《无线通信基础》PPT课件.ppt

X 第第 1 1 页页 X 第第 2 2 页页 第第1 1章章 无线通信基础无线通信基础 无线通信的基本特征是利用电磁波在空中 传递信号。它的发展建立在20世纪物理学、电 子技术和信息技术大发展的基础上。 X 第第 3 3 页页 1.1 1.1 无线电波无线电波 在广播电视和通信中，电磁波通常被称为 无线电波。 除了无线电波之外，电磁波还包括红外线、 可见光、紫外线以及 射线等，它们之间的区别 仅仅是波的频率不同。 X 第第 4 4 页页 1.1.1 1.1.1 无线电波段的划分无线电波段的划分 本书讨论的无线通信覆盖的无线电波频率 范围主要是HF、VHF、UHF和SHF波段。 X 第第 5 5 页页 1.1.1 1.1.1 无线电波段的划分无线电波段的划分 微波频段 分米波段 ，特高频（UHF），波长为1m-10cm 厘米波段，超高频（SHF），波长为10-1cm 毫米波段，极高频（EHF），波长为10-1mm 频率与波长的关系： X 第第 6 6 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 1、无线信道 信道是通信中信息的传递通路，是通信理论中对 发射机与接收机之间信息传输媒介的一个概括性的总 称，是任何一个通信系统不可缺少的组成部分。 信道分类 ： 有线信道 无线信道 按传 输媒 介的 不同 分类 明线、电缆和光纤 中、长波的地波传播信 道，短波的电离层反射 传播信道，超短波和微 波的直射传播信道和散 射传播信道等 X 第第 7 7 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 2、电磁波在无线信道中的传播特性 （1）传播方式 直射 反射 绕射 散射 一般情况下，电磁波总是以直线方式传播 碰到一个尺寸比自身波长大得多的物体 碰到一个尖利的边缘时，也称衍射 碰到尺寸小于自身波长的多个物体 X 第第 8 8 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 2、电磁波在无线信道中的传播特性 （2）传输损耗 路径衰耗 是指无线电波直线传播的损耗，包括在自由空间 中传播时固有的与距离二次方成反比的衰耗，以 及散射和吸收等导致的衰耗等。 路径衰耗与距离的n次方成比例，其中n称为路径 衰耗指数，不同传输环境取不同的值。 路径衰耗、阴影衰落、多径衰落 X 第第 9 9 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 2、电磁波在无线信道中的传播特性 （2）传输损耗 阴影衰落 无线电波在传播路径中遇到起伏的地形、建筑物 和高大的树木等障碍物时，会在障碍物的后面形 成电波的阴影。 接收机在移动过程中通过不同的障碍物和阴影区 时，接收天线接收到的信号强度会发生变化，造 成的这种信号衰落称为阴影衰落。它是服从对数 正态分布的随机变量。 路径衰耗、阴影衰落、多径衰落 X 第第 1010 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 2、电磁波在无线信道中的传播特性 （2）传输损耗 多径衰落 慢衰落（大尺度衰落）：相对无线电波的频率来 说其变化比较缓慢，上述两种信号衰落即为慢衰 落。 快衰落（小尺度衰落，多径衰落）：无线电信号 在短时间或短距离传播中发生信号幅度剧烈地起 伏变化，这种衰落是由信号的多径传播引起的。 路径衰耗、阴影衰落、多径衰落 X 第第 1111 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 3、无线电波传输中的多径衰落 由于受到周围建筑物以及地面的反射和散射作 用，往往使同一波源发出的信号沿多条不同的传输 路径，以不同的时间到达接收机。这些经不同路径 到达的波，称为多径波。由于不同路径的信号的传 播距离及传播时延不同，到达接收机时的相位也就 不同，从而使接收到的信号的幅度有时因同相叠加 而增强，有时又因反相叠加而减弱。这样，接收信 号的幅度就会产生剧烈的变化，造成畸变和衰落， 这就是无线电波传输中的多径衰落。 X 第第 1212 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 3、无线电波传输中的多径衰落 多径衰落可能引起两种特殊的选择性衰落： （1）频率选择性衰落 （2）时间选择性衰落 X 第第 1313 页页 1.1.2 1.1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性 4、电离层的结构及其对短波信道的影响 电离层中的电子和离子密 度在空间各处不相同，而 且在不停地变动，这种不 均匀性会使得无线电波在 传输过程中会出现多径衰 落、相位起伏、多普勒频 移等一系列对通信不利的 影响。 X 第第 1414 页页 1.2 1.2 调制与解调调制与解调 无线电波是无线通信的信息载体，通常把它 称为载波。 在通信发射端将要传递的信息装载到载波上， 这个过程就叫做调制。装载了信息的电磁波称为已 调波。在通信接收端从收到的已调波上把信息取出 来，就叫做解调。 