無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò) 第2章

1、第二講無(wú)線信號(hào)傳輸概述1電磁信號(hào)n是時(shí)間的函數(shù)，也可以描述為頻率的函數(shù)n模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)n模擬信號(hào)（模擬信號(hào)（analog signal）：信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間連續(xù)變化n數(shù)字信號(hào)（數(shù)字信號(hào)（digital signal）：信號(hào)強(qiáng)度在一定時(shí)間段內(nèi)保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。2模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)n周期信號(hào)（周期信號(hào)（periodic signal）：周期性地重復(fù)的信號(hào)3()( ) s tTs tt n一個(gè)典型的正弦波信號(hào)包含三個(gè)參數(shù)：振幅（A），頻率（f）和相移（）。n頻率頻率 f：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)信號(hào)重復(fù)自己的次數(shù)，單位是赫茲（Hz）。n周期周期 T：T=1/fn波長(zhǎng)波長(zhǎng) ：信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)向前傳播的距離，=vT

2、，其中v是信號(hào)在介質(zhì)中傳播的速率。n電磁波在真空中的速率 c = 3108米/秒n電信號(hào)在線纜眾傳輸?shù)乃俣仁?/9 1/3光速n相移相移：信號(hào)在時(shí)間上的偏移量n一個(gè)典型的正弦信號(hào)4( )sin(2)s tAft5A=1, f=1, =0A=0.5, f=1, =0A=1, f=2, =0A=1, f=1, =/4信號(hào)的頻域分解n任意一個(gè)電磁信號(hào)可以視為由多個(gè)頻率的周期信號(hào)組成（由傅立葉變換保證）n例如：n當(dāng)構(gòu)成信號(hào)的所有頻率都是某個(gè)頻率的整數(shù)倍時(shí)，這個(gè)頻率被稱為該信號(hào)的基本頻率基本頻率。如上例中f。信號(hào)的周期=信號(hào)中基本頻率對(duì)應(yīng)的周期。n信號(hào)所有頻率的范圍被稱為信號(hào)的頻譜頻譜(Spectrum

3、)，例如上例中信號(hào)的頻譜為f, 3f。n信號(hào)頻譜的寬度被稱為信號(hào)的帶寬帶寬（bandwidth），例如上例中信號(hào)的帶寬為3f-f=2f6( )(4 /)(sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )s tftf t7sin(2)ft(1/ 3)sin(2 (3 ) )f t(4 /) sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )ftf t信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬的關(guān)系n通常來(lái)說(shuō)，信號(hào)的帶寬越大，其傳輸數(shù)據(jù)的能力就越強(qiáng)n例如：令方波的正電平為1，負(fù)電平為0，則信號(hào)在1/f 時(shí)間內(nèi)可以傳送兩個(gè)bit的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為2f bit/秒（bps）。8n方波由哪些頻率構(gòu)成？n頻率f、3f、5f

4、的正弦信號(hào)相加n頻率f、3f 、5f 、7f的正弦信號(hào)相加9(4/)sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )(1/ 5)sin(2 (5 ) )ftf tf t(4 /)sin(2)(1/ 3)sin(2 (3 ) )(1/ 5)sin(2 (5 ) )(1/ 7)sin(2 (7 ) )ftf tf tf tn將所有f 的奇數(shù)倍正弦信號(hào)疊加，可得到方波信號(hào)n例1，考慮頻率f、3f、5f的正弦信號(hào)疊加所得信號(hào)，如果f=1MHz，帶寬為4MHz。如果用此信號(hào)近似為方波，則一個(gè)bit占用時(shí)間1/2f，傳輸速率為2f=2Mbps。n例2，考慮同樣的信號(hào)，但是f=2MHz，則帶寬為8MHz。此

