第二章(上) 无线传输技术(2005).ppt

第二章无线传输技术 掌握数据通信基本概念掌握数据通信基本概念掌握数据编码技术掌握数据编码技术熟练掌握多路复用技术熟练掌握多路复用技术掌握无线传输媒体掌握无线传输媒体理解无线扩频技术理解无线扩频技术 主要内容 2 1数据通信模式数据编码技术多路复用技术FDMA TDMA CDMA2 2无线传输无线传输媒体信道容量移动环境下的传输衰减2 3无线扩频技术跳频序列直接序列 通信系统模型 通信源产生传输数据的设备 发送器将信息进行交换和编码的设备 传输系统一条传输线路或一个复杂网络 通信宿接收来自接收器的入境数据 接收器接受来自传输系统的信号并将其转换成目的设备能处理的形式 直接数据通信 数据通信发生在两个通过某种点 点传输媒体直接连接的设备之上 1 输入信息m 2 输入数据g t 3 传输信号s t 4 接收信号r t 5 输出数据g t 6 输出信息m 包含子网的通信 信号 数据与传输 数据涉及事物的形式 定义为携带有意义的实体 例如语音或ASCII 信号信号是数据的电子或电磁编码 传输通过信号的传播和处理而进行数据通信 信令或传信号 signaling 沿着适当媒体传播信号的动作 数据 模拟与数字 模拟数据指在某个时间间隔内具有连续值的数据 例如语音和图像是连续变化的 数字数据指具有离散的值 例如文本或数据 数据表示Morse代码ASCII 信号 连续与离散 连续信号由连续可变的电压表示 离散信号由一串特定的电压表示 信号 模拟与数字 模拟信号lims t s a t aforallofa 数字信号lims t s a t aforsomeofa 信号 周期信号 周期信号s t T s t t 常量T是信号的周期 周期信号的三个特征 振幅 amplitude 振幅表示信号的强度或者波形的高度 周期 频率 periodic frequency 周期代表波形完成一次循环所需的时间 频率代表单位时间内能完成的周期数 即循环次数 相位 Phase 相位涉及到多个波形 代表计时开始时一个波形的相对状态 传输系统分类 模拟传输指媒体上传输的是模拟信号 不考虑信号的内容采用放大器 数字传输指媒体传输的是数字信号 涉及信号的内容采用中继器 数据编码技术 模拟数据 模拟信号 模拟数据 数字信号 数据编码技术 数字数据 模拟信号 数字数据 数字信号 编码与调制 数字数据与数字信号 不归零在一位间隔 时间 内信号没有变换 即没有返回到0电压 不归零级 NRZ L 用正 负电压表示两个二进制位 不归零反转 NRZI 在一位时间内维持一常量电压脉冲 0 在一位时间的开始处没有变换 1 在一位时间的开始处变换 低到高或高到低 不归零 续 NRZ的优点简单带宽利用率高 NRZ的缺点存有直流分量缺少同步能力 差分编码 差分编码 differentialencoding 信号的解码通过比较相邻信号的极性进行 而不是通过确定信号的绝对电压值来进行 极性 polar 如果用正电压表示一个逻辑状态而用负电压表示另一个逻辑状态 则称信号是有极性的 单极 unipolar 如果信号都有相同的代数符号 即不管是正电压 或负电压 那么称信号是单极的 差分编码的优点出现噪声时检测是否变换比确定一个阈值更可靠 在复杂的传输布局中 很容易丢失信号的极性 曼彻斯特编码 曼彻斯特 Manchester 在每一位时间的中间有一个变换 位中间变换既可用作时钟机制 又可用作数据 1 从低变到高 0 从高变到低 差分 Differential 位中间的变换仅用作时钟同步 0 位时间开始时存在变换 1 位时间开始处无变换 数字数据编码小结 数字数据与模拟信号 数字调制把低频数字信号变换成适合于信道传输的处理过程 数字解调把信道中已调信号恢复成低频数字信号的处理过程 调制解调把低频信号变换成高频信号以便于数字信号的传输 即对待传信号的频谱进行搬移和还原 调制信号即低频信号 指待传输的信号 载波即高频信号 