生数据报文时才发送信息，如图2-43所示。

无线通道上话音信道也可以传输数据。就有关数据传输而言，来自基地站方向的话音信道称为前向话音信道(FVC)，而发自移动台方向的称为反向话音信道(RVC)，如图2-44所示。话音信道主要用于通话，只有在某些特殊情况下才发送数据信息。 

2.  差错控制编码  

数字信号或信令在传输过程中，由于受到噪声或干扰的影响，信号码元波形变坏，传输到接收端后可能发生错误判决，即把“ 0”误判为“ 1”，或把“ 1”误判成“ 0”。有时由于受到突发的脉冲干扰，错码会成串出现。为此，在传送数字信号时，往往要进行各种编码。通常把在息码元序列中，加入监督码元的办法称为差错控制编码，也称为纠错编码。不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力，有的编码只能检错，不能纠错。一般来说，监督位码元所占比例越大，检(纠)错能力就越强。监督码元多少，通常用多余度来衡量。例如，若码元序列中，平均每两个信息码元就有一个监督码元，则这种编码的多余度为十。换一种说法，这种编码的编码效率为2/3。可见，纠错编码是以降低信息传输速率为代价，来提高传输可靠性的。     

    2.1 纠错编码的基本原理     

大家知道，由3位二进制数字构成的码组，共有23＝8种不同的可能组合。若将其全部用来表示天气，则可以表示8种不同的天气情况，如：000(晴)，001(云)，010(阴)，011(雨)，100(雪)，101(霜)，1川(雾)，111(雹)。其中任一码组在传输中若发生--个或多个错码，则将变成另一信息码组，使所传递的信息出现错误，并且在接收端无法发现。

若在上述8种码组中，只准许使用4种来传送消息，譬如：

      0 0  ：0  (晴)

 0 1  ：1  (云)

 1 1  : 1  (阴)

 1 1  ：0  (雨)

   

    这时虽然只能传送-4种天气,但是接收端却有可能发现码组中的一个错码。例如，若000(晴)中错了一位，则接收码组将变成100、010或001。这三种码组都是不准使用的，称为禁用码组。当接收端收到禁用码组时，就知道出现错码了。但是，这种统码不能发现两个错码，因为发生两个错码后，产生的是许用码组。

    上面这种编码只能检测错误，不能纠正错误。例如，当收到的是禁用码组100时，在接牧端无法判断是哪一位码元发生了错误，因为晴、阴、雨三者错了一位都可以变成100。  

要想能纠正错误，还得增加多余度。例如，若规定许用码组只有两个：000(晴)，111(雨),其它都是禁用码组，则能检测两个以下错码或能纠正一个错码。例如，在收到禁用码组100时，若当作仅有一个错码，则可判断此错码发生在“1”位，从而纠正为000(晴)。因为另一许用码组111(雨)发生任何一位错码时，都不会变成这种形式。但是，若假定错码数不超过两个，则存在两种可能性：000错一位和111错两位都可能变成100，因而只能检测出存在错码而无法纠正它。

    如果不要求纠检错，为了传输4种不同的信息，用两位码组就够了，它们是00、01、10和11。这些两位码代表所传信息，称为信息位。在式(2-1)中使用了3位码组表示四种信息、多增加的那一位称为监督位，如表2-3所示。通常把这种在每组信息码后，附加若干监督码的编码称为分组码。在分组码中；监督码仅监督本码组中的信息码元。

    一般分组码用符号(n、k)表示。其中k是每组二进制信息码元的数目(如上表k＝2)，n是编码组的总位数，又称为码组的长度(码长)n-k＝r为每个码组中的监督码元数，或称为监督位数(如上表r＝1)，则分组码的长度n＝k + r＝3(指表2-3的情形)，即表2- 3的分组码可表示为(3，2)。通常分组码结构如表2-3所示。

   

表2-3 分组码例子（3，2）

	信息位	监督位
晴	0 0	0
云	0 1	1
阴	1 0	1
雨	1 1	0

 

