第2章无线传输技术基础

1、第第2章章 无线传输技术基础无线传输技术基础主讲：林科主讲：林科v 本章主要介绍了无线网络中的各种传输媒各种传输媒体、传输方式、传输系统中的损伤与衰退和体、传输方式、传输系统中的损伤与衰退和信息编码技术信息编码技术等内容，学生应该掌握无线网络传输系统的相关知识，了解影响无线网络信息传输的各种因素，信息处理技术，并结合实际的应用来加深对理论知识的掌握，网络传输媒体和传输中的损伤、衰退及信号编码技术是学生应重点掌握的。内容提要内容提要21 无线传输媒体无线传输媒体22 天线天线23 传播方式传播方式24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤25 移动环境中的衰退移动环境中的衰退26 多普勒效应

2、多普勒效应27 信号编码技术信号编码技术28 扩频技术扩频技术29 差错控制技术差错控制技术21 无线传输媒体无线传输媒体 v传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。（空气）（空气）v传输媒体可分为导向的导向的(guided)和非导向的和非导向的(unguided)两类。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无线传播(wireless transmission) 无线通信和无线网络则使用非导向传输介质，包括无线无线电、微

3、波、红外线、毫米波、光波等。电、微波、红外线、毫米波、光波等。 21 无线传输媒体无线传输媒体 v数据传输的特性数据传输的特性 数据传输的特性以及传输质量取决于数据传输的特性以及传输质量取决于传输媒体性传输媒体性质和传输信号质和传输信号。聚集称为有向波束。聚集称为有向波束。天线发射的信天线发射的信号有个重要的号有个重要的属性是方向性，属性是方向性，通常，通常，低频信低频信号是全向的号是全向的，就是说，信号就是说，信号从天线发射后从天线发射后会沿所有方向会沿所有方向传播，当频率传播，当频率较高时，信号较高时，信号才有可能被聚才有可能被聚集称为有向波集称为有向波束。束。无线电频谱v无线电频谱特点有

4、限性排它性复用性非耗尽性传播性易干扰性v无线电管理部门联邦通信委员会(FCC) FCC是美国专门负责管理其国内及对外有线、无线和电视通信业务的行政决策机构，管理无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务，协调国内和国际通信，涉及美国各州及所属地区。中国无线电管理局 我国的专业无线电管理部门，依据中华人民共和国无线电管理条例等法律法规，负责无线电管理。v无线电频谱的划分 根据无线电波传播及使用的特点，国际上将无线电波频谱划分为12个频段。 值得一提的是ISM (Industrial Scientific Medical，工业科学医疗)频段，即即2.42.4835GHz主要开放给这三类机构使用，该频

5、段是依据FCC的定义，无需许可证授权，属于无需许可证授权，属于免费使用免费使用。只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。电信用的电磁波频谱电信用的电磁波频谱 工业科学医学频段工业科学医学频段感兴趣的感兴趣的3个频段个频段v微波：微波：1GHz100GHz，可实现高方向性的波束，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。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：无线电广播频段：30MHz1GHz，适用于全向应，适用于全向应用。用。v红外线频谱段：红外线频谱段：31011Hz21014Hz，适于本地，适于本地应用，在

6、有限的区域应用，在有限的区域(如一个房间如一个房间)内对于局部的点内对于局部的点对点及多点应用非常有用。对点及多点应用非常有用。 微波微波v地面微波接力通信和卫星通信。211 地面微波地面微波 v地面微波系统主要用于长途电信长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站中继。在传输距离相等的条件下，微波设备需要的放大器或中继器比同轴电缆要少得多，但是它要求视线距离传输，微波常用于语音和电视传播。 v微波微波还可以用于建筑物之间的点对点建筑物之间的点对点线路。这种方式可用于闭路电视闭路电视或用作局域网之间的数据链路。局域网之间的数据链路。 v常见的用于传输的频率范围为2GHz40GHz。频率

