第2章 无线传输技术基础

第2章无线传输技术基础内容提要2．1无线传输媒体2．2天线2．3传播方式2．4直线传输系统中的损伤2．5移动环境中的衰退2．6多普勒效应2．7信号传输技术2．8扩频技术2．9差错控制技术2．1无线传输媒体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。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(wirelesstransmission)无线传输媒体数据传输的特性及传输质量取决于传输媒体的性质和传输信号的特性对于导向媒体，传输受到的限制主要取决媒体本身。对非导向传输媒体，发送天线生成的信号带宽比媒体更重要。比如天线发射的信号有一个重要属性是方向性，通常低频信号是全向的，当频率较高时信号能被聚集成为有向波束人耳对2000－5000HZ的频率范围感受力最强，但人说话声音频率一般在300－700HZ之间电信用的电磁波频谱感兴趣的3个频段微波：1GHz~100GHz，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。无线电广播频段：30MHz～1GHz，适用于全向应用。红外线频谱段：3×1011Hz～2×1014Hz，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。2．1．1地面微波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，通过地面接力站中继。用于建筑物之间的点对点线路。常见的用于传输的频率范围为2GHz～40GHz。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。地面微波无线电微波通信在数据通信中占重要地位。在100MHz以上的频段内，无线电波几乎按直线进行传播，而且这样的电磁波可以被汇集成一束窄窄的波束，因此它可以通过抛物线形状的天线接收。而微波的频率范围为300MHz～300GHz，在这个范围内，它在空中主要沿直线传播，可经电离反射到很远的地方。同时，由于微波在空中是直线传播，而地球表面是个曲面，因此传输距离受到限制。由于微波是按照近似直线的方式进行传播的，所以，如果两个站点间相距太远，那么地球本身就会阻碍电磁的传输，因此在中间每隔一段距离就需要安装一个中继器来使电磁波传输得更远。中继器间的距离大约与站高的平方根成正比，如果站高为100m，则中继器之间的距离可以约为80km（距离一般在50～100km之间）。这种微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。地面微波地面微波接力通信的主要优点如下。

容量大

由于微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。质量高

因为工业干扰和电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高。

投资小

与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。微波接力通信的缺点如下。

容易失真

与代频的无线电传输不同的是，微波并不能很好地穿透建筑物，而且微波即使在发射器处已经会聚，但在空气中仍然会有一些散发。所以在微波通信中，相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线（称为“多径衰减”），因而造成失真。易受环境因素影响

微波的传播性能有时也会受到恶劣气候的影响，如雨水天气。因为微波只有几厘米的波长，因而容易被水吸收。安全性差

与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。

维护难度大

对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。

典型的数字微波性能波段/GHz带宽/MHz数据率/Mb/s271263090114013518220274地面微波（续1）微波传输的主要损耗来源于衰减。微波(以及无线电广播频段)的损耗公式微波的损耗随距离的平方而变化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。地面微波（续2）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。频率越高，使用的天线就越小、越便宜。2．1．2卫星微波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。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。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）卫星传输的最佳频率范围为1GHz～10GHz。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。2．1．3广播无线电波

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。无线电波(Radio)是笼统术语，频率范围为3KHz~300GHz。非正式术语广播无线电波(broadcastradio)包括VHF频段和部分的UHF频段：30MHz～1GHz。广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。2．1．4红外线

红外线传输不能超过视线范围，距离短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。红外线不需要频率分配许可。2．1．5光波频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波。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。激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。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。2．2天线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。2．2．1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。理想的辐射模式2．2．2天线类型偶级天线抛物反射天线简单（偶级）天线偶级天线散射模式抛物线反射天线2．2．3天线增益

天线增益(antennagain)是天线定向性的度量。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。在一给定方向上增加辐射功率是以降低其它方向功率为代价的.天线增益主要是为了定向性天线增益与有效面积的关系：

G=antennagain—增益Ae

=effectivearea—有效面积f=carrierfrequency—载波频率c=speedoflight(»3´108m/s)—光束

=carrierwavelength---载波波长举例一个直径为2M的抛物线反射天线，工作频率是12GHZ，有效面积和天线增益是多少？根据公式：A=πr2Ae=0.56A波长

