無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)課件

第2章無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容提要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

定義：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。特性數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦匀Q于傳輸媒體的性質(zhì)和傳輸信號的特性導(dǎo)向媒體：傳輸受限于媒體自身的性質(zhì)（如銅纜的材料衰減特性、容抗、感抗、阻抗、線徑、波導(dǎo)形式、距離等）非導(dǎo)向媒體：傳輸主要受限于天線天線在無線信號傳播中的作用中低頻信號：波長很長，難以用常規(guī)尺寸來制作定向天線高頻微波信號：可以用較小的尺寸來做定向發(fā)送天線射頻概念無線電頻率簡稱射頻（RF），俠義的射頻頻段指3KHz到300GHz的無線譜段，目前真正可用于無線通信的商業(yè)化RF譜段不過集中在30MHz到40GHz，這是微波譜段的一部分，分別是VHF、UHF、SHF三個帶，在不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性。思考：你熟悉的調(diào)頻收音機頻率有哪些波段？為什么目前的廣播電視塔上都要使用全向天線廣播？電信用的電磁波頻譜

由于種種原因，在一些歐、美、日等西方國家常常把目前可用的微波波段分為L、S、C、X、Ku、K、Ka等波段（或稱子波段）感興趣的3個頻段微波：1GHz~100GHz，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。無線電廣播頻段：30MHz～1GHz，適用于全向應(yīng)用。紅外線頻譜段：3×1011Hz～2×1014Hz，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。廣義的射頻也包括紅外線頻譜，但紅外線傳輸路徑上不能有任何阻擋，它無法遠距離應(yīng)用，只能用在超短程室內(nèi)無線電場合微波中繼系統(tǒng)組成框圖典型的數(shù)字微波性能

波段/GHz帶寬/MHz數(shù)據(jù)率/Mb/s271263090114013518220274地面微波（續(xù)1）微波傳輸?shù)闹饕獡p耗來源于衰減。微波(以及無線電廣播頻段)的損耗公式微波的損耗隨距離的平方而變化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(yán)格控制。2．1．2衛(wèi)星微波通信衛(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/接收器連接起來。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。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)星傳輸?shù)淖罴杨l率范圍為1GHz～10GHz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。目前衛(wèi)星通信使用微波頻段，大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇在下列頻段工作：①L波段：1.6/1.5GHz②C波段：6.0/4.0GHz③X波段：8.0/7.0GHz④K波段：14.0/12.0GHz14.0/11.0GHz30/20GHz現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)23廣播無線電波

（續(xù)）電離層對30MHz以上的無線電波不能反射，基本是透明的，因此這一頻段需視距傳播。雨衰問題在1GHz頻段并不明顯，它主要對26GHz頻段影響大隨著距離的拉遠電波衰減服從等式

由于廣播無線電頻率低、波長較長，因此電波隨距離的衰減較小，它主要怕多徑干擾2．1．4紅外線

紅外線傳輸不能超過視線范圍，距離短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。紅外線不需要頻率分配許可。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天線類型偶級天線拋物反射天線簡單（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(antennagain)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：

2．3傳播方式由天線輻射出去的信號以三種方式傳播：地波(groundwave)：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天波(skywave)：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(lineofsight)：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。

