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移动与无线通信技术的迅猛发展深刻地影响每个人的生活，本书以通俗易懂的语言，结合*应用与技术,广泛且深入地探讨核心内容。全书共分5篇20章，内容包括解析电磁波的秘密：正确认知电磁波的无线通信作用和生物效应；认识无线通信的术语：1G、2G、3G与4G，合作式通信与中继技术，无线宽带上网；了解无线通信的环境：详解基站、无线基站与天线塔台等无线通信设施；移动与无线通信的应用： SMS、MMS、MVPN、公共无线局域网络、WiMAX、LTE、NFC、RFID以及移动商务等相关应用与开发技术； 移动与无线通信技术：App、移动定位服务或云服务。
本书每章前有学习概念的提示，章末附常见问题和课后习题，适合作为移动与无线通信相关课程的教材，也可作为手机应用开发、云计算课程的教学参考书。
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| 目錄：
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目 录
第一篇 认识电磁波
第1章 认识围绕着我们的邻居电磁波 1
1.1 简易电磁学 2
1.2 认识电磁波 4
1.2.1
电磁波的来源 4
1.2.2
电磁波的种类 5
1.2.3
电磁波的传播 5
1.3 从电磁波的应用开始认识无线通信 8
1.3.1
电磁波的应用卫星与太空通信 8
1.3.2
电磁波的应用数字电视的原理 10
1.3.3
与个人计算机有关的无线通信小常识 11
1.4 电磁波的生物效应 12
1.4.1
电磁波对人体可能产生的危害 12
1.4.2
如何保护自己免受电磁波的危害 13
1.5 科技新发展电磁波屏蔽材料 13
常见问题 14
课后习题 14
第2章 承载信号的传输介质 15
2.1 传输介质的种类 16
2.2 导向介质 17
2.2.1
双绞线 17
2.2.2
同轴电缆 19
2.2.3
光纤 20
2.3 非导向介质 25
2.3.1
红外线 25
2.3.2
无线电微波 25
2.3.3
无线电波 26
2.4 可靠的通信方式 26
常见问题 27
课后习题 27
第二篇 通信的原理与技术
第3章
信号与通信 30
3.1 认识信号 30
3.1.1
信号的特征 31
3.1.2
数据与信号之间的转换 35
3.2 无线通信里使用的信号 36
3.2.1
无线电频谱 37
3.2.2
有线世界里的无限资源与无线世界里的有限资源 38
3.3 传输的减损 38
3.3.1
衰减 39
3.3.2
延迟失真 40
3.3.3
噪声 40
3.3.4
信道容量与奈奎斯特带宽 41
3.3.5
香农容量公式 41
3.4 无线电波传输的原理与特性
43
3.4.1
理论上预测的模型大规模的传播模型 43
3.4.2
理论上预测的模型小规模的传播模型 47
3.5 无线电信号强度的迷惑 56
3.5.1
电压驻波比 56
3.5.2
EIRP的定义 57
3.5.3
测量的单位 57
常见问题 59
课后习题 60
第4章 隐藏在信号中的信息 61
4.1 通信信道的特征 62
4.1.1
频域的特征 62
4.1.2
时域的特征 63
4.1.3
数字通信信道的基本限制 64
4.2 数据与信号的转换 65
4.2.1
数字数据转换成数字信号 65
4.2.2
数字数据转换成模拟信号 66
4.2.3
模拟数据转换成数字信号 67
4.2.4
模拟数据转换成模拟信号 68
4.3 调制技术简介 68
4.3.1
模拟调制技术 69
4.3.2
数字调制技术 70
4.3.3
数字调制技术的分类 75
常见问题 78
课后习题 79
第5章 通信工程：多路复用与交换
80
5.1 网络的形成 80
5.1.1
交换的起源 81
5.1.2
交换与多路复用在网络中扮演的角色 82
5.1.3
多路复用的起源 82
5.2 架构网络的通信技术 83
5.2.1
多路复用技术 84
5.2.2
通信的协调 85
5.2.3
交换技术 85
5.3 多路复用与交换的设备 87
5.3.1
多路复用器 87
5.3.2
交换机 89
5.3.3
网络接口 90
5.4 容量工程 91
5.5 移动交换中心 92
常见问题 93
课后习题 93
第6章 无线通信的多路访问技术
94
6.1 共享传输介质的原理 95
6.2 有趣的隐藏节点问题 97
6.3 无线访问技术简介 98
6.3.1
无线多路访问技术的简单分类 98
6.3.2
介质访问控制协议 99
6.4 各种多路访问技术 99
6.4.1
频分多址 100
6.4.2
时分多址 101
6.4.3
扩频多址 102
6.4.4
空分多址 104
6.4.5
正交频分多路复用 104
6.4.6
其他多路访问技术 107
6.4.7
多样性的概念 107
6.5 蜂窝系统的容量 108
常见问题 108
课后习题 108
第三篇 从有线通信网络到无线通信网络
第7章 电信网络 110
7.1 从我们自己家里的电话谈起
110
7.2 通信系统的架构 111
7.2.1
通信网络的由来 113
7.2.2
通信技术与计算机技术的结合 114
7.3 通信网络与电信服务 115
7.3.1
电信网络的服务与市场化 116
7.3.2
国际电信法规变革一览 117
7.4 无线网络与传统电话网络相连
118
7.4.1
互连的组成 119
7.4.2
互连的操作 119
7.4.3
互连的类型 119
7.5 通信运营商互连 120
7.6 展望电信网络的未来 120
7.6.1
PSTN的发展 120
7.6.2
VoIP的原理 121
7.6.3
无线智能网络 123
7.7 企业电话系统的规划 124
7.8 无线交换机 125
7.9 无线本地回路 126
7.9.1
无线本地回路的系统与架构 128
7.9.2
WLL所采用的各种技术 129
7.9.3
市场上WLL的设备与系统 130
常见问题 130
课后习题 131
第8章 计算机网络 132
8.1 数据通信与网络模型 132
8.1.1
通信网络模型 133
8.1.2
标准化 138
8.2 常见的分类法 138
8.3 局域网 139
8.3.1
局域网协议与标准化 139
8.3.2
共享传输介质的原理 140
8.3.3
局域网的未来发展 141
8.4 广域网 141
8.5 网络软件系统 143
8.6 鸟瞰计算机网络世界 144
8.7 网络的规划 145
8.7.1
需求分析与环境评估 147
8.7.2
规划方法 149
常见问题 150
课后习题 151
第9章 无线通信网络 152
