2.1 点对点的无线通信

2.1.1 无线通信的模型

移动通信是一种无线通信，为了方便学习，我们先从理想化的无线通信模型开始。

图2.1展示了理想化的无线通信模型，这是一个点对点的无线通信过程。根据该模型，信源将承载有信息的信号传递给发射机，经过发射机处理后，信号变成无线电波，通过无线信道（一种传输通道）传播出去。无线电波抵达接收机后，接收机从无线电波中提取出携带信息的信号，传递到信宿，从而完成了通信的过程。

在图2.1中，发射机与接收机就是通信设备，众多的通信设备构成了通信网络，统称为通信系统，通信系统的使命就是传送信息。

当然，图2.1的模型只描绘了单方向的信息传送，而我们知道除了广播系统，通信系统都双向传送信息，因此真正的无线通信设备（基站、终端）都是发射机与接收机的结合。当然，不同的设备复杂程度不同，比如基站的复杂程度就远远超过终端，因为基站还要配备更多的功能。

从无线通信模型（见图2.1）中我们看到，信源产生了通信系统所需要传送的信息，而信源与信宿使用的通信方式决定了这些信息的类型。

信源或者信宿通常是人，现在机器特别是计算机也成为一种信源或者信宿。

在通信方式上，人与人之间最常见的通信方式就是语音通信，语音是一种信息；而人与机器之间最常用的通信方式就是浏览Web服务器的页面，页面内容也是一种信息。不用说，通信系统的任务就是传送这些信息。

信息在通信系统中的表达方式是信号，也就是说信号上承载了相关的信息，通信系统借助信号在通信设备中的传递以及在传输通道中的传播来传送信息。

具体到无线通信模型中，信息的传送过程是从信号到无线电波再到信号。虽然这是简单的一句话，但发射机与接收机的处理过程并不简单。

以目前普遍使用的数字化通信设备为例，图2.2展示了发射机与接收机的信号处理过程，可见对于数字化通信设备而言，需要配备多个处理模块，涵盖了编码、变换（A/D）与调制以及复用等处理过程。

在图2.2中，我们还看到了各种信号，比如数字信号与模拟信号，基带信号与射频信号。数字通信技术有四大支柱：编码与解码、变换与反变换、复用与解复用以及同步，都涉及信号的处理，而本章的内容，也会围绕这几大技术支柱展开。

接下来，我们就来详细介绍这些信号以及相关的处理过程。

2.1.2 形形色色的信号

前面提到，通信系统借助信号的传播来传送信息。通信系统中用到的信号种类非常多，分法也很多，接下来我们来了解信号的四种分类。

1.逻辑信号与物理信号

根据信号的处理方式，信号可分为逻辑信号和物理信号。

逻辑信号是便于计算机处理的信号，通常称为二进制信号，用0和1来表示信息。0和1构成了二进制数，二进制数的每一位称为1比特，比如十进制的9用二进制数表示就是1001，因此1001有4比特。

用二进制数表示的信息称为数据。计算机处理数据相当简单，远比处理采用十进制表示的数来得方便，例如，乘法口诀表中有九九八十一种乘法算式，而二进制的乘法就只有四种。此外，数据还适合存储，因此是计算机的最佳拍档。

二进制数也有缺点：如果由人来处理二进制数，会觉得太冗长，不够直观。不过大家应该知道，二进制数本来就不是为人准备的。为此，人们想出了用十六进制和字节来表示二进制数的方法，方便人来处理。

通信系统用于传送信息，我们把通信系统在单位时间内传送的数据量称为比特率，比特率等于通信系统每秒钟能传送的比特数，单位为bps，比特率有时也称为码率。显然，比特率越高，通信系统的处理能力越强。从移动通信系统2G、3G、4G到5G的发展历程可以看出，通信系统的处理能力在飞速提高。

介绍了逻辑信号，下面介绍物理信号。物理信号是真实世界中存在的信号，通常通过声、光、电、电磁波等物理现象来体现。由于电信号处理方便，传播迅速，因此通信设备内部使用的是电信号，电信号由设备的电路产生，而无线通信中使用的无线电波，则是另一种物理信号——电磁波。

物理信号伴随着能量，能量的大小可以度量，决定了物理信号可以辨识的程度。通过改变物理信号的能量，可以发送相应的信息；通过识别物理信号能量的变化，可以接收相应的信息。因此，能量就是通信的基础和本源。

例如，电信号通过信号的电压、电流以及功率等物理量的变化来表示信息，电压、电流以及功率都与能量相关。为了方便理解这些物理量，我们以水电站来类比，水坝的高度可以看成电压，水流的速度可以看成电流，水流推动发电机工作，输出与功率相关。在上述物理量中，电压最为常用。附带说一下，电磁波多用功率这个物理量来度量。

当用电压来描述电信号时，通常关注电压的幅度、相位和频率三大特性。

幅度是电压的取值，电压的幅度通常随着时间而变化，某一时刻幅度的大小被称为幅度值。就像高度有绝对高度和相对高度一样，电压幅度值与电压零点的选择相关，通常我们以大地作为电压的零点。

电压幅度值的变化往往是周期性的，其幅度值的最大值被称为振幅。周期性的信号就会涉及相位，而周期信号的相位是相对的，比如余弦波可以将峰值（幅度值最大）点作为相位的零点，也可以将幅度值为零的点作为相位的零点。

频率是周期性信号重复周期的倒数，是信号最本质的物理特性，体现出了不同信号的特点与差异，后面我们还会详细讲解。

最后我们介绍一下如何获取电信号的特性。

通过分压网络可以非常方便地测量电压的幅度，进而得到电信号的周期及频率。

利用固定阻值的电阻，我们就可以通过电阻上的压降测量出电路中的电流。

功率是电压与电流的乘积，得到电压和电流后，我们就得到了电信号的功率。电信号的功率与电压类似，也有幅度、相位和频率三大特性。

最后是能量，只要将功率积分，就可以得到能量了，当然积分的时长是信号周期的整数倍。

2.连续信号与离散信号

物理信号的物理量通常随着时间而变化，例如，电信号的电压或者电磁波的功率随着时间而改变。

如果连续测量电信号的电压，我们会发现，电压的幅度可能会连续变化或者跳跃变化。前者，我们称其为连续信号；后者，我们称其为离散信号。

当然，如果我们间断地测量信号，也会得到离散信号。因此，离散信号又分为时间连续的离散信号和时间离散的离散信号两类。所谓时间离散，就是由于非连续测量，导致在某些时间点，信号有幅度值；在其他时间点，信号没有幅度值。