7、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。 典型的数字微波性能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地面微波（续地面微波（续1）v微波传输的主要损耗来源于微波传输的主要损耗来源于衰减衰减。v微波微波(以及无线电广播频段以及无线电广播频段)的损耗公式的损耗公式v微波的损耗随距离的平方而变化微波的损耗随距离的平方而变化 v损伤的另一个原因是损伤的另一个原因是干扰干扰，随着微波应用的，随着微波应用的不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个不断增多，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

8、控制。威胁。因此，频带的分配需要严格控制。 dL42lg10地面微波（续地面微波（续2）v频率越高衰减越大，较高的微波频率对长途频率越高衰减越大，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没有什么用处，但却非常适用于近距离传输。传输。v频率频率越高越高，使用的天线就，使用的天线就越小越小、越、越便宜便宜。 212 卫星微波卫星微波v通信卫星实际上一个微波通信卫星实际上一个微波接力站接力站，用于将两个或多个称为地，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球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。接收器连接起来。v卫星使用卫星使用上下行两个频段上下行两个频段：接收

9、一个频段：接收一个频段(上行上行)上的传输信上的传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行下行)上将其发送上将其发送出去。出去。 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卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和个人用商业网络 卫星微波（续）卫星微波（续）v卫星传输的最佳频率范围为卫星传输的最佳频率范围为1GHz10GHz。v特点特点卫星通卫星通信距离远信距离远，一个地面站发送到另一个地面，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有站接收，约有1/4s传播延迟。在差控和流控方面，传播延迟。在差控和流控方面，也带来一系列问题。也带来一系列问题。卫星

10、微波是卫星微波是广播设施广播设施，许多站点可以向卫星发送，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信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。站点接收。 卫星微波（续）卫星微波（续）1、国际上卫星可使用的频段：、国际上卫星可使用的频段：C波段波段使用使用3.74.2 GHz的频段作为上行信道，的频段作为上行信道，5.9256.425 GHz的频段作为下行信道的频段作为下行信道 Ku波段波段使用使用11.712.2 GHz作为上行信道，作为上行信道，1414.5 GHz作作为下行信道为下行信道 Ka波段波段 使用使用17.721.7 GHz作为上行信道，作为上行信

11、道，27.530.5 GHz作为下行信道作为下行信道 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，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。天线也无须严格地安装到一个精确地校准位置上。v无线电波无线电波(Radio) 是笼统术语，频率范围为是笼统术语，频率范围为3KHz300GHz。v非正式术语广播无线电波非正式术语广播无线电波(broadcast radio) 包括包括VHF频段和部分的频段和部分的UHF频段：频段：30MHz1GHz。213 广播无线电波广播无线电波 v广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干

12、扰。广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。v来自地面、水域和自然的或人造的物体的反射会在天线之间产生多条传输路径。多路径干扰对接收的影响常常是很明显的，如，当一架飞机从上空飞过，电视接收就会出现重影。 214 红外线红外线 v红外线传输不能超过视线范围，距离短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的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存在。在。v红外线不需要频率分配许可。红外线不需要频率分配许可。214 红外线红外线 214 红外线红外线 215 光波光波 v频率更高的光波，主要

13、指频率更高的光波，主要指非导向非导向光波，而非光波，而非用于光纤的导向光波。用于光纤的导向光波。v提供非常提供非常高的带宽高的带宽，成本也很低，相对容易，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。许可。v激光的激光的强度强度(非常窄的一束光非常窄的一束光)是它的弱点，是它的弱点，不易瞄准。不易瞄准。v激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳的热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。量是气流上升也会激光束产生偏差。 22 天线天线 天线是实现无线传输天线是实现无线传输最基本的设备最基本的设备。天。天线可看作一条电子导线或导线

