无线通信系统课件

物联网技术概论电子信息系1物联网技术概论电子信息系1第三章无线通信系统通信系统结构调制解调技术数据传输方式通信技术指标多路访问技术2第三章无线通信系统通信系统结构2无线通信系统结构信息传播过程：信源信道信宿。无线通信系统：也称无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成，是利用无线电磁波实现信息和数据传输的系统。3无线通信系统结构信息传播过程：信源信道信宿。344电磁波工作范围5电磁波工作范围5无线电波各频段的主要应用频段名称频率范围波段名称应用极低频(ELF)3～30Hz极长波地下通信，地下遥感，对潜通信等超低频(SLF)30～300Hz超长波地质结构探测，电离层研究，对潜通信等特低频(ULF)300～3000Hz特长波水下潜艇通信，电离层结构研究等甚低频(VLF)3～30kHz甚长波导航，声纳，时间与频率标准传递等低频(LF)30～300kHz长波无线电信标，导航等中频(MF)300～3000kHz中波调幅广播，海岸警戒通信，测向等高频(HF)3～30MHz短波电话、电报、传真；国际短波广播；业余无线电；民用频段；船-岸通信；船-空通信等甚高频(VHF)30～300MHz米波电视，调频广播，空中交通管制，出租汽车移动通信，航空导航信标等特高频(UHF)300～3000MHz分米波电视，卫星通信，无线电探空，警戒雷达，蜂窝移动通信，飞机导航等超高频(SHF)3～30GHz厘米波机载雷达，微波线路，卫星通信等极高频(EHF)30～300GHz毫米波短路径通信，雷达，卫星遥感等超极高频300～3000GHz亚毫米波短路径通信等6无线电波各频段的主要应用频段名称频率范围波段名称应用极低频(频谱（信道）是区别各种电波的重要依据。从几十兆到几千兆的频谱（信道）上，集中了各种不同的无线应用，而且这些无线电传播都使用同一个通信媒介——空气，所以为了保证各种无线通信之间不相互干扰，就需要对无线信道的使用进行必要的管理。ISM：国际通信联盟无线电通信局规定，此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用。7频谱（信道）是区别各种电波的重要依据。从几十兆到几千兆的频谱无线收发器结构：收发模块、收发天线、时钟晶振等。8无线收发器结构：收发模块、收发天线、时钟晶振等。8无

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构9调制/解调技术基带信号——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像的数据信号都属于基带信号。调制原因：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制（Modulate）——就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输形式的过程。已调信号——基带信号通过调制后的信号，频率高于基带信号，适合于信道传输。10调制/解调技术基带信号——来自信源的信号。像计算机输出的代表010011100基带信号调频调相调幅基本调制方法：调幅（AM）、调频（FM)、调相(PM)11010011100基带信号调频调相调幅基本调制方法：调幅（A解调（Demodulate)：从携带信息的已调信号中恢复信息的过程，是调制的逆过程。基带信号已调信号调制解调调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会产生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性。12解调（Demodulate)：从携带信息的已调信号中恢复信息数据传输方式按信息传输顺序分类一并行传输将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，优点是速度快，缺点是需要的信道多、设备复杂、成本高，适用于近距离通信，如计算机与其它高速数字设备。串行传输数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。如RS232C、USB等。发送设备接收设备……发送设备接收设备01013数据传输方式按信息传输顺序分类一并行传输将代表信息的数字序列按同步方式分类二异步传输以字符为单位的传输，每个字符的起始时刻可以是任意的，起始代码+字符代码+终止代码。收发双方的时钟信号不需要严格同步，传输效率较低，实现简单。