5、時(shí)一個(gè)bit占用時(shí)間1/2f，傳輸速率為4Mbps。n例3，考慮頻率f、3f的正弦信號(hào)疊加所得信號(hào)， f=2MHz，帶寬為4MHz。此時(shí)碼速率為4Mbps。但是較之例1，信號(hào)更加失真，接收端識(shí)別信號(hào)的難度變大。10,14sin(2)( )k kkfts tAk奇數(shù)n結(jié)論：n數(shù)字信號(hào)方波包含無(wú)窮帶寬n信號(hào)傳輸系統(tǒng)通常僅具有有限的帶寬n對(duì)任意傳輸介質(zhì)，占用的帶寬越大，成本越高n在有限的帶寬內(nèi)傳輸信號(hào)，會(huì)造成信號(hào)一定程度的失真（distortion）11模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸n數(shù)據(jù)：信息的載體n信號(hào)：數(shù)據(jù)的電磁表示n傳輸：通過(guò)傳送信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的行為12模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸n典型的模擬數(shù)據(jù)：語(yǔ)音、圖像n

6、典型的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：文本13語(yǔ)音：100Hz7KHz25dB：最大的聲音是最小聲音能量的300倍（25dB）1010log 30025模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)n模擬信號(hào)：連續(xù)變化的電磁波；可在一系列介質(zhì)中傳輸，但是不同頻率的信號(hào)傳輸特性不同。n典型介質(zhì)n雙絞線、同軸電纜n光纖n大氣層、太空14n數(shù)字信號(hào)：由一系列高低電平組成，可以在銅質(zhì)線纜中傳輸n數(shù)字信號(hào)較之模擬信號(hào)的優(yōu)勢(shì)在于更便宜，并且不容易受到噪聲的干擾。劣勢(shì)在于數(shù)字信號(hào)更容易衰衰減減。n信號(hào)的高頻部分比低頻部分衰減更大，整個(gè)信號(hào)失真n模擬和數(shù)字信號(hào)可以用于傳輸模擬和數(shù)字內(nèi)容15衰減造成數(shù)字信號(hào)失真n模擬數(shù)據(jù)/信號(hào)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)/信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換n模擬數(shù)

7、據(jù)模擬信號(hào)：聲波（語(yǔ)音，300-3400Hz）轉(zhuǎn)換為電磁波n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)：調(diào)制解調(diào)器（Modem）n將數(shù)字內(nèi)容調(diào)制為模擬載波信號(hào)16n模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)：語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，編解碼器（codec，coder-decoder）n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)：數(shù)字收發(fā)器（transceiver）17選取不同的信號(hào)傳輸類型n數(shù)字內(nèi)容，數(shù)字信號(hào)傳輸n數(shù)字信號(hào)直接用數(shù)字化方式傳輸比調(diào)制為模擬信號(hào)更方便便宜n模擬內(nèi)容，數(shù)字信號(hào)傳輸n便于使用現(xiàn)代化的數(shù)字技術(shù)和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（例如Internet）n數(shù)字內(nèi)容，模擬信號(hào)傳輸n一些傳輸介質(zhì)只能夠傳輸模擬信號(hào)，光纖、衛(wèi)星n模擬內(nèi)容，模擬信號(hào)傳輸n例如，語(yǔ)音電磁波18模擬和數(shù)字信號(hào)

8、傳輸n模擬信號(hào)傳輸n以模擬信號(hào)的方式傳輸模擬或者數(shù)字內(nèi)容n模擬信號(hào)易衰減，每傳輸一定距離，使用放大器放大信號(hào)能量n不幸的是，同時(shí)放大了噪聲n數(shù)字信號(hào)傳輸n更容易衰減n中繼器：接收數(shù)字信號(hào)，還原成0和1，再編碼傳輸。19信道容量n噪聲（噪聲（noise）是造成信號(hào)失真的主要原因。n對(duì)任意信道，在給定條件下數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾剩▎挝粸閎ps）被稱為信道容量（信道容量（channel capacity）n幾個(gè)概念n傳輸速率：數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣龋╞ps）n信號(hào)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間傳輸信號(hào)的個(gè)數(shù)（波特）n帶寬：由傳輸者和傳輸介質(zhì)確定的信號(hào)帶寬（Hz）n噪聲：信道的平均噪聲強(qiáng)度n錯(cuò)誤率：錯(cuò)誤發(fā)生的速率（錯(cuò)誤個(gè)

