第2章无线传输技术基础精.ppt

第2章无线传输技术基础第1页，本讲稿共68页内容提要21 无线传输媒体22 天线23 传播方式24 直线传输系统中的损伤25 移动环境中的衰退26 多普勒效应27 信号编码技术28 扩频技术29 差错控制技术第2页，本讲稿共68页21 无线传输媒体 v传输媒体（transmission medium）是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。v传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的(unguided)两类。对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。非导向媒体的例子是大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向，这种传输形式通常称为无线传播(wireless transmission)第3页，本讲稿共68页v数据传输特性和质量取决于传输媒体的性质和传输信号的特性。v导向媒体：取决于媒体性质v非导向媒体：更多取决于传输信号的特性（低频全向、高频有向波束）发送和接收都通过天线实现定向传输发射和接收天线必须校准非定向传输沿所有方向传播，能被多数天线接收第4页，本讲稿共68页电信用的电磁波频谱 第5页，本讲稿共68页感兴趣的3个频段v微波：1GHz100GHz，可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。v无线电广播频段：30MHz1GHz，适用于全向应用。v红外线频谱段：31011Hz21014Hz，适于本地应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点对点及多点应用非常有用。第6页，本讲稿共68页211 地面微波 v使用“碟形”天线聚波成束，安装在高处v地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站（微波中继塔台）中继。v短距离应用：用于建筑物之间的点对点线路（闭路电视、无线局域网）。v中段距离应用：常用于语音和电视传播v等距离时，微波比双绞线需要的中继器、放大器更少v微波占用了电磁波频谱的很大一部分，常见的用于传输的频率范围为2GHz40GHz。频率越高，可能的带宽就越宽，因此可能的数据传输速率也就越高。第7页，本讲稿共68页典型的数字微波性能 波段波段/GHz带宽带宽/MHz数据率数据率/Mb/s271263090114013518220274第8页，本讲稿共68页地面微波（续1）v微波传输的主要损耗来源于衰减。v微波(以及无线电广播频段)的损耗公式v微波的损耗随距离的平方而变化，双绞线和同轴电缆则随距离呈指数变化，因此微波中继器可放在较远的地方，一般为10km100kmv损伤的另一个原因是干扰，随着微波应用的不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个威胁。因此，频带的分配需要严格控制。第9页，本讲稿共68页地面微波（续2）v长途电信频段：46GHz，由于拥挤，开始使用11GHz频段，12GHz频段用作有线电视。v频率越高衰减越大，较高的微波频率对长途传输没有什么用处，但却非常适用于近距离传输。v频率越高，使用的天线就越小、越便宜。第10页，本讲稿共68页212 卫星微波卫星微波v通信卫星实际上一个微波接力站，用于将两个或多个称为地球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。v卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送出去。v轨道卫星可工作在多个频段上，这些频段称为转发器信道（transponder channel）v卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和个人用商业网络 第11页，本讲稿共68页卫星微波（续）卫星微波（续）v电视广播：利用通信卫星的广播特性。覆盖范围广费用不断降低，接收天线尺寸不断缩小v电话网络：利用通信卫星传输数据量大，范围广的特性。适用与使用率高的国际干线v商业数据应用：利用通信卫星的多信道价格昂贵通信量大第12页，本讲稿共68页v卫星传输的最佳频率范围为1GHz10GHz。低于1G，存在自然噪声和电子设备干扰，高于10G，衰减严重。