同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，在一串数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的，传输效率高，但接收方为了从收到的数据流中正确区分每个信号码元，必须建立准确的时钟同步，实现比较复杂。14按同步方式分类二异步传输以字符为单位的传输，每个字符的起始时按信息传输方向与时间关系分类三单工任意时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信全双工任意时刻，信号既能从甲方向乙方传输，也能从乙方向甲方传输，甲乙双方可同时收发半双工任意时刻，信号可从甲方向乙方传输，或从乙方向甲方传输，但甲乙双方不能同时收发15按信息传输方向与时间关系分类三单工任意时刻，信号只能从甲方向通信技术指标通信系统性能优劣是由通信系统的各项技术指标决定的通信系统的技术指标非常复杂，包括的内容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、标准性、快速性、方便性、经济性、可维护性等诸多方面有些指标特性之间是相互矛盾的，此消彼长有效性和可靠性是评价通信系统性能的主要指标，但难以量化，可操作性不强16通信技术指标通信系统性能优劣是由通信系统的各项技术指标决定的3.4.1

工作速率一一衡量数据通信系统通信能力（1）调制速率调制速率（又称符号速串或码元速率（Nbd或fs）表示每秒传输信号码元的个数，单位为波特(Bd）。其计算公式为Nbd=1/T(2)数据传信速率（简称传信率）R（或fb）数据传信速率表示每秒传输的信息量，即比特个数或二进制码元的个数，单位为bit/s。传信速率可表示为R=NBdLog2M式说明了数据传信速率与调制速率之间的关系，V为传送的波形数。(3)数据传送速率数据传送速率为单位时间内在数据传输系统的相应设备之间实际传送的平均数据量，又称有效数据传输速率，单位为比特/秒（bit/s）、字符/秒或码组/秒。但在实际中.有效数据传送速率是小于数据传信速率的.173.4.1工作速率一一衡量数据通信系统通信能力173.4.2有效性指标-----频带利用率频带利用率η是描述数据传输速率和带宽之间关系的1个指标。它是单位时间内所能传输的信息速率，可表示为系统的传输速率/系统的頻带宽度（B），单位为Bd/HZ或bit/(s.Hz)η=NBd/Bη=R/B从以上可看出，若码元速率相同，加大M或减少B都可使頻带利用率提高。前者可采用多进制调制技术实现，后者可采用单边调制、部分响应等压缩发送信号频谱的方法。183.4.2有效性指标-----频带利用率18可靠性指标------传输的差错率（1）码元差错率码元差错率指正在传輸的码元总数中发生差错的码元数所占的比例（平均值），简称误码率，表示为Pe=N/MPS式表示码元差错率与错误接收码元数和码元传输总数的关系，M为码元传输总数，N为错误接收码元数。当统计的码元很大时，它与理论上的码元差错概率很接近，故用同一符号Pe表示。19可靠性指标------传输的差错率19(2)比特差错率

比特差错率指在传输的比特总数中发生差错的比特数所占的比例（平均值）也称误字符（码组）率。当统计的比特数很大时，比特差错率与理论上的比特差错率概率很接近，故用同一符号Peb表示。Pb=错误的比特数/传输的总比特数误字符（码组）率等于接收出现差错的字符（码组）数/总的发送字符（码组）数。20(2)比特差错率20有效性：用系统的传输频带宽度来衡量传输介质：一般都有足够的带宽容量对信号的处理方式：起决定性作用可靠性：用接收端最终输出的信噪比来评价模拟通信系统21有效性：用系统的传输频带宽度来衡量模拟通信系统21有效性：用信息传输速率（比特率/波特率）来衡量单位时间传输的码元（0/1）个数可靠性：用差错率衡量，包括误码率和误信率误码率(Ps)=错误的码元数/传输的总码元数误信率(Pb)=错误的比特数/传输的总比特数误码率(Ps)=误信率(Pb)？数字通信系统22有效性：用信息传输速率（比特率/波特率）来衡量数字通信系统2多路访问技术无线通信与有线通信存在许多差异：无线链路是通过相同的传输媒介——空气来传播无线电信号；无线通信的误码率比有线系统高几个数量级，RF链路的可靠性比有线链路低许多。为了实现在同一范围内多点间通讯，必须防止数据包在空气中的传输时相互碰撞，必须建立可靠的无线传输通路。FDMA/TDMA/CSMA/FHSS是无线通信中实行多路访问、提高信道效率和可靠性的常用技术23多路访问技术无线通信与有线通信存在许多差异：23频分多址（FDMA）访问技术频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA），即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，FDMA使信道容量可根据要求动态地进行交换。