无线通信和网络第2章.ppt

第二讲无线信号传输概述 1 电磁信号 是时间的函数 也可以描述为频率的函数模拟信号和数字信号模拟信号 analogsignal 信号强度随时间连续变化数字信号 digitalsignal 信号强度在一定时间段内保持在一个稳定的水平 2 模拟信号 数字信号 周期信号 periodicsignal 周期性地重复的信号 3 一个典型的正弦波信号包含三个参数 振幅 A 频率 f 和相移 频率f 单位时间内信号重复自己的次数 单位是赫兹 Hz 周期T T 1 f波长 信号在一个周期内向前传播的距离 vT 其中v是信号在介质中传播的速率 电磁波在真空中的速率c 3 108米 秒电信号在线缆众传输的速度是2 9 1 3光速相移 信号在时间上的偏移量一个典型的正弦信号 4 5 A 1 f 1 0 A 0 5 f 1 0 A 1 f 2 0 A 1 f 1 4 信号的频域分解 任意一个电磁信号可以视为由多个频率的周期信号组成 由傅立叶变换保证 例如 当构成信号的所有频率都是某个频率的整数倍时 这个频率被称为该信号的基本频率 如上例中f 信号的周期 信号中基本频率对应的周期 信号所有频率的范围被称为信号的频谱 Spectrum 例如上例中信号的频谱为 f 3f 信号频谱的宽度被称为信号的带宽 bandwidth 例如上例中信号的带宽为3f f 2f 6 7 信号数据传输速率和带宽的关系 通常来说 信号的带宽越大 其传输数据的能力就越强例如 令方波的正电平为1 负电平为0 则信号在1 f时间内可以传送两个bit的数据 数据传输速率为2fbit 秒 bps 8 方波由哪些频率构成 频率f 3f 5f的正弦信号相加频率f 3f 5f 7f的正弦信号相加 9 将所有f的奇数倍正弦信号叠加 可得到方波信号例1 考虑频率f 3f 5f的正弦信号叠加所得信号 如果f 1MHz 带宽为4MHz 如果用此信号近似为方波 则一个bit占用时间1 2f 传输速率为2f 2Mbps 例2 考虑同样的信号 但是f 2MHz 则带宽为8MHz 此时一个bit占用时间1 2f 传输速率为4Mbps 例3 考虑频率f 3f的正弦信号叠加所得信号 f 2MHz 带宽为4MHz 此时码速率为4Mbps 但是较之例1 信号更加失真 接收端识别信号的难度变大 10 结论 数字信号方波包含无穷带宽信号传输系统通常仅具有有限的带宽对任意传输介质 占用的带宽越大 成本越高在有限的带宽内传输信号 会造成信号一定程度的失真 distortion 11 模拟和数字数据传输 数据 信息的载体信号 数据的电磁表示传输 通过传送信号进行数据通信的行为 12 模拟和数字数据传输 典型的模拟数据 语音 图像典型的数字数据 文本 13 语音 100Hz 7KHz25dB 最大的声音是最小声音能量的300倍 25dB 模拟和数字数据信号 模拟信号 连续变化的电磁波 可在一系列介质中传输 但是不同频率的信号传输特性不同 典型介质双绞线 同轴电缆光纤大气层 太空 14 数字信号 由一系列高低电平组成 可以在铜质线缆中传输数字信号较之模拟信号的优势在于更便宜 并且不容易受到噪声的干扰 劣势在于数字信号更容易衰减 信号的高频部分比低频部分衰减更大 整个信号失真模拟和数字信号可以用于传输模拟和数字内容 15 衰减造成数字信号失真 模拟数据 信号和数字数据 信号之间的转换模拟数据 模拟信号 声波 语音 300 3400Hz 转换为电磁波数字数据 模拟信号 调制解调器 Modem 将数字内容调制为模拟载波信号 16 模拟数据 数字信号 语音转换为数字信号 编解码器 codec coder decoder 数字数据 数字信号 数字收发器 transceiver 17 选取不同的信号传输类型 数字内容 数字信号传输数字信号直接用数字化方式传输比调制为模拟信号更方便便宜模拟内容 数字信号传输便于使用现代化的数字技术和数字网络 例如Internet 数字内容 模拟信号传输一些传输介质只能够传输模拟信号 光纤 卫星模拟内容 模拟信号传输例如 语音 电磁波 18 模拟和数字信号传输 模拟信号传输以模拟信号的方式传输模拟或者数字内容模拟信号易衰减 每传输一定距离 使用放大器放大信号能量不幸的是 同时放大了噪声数字信号传输更容易衰减中继器 接收数字信号 还原成0和1 再编码传输 19 信道容量 噪声 noise 是造成信号失真的主要原因 对任意信道 在给定条件下数据传输的最大速率 单位为bps 被称为信道容量 channelcapacity 几个概念传输速率 数据在信道中传输的速度 bps 信号速率 单位时间传输信号的个数 波特 带宽 由传输者和传输介质确定的信号带宽 Hz 噪声 信道的平均噪声强度错误率 错误发生的速率 错误个数 秒 错误 发送1接收0 发送0接收1为什么要关注信道容量 带宽资源非常昂贵 尽可能有效地提高带宽利用效率 