在自然界中，我们能感知到的信号都是连续的信号，即使像闪电这样的物理现象，虽然瞬时发生，物理量也是连续变化的。当然，我们可以人为产生离散信号，这就是下面要介绍的数字信号。

3.数字信号与模拟信号

随着数字技术的普及，现在的通信设备都是数字通信设备，利用数字电路来处理信号，处理的信号就是数字电信号，简称数字信号。数字信号可以被方便地转为逻辑信号，通常利用数字信号电压幅度的差别来表示逻辑值，比如高电平代表1，低电平代表0。如果采用双极性信号则负电平代表1，正电平代表0，可以方便地进行乘法运算。

数字信号的特点是在幅度上离散，在时间上也离散。数字信号在幅度上离散很容易理解，因为数字信号只用两种电平值。数字信号在时间上离散与数字电路的处理方式有关。数字电路都由时钟驱动，按节拍工作，因此信号是被间断地产生与处理的。

由于数字信号是离散的，因此在数学上，我们可以用一系列的数字来表示一个数字信号，也就是利用数字序列来表示数字信号，比如（1，-1，-1，1，1，…）就可以对应一个数字信号，不同的数字序列对应不同的数字信号。

在数字通信系统中，信息是逐一发送的，也就是串行发送的，发送的节拍依据系统的时钟。收发双方实现时钟同步，是接收机能正确接收信息的前提。因此，同步是数字通信系统很关键的机制。

与数字信号相对的是模拟信号，这是一种在幅度上连续，在时间上也连续的信号。模拟信号的使用历史远远早于数字信号，而且在数字电路普及前，使用的范围也远远超过了数字信号。模拟信号在数学上可以用以时间t为自变量的连续函数f（t）来表示。

模拟信号与数字信号的差别可以用手表来举例。例如，机械表的指针连续转动，就可以看成输出连续信号，因此是模拟信号；而电子表可以看成输出跳变时间，因此是数字信号。

人可以识别模拟信号或数字信号，不过感知和处理模拟信号更加得心应手，这可能是长期进化的结果。数字设备就正好相反，只能识别和处理数字信号。不过这并不是一个缺点，因为数字信号与模拟信号相比，具有如下一些额外的优点：

（1）处理方便

数字信号可以直接用超大规模集成电路（VLSI）（数字芯片）来处理，例如，在进行压缩时，采用流行的MP3、MPEG4等技术，可以将数字信号成十倍，甚至上百倍地压缩，从而大大减少存储数据所需空间以及通信所产生的数据流量。

数字信号还可以方便地加密，防止了信息的非法获得。

（2）性能强劲

数字信号的易于处理得益于数字芯片性能的快速发展。根据著名的摩尔定律，数字芯片的性能每18个月翻一番。同样尺寸的芯片，早期的芯片与最新的芯片，性能天差地别。

（3）传送方便

数字信号非常适合在不同模块间传输，因为数字信号的幅度只有两种，很难被干扰，因此数字信号抗干扰力强，容易恢复，可以实现保真传输。

以上这些优点对移动通信系统也是非常重要的，因此随着数字芯片的普及，数字信号已经成为移动通信系统的主角。移动通信系统从2G开始，就已经数字化了，移动通信设备都采用了各种数字芯片，处理的是数字化的信息，即数字信号，数字信号的处理技术简称为数字技术。

移动通信系统为什么能从2G起在全球普及，关键原因也是采用了数字技术。数字技术使得终端的功能更强、体积更紧凑、耗电更少、价格更实惠，这样才会风靡全球，广受消费者的欢迎。

4.基带信号与射频信号

最后介绍在移动通信设备中广泛使用的基带信号与射频信号。

所谓基带（BaseBand）信号，就是由通信设备中信号处理模块来处理的信号，分为模拟基带信号和数字基带信号两类。由于数字技术广为普及，目前我们遇到的都是数字基带信号，由第1章中讲过的基带芯片来处理。

相对于射频（Radio Frequency，RF）信号，基带信号的频率比较低，这样基带芯片处理起来才没有压力。随着移动通信技术从2G到5G的演进，基带信号的频率逐代提高，但是与射频信号相比，还是有数量级的差别。

射频信号的频率很高，与电磁波的频率相当。另外，射频信号是模拟信号，这也是与数字基带信号的显著差别。

附带说一下，在射频电路中很难去测量信号的电压和电流，通常是直接测量射频信号的功率，因此我们更关注射频信号的功率。

介绍完以上四对信号后，接下来，我们介绍信号之间的变换。

2.1.3 A/D：从模拟信号到数字信号

前面讲到数字信号有很多优点，因此现在的通信设备都基于数字处理技术，也就是数字通信设备。

但是信源种类很多，产生的信号并不都是数字信号，信源也会产生模拟信号。

显然，如果信源产生的是数字信号，就可以由数字通信设备直接处理；不过如果信源产生的是模拟信号，例如，语音信号，数字通信设备就不能直接处理了。还好模拟信号与数字信号之间是可以转换的，称为模数转换（A/D）和数模转换（D/A），经过这样的变换后，数字通信设备也可以处理模拟信号了。

值得注意的是，模数转换（A/D）和数模转换（D/A）是数字通信四大支柱之一—变换与反变换技术的主要部分。

接下来我们关注模拟信号是如何转换为数字信号的，这个转换过程需要经历三个阶段：采样、量化和编码。

（1）采样

采样是在固定的时间周期（采样周期），获得模拟信号幅度的过程。图2.3展示了采样原理，图2.3中每个小方柱代表一次采样。

采样实际上是将连续的模拟信号在时间上离散化的过程。根据奈奎斯特定理，只要采样周期小于模拟信号周期的一半，换言之，就是采样的频率是模拟信号频率的2倍以上，就可以保证采样得到的离散信号能够反映模拟信号的信息。

在通信系统的语音业务中，语音信号的频率一般限制在3kHz以下，采样频率选用8kHz。

（2）量化

量化是将采样后得到的离散模拟信号数值化的过程。具体方法是把采样后得到的离散模拟信号的幅度归并到若干幅度等级，这是将时间上离散的模拟信号继续在幅度上离散化。

量化一般用位来表示精度，1位即1比特，位数越多量化精度越高。例如，8位量化相当于有256种幅度等级，而10位量化相当于有1024种幅度等级，显然10位量化更加准确地反映了信号。

