第2章 無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)課件

1、第2章 無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容提要21 無線傳輸媒體22 天線23 傳播方式24 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷25 移動環(huán)境中的衰退26 多普勒效應(yīng)27 信號編碼技術(shù)28 擴頻技術(shù)29 差錯控制技術(shù)21 無線傳輸媒體 v傳輸媒體（transmission medium）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。v傳輸媒體可分為導向的(guided)和非導向的(unguided)兩類。對導向媒體而言，電磁波被引導沿某一固定媒體前進，例如雙絞線、同軸電纜和光纖。非導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，但不引導它們的傳播方向，這種傳輸形式通常稱為無線傳播(wireless tra

2、nsmission) v數(shù)據(jù)傳輸特性和質(zhì)量取決于傳輸媒體的性質(zhì)和傳輸信號的特性。v導向媒體：取決于媒體性質(zhì)v非導向媒體：更多取決于傳輸信號的特性（低頻全向、高頻有向波束）發(fā)送和接收都通過天線實現(xiàn)定向傳輸發(fā)射和接收天線必須校準非定向傳輸沿所有方向傳播，能被多數(shù)天線接收電信用的電磁波頻譜 感興趣的3個頻段v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。v無線電廣播頻段：30MHz1GHz，適用于全向應(yīng)用。v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。 211 地面微波 v

3、使用“碟形”天線聚波成束，安裝在高處v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（微波中繼塔臺）中繼。 v短距離應(yīng)用：用于建筑物之間的點對點線路（閉路電視、無線局域網(wǎng)）。 v中段距離應(yīng)用：常用于語音和電視傳播v等距離時，微波比雙絞線需要的中繼器、放大器更少v微波占用了電磁波頻譜的很大一部分，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 波段波段/GHz帶寬帶寬/MHz數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率/Mb/s271263090114013518220274地面微波（續(xù)1）v微波傳輸?shù)闹饕獡p耗來源于衰減。v

4、微波(以及無線電廣播頻段)的損耗公式v微波的損耗隨距離的平方而變化 ，雙絞線和同軸電纜則隨距離呈指數(shù)變化，因此微波中繼器可放在較遠的地方，一般為10km100kmv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）v長途電信頻段：46GHz，由于擁擠，開始使用11GHz頻段，12GHz頻段用作有線電視。v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。v頻率越高，使用的天線就越小、越便宜。 212 衛(wèi)星微波衛(wèi)星微波v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

5、地球站或地面站的地面微波發(fā)送器/接收器連接起來。v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。v軌道衛(wèi)星可工作在多個頻段上，這些頻段稱為轉(zhuǎn)發(fā)器信道（transponder channel） v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)）衛(wèi)星微波（續(xù)）v電視廣播：利用通信衛(wèi)星的廣播特性。覆蓋范圍廣費用不斷降低，接收天線尺寸不斷縮小v電話網(wǎng)絡(luò)：利用通信衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)量大，范圍廣的特性。適用與使用率高的國際干線v商業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用：利用通信衛(wèi)星的多信道價格昂貴通信量大v衛(wèi)星傳輸?shù)淖罴杨l率范圍為1GHz10GHz。低

6、于1G，存在自然噪聲和電子設(shè)備干擾，高于10G，衰減嚴重。上行頻帶為5.9256.425GHz，下行頻帶為3.74.2GHz，統(tǒng)稱為4/6G頻段1G10GHz最佳頻段已飽和，干擾嚴重，因此新的12/14GHz,20/30GHz頻段逐步的到利用，衰減更加嚴重，但帶寬更大，接收器更小，更便宜。v特點衛(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。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。 213 廣播無線電波廣播無線電波 v廣播無線電波是全向性的，不要求使用碟形天線，天線也無須嚴格地安裝

7、到一個精確地校準位置上。v無線電波(Radio) 是籠統(tǒng)術(shù)語，頻率范圍為3KHz300GHz。v非正式術(shù)語廣播無線電波(broadcast radio) 包括調(diào)頻無線電頻段（FM）和VHF、UHF，電視頻段：30MHz1GHz。v不同于低頻電磁波，無線顛簸高于30MHz可透過大氣電離層，因此相距很遠的發(fā)送器不會受大氣反射而互相干擾。v也不同于高頻微波，受下雨衰減小。v廣播無線電波損傷的一個主要來源是由于物體反射形成的多路徑干擾。 214 紅外線紅外線 v紅外線傳輸不能超過視線范圍，距離短v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。v紅外線不需要頻率分配許可