9.1 无线通信的定义与简单的分类
152
9.1.1
无线通信网络简介 153
9.1.2
从覆盖范围来看无线通信网络 154
9.1.3
无线网络的架构 155
9.1.4
无线网络的主要介质 156
9.2 无线通信网络的历史 157
9.3 无线通信的产品 159
9.4 无线通信的网络模型 159
9.5 无线通信的服务与覆盖的范围
164
9.6 与无线通信相关的标准
165
9.7 无线通信应用的分类 167
9.8 无线网络中的隐私与安全问题
167
9.8.1
隐私与安全问题 168
9.8.2
无线病毒的作用 168
9.8.3
蜂窝手机的危机 168
9.8.4
与网络安全相关的协议 168
9.9 建立无线通信的背景知识
170
常见问题 170
课后习题 170
第10章 无线通信系统的工程实践
172
10.1
电路与元件设计的层次 172
10.1.1
元件 173
10.1.2
电路 174
10.2
无线通信系统的设计 174
10.3
无线通信网络的工程 175
10.3.1
无线通信系统的塔台 175
10.3.2
基站 177
10.3.3
天线的作用与种类 179
10.3.4
天线与基站的外观 184
10.3.5
无线通信工程的设计工具 186
10.4
客户端设备的演进 187
10.4.1
手机 187
10.4.2
个人数字助理 189
10.4.3
智能手机与平板电脑 189
10.5
无线通信网络的设计实例 189
10.5.1
网络设计与构建的实例 190
10.5.2
无线网桥
191
10.5.3
无线通信改造工程的实例 193
常见问题 195
课后习题 195
第四篇 无线通信的代次发展
第11章 无线通信的代次 198
11.1
移动通信系统的发展 198
11.2
第一代 199
11.3
第二代 199
11.4
第2.5代 201
11.5
第三代 202
11.5.1
各种已经发展出来的3G标准 203
11.5.2
开发3G标准的组织 205
11.6
3.5G 206
11.7
3.75G 207
11.8
什么是 4G 208
11.9
各代次特征的整理 209
11.10
无线生活的起源 210
11.10.1
3G4G网卡上网 210
11.10.2
如何申请移动宽带的服务 211
11.10.3
移动网卡的外观与安装 211
11.11
建立无线通信系统的常识 212
11.11.1
无线电广播的原理 212
11.11.2
电视广播的原理 213
11.11.3
家庭无线电服务是什么 213
11.12
网络规划的实例 214
11.13
网络的设计 216
11.13.1
计算机网络的设计 216
11.13.2
网络设计的方法 217
11.14
计算机网络的构建 221
11.14.1
计算机网络构建工程 221
11.14.2
网络部署以后的工作 222
常见问题 222
课后习题 223
第12章 无线广域网 224
12.1
个人通信服务 224
12.1.1
个人通信服务简介 225
12.1.2
常见的PCS 226
12.2
寻呼网 228
12.3
GSM 229
12.3.1
GSM的架构 229
12.3.2
GSM网络的基本特性 231
12.3.3
GSM提供的服务 232
12.3.4
GSM的网络信令机制 233
12.3.5
GSM的移动性管理 234
12.3.6
GSM的漫游机制 235
12.3.7
GSM网络的管理与应用 236
12.3.8
GSM构建的实践 237
12.4
CDMA2000 239
12.5
UMTS网络 240
12.6
无线数据通信简介 243
12.6.1
早期的发展 245
12.6.2
分组无线网络 245
12.7
蜂窝数字分组数据 246
12.8
GSM 通用分组无线业务 247
12.8.1
GPRS网络的架构 248
12.8.2
GPRS手机 250
12.8.3
连上网络 251
12.8.4
GPRS的面面观 252
12.9
从CDMA来看无线数据通信 253
12.10
其他无线数据通信系统 254
12.11
与应用系统相关的协议 255
12.12
移动性管理 256
12.12.1
转接 257
12.12.2
漫游管理 260
常见问题 261
课后习题 262
第13章 无线局域网 263
13.1
认识各种与我们切身相关的无线网络 264
13.2
IEEE 802网络技术概观 266
13.3
802.11网络的架构 268
13.3.1
802.11 网络的基本结构 269
13.3.2
802.11网络的类型 270
13.4
802.11网络的工作方式 275
13.4.1
802.11的网络服务 275
13.4.2
移动性的支持 277
13.5
无线局域网的应用 278
13.5.1
应用的分类 278
13.5.2
Wi-Fi是什么 279
13.6
802.11 WLAN标准的比较 280
13.7
组成部件 281
13.7.1
PoE设备 281
13.7.2
其他常见的附件 282
13.8
基础设施设备 287
13.8.1
无线接入点 287
13.8.2
无线网桥 289
13.8.3
无线工作组网桥 290
13.8.3
无线家庭网关 291
13.8.5
企业无线网关 292
13.9
客户端设备 293
13.9.1
薄形卡片 293
13.9.2
无线网络的转换器 294
13.9.3
支持USB接口的客户端 294
13.9.4
传统的PCI与ISA扩展卡 295
13.9.5
安装与设置 295
13.10
认识Wi-Fi 296
13.10.1
让Wi-Fi成为简易的上网方式 297
13.10.2
让Wi-Fi成为安全的网络通道 299
13.10.3
移动性的支持 300
13.10.4
网络的管理问题 301
13.10.5
Wi-Fi的商业模式 301
13.10.6
认识 WISP 302
13.10.7
企业对于Wi-Fi的运用 302
13.11
下一代无线局域网 303
13.11.1
无线局域网与Wi-Fi的普及 303
13.11.2
IEEE 802.11的发展经过：回顾与整理 303
13.11.3
进入下一代无线局域网的关键技术 304
13.11.4
延伸学习 306
常见问题 306
课后习题 306
第14章 短距离无线通信 307
14.1
自组网络 308
14.2
红外线 309
14.3
蓝牙的起源 311
14.3.1
蓝牙协议栈 313
14.3.2
蓝牙技术的使用与管理 318
14.3.3
蓝牙的市场与未来发展 320
14.4
认识ZigBee 322
14.5
专属短距离通信 323