原始信号的幅度与归并后的幅度之间的差异称为量化误差。量化精度越高，量化误差越小，当然硬件的开销越大。

（3）编码

编码是将量化结果转换为二进制数据的过程，也就是变成了逻辑信号。逻辑信号可以方便地转为数字信号，完成A/D转换。

值得注意的是，在A/D转换后，我们得到的二进制数据对应的是原始信息，还可以通过编码进行后处理。

在语音业务中，我们采用实时的编码方式，编码方式分为时域编码和频域编码两大类。时域编码又称波形编码，只处理信号的幅度，是直接编码；频域编码又称参数编码，需要提取信号频域的参数，处理比较复杂，但降低了数据量。

时域编码的代表是在固定电话系统中广为应用的PCM（脉冲编码调制）。PCM每秒采样8000次，每次采样结果编为8比特的码，因此PCM的比特率为64kbps。

频域编码有线性预测码等，压缩效率更高，但是音质不如PCM。GSM系统和cdma2000系统使用了线性预测码；WCDMA的语音编码方式为AMR，是从GSM的EFR编码方式演化而来的；LTE沿用了AMR，并进行了宽带化扩展。

AMR编码方式每20ms进行160次采样（相当于8kHz的采样频率），每次采样得到13比特的原始数据，经过语音压缩编码后产生一个语音数据块，包含244比特的数据，因此AMR的比特率为12.2kbps，远小于PCM的比特率。

语音数据块送达接收机后，需要进行语音解码，才能还原成语音信号。语音解码过程是编码过程的逆变换，如果确定了语音编码的方式，语音解码的方式就确定了。

由于人感知和处理模拟信号更方便，因此接收机最后还需要通过D/A变换，把接收到的数字语音信号还原为模拟信号。

大家知道，LTE系统主要用于分组数据业务，分组数据业务的内容就是数字信号，LTE设备无须模数转换，就可以直接来处理。那么，如果不使用语音业务，模数转换是不是就在LTE系统中无立足之地了呢？

其实不然。前面讲过射频信号是一种模拟信号，当接收机收到了射频信号，降低频率（下变频）后，还要进行采样、量化和编码，把模拟信号转化为数字信号后，才能交给后续的模块（基带芯片）来处理。

当然，接收机的采样频率远远高于语音的采样频率，例如，WCDMA系统的码率为3.84Mbps，其采样频率为30.72MHz，也就是说采样频率是比特率的8倍。LTE的带宽比WCDMA更宽，其采样频率至少需要达到100MHz以上。

因此，在LTE系统中，处理射频信号也离不开模数转换。至于LTE系统需不需要数模转换功能，学完第4章，大家自然会有答案。

总之，只要采用了数字化的基带信号，移动通信系统的模数转换与数模转换的功能始终是不可或缺的。

2.1.4 调制：从基带信号到射频信号

1.什么是调制

调制（Modulation）是一种信号的变换过程，将基带信号转换为射频信号。前面讲过物理信号有幅度、相位、频率等特性，调制过程中改变了原始信号的频率、相位、幅度等特性，使得经过调制后的信号可以更好地在信道上传输。

很多人对调制的第一印象是从Modem，也就是调制解调器开始的。Modem在20多年前风靡一时，实现了利用电话线上网。因此，在很多人眼里，调制与数字信号的关系更为紧密。

其实，调制并不是数字信号的专利，模拟信号同样可以被调制，所有的信号都可以被调制。实际上调制最早是被用于模拟信号的，比如广播和电视系统。

与编码过程不同，调制过程除了信号本身，还需要借助载波（Carrier）这个外力。载波的名称非常形象地描述了载波的作用：相当于交通工具，承载着信号。

因此，通俗地说，调制过程就是给载波添油加醋，把信号加载到载波上。这个信号，在移动通信系统中，也就是2.1.2节中讲到的基带信号。

如何添油加醋呢？我们从调制的本质以及实现方法两个角度来介绍。

从数学上看，调制过程的本质就是信号与载波相乘，可以参考图4.1。在调制过程中，输入的数字信号相当于一个序列，输入的模拟信号相当于一个函数，而载波则是简单的正弦或者余弦函数。从实现方法上看，模拟信号的调制可以利用混频器来实现，而数字信号的调制则可以利用开关、放大器或者乘法器来实现。

调制还有一个逆过程，就是解调，也就是把射频信号转换为基带信号，这是接收机必备的处理过程。调制与解调是数字通信四大支柱之一——变换与反变换技术的一部分。

调制在通信系统中随处可见，信号为什么要被调制呢？这与信号的频谱以及带宽密切相关。因此，我们先来了解一下信号的频谱和带宽。

2.信号的频谱与带宽

我们知道，频率是信号最本质的物理特性，一个信号中通常混合了多种频率。利用傅里叶变换，我们可以得出信号电压或者功率幅度在频率上的分布，这就是信号的频谱。

值得注意的是，如果是电阻上的信号，信号电压频谱的幅度可以有正负，而信号功率频谱的幅度都是非负的。

信号的频谱非常重要，以声音为例，不同乐器的音质之所以千差万别，就是因为发出的声音在频谱上大相径庭。而且，大家也知道，男人的声音低沉，女人的声音高亢，就是因为男人声音的频谱里面低频成分多，而女人声音的频谱里面高频成分多。

作为通信系统，保证信号在传送过程中不失真是非常重要的，这就需要完整传送信号的频谱。

与信号频谱相关的还有一个特性，这就是信号的带宽，对应信号频谱的频率范围，也就是信号频谱上的最高频率与最低频率之差。

就像人有高矮胖瘦，不同信号的带宽差异很大。

以模拟信号为例，我们熟悉的语音，带宽为3kHz；而AM广播，带宽为4.5kHz；FM广播，带宽为15kHz。这些信号都是窄带信号。

与窄带信号相对的就是宽带信号，比如PAL制式的电视亮度信号，其带宽为6MHz，就是一种典型的宽带信号。

不管模拟信号的带宽如何变化，由于模拟信号是连续信号，因此带宽确定并且有限，这与数字信号形成了鲜明的对比。

方波是一种典型的周期性数字信号，利用傅里叶变换，方波可以分解为正弦基波和奇次谐波的叠加，基波的频率就是方波的频率，奇次谐波的频率就是基波频率的奇数倍。方波频谱与各次谐波能量分布如图2.4所示。