在分组码中，把“1”的数目称为码组的重量，而把两个码组对应位上数字(即0，1)不同的位数称为码组的距离，简称码距又称汉明距离。我们把某种编码中各个码组间距离的最小值称为最小码距，用d₀表示。一种编码的最小码距d₀的大小，直接关系着这种编码的检错和纠错能力。  

    2.2  常用的简单编码    

(1) 奇偶校验码   

    奇偶校验码就是在信息码之后，附加一个比特，使构成“1”码的个数为偶数(或奇数)。检错时，通过检验“1”的个数是否是偶数(或奇数)来判断其正确性。增加的一个比***位，通常称为监督位。在数据传输中可以采用奇数检验方式，也可以采用偶数检验方式，如表2-3所示，就是偶数检验方式，其编码方式采用的就是奇偶校验码。不难看出，这种编码方式，无论信息位有多少，监督位只有一位，因此编码速率较高，但该方式只能发现一处错误，即检测一个错码，如出现两个以上错码就无能为力了。

    (2) 重复码

    最容易想到的能纠正错误的办法，就是将信息重复传几次，只要正确传输的次数多于传错的次数，就可用少数服从多数的原则排除差错。这就是简单的重复码原理。

    (3) 循环码

在线性分组码中有一种重要的码称为循环码。循环码是在严密的代数学理论基础上建立起来的，而且编码和解码设备都不太复杂，检纠错能力较强，所以这种码得到了越来越广泛的应用。循环码最显著的特性是循环性，即循环码中任一码组循环一位(将最右端的码元移至左端．或相反)以后，仍为码中的一个码组。表2-4给出了一种(7，3)循环码的全部码组。由此表可以直观看出这种码的循环性。

表2-4                    （7，3） 循 环 码

码组编号	信  息  位	监  督  位	码组编号	信  息  位	监  督  位
	a6  a5  a4	a3  a2  a1 a0		a6  a5  a4	a3  a2  a1 a0
1 2 3 4	0   0   0 0   0   1 0   1   0 0   1   1	0   0   0    0 0   1   1    1 1   1   1    0 1   0   0    1	5 6 7 8	1   0   0 1   0   1 1   1   0 1   1   1	1   0   1    1 1   1   0    0 0   1   0    1 0   0   1    0

 

七、干扰和噪声

1. 互调干扰

1.1  互调干扰的形成

    在双向无线电通信拥挤的区域里，当两个或更多个信号加到非线性器件中时，产生了互调干扰分量，发射机和接收机都能产生这些干扰分量，因而互调干扰就成了一个值得注意的问题。这些分量出现在不同的频率上，而且能在另一些信道上引起干扰。如果干扰和有用信号差不多大小或比有用信号大，则有用信号就受到严重的干扰。如果干扰比有用的信号弱，只在没有信号时，干扰才能被听到。

    两个或更多个发射机互相靠得很近时，每个发射机与其他发射机之间通常通过天线系统耦合，从每个发射机来的辐射信号进入其他发射机的末级放大器和传输系统，于是就形成了互调。而这些产物落到末级放大器的通带内并被辐射出去，这种辐射可能落在除了已指配的发射机频率之外的那些信道上。   

    互调产物(干扰)也可能在接收机中产生。两个或更多个强的带外信号，可以推动射频放大器进入非线性工作区，甚至在第一级混频器中互相调制。这些分量能干扰进来的有用信号或者当工作信道上没有信号的时候，在输出端能够听到干扰声。

图7-1中例子可以用来说明互调产物的影响。发射机和接收机之间处于正常工作状态，两者都调谐到所需要的160．35MHz信道上。发射机A和月B互相靠得很近并且在规定的需要频率上发射，即使它们的发射频率不与发射机C的频率相同。如果他们产生互调分量则在接收机上引起干扰。

 