無線傳播類型傳輸損傷使得任何傳輸系統(tǒng)收端接到的信號都不可能完全是其發(fā)端發(fā)送的信號；對模擬系統(tǒng)而言，這種損傷降低了信號質(zhì)量；而對數(shù)字系統(tǒng)的0、1來說，它很有可能導(dǎo)致對數(shù)位取值的判斷完全相反對于無線網(wǎng)絡(luò)，我們主要關(guān)心無線直線傳播模式，在直線模式下，主要的損傷如下：2．4直線傳輸系統(tǒng)中的損傷1、衰減和衰減失真(attenuationandattenuationdistortion)2、自由空間損耗(freespaceloss)3、噪聲(noise)4、大氣吸收(atmosphericabsorption)5、多徑(multipath)6、折射(refraction)1、衰減和衰減失真：信號強度隨跨越距離而發(fā)生逐漸降低的現(xiàn)象就是衰減，它是距離的函數(shù)；衰減主要帶來3大影響：①接收信號必須有足夠強度，在系統(tǒng)靈敏度所能忍受的范圍內(nèi)②接收信號必須有足夠信噪比，以保證系統(tǒng)能正確解析③高頻信號最易因衰減而失真，但高頻信號加載大功率難度較低頻大2、自由空間損耗：在理想媒質(zhì)中，信號向自由空間發(fā)散也會因距離而逐漸減弱Ld=20lgf+20lgd-147.56（dB）f:MHzd:m3、噪聲:噪聲有如下四類：①熱噪聲（thermalnoise）②互調(diào)噪聲（intermodulationnoise）③串?dāng)_（crosstalk）④脈沖噪聲（impulsenoise）熱噪聲：由電子熱擾動產(chǎn)生的系統(tǒng)熱噪聲當(dāng)然是溫度的函數(shù)，它在系統(tǒng)工作的整個頻譜段上是均勻分布的，與頻率無關(guān)，因此又稱為白噪聲（whitenoise）在任一設(shè)備或?qū)w中，1Hz帶寬熱噪聲為：No=KTNo——1Hz帶寬按瓦特計的噪聲功率K——波爾茲曼常數(shù)=1.3803×10-23J/KT——開氏絕對溫度因此，在整個工作帶寬為B的頻率區(qū)間總的熱噪聲為：N=KTB按dBW計則有：N=10lgK+10lgT+10lgB=-228.6(dBW)+10lgT+10lgB互調(diào)噪聲：當(dāng)兩個不同的頻率成分同時在向異質(zhì)媒質(zhì)或同質(zhì)媒質(zhì)傳輸時，由于媒質(zhì)間存在非線性，在交界面必會產(chǎn)生互調(diào)，兩頻互調(diào)干擾噪聲譜具有特定的頻率，剛好是兩個頻率的累加和或差放大電路互調(diào)噪聲與其輸出信號強度有極大正相關(guān)關(guān)系串?dāng)_和脈沖干擾：串?dāng)_是兩路信號在線路中互耦，或因信道間隔不理想、頻率間隔不理想等原因產(chǎn)生的信號混淆，在一些公共頻段如ISM頻段，或大功率無屏蔽線路中易產(chǎn)生串?dāng)_脈沖干擾通常存在一些不確定，任何外系統(tǒng)的電磁脈沖尖峰都有可能串入信道中，形成短時間的強烈干擾，然而當(dāng)我們試圖捕獲它時又不太容易4、大氣吸收：某些頻率較多地受到大氣吸收的影響，主要是水蒸氣和大分子的氧氣水蒸氣所產(chǎn)生的衰減峰值在22GHz附近，頻率低于15GHz其效果就降得很低了氧氣所產(chǎn)生的衰減峰值在60GHz附近，頻率低于30GHz其效果就降得很低了雨和霧富含水分子，它導(dǎo)致通常所說的雨衰現(xiàn)象，因此某些26GHz系統(tǒng)在南方多雨地區(qū)使用效果很差，但到干燥的北方使用卻很正常5、多徑和折射：多徑、折射等現(xiàn)象在許多無線、移動課程中都要涉及，但這不是我們能解決得了的，城市環(huán)境留給我們移動通信的選項通常不多，誰都知道簡單環(huán)境覆蓋起來比復(fù)雜環(huán)境要容易得多，我們所能做的就是盡量不把輻射天線對準(zhǔn)近處的大型障礙物或地面、水面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)無線電波在傳播路途遇到大尺寸障礙物（大于本身波長）時，會有反射產(chǎn)生，不僅會有能量損失，而且對接收端會產(chǎn)生積極的或消極的干擾衍射會發(fā)生在一個難以穿透的大尺寸障礙物的邊緣，電波遇到這樣的邊緣時其能量會向其他方向傳播，造成非傳播方向的天線也能收到信號障礙物不大（小于或相當(dāng)于波長）時，會有散射產(chǎn)生，一路入信號被散射為幾路弱信號一個信號的相位被弱化為多個副本，就是多徑傳播帶來的消極影響，其疊加產(chǎn)物信噪比的惡化使收端信號檢測變得更為困難存在隨時間變化的多徑脈沖中的兩個脈沖

碼間干擾ISI：最先到達的主要脈沖通常會伴隨若干延遲到達的次要波，這些次要脈沖很可能在下一符號主波到達后仍未消退，當(dāng)然對接下來的數(shù)據(jù)位帶來信噪比的惡化ISI帶來信號可保真恢復(fù)技術(shù)的難度，以及對接收靈敏度的影響衰退類型移動環(huán)境中的衰退效果可以分為快速或慢速衰退效果也可以分為平面的或選擇性的。平面衰退(flatfading)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。選擇性衰退(selectivefading)無線電信號的不同頻譜成分的影響是不相等的。差錯補償機制1．前向糾錯2．自適應(yīng)均衡3．分集技術(shù)2．6多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念ChristianDoppler而命名的。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。假設(shè)原有波源的波長為λ，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)/λ，如果觀察者遠離波源，則觀察到的波源頻率為(v-c)/λ。

多普勒效應(yīng)（續(xù)1）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。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)。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)。多普勒效應(yīng)（續(xù)2）科學(xué)家哈勃（EdwinHubble）使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論：紅移：天體遠離我們銀河系，光線頻率變低，移向光譜紅端；藍移：天體接近我們銀河系，光線頻率變高，移向光譜藍端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。數(shù)據(jù)(data)定義為傳達某種意義或信息的實體信號(signal)是數(shù)據(jù)的電氣或電磁表示傳輸(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)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。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)字信號數(shù)據(jù)以電磁信號的方式從一點傳播至另一點模擬信號(analogsignal)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、無線空間數(shù)字信號(digitalsignal)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

優(yōu)點：通常比使用模擬信號便宜，且較少受噪聲的干擾。缺點：比模擬信號的衰減要嚴(yán)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。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。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。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)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

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)的功能模擬傳輸(analogtransmission)是傳輸模擬信號的方法，它不考慮信號的內(nèi)容。數(shù)字傳輸(digitaltransmission)與信號的內(nèi)容有關(guān)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(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。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(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?shù)乃俾市盘柧幋a準(zhǔn)則（續(xù)）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。編碼機制也可以用來改進傳輸性能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)。電話網(wǎng)并不適用于處理來自用戶端的數(shù)字信號。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)。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)與模擬信號當(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。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)。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擴頻技術(shù)擴頻技術(shù)最初是針對軍事和情報部門的需求而開發(fā)的。基本思想是將攜帶信息的信號擴展到較寬的帶寬中，以加大干