無(wú)線通信技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)04140

1、-. z無(wú)線通信技術(shù)1.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是連接通信設(shè)備，為通信設(shè)備之間提供信息傳輸?shù)奈锢硗ǖ?；是信息傳輸?shù)膶?shí)際載體。有線通信與無(wú)線通信中的信號(hào)傳輸，都是電磁波在不同介質(zhì)中的傳播過(guò)程，在這一過(guò)程中對(duì)電磁波頻譜的使用從根本上決定了通信過(guò)程的信息傳輸能力。傳輸介質(zhì)可以分為三大類：有線通信，無(wú)線通信，光纖通信。對(duì)于不同的傳輸介質(zhì)，適宜使用不同的頻率。具體情況可見下表。頻率范圍波長(zhǎng)表示符號(hào)傳輸介質(zhì)典型應(yīng)用3Hz-30Hz108-104mVLF普通有線電纜長(zhǎng)波無(wú)線電纜長(zhǎng)波電臺(tái)30Hz-300kHz104-103mLF普通有線電纜長(zhǎng)波無(wú)線電有線 通信長(zhǎng)波電臺(tái)300kHz-3MHz103-102mMF同軸電纜

2、中波無(wú)線電調(diào)幅播送電臺(tái)3MHz-30MHz102-104mHF同軸電纜短波無(wú)線電有限電視網(wǎng)30MHz-300MHz10-1mVHF同軸電纜米博無(wú)線電調(diào)頻播送電臺(tái)300MHz-3GHz100-10cmUHF分米波無(wú)線電各類移動(dòng)通信3GHz-30GHz10-1cmSHF厘米波無(wú)線電無(wú)線局域網(wǎng)、微波中繼通信、衛(wèi)星通信30GHz-300GHz10-1umEHF毫米波無(wú)線電衛(wèi)星通信、超寬帶通信105-107GHZ300-3um光纖、紅外光光纖通信、短距紅外通信不同傳輸媒介可提供不同的通信的帶寬。帶寬即是可供使用的頻譜寬度，高帶寬傳輸介質(zhì)可以承載較高的比特率。2無(wú)線信道簡(jiǎn)介信道又指通路，兩點(diǎn)之間用于收發(fā)的

3、單向或雙向通路。可分為有線、無(wú)線兩大類。無(wú)線信道相對(duì)于有線信道通信質(zhì)量差很多。有限信道典型的信噪比約為46dB，(信號(hào)電平比噪聲電平高4萬(wàn)倍)。無(wú)限信道信噪比波動(dòng)通常不超過(guò)2dB,同時(shí)有多重因素會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰落驟然降低。引起衰落的因素有環(huán)境有關(guān)。2.1無(wú)線信道的傳播機(jī)制無(wú)線信道根本傳播機(jī)制如下：直射：即無(wú)線信號(hào)在自由空間中的傳播；反射：當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射，反射一般在地球外表，建筑物、墻壁外表發(fā)生；繞射：當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無(wú)線路徑被鋒利的物體邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射；散射：當(dāng)無(wú)線路徑中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)量較多的時(shí)候發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙外表、小

4、物體或其它不規(guī)則物體上，一般樹葉、燈柱等會(huì)引起散射。2.2無(wú)線信道的指標(biāo)(1)傳播損耗:包括以下三類。路徑損耗：電波彌散特性造成，反映在公里量級(jí)空間距離內(nèi)，接收信號(hào)電平的衰減也稱為大尺度衰落；陰影衰落：即慢衰落，是接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的緩慢變化，一般由于電波在傳播路徑上遇到由于障礙物的電磁場(chǎng)陰影區(qū)所引起的；多徑衰落：即快衰落，是接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在整個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)迅速的隨機(jī)變化，一般主要由于多徑效應(yīng)引起的。(2)傳播時(shí)延：包括傳播時(shí)延的平均值、傳播時(shí)延的最大值和傳播時(shí)延的統(tǒng)計(jì)特性等；(3)時(shí)延擴(kuò)展：信號(hào)通過(guò)不同的路徑沿不同的方向到達(dá)接收端會(huì)引起時(shí)延擴(kuò)展，時(shí)延擴(kuò)展是對(duì)信道色散效應(yīng)的描述；(4)多普勒擴(kuò)展

