無線傳輸技術

1、.無線傳輸技術無線傳輸技術友情提示：友情提示：本章內容理論性較強，但.本章主要內容本章主要內容l無線傳輸介質l無線傳輸方式l數(shù)字通信模型(復習)l多路復用技術l無線擴頻技術.無線傳輸介質無線傳輸介質l傳輸介質(媒體)l計算機用以收發(fā)電子/光子信號的物理路徑l引導性介質(線纜介質、有向介質)電磁波沿著一個固態(tài)介質傳播。例如：金屬導體、玻璃等。l非引導性介質(無線介質、無向介質)提供了傳輸電磁信號的手段，但不加以引導。例如：大氣層、外層空間。.無線傳輸介質無線傳輸介質l傳輸介質(媒體).無線傳輸介質無線傳輸介質l電磁波l電磁波是由交替出現(xiàn)的電波和磁波組成.無線傳輸介質無線傳輸介質l電磁波的屬性屬性

2、意義振幅波形偏離中心振蕩的標量幅度頻率波峰在一秒鐘內穿過某一特定點的數(shù)量波長在正弦波上，兩個連續(xù)波峰之間的距離強度沿波傳播的能量大小振幅波長.無線傳輸介質無線傳輸介質l電磁波的屬性屬性意義相位波相對于一個具有相同波長的參考波的延遲或提前量極化波的電場方向。電場垂直于地面，這個波則是垂直極化；如果平行于地面，則是水平極化；若電場與磁場旋轉或交替，則為圓極化。速度波在空氣中傳播的快慢。真空為光速。相位為S.無線傳輸介質無線傳輸介質l電磁波頻譜及其應用.無線傳輸介質無線傳輸介質l電磁波頻譜.無線傳輸介質無線傳輸介質l電磁波頻譜段號頻段名稱頻段范圍（含上限，不含下限）波段名稱波長范圍（含上限，不含下限

3、）1極低頻(ELF)330赫（Hz）極長波10010兆米2超低頻(SLF)30300赫（Hz）超長波101兆米3特低頻(ULF)3003000赫（Hz）特長波10010萬米4甚低頻(VLF)330千赫（KHz）甚長波101萬米5低頻(LF)30300千赫（KHz）長波101千米6中頻(MF)3003000千赫（KHz）中波101百米7高頻(HF)330兆赫（MHz）短波10010米8甚高頻(VHF)30300兆赫（MHz）超短波101米9特高頻(UHF)3003000兆赫（MHz）分米波微波101分米10超高頻(SHF)330吉赫（GHz）厘米波101厘米11極高頻(EHF)30300吉赫（G

4、Hz）毫米波101毫米12至高頻3003000吉赫（GHz）絲米波101絲米.無線傳輸介質無線傳輸介質l主要用于無線通信的電磁波l無線電(Radio waves)l微波(Microwaves)l紅外線(Infrared).無線傳輸介質無線傳輸介質l無線電(Radio waves)l頻率范圍在10kHz1GHz之間。l射頻信號的能量可由天線和收發(fā)器決定。l能穿透墻壁，也可到達普遍網絡線無法到達的地方。l不受雪、雨天氣的干擾。l可全方向廣播，也可定向廣播。風雪無阻穿墻而過.無線傳輸介質無線傳輸介質l無線電(Radio waves)lVLF、LF、MF波段的無線電波沿著地面?zhèn)鞑低頻可傳1000公里

5、，高頻范圍小些。lHF、VHF波段無線電波被電離層折射回來（地面波會被地球吸收）無線電廣播頻率：30 MHz1GHzl 全向傳播（Omnidirectional）l 信號沿著所有的方向傳播l 可被所有的天線接收l 發(fā)射設備和接收設備不必在物理上對準.無線傳輸介質無線傳輸介質l微波(Microwaves)l頻率較高的無線電波(電磁頻譜較低GHz級頻率)l頻率范圍：2GHz 40GHzl不能很好地穿透建筑物l微波按照直線傳播l發(fā)射端和接收端的天線必須精確地對準l中繼器之間的最大距離可為80km(假設塔高為100m)l定向傳播（directional）l天線把所有的能量集中于一小束電磁波.無線傳輸介

6、質無線傳輸介質l兩種微波系統(tǒng)l地面微波系統(tǒng)l利用定向拋物線在較低的GHz范圍內收發(fā)信號。l衛(wèi)星微波系統(tǒng)l在定向拋物線和衛(wèi)星之間傳輸信號。.無線傳輸介質無線傳輸介質l微波(Microwaves)l地面微波系統(tǒng)l頻帶寬，容量大，不易受到干擾，比鋪設電纜投資少.無線傳輸介質無線傳輸介質l微波(Microwaves)l衛(wèi)星微波系統(tǒng)l優(yōu)點：通信距離遠，在電波覆蓋范圍內，任何一處都可以通信，且通信費用與通信距離無關。受陸地災害影響小，可靠性高；易于實現(xiàn)廣播通信和多址通信；l缺點：通信費用高，延時較大(250ms)；10GHz以上雨衰較大；易受太陽噪聲的干擾；36000km36000km.無線傳輸介質無線傳