20 奈奎斯特带宽 1 频率不超过B的信号足以实现2B的信号传输速率2 对带宽为B的信道 最高可实现的信号速率是2B 例 两电平信号 如果信号的传输速率是2Bbps 则一个频率不大于B的信号足够实现上述速率 反之 对带宽B的信道 其能够传输的最大信号速率是2B 带宽B 3100Hz 2B 6200bps如果信号包含多个 M个 电平 信道容量为C 2Blog2Mbps 增加电平数可以提高传输速率 但是识别多个电平给接收设备带来更大负担 且信号更容易受到噪声的影响 21 信号噪声比 奈奎斯特公式揭示 带宽翻倍则传输速率翻倍 噪声条件下 将产生错误 传输速率并不仅仅取决于带宽关键在于信号和噪声的能量对比 信噪比 SNR或者S N 是信号功率和信号传输时噪声能量水平的比值 常以分贝 dB 为单位信噪比越高 信号质量越好 22 23 香农公式 信道的最大容量 单位为bps 计算如下 B 信道带宽 Hz 这只是理论上信道可以达到的最大传输速率 在实际中 这样的传输速率往往难以达到 香农在推导中 仅假设白噪声 没有考虑突发性的噪声没有考虑信号的衰减SNR和带宽也使相关的 带宽越大 噪声越高 24 例 考虑一个信道的频段从3MHz到4MHz SNRdB 24dB 信道容量SNRdB 24dB 10log10 SNR SNR 251 C 106 log2 1 251 8Mbps如果这个传输速率可以实现 信号应该具有多少个电平 25 传输介质 传输介质是指信号发送者和接收者之间的物理通路有导向的介质 信号沿固体介质传输铜质双绞线 同轴电缆 光纤 激光无导向的介质 不规定传输的方向无线信号的传输方式大气层 太空通过天线发送和接收信号天线可以是全向的 或者是有方向的对于有导向的介质 介质本身更重要 对于无导向的介质 信号占据的带宽更重要 26 频段划分 微波频段1GHz到100GHz有向无线射束 beam 适合点对点传输用于卫星通信无线电频段30MHz到1GHz适合信号全向传输的各种应用红外频段3 1011到2 1014Hz在室内点对点传输 27 28 地面微波 TerrestrialMicrowave 地面微波天线抛物面 锅 直径3米固定对准特定角度 发射接收特定方向的射束实现信号的视距 lineofsight 传输通常置于高处应用远距离电信服务 替代同轴电缆或光纤 农村 海岛 楼宇之间点对点通信 绕过电信运营商 29 传输特性微波随传输距离的衰减衰减和距离的平方成正比 因此信号放大器每间隔10至100公里放置一个对比在双绞线和同轴电缆中 信号的衰减与距离的指数成正比 微波的衰减很小 30 2 6GHz频段使用最多 11GHz频段开始被使用 卫星微波 描述两个地面基站通过卫星通信卫星就是一个微波信号中转站 通过一个频率接收信号 上行链路uplink 地面站到卫星 重复或增大信号强度 再通过另一个频率传输 下行链路downlink 卫星到地面站 应用电视信号远距离电话通信主干线路 卫星电话私有商业网络通常是租用卫星频道 31 传输特性最优频段1 10GHz1GHz以下会有大量噪声大部分卫星使用5 925 6 425GHz频段作为上行链路 3 7 4 2GHz频段作为下行链路 高频衰减得较厉害卫星必须将接收的信号转换频率 才能发射 以避免干扰 传输延迟明显 检错 重传 的方法不再适用本质上是广播 所有地面站都可以收到信号 需合理复用 32 广播无线电 广播无线电的天线信号全向传输天线不需要对准特定的角度应用包含FM广播信号频段和VHF和UHF电视信号频段 30MHz至1GHz传输特性随传输距离的衰减多路干扰失真较明显 33 红外 类似于微波 视距传输不同于微波 不能穿透障碍物 例如墙壁 适用于室内环境红外收发器放置于天花板 34 复用 传输介质的信道容量通常足够传输一路信号复用 通过单一介质同时传输多路信号更好地利用传输介质n路信号输入到多路复接器 多路复接器和多路分解器之间通过一个数据链路连接 多路分解器再将同时传输的n路信号分离 35 为什么要复用当传输速率提高 每单位kbps的成本降低 传输速率越高越划算大部分通信设施可以支持较高的通信速率 而大多数通信应用并不需要很高的速率 36 基本的复用技术频分复用 FDM 每一路信号独立使用一段频段 该频段以信号的载波频率 carrierfrequency 为中心 多路信号之间的频段之间有足够的间隔 guardband 语音信号300 3400Hz 4kHz带宽足够一路语音通信 早期的AT T和ITU标准使用60至108kHz的频段复用传输12路语音信号 时分复用 TDM 将时间分片 每个时间片对应一路信号 通常是数字信号 同步时分复用 时间分片是预先设定的异步时分复用 动态地调整时间分片 37 38 一个典型的同步时分复用系统 39 信号发送 信号接收 顺序扫描buffermc t 的速率是所有mi t 速率之和复用后