第2章無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)

1、第2章 無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.9 差錯控制技術(shù)2.1 無線傳輸媒體 n 傳輸媒體是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑。n 傳輸媒體可分為導(dǎo)向的(guided)和非導(dǎo)向的(unguided)兩類。n對導(dǎo)向媒體而言，電磁波被引導(dǎo)沿某一固定媒體前進，例如雙絞線、同軸電纜和光纖。n非導(dǎo)向媒體的例子是大氣和外層空間，它們提供了傳輸電磁波信號的手段，但不引導(dǎo)它們的傳播方向，這種傳輸形式通常稱為無線傳播(wireless transmissi

2、on) 電信用的電磁波頻譜 感興趣的3個頻段n 微波：1GHz100GHz，可實現(xiàn)高方向性的波束，而且非常適用于點對點的傳輸，也可用于衛(wèi)星通信。n 無線電廣播頻段：30MHz1GHz，適用于全向應(yīng)用。n 紅外線頻譜段：31011Hz21014Hz，適于本地應(yīng)用，在有限的區(qū)域(如一個房間)內(nèi)對于局部的點對點及多點應(yīng)用非常有用。 2.1.1 地面微波 n 地面微波系統(tǒng)主要用于長途電信服務(wù)，可代替同軸電纜和光纖，通過地面接力站中繼。 n 用于建筑物之間的點對點線路。 n 常見的用于傳輸?shù)念l率范圍為2GHz40GHz。頻率越高，可能的帶寬就越寬，因此可能的數(shù)據(jù)傳輸速率也就越高。 典型的數(shù)字微波性能 波

3、段/GHz帶寬/MHz數(shù)據(jù)率/Mb/s271263090114013518220274地面微波（續(xù)1）n 微波傳輸?shù)闹饕獡p耗來源于衰減。n 微波(以及無線電廣播頻段)的損耗公式n 微波的損耗隨距離的平方而變化 n 損傷的另一個原因是干擾，隨著微波應(yīng)用的不斷增多，傳輸區(qū)域重疊，干擾始終是一個威脅。因此，頻帶的分配需要嚴格控制。 dL42lg10地面微波（續(xù)2）n 頻率越高衰減越大，較高的微波頻率對長途傳輸沒有什么用處，但卻非常適用于近距離傳輸。n 頻率越高，使用的天線就越小、越便宜。 2.1.2 衛(wèi)星微波n 通信衛(wèi)星實際上一個微波接力站，用于將兩個或多個稱為地球站或地面站的地面微波發(fā)送器/接收器

4、連接起來。n 衛(wèi)星使用上下行兩個頻段：接收一個頻段(上行)上的傳輸信號，放大或再生信號后，再在另一個頻段(下行)上將其發(fā)送出去。 n 衛(wèi)星主要應(yīng)用：電視廣播、長途電話傳輸和個人用商業(yè)網(wǎng)絡(luò) 衛(wèi)星微波（續(xù)）n 衛(wèi)星傳輸?shù)淖罴杨l率范圍為1GHz10GHz。n 特點n衛(wèi)星通信距離遠，一個地面站發(fā)送到另一個地面站接收，約有1/4s傳播延遲。在差控和流控方面，也帶來一系列問題。n衛(wèi)星微波是廣播設(shè)施，許多站點可以向衛(wèi)星發(fā)送信息，同時從衛(wèi)星上傳送下來的信息也會被眾多站點接收。 2.1.3 廣播無線電波 n 廣播無線電波是全向性的，不要求使用碟形天線，天線也無需嚴格地安裝到一個精確地校準(zhǔn)位置上。n 無線電波(R

5、adio) 是籠統(tǒng)術(shù)語，頻率范圍為3KHz300GHz。n 非正式術(shù)語廣播無線電波(broadcast radio) 包括VHF頻段和部分的UHF頻段：30MHz1GHz。n 廣播無線電波損傷的一個主要來源是多路徑干擾。 2.1.4 紅外線 n 紅外線傳輸不能超過視線范圍，距離短n 紅外線傳輸無法穿透墻體。微波系統(tǒng)中遇到的安全性和干擾問題在紅外線傳輸中都不存在。n 紅外線不需要頻率分配許可。2.1.5 光波 n 頻率更高的光波，主要指非導(dǎo)向光波，而非用于光纖的導(dǎo)向光波。n 提供非常高的帶寬，成本也很低，相對容易安裝，而且與微波不同，不要求FCC許可。n 激光的強度(非常窄的一束光)是它的弱點，