7、輸介質l紅外線(Infrared)l利用紅外光波傳送信號l采用電磁頻譜的THz范圍。發(fā)光二極管或激光二極管用于發(fā)射信號；光電管則能接收信號。l信號不能穿透墻壁等固體物體l易受強烈光源的影響l應用與優(yōu)點l短距離通信（TV、錄像機、DVD、音響等）l不同房間內的紅外系統(tǒng)互不干擾l防竊聽安全性比無線電系統(tǒng)好.無線傳輸介質無線傳輸介質l紅外線系統(tǒng)l點-點l光束可高度集中，并朝特定的方向發(fā)射；l廣播l將信號擴展到一個更廣的區(qū)域，允許信號由幾個接收器同時接收。.無線傳輸介質無線傳輸介質l思考題l無線電波是什么類型的能量？l課余學習l請查閱資料，了解無線電波段劃分、命名以及主要用途。.無線傳輸方式無線傳輸方

8、式l四種電磁波傳輸方式l地表傳播l電磁波沿地球表面?zhèn)鞑?地球對表面波有吸收作用)，30MHz,如圖中5所示.無線傳輸方式無線傳輸方式l移動環(huán)境下的衰退(fading)l衰退(fading):傳輸介質或者路徑使得接收信號的能量發(fā)生變化。l在固定環(huán)境下：大氣層條件的變化l低于1GHz的頻率本身不受雨及大氣濕度的影響l高于10GHz的頻率通常受到嚴重影響l高于30GHz的頻率在戶外場路徑上不能使用l在移動環(huán)境下：障礙物的相對位置隨時間發(fā)生變化，造成復雜的傳輸效果多徑傳播 低頻具有更強的穿透力，可以傳輸更遠的距離； 頻率越高，衰減越嚴重，發(fā)射機需要更大的功率，傳輸范圍更短；.無線傳輸方式無線傳輸方式l

9、反射(Reflection)l當信號遇到表面大于信號波長的障礙物（地球表面、高建筑物、大型墻面）導致信號的相位發(fā)生漂移.無線傳輸方式無線傳輸方式l衍射(Diffraction)l當信號遇到大于波長的不可穿透物的邊緣(例如無線電波中途遇到尖銳不規(guī)則的邊緣物)，即使沒有來自發(fā)送器的視線信號(LOS)也可接收到信號。.無線傳輸方式無線傳輸方式l散射(Scattering)l當入境信號遇到波長小的物體（樹葉、街牌、燈柱）就發(fā)散成幾個弱的出境信號。.無線傳輸方式無線傳輸方式l反射、衍射和散射l對于LOS，衍射和散射信號不重要l對于非LOS，衍射和散射是接收的主要手段.無線傳輸方式無線傳輸方式l多徑(mu

10、ltipath)傳播的影響l多徑(Multipath)：障礙物反射信號，使得接收端收到多個不同延遲的信號。l一個信號的多個拷貝以不同的相位到達如果相位破壞性地疊加，則相對噪聲來說信號的強度就會下降（信噪比減?。?，導致接收端檢測困難。l信號串擾(Intersymbol interference)一個脈沖的一個或多個延遲的拷貝在一個比特時間內到達.無線傳輸方式無線傳輸方式l多徑(multipath)傳播的影響l假設：以給定頻率在固定天線和移動節(jié)點之間的鏈路上發(fā)送一個窄脈沖.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l通信系統(tǒng)的組成l信源：產生和發(fā)送信息的設備l信宿：接收和處理信息的設備l信道：信源和信宿之間的通信鏈

11、路l數(shù)字信道：采用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)的信道l模擬信道：采用模擬信號傳輸數(shù)據(jù)的信道.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l通信系統(tǒng)的一般模型.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l三種通信傳輸模式l單向通信：也稱單工單工，通信的方向是單向的。l雙向交替通信：也稱半雙工半雙工，通信是雙向進行的，但不能同時發(fā)送和接收。l雙向同時通信：也稱全雙工全雙工，通信是雙向進行的，可同時發(fā)送和接收。.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l頻帶傳輸與基帶傳輸l基帶：未經調制的電脈沖信號所占據(jù)的頻帶，從直流和低頻開始，因此成為基帶。(數(shù)字信號所占用的帶寬)l基帶傳輸：直接采用基帶信號進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健?數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l頻帶傳輸與基帶傳輸l頻