在FDMA系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个信道（2对频谱）才能实现双工通信。24频分多址（FDMA）访问技术频分多址（FrequencyD时分多址（TDMA）访问技术时分多址(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)是把时间分割成周期性帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。TDMA是在一个信道上对时间进行分配，让设备在不同的时间中完成数据的交互通信。TDMA较之FDMA具有通信信号质量高、保密性好，容量较大等优点，但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。设备A设备B设备A设备B时间TDMA25时分多址（TDMA）访问技术时分多址(TimeDivisiCSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）即载波侦听多路访问/冲突检测，工作原理：若媒体空闲，则传输；若媒体忙，一直监听直到信道空闲，然后立即传输；若在传输中监听到干扰，则发干扰信号通知所有站点，等候一段时间，再次传输。载波侦听（CSMA）访问技术设备A设备B频率CSMA26CSMA/CD（CarrierSenseMultipleCSMA比FDMA/TDMA能更好的利用资源：在发送数据之前，一直检测是否存在相同频率的载波。如果存在，就不发送数据；如果不存在，即可发送数据。不仅提高了资源利用效率，也提高了通信的可靠性。“先听后说，边说边听”CSMA/CD是一种分布式介质访问控制（MAC）协议，网中的各个站（节点）都能独立决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。如果两个以上的节点同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送失败。每个节点必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间，再重新争用介质，重发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统（如Ethernet）被广泛使用。27CSMA比FDMA/TDMA能更好的利用资源：在发送数据之前跳频通信（FHSS）访问技术跳频通讯(Frequency-HoppingSpreadSpectrum,FHSS)是抗干扰能力很强的通信方式之一，其原理与CSMA近似，但比CSMA的灵活性更大，能够更加合理的利用空间资源。28跳频通信（FHSS）访问技术跳频通讯(Frequency-H跳频通信过程中，发送端发送了数据包后，一定时间内如果没有回复，说明介质中有相同频率的载波存在。FHSS不会像CSMA一样进入等待状态，而是更换频道发送数据包，继续尝试有没有回复，如有回复就说明通信成功，这样就把通信频率从一个频道扩展到了一个频道上。跳频通信的关键技术是如何实现接收和发送端在改变频道过程中实现频道的一致同步，且在跳频过程中应当尽可能的少花费时间。FHSS和FDMA一样是一个多频率的通信方式。29跳频通信过程中，发送端发送了数据包后，一定时间内如果没有回复课后作业3-3，3-7，3-8补：什么是扩频通信技术？30课后作业3-3，3-7，3-8补：什么是扩频通信技术？30物联网技术概论电子信息系31物联网技术概论电子信息系1第三章无线通信系统通信系统结构调制解调技术数据传输方式通信技术指标多路访问技术32第三章无线通信系统通信系统结构2无线通信系统结构信息传播过程：信源信道信宿。无线通信系统：也称无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成，是利用无线电磁波实现信息和数据传输的系统。33无线通信系统结构信息传播过程：信源信道信宿。