上行频带为5.9256.425GHz，下行频带为3.74.2GHz，统称为4/6G频段1G10GHz最佳频段已饱和，干扰严重，因此新的12/14GHz,20/30GHz频段逐步的到利用，衰减更加严重，但带宽更大，接收器更小，更便宜。第13页，本讲稿共68页v特点卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有1/4s传播延迟。在差控和流控方面，也带来一系列问题。卫星微波是广播设施，许多站点可以向卫星发送信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。第14页，本讲稿共68页213 广播无线电波广播无线电波 v广播无线电波是全向性的，不要求使用碟形天线，天线也无须严格地安装到一个精确地校准位置上。v无线电波(Radio)是笼统术语，频率范围为3KHz300GHz。v非正式术语广播无线电波(broadcast radio)包括调频无线电频段（FM）和VHF、UHF，电视频段：30MHz1GHz。v不同于低频电磁波，无线颠簸高于30MHz可透过大气电离层，因此相距很远的发送器不会受大气反射而互相干扰。v也不同于高频微波，受下雨衰减小。v广播无线电波损伤的一个主要来源是由于物体反射形成的多路径干扰。第15页，本讲稿共68页214 红外线红外线 v红外线传输不能超过视线范围，距离短v红外线传输无法穿透墙体。微波系统中遇到的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存在。v红外线不需要频率分配许可。第16页，本讲稿共68页215 光波 v频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波。v提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。v激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。v激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳的热量是气流上升也会激光束产生偏差。第17页，本讲稿共68页22 天线天线v 天线是实现无线传输最基本的设备。天线可看作一条电子导线或导线系统，该导线系统或用于将电磁能辐射到太空或用于将太空中的电磁能收集起来。v电磁能和电能相互转化v双向通信中，同一天线既可用于发送也可用于接收第18页，本讲稿共68页手机天线第19页，本讲稿共68页八木定向天线第20页，本讲稿共68页玻璃钢全向天线第21页，本讲稿共68页抛物面天线第22页，本讲稿共68页221 辐射模式辐射模式 一个天线辐射出去的功率是全方位的，然而并非在所有方向上辐射出的功率都是相等的。描述天线性能特性的常用方法是辐射模式，它是作为空间协同函数的天线的辐射属性的图形化表示。第23页，本讲稿共68页理想的辐射模式 v向量长度决定功率强度第24页，本讲稿共68页222 天线类型天线类型v偶级天线半波偶极天线（赫兹天线）：由等长度两个同一直线上的导线组成，由一个小的供电间隙分开。v在一个维上具有全向辐射模式，另两个维具有8字形辐射模式v可通过复杂天线配置产生有向光束波垂直天线（马可尼天线）v抛物反射天线：常见于汽车无线电，便携无线电第25页，本讲稿共68页简单（偶级）天线 第26页，本讲稿共68页偶级天线散射模式 第27页，本讲稿共68页抛物线反射天线 v常用于地面微波和卫星第28页，本讲稿共68页223 天线增益 v天线增益(antenna gain)是天线定向性的度量。功率总量固定的情况下，与由理论的全向天线(各向同性天线)在各个方向所产生的输出相比，天线增益定义为在一特定方向上的功率输出。增加一个方向的辐射需要降低其他方向的辐射。天线增益的目的不是增加输出功率，是为了定向性v天线的有效面积与天线尺寸和形状相关 v天线增益与有效面积的关系：第29页，本讲稿共68页23 传播方式传播方式v由天线辐射出去的信号以三种方式传播：地波(ground wave)：地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视 的地平线 天波(sky wave)：天波信号可以通过多个跳跃，在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行 直线LOS(line of sight)：当要传播的信号频率在30MHz以上时，天波与地波的传播方式均无法工作，通信必须用直线方式。