常见问题 323
课后习题 324
第15章 无线宽带技术 325
15.1 从固网的概念谈起 326
15.2
固定式的无线通信技术 327
15.2.1
本地多点分配业务 327
15.2.2
多路多点分配业务 330
15.3
无线城域网 332
15.4
无线宽带技术简介 333
15.4.1
无线宽带技术的发展 334
15.4.2
无线宽带技术的历史 335
15.4.3
无线宽带的市场与应用 336
15.5
WiMAX与其他无线宽带技术的比较 337
15.5.1
蜂窝系统 337
15.5.2
Wi-Fi系统 337
15.5.3
其他相关的技术 338
15.6
无线宽带系统与WiMAX面临的挑战 338
15.6.1
商业发展上的挑战 338
15.6.2
技术发展上的挑战 338
15.7
长期演进 338
15.7.1
4G发展的关键角色 340
15.7.2
从UMTS到LTE 340
15.7.3
从LTE到LTE-Advanced 341
15.7.4
技术的特征 341
15.8
协同通信与中继技术 343
15.8.1
协同通信 343
15.8.2
中继技术 343
常见问题 347
课后习题 347
第五篇 移动与无线通信的应用
第16章 移动因特网和移动IP
350
16.1
因特网的由来与简介 350
16.1.1
从网络到因特网 351
16.1.2
IP地址与域名 352
16.1.3
TCPIP网络协议 353
16.1.4
因特网的架构 355
16.2
因特网的重要协议与原理 356
16.2.1
MAC层上的寻址
357
16.2.2
较高层上的寻址 359
16.3
因特网中IP地址的概念 361
16.3.1
IP地址的分级 361
16.3.2
IP地址与网络结构的关系 362
16.4
因特网ARP协议简介 363
16.4.1
为什么要有ARP 363
16.4.2
冲突域与广播域的概念 366
16.4.3
揭开网络通信的奥秘 366
16.5
认识路由机制 368
16.5.1
路由器的种类 368
16.5.2
路由器作用的原理 368
16.5.3
路由机制的稳定性 369
16.6
移动因特网 370
16.7
移动IP与IPv6 373
16.7.1
移动IP工作的原理 373
16.7.2
IPv6对于移动计算的支持 375
16.8
移动IP的研究发展 376
常见问题 376
课后习题 376
第17章 基于位置的服务与移动商务
377
17.1
移动定位的定义 377
17.2
位置识别技术 379
17.2.1
定位技术的种类 380
17.2.2
移动定位系统的类型 383
17.2.3
移动定位的标准化 386
17.2.4
定位技术的应用 387
17.3
LBS应用的实例 388
17.4
移动商务 388
17.4.1
电子商务简介 389
17.4.2
移动商务的定义 391
17.4.3
促成移动商务的技术 393
17.4.4
无店铺商户的概念 393
17.4.5
支持移动商务应用的网络架构 396
常见问题 396
课后习题 397
第18章 射频识别技术 398
18.1
射频识别技术简介 398
18.1.1
RFID的概念 399
18.1.2
RFID标签 401
18.1.3
RFID普及面临的挑战 403
18.1.4
思考RFID的应用方向 406
18.1.5
增广见闻 407
18.2
RFID的应用案例 409
18.2.1
天津海关引入RFID技术 409
18.2.2
中国物联网RFID优秀应用案例 410
18.3
近距离无线通信 411
18.3.1
技术特征 411
18.3.2
技术的应用 413
常见问题 413
课后习题 413
第19章 无线通信平台的软件开发技术与安全问题 414
19.1
无线通信的技术与应用 415
19.2
无限可能的无线通信 416
19.2.1
移动和无线计算网络 417
19.2.2
无线通信服务 418
19.3
JINI与无线世界 418
19.3.1
网络精灵JINI 419
19.3.2
无线世界 422
19.4
无线通信的开发工具 423
19.4.1
手机上执行的程序要如何开发 424
19.4.2
J2ME 424
19.4.3
WAP与WML 425
19.4.4
i-mode 428
19.4.5
其他语言与工具 428
19.5
以WEP为例介绍无线网络安全 429
19.5.1
WEP的基本原理 430
19.5.2
WEP的运行 431
19.5.3
WEP的问题 435
19.6
WPA 437
19.6.1
加密的作用 437
19.6.2
无线局域通信加密安全的演进 437
19.6.3
家用的无线路由器 438
19.6.4
通信安全后操作系统才会安全 440
19.7
WTLS 440
19.8
建立安全的网络商务环境 440
常见问题 441
课后习题 441
第20章 无线通信未来的发展（4G及以上） 443
20.1
从应用的趋势谈起 444
20.1.1
从短信服务到多媒体短信服务 444
20.1.2
公共无线局域网 444
20.1.3
移动虚拟专用网络 445
20.1.4
移动家庭与移动生活 447
20.2
政府对于无线与移动通信的推动 447
20.3
无线传感器网络 451
20.3.1
传感器网络的基本概念 451
20.3.2
传感器网络的架构 451
20.3.3
传感器网络的设计 452
20.3.4
传感器网络的协议 453
20.4
无线通信的未来 456
20.4.1
移动通信的代次交替 457
20.4.2
什么是MMS 459
20.4.3
无线版权管理 460
20.4.4
移动学习 460
20.5
二维码 461
20.6
云计算 462
20.6.1
云计算的层次化架构 464
20.6.2
云计算的特性 465
20.6.3
云生活的想象 465
20.7
认识物联网 466
20.7.1
物联网的定义 466
20.7.2
物联网的应用 468
20.7.3
与物联网一起生活的一天 469
20.8
软件定义无线电 470
常见问题 471
课后习题 471
参考文献 472