12、帶：對基帶信號調制后所占用的頻率帶寬。(模擬信號所占用的帶寬)l頻帶傳輸：基帶信號經過調制后進行傳輸?shù)姆绞?通常時把基頻搬移動到高頻)。.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l四種通信方式l模擬信號以模擬方式傳輸l例：第一代手機，收音機，閉路電視等l模擬信號以數(shù)字方式傳輸l例：VoIPl數(shù)字信號以數(shù)字方式傳輸l數(shù)字信號的基帶傳輸l例：串口對傳，有線局域網l數(shù)字信號以模擬方式傳輸l數(shù)字信號的載波/調制傳輸l例：ModemVoIP.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l模擬/數(shù)字編碼技術.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l數(shù)字信號的調制方法（數(shù)字模擬）.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l數(shù)字信號的調制方法（數(shù)字模擬）載波調幅調頻調相.數(shù)

13、字通信模型數(shù)字通信模型l數(shù)字信號的編碼方法.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l信道容量l信道容量（capacity）l指給定條件下信道傳輸數(shù)據(jù)的能力。l數(shù)據(jù)速率(data rate)l指數(shù)據(jù)通信的速率，以每秒多少個二進制位表示(bps)。l帶寬(bandwidth)l被傳信號所占頻帶的寬度，以每秒多少個周期表示或赫茲Hz。.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l信道容量l比特率l表示數(shù)據(jù)的傳輸速率，定義為單位時間內傳送的比特數(shù)，單位為比特/秒(bit/s)或簡寫為bps。l波特率l表示信號速率，一般稱為調制速率。定義為單位時間內所傳輸?shù)牟ㄐ蝹€數(shù)。單位為波特(baud)。設一個波形的持繼時間為T，則波特率Dbaud

14、 = 1/T.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l香農(Shannon)定律l在信號平均功率有限的白噪聲(指通信系統(tǒng)內部本身產生的噪聲)信道中，信道的極限數(shù)據(jù)傳輸率(即信道容量)為:C = Wlog2 (1+S/N) (bps)lS表示信號功率；lN表示噪聲功率；lW為信道帶寬(Hz)；lC為信道容量；Claude E. Shannon1916 - 2001.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l香農(Shannon)定律l分貝用來度量電路中不同點上功率的相對大小l信噪比的單位是分貝(dB)l分貝= 10log10(S/N)若S/N = 10, 則為10dB若S/N = 100, 則為20dB若S/N = 1000

15、, 則為30dB.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l香農(Shannon)定律l例：語音信道(電話線)帶寬為3100赫茲，信噪比為30分貝。l求：該信道的容量？l已知：W3100Hz， RS/N =30dBl解：第1步，由30 = 10 log10 (S/N) 可知： S/N = 1000第2步，由C = Wlog2 (1+S/N)可知： C= 3100 *log2(1+1000)= 30894bps那么，那么，56Kbps 56Kbps ModemModem是如何實是如何實現(xiàn)的？現(xiàn)的？.數(shù)字通信模型數(shù)字通信模型l奈奎斯特(Nyquist)準則l離散無噪聲的數(shù)字信道信道容量為C = 2W log2 L

16、lW為信道的帶寬(Hz)lL為代碼采用的進制數(shù)Harry Nyquist0 1889 1976.多路復用技術多路復用技術l多路復用(multiplexing)l為了提高信道利用率，使多路信號沿同一信道傳輸而互不干擾的技術。l為什么多路復用？l數(shù)據(jù)速率越高傳輸設施的成本就越有效；l大多數(shù)個人數(shù)據(jù)通信設備要求相對低的數(shù)據(jù)率。.多路復用技術多路復用技術l實現(xiàn)多路復用的關鍵l把多路信號匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信號。l分割信號的依據(jù)：信號之間的差別l信號頻率上的不同l信號出現(xiàn)時間上的不同l信號碼型結構上的不同u 頻分多路復用u 時分多路復用u 碼分多路復用.多路復用技術多路復

17、用技術l頻分多路復用lFrequency Division Multiplexing，F(xiàn)DMl每個數(shù)據(jù)信號被調制到具有不同頻率的載波上，所有的信號在一個信道上同時傳送。頻率頻率時間時間頻率頻率 1頻率頻率 2頻率頻率 3頻率頻率 4頻率頻率 5.多路復用技術多路復用技術l頻分多路復用l條件：l通信線路帶寬單路信號帶寬；l各路信號使用互不重疊的頻率范圍。.多路復用技術多路復用技術l時分多路復用lTime Division Multiplexing，TDMl以時間作為分割信號的依據(jù)。它利用每個信號在時間上交叉，可在一個傳輸通路上傳輸多個數(shù)字信號(或運載數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號)。頻率時間B C DB C

18、 DB C DB C DAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀.多路復用技術多路復用技術l時分多路復用ln路時分復用系統(tǒng)的關鍵：l收發(fā)端旋轉開關必須嚴格的同步，即同頻同相才能保證正常的通信。.多路復用技術多路復用技術l碼分多路復用lCode Division Multiplexing，CDMl常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信，但使用基于碼型的分割信道方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干擾能力強。.多路復用技術多路復用技術l三種多路復用技術總結.多路復用技術多路復用技術l三種多路復用技術總結.多路復用技術多路復用