λ=C/F=0.025m,G=(7A)/λ2=35186将G取对数再乘10之后得到Gdb=45.46db2．3传播方式由天线辐射出去的信号以三种方式传播：地波(groundwave)：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(skywave)：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(lineofsight)：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。无线传播类型各种频率范围的应用2．4直线传输系统中的损伤衰减和衰减失真(attenuationandattenuationdistortion)自由空间损耗(freespaceloss)噪声(noise)大气吸收(atmosphericabsorption)多径(multipath)折射(refraction)直线传播的距离Opticallineofsight---没有任何站障碍物的情况下**Effective,orradio,lineofsight**d=distancebetweenantennaandhorizon(km)h=antennaheight(m)K=adjustmentfactortoaccountforrefraction,ruleofthumbK=4/3实际的计算公式MaximumdistancebetweentwoantennasforLOSpropagation:h1=heightofantennaoneh2=heightofantennatwo**举例5.2P83（无线通信与网络）直线传输带来的各种损伤对模拟信号来说，损伤所带来的各种随机修改降低了信号的质量。对数字信号来说会带来差错，1变成0或反之。这些损伤包括如下**：Attenuationandattenuationdistortion---衰减和衰减失真Freespaceloss---自由空间损耗Noise---噪声Atmosphericabsorption—大气吸收Multipath—多径Refraction—折射Attenuation信号的强度会随所跨越的任一传输媒介的距离而降低。这种强度上的降低称为衰减，对于导向媒介通常是一个指数值，表示为单位距离一个固定的分贝数。对非导向媒介，衰减是一个更复杂的距离函数。Strengthofsignalfallsoffwithdistanceovertransmissionmedium---与距离的关系**衰减带来的以下三个影响因素很重要Attenuationfactorsforunguidedmedia:接收信号的强度:Receivedsignalmusthavesufficientstrengthsothatcircuitryinthereceivercaninterpretthesignal相对噪声的接收信号:Signalmustmaintainalevelsufficientlyhigherthannoisetobereceivedwithouterror高频下的衰减Attenuationisgreaterathigherfrequencies,causingdistortion如何解决以上问题呢?前两个因素通过对信号强度的关注并使用放大器或中继器解决采用使跨一频带的衰减均等化的技术,有一种方法是使用放大器,与低频部分相比更多的放大高频部分FreeSpaceLoss—自由空间损耗任何一种无线通信中,信号都会随距离发散信号随距离的增加会在越来越大的面积范围内散布.这种形式的衰减称为自用空间损耗**Freespaceloss,idealisotropicantenna–全向天线**Pt=signalpowerattransmittingantennaPr=signalpoweratreceivingantenna