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序移动与无线通信对我们的生活影响非常大，经常低头玩智能手机的人都是移动与无线通信的用户，要以一本书的篇幅来仔细探讨这个领域是不容易的。本书试着从初学者的角度来看移动与无线通信技术，当我们赞赏移动通信带来的神奇应用时，不妨花点时间思考一下是什么造就了这一切？未来可以期待什么样的新用途？这些都是本书的内容希望带来的启发。本书的起源与目的中国（含港澳台地区）无线通信的产业与市场相当庞大，手机的数量、GSM网络和3G网络的部署早已经是世界第一，现在4G以后的服务也开始迅速推广。无线通信的原理与无线通信网络的特征却少有书籍进行详细而完整的介绍。本书在内容上分成以下几个部分。（1）解开电磁波的迷惑：无线通信带来的方便是大家所喜爱的，但是电磁波的生物效应却是个隐忧，所以建立正确的认知是很重要的。（2）通信的原理：详细介绍通信的信号（signal）、调制（modulation）与多路访问（multiple access）技术，帮助读者建立在通信原理方面的专业背景知识。（3）认识无线通信的术语：移动与无线通信的专业术语多且有分歧，如1G、2G、3G与4G代表什么？CDMA与TDMA有什么不同？IMT 2000与UMTS有什么关联？什么是无线宽带上网？在本书里均有相当直白而清楚的解说。（4）了解无线通信的环境：天线在生活中经常看得到，但是我们可能很少去注意它。本书中有基站、无线基站与天线塔台等无线通信设施的照片与介绍，所谓百闻不如一见，引导大家发现这些生活中的邻居。（5）想象移动与无线通信的应用：电视广告里已经开始有很多这类影片，非常有趣，本书将介绍相关的应用与开发技术，包括SMS、MMS、MVPN、公共无线局域网（Public Wireless LAN）、WiMAX、LTE、NFC、RFID与移动商务等主题。（6）移动与无线通信的应用开发：大家一定听到过App、基于位置的服务（也叫移动定位服务）和云服务，这些都跟移动与无线通信技术有关，要成为这类应用的开发者，同样需要该领域的基本背景知识。建议哪些人阅读本书移动与无线通信是相当专业却又十分贴近生活的科技，对于不同的读者来说，本书的作用也是不同的。（1）通信一族增长见闻：对电信网络、计算机网络与无线通信感兴趣的人，可以在本书中发现很多有趣的介绍，加深对这些领域的了解。（2）进修的基础：移动与无线通信的人才需求目前依然十分看好，研究领域也相当宽广。如果有意在这个领域中发展，那么可以将本书当成入门的基础读本。（3）学校或从事职业培训的老师：在本书的编撰过程中审慎考虑了教学上的需求，所以在内容的编排上可对应约36小时的密集课程，或54小时的正规课程，教学时间的分配可参考教学幻灯片。（4）认识潜在的商机：移动与无线通信的潜在商机来自移动因特网（mobile Internet）与移动商务（mobile business），虽然目前尚难以看清前景，但是值得提前认识与观察。涵盖的内容及建议的阅读方式本书内容对于移动与无线通信领域的介绍相当完整，当然每个主题都深入研讨解说是不容易的，因此撰写时尽量加注参考文献与数据来源，读者对任何主题有意深入研究都可以从这些参考资料着手。在阅读时最好习惯在书上做笔记，加注自己的心得。很多有趣而重要的概念最好加深印象，如蜂窝概念、远近问题、多普勒效应、菲涅耳区、LBS、RFID等，这些都是专业进修与沟通的基础。本书撰写及标示方式本书分为5篇20章，文中对图与表格都以编号分别标注，重点部分会以不同的方式呈现，表示该部分内容十分重要。部分重要的关键词会再加粗体，提醒读者注意。每章所附的常见问题单元针对理论或实际工作中的常见问题进行解析。书中经常看到的思考活动等小单元是为了增加读者阅读时的变化，让读书变成动态思维的活动。本书习题各章后面所附的课后习题着重于学习后加深记忆与深入钻研，读者可以自行练习，老师在课堂上可以适当地鼓励同学参与互动讨论或者当作分组的作业。另有PowerPoint教学幻灯片供老师参考使用。
第4章 隐藏在信号中的信息本章的重要概念1. 编码（encoding）是什么？2. 调制（modulation）是什么？3. 信息是如何隐藏在信号中的？4. 数字通信技术有什么优点？5. 信号的特性对数据传输速率有什么影响？模拟或数字信息都可以转换成模拟或数字信号，这种转换也称为编码，编码的方式取决于通信需求、所用介质与通信设施。信号在传送之前必须调制（modulate）成承载介质所用的信号特征，例如某个频段（spectrum），接收端收到信号以后再经过解调（demodulate）得到原来的信号。数字调制技术在无线通信系统中扮演着非常重要的角色，一旦无线电频谱的分配确定之后，这些技术可以帮我们将信息转换成所分配的承载频率能传送的信号，而且能在接收端还原为原来的信息。
假如数据传输时必须以数字信号的形式来处理（digital signaling），那么不管原来的数据是数字还是模拟的，都要先编码（encode）成数字信号。若数据传输时必须以模拟信号的形式来处理（analog signaling），则不管原来的数据是数字还是模拟的，都要先调制（modulate）成模拟信号。图4-1所示为编码与调制技术的信号处理示意图。图4-1 编码与调制技术调制时的输入信号称为调制信号（modulating signal）或基带信号（baseband signal），调制的结果是载波信号（carrier signal），也称为已调制信号（modulated signal）。传输时所用的模拟信号的带宽可以用中心频率（center frequency，fc）来表示，可以算是一种带限（bandlimited）信号，或称为带通（bandpass）信号。4.1 通信信道的特征通信信道（或通信频道）是指物理介质与设备组成的系统，可用来传送信息。通常通信信道可以用来进行数字或模拟通信，数字通信所传送的信号取决于所要传送的0与1的序列，模拟通信所传送的信号取决于原来的模拟数据的特性。一般我们可以从频率或时间的角度来分析通信信道的特征，通过这样的分析来了解频道对所收到的信号有什么样的影响。4.1.1 频域的特征图4-2显示了一个以频率fHz振荡的正弦波通过一个频道后的特征，通常频道输出的信号频率也是f，但是在振幅与相位上会改变，假设输入的信号为 ，那么输出的信号yt可以如下表示：图4-2 频域的频道特征频道对于信号振幅的影响可以用振幅响应函数（amplitude-response function）Af来表示，也就是输出信号的振幅除以输入信号的振幅。另外，对相位（phase）的影响称为相移（phase shift）? f ，表示输出信号与输入信号之间相位差。振幅响应函数与相移都与信号的频率有关，从前面的式子可以看到y t 是输入x t 被衰减A f 与延迟? f 的结果。我们可以改变频率f，然后计算A f 与? f 。得到的结果代表频道在频域（frequency domain）的特征。通常频率越高，频道的衰减也越大，图4-3所示为典型的低通频道（low-pass channel）的特性，频率非常高的部分可忽略，低频的信号组成相位几乎不变，频率非常高的部分相移几乎达90度。