1.1 移动通信技术及通信系统

手机是一种袖珍型便携式通信设备，它借助于无线和有线网络实现电话互通和数据互通，如图1-1所示。

1.1.1 移动通信系统的组成

传统的信息传递多采用有线传输方式，即使用电话机通过线缆传输信号，实现信息的互通。手机作为无线移动通信设备，采用无线移动通信方式进行信息的传递。图1-2所示是GSM（全球移动通信系统）移动通信系统的结构示意图，可以看到GSM移动通信系统主要由移动台（手机等移动设备）、基站（BS）、移动业务交换中心（MSC）及电话网（PSTN）等几部分组成，它是将一个大的无线服务区，划分成许多蜂窝状无线小区，每个蜂窝状无线小区都设有一个基站（BS）。它通过移动通信收发天线发射和接收无线电波与移动台（手机等移动设备）进行通信。在整个大的无线服务区中，所有的基站（BS）都与移动业务交换中心（MSC）进行有线或无线连接。基站（BS）将接收到的移动台（手机等移动设备）信号送往移动业务交换中心（MSC）进行处理，再由移动交换中心将信号发射到基站，由基站送到移动台。通过这样的方式，实现了手机与手机之间的无线通信。

此外，移动交换中心（MSC）还通过中继线直接与电话网（PSTN）相连，使得手机与固定电话之间也可以进行通信。

在进行无线移动通信的过程中，为了识别移动台（手机等移动设备）身份，即在通信时能够找到所要寻找的用户，每部手机都有一个用户识别码（IMSI），该识别码包括移动通信国家码、移动网号、移动用户识别码和国内移动用户识别码，而在实际使用中，为了便于操控，常常用临时用户识别码（TMSI）来代替（IMSI）。TMSI和IMSI这两个识别码都存于SIM卡内，在手机入网时，IMSI和TMSI的识别信息就会发射到基站，然后由基站转发到移动业务交换中心（MSC）进行确认。这样，手机就相当于取得了合法身份，可以自由使用了。

1.1.2 手机的通信方式

手机的各种通信方式如图1-3所示，主要有三种方式，即FDMA（Frequency Division Multipe Access，频分多址传输方式）、TDMA（Time Division Multipe Access，时分多址传输方式）、CDMA（Code Division Multipe Access，码分多址传输方式）。

数字手机的信号处理整体过程如图1-4所示。在发送状态，话筒信号经A/D变换器变成数字信号，然后进行数字编码，为了进行误码校正，要采取数据信号的交叉交织及数据变换等处理过程。帧处理电路是对信号采用时分多址传输（TDMA）或码分多址传输（CDMA）等手机特有的信号处理方式。经帧处理后，再进行数字编码和数字调制处理，即完成D/A变换和正交变换，最后对数字调制的信号进行功率放大和发射。

对手机发来的信号，由天线接收后进行相反的处理。天线接收的信号先进行低噪声放大，再进行同步检波、A/D转换，变成数字信号后再进行数据解码（含波形均衡处理），接着进行TDMA或CDMA处理，还原出原语音数字信号，并进行误码校正处理（即去交叉交织处理），最后经D/A转换器变成模拟音频信号并驱动扬声器。

1.1.3 CDMA移动通信系统

CDMA移动通信系统与GSM移动通信系统的工作原理基本相同，只是多址技术的实现方法不同，CDMA采用码分多址技术。在CDMA系统中每一个移动用户终端都被分配一个独立的随机码序列。

图1-5所示为CDMA手机的发送系统结构方框图，话音信号经声码器变成数字音频信号，它在处理时与辅助数据信号一起送入编码器进行数字编码，然后将编码的数字信号进行交叉交织处理。这是为了在接收时进行误码和漏码检测与纠错处理。因为手机使用的环境不同，信号传输时受到的干扰也不同，而且传输的过程中还会受到建筑物、大型输变电设备、雷电等干扰，可能使手机传输的信号发生错误及信号丢失等情况。手机发送前的处理就是为了提高可靠性、提高抗干扰性等所采取的措施。手机数字处理还包括维氏变换、仿真噪声编码产生器、数据增强随机化电路，最后进行信号合成，再调制到射频载波上发射出去。