图2.4的左图展示了方波的功率谱，纵坐标代表各次谐波的功率大小，其中基波的功率归一化为1，横坐标为谐波的次数，这是离散的频谱。

图2.4的右图给出了方波的谐波能量分布，右图中纵坐标代表频率不高于该次谐波的各次谐波的能量之和与方波总能量的百分比，横坐标为谐波的次数。

从图2.4的右图可见，方波中基波能量不到总能量的80%，换言之，除去基波，其他各次谐波的能量总和超过20%；基波到五次谐波大致占总能量的90%；从基波到21次谐波，大致占总能量的95%。

图2.4的右图给我们明显的感觉就是，方波中高次谐波的能量衰减很慢，能量在频域上的分布是很广的，也就是说方波的带宽远远地超过了基波的频率。

如果数字信号不是周期性信号，那么数字信号的频谱就是连续的。图2.5展示了常见的矩形窗函数的波形与频谱，其中左图为时域的波形图，信号持续时间定义为时长T；右图为频域的功率谱图，用sinc函数的平方来描述，不难发现，在1/T的非零整数倍频率上，矩形窗函数的功率为0。

矩形窗函数的频谱在-1/T和1/T之间有明显的功率峰，也就是主瓣，主瓣的宽度称为主频带，等于2倍的1/T，信号持续的时间越长，主瓣的宽度越窄。

根据计算我们发现，随着频率的扩展，对应的功率在下降。例如，1/T～2/T的功率峰值为主瓣功率峰值的5%，而9/T～10/T的功率峰值为主瓣功率峰值的1‰，可见矩形窗函数的能量虽然集中在主频带上，但是在频域上的分布也是很广的。

最后我们来看载波。前面说了载波是简单的正弦波或者余弦波，因此载波是一类非常特殊的信号：工作频率是固定的，其带宽为0。

讲解了信号与载波的带宽后，接下来我们进入主题，谈谈信号为什么需要被调制。

3.为什么要调制

大家知道，通信就是信号的传送，而信号之所以需要调制，主要考虑了让信号传得更远和让信号传得更有效率这样两个需求。

首先看让信号传得更远。直接传送基带信号的话，因为基带信号的频率比较低，根据2.1.5节介绍的天线尺寸与信号频率关系，天线尺寸过大，根本无法实施。

怎样提升基带信号的频率呢？这就需要借助载波以及调制过程，把基带信号调制到载波上。由于载波的频率比基带信号高很多，调制后，得到了高频的射频信号，天线的尺寸比较经济合理，容易实施。

由于载波很单纯，因此调制过程本质上是基带信号频谱的搬迁，基带信号的频谱从低频端平移到高频端，不会改变基带信号的频谱，这就避免了信号在传送过程中的失真。

解决了让信号传得更远的问题，接下来我们看如何让信号传得更有效率。

使信号传得更有效率是通信网络的要求。通信网络是为众多用户服务的，效率一直是通信网络的关注重点。一方面我们可以采用后面会讲到的高阶调制来提升传输的效率，从而增加通信系统的容量；另外一方面借助调制后的频谱搬迁，我们可以实现一路载波上承载多路信号，充分提升传输的效率。载波上同时承载的信号越多，显然传输的效率越高，这种方式，其实就是一种复用。

当然，复用的情况还与传输通道的可用带宽密切相关。前面讲过，信号带宽反映了信号占用的频率范围。在确定的传输通道的可用带宽条件下，基带信号占用的带宽越小，同等条件下载波能复用的基带信号数量越多。

接下来我们介绍调制的具体过程，我们先从模拟信号的调制讲起。

4.模拟信号的调制

前面提到，调制中使用的载波是正弦波或者余弦波，而利用幅度、相位和频率三个参数，我们可以定义一个载波。我们改变其中任何一个参数，都会改变载波的特性，从而可以传送相应的信息。

因此，有三种方法可以将信号调制到载波上：调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。广播中的AM就采用了调幅方式，而FM采用了调频方式。接下来，我们以AM为例，介绍调制的过程与特点，图2.6展示了AM的调制过程与特点。

人能感知的声音频率从20Hz～20kHz，也就是声音信号的频率范围是20Hz～20kHz。在AM广播中，将声音信号的频率范围压缩为最高4500Hz，最低80Hz。

假定声音信号为cosft，载波为cosf₀t，载波的频率f₀远远高于声音信号的频率f，调制过程就是声音信号与载波相乘，如下式：

cosftcosf₀t=[cos(f₀+f) t+cos(f₀-f) t]/2

调制后得到的信号称为射频信号，波形如图2.6的左图，可见射频信号的波形包络对应声音信号的波形。另外，经过调制后，会产生两个新频率f₀+f和f₀-f。

由于声音信号的频率f会不断变化，变化范围从80～4500Hz，因此射频信号的频谱如图2.6的右图，也就是以载波频率f₀为中心频率，占据了9kHz的带宽。

5.数字信号为什么要调制

讲解了模拟信号的调制，接下来我们看数字信号的调制。

数字通信设备处理的信号是基带数字信号，也需要被转换为适合用无线电波传送的信号，也就是射频信号，才能在无线信道中传送。

直接传送基带数字信号有什么困难呢？

首先，基带数字信号的带宽很大。基带信号是双极性的数字信号，幅度值为正电平和负电平，归一化后幅度值为1和-1，相当于方波或者矩形窗函数。

从图2.4和图2.5我们看到，数字信号的高次谐波的能量在频域上的分布是很广的，能量衰减很慢，也就是说数字信号的带宽远远地超过了基波的频率，完整传送数字信号的能量需要占用非常大的带宽。如果传输通道的带宽不够大，这些高次谐波的能量就会进入邻近的传输通道中，给接收带来干扰。