图4-3 振幅响应函数与相移函数简单地说，从频域来了解信号与通信频率就相当于探索通信使用的各种信号频率，由于复合信号（composite signal）是由多种频率的信号所组成的，以这种方式来分析就可以很清楚地了解组成的信号有哪几种频率。4.1.2 时域的特征图4-4显示了时域（time domain）的频道特征，在时间t = 0的时候有一个方波进入了频道，接收端在一段传送时间之后收到的信号的能量变成ht，ht被称为频道的脉冲响应（impulse response），我们可以看到ht扩展的效应，波形的宽度代表输出信号是否跟得上输入信号，以及信号在频道上传送得有多快。在数字通信中，单位时间内传送的脉冲越多代表数据传输速率越高，因此连续脉冲之间的间隔长短是很重要的因素，基本上取决于相邻信号之间的干扰情况。图4-4 时域的频道特征假设我们在频道上使用0Hz~W Hz的频率，而且经由滤波器（filter）的使用让频道具有低通（low-pass）的特性。也就是说，若A f = 1、? f = 2ftd，则系统的脉冲响应可以表示如下：相当于下面st延迟的结果：图4-5所示为st的曲线，当t=0时，st=1，脉冲主要集中在-T与T之间，所以脉冲的宽度约为1W秒。当带宽W增加时，脉冲的宽度变小，脉冲之间的间隔更短，表示数据传输速率可以提高。我们可以看到输出的ht在t=0之前就有输出，在实践中只能看成是一种理想滤波器的情况，无法实现，不过st可以在真实的系统中做到。图4-5 st的曲线4.1.3 数字通信信道的基本限制基频传输（baseband transmission）是指在低通（low-pass）信道上传送数字信息，数字传输系统的质量取决于数据传输速率，即比特率（Bit Rate）与位误码率（Bit Error Rate，BER），这两个因素会受到信道带宽与SNR的影响。下面用一个简单的传输系统来探讨相关的概念，假设pt代表接收端收到的基本波形，t=0时送出第一个脉冲，若输入的位为1，则收到的信号为 Apt，若输入的位为0，则收到的信号为?Apt，假设传送延迟为0。T秒之后，发送器送出另一个脉冲，可能的值为 Apt?Tt或?Apt?Tt。接收端所收到的信号可以用下面的式子来表示：当接收端在查看所收到的脉冲时，所见到的其实是上面的式子，也就是在查看时间之间所有抵达的脉冲的和，这样会造成码间干扰（Intersymbol Interference，ISI）。假如所用的基本波形在t=kT（k不为0）时刚好为0，例如图4-5的st，那么t=kT时刚好都无码间干扰，st是一种奈奎斯特脉冲（Nyquist pulse）。奈奎斯特数据（Nyquist rate）可以定义为在没有码间干扰的情况下，一个低通信道所能达到的信号速率（signaling rate），这就是数字通信信道的基本限制。假如带宽为W Hz，那么奈奎斯特信号速率可以表示为：rmax=2W脉冲秒4.2 数据与信号的转换既然数据在传送前必须先转换成信号，通信技术要能够把数字或模拟形式的数据转变成数字或是模拟信号。我们可以考虑4种可能的转换技术：数字数据数字信号、模拟数据数字信号、数字数据模拟信号以及模拟数据模拟信号。虽然数据和信号之间的转换有这些复杂的步骤，对于现代通信设备来说，诸如此类的操作都能在瞬间完成，而且相当稳定。4.2.1 数字数据转换成数字信号线路编码（Line Coding）技术就是数字通信系统中把二进制信息（binary information）转换成数字信号的方法。数字信号（Digital Signal）可以看成是一连串不连续的电压脉冲（Voltage Pulse），每个脉冲代表一个信号码元（Signal Element）。数字数据（Digital Data）是一连串0与1的组合。把0与1的组合（即数字数据）转换成信号码元（即数值信号）的技术叫作编码方案（Encoding Scheme）。另一种说法是把二进制信息转换成数字信号，这种方法也叫作线路编码。图4-6所示为两种编码方法的例子。0或1各代表一个二进制位。这两种方法分别代表两大类的数字信号编码。（1）以当前状态来编码：例如高电压表示0，低电压表示1。（2）以状态转变来编码：例如在时限内由高电压到低电压表示0，由低电压到高电压表示1。图4-6 两种编码方法的例子非归零反相编码（Non -Return to Zero Inverted，NRZI）在传送一个位（bit）的时间内（也称作One-bit time）保持一定的电压，假如传送之初有电压的变化（即从低电压到高电压或从高电压到低电压），那么所传送的是1，假如传送之初没有电压的变化，所传送的就是0；曼彻斯特（Manchester）编码方法则是以传送一个位的时间内所产生的电压变化来代表0或1，假如在位传送时间的中点电压由高变低，就代表0，假如电压由低变高，就代表1。有两个和编码相关的重要概念：数据传输速率（Data Rate）与调制速率（Modulation Rate）。数据传输速率以每秒传送的位数来表示（bs）；调制速率以每秒产生的信号码元数量来表示，以波特（Baud）为度量的单位。我们把数字信号调制编码技术的主要概念综合一下，数字数据用数字信号的形式来传送，需要用到编码方案，编码方案大致可以分为以下两类：1．非归零（Non-Return to Zero，NRZ）编码（1）非归零电平（NRZ-L）编码（2）非归零反相（NRZ-I）编码2．双相（Bi-phase codes）编码（1）曼彻斯特（Manchester）编码（2）左分曼彻斯特（Differential Manchester）编码NRZ编码以不同的电压来代表0与1。NRZ-L用负电压代表1，正电压代表0，常用于非常短距离的传输。NRZ-I以电压变化来表示1，无电压变化表示0。NRZ的缺点是同步（Synchronization）控制不易，造成信号发送者和接收者失去对据起止的认定。双相编码解决了同步控制的问题，曼彻斯特编码以每位信号中点由低到高电压的变化表示1，由高到低电压的变化表示0。差分曼彻斯特编码以每位信号起点有电压变化来代表0，无变化则代表1。图4-7所示为数字信号编码技术（或编码方案）的实例。注 意双相编码中，位信号中点是用来进行同步控制的。