第30页，本讲稿共68页频带频率范围传播特性典型应用ELF（极低频）30300Hz地波某些家庭控制系统VF（音频）3003000地波电话中的模拟用户线路VLF（甚低频）LF（低频）3k300K地波长距离导航，航海通信MF（中频）300k3M地波海事无线电、定向查找HF（高频）3M30M天波无线电业余爱好者；军事通信；长距离飞机和轮船通信VHF（高频）30M300M 直线VHF电视;调频广播;飞机导航UHF（特高频）300M3G直线UHF电视；蜂窝电话；雷达SHF（超高频）3G30G直线卫星通信；雷达；陆地微波链路EHF30G300G直线处于实验当中红外线、可见光300G900T直线红外局域网、光通信第31页，本讲稿共68页无线传播类型第32页，本讲稿共68页24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v模拟信号带来信号质量降低，数字信号带来位差错v衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion)信号强度随着跨越媒体的距离而降低v接收的信号必须有足够强度，使电子线路能够检测解释信号v与噪声相比，信号必须维持足够高的水平v高频下的衰减更为严重第33页，本讲稿共68页v自由空间损耗(free space loss)信号随距离发散，离天线越远，接收信号功率越低随着频率增加，自由空间的损耗也增加可通过天线增益进行损耗补偿v噪声(noise)传输端和接收端之间插入的人们不希望有的额外信号v热噪声（电子热搅动产生，是温度的函数，无法消除）v互调噪声（不同频率信号共享传输媒介时）v串扰（微波天线接收了并不想要的信号）v脉冲噪声（由不规则的脉冲或短期的噪声尖峰组成，对模拟数据影响不大，是数字数据的主要错误源）第34页，本讲稿共68页v大气吸收(atmospheric absorption)：水、氧气v多径(multi path)在固定天线之间可较好控制多径在移动电话通信中，多径影响极为重要v折射(refraction)第35页，本讲稿共68页25 移动环境中的衰退移动环境中的衰退 通信系统所面临的最具挑战性的技术问题是移动环境中的衰退现象。在移动环境中，两个天线中的一个相对于另一个在移动，各种障碍物的相对位置会随时间而改变，由此会产生比较复杂的传输结果。第36页，本讲稿共68页产生多径传播的三种机制：反射(R)、散射(S)和衍射(D)第37页，本讲稿共68页第38页，本讲稿共68页存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲 第39页，本讲稿共68页衰退类型 v移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速在移动通信传播环境中，电波在传播路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。通常把这种现象称为阴影效应 移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落 第40页，本讲稿共68页v衰退效果也可以分为平面的或选择性的。平面衰退(flat fading)或称非选择性的衰退，接收到的信号的所有频率成分同时按相同的比例波动。选择性衰退(selective fading)无线电信号的不同光谱成分的影响是不相等的。第41页，本讲稿共68页差错补偿机制 1前向纠错接收器使用数字传输过程中的信息来纠正位差错的处理过程后向纠错：接收端仅检查差错，向发送端请求重传。不适合无线应用。（如卫星通信存在高时延，移动通信存在高差错率）第42页，本讲稿共68页2自适应均衡码间干扰被认为是在移动无线通信信道中传输高速率数据时的主要障碍。为了克服ISI引起的失真,在一个通信系统中常常使用称之为信道均衡的信号处理技术。均衡器的目的通过使用滤波器或其它技术来重建原始信号,去掉ISI的影响,从而提高数据传输的可靠性。在实际的数字传输系统中,使设计的均衡器能高速跟踪不断时变的信道，称之为自适应均衡。3分集技术：在发送端和接收端之间提供多个逻辑信道，并跨每一信道发送信号的一部分补偿差错的影响。空间分集：多个天线构成多条物理传输路径时间分集：多个用户使用时隙共享相同的物理信道频率分集：扩频通信第43页，本讲稿共68页26 多普勒效应多普勒效应v多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的。v多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。假设原有波源的波长为，波速为c，观察者移动速度为v，当观察者走近波源时观察到的波源频率为(v+c)/，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为(v-c)/。