第2讲 无线传输技术基础.ppt

1、第2讲 无线传输技术基础,内容提要,本章主要介绍了无线网络中的各种传输媒体、传输方式、传输系统中的损伤与衰退和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,21 无线传输媒体（重点） 22 天线 23 传播方式 24 直线传输系统中的损伤（重点） 25 移动环境中的衰退 26 多普勒效应 27 信号编码技术（重点） 28 扩频技术 29 差错控制技术,21 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

2、物理路径。（空气） 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) 无线通信和无线网络则使用非导向传输介质，包括无线电、微波、红外线、毫米波、光波等。,数据传输的特性以及传输质量取决于传输媒体的性质和传输信号的特性。 非导向传输媒体：信号带宽比媒体本身更为重要。 低频信号是全向的； 频率较高时，信号形成有向波束。,21 无线传输

3、媒体,无线电频谱,无线电频谱特点 有限性 排它性 复用性 非耗尽性 传播性 易干扰性,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。,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2.4

4、2.4835GHz主要开放给这三类机构使用，该频段是依据FCC的定义，无需许可证授权，属于免费使用。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。,2.2,2.3,2.4,2.5,2.7,2.9GHz,FCC在2.4GHz的ISM波段上的频谱分配,电信用的电磁波频谱,感兴趣的3个频段,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。 无线电广播频段：30MHz1GHz，适用于全向应用。 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。,211 地

5、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。,典型的数字微波性能,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 d:距离， 波长， 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,地面微波,长途电信系统最常用的频段位于：4GHz6GHz，现在新开通了11GHz频段。 频率越高衰减越大，较高的

6、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。,地面微波通信通常在视距范围内进行，收发双方一般为两个互相对准方向的抛物面天线。,地面微波通信的优点 容量大 质量高 成本低 地面微波通信的缺点 易失真 易受环境影响 安全保密性差 维护成本,212 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,卫星传输的最佳

7、频率范围为1GHz10GHz。 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。,卫星的频带范围： 4/6GHz，最佳频带范围 上行：5.925GHz6.425GHz 下行：3.7GHz4.2GHz 新出现：12/14GHz 计划使用：20/30GHz,卫星微波,卫星微波通信的优点： 范围大、距离远；不易受地面灾害影响；建设快，通信费用和距离无关；易实现广播和多址通信。 卫星微波通信的不足： 信号传输有时延，天线受太阳噪声影响，安全保

8、密性较差，卫星本身造价高，等等。,213 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3KHz300GHz。 非正式术语广播无线电波(broadcast radio) 包括VHF频段和部分的UHF频段：30MHz1GHz。,30MHz1GHz的频带范围是广播通信的有效频段。 电离层对高于30MHz的无线电波是透明的。 广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。,214 红外线,红外线通信是以红外线为载体进行数据传输的通信方式；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

9、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。,红外线通信特点： 红外线通信使用收发器调制出互不相干的红外线，就可实现通信； 红外线通信不易被发现和截获，保密性强； 红外线通信几乎不受电磁、人为干扰，抗干扰性强； 红外线通信机体积小、重量轻、结构简单、价格低廉。,笔记本电脑进行红外线通信,215 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

10、。,22 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。,天线, 发送方先将信号通过馈线(电缆)输送到天线，再以电磁波形式辐射出去 接收方在电磁波到达后，由天线吸收下来(仅接收极小一部分功率)，通过馈线送至无线电接收机。 天线的型号、增益、方向图、驱动功率、极化等都是影响通信系统性能的因素之一,221 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。 各向同性天线（全向天线）

11、的辐射模式是以天线为中心的一个球体。,理想的辐射模式,与天线位置的相对距离决定相对功率。,B方向功率强,天线的分类 按用途分 通信天线、电视天线、雷达天线等。 按工作频段分 短波天线、超短波天线、微波天线等 按方向性分 全向天线、定向天线等 按外形分 线状天线、面状天线等,222 天线类型,222 天线类型,偶级天线 抛物反射天线,简单（偶级）天线,半波偶级天线由等长度的两个在同一直线上 的导线组成。,应用于汽车无线电或便携无线电,偶级天线散射模式,天线的主要强度在x方向上,抛物线反射天线,通常用于地面微波和卫星。天线的直径越大，波束更加密集地定向。,焦点,223 天线增益,天线增益(ante

12、nna gain)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。天线增益主要是为了定向性。 天线增益与有效面积的关系：,天线的有效面积，f：载波频率，c：光速,天线的主要指标 天线增益 方向图 极化 其它技术指标 电压驻波比、端口隔离度、回波损耗、无源互调等,23 传播方式,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