   图7-1  互调形成的基本情况

    我们假设在两个发射机之间有一个低的耦合损耗，结果发射机B输出的一部分进入发射机A的功率输出级和发射机A的天线系统。同样发射机A的输出的一部分进入发射机B，于是互调分量在两个发射机中产生。两个发射机之间的频率差是0.15MHz (160.200―160.050)，把这个频差从发射机B的载频中减去，便产生了互调频率分量159.900MHz，当两个发射机同时工作时，这个频率和有用信号频率160.05MHz一起发射出去。

    这个差频加到发射机A的频率上便产生一个输出频率160．350MHz。当两个发射机同时工作时，这个分量和160．20MHz一起发射出去。但是这个频率和已知发射机C的频率160.350MHz相同，而且也是接收机的调谐频率，因此它可能被接收天线接收并在使用的发射机C和接收机信道上产生干扰。

    如果要消除互调分量，在两个发射机相互靠得很近的情况下，必须没有重大的耦合(耦合损耗高)是很重要的。因此在安装互相靠得很近的发射机的时候，尽一切努力必须做到发射机和天线系统之间有尽可能高的耦合损耗。

    互调分量也可以在接收机上产生。假设在发射机A和B之间没有信号交换，因此没有互调分量产生。发射频率160.05MHz和160.02MHz被发射，并且可能进入接收机，如果两个信号同时来到并到达接收机，如此强的信号能引起接收机射频放大器的非线性工作或者到达第一混频器，它们相互作用并产生相同的互调分量，因此有一个与发射机C来的有用信号频率160．350MHz相同的干扰，这时的干扰是在接收机上形成互调的结果。这种接收机的互调失真即使发射机A和B离的很远也可以产生。如果A和B同时发射信号并能进入接收机，则接收机就产生互调分量。

    必须强调，可能产生多种互调分量；最值得注意的是奇次谐波，偶次谐波(2次、4次)离不产生干扰的有效频率远，因此员值得注意的是第三次、第五次谐波。虽然更高次的谐波能够产生，但是它们的电平通常很低。

对于三次、五次互调谐波分量可以用下式求出。假设A是发射机A的发射频率，B是发射机B的发射频率：

   二次谐波频率＝2A-B＝320.4-160.05＝160.35MHz 

二次谐波频率＝2B-A＝320.1-160.20＝159.9MHz 

二次谐波频率＝3A-2B＝480.6-320.1＝160.5MHz 

二次谐波频率＝3B-2A＝480.15-320.4＝159.79MHz 

   当然如果有三个或更多个发射机互相靠得很近，将有更多的三次谐波和五次谐波频率产生。

      失真谐波在高于和低于发射机A和B的载波频率上周期地出现。

1.2 减小互调干扰的方法

发射机的互调可以通过增大发射机之间的耦合损耗来减少。参阅图7-2。最重要的步骤是把天线系统离开相当远行之有效。例如，如果两个天线垂直相距约9m，在160MHz的频带上有55dB的隔离度，如果两个天线水平相距 9m，结果产生一个大约比30dB大的隔离度。这表明天线垂直方向上的间隔比在水平方向  上的间隔可以获得更高的耦合损耗。

    一般用隔离器增加耦合损耗。例如图7-2所示，隔离器通常是一个铁氧体装置，这个装置对一个方向传输的信号呈底阻抗，但是在信号角而动方向上阻抗极高，因此减少了频率交叉的相互作用。在传输线到发射天线的路径上有用发射信号没有减小。

    隔离器一般包括一个跨接电阻，这个跨接电阻能把向相反方向传播的能量消除。在图7-3中发射机A的传输线路系统里的两个隔离器允许160．2MHs一个频率到达天线，而发射机B在160.05MHz上的隔离分量不能通过发射机A的两个隔离器。以类似的方式在发射机B的天线系统中隔离器阻止收到发射机A的任何信号，并阻止这个信号到达发射机B。 