图4-7 数字信号编码技术的实例4.2.2 数字数据转换成模拟信号在传输介质只能传送模拟信号的情况下，数字数据必须先转换成模拟信号才能传送。模拟信号的传送是在连续而有固定频率范围的情况下进行的，这个频率也称为载波频率（Carrier Frequency），必须和传输介质的特性兼容。将数字数据调制成模拟信号，可以借助振幅（Amplitude）、频率（Frequency）、和相位（Phase）3种载波信号参数的变化来进行。图4-8所示为3种常见的调制编码技术。图4-8 3种常见的调制编码技术幅移键控调制（Amplitude-Shift Keying，ASK）利用载波频率的两种不同的振幅来代表0与1。频移键控调制（Frequency-Shift Keying，FSK）利用接近载波频率的两种不同频率来代表0与1。相移键控调制（Phase-Shift keying，PSK）以相位的改变来代表0与1。我们把调制编码技术的主要概念综合一下，信号频率的转换也常被称为调制（modulation）。把数字数据用模拟信号的形式来传送，要用到调制技术，有3种常见的数字数据转换的调制技术，图4-9所示为调制技术的实例。（1）ASK：ASK用不同的振幅（Amplitude）来表示0与1，突然的电流强度变化有可能造成错误。在一般的语音级线路上可达到1200bps的传输速率。（2）FSK：FSK以不同的频率（Frequency）来代表0与1，比较不受电流强度变化的影响。（3）PSK：PSK以相位（Phase）的反转来代表1，无相位反转则代表0。PSK比FSK更稳定，在语音级的线路上可达到9600bps的传输速率。图4-9 3种常见的数字数据转换的调制技术4.2.3 模拟数据转换成数字信号模拟数据可以先数字化（Digitization）成数字数据后，再转换成数字信号或模拟信号。由于转换的方法已在前面两节中介绍过了，我们这里直接探讨模拟数据数字化的方法。最常见的数字化方法是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM，或简称脉码调制），其由来是根据采样定理（Sampling Theorem）：若将连续产生的信号用固定的时间间隔采样，而采样的速率高于信号最高有效频率的两倍，则采样所得的不连续数据可以用来重建原来的连续信号。采样定理是可以证明的，我们常听到的编解码器（Coder-Decoder，CODEC）就是把模拟数据转换成数字信号的设备。我们可以用PCM（Pulse Code Modulation）技术把模拟数据转换成数字信号。数字信号其实可以看成是1与0的成串组合，要用这些组合来描述模拟数据，必须能定时采样（sampling），这是针对模拟数据来进行的，采样取得的值要用0与1的数字串来表示。所以PCM只是尽量描述原始的模拟数据，并非绝对精确。在学术理论上有一个很重要的发现叫作奈奎斯特准则（Nyquist Criterion），根据这个理论，为了合理的描述模拟数据，得到可接受的结果，采样率至少要是模拟数据频率的两倍。所以要用数字信号来传送一般的语音数据，采样率大约是4KHz的两倍，也就是每秒采样8000次，假设采样值以8位来表示，那么一般承载语音的数字线路的数据传输速率大约是88000=64000位／秒=64Kbps，所以常听到64Kbps的数字传输速率，就是这个道理。图4-10的例子可用来了解PCM的原理。图4-10 PCM的原理4.2.4 模拟数据转换成模拟信号模拟数据可以直接以模拟信号的形式传送，因为很多模拟数据本身就是以电信号的形式产生的，也称为基带信号（Baseband Signal）。例如，声音可以直接在语音级（Voice-Grade）的线路上传送。为了要共享传输介质，提高介质使用效率，可以让基带信号经过调制，使其带宽位移到频谱（Spectrum）上的另一段位置，配合传输介质所用的频段。这是模拟数据有时也要转换成模拟信号的原因。调制的方法有振幅调制（Amplitude Modulation，AM）、频率调制（Frequency Modulation，FM）与相位调制（Phase Modulation，PM）。4.3 调制技术简介调制技术已经很广泛地应用在各种通信领域中，移动无线电通信也是其中的一种。数字调制优于模拟调制，但是模拟系统目前仍然在使用中。调制（modulation）是一种把原始信息编码（encode）成传输形式的过程，通常原始信息的信号属于基带信号（baseband message signal），经过调制后成为频率高的带通信号（bandpass signal）。原来的信号称为欲调制信号（modulating signal），调制以后的信号称为已调制信号（modulated signal）。调制的方法是按照原始信号的振幅来调整高频载波（high frequency carrier）的振幅（amplitude）、相位（phase） 或频率（frequency）。接收到信号的另一方则利用解调（demodulation）来获取原始的信息。（1）模拟调制（analog modulation）：应用于第一代（First Generation，1G）无线电通信系统，利用信号振幅、相位与频率的变动来表示所传送的信息。（2）数字调制（digital modulation）：应用于第二代（Second Generation，2G）以及第二代以上的无线电通信系统。4.3.1 模拟调制技术简单地说，调制是把含有信息的信号转换成可以经过网络传送的形式，不但信息要隐含在信号中，而且信号的特性必须满足传输系统的要求。假设载波信号ct可以表示如下：若mt代表信息的信号（message signal），则振幅调制（Amplitude Modulation，AM）的信号sAMt 可以由以下式子来表示：上面的式子中kɑ代表调制指数（modulation index），相位ф=0。AM的调制指数是信息的最大振幅与载波信号最大振幅的比值。频率调制所得到的信号sFMt可以由以下式子来表示：kf 为频率偏移（frequency deviation），以HzV为单位。相位调制所得到的信号sPMt可以由以下式子来表示：K?为相位偏移（phase deviation），以幅度伏特（radiansVolt）为单位。AM利用载波信号振幅的改变来表示所传送的信息，载波的频率维持不变。以语音通信（voice communication）为例，语音形式的信息以模拟信号的形式产生。调制器（modulator）将信息加入载波（carrier wave）中，所收到的信号与原来的信息是成比例的（proportional），所以AM是一种线性调制（linear modulation）。在FM与PM的情况中，所收到的信号的包络（envelope）不会跟着原来的信息改变，也称为非线性调制（nonlinear modulation）。FM与PM都是角度调制（angle modulation），因为两者都会改变正弦波的信号使得载波的角度（angle）根据欲调制的基带信号（modulating baseband signal）的振幅而变化，但是载波信号本身的振幅是维持不变的，即恒定包络（constant envelope）。AM的调制方式比较容易受到干扰（interference）与噪声（noise）的影响，而且AM有一些变化的使用方式，假如要用载波信号传送一个以上的信息，可以使用多种频率，每种频道一个信息调制，如此一来，传送信号的带宽加大了。