在无线通信系统中，带宽是非常宝贵的资源，因此直接传送基带数字信号这种方式是非常不经济的。通常只有在有线通信的场合，才会考虑直接传送数字信号。

另外，基带信号的最高频率较低（如GSM系统为270.8kHz，WCDMA系统为3840kHz，LTE系统为30.72MHz），需要天线的尺寸太大，也不够经济。

由于模拟信号的带宽确定并且有限，因此，适合在无线信道上传送的是这样一种信号：高频模拟信号，这种信号就是射频信号。

通过调制可以把基带数字信号变为适合传输的高频模拟信号，也就是射频信号。下面就介绍数字信号的调制方法。

6.数字信号的调制

数字信号的调制过程与模拟信号类似，可以选择调幅、调频或者调相方式，采用键控的方式，一次性完成。

所谓键控，就是指直接调制。由于数字信号由逻辑信号转换而来，逻辑信号只有“0”和“1”两种取值，直接调制比较简单。

● 调幅方式称为ASK（幅移键控），用不同振幅的载波代表“0”和“1”；

● 调频方式称为FSK（频移键控），用不同频偏的载波代表“0”和“1”。

● 调相方式称为PSK（相移键控），用不同相位的载波代表“0”和“1”。

不过在移动通信系统中，从基带数字信号变成射频信号的过程相对复杂一些，通常需要经过两个步骤，而不是一次性完成的。其中，第一个步骤是将基带数字信号变为基带模拟信号；第二个步骤是把基带模拟信号调制为射频信号，也就是所谓的上变频过程。

调制的第一个步骤的主要任务是压缩基带数字信号的带宽，只保留主频带以及附近的频谱，具体方法就是进行低通滤波。

低通滤波一般采用平方根升余弦滚降滤波的方式，在将基带数字信号变成模拟信号时，可使模拟信号保留较大的功率，并且收敛快，减小了带外的干扰。

第二个步骤采用AM调制，具体方法参照模拟信号的调制过程。

在描述数字信号的调制过程时，我们经常会用到一个技术术语：调制符号。调制符号可以理解为调制过程的输出结果，等于调制后输出的模拟信号，对应模拟信号一段时间的波形。

调制符号时长等于输入信号的时长，这个时长可以参考图2.5。因此，可将调制符号看成输入信号进行等时长变换的结果，改变了输入信号的波形。

因为调制符号上携带了能量，接收机才可以识别出调制符号上承载的信息。调制符号上携带的能量大小与模拟信号的功率之间有直接的对应关系，而功率可以用模拟信号的振幅来衡量。

最后，我们还引入了波特率这个概念来说明调制符号的变化速率，类似于比特率。波特率等于输入信号的变化速率，通常不等于载波的频率。波特率又称为符号率。

讲解了数字信号的调制过程后，接下来我们详细介绍移动通信系统中最常用的调制方式：QPSK、BPSK和QAM。

7.QPSK和BPSK

QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控，又称四相移相键控）在PHS、CDMA、WCDMA和LTE系统中广为应用。

QPSK是PSK调制方式的发展，为了充分利用带宽，同时使用了两路载波，这两路载波是相同频率的正弦波与余弦波。当然这样做也有一个前提：两路载波正交。

所谓正交，简单地说就是可分离。如果两个信号是正交的，意味着即使混合在一起，接收机也可以将其分开。正交是复用技术的前提，因此也是数字通信中最为本质的技术。关于正交，我们还会在2.3.1节中做详细介绍。

由于同频正弦载波与余弦载波是正交的，因此我们可以同时调制两路信号，一路调制在正弦载波上，一路调制在余弦载波上，图2.7展示了QPSK调制原理。

在图2.7中，a_n是待调制的数字信号，可以看成一个序列。经过串并转换后，a_n序列被一分为二，分别变成I和Q两路逻辑信号。I路称为同相信号，Q路称为正交信号。

I和Q两路逻辑信号经过变换，逻辑值“0”和“1”被转换为双极性数字信号“+1”和“-1”，经过低通滤波后，带宽被压缩，得到模拟信号。

模拟信号分别调制到相位差为90°的两个余弦波上（即与正弦载波和余弦载波相乘，ω_c对应载波的角频率），叠加后得到调制符号S。输出的调制符号随着时间变化，用S（t）来表示，这样就实现了QPSK。由于载波的频率远高于模拟信号，因此称为上变频过程。

QPSK也需要付出额外的代价，由于同时调制两路信号，因此每路信号的最大功率只有单路信号的一半，必然会减少射频信号的传播距离。

另外，如果QPSK只使用一路载波，就退化为BPSK（Binary Phase Shift Keying，二相相移键控），因此QPSK可以看成两路正交BPSK的叠加。

8.高阶调制QAM

QPSK的调制效率还可以提升，这就是高阶QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制，正交调幅）的调制方式。

与QPSK类似，借助正交的同频正弦载波与余弦波载波，QAM同时调制了两路信号，其原理与图2.7所示的QPSK的原理图基本一致。

QAM与QPSK调制方式的最大区别是：I、Q路信号的取值不再是1、-1，而是实数，也就是幅度的取值范围变大了，表达能力大为提高，这样就提高了调制效率。这也是QAM中AM的来历。

由于QAM可以同时调制两路信号，数学上为了分析方便，引入了复数的概念，将I、Q两路信号转为调制符号S的过程记为：

S_n=I_n+jQ_n

因此，当读者看到复数的标记时，理解为并发的两路正交信号就可以了。

LTE系统中常用的QAM有16QAM和64QAM，其实QPSK也可以理解为一种特殊的QAM，也就是4QAM。

如果把I、Q路信号的取值分别在直角坐标系中标识出来，横向为I路信号的取值，纵向为Q路信号的取值，就得到了如图2.8所示的QAM星座图。

在图2.8中，QPSK的I、Q路各有2种幅度，16QAM的I、Q路各有4种幅度，而64QAM的I、Q路各有8种幅度。I、Q路幅度的每一种组合，对应星座图上的一个点。

我们可以为星座图上的每个点指定一个编号，代表一种数据。根据星座图的组合数，不难看出QPSK可以承载2比特的数据，16QAM可以承载4比特的数据，64QAM可以承载6比特的数据。

这样，在进行QAM高阶调制时，我们可以根据若干比特的数据内容，找到星座图上对应的I、Q路幅度组合，称为星座图映射，这个过程其实可以看成数模转换的过程。

I、Q路幅度再分别与正弦载波和余弦载波相乘，通过上变频过程得到调制符号。调制符号上承载了数据，数据量用比特来衡量。我们把单个调制符号上承载的比特数称为调制效率，64QAM的调制效率为6，16QAM的调制效率为4，QPSK的调制效率为2。显然调制效率越高，单位带宽下可以发送的信息量越大，也就是吞吐率越高，但是也会付出更大的代价。这部分内容将在2.2.4节中详细介绍。

在LTE-A和5G技术中，还引入了更高阶的QAM调制，比如说256QAM。

9.解调

传送信息需要能量，这是一个非常朴素的真理，不劳而获在通信系统中是没有市场的。因此，接收机能接收到发射机传送的信息，关键是接收到了相应的能量，这些能量来自射频信号。