指运载待传信号的信号 幅移键控 ASK AmplitudeshiftKeying 频移键控 FSK FreqaencyShiftKeying 在FSK方式下 载波的频率随数字信号改变 而载波的幅度保持恒定 相移键控 PSK Phase shiftkeying 相位相干PSK PhasecoherentPSK 用载波的不同相位直接表示数字信息 差分PSK DifferentialPSK 前后信号相位之间的移动表示数字信息 模拟数据与数字信号 数字化将模拟数据转换成数字信号的过程 编码解码器 CODEC Coder Decoder 将模拟数据转换成数字形式 随后又从数字形式恢复成原始模拟数据的设备 编码解码采用两种基本技术脉冲编码调制增量调制 脉冲编码调制 PulseCodeModulation 采样定理如果在规定的时间间隔内 以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号f t 进行采样的话 那么这些采样值包含了原始信号的全部信息 利用低通滤波器可从这些采样中更新构造出函数f t 脉冲编码调制 续 模拟信号的采样采样从时间上连续的信号中取出 样品 使连续信号成为一串时间上离散的 样值 序列 样值序列 或样值信号 即采样后得出的一串在时间上离散的样值 采样过程相当于用脉冲S t 对模拟信号f t 进行脉冲调制 脉冲编码调制 续 量化量化把样值信号的无限多个可能的取值 近似地用有限个数的数值来表示 量化级把样值信号的瞬时幅度分成许多度量单位 一个度量单位称为一个量化级 用量化级的大小来表示瞬时样值 量化误差量化值与原样值的幅度差别 量化误差e t 量化值 样值 脉冲编码调制 续 模拟数据与模拟信号 模拟调制将一个输入信号m t 与频率为fc的载波结合以便产生一个带宽以fc为中心的信号s t 的过程 为什么对数字数据进行调制解调 只有模拟传输设施可用为什么模拟数据进行调制解调 为了有效传输需要高频调制可允许频分多路复用 多路复用 multiplexing 为了提高信道利用率 使多路信号沿同一信道传输而互不干扰的技术 为什么多路复用 数据速率越高传输设施的成本就越有效 大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率 多路复用 续 实现多路复用的关键把多路信号汇合到一条信道上之后 在接收端必须能正确地分割出各种信号 分割信号的依据信号之间的差别信号频率上的不同信号出现时间上的不同信号码型结构上的不同多路复用技术 频分多路复用 时分多路复用 码分多路复用 频分多路复用 FrequencyDivisionMultiplexing 频分多路复用每个数据信号被调制到具有不同频率的载波上 所有的信号在一个信道上同时传送 频分多路复用 续 频分多路复用 续 组成信号的频谱 频分多路复用 续 接收器 时分多路复用 TimeDivisionMultiplexing 时分多路复用以时间作为分割信号的依据 它利用每个信号在时间上交叉 可在一个传输通路上传输多个数字信号 或运载数字数据的模拟信号 时分多路复用 续 时分多路复用 续 TDM的实质采样原理 n路时分复用系统的关键收发端旋转开关必须严格的同步 即同频同相才能保证正常的通信 复用器输出线路容量 复用器输入线路容量总时间T划分的时间片数N 复用器输入端的低速线路数 码分多路复用 CodeDivisionMultipleAccess CDMA国际标准是IS 95品牌名为cdmaOneCDMA的特点每个站使用整个频段发送信号 多个站的信号可以线性叠加 利用编码技术分离并发的传输 CDMA的关键接收端能提取出期望的信号 同时拒绝所有其他的信号 并把这些信号当作噪声 正交性 码片序列的正交特性设符号S表示站S的m位码片向量 表示站S的m位码片向量的非值 任何两个不同的码片序列S和T的归一化内积为0 码分多路复用原理 码分复用的原理假设站A 站B 站C同时传输 