14、系统，该导线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系统或用于将电磁能辐射辐射到太空或用于将太到太空或用于将太空中的电磁能空中的电磁能收集收集起来。起来。 221 辐射模式辐射模式 一个天线辐射出去的功率是一个天线辐射出去的功率是全方位全方位的，的，然而并非在所有方向上辐射出的功率都是相然而并非在所有方向上辐射出的功率都是相等的。等的。 描述天线性能特性的常用方法是描述天线性能特性的常用方法是辐射模辐射模式式，它是作为空间协同函数的天线的辐射属，它是作为空间协同函数的天线的辐射属性的图形化表示。性的图形化表示。 221 辐射模式辐射模式 v最简单的理性化天线模式是各向同性天线最

15、简单的理性化天线模式是各向同性天线（也称为全向天线）。各向同性天线是沿所（也称为全向天线）。各向同性天线是沿所有方向等功率向外辐射的空中的一个点。各有方向等功率向外辐射的空中的一个点。各向同性天线的辐射模式是以天线为中心的一向同性天线的辐射模式是以天线为中心的一个球体，辐射模式几乎总是被描绘为三维模个球体，辐射模式几乎总是被描绘为三维模式的一个二维剖面。式的一个二维剖面。理想的辐射模式理想的辐射模式 222 天线类型天线类型v偶级天线偶级天线v抛物反射天线抛物反射天线简单（偶级）天线简单（偶级）天线 偶级天线散射模式偶级天线散射模式 抛物线反射天线抛物线反射天线 抛物线是由抛物线是由到一固定直

16、到一固定直线和不在该线和不在该直线上的某直线上的某一固定点的一固定点的距离相等的距离相等的点的轨迹所点的轨迹所形成的平面形成的平面曲线。这一曲线。这一固定点称为固定点称为焦点焦点，固定，固定直线称为直线称为准准线线。在车灯、光学和无线电望远镜以及微波天线中均采用了这种曲面。在车灯、光学和无线电望远镜以及微波天线中均采用了这种曲面。223 天线增益天线增益 天线增益天线增益(antenna gain)是是天线定向性天线定向性的的度量。与由理论的全向天线度量。与由理论的全向天线(各向同性天线各向同性天线)在各个方向所产生的输出相比，天线增益定在各个方向所产生的输出相比，天线增益定义为在一义为在一特

17、定方向上的功率输出特定方向上的功率输出。 天线增益与有效面积的关系：天线增益与有效面积的关系： cAfAeeG22244 G：天线增益：天线增益Ae：有效面积：有效面积f ： 载波频率载波频率c： 光速（光速（3*108m/s） ：载波波长：载波波长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：由天线辐射出去的信号以三种方式传播：地波地波(ground wave)：地波传播或多或少要沿着：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，较好地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视地跨越可视 的地平线的地平线 天波天波(sky wave)：天波信号可以通过多

18、个跳跃，：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在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行 直线直线LOS(line of sight) ：当要传播的信号频率：当要传播的信号频率在在30MHz以上时，天波与地波的传播方式均无法以上时，天波与地波的传播方式均无法工作，通信必须用直线方式。工作，通信必须用直线方式。 无线传播类型无线传播类型一、地波的传播特点：沿着地球的轮廓来传播可以传送相当远的距离传送信号频率在2MHz以下例如AM无线电地球接收天线发射天线信号传播二、天波的传播v从地面上的天线发射一信号至在大氣的电离层，电离层看似一个坚硬的反射表面会將波反射回地面 v地波或多或

19、少地沿著地球的轮廓来传播，而且在视觉地平线上能夠传送相当远的距离。v繞射这是电磁波碰到障碍物产生的一种現象 v例子 AM无线电CB radio三、直线传播 1、信号无法用天波或地波的方式传波，一定要用直线传播。n卫星通信-超过30MHz的信号在电离层不会发生反射n地面上的通信-发送和接受的天线一定要在自己有效（effective）的直线上。发送天线地球地球信号传输信号传输接收天接收天线线2、直线传输(折射效应)(1)、折射折射 大气会使微波弯曲或折射折射的发生是因为电磁波的行进速度与传输介质密度有关当电磁波从某一密度的传输媒介到另一密度的传输媒介行进时速度会改变 传输介质的交接处产生一次电磁波