还有一种方式是以传送单一信息的带宽来传送两种信号，也就是正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。正交（quadrature）是指载波同时使用正弦与余弦的波形（waveform），频率只有一种，我们后面会详细介绍QAM的原理。图4-11所示为振幅调制的例子，注意原始信号的大小与所接收到的信号的振幅大小之间的关系，同时与前面的公式一起比较思考一下。图4-12所示为频率调制（Frequency Modulation，FM）的例子，注意原始信号的大小与所接收到的信号的频率大小之间的关系，同时与前面的公式一起比较思考一下。图4-11 振幅调制图4-12 频率调制4.3.2 数字调制技术数字调制（digital modulation）其实就是前面介绍的把数字数据转换成模拟信号的方法。在这个过程中，我们只让某个频率范围内的信号组成通过，一般的调制解调器（modem）就有这样的功能。现代的移动通信系统都使用数字调制技术，由于超大规模集成电路（VLSI）与数字信号处理（DSP）技术不断发展，使数字调制技术变得比模拟调制更经济而有效率，而且有以下优点：（1）对噪声所受的影响比较小（noise immunity）。（2）对频道减损（channel impairment）的处理比较健全（robust）。（3）各种多媒体的数据多路复用（multiplexing）容易。（4）安全性高。（5）含数字差错控制编码（digital error-control code），可以用来检测与修改传输的错误。新的多用途可编程数字信号处理器可以完全以软件的方式提供调制与解调的功能。图4-13是一个数字通信系统的架构，基本上我们可以看到不管是模拟还是数字信息都能通过数字通信系统来传送，中间除了调制以外还有以下几个重要的成员。图4-13 数字通信系统的架构（1）模数转换器（AD converter）：可以把模拟信息转换成数字信息。（2）信源编码器（source encoder）：对信息进行编码（encoding），使整体的带宽需求在可以处理的范围内，编码的方式取决于无线通信系统所采用的标准。（3）信道编码器或频道编码器（channel encoder）：为了减低噪声与衰落的影响。数字通信系统必须产生数据符号（data symbol），同时使用脉冲（pulses）来表示符号，频道上传送的脉冲序列（pulse train）承载一连串的符号。假如每个符号有m个可能的值，那么每个符号所承载的位（bit）数量为log2m。若一个符号有两种可能的值，则每个符号能承载一个位的信息，这是二进制或二元（binary）的情况，若一个符号有4种可能的值，则每个符号能承载2个位的信息，这是四元（quaternary）的情况，一旦符号表示方式决定了，接下来的调制方法就是要将这些含有符号的脉冲转变为可以传送的形式。1．选择数字调制的因素模拟通信的方式很简单而且容易构建，但是数字调制技术提供了更好的结果。除了降低噪声的影响之外，就如前面提到过的超大规模集成电路（VLSI）与数字信号处理（DSP）技术的不断发展，使数字调制技术变得比模拟调制更经济而有效率，在成本与带宽双重的考虑下，数字调制技术可以大幅降低接收端的误码率，同时让通信系统更安全。2．数字调制的基本原理图4-14中的基带信号（baseband signal）是原来的输入信号，也代表原始的信息。我们可以清楚地看到要传送的是101101的位串。在原始信息是1时，调制以后的信号为 Acos2fct，在原始信息是0时，调制以后的信号为?Acos2fct，这时候所得到的信号并不是纯粹的正弦波，在每T秒的时候波形会有不连续的变化，即毛刺（glitch），不过频率维持在固定的fc。图4-14 信号的调制图4-14中的Yit代表调制后的信号（modulated signal），照理说就是可以传送出去的信号。信号到达接收端以后要解调（demodulate），图4-14中的做法是将Yit乘以2cos2fct，得到图4-14最下方的结果，然后利用低通滤波（low-pass filtering）将信号还原成Xit。整个调制与解调的过程有一个很重要的概念，之所以要调制就是为了让信号能通过载波（carrier）来传送，原始的信息必须隐含在调制以后的信号里，在噪声与信号衰减的情况下，收到的信号必须能够还原为原来的信号。那么为什么叫作数字调制呢？因为现在所承载的信息是数字的，不是模拟的。这些概念要仔细地思索一下。图4-15所示为调制器工作原理的示意图，每隔T秒，调制器接收一个新的二进制信息，Ak代表输入的信号。若数据是1则Ak= A，若数据是0则Ak=?A。因此，输出的Yit在符号是1时值为 Acos2fct，输出的Yit在符号是0时值为?Acos2fct。图4-15 调制器工作的实例接着要考虑的是在解调时如何把信号还原成原来的信息，图4-16所示为解调器工作原理的示意图。首先，将收到的调制信号Yit与2cos2fct相乘，得到 ，信号的波形看起来像图4-14最下面的输出信号图。这时候要注意低通滤波器的功能与上面算式之间的对应关系。图4-16 解调器工作的实例3．数字调制的变化正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）将原来的信息流分成两部分，包括原来序列中奇数与偶数的符号。图4-17为正交振幅调制器工作原理的示意图，我们将偶数序列（even sequence）Ak乘以cos2fct，得到 的调制信号，奇数序列（odd sequence）Bk乘以sin2fct，得到 的调制信号，复合的信号（composite signal）可以用下面的式子来表示：这就是二维调制方案（two-dimensional modulation scheme），Ak是同相分量（in-phase component），Bk是正交相位分量（quadrature-phase component）。调制以后的复合信号（composite signal）可以利用线性带通信道（linear band-pass channel）来传送。那么接收端如何把复合信号还原成原来的信号呢？图4-17 正交振幅调制器图4-18所示为正交振幅解调器工作原理的示意图，也就是把Yit还原成Ak与Bk的方法。下面的三角函数公式可以帮我们找到答案。对收到的Yt信号进行处理，经过低通滤波器后得到还原的Ak与Bk。所以在W Hz的带通信道中，QAM可以达到2W脉冲秒的传送信号速率（signaling rate）。图4-18 正交振幅解调器4．调制的星座表示法QAM的特性可以用星座（constellation）表示法来描述，图4-19左上方的信号星座图（signal constellation）表示在T=1W秒的时间内，4个点中只有一个点所代表的状态是传送，这4个点分别代表4种不同的状态，相当于2位（bit）的信息。