8、。215 光波 v頻率更高的光波，主要指非導向光波，而非用于光纖的導向光波。v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。v激光的強度(非常窄的一束光)是它的弱點，不易瞄準。v激光束不能穿透雨或者濃霧，白天太陽的熱量是氣流上升也會激光束產(chǎn)生偏差。 22 天線天線v 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線或?qū)Ь€系統(tǒng)，該導線系統(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。 v電磁能和電能相互轉(zhuǎn)化v雙向通信中，同一天線既可用于發(fā)送也可用于接收手機天線八木定向天線玻璃鋼全向天線拋物面天線221 輻射模式輻射模式 一個天線輻射出去的功率是全方

9、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 v向量長度決定功率強度222 天線類型天線類型v偶級天線半波偶極天線（赫茲天線）：由等長度兩個同一直線上的導線組成，由一個小的供電間隙分開。v在一個維上具有全向輻射模式，另兩個維具有8字形輻射模式v可通過復雜天線配置產(chǎn)生有向光束波垂直天線（馬可尼天線）v拋物反射天線：常見于汽車無線電，便攜無線電簡單（偶級）天線 偶級天線散射模式 拋物線反射天線 v常用于地面微波和衛(wèi)星223 天線增益 v天線增益(antenna gain)是天線定向性的度

10、量。功率總量固定的情況下，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。增加一個方向的輻射需要降低其他方向的輻射。天線增益的目的不是增加輸出功率，是為了定向性v天線的有效面積與天線尺寸和形狀相關(guān) v天線增益與有效面積的關(guān)系： cAfAeeG2224423 傳播方式傳播方式v由天線輻射出去的信號以三種方式傳播：地波(ground wave)：地波傳播或多或少要沿著地球的輪廓前行，且可傳播相當遠的距離，較好地跨越可視 的地平線 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 直線LOS(line of

11、 sight) ：當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。頻帶頻率范圍傳播特性典型應(yīng)用ELF（極低頻）30300Hz地波某些家庭控制系統(tǒng)VF（音頻）3003000地波電話中的模擬用戶線路VLF（甚低頻）LF（低頻）3k300K地波長距離導航，航海通信MF（中頻）300k3M地波海事無線電、定向查找HF（高頻）3M30M天波無線電業(yè)余愛好者；軍事通信；長距離飛機和輪船通信VHF（高頻）30M300M 直線VHF電視;調(diào)頻廣播;飛機導航UHF（特高頻） 300M3G直線UHF電視；蜂窩電話；雷達SHF（超高頻） 3G30G直線衛(wèi)星通信；雷達；陸地微

12、波鏈路EHF30G300G直線處于實驗當中紅外線、可見光300G900T直線紅外局域網(wǎng)、光通信無線傳播類型24 直線傳輸系統(tǒng)中的損傷直線傳輸系統(tǒng)中的損傷v模擬信號帶來信號質(zhì)量降低，數(shù)字信號帶來位差錯v衰減和衰減失真(attenuation and attenuation distortion)信號強度隨著跨越媒體的距離而降低v接收的信號必須有足夠強度，使電子線路能夠檢測解釋信號v與噪聲相比，信號必須維持足夠高的水平v高頻下的衰減更為嚴重v自由空間損耗(free space loss)信號隨距離發(fā)散，離天線越遠，接收信號功率越低隨著頻率增加，自由空間的損耗也增加可通過天線增益進行損耗補償v噪聲(

13、noise)傳輸端和接收端之間插入的人們不希望有的額外信號v熱噪聲（電子熱攪動產(chǎn)生，是溫度的函數(shù)，無法消除）v互調(diào)噪聲（不同頻率信號共享傳輸媒介時）v串擾（微波天線接收了并不想要的信號）v脈沖噪聲（由不規(guī)則的脈沖或短期的噪聲尖峰組成，對模擬數(shù)據(jù)影響不大，是數(shù)字數(shù)據(jù)的主要錯誤源）v大氣吸收(atmospheric absorption)：水、氧氣v多徑(multi path)在固定天線之間可較好控制多徑在移動電話通信中，多徑影響極為重要v折射(refraction) 25 移動環(huán)境中的衰退移動環(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

14、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)生比較復雜的傳輸結(jié)果。產(chǎn)生多徑傳播的三種機制：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 v移動環(huán)境中的衰退效果可以分為快速或慢速在移動通信傳播環(huán)境中，電波在傳播路徑上遇到起伏的山丘、建筑物、樹林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，就會造成信號場強中值的緩慢變化，引起衰落。通常把這種現(xiàn)象稱為陰影效應(yīng) 移動臺附近的散射體（地形，地物和移動體等）引起的多徑傳播信號在接收點相疊加，造成接收信號快速起伏的現(xiàn)象叫快衰落 v衰退效果也可以分為平面的或選擇性的。平面衰退(flat fading)或稱非選擇性的