从接收到的射频信号的能量中提取信息的过程称为解调，解调是调制的逆过程。解调时先将射频信号转换为基带模拟信号，再将基带模拟信号转换为基带数字信号。

接下来，我们介绍常见的QAM调制方式如何进行解调。

QAM解调通常采用相干解调，以获得较佳的解调性能。所谓相干，需要接收机额外引入一路与载波相干（同频同相）的参考载波。因此，实施相干解调的前提是接收机的参考载波与发射机的载波同步。

相干解调原理如图2.9所示。相干解调利用乘法器，将参考载波与接收到的信号相乘，再进行滤波，处理后得到调制符号上承载的信息。

图2.9中接收到的信号为I_ncosωt+Q_nsinωt，为了讲清解调的原理，我们忽略了噪声和干扰。参考载波为cosωt，与接收到的信号同频同相，相乘的结果如下式：

(I_ncosωt+Q_nsinωt)×cosωt=I_ncos²ωt+Q_nsinωtcosωt

=I_n/2+I_n/2×cos2ωt+Q_n/2×sin2ωt

利用低通滤波器将高频部分cos2ωt和sin2ωt滤除，再放大低频部分I_n/2，就得到了基带信号I_n。用类似的方法，我们可以得到另外一路正交的基带信号Q_n，从而实现了QAM信号的分离。

通过积分，我们可以得到I、Q两路正交信号上携带的能量。根据能量，我们可以知道两路正交信号的幅度。根据幅度，我们查星座图，就可以知道调制符号上承载了什么信息，也就是得到了数据，从而实现了解调。

2.1.5 天线：从射频信号到无线电波

天线是发射机用来发射无线电波以及接收机用来接收无线电波的装置，实现了无线电波的发射和接收，也就是实现了射频信号与无线电波之间的转换。

1.天线原理

无线电波就是电磁波，因此电磁场理论是研究天线的重要工具。

根据电磁场理论，当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。电磁场根据与导体的距离不同有不同的空间分布特性。当距离远大于波长时，称为远场，电磁场特性表现为辐射；与远场相对的区域就是近场了，电磁场特性表现为感应。

天线是由传输线演变而来的。传输线可以看作两根平行的导体，通有方向相反的电流。由于传输线两线平行，结构对称，传输线上对应点电流大小相同，方向相反，且两线间的距离远小于波长。这样两根平行的导体产生的电磁场会互相抵消，传输线就只有能量的传输而没有辐射。

而要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如把传输线两根导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉，都能破坏传输线的对称性，此时两根导体上的电流已不是反相的。这样，两根导体在空间产生的电磁场同相叠加，不再抵消。

导体产生的电磁场向外扩展，这就产生了电磁波，从而构成一个有效的辐射系统。这就是最基本的天线，图2.10展示了从传输线到天线的形成过程。

当导体的长度增长到可与波长相比拟时，就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导体称为振子。振子的长度为四分之一波长，振子总长度为半波长，称为半波对称振子天线，辐射效果最强，其特性阻抗为73.1Ω，一般称75Ω。

前面讲过，基带信号的最高频率比较低，比如WCDMA系统为3.84MHz，换算其半波长为39m，振子的长度将近20m，这样的天线将是一个庞然大物，根本无法使用。而LTE网络的载波通常为2GHz左右，其半波长为7.5cm，振子的长度不到4cm，实施起来相当方便。从振子长度的这个对比不难看出调制的重要性。

电磁波从天线辐射出来以后，向四周传播出去，形成了电磁场。如果在电磁场中放置一个对称振子，在电磁波的作用下，对称振子上就会产生感应电动势。如果对称振子与接收设备相连，在接收设备输入端就会产生高频电流，这样对称振子就将电磁波转化为高频电流，也就是说，此时对称振子起着接收天线的作用。因此，天线具有互易性，即同样的一副天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线。

天线发射和接收电磁波的效果与天线的参数相关，接下来就介绍天线的主要参数。

2.天线参数

天线性能主要看其辐射电磁波的能力，如覆盖的范围和强度等。这些指标受很多因素的影响，有些因素与天线无关，比如天线的架设高度，显然天线越高，其覆盖的范围越大；有些因素与天线相关，不同的天线效果不一样，这些因素称为天线参数，包括天线的方向性、增益、极化以及下倾角等关键参数。

（1）天线的方向性

一副天线向空间各个方向辐射电磁波的能力有差别，体现出方向性，这种方向性实际上来源于电磁波在空间上的叠加效应。因为半波振子天线有两根导体，都在辐射电磁波，电磁波的叠加必然导致电磁波在某些方向上增强，某些方向上减弱，类似光的干涉现象。

由于天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，我们可以把其中电场强度最强的方向称为主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线在各个方向上的电场强度，如图2.11所示。

从图2.11中可以看到天线的辐射分为多个分支，每个分支被称为一个波瓣，也称为波束。主射方向所在的波瓣被称为主叶或主波瓣，后叶与主叶方向相反，副叶与主叶有一定的夹角。一副方向性良好的天线，要求波束尽量尖锐，后叶瓣和副叶瓣尽可能小。

为此，我们将主波瓣两个半功率点（在图2.11中的标注为0.707）之间的夹角定义为半功率角，即图2.11中标注的2θ_0.5，半功率角的大小反映了天线的方向性。

必须指出，天线性能指标中给出的天线方向性以及通常人们所说的天线方向性，都是指主波瓣上的天线方向性。

由于电磁波是在三维空间中传播的，通常采用水平面的方向图和垂直面的方向图来共同描述天线的方向性，因此天线的半功率角也分为水平面半功率角和垂直面半功率角。半波对称振子天线的方向图如图2.12所示，该图给出了半波对称振子天线的水平面方向图、垂直面方向图和立体示意图。

从图2.12可见，半波对称振子天线在水平面上各个方向的辐射强度都相同，其水平面的半功率角为360°，因此半波对称振子天线也被称为全向天线；但是在垂直面上，其半功率角为78°。

（2）天线的增益

所谓天线增益是指天线向某一指定方向上发射功率的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需要的输入功率P_i0，与采用定向天线发射时天线所需要的输入功率P_i之比称为天线增益G。根据以上定义有G=P_i0/P_i。