=carrierwavelengthd=propagationdistancebetweenantennasc=speedoflight(»3´108m/s)wheredandareinthesameunits(e.g.,meters)自由空间损耗Freespacelossequationcanberecast:自由空间损耗图表对有些天线还要考虑天线的增益时的FreeSpaceLossFreespacelossaccountingforgainofotherantennasGt=gainoftransmittingantennaGr=gainofreceivingantennaAt=effectiveareaoftransmittingantennaAr=effectiveareaofreceivingantennaFreeSpaceLoss如果天线的尺寸和间距相同的话，载波的波长越长（频率越低），损耗就越高。等式5.2表明:随着频率的增加,自由空间的损耗也增加,说明频率越高,损耗变得更加难以接受.5.3却表明:可以很容易用天线增益对这部分增加的损耗加以补偿.结论:等式5.2说明当距离固定定时,频率增加所导致的损耗为20lgf。如果考虑天线增益及固定的天线面积，则损耗变为-20lgf，即在较高的频率处存在损耗的减少。例子5.3CategoriesofNoise–噪声及分类传输信号可能会被传输系统所产生的各种失真修改，还包括在之间插入的不希望有的额外信号，即所谓的噪声。可分为四类**ThermalNoise—热噪声Intermodulationnoise—互调噪声Crosstalk—串扰ImpulseNoise---脉冲噪声热噪声Thermalnoiseduetoagitationofelectrons：由于电子的热搅动产生的。在所有的电子设备和传输媒介中存在。PresentinallelectronicdevicesandtransmissionmediaCannotbeeliminatedFunctionoftemperature---是温度的函数Particularlysignificantforsatellitecommunication---卫星通信中尤其显著。热噪声的计算在任一设备或导体中1HZ的带宽上的热噪声是Amountofthermalnoisetobefoundinabandwidthof1Hzinanydeviceorconductoris:（1HZ的带宽上的热噪声）**N0=noisepowerdensityinwattsper1Hzofbandwidth—噪声功率密度---按瓦特计算k=Boltzmann‘sconstant=1.3803X10-23J/K---波尔兹曼常量T=temperature,inkelvins(absolutetemperature)---温度，按开氏计热噪声的计算Noiseisassumedtobeindependentoffrequency—与频率无关的ThermalnoisepresentinabandwidthofBHertz(inwatts):or,indecibel-wattsNoiseTerminology—其它噪声互调噪声---Intermodulationnoise–occursifsignalswithdifferentfrequenciessharethesamemediumInterferencecausedbyasignalproducedatafrequencythatisthesumordifferenceoforiginalfrequencies在传送器、接收器或传输系统之间存在某种非线性时产生互调噪声。串扰----Crosstalk–unwantedcouplingbetweensignalpaths---不希望有的信号路径的藕合。因电子偶合产生的。也可能是微波天线接受了并不想要的信号产生的。脉冲噪声---Impulsenoise–irregularpulsesornoisespikes---不规则的脉冲或短期的噪声尖峰和相当高的振幅所组成。ShortdurationandofrelativelyhighamplitudeCausedbyexternalelectromagneticdisturbances,orfaultsandflawsinthecommunicationssystem---如闪电、通信系统中的错误和缺陷等。对模拟信号影响不大，但对数字信号会产生破坏。大气吸收大气吸收--Atmosphericabsorption–watervaporandoxygencontributetoattenuation,水蒸气所产生的衰减的峰值在22GHZ附近.氧气的存在会导致在60GHZ附近的吸收峰值.雨和雾会引起无线电波的散射,导致衰减.为减少在较大雨量的地区的衰减或者将路径的长度变短或者使用低频带.2．5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。反射(R)、散射(S)和衍射(D)反射产生的地面波和直线波可能趋向于抵消,从而产生较高的信号损耗。由于移动天线比大多数人造建筑要低，因而会产生多径干扰，发射波对接收端会产生积极的或消极的干扰。第一个脉冲是我们希望的LOS信号。由于大气衰减，脉冲的量会改变。随着移动单元向固定天线更远，LOS衰减的程度会增加。又由于反射、衍射、及散射的影响，存在多个次要的脉冲。脉冲的一个或多个副本可能会与主脉冲同时到达。对于后来的主脉冲来说像是一种噪声，会使信息的恢复更加困难存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲

衰退类型移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速衰退效果也可以分为平面的或选择性的。平面衰退(flatfading)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(selectivefading)无线电信号的不同光谱成分的影响是不相等的。差错补偿机制1．前向纠错2．自适应均衡3．分集技术2．6多普勒效应多普勒效应是为纪念ChristianDoppler而命名的。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λ，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)/λ，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为(v-c)/λ。多普勒效应（续）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。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。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。2.7信号传输技术