6、不易瞄準(zhǔn)。n 激光束不能穿透雨或者濃霧，白天太陽的熱量使氣流上升也會激光束產(chǎn)生偏差。 主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.9 差錯控制技術(shù)2.2 天線 天線是實現(xiàn)無線傳輸最基本的設(shè)備。天線可看作一條電子導(dǎo)線或?qū)Ь€系統(tǒng)，該導(dǎo)線系統(tǒng)或用于將電磁能輻射到太空或用于將太空中的電磁能收集起來。 2.2 天線2.2.1 輻射模式 2.2.2 天線類型2.2.3 天線增益 2.2.1 輻射模式 一個天線輻射出去的功率是全方位的，然而并非在所有方向上輻射出的功率都是相等的。 描述天

7、線性能特性的常用方法是輻射模式，它是作為空間協(xié)同函數(shù)的天線的輻射屬性的圖形化表示。 理想的輻射模式 2.2.2 天線類型n 偶級天線n 拋物反射天線簡單（偶級）天線 偶級天線散射模式 拋物線反射天線 2.2.3 天線增益 天線增益(antenna gain)是天線定向性的度量。與由理論的全向天線(各向同性天線)在各個方向所產(chǎn)生的輸出相比，天線增益定義為在一特定方向上的功率輸出。 天線增益與有效面積的關(guān)系： cAfAeeG22244主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.

8、9 差錯控制技術(shù)2.3 傳播方式n 由天線輻射出去的信號以三種方式傳播：n地波(ground wave)：地波傳播或多或少要沿著地球的輪廓前行，且可傳播相當(dāng)遠的距離，較好地跨越可視 的地平線 n天波(sky wave)：天波信號可以通過多個跳躍，在電離層和地球表面之間前后反彈地穿行 n直線LOS(line of sight) ：當(dāng)要傳播的信號頻率在30MHz以上時，天波與地波的傳播方式均無法工作，通信必須用直線方式。 無線傳播類型頻帶頻帶頻率范圍頻率范圍自由空間中的波長自由空間中的波長范圍范圍傳播特性傳播特性典型的應(yīng)用典型的應(yīng)用ELF(極低頻)30Hz300Hz10000km1000km地波功

9、率線頻率；用于某些家庭控制系統(tǒng)中VF(音頻)300Hz3000Hz1000km100km地波用于電話系統(tǒng)中使用的模擬用戶線路VLF(甚低頻)3KHz30KHz100km10km地波；白天夜晚低衰減；高大氣噪聲級長距離導(dǎo)航；航海通信LF(低頻)30KHz300KHz1000km1km地波；比VLF的可靠性略差；白天會被吸收長距離導(dǎo)航；航海通信中的無線電信號MF(中頻)300KHz3MHz1km100m地波和晚上的天波；晚上的衰減低，白天的衰減高；有大氣噪聲海事無線電；定向查找HF(高頻)3MHz30MHz100m10m天波；質(zhì)量隨一天的時間、季節(jié)和頻率而變化無線電業(yè)余愛好者；國際廣播，軍事通信；

10、長距離飛機和輪船通信VHF(高頻)30MHz300MHz10m1m直線；由于溫度倒置出現(xiàn)散射；宇宙噪聲VHF電視；調(diào)頻廣播和雙向無線電，調(diào)幅飛機通信；飛機導(dǎo)航UHF(特高頻)300MHz3GHz100cm10cm直線：宇宙噪聲UHF電視；蜂窩電話；雷達；微波鏈路；個人通信系統(tǒng)SHF(超高頻)3GHz30GHz10cm1cm直線：100Hz以上，下雨會帶來衰減；由于氧氣和水蒸氣帶來人氣衰減衛(wèi)星通信；雷達；陸地微波鏈路；無線本地環(huán)EHF(極高頻)30GHz300Gz10mm1mm直線；由于氧氣和水蒸氣帶來大氣衰減實驗；無線本地環(huán)紅外線300GHz400THz1mm770nm直線紅外局域網(wǎng)；客戶電子