图1-6所示为CDMA手机的接收系统结构方框图，天线接收到基站转发的对方手机信号，将信号送到高频解调器，高频解调器是由低噪声放大器、滤波器、混频器等电路构成的，将数字信号从射频载波上提取出来（解调出来），然后再对解调出来的信号进行解码处理。信号经滤波器（指状电路）分别提取数字信息，并经去交织交叉处理、维特比解码（维氏解码）恢复发射前的数字信号。再经声码器、D/A变换输出语音信号，同时分离出辅助数据信号（显示等）。

在接收电路中还设有频率调谐和频率跟踪电路，使接收的信号频率准确。

输出功率控制电路是产生频率控制信号和输出功率控制信号的电路，该电路通过对频率和功率的检测形成自动控制电压，在环境因素变化的情况下也能保证整个电路的稳定工作。

信号检索电路产生导频信号的位置信息为微处理器提供参考信息。

1.1.4 手机的制式和移动通信技术

移动通信技术是整个移动通信系统的核心。移动通信网络的模式、信息的传输速度及数据安全和其他功能的拓展等都是由移动通信技术决定的。

1.第1代移动通信技术和第2代移动通信技术

在移动通信初期采用的是第1代移动通信技术（1G），其代表为已经淘汰的模拟移动网络。

目前，正在广泛采用的是第2代移动通信技术（2G），该技术的代表就是GSM（ Global System for Mobile Communications，中文译为全球移动通信系统），它以数字语音传输技术为核心。

GSM系统具有防盗复制能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强、不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低等特点。它包括GSM900（900MHz）、GSM1800（1800MHz）及GSM1900（1900MHz）等几个频段。其中，以GSM900和GSM1800两个频段进行比较。GSM900发展的时间较早，其频谱较低、波长较长、穿透力较差，但传送的距离较远。相对而言，GSM1800的频谱较高、波长较短、穿透力佳，但传送的距离相对较短。

我们现在所使用的手机很多都是GSM制式的手机。早期，GSM制式的手机多采用GSM900的频段，后来，随着GSM1800频段的使用，许多GSM制式的手机都具有双频功能，即可以自由地在GSM900和GSM1800两个频段间切换。随着GSM1900频段的使用（欧洲国家普遍采用），现在已经出现了可以在GSM900/GSM1800/GSM1900三个频段间自由切换的三频手机，真正实现了手机的全球通。

2.第2.5代移动通信技术

随着用户对移动通信容量、品质和服务内容的需求不断增加，在第2代移动通信技术（2G）的基础上又出现了第2.5代移动通信技术（2.5G）。它是基于第2代移动通信技术（2G）和第3代移动通信技术（3G）之间的过渡类型。它可以使用现有的GSM网络轻易地实现数据的高速分组和简便接入。其传输速度和带宽都在2G的基础上有所提高。CDMA、GPRS、HSCSD、EDGE等技术都是第2.5代移动通信技术的代表。

（1）CDMA

CDMA与GSM的系统结构基本类似，但由于新技术的应用，使得CDMA能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点。

与GSM制式的手机相比，CDMA制式的手机由于采用了CDMA中所提供的语音编码技术，可以降低用户对话时周围环境的噪声，使通话更为清晰。同时CDMA扩频通信技术的使用，不仅可以减小手机之间的干扰，不易掉话，而且手机的功率也相对较低，手机的使用时间更长，电磁波的辐射也更小。此外，CDMA带宽的扩展，也使得手机可以用来传输影像等多媒体资源。

