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无线局域网技术讲义无线局域网技术讲义第三讲 信号编码技术【回顾】 上次课我们主要学习了，无线传输介质中的无线电波、微波、光波以及红外线等，并且同学对各传输介质的特性做了详细介绍，同时我们信号的传输问题，一块学习全向天线和有向天线。另外，只要我们的天线进行电磁能的转换，只要经信息的发送和接受，就会出现信号的衰减，在不能的移动环境中，信号的电磁能的衰减是有所不同的。 为了能够更好的保证数据的传输，我们必须对多数据进行处理。例如，古代人利用点燃烽火台而产生的滚滚狼烟，向远方军队传递敌人入侵的消息，这属于光信号；当我们说话时，声波传递到他人的耳朵，使他人了解我们的意图，这属于声信号；遨游太空的各种无线电波、四通八达的电话网中的电流等，都可以用来向远方表达各种消息，这属电信号。人们通过对光、声、电信号进行接收，才知道对方要表达的消息。那么我们说的信号是指什么呢？信号是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等。【知识点1】信号编码方案模拟信号是传播能量的一种形式，它指的是在时间上连续的(不间断)，数值幅度大小也是连续不问断变化的信号(传统的音频信号、视频信号)。如声波使它经过的媒体产生振动，可以以频率(以每秒的周期数或赫兹(Hz)为单位)测量声波。通过将二进制数表示为电脉冲(其中每个脉冲是一个信号元素)使数字信号通过媒体传输。线路上的电压在高低状态之间变化。例如，可以采用高电平传输二进制的1，采用低电平传输二进制的0。带宽是指每秒通过链路传输位数的术语。 图s-3描述了模拟和数字信号，其中模拟信号与数字信号等效。 在长距离传输时，信号由于衰减、噪声和导线束中其他导线的干扰而退化。模拟信号可以周期性地加以放大，但是如果信号受到噪声破坏，则放大的是失真信号。相比而言，由于可以很容易地从噪声中提取数字信号并重发，所以长距离传输数字信号更可靠。数字数据传输利用PCM数字信道传输数据信号，首先要解决的问题是数据信号如何进入PCM话 路的问题。主要通过两种方式：同步方式和异步方式。 同步方式利用PCM数字信道传输数据，如果数据信号与数字端局的时钟是同步的，这时，数据终端输出的数据信号是受PCM信道时钟控制的，因此只需对数据信号进行多路化处理即可。这里数据终端设备处于受控制的从属地位，因此灵活性差。 如果数据信号与数据端局时钟是异步的，这时数据信号可采用填充方式复用到64kbit/s的集合信号，这就是异步方式。 如上所述，数字数据借助于电脉冲传输。一一对应使用单脉冲表示一个位。它的效率是非常低的，因此已经开发了多种编码方案以使用电脉冲更高效地传输数字数据。结果大大提高了吞吐量。 这与使用旗语发送消息的情况相类似。比如说“信号旗升起”表示1，“信号旗降下”表示O。一种更有效的编码方案是“只在出现二进制1时升起或降下信号旗”。例如，如果信号旗已经举起，则把它降下来。不管信号旗是举起还是降下，它的运动才是指示器。这种方法还需要某种类型的定时(例如，每秒发送一位)。因此，在第一秒，信号旗升起 图S-3 AM和FM对数字信号的表达 (假设它原来是降下的)以表示1。然后再维持升起两秒钟(两个为0的位)，然后在第四秒降下以表示改变到为1的位。 对于数字设备，接收器必须具有某种方法能够知道数据流中字节的起始和结束。在异步通信中，字节边界由起始和停止位指示。在同步通信中，定时机制帮助发送器和接收器处于同步状态。同步信号可以占有一个单独的信道，但更经常的是直接集成到信号中。 下面介绍几种信令和编码方案并以图S-4说明。图中示出的是0100110001位序列。目的是传尽可能多的信号，使用低电平以减少长距离衰减的影响，并在信号中直接提供同步机制。前几个例子表示基本的信号，但很少在实际中应用。 单极性 单极性码有电压表示1，无电压表示O。没有特殊的编码。单极性码会累积直流分量。 双极性 双极性码中正电压表示1，负电压表示0。该方案降低了功率要求并减小了高电平衰减。双极性码的直流分量则大大减少,从而有利于传输。 RZ (归零制) 归零码的电压状态在某个信号状态后返回到零。归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。 图S-4数字信号编码方案 NRZI(按1反相不归零制) NRZI编码中不论电平是高还是低，都不代表二进制的1和0。而是电压变化表示二进制的1。如果没有电压变化，则下一位是0；如果有电压变化，则下一位是1。不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步。NRZI用于较慢的RS232串行通信和硬盘驱动器上的数据存储中。在同步链路上，长串的连续位(可能数千个0)会出现问题。接收器可能会失去同步，不能检测到连续串中0的正确个数。另一问题是长串的0表现为直流，它不能通过某些电气部件。Manchester编码和其他方案通过增加时钟信号解决了这些问题。 Manchester(曼彻斯特) 在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。这给接收器提供了可以与之保持同步的定时信号。曼彻斯特编码常用在LAN上。 【核心知识点】信号编码技术数据、信号和传输的模拟与数字之分1、 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。2、 数据(data)定义为传达某种意义或信息的实体3、 信号(signal)是数据的电气或电磁表示 4、 传输(transmission)是通过信号的传播和处理进行数据通信的过程话音和音乐的声音频谱 模拟信号和数字信号1、数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点2、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3、 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 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。v 优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的干扰。v 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1、 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。2、 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。3、 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。4、 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【信号编码准则】v 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。v 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。v 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。 v 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 数字数据与模拟信号v 最常用的应用是通过公用电话网传输数字数据。v 电话网并不适用于处理来自用户端的数字信号。v 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。v 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 模拟数据与模拟信号v 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。v 模拟数据的调制技术：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。 扩频技术扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。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。 差错控制技术