20、方向的弯曲地球地球光波地平线光波地平线天线无线电地平线（2）直线传输v光学和无线电直线传播距离 v有效的(或无线电)到地平线的直线传播vd =天线到地平线之間的直线距离，单位为公里 vh =天线的高度，单位为公尺vK =其中K是折射的调节因子，最佳实用用值为K = 4/3 hd57. 3Khd57. 3 地面上两个线天之間的LOS传输的最大距离为:vh1 =天线1的高度vh2 =天线2的高度2157. 3KhKh 24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v衰减和衰减失真衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion)v自由空间损耗自由空间损耗

21、(free space loss)v噪声噪声(noise)v大气吸收大气吸收(atmospheric absorption)v多径多径(multi path)v折射折射(refraction) 24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v衰减：衰减：指信号强度随所跨越的任一传输介质的距指信号强度随所跨越的任一传输介质的距离而下降，无线介质中的衰减是一个更复杂的距离而下降，无线介质中的衰减是一个更复杂的距离函数。离函数。v衰减表示为一个指数值，表示为每单位距离一个衰减表示为一个指数值，表示为每单位距离一个固定的分贝数。固定的分贝数。v衰减失真衰减失真：高频下的衰减引起的失真。：高频下的衰减引

22、起的失真。24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v自由空间损耗：自由空间损耗：信号随距离增加会在越来越大的信号随距离增加会在越来越大的面积范围内散布，该衰减称自由空间损耗，可表面积范围内散布，该衰减称自由空间损耗，可表示为发射功率与天线的接收功率之比。示为发射功率与天线的接收功率之比。222244cfddPPrtPt = 传送天线端的信号功率Pr =接收天线端的信号功率 =波长 d =两个天线间的传播距离 c =光速 (3*108 m/s) 注意到d和?的单位要相同(例如：公尺)v以dB为单位， 自由空间衰减方程式可写成： dPPLrtdB4log20log10 dB 98.21log

23、20log20d dB 56.147log20log204log20dfcfd24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v对於其他天线而言，我们必须考虑天线的增益，其自由空间衰减方程式写成： trtrtrrtAAfcdAAdGGdPP2222224Gt =传送端的天线增益 Gr =接收端的天线增益 At =发射天线的有效发射面积 Ar =接收天线的有效接收面积 24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v以dB为单位，由天线增益和有效区域之关系推导得到 v因此，当天线尺寸和距离相同时，载波波长越长(载波频率f越低)，自由空间路径的损失会越大。 rtdBAAdLlog10log20log

24、20 dB54.169log10log20log20rtAAdf24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v噪声噪声热噪声热噪声 由电子热扰动产生，存在于所有电子设备和传由电子热扰动产生，存在于所有电子设备和传输介质中，是温度的一个函数输介质中，是温度的一个函数互调噪声互调噪声 不同频率的信号共享相同介质时，会产生互调不同频率的信号共享相同介质时，会产生互调噪声（多个噪声（多个 频率叠加）频率叠加）串扰噪声串扰噪声 电子耦合或错误接收电子耦合或错误接收脉冲噪声脉冲噪声 外部电磁干扰、通信系统中的错误和缺陷等外部电磁干扰、通信系统中的错误和缺陷等24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤

25、v大气吸收：大气吸收：24 直线传输系统中的损伤直线传输系统中的损伤v多径：多径：在通信系统中，由于通信地面站天线波束在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。达的电磁波，这种现象就是多径效应。v折射：折射： 信号在不同密度介质中传输产生的衰减。信号在不同密度介质中传输产生的衰减。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通信系统所面临的最具挑战性的技术问