3344电磁波工作范围35电磁波工作范围5无线电波各频段的主要应用频段名称频率范围波段名称应用极低频(ELF)3～30Hz极长波地下通信，地下遥感，对潜通信等超低频(SLF)30～300Hz超长波地质结构探测，电离层研究，对潜通信等特低频(ULF)300～3000Hz特长波水下潜艇通信，电离层结构研究等甚低频(VLF)3～30kHz甚长波导航，声纳，时间与频率标准传递等低频(LF)30～300kHz长波无线电信标，导航等中频(MF)300～3000kHz中波调幅广播，海岸警戒通信，测向等高频(HF)3～30MHz短波电话、电报、传真；国际短波广播；业余无线电；民用频段；船-岸通信；船-空通信等甚高频(VHF)30～300MHz米波电视，调频广播，空中交通管制，出租汽车移动通信，航空导航信标等特高频(UHF)300～3000MHz分米波电视，卫星通信，无线电探空，警戒雷达，蜂窝移动通信，飞机导航等超高频(SHF)3～30GHz厘米波机载雷达，微波线路，卫星通信等极高频(EHF)30～300GHz毫米波短路径通信，雷达，卫星遥感等超极高频300～3000GHz亚毫米波短路径通信等36无线电波各频段的主要应用频段名称频率范围波段名称应用极低频(频谱（信道）是区别各种电波的重要依据。从几十兆到几千兆的频谱（信道）上，集中了各种不同的无线应用，而且这些无线电传播都使用同一个通信媒介——空气，所以为了保证各种无线通信之间不相互干扰，就需要对无线信道的使用进行必要的管理。ISM：国际通信联盟无线电通信局规定，此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用。37频谱（信道）是区别各种电波的重要依据。从几十兆到几千兆的频谱无线收发器结构：收发模块、收发天线、时钟晶振等。38无线收发器结构：收发模块、收发天线、时钟晶振等。8无

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构9调制/解调技术基带信号——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像的数据信号都属于基带信号。调制原因：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制（Modulate）——就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输形式的过程。已调信号——基带信号通过调制后的信号，频率高于基带信号，适合于信道传输。40调制/解调技术基带信号——来自信源的信号。像计算机输出的代表010011100基带信号调频调相调幅基本调制方法：调幅（AM）、调频（FM)、调相(PM)41010011100基带信号调频调相调幅基本调制方法：调幅（A解调（Demodulate)：从携带信息的已调信号中恢复信息的过程，是调制的逆过程。基带信号已调信号调制解调调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会产生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性。42解调（Demodulate)：从携带信息的已调信号中恢复信息数据传输方式按信息传输顺序分类一并行传输将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，优点是速度快，缺点是需要的信道多、设备复杂、成本高，适用于近距离通信，如计算机与其它高速数字设备。串行传输数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。如RS232C、USB等。发送设备接收设备……发送设备接收设备01043数据传输方式按信息传输顺序分类一并行传输将代表信息的数字序列按同步方式分类二异步传输以字符为单位的传输，每个字符的起始时刻可以是任意的，起始代码+字符代码+终止代码。收发双方的时钟信号不需要严格同步，传输效率较低，实现简单。同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，在一串数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的，传输效率高，但接收方为了从收到的数据流中正确区分每个信号码元，必须建立准确的时钟同步，实现比较复杂。44按同步方式分类二异步传输以字符为单位的传输，每个字符的起始时按信息传输方向与时间关系分类三单工任意时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信全双工任意时刻，信号既能从甲方向乙方传输，也能从乙方向甲方传输，甲乙双方可同时收发半双工任意时刻，信号可从甲方向乙方传输，或从乙方向甲方传输，但甲乙双方不能同时收发45按信息传输方向与时间关系分类三单工任意时刻，信号只能从甲方向通信技术指标通信系统性能优劣是由通信系统的各项技术指标决定的通信系统的技术指标非常复杂，包括的内容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、标准性、快速性、方便性、经济性、可维护性等诸多方面有些指标特性之间是相互矛盾的，此消彼长有效性和可靠性是评价通信系统性能的主要指标，但难以量化，可操作性不强46通信技术指标通信系统性能优劣是由通信系统的各项技术指标决定的3.4.1