11、應(yīng)用可見光400THz900THz770nm330nm直線光通信主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.9 差錯控制技術(shù)2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷n衰減和衰減失真(attenuation and attenuation distortion)n自由空間損耗(free space loss)n噪聲(noise)n大氣吸收(atmospheric absorption)n多徑(multi path)n折射(refraction) 主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2

12、.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.9 差錯控制技術(shù)2.4.1 衰減n一個信號的強度會隨所跨越的任一傳輸媒介的距離而降低。n對于導(dǎo)向媒介，這種強度上的降低或稱衰減，通常是一個指數(shù)值，因而常表示為每單位距離一個固定的分貝數(shù)。n對于非導(dǎo)向媒介，衰減是一個更為復(fù)雜的距離函數(shù)，且充滿整個大氣層。 衰減帶來的三個影響 n(1)接收的信號必須有足夠的強度，以使接收端的電子線路能夠檢測并解釋信號。n(2)與噪聲相比，信號必須維持一種足夠高的水平以便被無誤差地接收。n(3)高頻下的衰減更為嚴重，會引起失真。 2.4.2 自

13、由空間損耗n任一種無線通信中，信號都會隨距離發(fā)散，因此，具有固定面積的天線離發(fā)射天線越遠，接收的信號功率就越低。n在衛(wèi)星通信中這是一種主要的信號損耗方式。 2.4.3 噪聲n 任一接收信號都是由傳輸信號構(gòu)成，這些傳輸信號可能會被傳輸系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種失真修改，還包括了在傳輸端和接收端之間的某些地方插入的不希望有的額外信號，這些不希望有的信號就是噪聲。n 噪聲是對通信系統(tǒng)性能帶來影響的主要限制因素。n 噪聲可以分為如下四類：n熱噪聲(thermal noise)n互調(diào)噪聲(intermodulation noise)n串?dāng)_(crosstalk)n脈沖噪聲(impulse noise) 2.4.4

14、大氣吸收n 水蒸氣和氧氣是產(chǎn)生這種衰減的主要因素n水蒸氣所產(chǎn)生的衰減的峰值在22GHz附近，在低于15GHz的頻率處，衰減會減少。n氧氣的存在會導(dǎo)致在60GHz附近的吸收峰值，而在低于30GHz的頻率處，這種影響會減少。n 雨和霧(有懸掛的小水滴)會引起無線電波的散射，從而導(dǎo)致衰減，這有可能是引起信號損耗的主要原因。要減少這種損耗，在有較大降水量的地區(qū)，或者是將路徑的長度變短，或者是使用低頻帶。 2.4.5 多經(jīng)2.4.6 折射n 當(dāng)通過大氣傳播時，無線電波會被折射(或彎曲)。n 由于信號高度的變化而引起的信號速度的改變或大氣條件下其他空間的改變都會引起折射。導(dǎo)致只有一小部分直線波或沒有直線波

15、抵達接收天線。 2.5 移動環(huán)境中的衰退 通信系統(tǒng)所面臨的最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題是移動環(huán)境中的衰退現(xiàn)象。在移動環(huán)境中，兩個天線中的一個相對于另一個在移動，各種障礙物的相對位置會隨時間而改變，由此會產(chǎn)生比較復(fù)雜的傳輸結(jié)果。反射(R)、散射(S)和衍射(D) 存在隨時間變化的多徑脈沖中的兩個脈沖 衰退類型 n 移動環(huán)境中的衰退效果可以分為快速或慢速 n 衰退效果也可以分為平面的或選擇性的。n平面衰退(flat fading)或稱非選擇性的衰退，接收到的信號的所有頻率成分同時按相同的比例波動。n選擇性衰退(selective fading)無線電信號的不同光譜成分的影響是不相等的。 差錯補償機制 1前

16、向糾錯2自適應(yīng)均衡3分集技術(shù)主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.9 差錯控制技術(shù)2.6 多普勒效應(yīng)n 多普勒效應(yīng)是為紀念Christian Doppler而命名的。n 多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時頻率變高，而在波源遠離觀察者時頻率變低。當(dāng)觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。n 假設(shè)原有波源的波長為，波速為c，觀察者移動速度為v，當(dāng)觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為(v+c)/，如果觀察者遠離波源，則觀察到的波源頻率為(v-c)/。 多普勒效應(yīng)（續(xù)）n 多普勒效應(yīng)