传输--AnalogTransmission模拟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就是传输系统的功能。模拟传输是传输模拟信号的一种方法,信号可能代表模拟数据也可能代表数字数据，其特征及方法：Transmitanalogsignalswithoutregardtocontent--传输时不考虑内容在传输时的衰减很厉害:Attenuationlimitslengthoftransmissionlink---因此距离有有限通常要采用级联放大器Cascadedamplifiersboostsignal’senergyforlongerdistancesbutcausedistortionAnalogdatacantoleratedistortion—模拟信号可以忍受失真Introduceserrorsindigitaldata---对数字数据误差就很大。DigitalTransmission---数字传输传输的是数字信号其特征及方法：与信号的内容有关ConcernedwiththecontentofthesignalAttenuationendangersintegrityofdataDigitalSignal---要靠中继器来接力RepeatersachievegreaterdistanceRepeatersrecoverthesignalandretransmit2.7.1AboutChannelCapacity—信道容量有多种形式的损伤可能导致信号的失真哪些呢？噪声。与信号混合在一起使供传送和接收用的信号失真。。现在所要讨论是损伤对数据率带来的限制会到什么程度？Fordigitaldata,towhatextentdoimpairmentslimitdatarate?—如何评估?**信道容量--ChannelCapacity–themaximumrateatwhichdatacanbetransmittedoveragivencommunicationpath,orchannel,undergivenconditionsConceptsRelatedtoChannelCapacity与信道容量相关的四个因素**Datarate-rateatwhichdatacanbecommunicated(bps)—数据能够进行通信的速率。Bandwidth-thebandwidthofthetransmittedsignalasconstrainedbythetransmitterandthenatureofthetransmissionmedium(Hertz)—传输信号的带宽。Noise-averagelevelofnoiseoverthe–平均噪声电平错误率Errorrate-rateatwhicherrorsoccurError=transmit1andreceive0;transmit0andreceive1实际情况是：通信设备的带宽越高费用越高。带宽的限制起因于传输媒体的物理特性，有时候会故意限制以防止其它干扰源的干扰。，对数字数据来说，希望在给定的带宽条件下尽可能提供数据率。2.7.2NyquistBandwidth—尼奎斯特带宽首先假设信道无噪声.数据率的限制仅仅来自信号的带宽**Forbinarysignals(twovoltagelevels)—对只有两个值的电平信号C=2B---可传输的最大信号速率。B是带宽Withmultilevelsignaling---对于多电平信号**C=2Blog2

MM=numberofdiscretesignalorvoltagelevels--;;离散信号或电压电平的个数.基本结论:对于给定的带宽,可以通过增加不同信号单元的个数来提高数据率,但会增加接收器的负担,因为,在每个信号单元时间内,它不再只是从两个可能的信号单元中区分出一个,而是必须从M个可能的信号中区分出一个来.关于信噪比Signal-to-NoiseRatio噪声对数字信号产生的影响.所有这些概念可以通过一个公式简洁地联系在一起.Ratioofthepowerinasignaltothepowercontainedinthenoisethat’spresentataparticularpointinthetransmission---**它是信号功率与在传输的某一特定点处呈现的噪声中包含的功率的比率TypicallymeasuredatareceiverSignal-to-noiseratio(SNR,orS/N)---信噪比,是信号功率与在传输的某一特定点处呈现的噪声中包含的功率的比率.AhighSNRmeansahigh-qualitysignal,lownumberofrequiredintermediaterepeatersSNRsetsupperboundonachievabledatarate**2.7.3**香龙容量公式ShannonCapacityFormulaEquation:C是信道容量,单位是b/s,B信道带宽单位是HZRepresentstheoreticalmaximumthatcanbeachievedInpractice,onlymuchlowerratesachievedFormulaassumeswhitenoise(thermalnoise)Impulsenoiseisnotaccountedfor—冲击噪声没有考虑Attenuationdistortionordelaydistortionnotaccountedfor—也没有考虑到衰减失真或时间延迟.举例说明ExampleofNyquistandShannonFormulationsSpectrumofachannelbetween3MHzand4MHz;SNRdB=24dBUsingShannon’sformula举例说明ExampleofNyquistandShannonFormulations上面数据是理论能达到的最大值.Howmanysignalinglevelsarerequired?—要求的信号电平是多少呢?模拟数据和数字数据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。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模拟信号和数字信号数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点模拟信号(analogsignal)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、无线空间数字信号(digitalsignal)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。数字信号的优缺点优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的干扰。缺点：比模拟信号的衰减要严重模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号

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。模拟数据的调制技术：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。模拟数据数字化2.8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(frequencyhopping)，更新的一种技术是直接序列(directsequence)。表面上浪费频谱的方法却可以带来诸多好处：从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性可以隐藏和加密信息几个用户可以独立使用同样的较高的带宽。扩频数字通信系统的一般模型跳频扩频在跳频扩频(frequencyhoppingspreadspectrum，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。直接序列扩频直接序列扩频(directsequencespreadspectrum，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(spreadingcode)。这种扩展编码将信号扩展到更宽的频带