26、题是移动环境中的衰退现象。的衰退现象。25 移动环境中的衰退移动环境中的衰退v多径传播效果：一个信号的多个副本可能会在不同的相位抵达。v多径传播机制分为3种：反射、散射和衍射v移动通信中的衰退效果可分为快速或慢速v衰退效果也可分为平面或选择性反射(R)、散射(S)和衍射(D) v反射反射 - 当电磁信号遇到比信号波长大的物体表面时会发生反射当电磁信号遇到比信号波长大的物体表面时会发生反射 v绕射绕射-比无线电波波长大的建筑物边缘会发会生的绕射现象比无线电波波长大的建筑物边缘会发会生的绕射现象 v散射散射散射发生时进入的信号会分散成几个更弱的向外射出信散射发生时进入的信号会分散成几个更弱的向外射

27、出信号号多重路径干扰的例子多重路径干扰的例子多重路径干扰的例子多重路径干扰的例子符际干扰：存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲符际干扰：存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲 衰退类型衰退类型 v移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速 v快速衰退:当行动手机沿着城市的街道移动，每半波长的距离信号强度发生快速变化，蜂巢式行动电话典型的频率 900 MHz，其波长是0.33 m，此应用在城市的街道环境接收信号振幅快速变化的一个例子。在一个短距离上振幅的变化可能多达20或者30 dB。这种快速改变的衰退现象称快速衰退(fast fading)，此快速衰退不仅影响汽

28、车中的行动电话甚至影响城市街道上步行使用者的行动电话。v慢速衰退:由於行动使用者活动距离超过波长许多，当使用者通过不同高度的建筑物、空地、十字路口等等，相当於城市环境在改变，在这长距离的移动期间，接收信号平均功率准位会有一平缓的变化,显示此慢速改变的波形，称之为慢速衰退(slow fading)。衰退类型衰退类型 v衰退效果也可以分为平面的或选择性的。衰退效果也可以分为平面的或选择性的。平面衰退平面衰退(flat fading)或称非选择性的衰退，接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收到的信号的所有频率成分同时按相同的比例波动。动。选择性衰退选择性衰退(selec

29、tive fading)无线电信号的不同无线电信号的不同光谱成分的影响是不相等的。光谱成分的影响是不相等的。 差错补偿机制差错补偿机制 1前向纠错前向纠错2自适应均衡自适应均衡3分集技术分集技术2.5.3 差错补偿机制 1前向纠错前向纠错 (Forward Error Correction,FEC) 前向纠错也叫前向纠错码，是增加数据通讯前向纠错也叫前向纠错码，是增加数据通讯可信度的方法。在单向通讯信道中，一旦错误被可信度的方法。在单向通讯信道中，一旦错误被发现，其接收器将无权再请求传输。发现，其接收器将无权再请求传输。 FEC 是利用数据进行传输冗长信息的方法，是利用数据进行传输冗长信息的方

30、法，当传输中出现错误，将允许接收器再建数据。当传输中出现错误，将允许接收器再建数据。2.5.3 差错补偿机制 2自适应均衡自适应均衡 自适应均衡可应用于承载模拟信息或数字信自适应均衡可应用于承载模拟信息或数字信息的传输中，且可用于消除信号间的干扰。息的传输中，且可用于消除信号间的干扰。 均衡化处理涉及将分散的信号能量聚集回其均衡化处理涉及将分散的信号能量聚集回其原来时隙中的一些方法。原来时隙中的一些方法。2.5.3 差错补偿机制 3分集技术分集技术 分集技术利用发送端和接收端之间通过提供分集技术利用发送端和接收端之间通过提供多个逻辑信道，并跨每一信道发送信号的一部分多个逻辑信道，并跨每一信道发

31、送信号的一部分来补偿差错的影响。来补偿差错的影响。 可分三种：可分三种： 空间分集：空间分集：space diversity 时间分集：时间分集：time diversity 频率分集：频率分集：frequency diversity26 多普勒效应多普勒效应v多普勒效应是为纪念多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命而命名的。名的。v多普勒效应指出，多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频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。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原

