《无线传输技术基础》PPT课件.ppt

第2章 无线传输技术基础,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,21 无线传输媒体,定义：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(wireless transmission),特性数据传输的特性取决于传输媒体的性质和传输信号的特性导向媒体：传输受限于媒体自身的性质（如铜缆的材料衰减特性、容抗、感抗、阻抗、线径、波导形式、距离等）非导向媒体：传输主要受限于天线,天线在无线信号传播中的作用中低频信号：波长很长，难以用常规尺寸来制作定向天线高频微波信号：可以用较小的尺寸来做定向发送天线,对于非导向媒体，发送和接收都是通过天线实现的发送：天线将电磁能量发射到媒体中（空气）接收：天线从其周围媒体获取电磁波因此，天线是一种收发电磁波能量的装置,射频概念无线电频率简称射频（RF），侠义的射频频段指3KHz到300GHz的无线谱段，目前真正可用于无线通信的商业化RF谱段不过集中在30MHz到40GHz，这是微波谱段的一部分，分别是VHF、UHF、SHF三个带，在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。,思考：你熟悉的调频收音机频率有哪些波段？为什么目前的广播电视塔上都要使用全向天线广播？,电信用的电磁波频谱,无线频谱略表,由于种种原因，在一些欧、美、日等西方国家常常把目前可用的微波波段分为L、S、C、X、Ku、K、Ka等波段（或称子波段）,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。,广义的射频也包括红外线频谱，但红外线传输路径上不能有任何阻挡，它无法远距离应用，只能用在超短程室内无线电场合,211 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。,微波中继系统组成框图,典型的数字微波性能,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。,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（续）,卫星传输的最佳频率范围为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。,目前卫星通信使用微波频段，大多数卫星通信系统选择在下列频段工作：L波段：1.6/1.5GHz C波段：6.0/4.0GHz X波段：8.0/7.0GHz K波段：14.0/12.0GHz 14.0/11.0GHz 30/20GHz,现代移动通信网络技术,23,213 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。广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。,广播无线电波（续）,电离层对30MHz以上的无线电波不能反射，基本是透明的，因此这一频段需视距传播。雨衰问题在1GHz频段并不明显，它主要对26GHz频段影响大随着距离的拉远电波衰减服从等式 由于广播无线电频率低、波长较长，因此电波随距离的衰减较小，它主要怕多径干扰,214 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。,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，白天太阳的热量使气流上升也会激光束产生偏差。,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。,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。,理想的辐射模式,222 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,223 天线增益,天线增益(antenna 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。天线增益与有效面积的关系：,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,传输损伤使得任何传输系统收端接到的信号都不可能完全是其发端发送的信号；对模拟系统而言，这种损伤降低了信号质量；而对数字系统的0、1来说，它很有可能导致对数位取值的判断完全相反对于无线网络，我们主要关心无线直线传播模式，在直线模式下，主要的损伤如下：,24 直线传输系统中的损伤,1、衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion)2、自由空间损耗(free space loss)3、噪声(noise)4、大气吸收(atmospheric absorption)5、多径(multi path)6、折射(refraction),1、衰减和衰减失真：信号强度随跨越距离而发生逐渐降低的现象就是衰减，它是距离的函数；衰减主要带来3大影响：接收信号必须有足够强度，在系统灵敏度所能忍受的范围内 接收信号必须有足够信噪比，以保证系统能正确解析 高频信号最易因衰减而失真，但高频信号加载大功率难度较低频大,2、自由空间损耗：在理想媒质中，信号向自由空间发散也会因距离而逐渐减弱Ld=20lgf+20lgd-147.56（dB）f:MHzd:m,3、噪声:噪声有如下四类：热噪声（thermal noise）互调噪声（intermodulation noise）串扰（crosstalk）脉冲噪声（impulse noise）,热噪声：由电子热扰动产生的系统热噪声当然是温度的函数，它在系统工作的整个频谱段上是均匀分布的，与频率无关，因此又称为白噪声（white noise）在任一设备或导体中，1Hz带宽热噪声为：No=KTNo1Hz带宽按瓦特计的噪声功率K波尔兹曼常数=1.380310-23J/KT 开氏绝对温度,因此，在整个工作带宽为B的频率区间总的热噪声为：N=KTB按dBW计则有：N=10lgK+10lgT+10lgB=-228.6(dBW)+10lgT+10lgB,互调噪声：当两个不同的频率成分同时在向异质媒质或同质媒质传输时，由于媒质间存在非线性，在交界面必会产生互调，两频互调干扰噪声谱具有特定的频率，刚好是两个频率的累加和或差放大电路互调噪声与其输出信号强度有极大正相关关系,串扰和脉冲干扰：串扰是两路信号在线路中互耦，或因信道间隔不理想、频率间隔不理想等原因产生的信号混淆，在一些公共频段如ISM频段，或大功率无屏蔽线路中易产生串扰脉冲干扰通常存在一些不确定，任何外系统的电磁脉冲尖峰都有可能串入信道中，形成短时间的强烈干扰，然而当我们试图捕获它时又不太容易,4、大气吸收：某些频率较多地受到大气吸收的影响，主要是水蒸气和大分子的氧气水蒸气所产生的衰减峰值在22GHz附近，频率低于15GHz其效果就降得很低了氧气所产生的衰减峰值在60GHz附近，频率低于30GHz其效果就降得很低了雨和雾富含水分子，它导致通常所说的雨衰现象，因此某些26GHz系统在南方多雨地区使用效果很差，但到干燥的北方使用却很正常,5、多径和折射：多径、折射等现象在许多无线、移动课程中都要涉及，但这不是我们能解决得了的，城市环境留给我们移动通信的选项通常不多，谁都知道简单环境覆盖起来比复杂环境要容易得多，我们所能做的就是尽量不把辐射天线对准近处的大型障碍物或地面、水面,25 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),无线电波在传播路途遇到大尺寸障碍物（大于本身波长）时，会有反射产生，不仅会有能量损失，而且对接收端会产生积极的或消极的干扰衍射会发生在一个难以穿透的大尺寸障碍物的边缘，电波遇到这样的边缘时其能量会向其他方向传播，造成非传播方向的天线也能收到信号,障碍物不大（小于或相当于波长）时，会有散射产生，一路入信号被散射为几路弱信号一个信号的相位被弱化为多个副本，就是多径传播带来的消极影响，其叠加产物信噪比的恶化使收端信号检测变得更为困难,存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲,码间干扰ISI：最先到达的主要脉冲通常会伴随若干延迟到达的次要波，这些次要脉冲很可能在下一符号主波到达后仍未消退，当然对接下来的数据位带来信噪比的恶化ISI带来信号可保真恢复技术的难度，以及对接收灵敏度的影响,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(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)无线电信号的不同频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,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（续1）,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。,多普勒效应（续2）,科学家哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论：红移：天体远离我们银河系，光线频率变低，移向光谱红端；蓝移：天体接近我们银河系，光线频率变高，移向光谱蓝端,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,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(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,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。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,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（续）,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。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)。,扩频数字通信系统的一般模型,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。,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。,2.9 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。,三种差错控制技术,差错检测码(error detection code)差错纠错码(error correction code)，也称为前向纠错FEC(forward error correction)码自动重发请求ARQ(automatic repeat request)协议。,