9、數(shù)/秒）n錯(cuò)誤：發(fā)送1接收0，發(fā)送0接收1n為什么要關(guān)注信道容量？帶寬資源非常昂貴。n盡可能有效地提高帶寬利用效率20奈奎斯特帶寬n1. 頻率不超過(guò)B的信號(hào)足以實(shí)現(xiàn)2B的信號(hào)傳輸速率n2. 對(duì)帶寬為B的信道，最高可實(shí)現(xiàn)的信號(hào)速率是2B。n例，兩電平信號(hào)。如果信號(hào)的傳輸速率是2B bps，則一個(gè)頻率不大于B的信號(hào)足夠?qū)崿F(xiàn)上述速率。反之，對(duì)帶寬B的信道，其能夠傳輸?shù)淖畲笮盘?hào)速率是2B。n帶寬B=3100Hz，2B=6200bpsn如果信號(hào)包含多個(gè)（M 個(gè)）電平，信道容量為C=2Blog2M bps。n增加電平數(shù)可以提高傳輸速率。但是識(shí)別多個(gè)電平給接收設(shè)備帶來(lái)更大負(fù)擔(dān)，且信號(hào)更容易受到噪聲的影響。2

10、1信號(hào)噪聲比n奈奎斯特公式揭示，帶寬翻倍則傳輸速率翻倍。n噪聲條件下，將產(chǎn)生錯(cuò)誤，傳輸速率并不僅僅取決于帶寬n關(guān)鍵在于信號(hào)和噪聲的能量對(duì)比。信噪比（SNR或者S/N）是信號(hào)功率和信號(hào)傳輸時(shí)噪聲能量水平的比值，常以分貝（dB）為單位n信噪比越高，信號(hào)質(zhì)量越好2210signal power10lognoise powerdBSNR23香農(nóng)公式n信道的最大容量（單位為bps）計(jì)算如下：nB：信道帶寬（Hz）n這只是理論上信道可以達(dá)到的最大傳輸速率，在實(shí)際中，這樣的傳輸速率往往難以達(dá)到。n香農(nóng)在推導(dǎo)中，僅假設(shè)白噪聲，沒(méi)有考慮突發(fā)性的噪聲n沒(méi)有考慮信號(hào)的衰減nSNR和帶寬也使相關(guān)的，帶寬越大，噪聲越高

11、242log (1)CBSNRn例：考慮一個(gè)信道的頻段從3MHz到4MHz，SNRdB=24dB。n信道容量SNRdB=24dB=10log10(SNR)，SNR=251，C=106log2(1+251)8Mbpsn如果這個(gè)傳輸速率可以實(shí)現(xiàn)，信號(hào)應(yīng)該具有多少個(gè)電平？2516log4log102108log222662MMMMBC傳輸介質(zhì)n傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是指信號(hào)發(fā)送者和接收者之間的物理通路n有導(dǎo)向的介質(zhì)：信號(hào)沿固體介質(zhì)傳輸n銅質(zhì)雙絞線、同軸電纜、光纖、激光n無(wú)導(dǎo)向的介質(zhì)：不規(guī)定傳輸?shù)姆较騨無(wú)線信號(hào)的傳輸方式n大氣層、太空n通過(guò)天線發(fā)送和接收信號(hào)n天線可以是全向的，或者是有方向的n對(duì)于有導(dǎo)向的介

12、質(zhì)，介質(zhì)本身更重要；對(duì)于無(wú)導(dǎo)向的介質(zhì)，信號(hào)占據(jù)的帶寬更重要26頻段劃分n微波頻段n1GHz到100GHzn有向無(wú)線射束（beam）n適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸n用于衛(wèi)星通信n無(wú)線電頻段n30MHz到1GHzn適合信號(hào)全向傳輸?shù)母鞣N應(yīng)用n紅外頻段n31011 到21014 Hzn在室內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸2728地面微波(Terrestrial Microwave )n地面微波天線n拋物面“鍋”，直徑3米n固定對(duì)準(zhǔn)特定角度，發(fā)射接收特定方向的射束n實(shí)現(xiàn)信號(hào)的視距視距（line of sight）傳輸n通常置于高處n應(yīng)用n遠(yuǎn)距離電信服務(wù)，替代同軸電纜或光纖（農(nóng)村、海島）n樓宇之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（繞過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商）29n傳輸特