13、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。,无线传播类型,地波传播,地波传播频带：达到2MHz，不能穿透大气层 形成原因： 电磁波在地球表面产生的电流； 衍射，传播过程中的障碍物形成。 应用：调幅（AM）无线电,天波传播,应用：天线电业余爱好者，民用波段无线电，国际广播 形成方式： 被电离层和地球表面层反射，产生折射,直线传播,频率：30MHz以上，不会被电离层反射 直线传播过程中形成折射（refraction）现象，由于传输媒介的密度不同的原因。,讨论,根据电磁波频谱，分析电磁波中各频率波段的特点，并列

14、出相关的应用。,24 直线传输系统中的损伤,直线传输系统中主要的损伤： 衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion) 自由空间损耗(free space loss) 噪声(noise) 大气吸收(atmospheric absorption) 多径(multi path) 折射(refraction),24 直线传输系统中的损伤,衰减：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函数。 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。 衰减失真：高频下的衰减引起的失真。 自由空间损耗：信号随距离增加会

15、在越来越大的面积范围内散布，该衰减称自由空间损耗，可表示为发射功率与天线的接收功率之比。,噪声 热噪声 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 互调噪声 不同频率的信号共享相同介质时，会产生互调噪声 串扰噪声 不同信号路径间的融合 脉冲噪声 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,大气吸收：信号在传输过程中由于水蒸气和氧气的吸收产生的衰减。 多径：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，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。 折射： 信号在不同密度介质中传输产生的

16、衰减。,讨论,1、比较无线电波信号的三种传播方式。 2、分析直线传输系统中各种损伤产生的原因。,25 移动环境中的衰退,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。,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。 多径传播机制分为3种：反射、散射和衍射 移动通信中的衰退效果可分为快速或慢速 衰退效果也可分为平面或选择性,2.5.1 多径传播,反射(R)、散射(S)和衍射(D)效果 P40,存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲,2.5.2 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

17、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。,2.5.3 差错补偿机制,1前向纠错 forward error correction 2自适应均衡 adaptive equalization 3分集技术 diversity technology,补偿因多路径衰退所导致的差错和失真主要有三种方法：,2.5.3 差错补偿机制,1前向纠错 (Forward Error Correction,FEC) 前向纠错也叫前向纠错码，是增加数据通讯可信

18、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。 FEC 是利用数据进行传输冗长信息的方法，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。 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。,2.5.3 差错补偿机制,3分集技术 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来补偿差错的影响。 可分三种： 空间分集：space diversity 时间分集：time diversity 频率分集：frequency d

19、iversity,26 多普勒效应,多普勒效应是为纪念Christian Doppler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，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)/。,多普勒效应,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IEE

20、E802.20)必须考虑多普勒效应。,27 信号编码技术,2.7.1 数据、信号和传输的模拟与数字之分 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。 数据(data)定义为传达某种意义或信息的实体 信号(signal)是数据的电气或电磁表示 传输(transmission)是通过信号的传播和处理进行数据通信的过程,1、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,2、模拟信号和

21、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(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 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。,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,数字信号的衰减,语音信号的标准频谱范围是：300Hz3400Hz,模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号,3、数据的信号表示,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

22、编码为数字信号的设备不那么复杂且不昂贵。 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。 数字数据，模拟信号：有些传输媒体，例如光纤和卫星只传输模拟信号。 模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易被转换为模拟信号。,数据和信号,4、模拟传输和数字传输,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 模拟传输(analog transmission)是传输模拟信号的方法，它不考虑信号的内容。 数字传输(digital transmission)与信号的内容有关,信号的处理,272 信号编码准则,对任一给定的通信任务来说，选择一

23、种特定的组合的理由是不同的，而后3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。 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。,数据传输术语,信号编码准则,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。 数据率增加，误码率也增加； 信噪比增加，则误码率减少； 增加带宽，

24、可增加数据率。 编码机制也可以用来改进传输性能 编码机制是一种简单的从数据位到信号元素的映射关系。,2.7.3 数字数据与模拟信号,最常用的应用是通过公用电话网传输数字数据。 电话网并不适用于处理来自用户端的数字信号。 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。 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),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

25、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)。,2.7.5 模拟数据与数字信号,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)。 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。,模拟数据数字化,2.8 扩频技术,扩频技术（spread spectrum）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。 扩频即可用于传输模拟数据，又可用于传输数字数据。 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)。,扩频数字通信系统的一般模型,跳频扩频,在跳频扩频(frequency hop