5、：是一種由于多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過(guò)程的頻率擴(kuò)散，又稱時(shí)間選擇性衰落，是對(duì)信道時(shí)變效應(yīng)的描述；(5)干擾：包括干擾的性質(zhì)以及干擾的強(qiáng)度。2.3無(wú)線信道模型無(wú)線信道模型一般可分為室內(nèi)傳播模型和室外傳播模型，后者又可以分為宏蜂窩模型和微蜂窩模型。1室內(nèi)傳播模型：室內(nèi)傳播模型的主要特點(diǎn)是覆蓋范圍小、環(huán)境變動(dòng)較大、不受氣候影響，但受建筑材料影響大。典型模型包括：對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型、Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型等；2室外宏蜂窩模型：當(dāng)基站天線架設(shè)較高、覆蓋范圍較大時(shí)所使用的一類模型。實(shí)際使用中一般是幾種宏蜂窩模型結(jié)合使用來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；3室外微蜂窩模型：當(dāng)基站天線的架設(shè)高度在36m時(shí)，多使用室外微蜂

6、窩模型；其描述的損耗可分為視距損耗與非視距損耗。3信道復(fù)用3.1根本概念信道復(fù)用是指多個(gè)用戶同時(shí)使用一條信道。為了區(qū)分多個(gè)用戶的信號(hào)，理論上采用正交劃分的方法。復(fù)用方法有以下三大類：第一類，多路復(fù)用：實(shí)現(xiàn)的方法有頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、空分復(fù)用、極化復(fù)用、波分復(fù)用。第二類，多路復(fù)接：充分利用頻帶和時(shí)間，預(yù)先分配給多個(gè)用戶資源，使得每條信道為多個(gè)用戶共享。第三類，多址接入：與多路復(fù)用方式不同，多址接入的用戶網(wǎng)絡(luò)資源可動(dòng)態(tài)分配，可由用戶在遠(yuǎn)端隨時(shí)提出共享要求例如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)的方法包括頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址、極化多址、波分多址、利用統(tǒng)計(jì)信號(hào)特性多址等。3.2無(wú)線通信的

7、多址復(fù)用技術(shù)信道分割：賦予各個(gè)信號(hào)不同的特征，根據(jù)信號(hào)特征之間的差異來(lái)區(qū)分，實(shí)現(xiàn)互不干擾的通信。無(wú)線通信信號(hào)的有三個(gè)維度，如下列圖。無(wú)線通信信號(hào)的三個(gè)維度：頻率、時(shí)間、碼型無(wú)線通信的信道復(fù)用方法有三種：頻分多址FDMA、時(shí)分多址TDMA、碼分多址CDMA。頻分多址方式如下列圖，該技術(shù)較為成熟，在模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、少局部移動(dòng)通信中使用該種方式、一點(diǎn)多址微波通信中，均有此類技術(shù)應(yīng)用。頻分多址FDMA時(shí)分多址FDMA將傳遞時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀在分隔成假設(shè)干個(gè)間隙，各用戶在同一頻帶中，使用各自指定的時(shí)隙。此類通信方法由于實(shí)際信道中幅頻特性、相頻特性不理想，同時(shí)由于多徑效應(yīng)等因素影

8、響，可能形成碼間串?dāng)_。時(shí)分多址FDMA只能傳送數(shù)字信號(hào)，按照收發(fā)方式的區(qū)別，可分為頻分雙工方式FDD和時(shí)分雙工TDD。FDD中上行鏈路與下行鏈路占用不同的頻段，幀構(gòu)造可一樣也可不同；TDD占用同一個(gè)頻率，采用不同時(shí)隙發(fā)送和接收，無(wú)需使用雙工器。時(shí)分多址TDMA碼分多址CDMA：以相互正交的碼序列區(qū)分用戶?；陬l譜擴(kuò)展的通信方式，即擴(kuò)頻方式。不同用戶采用不同的碼序列對(duì)信號(hào)進(jìn)展解析。CDMA是今后無(wú)線通信中主要的多址手段。碼分多址CDMA空分多址SDMA：利用不同用戶的空間特征即用戶的位置區(qū)分用戶，采用窄波天線對(duì)準(zhǔn)用戶，每個(gè)用戶只能獲取到對(duì)準(zhǔn)的天線發(fā)送來(lái)的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)分址。該方式主要應(yīng)用于衛(wèi)星通