32、有波源的波长为，波速为，波速为c，观察者移动，观察者移动速度为速度为v，当观察者走近波源时观察到的波源，当观察者走近波源时观察到的波源频率为频率为(v+c)/，如果观察者远离波源，则观，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为察到的波源频率为(v-c)/。 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。所有类型的波，包括光波、电磁波。 v在无线移动通信中，在无线移动通信中，当移动台移向基站时，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，频率变高，远离基站时，频率变低，所以在所以在移动通信中要

33、充分考虑多普勒效应。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尤其是高速移动宽带接入网络(如如IEEE802.20)必须考虑多普勒效应。必须考虑多普勒效应。 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数据、信号和传输的模拟与数字之分v模拟模拟(analog)和数字和数字(digital)大致分别与连续大致分别与连续(continuous)和离散和离散(discrete)相对应相对应 。数据、信数据、信号和传输经常使用这两个术语。号和传输经常使用这两个术语。v数据数据(data)定义为传达某种意义或信息的实体定义为传达某种意义或信息的实体v信号信

34、号(signal)是数据的电气或电磁表示是数据的电气或电磁表示 v传输传输(transmission)是通过信号的传播和处理进行是通过信号的传播和处理进行数据通信的过程数据通信的过程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，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。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。数字数据的值是离散的，例如文本和整数。 话音和音乐的声音频谱话音和音乐的声音频谱 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数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点

35、v模拟信号模拟信号(analog signal)就是一个连续变化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、无线空间媒体上传播。如铜线媒体、光纤、无线空间v数字信号数字信号(digital signal)是一个电压脉冲序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，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。不适宜直接在无线媒介中传播。 数字信号的优缺点数字信号的优缺点 v优点：通常比使用模拟优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪信号便宜，且较少受噪声的干扰。声的干扰。v缺点：比模拟信

36、号的衰缺点：比模拟信号的衰减要严重减要严重 模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号 数据的信号表示数据的信号表示v数字数据，数字信号：数字数据，数字信号：比起将数字数据编码为模拟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。不那么复杂且不昂贵。v模拟数据，数字信号：模拟数据，数字信号：将模拟数据转换为数字形式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。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：数字数据，模拟信号：有些传输媒体，例

37、如光纤和有些传输媒体，例如光纤和卫星只传输模拟信号。卫星只传输模拟信号。v模拟数据，模拟信号：模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易被转换为模模拟数据很容易被转换为模拟信号。拟信号。 数据和信号数据和信号模拟信号模拟信号数字信号数字信号模拟数据模拟数据(1)信号占据跟模拟数据相同信号占据跟模拟数据相同的频谱；的频谱；(2)模拟数据被编码以占据不模拟数据被编码以占据不同的频谱段。同的频谱段。使用编解码器对模拟数据编码以使用编解码器对模拟数据编码以产生数字位流。产生数字位流。数字数据数字数据数字数据通过调制解调器编数字数据通过调制解调器编码以产生模拟信号。码以产生模拟信号。(1)信号由两个电压电平组成

38、以代信号由两个电压电平组成以代表两个二进制的值：表两个二进制的值：(2)数字数据被编码以产生具有所数字数据被编码以产生具有所要求的属性的数字信号。要求的属性的数字信号。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体上传输，处理这些信号的方法是传输系统的功能的功能v模拟传输模拟传输(analog transmission)是传输模拟是传输模拟信号的方法，它不考虑信号的内容。信号的方法，它不考虑信号的内容。v数字传输数字传输(digital transmission)与信号的内与信号的内容