15、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。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前向糾錯接收器使用數(shù)字傳輸過程中的信息來糾正位差錯的處理過程后向糾錯：接收端僅檢查差錯，向發(fā)送端請求重傳。不適合無線應(yīng)用。（如衛(wèi)星通信存在高時延，移動通信存在高差錯率）2自適應(yīng)均衡碼間干擾被認為是在移動無線通信信道中傳輸高速率數(shù)據(jù)時的主要障礙。為了克服ISI引起的失真,在一個通信系統(tǒng)中常常使用稱之為信道均衡的信號處理技術(shù)。均衡器的目的通過使用濾波器或其它技術(shù)來重建原始信號,去掉ISI的影響,從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在實際的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中

16、,使設(shè)計的均衡器能高速跟蹤不斷時變的信道，稱之為自適應(yīng)均衡。 3分集技術(shù)：在發(fā)送端和接收端之間提供多個邏輯信道，并跨每一信道發(fā)送信號的一部分補償差錯的影響?？臻g分集：多個天線構(gòu)成多條物理傳輸路徑時間分集：多個用戶使用時隙共享相同的物理信道頻率分集：擴頻通信26 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)v多普勒效應(yīng)是為紀念Christian Doppler而命名的。v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。當觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。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

17、(v-c)/。 多普勒效應(yīng)（續(xù)）多普勒效應(yīng)（續(xù)）v多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波，包括光波、電磁波。 v在無線移動通信中，當移動臺移向基站時，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)。v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)。 27 信號編碼技術(shù)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v模擬(analog)和數(shù)字(digital)大致分別與連續(xù)(continuous)和離散(discrete)相對應(yīng) 。數(shù)據(jù)、信號和傳輸經(jīng)常使用這兩個術(shù)語。v數(shù)據(jù)(data)定義為傳達某種意義或信息的實體v信號(sig

18、nal)是數(shù)據(jù)的電氣或電磁表示 v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)模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)v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。v數(shù)字數(shù)據(jù)的值是離散的，例如文本和整數(shù)。 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號v數(shù)據(jù)以電磁信號的方式從一點傳播至另一點v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v數(shù)字信號(digital 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

19、的優(yōu)缺點 v優(yōu)點：通常比使用模擬信號便宜，且較少受噪聲的干擾。v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v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)備不那么復雜且不昂貴。v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。v數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號：以載波頻率為中心轉(zhuǎn)化為模擬信號（有些傳輸媒體，例如光纖和衛(wèi)星只傳輸模擬信號）。v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（300Hz3400Hz的語音電話）。 數(shù)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

20、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)字傳輸模擬傳輸和數(shù)字傳輸 v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v模擬傳輸(analog transmission)是傳輸模擬信號的方法，可以傳輸模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)，可使用放大器增加傳輸距離，但放大器級聯(lián)會增加信號失真，其中數(shù)字數(shù)據(jù)的失真會無法容忍。v數(shù)字傳輸(digital transmissi

21、on) 與信號的內(nèi)容有關(guān) ，可使用中繼器增加傳輸距離，可克服衰減。v模擬信號攜帶數(shù)字數(shù)據(jù)，可利用重傳設(shè)備恢復信號，避免噪聲積累。信號的處理 模擬傳輸 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1和0的位流，并用它來生成一個新的外出數(shù)字信號。272 信號編碼準則信號編碼準則v無線傳輸系

22、統(tǒng)主要是采用模擬載波信號進行傳輸。數(shù)字到模擬：數(shù)字數(shù)據(jù)和數(shù)字信號必須轉(zhuǎn)換成模擬信號進行無線傳輸。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。 模擬到數(shù)字：先于傳輸之前，通常將話音數(shù)字化后再在導向的或非導向的媒體上傳輸，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)術(shù) 語語 單單 位位 定定 義義數(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

23、信號傳輸速率或調(diào)制速率信號元素/秒(baud)信號元素傳輸?shù)乃俾市盘柧幋a準則（續(xù)）信號編碼準則（續(xù)）v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。v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。v編碼機制也可以用來改進傳輸性能2.7.3 數(shù)字數(shù)據(jù)與模擬信號數(shù)字數(shù)據(jù)與模擬信號v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)。v電話網(wǎng)并不適用于處理來自用戶端的數(shù)字信號。v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)。v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(

24、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)與模擬信號模擬數(shù)據(jù)與模擬信號v調(diào)制：將輸入信號與載波信號合成以生成新信號的過程，新信號以載波信號為中心。v當數(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)制允許使用頻分復用技術(shù)，可以提高信道的利用率。v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)字信號模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字信號v準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)。v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 2.8