X 第第 1515 页页 1.2 1.2 调制与解调调制与解调 常用调制方式及用途 X 第第 1616 页页 1.2.1 1.2.1 幅度调制幅度调制 1、双边带调幅（AM） 式中， 载波幅度； 调制信号，它可以是确知信号 ,也可以是随机信号； 载波角频率； 载波的初相位。 若 = ， = 0，则有 = + + 式中， 为调幅度 X 第第 1717 页页 1.2.1 1.2.1 幅度调制幅度调制 1、双边带调幅（AM） 单音调制的双边带调幅波（AM）的波形与频谱 （c） X 第第 1818 页页 1.2.1 1.2.1 幅度调制幅度调制 2、单边带调制（SSB） (c)单边带调幅频谱 (a)话音信号频谱 (b)双边带调幅波频谱 X 第第 1919 页页 1.2.2 1.2.2 角度调制角度调制 频率调制（FM）与相位调制（PM）统称为角度调制， 属于非线性调制。 FM：使高频振荡的频率按调制信号的规律变化而振幅 保持不变的一种调制方式。 PM：使高频振荡的相位按调制信号的规律变化而振幅 保持不变的一种调制方式。 X 第第 2020 页页 1.3 1.3 数字通信数字通信 数字系统与模拟系统相比的优点： （1）抗干扰能力强，通信质量高，可通过再生而 消除噪声的积累； （2）数字设备集成度高，便于大规模生产，成本 低，效率高； （3）能充分发挥计算机的强大数据处理能力，可 将语音通信和数据通信融合成综合业务数据网； （4）保密性能好。 X 第第 2121 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 实现信息传递的全部技术设备和传输媒介组成一 个通信系统。 （1）通信系统 1、通信系统与通信网 一般单向通信系统的模型框图 X 第第 2222 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 信息源：通信中信息的提供者，简称信源。 （1）通信系统 1、通信系统与通信网 发送设备：对信源产生的消息信号进行处理变换，使 其变为便于传送的信号形式，并根据传输距离大小以 一定的信号功率传送出去。 信道：从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的 物理传输媒介。 X 第第 2323 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 （1）通信系统 1、通信系统与通信网 噪声源：为分析方便，将各处噪声的集中表现抽象成 噪声源模型加入到信道上。 接收设备：完成发送设备的发变换，从带有干扰的信 号中正确恢复出原始信息。 受信者：又称为信宿，是传输信息的归宿点，将复原 的原始信号转换成相应的消息。 X 第第 2424 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 （2）数字通信系统 1、通信系统与通信网 信源为数字信号的通信系统称为数字通信系统。 一般数字通信系统的组成框图 X 第第 2525 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 信源编码与译码：信源编码是把模拟信号变换为数字 信号，并进行数据压缩。信源译码是信源编码的逆过 程。 （2）数字通信系统 1、通信系统与通信网 信道编码与译码：信道编码是对传输的信息码元按一 定的规则加入保护成分。信道译码是按一定规则进行 解码，发现或纠正错误，提高系统抗干扰的能力。 加密与解密：加密是为了保证所传信息的安全，人为 将被传输的数字序列扰乱，即加上密码。解密是在接 收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序 列进行解密，恢复原来信息。 X 第第 2626 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 数字调制和解调：数字调制把数字基带信号的频谱从 低频搬到高频，形成适合在信道中传输的频带信号。 数字解调是在接收端恢复数字基带信号。 （2）数字通信系统 1、通信系统与通信网 同步与数字复接：同步使收、发两端的信号在时间上 保持步调一致。数字复接是依据时分复用基本原理把 若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以 扩大传输容量，提高传输效率。 X 第第 2727 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 双向、多点通信 （3）通信网 1、通信系统与通信网 X 第第 2828 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 数字信号的信息速率Rb定义为单位时间内系统传输的 信息量（比特，bit），又称比特率。 （1）信息速率Rb和码元速率Rs 2、信息速率、信噪比、误码率与信道容量 通信系统的二个重要的质量指标：有效性、可靠性 码元速率Rs是单位时间内所传送的码元个数，单位为 “波特”，又称波特率、传码率、符号速率。 