39、有关容有关 信号的处理信号的处理 模拟传输模拟传输 数字传输数字传输模拟信号模拟信号 通过放大器来传播。不论信号通过放大器来传播。不论信号是用来表示是用来表示 模拟数据还是模拟数据还是数字数据，处理方式相同。数字数据，处理方式相同。假设模拟信号表示的是数字数据。假设模拟信号表示的是数字数据。信号通过中继器传播。在每信号通过中继器传播。在每个中继器上，从入口信号恢个中继器上，从入口信号恢复数字数据，并用它来生成复数字数据，并用它来生成一个新的外出模拟信号。一个新的外出模拟信号。数字信号数字信号 不使用。不使用。数字信号表示的是数字信号表示的是1和和0的位流，的位流，它代表了数字数据，或者是它代表

40、了数字数据，或者是经过编码的模拟数据。信号经过编码的模拟数据。信号通过中继器传播。在每个中通过中继器传播。在每个中继器上，从入口信号恢复继器上，从入口信号恢复1和和0的位流，并用它来生成一个的位流，并用它来生成一个新的外出数字信号。新的外出数字信号。272 信号编码准则信号编码准则v对任一给定的通信任务来说，选择一种特定的组合的理由是对任一给定的通信任务来说，选择一种特定的组合的理由是不同的，而后不同的，而后3种技术与无线通信密切相关，因为无线传输种技术与无线通信密切相关，因为无线传输系统主要是采用模拟载波信号进行传输。系统主要是采用模拟载波信号进行传输。v数字到模拟：数字到模拟：数字数据和数

41、字信号必须转换成模拟信号进行数字数据和数字信号必须转换成模拟信号进行无线传输。无线传输。v模拟到模拟：模拟到模拟：基带模拟信号，诸如话音或视频，通常都必须基带模拟信号，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。调制到高频的载波上进行传输。 v模拟到数字：模拟到数字：先于传输之前，通常将话音数字化后再在导向先于传输之前，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。制到一个模拟载波

42、上。 数据传输术语数据传输术语 术术 语语 单单 位位 定定 义义数据元素数据元素位位一个单个的二进制一个单个的二进制1或或0数据率数据率位位/秒秒(b/s)数据元素传输的速率数据元素传输的速率信号元素信号元素数字：一个固定振幅数字：一个固定振幅的电压脉冲的电压脉冲模拟：一个具有固定模拟：一个具有固定频率、相位和振频率、相位和振幅的脉冲幅的脉冲在一个信号传输的代在一个信号传输的代码中占据最小间隔码中占据最小间隔的那部分信号的那部分信号信号传输速率或信号传输速率或调制速率调制速率信号元素信号元素/秒秒(baud)信号元素传输的速率信号元素传输的速率信号编码准则（续）信号编码准则（续）v决定接收器

43、能够成功解释所收到信号的因素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。主要有：信噪比、数据率和带宽。v编码机制也可以用来改进传输性能编码机制也可以用来改进传输性能v编码机制是一种简单的从数据位到信号元素编码机制是一种简单的从数据位到信号元素的映射关系。的映射关系。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。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。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，调制解调器数字设备通过调制解调器与网络相连，调制解调器

44、将数字数据转换成模拟信号，或将模拟信号转换成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。数字数据。v调制技术涉及对载波信号的调制技术涉及对载波信号的3个特性个特性(振幅、频率和振幅、频率和相位相位)中的一个或多个特性的操作中的一个或多个特性的操作:幅移键控幅移键控(ASK)、频移键控频移键控(FSK)和相移键控和相移键控(PSK) 数字数据调制为模拟信号数字数据调制为模拟信号 2.7.4 模拟数据与模拟信号模拟数据与模拟信号v当数据已经是模拟形式时，调制的主要原因当数据已经是模拟形式时，调制的主要原因有两个：有两个：(1)为了实现有效的传输，可能需要较高的频率。为了实现有效的传输，可