工作速率一一衡量数据通信系统通信能力（1）调制速率调制速率（又称符号速串或码元速率（Nbd或fs）表示每秒传输信号码元的个数，单位为波特(Bd）。其计算公式为Nbd=1/T(2)数据传信速率（简称传信率）R（或fb）数据传信速率表示每秒传输的信息量，即比特个数或二进制码元的个数，单位为bit/s。传信速率可表示为R=NBdLog2M式说明了数据传信速率与调制速率之间的关系，V为传送的波形数。(3)数据传送速率数据传送速率为单位时间内在数据传输系统的相应设备之间实际传送的平均数据量，又称有效数据传输速率，单位为比特/秒（bit/s）、字符/秒或码组/秒。但在实际中.有效数据传送速率是小于数据传信速率的.473.4.1工作速率一一衡量数据通信系统通信能力173.4.2有效性指标-----频带利用率频带利用率η是描述数据传输速率和带宽之间关系的1个指标。它是单位时间内所能传输的信息速率，可表示为系统的传输速率/系统的頻带宽度（B），单位为Bd/HZ或bit/(s.Hz)η=NBd/Bη=R/B从以上可看出，若码元速率相同，加大M或减少B都可使頻带利用率提高。前者可采用多进制调制技术实现，后者可采用单边调制、部分响应等压缩发送信号频谱的方法。483.4.2有效性指标-----频带利用率18可靠性指标------传输的差错率（1）码元差错率码元差错率指正在传輸的码元总数中发生差错的码元数所占的比例（平均值），简称误码率，表示为Pe=N/MPS式表示码元差错率与错误接收码元数和码元传输总数的关系，M为码元传输总数，N为错误接收码元数。当统计的码元很大时，它与理论上的码元差错概率很接近，故用同一符号Pe表示。49可靠性指标------传输的差错率19(2)比特差错率

比特差错率指在传输的比特总数中发生差错的比特数所占的比例（平均值）也称误字符（码组）率。当统计的比特数很大时，比特差错率与理论上的比特差错率概率很接近，故用同一符号Peb表示。Pb=错误的比特数/传输的总比特数误字符（码组）率等于接收出现差错的字符（码组）数/总的发送字符（码组）数。50(2)比特差错率20有效性：用系统的传输频带宽度来衡量传输介质：一般都有足够的带宽容量对信号的处理方式：起决定性作用可靠性：用接收端最终输出的信噪比来评价模拟通信系统51有效性：用系统的传输频带宽度来衡量模拟通信系统21有效性：用信息传输速率（比特率/波特率）来衡量单位时间传输的码元（0/1）个数可靠性：用差错率衡量，包括误码率和误信率误码率(Ps)=错误的码元数/传输的总码元数误信率(Pb)=错误的比特数/传输的总比特数误码率(Ps)=误信率(Pb)？数字通信系统52有效性：用信息传输速率（比特率/波特率）来衡量数字通信系统2多路访问技术无线通信与有线通信存在许多差异：无线链路是通过相同的传输媒介——空气来传播无线电信号；无线通信的误码率比有线系统高几个数量级，RF链路的可靠性比有线链路低许多。为了实现在同一范围内多点间通讯，必须防止数据包在空气中的传输时相互碰撞，必须建立可靠的无线传输通路。FDMA/TDMA/CSMA/FHSS是无线通信中实行多路访问、提高信道效率和可靠性的常用技术53多路访问技术无线通信与有线通信存在许多差异：23频分多址（FDMA）访问技术频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA），即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上。把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，FDMA使信道容量可根据要求动态地进行交换。在FDMA系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个信道（2对频谱）才能实现双工通信。54频分多址（FDMA）访问技术频分多址（FrequencyD时分多址（TDMA）访问技术时分多址(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)是把时间分割成周期性帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。TDMA是在一个信道上对时间进行分配，让设备在不同的时间中完成数据的交互通信。TDMA较之FDMA具有通信信号质量高、保密性好，容量较大等优点，但它