13、性n微波隨傳輸距離的衰減n衰減和距離的平方成正比，因此信號(hào)放大器每間隔10至100公里放置一個(gè)n對(duì)比在雙絞線和同軸電纜中，信號(hào)的衰減與距離的指數(shù)成正比，微波的衰減很小。302410logdBdL2、6GHz頻段使用最多，11GHz頻段開(kāi)始被使用衛(wèi)星微波n描述n兩個(gè)地面基站通過(guò)衛(wèi)星通信n衛(wèi)星就是一個(gè)微波信號(hào)中轉(zhuǎn)站：通過(guò)一個(gè)頻率接收信號(hào)（上行鏈路uplink，地面站到衛(wèi)星），重復(fù)或增大信號(hào)強(qiáng)度，再通過(guò)另一個(gè)頻率傳輸（下行鏈路downlink，衛(wèi)星到地面站）n應(yīng)用n電視信號(hào)n遠(yuǎn)距離電話通信主干線路，衛(wèi)星電話n私有商業(yè)網(wǎng)絡(luò)n通常是租用衛(wèi)星頻道31n傳輸特性n最優(yōu)頻段1-10GHzn1GHz以下會(huì)有大量

14、噪聲n大部分衛(wèi)星使用5.925-6.425GHz頻段作為上行鏈路，3.7-4.2GHz頻段作為下行鏈路。n高頻衰減得較厲害n衛(wèi)星必須將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換頻率，才能發(fā)射，以避免干擾。n傳輸延遲明顯，“檢錯(cuò)+重傳”的方法不再適用n本質(zhì)上是廣播，所有地面站都可以收到信號(hào)（需合理復(fù)用）。32廣播無(wú)線電n廣播無(wú)線電的天線n信號(hào)全向傳輸n天線不需要對(duì)準(zhǔn)特定的角度n應(yīng)用n包含F(xiàn)M廣播信號(hào)頻段和VHF和UHF電視信號(hào)頻段，30MHz至1GHzn傳輸特性n隨傳輸距離的衰減n多路干擾失真較明顯332410logdBdL紅外n類似于微波，視距傳輸n不同于微波，不能穿透障礙物（例如墻壁）n適用于室內(nèi)環(huán)境n紅外收發(fā)器放置于

15、天花板34復(fù)用n傳輸介質(zhì)的信道容量通常足夠傳輸一路信號(hào)n復(fù)用：通過(guò)單一介質(zhì)同時(shí)傳輸多路信號(hào)n更好地利用傳輸介質(zhì)nn路信號(hào)輸入到多路復(fù)接器，多路復(fù)接器多路復(fù)接器和多路分解多路分解器器之間通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路連接，多路分解器再將同時(shí)傳輸?shù)膎路信號(hào)分離。35n為什么要復(fù)用n當(dāng)傳輸速率提高，每單位kbps的成本降低，傳輸速率越高越劃算n大部分通信設(shè)施可以支持較高的通信速率，而大多數(shù)通信應(yīng)用并不需要很高的速率36n基本的復(fù)用技術(shù)n頻分復(fù)用（頻分復(fù)用（FDM）：每一路信號(hào)獨(dú)立使用一段頻段，該頻段以信號(hào)的載波頻率（carrier frequency）為中心，多路信號(hào)之間的頻段之間有足夠的間隔（guard band）n語(yǔ)音信號(hào)300-3400Hz，4kHz帶寬足夠一路語(yǔ)音通信。早期的AT&T和ITU標(biāo)準(zhǔn)使用60至108kHz的頻段復(fù)用傳輸12路語(yǔ)音信號(hào)。n時(shí)分復(fù)用（時(shí)分復(fù)用（TDM）：將時(shí)間分片，每個(gè)時(shí)間片對(duì)應(yīng)一路信號(hào)（通常是數(shù)字信號(hào)）n同步時(shí)分復(fù)用，時(shí)間分片是預(yù)先設(shè)定的n異步時(shí)分復(fù)用，動(dòng)態(tài)地調(diào)整時(shí)間分片3738一個(gè)典型的同步時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)39信號(hào)發(fā)送信號(hào)接收n順序掃描buffernm