9、信，未來(lái)隨著智能天線的開展，在其他領(lǐng)域也將有一定開展空間。4擴(kuò)頻通信技術(shù)4.1擴(kuò)頻通信簡(jiǎn)述擴(kuò)頻通信具有如下特征：其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須的最小寬度；頻帶的擴(kuò)展通過(guò)獨(dú)立的碼序列完成，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。；抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、暴民性能強(qiáng)、功率譜密度低、易于實(shí)現(xiàn)大容量多址通信。4.2擴(kuò)頻通信實(shí)現(xiàn)方法擴(kuò)頻技術(shù)利用偽隨機(jī)編碼對(duì)將要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)進(jìn)展調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后在傳輸；在接收端，采用一樣的偽隨機(jī)碼進(jìn)展調(diào)制及相關(guān)處理，恢復(fù)成原始信息數(shù)據(jù)。此過(guò)程有以下兩個(gè)特點(diǎn)：信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸；相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要以下三方面的機(jī)制：1信號(hào)扥頻譜被展寬。頻帶是

10、指信息帶寬如語(yǔ)音信息帶寬為3003400Hz，圖像信息帶寬一般為6MHz。擴(kuò)頻通信的信號(hào)帶寬可理解為電磁波的頻率要比信息帶寬可理解為比特率高1001000倍。2采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制來(lái)擴(kuò)展信號(hào)頻譜。擴(kuò)頻碼序列PN碼是指一組序列很窄，碼速率很高，與所傳信息無(wú)關(guān)，用于擴(kuò)展信號(hào)頻譜作用的碼序列。3在接收端應(yīng)用相關(guān)解調(diào)來(lái)接擴(kuò)。接收端與發(fā)射端使用一樣的擴(kuò)頻碼序列，與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)展相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳信息。4.3擴(kuò)頻通信的目的擴(kuò)頻通信能夠?qū)崿F(xiàn)的有益效果：提高通信的抗干擾能力。由于噪聲與干擾信號(hào)隨機(jī)，不能通過(guò)擴(kuò)頻碼序列被解調(diào)，原始信號(hào)中摻雜的噪聲和干擾，解調(diào)后即消失由寬頻變?yōu)檎l?？衫斫鉃椋和ㄟ^(guò)使用比原信息大

11、得多的信號(hào)頻譜，換取更強(qiáng)的抗干擾能力4.4擴(kuò)頻通信的主要技術(shù)指標(biāo)擴(kuò)頻的主要技術(shù)指標(biāo)：1處理增益、2干擾容限處理增益GP:指擴(kuò)頻信號(hào)帶寬W與基帶數(shù)據(jù)信號(hào)帶寬B之比。該值的大小與系統(tǒng)的抗干擾能力成正比。干擾容限：在系統(tǒng)能夠正常工作的前提下，能夠承當(dāng)?shù)母蓴_信號(hào)分貝dB數(shù)。4.5擴(kuò)頻通信的幾種實(shí)現(xiàn)方式擴(kuò)頻通信有兩種實(shí)現(xiàn)方式：直接序列擴(kuò)頻DS、跳變頻率擴(kuò)頻FH、跳變時(shí)間擴(kuò)頻TH、混合擴(kuò)頻。直接序列擴(kuò)頻DS。發(fā)射端通過(guò)速率很高的編碼序列進(jìn)展調(diào)制，將頻譜展寬，接收端按照本地的編碼序列進(jìn)展反擴(kuò)展，獲得窄帶信號(hào)。解擴(kuò)后的信號(hào)經(jīng)普通信息解調(diào)器進(jìn)展解調(diào)，恢復(fù)成原始的信息碼。信號(hào)頻率一定，只改變信息基帶頻率跳變頻率擴(kuò)

