無線傳輸技術基礎

第2章無線傳輸技術根底1整理課件內容提要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2．7信號編碼技術2．8擴頻技術2．9過失控制技術2整理課件2．1無線傳輸媒體傳輸媒體是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑。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(wirelesstransmission)3整理課件電信用的電磁波頻譜4整理課件感興趣的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。無線電播送頻段：30MHz～1GHz，適用于全向應用。紅外線頻譜段：3×1011Hz～2×1014Hz，適于本地應用，在有限的區(qū)域(如一個房間)內對于局部的點對點及多點應用非常有用。5整理課件2．1．1地面微波地面微波系統(tǒng)主要用于長途電信效勞，可代替同軸電纜和光纖，通過地面接力站中繼。用于建筑物之間的點對點線路。常見的用于傳輸?shù)念l率范圍為2GHz～40GHz。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。6整理課件典型的數(shù)字微波性能波段/GHz帶寬/MHz數(shù)據(jù)率/Mb/s2712630901140135182202747整理課件地面微波〔續(xù)1〕微波傳輸?shù)闹饕獡p耗來源于衰減。微波(以及無線電播送頻段)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。8整理課件地面微波〔續(xù)2〕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。頻率越高，使用的天線就越小、越廉價。9整理課件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)星主要應用：電視播送、長途傳輸和個人用商業(yè)網(wǎng)絡10整理課件衛(wèi)星微波〔續(xù)〕衛(wèi)星傳輸?shù)淖钫_頻率范圍為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)星微波是播送設施，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。11整理課件2．1．3播送無線電波播送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到一個精確地校準位置上。無線電波(Radio)是籠統(tǒng)術語，頻率范圍為3KHz~300GHz。非正式術語播送無線電波(broadcastradio)包括VHF頻段和局部的UHF頻段：30MHz～1GHz。播送無線電波損傷的一個主要來源是多路徑干擾。12整理課件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)中遇到的平安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。13整理課件2．1．5光波頻率更高的光波，主要指非導向光波，而非用于光纖的導向光波。提供非常高的帶寬，本錢也很低，相對容易安裝，而且與微波不同，不要求FCC許可。激光的強度(非常窄的一束光)是它的弱點，不易瞄準。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。14整理課件2．2天線天線是實現(xiàn)無線傳輸最根本的設備。天線可看作一條電子導線或導線系統(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。15整理課件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。16整理課件理想的輻射模式17整理課件2．2．2天線類型偶級天線拋物反射天線18整理課件簡單〔偶級〕天線19整理課件偶級天線散射模式20整理課件拋物線反射天線21整理課件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系：

22整理課件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，在電離層和地球外表之間前后反彈地穿行直線LOS(lineofsight)：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。23整理課件無線傳播類型24整理課件2．4直線傳輸系統(tǒng)中的損傷衰減和衰減失真(attenuationandattenuationdistortion)自由空間損耗(freespaceloss)噪聲(noise)大氣吸收(atmosphericabsorption)多徑(multipath)折射(refraction)25整理課件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)生比較復雜的傳輸結果。26整理課件反射(R)、散射(S)和衍射(D)27整理課件存在隨時間變化的多徑脈沖中的兩個脈沖

28整理課件衰退類型移動環(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)無線電信號的不同光譜成分的影響是不相等的。29整理課件過失補償機制1．前向糾錯2．自適應均衡3．分集技術30整理課件2．6多普勒效應多普勒效應是為紀念ChristianDoppler而命名的。多普勒效應指出，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論。假設原有波源的波長為λ，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)/λ，如果觀察者遠離波源，那么觀察到的波源頻率為(v-c)/λ。31整理課件多普勒效應〔續(xù)〕多普勒效應不僅僅適用于聲波，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。尤其是高速移動寬帶接入網(wǎng)絡(如IEEE802.20)必須考慮多普勒效應。32整理課件2．7信號編碼技術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。數(shù)據(jù)、信號和傳輸經(jīng)常使用這兩個術語。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33整理課件模擬數(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)。34整理課件話音和音樂的聲音頻譜35整理課件模擬信號和數(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。36整理課件數(shù)字信號的優(yōu)缺點優(yōu)點：通常比使用模擬信號廉價，且較少受噪聲的干擾。缺點：比模擬信號的衰減要嚴重37整理課件模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號和數(shù)字信號

38整理課件數(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備來，將數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號的設備不那么復雜且不昂貴。模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號：將模擬數(shù)據(jù)轉換為數(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)很容易被轉換為模擬信號。39整理課件數(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)通過調制解調器編碼以產(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。40整理課件模擬傳輸和數(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，它不考慮信號的內容。數(shù)字傳輸(digitaltransmission)與信號的內容有關41整理課件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。42整理課件2．7．2信號編碼準那么對任一給定的通信任務來說，選擇一種特定的組合的理由是不同的，而后3種技術與無線通信密切相關，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量并可利用TDM方式。對于無線傳輸來說，結果得到的數(shù)字信號必須調制到一個模擬載波上。43整理課件數(shù)據(jù)傳輸術語術語單位定義數(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制速率信號元素/秒(baud)信號元素傳輸?shù)乃俾?4整理課件信號編碼準那么〔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系。45整理課件2.7.3數(shù)字數(shù)據(jù)與模擬信號最常用的應用是通過公用網(wǎng)傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。網(wǎng)并不適用于處理來自用戶端的數(shù)字信號。數(shù)字設備通過調制解調器與網(wǎng)絡相連，調制解調器將數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成模擬信號，或將模擬信號轉換成數(shù)字數(shù)據(jù)。調制技術涉及對載波信號的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)46整理課件數(shù)字數(shù)據(jù)調制為模擬信號47整理課件2.7.4模擬數(shù)據(jù)與模擬信號當數(shù)據(jù)已經(jīng)是模擬形式時，調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)調制允許使用頻分復用技術，可以提高信道的利用率。模擬數(shù)據(jù)的調制技術：調幅(AM)、調頻(FM)和調相(PM)。48整理課件2.7.5模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字信號準確的說法是把模擬數(shù)據(jù)轉變?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將數(shù)字數(shù)據(jù)變成數(shù)字信號。(3)通過調制技術，數(shù)字數(shù)據(jù)也可以轉換成模擬信號。49整理課件模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化50整理課件2.8擴頻技術擴頻技術最初是針對軍事和情報部門的需求而開發(fā)的。根本思想是將攜帶信息的信號擴展到較寬的帶寬中，以加大干擾和竊聽的難度。第一種擴頻技術稱為跳頻(frequencyhopping)，更新的一種技術是直接序列(directsequence)。51整理課件擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型52整理課件跳頻擴頻在跳頻擴頻(frequencyhoppingspreadspectrum，F(xiàn)HSS)中，信號用看