根据天线增益的定义，天线增益可以理解为：为了在观察点获得相等的电磁波功率密度，具有方向性天线所需要的发射功率要比无方向性天线所需要的发射功率小G倍。

衡量天线增益采用dBi为单位，计算公式为：

dBi=10lg（P_i0÷P_i）（P_i0是均匀辐射体的发射功率）

均匀辐射体的电磁场相当于球体，各个方向上都是一致的。半波对称振子天线的天线增益为2.15dBi。

另外，天线具有互易性，因此从天线接收电磁波的角度看，天线增益也可以用定向天线的有效接收面积A_e与各向同性（无方向性）天线的有效接收面积A₀之比来表示，即G=A_e/A₀。

必须指出，天线性能指标中给出的天线增益以及通常人们所说的天线增益，都是指辐射场强为最大主射方向时的天线增益。然而，当天线的主射方向偏离接收方向时，其实际的增益将随偏离程度的不同而变化。

总之，天线的增益反映了定向天线在主射方向上辐射电磁波或接收电磁波的能力。天线的增益越高，天线的辐射或接收电磁波的能力越强。

（3）天线的极化

天线辐射的电磁场分为电场和磁场两种相互垂直正交的矢量分量，而天线的极化就是用于描述天线辐射的电磁波在传播过程中电场矢量的方向的。电磁波的极化可分为线极化、圆极化和椭圆极化三类，有意思的是，一个线极化波可以分解为两个不同的圆极化波的组合。半波对称振子天线发射的是线极化波。

对于半波对称振子天线而言，辐射的电磁波的电场矢量的方向与电流的方向相同，也就是说，电磁波极化方向与振子的电流方向相同。天线极化方向如图2.13所示。

根据电磁波极化方向与地面的角度，常见的天线极化方向分为垂直极化和水平极化两种。所谓垂直极化，就是电场矢量的方向与地面垂直；而水平极化，就是电场矢量的方向与地面平行。垂直极化的天线发出垂直极化的电磁波，水平极化的天线发出水平极化的电磁波。

天线极化方向影响接收效果和电磁波传播。当接收天线的极化方向与发射天线一致时，接收机可以得到最好的接收效果，反之，就会得到最差的接收效果。

此外，由于电磁感应的原因，水平极化的电磁波在贴近地面时会在大地表面产生感应电流，消耗掉一定的能量；而垂直极化的电磁波就不容易产生感应电流，相对来说传播损耗小一些，因此垂直极化的天线更为常用。

（4）天线的下倾角

天线主射方向与水平面的夹角定义为天线的下倾角。

天线的下倾角大于0°后，很显然波束的覆盖范围将收缩，覆盖区域内的信号得以加强，因此实际应用的天线都会考虑采用一定的下倾角。

定向天线安装时可以与地面的垂直线成一定的角度，这个角度称为天线的机械下倾角。由于机械式下倾角是安装时设置的，操作简单，对天线没有额外要求，因此非常普及。不过当机械下倾角过大时，也会引起波束畸变，得不到期望的覆盖范围。

在天线制造过程中，也可以给天线预制一个固定的下倾角，称为电下倾角，相应的天线称为预置电下倾角天线。相对于机械下倾角，电下倾角不会引起波束畸变，在控制覆盖范围上更胜一筹。电下倾角天线还可以应用于全向天线。当然，预置电下倾角天线的成本比普通天线的成本要高一些。

图2.14展示了各种下倾角覆盖效果，在实际应用中，定向天线的机械下倾角与电下倾角可以同时设置。

另外，如果天线的电下倾角能够调节，这样的天线就称为电调天线。电调天线可以在安装时灵活改变电下倾角，从而得到不同的覆盖效果，因此在无线网络部署中得到了良好应用。

在电调天线基础上，还开发出了远程电调天线。远程电调天线增加了远程控制的装置，可以远程调整电调天线的电下倾角，从而改善无线网络的覆盖效果。远程电调天线是无线网络优化的利器，当然其成本也不菲。

2.1.6 无线电波的传播

移动通信系统之所以使用无线电波，主要还是由于无线电波传播的范围广泛，具有面覆盖的特点，便于实现业务覆盖。接下来，我们就来讲解无线电波的传播特点。

1.频率

频率是无线电波最重要的属性，决定了无线电波的传播特性。

在移动通信系统中，首先会规定频率范围，即工作频段。LTE空中接口使用的工作频段遵循严格的规定，在第1章中已经详细介绍过了。中国的LTE网络主要使用2GHz附近的无线电波，包括FDD和TDD的B1、B3、B39、B40和B41频段。

接下来，会规定移动通信系统具体的工作频率，也就是频点。移动通信设备会选择合适的频点来工作，这时，无线电波的中心频率就确定了。确定了中心频率后，也就确定了无线电波的波长。

无线电波的传播特性与其波长密切相关，2GHz附近的无线电波，其波长约为15cm。由于LTE系统的无线电波频率较高，波长远远小于一般障碍物，穿透损耗大，穿透能力较弱，传播的方式主要是直射波、反射波以及它们的合成波。

2.信号强度

无线电波从发射机的天线发出后，通过接收机的天线转换为射频信号，射频信号（以下简称信号）的强度与无线电波的强度直接相关，因此我们可以通过测量射频信号强度来衡量无线电波在传播时强度的变化。

射频信号强度有两种表示方法：电平（电压）和功率，一般采用功率来表示射频信号强度，单位是mW。由于射频信号强度的变化范围很大，因此通常我们会把功率值从线性量纲的mW转换为对数量纲的dBm，方便使用，转换公式为：

以dBm为单位的功率值=10lg（以mW为单位的功率值）

信号强度既可以用于发射机，又可以用于接收机。例如，一台发射机的发射功率为20W，换算为输出信号强度为43dBm；而另外一台发射机功率为40W，换算为输出信号强度为46dBm。同样，一台接收机接收信号的强度为-76dBm，换算为输入信号强度为0.0000004mW，如此类推。

采用对数量纲还有一个优点，就是方便求出两个信号强度的比值。只需要用对数量纲的两个信号强度减一减，就得到了相对的大小。下式展示了相对大小的计算方法，衡量物理量相对值的单位是dB，也采用了对数量纲。

dB=10lg（功率值1÷功率值2）=信号强度1-信号强度2

例如，一台接收机的接收信号强度为-76dBm，另外一台接收机的接收信号强度为-116dBm，前者比后者高40dB，相当于前者接收到的信号功率比后者强10000倍。