45、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对于无导向传输，实际上是不可能直接传输基带信号的信号的,需要使用的天线直径为几千米。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，可以提高信道的调制允许使用频分复用技术，可以提高信道的利用率。利用率。v模拟数据的调制技术：调幅模拟数据的调制技术：调幅(AM)、调频、调频(FM)和调相和调相(PM)。 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，称之为数字化过程，称之为数字化(digitalization)。v一旦模拟数据转变成数字数据

46、后，就可以进一旦模拟数据转变成数字数据后，就可以进行很多的工作行很多的工作:(1)数字数据可以使用数字数据可以使用NRZ-L(不归零电平不归零电平)。(2)可以通过可以通过NRZ-L以外的其他编码技术将数字数以外的其他编码技术将数字数据变成数字信号。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通过调制技术，数字数据也可以转换成模拟信号。号。模拟数据数字化模拟数据数字化 2.8 扩频技术扩频技术v信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。v信道编码（差错控制）的目的是增加信息在信道传输中的冗余信道编码（差错控制）

47、的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错的能力，以提高信道的传输质量。度，使其具有检错或纠错的能力，以提高信道的传输质量。v调制部分的目的是使经信道编码后的符号能在适当的频段传输调制部分的目的是使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，通常使用的数字信号调制方式分为振幅键控，通常使用的数字信号调制方式分为振幅键控ASK、频移键控、频移键控FSK、移相键控、移相键控PSK。v扩频调制和解调是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频扩频调制和解调是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频谱展宽和还原。谱展宽和还原。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扩频技术最初是

48、针对军事和情报部门的需求而开发的。需求而开发的。 基本思想是将携带信息的信号扩展到较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。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，更新的一种技术是直接序列(direct sequence)。 扩频数字通信系统的一般模型扩频数字通信系统的一般模型 描述描述:扩频通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与信息信号无关）扩展频谱后成为宽频带信号，然后送入信道中传输传输；在接收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频谱进行

49、压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。 扩频数字通信系统的一般模型扩频数字通信系统的一般模型 发端发端终接端终接端扩频序列扩频序列扩频序列扩频序列输入数据输入数据( (基带基带) )恢复出的数据恢复出的数据( (基带基带) )扩频后的数据流扩频后的数据流 ( (基带信号基带信号 + + 扩频序列扩频序列) )发端数据流与一扩频序列结合到一起发端数据流与一扩频序列结合到一起在终接端，用同样的扩频序列，合成信号可以被并恢复出原始数据在终接端，用同样的扩频序列，合成信号可以被并恢复出原始数据 扩频数字通信系统的一般模型扩频数字通信系统的一般模型 随机序列：既不能预先确

50、定也不能重复实现的序列，性能与噪声性能类似（噪声序随机序列：既不能预先确定也不能重复实现的序列，性能与噪声性能类似（噪声序列）。列）。伪随机序列伪随机序列：貌似随机序列的确定序列（伪随机码、伪噪声序列、码）貌似随机序列的确定序列（伪随机码、伪噪声序列、码）伪随机序列伪随机序列作用作用：误码率的测量、通信加密、数据序列的扰码和解码、扩频通信等。：误码率的测量、通信加密、数据序列的扰码和解码、扩频通信等。 1111100110100100001010111011000111110011010010 一个周期 图4-28周期为31的PN码序列 跳频扩频跳频扩频 在跳频扩频在跳频扩频(frequenc

51、y hopping spread spectrum，FHSS)中，信号用看似随机的无中，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某一频率上干扰，也只能抹去信号中很少的几个位。几个位。 跳频扩频跳频扩频自自

52、20世纪世纪50年代中期用于年代中期用于军事通信电子对抗导航、测量等领域 直到20世纪80年代初才被用于民用通信领域目前扩频技术已广泛应用于目前扩频技术已广泛应用于 CDMA 、无绳电话微波通信、无线数据通信遥控、监控、报警等系统中跳频扩频跳频扩频所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。系统有几个、几十个、甚至上千个频率、系统有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。所以，跳频系统也占用了制，不断跳变。所以，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带。比信息