也就是T秒内传送2位。假如信号星座图中的点增加了，表示在T秒内能传送的信息量增加了，以16点来说，表示T秒内传送4位。一般来说，若信号星座图上有2n个点，则数据传送的速率为每T秒n位。图4-19 信号星座的表示法4.3.3 数字调制技术的分类调制技术将原始信号调制成载波能承载的信号，接收端收到信号之后要把加入的载波移除还原成原始的信号。由于信号会受到噪声与干扰的影响，因此接收端必须对信号进行检测（detection）符号的处理，处理的方式取决于原来所用的调制方法。表4-1以相干检测（coherent detection）与非相干检测（noncoherent detection）对数字调制技术进行分类。表4-1 数字调制技术的分类相干 非相干移相键控 差分移相键控移频键控 移频键控幅移键控 幅移键控连续相位调制 连续相位调制混合 混合解调会移除载波信号，解调以后要检测符号，相干检测有下列特征：（1）接收端使用载波相位来检测信号。（2）利用接收端的复制信号做交叉关联（cross correlation）。（3）与默认的阈值（threshold）比较来决定是哪个符号。非相干检测不使用相位参考信息，所用的接收器相对不复杂，但是性能较差。图4-20是另一种分类的方式，线性调制（linear modulation）是指所传送的信号的振幅会与调制信号有线性变化的关联，也就是说，传送的信号的振幅会以线性的方式随着原来信号的振幅变化。线性调制在带宽的运用上比较有弹性，适用于带宽有限但是需要容纳很多用户的情况。在非线性的（nonlinear）调制中，载波的振幅是固定的，也称为恒定包络（constant envelope）的调制，优点如下：图4-20 数字调制技术的分类（1）可以使用功率和效率高的C类放大器（amplifier），但不会对传送信号所占的带宽产生不良的影响。（2）可以维持比较低的带外辐射（out-of-band radiation），在?60dB ~ ?70dB之间。（3）可以使用比较特殊的检测技术简化接收器的设计，降低受噪声与瑞利衰落（Rayleigh fading）的影响。数字基带（digital baseband）的原始数据传送时可以利用无线电载波振幅与相位的变化，由于这种变化有各种组合方式，使得基频数据可以对应4种或4种以上的无线电载波信号。这样的调制技术称为多进制调制（M-ary modulation），归类于组合线性和恒定包络（combined linear and constant envelope）的调制技术。展频（spread spectrum）技术使用的带宽比实际上所需要的最小信号带宽要大很多倍，所以在带宽的运用上并不节省，但是很多用户能在不互相干扰的情况下共享相同的频段。所以从多用户（multiple users）与多址干扰（multiple access interference）的环境来看，其实展频技术对于整体带宽的使用还算是有效率的。1．二进制相移键控二进制相移键控调制（Binary Phase-Shift Keying，BPSK）把信息隐含于相位中，当所表示的位值有变化时，例如从0到1或从1到0，脉冲会因相位的变化而有大幅的改变。图4-21所示为二进制相移键控调制的例子，同时画出了其对应的星座图。图4-21 二进制相移键控调制2．正交相移键控调制正交相移键控调制（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）属于多级的调制技术，每个符号可以承载两个位，带宽的使用更有效率，不过接收器的功能就比较复杂了！图4-22所示为正交相移键控调制的实例以及所对应的星座图。QPSK对带宽使用的效率是BPSK的两倍，因为单一的符号能传送两位数据，而载波的相位有4个可能的值，即0、2、与32。图4-22 正交相移键控调制3．4相移QPSK4相移QPSK是特征介于QPSK与OQPSK之间的调制技术。在QPSK中，所能接收的最大相位变化为180度，OQPSK所能接收的最大相位变化为90度，4相移QPSK所能接收的最大相位变化为 135度与-135度。4相移QPSK的优点是能简化接收器的设计。在多路径弥散与衰落的情况存在时，有研究发现4相移QPSK表现得比OQPSK要好。图4-23比较了QPSK与4相移QPSK的波形。图4-23 QPSK与4相移QPSK的波形4．最小频移键控调制最小频移键控调制（Minimum Shift Keying，MSK）是一种特殊形式的FSK，最小频移的要求让两个频率状态之间不互相影响，带宽的运用更有效率。MSK的信号容易产生，可以直接通过模拟调频调制器（analog FM modulator）来产生。图4-24列出了4种数字调制方法的波形，其中只有MSK的波形是连续的。图4-24 MSK与其他调制技术的比较5．其他数字调制技术在多进制（M-ary）的调制技术中，多个位群组为一个符号（symbol），假设传送一个符号的时间为TS秒，那么每TS秒会传送M种可能的信号形式中的一种，等于一种信号在TS秒内代表一个符号，对应log2M个位串。M-ary的调制技术衍生出M-ary ASK、M-ary PSK和M-ary FSK的调制方法。M-ary的调制技术适用于限带（band-limited）的频道，但是对于时序抖动（timing jitter）很敏感。前面介绍过QAM常用于数字微波无线电网络中，4相移QPSK在2G系统中很受欢迎，高斯最小频移键控（Gaussian Minimum Shift Keying，GMSK）则应用于2G数字蜂窝网络与无线电话，例如GSM数字蜂窝（GSM digital cellular）、DECT无绳电话（DECT cordless telephone）与RAM移动数据（RAM mobile data）。常见问题1．什么叫通信的足迹（footprint）？在无线通信中，足迹是指所覆盖的范围，例如无线运营商服务覆盖的范围可以称为carriers home area footprint，假如不知道这个词的这种特殊含义，有时候会难以了解探讨的内容。2．什么叫噪声值（Noise Figure，NF）？噪声值代表噪声的量（amount of noise），以dB为单位，在接收器的第一个滤波器与放大器阶段会加入这部分的噪声。课后习题1. 编码与调制技术有什么用途？2. 信号连续脉冲之间的时间间隔长短对所传送的信息有什么样的影响？3. 模拟数据要如何转换成数字信号？4. 正交振幅调制的原理是什么？5. 数字通信系统所传送的符号与位之间有什么关联？6. 数字调制技术和模拟调制技术比较起来有什么优点？7. 展频技术最主要的特征是什么？
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