前面介绍了发射机的发射功率，显然发射功率决定了天线输出功率的大小。理论上，如果采用对数量纲，有下式成立，其中无线电波的传播损耗使用dB作为单位：

接收信号强度=天线的输出功率-无线电波的传播损耗

从上式可以看到，接收信号强度与天线的输出功率成正比。由于发射机的发射功率决定了天线输出功率的大小，因此接收信号强度还是由发射机的发射功率决定的。

在实际系统中，发射机的最大发射功率一般是固定的，例如，在LTE空中接口的规范TS36.101中，规定了LTE终端的最大发射功率为23dBm，也就是200mW，略小于WCDMA终端的最高发射功率。LTE规范中没有规定基站的最大发射功率，由设备厂商自行掌握，目前业界基站最大发射功率通常为20W，最高可以配置到40～80W。

确定了发射机的最大发射功率后，根据前述的公式，接收信号强度与无线电波的传播损耗成反比。接收机都有一定的灵敏度范围，也就是最小的接收信号强度。接收到的信号强度必须高于此灵敏度，接收机才能正常工作。这样无线电波在传播过程中的传播损耗大小就直接影响了接收信号强度，进而影响了信号的接收效果。

对于无线电波的传播，人们关心的是在给定发射机的最大发射功率以及接收机的位置后，还有哪些因素会影响无线电波的传播损耗。接下来，我们来看这些因素。

3.传播损耗

无线电波在传播过程中的损耗主要来源于两个效应：空间效应和阴影效应。

（1）空间效应

无线电波在自由空间（真空）中传播，接收信号的强度与发射机和接收机间距离的平方成反比，其损耗L₀有如下的公式：

L ₀=32.45+20lgd+20lgf

式中，L₀的单位为dB；d代表发射机和接收机之间的距离，单位为km；f代表无线电波的频率，单位为MHz。

无线电波在大气中传播时，也可以套用以上的公式。从上面的公式可以看出，无线电波的频率越高，传播同样的距离相对损耗越大。L₀有时又称为视距（Line-Of-Sight，LOS）路径损耗L_LOS。

例如，d=0.1km，f=1900MHz，传播损耗L₀=78dB，当天线输出功率为1W时，接收信号强度为-48dBm。

当然，由于无线电波是在大气中传播的，大气会吸收一些无线电波的能量，因此接收信号的强度与距离的立方甚至更高次幂成反比，这样无线电波的传播损耗将更大。

（2）阴影效应

除大气对无线电波的传播造成损耗外，地形和地貌也会对无线电波的传播造成损耗。

由于高频的无线电波以直射波为主，高大建筑和山峰自然会成为无线电波传播的障碍，这就像阳光被高大建筑遮挡后会产生阴影一样。在高大建筑和山峰背后，接收信号的强度大幅度下降，这种效应称为阴影效应，带来的损耗称为阴影衰减。

丛林会吸收一些无线电波的能量，因此丛林也是无线电波传播的一种障碍，同样属于阴影衰减。

阴影衰减是慢衰落的一种，也就是接收信号的强度主要随空间变化而变化，随时间变化不大。阴影衰减服从对数正态分布。

总之，空间效应与距离相关，阴影效应与无线环境相关。

2.1.7 双工：接收与发送

了解了无线电波的传播过程后，最后我们谈一谈双工方式。

我们注意到人们的通信过程往往是双向的，不光有发送，还需要接收。显然，发送的信号与接收的信号之间必须互不干扰、互不影响，才能保证通信顺畅地进行。

移动通信系统是如何解决收发干扰问题的呢？这就需要借助双工方式。双工方式分为单工、半双工和全双工三种类型。

单工指信息单向传送，只收或发，如广播，这样自然就不存在收发之间的干扰。

半双工指信息双向传送，双方交替进行收、发，如对讲机、WiFi，有可能存在收发之间的干扰。

全双工即信息双向传送，收、发可以同时进行，移动通信系统以全双工方式为主。显然，在采用全双工的工作方式时，为了避免收、发之间的相互影响和干扰，需要收、发各行其道，在无线信道上予以分离。

在语音业务中，全双工的方式更符合人们交流的习惯，用户更愿意使用，因此移动通信系统普遍采用全双工的方式，下面就详细介绍一下全双工。

在全双工方式中，无线信道可以按传送方向分成下行链路（基站到终端，又称前向链路）和上行链路（终端到基站，又称反向链路），链路的一方为发送方，对方自然就是接收方。下行链路上传送的是下行信号，上行链路上传送的是上行信号。

全双工的无线信道中同时存在上、下行信号，一般而言，下行信号的信号强度远超过上行信号，因此实施收、发分离是顺利接收上行信号非常关键的条件。

根据收、发分离的方法，全双工可以分成FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两种方式，图2.15展示了FDD和TDD的示意图，图中的喇叭和话筒分别代表不同方向的链路。

从图2.15可见，FDD是通信设备同时使用两个工作频率，一个频率用来发射，另外一个频率用来接收；TDD是通信设备只使用一个频率来发射和接收。FDD的下行链路和上行链路在频率上是分离的，而TDD的下行链路和上行链路在时间上是分离的。

FDD的优点是处理简单，上行链路和下行链路之间互不干扰，业务质量容易控制。FDD的主要缺点是需要占用成对的频率资源，而且设备为了支持收发同时工作，需要配置双工器（滤波器），以避免上、下行链路之间的相互干扰，增加了设备的成本。

TDD最简单的实施方式就是利用两个时间片段，一个时间片段用于发送，一个时间片段用于接收，交替进行。TDD的主要优点是可以在单一载频上实现发射和接收，不需要成对的频率资源，频率资源使用更灵活。由于TDD只使用一个无线通道，利用开关电路来切换上行链路和下行链路，因此也降低了设备的成本。TDD的主要缺点是只使用一个无线通道，与同时使用两个无线通道FDD相比，覆盖范围和容量受到了制约。另外，由于信号时延的影响，TDD中仍然存在下行信号干扰上行信号的可能性。

值得注意的是，为了节省成本，无论是基站还是终端，都会利用天线的互易性，让收发通道公用一套天线。为此，FDD采用双工器来解决收发通道与天线的连接问题，而TDD采用开关电路来改变收发通道与天线的连接方式。

GSM、cdma2000、WCDMA采用FDD（频分双工）的工作方式；PHS、TD-SCDMA采用TDD（时分双工）的工作方式；LTE同时支持FDD和TDD的工作方式；目前5G主要采用TDD的工作方式。