第44页，本讲稿共68页多普勒效应（续）多普勒效应（续）v多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波。v在无线移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以在移动通信中要充分考虑多普勒效应。v尤其是高速移动宽带接入网络(如IEEE802.20)必须考虑多普勒效应。第45页，本讲稿共68页27 信号编码技术信号编码技术2.7.1 数据、信号和传输的模拟与数字之分v模拟(analog)和数字(digital)大致分别与连续(continuous)和离散(discrete)相对应。数据、信号和传输经常使用这两个术语。v数据(data)定义为传达某种意义或信息的实体v信号(signal)是数据的电气或电磁表示 v传输(transmission)是通过信号的传播和处理进行数据通信的过程第46页，本讲稿共68页模拟数据和数字数据模拟数据和数字数据v模拟数据在一段时间内具有连续的值，例如，声音和视频是连续变化的强度样本。v数字数据的值是离散的，例如文本和整数。第47页，本讲稿共68页模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号v数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点v模拟信号(analog signal)就是一个连续变化的电磁波，根据它的频率可以在多种类型的媒体上传播。如铜线媒体、光纤、无线空间v数字信号(digital signal)是一个电压脉冲序列，这些电压脉冲可以在铜线媒体上传输，不适宜直接在无线媒介中传播。第48页，本讲稿共68页数字信号的优缺点 v优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的干扰。v缺点：比模拟信号的衰减要严重 第49页，本讲稿共68页模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号 第50页，本讲稿共68页数据的信号表示v数字数据，数字信号：比起将数字数据编码为模拟信号的设备来，将数字数据编码为数字信号的设备不那么复杂且不昂贵。v模拟数据，数字信号：将模拟数据转换为数字形式允许对模拟数据使用现代数字传输和交换设备。v数字数据，模拟信号：以载波频率为中心转化为模拟信号（有些传输媒体，例如光纤和卫星只传输模拟信号）。v模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易被转换为模拟信号（300Hz3400Hz的语音电话）。第51页，本讲稿共68页数据和信号模拟信号数字信号模拟数据(1)信号占据跟模拟数据相同的频谱；(2)模拟数据被编码以占据不同的频谱段。使用编解码器对模拟数据编码以产生数字位流。数字数据数字数据通过调制解调器编码以产生模拟信号。(1)信号由两个电压电平组成以代表两个二进制的值：(2)数字数据被编码以产生具有所要求的属性的数字信号。第52页，本讲稿共68页模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输 v模拟信号和数字信号都可以在适宜的传输媒体上传输，处理这些信号的方法是传输系统的功能v模拟传输(analog transmission)是传输模拟信号的方法，可以传输模拟数据和数字数据，可使用放大器增加传输距离，但放大器级联会增加信号失真，其中数字数据的失真会无法容忍。v数字传输(digital transmission)与信号的内容有关，可使用中继器增加传输距离，可克服衰减。v模拟信号携带数字数据，可利用重传设备恢复信号，避免噪声积累。第53页，本讲稿共68页信号的处理 模拟传输 数字传输模拟信号 通过放大器来传播。不论信号是用来表示 模拟数据还是数字数据，处理方式相同。假设模拟信号表示的是数字数据。信号通过中继器传播。在每个中继器上，从入口信号恢复数字数据，并用它来生成一个新的外出模拟信号。数字信号 不使用。数字信号表示的是1和0的位流，它代表了数字数据，或者是经过编码的模拟数据。信号通过中继器传播。在每个中继器上，从入口信号恢复1和0的位流，并用它来生成一个新的外出数字信号。第54页，本讲稿共68页272 信号编码准则信号编码准则v无线传输系统主要是采用模拟载波信号进行传输。数字到模拟：数字数据和数字信号必须转换成模拟信号进行无线传输。模拟到模拟：基带模拟信号，诸如话音或视频，通常都必须调制到高频的载波上进行传输。