目前，为了适应市场的需要，手机生产厂商推出了双模手机，这种手机可以同时支持GSM及CDMA两个网络通信技术，它可以根据环境或者实际操作的需要做出选择。哪个网络技术更能发挥作用，就让手机切换到哪种模式下工作，如果在一种模式下，手机通信质量不高或者是出现其他不良的通信现象，可以自由转到另外一个网络模式下工作，这不仅扩大了手机的通话频率，而且大大提高了通信的稳定性。

（2）GPRS

GPRS是General Packet Radio Servic（e通用分组无线服务）的简称，它是在现有的GSM网络基础上开通的一种新型的高速分组数据传输技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。

与GSM以拨号接入的电路交换数据传送方式不同，GPRS采用分组交换技术，在网络资源的利用率上有了很大的提高。而且可以同时进行语音和数据的传递。目前，GPRS移动通信网的传输速率可达115 Kbps，具有数据传输稳定、高效、信息量大等特点。

（3）HSCSD

HSCSD（High Speed Circuit Switched Data），即高速电路交换数据服务。它也属于2.5G的一种技术，是GSM网络的升级版本，能够透过多重时分同时进行传输，而不是只有单一时分，因此能够将传输速率大幅提升到平常的2～3倍。目前新加坡M1与新加坡电讯的移动电话都采用HSCSD系统，其传输速率能够达到57.6 Kbps。

（4）EDGE

EDGE是Enhanced Data rate for GSM Evolution（增强数据速率的GSM演进）的简称，是速度更高的GPRS后续技术。EDGE完全以目前的GSM标准为架构，不但能够将GPRS的功能发挥到极限，还可以透过目前的无线网络提供宽频多媒体的服务，可以应用在诸如无线多媒体、电子邮件、网络信息娱乐及电视会议上。

3.第3代移动通信技术（3G）

第3代移动通信技术（3G）主要的目标在于为用户提供更好的语音、实时视频、高速多媒体及移动Internet访问业务，如图1-7所示。

它的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。可以看出，3G制式的手机功能更强大，它能够处理图像、语音、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

目前，W-CDMA、TD-SCDMA、CDMA2000-3X技术都是第3代移动通信技术（3G）的代表。

（1）W-CDMA

W-CDMA（Wideband CDMA，宽频分码多重存取）是由GSM网发展出来的3G技术规范，它可支持384Kbps～2Mbps不等的数据传输速率，在高速移动的状态下，可提供384Kbps的传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2 Mbps的传输速率。

W-CDMA是采用频谱扩散技术的新一代通信方式，各手机之间通信可以使用同一频带，W-CDMA是以DS-CDMA（Direct Sequence-Code Division Multipe Access，直接扩散编码分址数据传输技术）方式为基础的天线连接方式。由于各手机在同一时间可以使用同一频率，对各手机的识别根据扩散编码的不同，其原理如图1-8所示。

手机发送信号时，语音信号经过信道编码成数字信号，再进行窄带调制即数字调制，然后进行扩散处理形成手机的扩散编码，频带扩散即5MHz，由于这种方式可以采用同一载波传输信息，因而蜂窝小区间相互干扰很小。

此外，在同一个传输通道中，W-CDMA还可以提供电路交换和分组交换的服务，消费者可以同时利用电路交换方式接听电话，然后以分组交换方式访问因特网，实现语音、数据的同时传输。在费用方面，W-CDMA借助分组交换的技术，所以，网络使用的费用不是以接入的时间计算，而是以消费者的数据传输量来确定的。

（2）TD-SCDMA

TD-SCDMA是Time Division-Synchronous CDMA（时分同步CDMA）的简称，该标准是由我国大唐电信公司提出的3G标准。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中。由于中国国内庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。

（3）CDMA2000-3X

CDMA2000-3X是由美国高通北美公司为主导提出的，是从窄频CDMA2000-1X数字标准衍生出来的。目前，虽然普及范围相对较小，但其发展速度较快。