12、頻FH。在載波頻率在很寬的頻帶范圍內(nèi)，按照PN碼進(jìn)展*種序列的跳變。直接改變信道的頻率，可通過(guò)躲避干擾頻率暗來(lái)躲避干擾。一個(gè)電磁干擾源的頻率一般不發(fā)生改變。跳頻時(shí)間擴(kuò)頻TH。該方法簡(jiǎn)稱跳時(shí)，在PN碼控制下，偽隨機(jī)的在一盞的不同時(shí)隙內(nèi)以突發(fā)信號(hào)型式發(fā)送。由于時(shí)隙中的突發(fā)信號(hào)速率比原信號(hào)高，從而到達(dá)擴(kuò)頻目的?；旌蠑U(kuò)頻：同時(shí)存在上述三種方式的擴(kuò)頻，即為混合擴(kuò)頻。5正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)5.1 OFDM概述OFDM屬于一種無(wú)線環(huán)境下的多載波調(diào)制技術(shù)，其特征如下：通過(guò)在DSP或其他高速處理器上實(shí)現(xiàn)離散福利葉變換或快速傅里葉變換，在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)展調(diào)制

13、，并且各子載波并行傳輸。由于頻譜之間相互重疊且正交，可在提高頻譜利用率的同時(shí)，防止子載波之間的干擾。5.2 OFDM技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同。采用功率控制和自使用調(diào)制向協(xié)調(diào)工作方式，可隨意對(duì)發(fā)射功率、調(diào)制方式進(jìn)展調(diào)整，在功率控制與自適應(yīng)調(diào)制之間取得平衡。劣勢(shì)：對(duì)頻偏和相位噪聲較敏感。峰值功率很大；自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。6重要概念同步：發(fā)送器和接收器必須達(dá)成同步。接收器須能夠判斷信號(hào)的開場(chǎng)到達(dá)時(shí)間、完畢時(shí)間和每個(gè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。過(guò)失控制：對(duì)通信中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)展檢測(cè)和糾正?；謴?fù)：假設(shè)信息交換中發(fā)生中斷，需要使用恢復(fù)技術(shù)

14、，繼續(xù)從終端處開場(chǎng)繼續(xù)工作？還是恢復(fù)到數(shù)據(jù)發(fā)送前的狀態(tài)？帶寬：可分為信道帶寬和信號(hào)帶寬兩局部。信道帶寬為傳送電磁波的有效頻率范圍；信號(hào)帶寬為信號(hào)所占據(jù)的頻率范圍。利用率：吞吐量和最大數(shù)據(jù)傳輸速率之比。其中吞吐量時(shí)信道在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)男畔⒘俊Ｑ舆t：發(fā)送者發(fā)送第一位數(shù)據(jù)開場(chǎng)，到接收者成功收到最后一位數(shù)據(jù)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。該延遲分為傳輸延遲和傳播延遲。傳輸延遲與數(shù)據(jù)傳輸速率、發(fā)送機(jī)/接收機(jī)/中繼/交換設(shè)備的處理速度有關(guān)；傳播延遲與傳播距離有關(guān)。抖動(dòng)：延遲的實(shí)時(shí)變化為抖動(dòng)。與設(shè)備處理能力和信道擁擠程度有關(guān)。過(guò)失率：分為比特過(guò)失率、碼元過(guò)失率、分組過(guò)失率。數(shù)據(jù)通信數(shù)字調(diào)制技術(shù)：由于無(wú)線通信的傳輸媒

15、介為電磁波，電磁波必須為正弦波的型式，通信信息需要調(diào)制到正弦波上，具體實(shí)現(xiàn)方法如下列圖。2ASK振幅鍵控調(diào)制s(t)為信號(hào)波形，e0(t)為調(diào)制后的信號(hào)2FSK頻移鍵控調(diào)制s(t)為信號(hào)波形，e0(t)為調(diào)制后的信號(hào)2PSK相移鍵控調(diào)制s(t)為信號(hào)波形，e0(t)為調(diào)制后的信號(hào)7我國(guó)無(wú)線電業(yè)務(wù)頻率劃分無(wú)線電頻率劃分，其中中國(guó)大陸地區(qū)ISM頻段保證發(fā)射功率不大于1W，不需要授權(quán)的無(wú)線頻段。頻段用途頻段用途中國(guó)大陸地區(qū)ISM頻段發(fā)射功率不大于1W時(shí)不需要授權(quán)450-470MHz農(nóng)村無(wú)線接入470-806MHz數(shù)字電視806-821MHz數(shù)字集群通信825-840MHz中國(guó)電信CDMA上行840-845MHzRFID專用915-917MHz870-885MHz中國(guó)電信CDMA下行885-915MHz鐵路/移動(dòng)/聯(lián)通GSM61-61.5GHz917-925MHz立體聲播送122-123GHz925-930MHzRFID專用244-246GHz930-96