互调分量还可以通过良好调谐发射机和天线系统来减少，由于失谐和不良的连接，通常会产生高的驻波比值，因此良好的匹配和良好的调谐在传输线上保持一个低驻波比至为重要。

图7-2  减少发射机的互调

在接收机中产生互调谐波的机会相会；在很大程度上是接收机的设计问题。在天线系统和接收机之间连接抑制滤波器，对于抑制接收机里产生的互调频率分量有一定帮助。安装这样一个滤波装置，首先需要确定进来的使接收机产生互调分量的频率；例如在图7-1的接收机前接两个滤波器，分别调谐在160.05MHz和160.2MHz上，将减少接收机所产生的互调分量，因此滤波器必须是谐振曲线非常尖锐，而且还必须使进来的160．35MHz有用信号不产生严重的衰减。

    除了隔离器／环行器组合外，还有各种其他部件可以用在共用的基地台以及一般的和干线的共用中继器设备上减少干。有一些例子是用一个隔离器接到发射机的输出端。还应在发射机和天线之间用一个谐波滤波器以防止无用谐波的辐射。有三种装置已被广泛地应用在共用中继系统中，这三种装置是发射机组合器、接收机多路混合器和天线共用器(收发转换开关)。发射机组合器组合发射机的各种输出信号，并把它们加到单个天线上去。接收机多路耦合器允许接收天线向一个共用设备内的各个接收机提供信号。通常一个多路耦合设备包括一个宽带放大器以补偿在分配过程中多路信号的损耗。

    天线共用器用于保持发射机／接收机特别在相邻的工作频率之间有一个高隔离电平。这些装置必须按照规定的频率调谐，而正确频率必须在调整天线共用器时就给定。比较小的天线共用器对移动的设备也有用，当它们工作在一个双向无线电通信区域内时，减小干扰很有效。

    有各种型式的谐振器或空腔谐振器，这些谐振器对多发射地点和在工作繁忙的双向无线电通信区内是有用的。三种类型滤波器是：通带滤波器、阻带滤波器和陷波器(频率特性曲线下凹的滤波器)，此外在调整滤波器的精确频率时，必须给出设备所在地和覆盖区内的干扰问题。有些滤波器可按照插入损耗和选择性来调谐，大多数用专波长空腔谐振器，用两个或更多个谐振器可以改善选择性。类似的空腔谐振器可在无线电频率高密度的环境里，在接收机的多路耦合系统中使用。按照选择性或者抑制干扰的需要，可以购买四个、六个或八个空腔型的谐振器。还可使用同轴线、带状线和螺旋谐振器。

陷波式空腔谐振器被设计成只抑制一个单一窄带频率，而在工作频带内的其他频率全通过。这些空腔谐振器在发射基地台有效，因为它们具有妥善处理一个特殊干扰频率的能力。通―阻空腔谐振器通过一个频率，而阻止另一个频率，而这个频率是在通频带两边的任何一边。因此若有一个紧靠干扰的频率，那么这个讨厌的频率在通频带的边上能够被抑制掉。这个滤波器在双工工作的情况下很有效。

2.       邻近波道干扰 

邻近波道干扰是指邻近频道或相邻频道之间的干扰，有的书本中称为邻近信道干扰或邻道干扰。我们知道，移动无线电通信系统的信道间隔是有一定宽度的，例如国际上的大容量移动通信系统体制对信道间隔作出了规定：TACS、NAMTS、NMT―450等系统的信道间隔为25kHz，AMPS系统信道间隔为30kHz以及NMT―900系统为12．5kHz，我国大容量移动通信系统体制规定，信道间隔为25kHz。这些系统都采用模拟调频制式，在模拟调频制式系统中，调频信号的频谱很宽，理论分析表明，调频信号含有无穷多个边频分量，倘若其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，那么就产生了邻近波道干扰。