式中，n为码元采用的进制数 有效性 X 第第 2929 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 信噪比定义为输出有用信号功率（PS）与输出噪声功 率（PN）的比值。 （2）信噪比（S/N） 通信系统的二个重要的质量指标：有效性、可靠性 单位为分贝（dB） 可靠性 2、信息速率、信噪比、误码率与信道容量 X 第第 3030 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 误码率=单位时间内接收的错误码元数/单位时 间内传输的总码元数 （3）误码率和误比特率 通信系统的二个重要的质量指标：有效性、可靠性 可靠性 误比特率=单位时间内接收的错误比特数/单位 时间内传输的总比特数 2、信息速率、信噪比、误码率与信道容量 X 第第 3131 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 （4）信道容量C 信道容量指单位时间、单位带宽的信道能够无错误地 传输的最大比特数。 香农公式 W为信道的带宽，单位为Hz； S/N为信噪比； C为信道容量，单位为b/s。 2、信息速率、信噪比、误码率与信道容量 X 第第 3232 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 结论： 当信道容量一定时，带宽和信噪比之间，即 有效性与可靠性之间成反比关系。通常只能做到 在满足一定可靠性指标下，尽量提高通信系统的 有效性。 （4）信道容量C 2、信息速率、信噪比、误码率与信道容量 X 第第 3333 页页 1.3.1 1.3.1 基本概念基本概念 在数字通信系统中，在传输距离不太远的情况 下，将来自信息源的数字基带信号直接传输，称为 数字基带传输。 3、基带传输与频带传输 将数字基带信号经过载波调制，把频谱搬移到 高频处再传输，这种传输称为数字频带传输。 基带信号：由信源直接生成的信号。 频带信号：基带信号经调制后生成的信号。 X 第第 3434 页页 1.3.2 1.3.2 语音编码（信源编码）语音编码（信源编码） 波形编码： 语音编码的基本方法：波形编码和参量编码 将时域的模拟语音的（电压）波形信号经过采 样、量化、编码而形成数字语音信号。 如脉冲编码调制（PCM）、增量调制（M）及 其变形均属于波形编码。适合用于有线通信中。 X 第第 3535 页页 1.3.2 1.3.2 语音编码（信源编码）语音编码（信源编码） 参量编码： 语音编码的基本方法：波形编码和参量编码 基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特 征参量，对特征参量进行编码的一种方法。 线性预测编码(LPC)及其变形均属于参量编码。 缺点是语音质量只能达到中等水平，不能满足商用 语音通信的要求。 X 第第 3636 页页 1.3.2 1.3.2 语音编码（信源编码）语音编码（信源编码） 混合编码： 语音编码的基本方法：波形编码和参量编码 在混合编码的信号中，既含有若干语音特征参 量信息又含有部分波形编码信息。 规则脉冲激励线性预测编码（RPE-LPC）、矢量 和激励线性预测编码（VSELP）等属于混合编码。在 数字移动通信中得到了广泛应用。 X 第第 3737 页页 1.3.3 1.3.3 数字调制技术数字调制技术 1、三种基本调制方式 （1）幅移键控（ASK） 就是数字信号的振幅调制，是利用已调波的振 幅变化去携带信息，而载波的频率和相位不变。 （2）频移键控（FSK） 就是数字信号的频率调制，是利用已调波的频 率变化去携带信息，而载波的振幅和相位不变。 （3）相移键控（PSK） 就是数字信号的相位调制，是利用已调波的相 位变化去携带信息，而载波的振幅和频率不变。 X 第第 3838 页页 1.3.3 1.3.3 数字调制技术数字调制技术 1、三种基本调制方式 数字基带信号的不同调制方法与波形 X 第第 3939 页页 1.3.3 1.3.3 数字调制技术数字调制技术 2、相对调相与解调 数字信号的相位调制可分为绝对调相和相对调相。 对应于数字信号“1”和“0”采用固定不变的相位 （如“1”码对应0相位，“0”码对应 相位）的相 位调制方式称为绝对调相绝对调相。 所谓相对调相相对调相，其相位是一种相对的关系，其调制 规律为：当遇到基带信号“1”码时，载波的相位相 对于前一个码元相位改变 （即倒相）；当遇到 “0”码时，载波的相位相对于前一个码元相位不变 。 X 第第 4040 页页 1.3.3 1.3.3 数字调制技术数字调制技术 2、相对调相与解调 （1）二相相对调相（2DPSK）与解调 2DPSK调制原理方框图 X 第第 4141 页页 1.3.3 1.3.3 数字调制技术数字调制技术 2、相对调相与解调 （2）四相相对调相（QPSK）与解调 （a）QPSK调制器组成框图 （b）QPSK工作原理矢量图 X 第第 4242 页页 1.3.3 1.3.3 数字调制技术数字调制技术 2、相对调相与解调 （2）四相相对调相（QPSK）与解调 QPSK相干解调方框图 X 第第 4343 页页 1.3.