17、不僅僅適用于聲波，也適用于所有類型的波，包括光波、電磁波。 n 在無線移動通信中，當(dāng)移動臺移向基站時，頻率變高，遠離基站時，頻率變低，所以在移動通信中要充分考慮多普勒效應(yīng)。n 尤其是高速移動寬帶接入網(wǎng)絡(luò)(如IEEE802.20)必須考慮多普勒效應(yīng)。 主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.9 差錯控制技術(shù)2.7 信號編碼技術(shù)2.7.1 數(shù)據(jù)、信號和傳輸?shù)哪M與數(shù)字之分n 模擬(analog)和數(shù)字(digital)大致分別與連續(xù)(continuous)和離散(discr

18、ete)相對應(yīng) 。數(shù)據(jù)、信號和傳輸經(jīng)常使用這兩個術(shù)語。n 數(shù)據(jù)(data)定義為傳達某種意義或信息的實體n 信號(signal)是數(shù)據(jù)的電氣或電磁表示 n 傳輸(transmission)是通過信號的傳播和處理進行數(shù)據(jù)通信的過程模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)n 模擬數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)具有連續(xù)的值，例如，聲音和視頻是連續(xù)變化的強度樣本。n 數(shù)字數(shù)據(jù)的值是離散的，例如文本和整數(shù)。 話音和音樂的聲音頻譜 模擬信號和數(shù)字信號n 數(shù)據(jù)以電磁信號的方式從一點傳播至另一點n 模擬信號(analog signal)就是一個連續(xù)變化的電磁波，根據(jù)它的頻率可以在多種類型的媒體上傳播。如銅線媒體、光纖、無線空間n 數(shù)字信號(di

19、gital signal)是一個電壓脈沖序列，這些電壓脈沖可以在銅線媒體上傳輸，不適宜直接在無線媒介中傳播。 數(shù)字信號的優(yōu)缺點 n 優(yōu)點：通常比使用模擬信號便宜，且較少受噪聲的干擾。n 缺點：比模擬信號的衰減要嚴重 模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號和數(shù)字信號 數(shù)據(jù)的信號表示n 數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號：比起將數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為模擬信號的設(shè)備來，將數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號的設(shè)備不那么復(fù)雜且不昂貴。n 模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號：將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式允許對模擬數(shù)據(jù)使用現(xiàn)代數(shù)字傳輸和交換設(shè)備。n 數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號：有些傳輸媒體，例如光纖和衛(wèi)星只傳輸模擬信號。n 模擬數(shù)據(jù)，模擬信號：模擬數(shù)據(jù)很容易被轉(zhuǎn)換為模擬信號。 數(shù)

20、據(jù)和信號模擬信號數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)(1)信號占據(jù)跟模擬數(shù)據(jù)相同的頻譜；(2)模擬數(shù)據(jù)被編碼以占據(jù)不同的頻譜段。使用編解碼器對模擬數(shù)據(jù)編碼以產(chǎn)生數(shù)字位流。數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)器編碼以產(chǎn)生模擬信號。(1)信號由兩個電壓電平組成以代表兩個二進制的值：(2)數(shù)字數(shù)據(jù)被編碼以產(chǎn)生具有所要求的屬性的數(shù)字信號。模擬傳輸和數(shù)字傳輸 n 模擬信號和數(shù)字信號都可以在適宜的傳輸媒體上傳輸，處理這些信號的方法是傳輸系統(tǒng)的功能n 模擬傳輸(analog transmission)是傳輸模擬信號的方法，它不考慮信號的內(nèi)容。n 數(shù)字傳輸(digital transmission)與信號的內(nèi)容有關(guān) 信號的處理 模擬傳輸