由于考虑到发射机、接收机频率不稳定和不准确造成频率偏差以及接收机滤波特性欠佳等原因，k频道发射信号的n次边频将落入邻近(k+1)频道内，如图7-4所示。图中调制信号最高频率为Fm，信道间隔为Bｗ，接收机带宽为久。图中示出低次边频落入邻近信道的情况。

k信道            k+1信道  

图7-4邻近波道干扰原理图

移动通信系统中两个电台在地理上的间隔距离有助于减小信号干扰。但是有一种情况地理上的间隔距离并不利于减小信号干扰，而带来另一种邻近波道干扰。现在我们考虑另一种情况，在基地台覆盖区内有一些移动台在运动，其中有一些移动台距基地台较近，另一些移动台距基地台较远。我们现在设想有2个移动台同时向基地台发射信号，基地台从接近它的移动台(k信道)接收到很强的信号，而从远离它的移动台(k+1信道)接收到的信号很微弱，然而，远离台的信号为需要信号，近距离台的信号为非需要信号，此时，较强的接收信号(非需要信号)将掩盖较弱的接收信号(需要信号)，在解调器输出端弱信号以噪声形式输出，而强信号作为“有用”信号输出，也就是说强的非需要信号(k信道)对弱的需要信号(k+1信道)形成邻近波道干扰，如图7-5所示。在移动台输出功率相同的条件下，基地台受干扰的程度取决于两个移动台至基地台的距离之差。

图7-5邻近台队员台的邻近波道干扰

邻近波道干扰较同波道干扰能更好地得到控制。为了减小邻近波道干扰需提高接收机的中频选择性以及优选接收机指标；另一方面要限制发射信号带宽，可在发射机调制器中采用瞬时频偏控制电路，防止过大信号进入调制器产生过大的频偏；在移动台功率方面，应在满足通信距离要求下，尽量采用小功率输出，以缩小服务区。如有可能，可建立一种功率自动控制系统，利用移动台接收到的基地台信号的强度对移动台发射功率进行自动控制，使移动台驶近基地台时降低发射功率。还有一些其他减小于扰的方法，如：使用天线定向波束指向不同的水平方向以及指向不同的仰角方向。 

3.同波道干扰   

由与需要信号频率相同的非需要信号所造成的干扰，国家标准定名为同波道干扰。也有称同信道干扰或共道干扰的。

    在移动无线电通信系统中，为了增加频谱利用率，有可能有两条或多条信道都被分配在一个相同频率上工作，这样就形成一种同波道结构。在同波道环境中，当有两条或多条同频波道在同时进行通信时，就有可能产生同波道干扰。  

    移动无线电通信设备能够在同一波道上承受干扰(同波道干扰)的程度与所采用的调制类型有关。一般情况下，信号强度随着距基地台的距离增大而减弱，但是这种减弱不是均匀的，还与地形和其他因素有关，不过我们可以近似认为，这种减弱是有规律的。移动无线电设备能够承受的同频干扰可以用载波功率(需要信号)与干扰功率(非需要信号)的门限比值(C/I)表示，单位为分贝(dB)。为了使系统能正常运行，我们必须取载波干扰比大于门限比值，即：C/I＞(C/I)_门限。 

        为了避免产生同波道干扰，应在满足一定通信质量前提下，选择适当的复用波道的保护距离，这段距离即为使用相同工作波道的各基地台之间的最小安全距离。这里所指“最小安全距离”是为保证接收机输入端需要信号与同波道干扰之比大于某一个数值，即上述的载波功率与干扰功率之比的门限值(C/I)_门限。C为需要信号功率，I为非需要信号功率。对于模拟调频移动无线电，一般来说，两个同频道小区之间的距离与小区本身半径之比，约为4／6，这里假设所有小区半径相等；对于数字无线电系统，其比值更小。

采用别的办法，例如使用定向天线、斜置天线波束、降低天线高度、选择适当的天线场址，也可降低同波道干扰。在实践中，信道规划是一项复杂任务，需要详细考虑有关区域的地形、电波传播特性、调制制式、无线电小区半径和工作方式等。目前已广泛使用计算机分析方法，可以帮助解决这个复杂课题。