模拟到数字：先于传输之前，通常将话音数字化后再在导向的或非导向的媒体上传输，这样可以改进传输质量并可利用TDM方式。对于无线传输来说，结果得到的数字信号必须调制到一个模拟载波上。第55页，本讲稿共68页数据传输术语 术术 语语 单单 位位 定定 义义数据元素位一个单个的二进制1或0数据率位/秒(b/s)数据元素传输的速率信号元素数字：一个固定振幅的电压脉冲模拟：一个具有固定频率、相位和振幅的脉冲在一个信号传输的代码中占据最小间隔的那部分信号信号传输速率或调制速率信号元素/秒(baud)信号元素传输的速率第56页，本讲稿共68页信号编码准则（续）信号编码准则（续）v决定接收器能够成功解释所收到信号的因素主要有：信噪比、数据率和带宽。v编码机制是一种简单的从数据位到信号元素的映射关系。v编码机制也可以用来改进传输性能第57页，本讲稿共68页2.7.3 数字数据与模拟信号数字数据与模拟信号v最常用的应用是通过公用电话网传输数字数据。v电话网并不适用于处理来自用户端的数字信号。v数字设备通过调制解调器与网络相连，调制解调器将数字数据转换成模拟信号，或将模拟信号转换成数字数据。v调制技术涉及对载波信号的3个特性(振幅、频率和相位)中的一个或多个特性的操作:幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)第58页，本讲稿共68页数字数据调制为模拟信号 第59页，本讲稿共68页2.7.4 模拟数据与模拟信号模拟数据与模拟信号v调制：将输入信号与载波信号合成以生成新信号的过程，新信号以载波信号为中心。v当数据已经是模拟形式时，调制的主要原因有两个：(1)为了实现有效的传输，可能需要较高的频率。对于无导向传输，实际上是不可能直接传输基带信号的,需要使用的天线直径为几千米。(2)调制允许使用频分复用技术，可以提高信道的利用率。v模拟数据的调制技术：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。第60页，本讲稿共68页2.7.5 模拟数据与数字信号模拟数据与数字信号v准确的说法是把模拟数据转变为数字数据的过程，称之为数字化(digitalization)。v一旦模拟数据转变成数字数据后，就可以进行很多的工作:(1)数字数据可以使用NRZ-L(不归零电平)。(2)可以通过NRZ-L以外的其他编码技术将数字数据变成数字信号。(3)通过调制技术，数字数据也可以转换成模拟信号。第61页，本讲稿共68页模拟数据数字化 第62页，本讲稿共68页2.8 扩频技术扩频技术 扩频技术最初是针对军事和情报部门的需求而开发的。基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的带宽中，以加大干扰和窃听的难度。第一种扩频技术称为跳频(frequency hopping)，更新的一种技术是直接序列(direct sequence)。第63页，本讲稿共68页 扩频数字通信系统的一般模型 第64页，本讲稿共68页跳频扩频 在跳频扩频(frequency hopping spread spectrum，FHSS)中，信号用看似随机的无线电频率序列进行广播，并在固定间隔里从一个频率跳到另一个频率。而接收器在接收消息时，也和发送器同步地从一个频率跳到另一个频率。这样一来，原本打算窃听的人听到的只是无法识别的哗哗声，即使试图在某一频率上干扰，也只能抹去信号中很少的几个位。第65页，本讲稿共68页直接序列扩频 直接序列扩频(direct sequence spread spectrum，DSSS)，原始信号中的每一个位在传输信号中以多个位表示，此技术使用了扩展编码(spreading code)。这种扩展编码将信号扩展到更宽的频带范围上，而这个频带范围与使用的位数成正比。因此，一个10位的扩展编码能够在一个频带上将信号扩展至比1位扩展编码大10倍的带宽。码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)是一种基于DSSS的具有扩频功能的多路技术。第66页，本讲稿共68页2.9 差错控制技术差错控制技术 无论传输系统如何设计，差错总会存在，它可能会导致传输的帧中有一个或多个位被改变，对于无线传输系统更是如此，为了保障可靠的数据传输，必须进行差错控制。第67页，本讲稿共68页三种差错控制技术v差错检测码(error detection code)v差错纠错码(error correction code)，也称为前向纠错FEC(forward error correction)码，可避免重传。v自动重发请求ARQ(automatic repeat request)协议。第68页，本讲稿共68页