21、 數(shù)字傳輸模擬信號 通過放大器來傳播。不論信號是用來表示 模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字數(shù)據(jù)，處理方式相同。假設(shè)模擬信號表示的是數(shù)字數(shù)據(jù)。信號通過中繼器傳播。在每個中繼器上，從入口信號恢復(fù)數(shù)字數(shù)據(jù)，并用它來生成一個新的外出模擬信號。數(shù)字信號 不使用。數(shù)字信號表示的是1和0的位流，它代表了數(shù)字數(shù)據(jù)，或者是經(jīng)過編碼的模擬數(shù)據(jù)。信號通過中繼器傳播。在每個中繼器上，從入口信號恢復(fù)1和0的位流，并用它來生成一個新的外出數(shù)字信號。2.7.2 信號編碼準(zhǔn)則n 對任一給定的通信任務(wù)來說，選擇一種特定的組合的理由是不同的，而后3種技術(shù)與無線通信密切相關(guān)，因為無線傳輸系統(tǒng)主要是采用模擬載波信號進行傳輸。n 數(shù)字到模擬：數(shù)字數(shù)據(jù)

22、和數(shù)字信號必須轉(zhuǎn)換成模擬信號進行無線傳輸。n 模擬到模擬：基帶模擬信號，諸如話音或視頻，通常都必須調(diào)制到高頻的載波上進行傳輸。 n 模擬到數(shù)字：先于傳輸之前，通常將話音數(shù)字化后再在導(dǎo)向的或非導(dǎo)向的媒體上傳輸，這樣可以改進傳輸質(zhì)量并可利用TDM方式。對于無線傳輸來說，結(jié)果得到的數(shù)字信號必須調(diào)制到一個模擬載波上。 數(shù)據(jù)傳輸術(shù)語 術(shù) 語 單 位 定 義數(shù)據(jù)元素位一個單個的二進制1或0數(shù)據(jù)率位/秒(b/s)數(shù)據(jù)元素傳輸?shù)乃俾市盘栐財?shù)字：一個固定振幅的電壓脈沖模擬：一個具有固定頻率、相位和振幅的脈沖在一個信號傳輸?shù)拇a中占據(jù)最小間隔的那部分信號信號傳輸速率或調(diào)制速率信號元素/秒(baud)信號元素傳輸

23、的速率信號編碼準(zhǔn)則（續(xù)）n 決定接收器能夠成功解釋所收到信號的因素主要有：信噪比、數(shù)據(jù)率和帶寬。n 編碼機制也可以用來改進傳輸性能n 編碼機制是一種簡單的從數(shù)據(jù)位到信號元素的映射關(guān)系。2.7.3 數(shù)字數(shù)據(jù)與模擬信號n 最常用的應(yīng)用是通過公用電話網(wǎng)傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。n 電話網(wǎng)并不適用于處理來自用戶端的數(shù)字信號。n 數(shù)字設(shè)備通過調(diào)制解調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)相連，調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，或?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)。n 調(diào)制技術(shù)涉及對載波信號的3個特性(振幅、頻率和相位)中的一個或多個特性的操作:幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK) 數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號 2.7.4 模擬數(shù)據(jù)與模擬

24、信號n 當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)是模擬形式時，調(diào)制的主要原因有兩個：(1)為了實現(xiàn)有效的傳輸，可能需要較高的頻率。對于無導(dǎo)向傳輸，實際上是不可能直接傳輸基帶信號的,需要使用的天線直徑為幾千米。(2)調(diào)制允許使用頻分復(fù)用技術(shù)，可以提高信道的利用率。n 模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制技術(shù)：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。 2.7.5 模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字信號n 準(zhǔn)確的說法是把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字數(shù)據(jù)的過程，稱之為數(shù)字化(digitalization)。n 一旦模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成數(shù)字數(shù)據(jù)后，就可以進行很多的工作:(1)數(shù)字數(shù)據(jù)可以使用NRZ-L(不歸零電平)。(2)可以通過NRZ-L以外的其他編碼技術(shù)將數(shù)字數(shù)據(jù)變成數(shù)字信號。(3)通過調(diào)制技術(shù)，數(shù)字數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)換成模擬信號。模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化 主要內(nèi)容2.1 無線傳輸媒體2.2 天線2.3 傳播方式2.4 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷2.5 移動環(huán)境中的衰退2.6 多普勒效應(yīng)2.7 信號編碼技術(shù)2.8 擴頻技術(shù)2.9 差錯