T站等待接收来自C的报文站T接收到的信息是三个站发送的信息的叠加结果站用C的码片序列乘接收到的信息 码分多路复用实例 假设站A 站B 站C 站D同时发送信息站T准备接收来自C的信息 码分多路复用实例 4个站的传送实例以及T的接收序列 码分多路复用实例 站T接收到的信息码序列 码分多路复用实例 续 站C的信号恢复过程 三种多路复用技术的总结 三种多路复用技术的总结 三种多路复用技术的总结 三种多路复用技术的总结 传输媒体分类 传输媒体的分类引导性媒体 线缆媒体 电磁波沿着一个固态媒体传播 例如 金属导体 玻璃或plastic 非引导性媒体 无线媒体 提供了传输电磁信号的手段 但不加以引导 例如 大气层 外层空间 传输媒体的电磁频谱 波长 wavelength 波长 两个相邻的波峰之间的距离波长和频率的关系光速 c 电磁波在真空中的传播速度 3 108m s 频率 f 电磁波每秒震动的次数 信道容量 比特率表示数据的传输速率 定义为单位时间内传送的比特数 单位为比特 秒 bit s 或简写为bps 波特率表示信号速率 一般称为调制速率 定义为单位时间内所传输的波形个数 单位为波特 baud 信道容量指给定条件下信道上的数据传输率 单位为bps 香侬 Shannon 定律 模拟信道的信道容量在信号平均功率有限的白噪声 指通信系统内部本身产生的噪声 信道中 信道的极限数据传输率 即信道容量 为C Wlog2 1 S N 香侬定律 续 例1 考虑语音信道带宽为3100赫兹 信噪比为30分贝 求 该信道的容量 已知 W 3100Hz RS N 30dB 奈斯特 Nyquist 准则 平稳 对称 无记忆的二进制信道的数字模型数字信道的信道容量离散无噪声的数字信道信道容量为 C 2Wlog2L 无线频谱的分配 频率统一分配 FCC ITU R 各个国家 根据信息类型分配频谱 AM FM无线电台 TV 蜂窝电话 工业科学医学频段 ISM 可自由使用 但限制功率专用于非许可的商业用途 救护车 警察 出租车 无线遥控玩具 无线电家用设备等 无线电 无线电频率范围在10kHz 1GHz之间射频信号的能量可由天线和收发器决定 能穿透墙壁 也可到达普遍网络线无法到达的地方 不受雪 雨天气的干扰 可全方向广播 也可定向广播 无线电 续 VLF LF MF波段的无线电波沿着地面传播低频可传1000公里高频范围小些HF VHF波段无线电波被电离层折射回来 地面波会被地球吸收 微波 微波频率较高的无线电波 电磁频谱较低GHz级频率 不能很好地穿透建筑物微波按照直线传播发射端和接收端的天线必须精确地对准中继器之间的最大距离可为80km 假设塔高为100m 微波 地面系统利用定向抛物线在较低的GHz范围内收发信号 卫星微波系统在定向抛物线和天线之间传输信号 红外线 红外线利用红外光波传送信号 采用电磁频谱的THz范围 发光二极管或激光二极管用于发射信号 光电管则能接收信号 信号不能穿透墙壁等固体物体易受强烈光源的影响应用与优点短距离通信 TV 录像机 DVD 音响等 不同房间内的红外系统互不干扰防窃听安全性比无线电系统好 红外线 续 点 点光束可高度集中 并朝特定的方向发射 广播将信号扩展到一个更广的区域 允许信号由几个接收器同时接收 传播模式 信号从天线出发通过三种路由发射地面波 groundwave 天空波 skywave LOS lineofsight 移动环境下的衰退 fading 衰退 fading 传输媒体或者路径使得接收信号的能量发生变化在固定环境下 大气层条件的变化 例如 下雨 在移动环境下 障碍物的相对位置随时间发生变化 造成复杂的传输效果 多径传播 反射 reflection 反射 Reflection 当信号遇到表面大于信号波长的障碍物 地球表面 高建筑物 大型墙面 导致信号的相位发生漂移 衍射 Diffraction 衍射 Diffraction 当信号遇到大于波长的不可穿透物的边缘 例如无线电波中途遇到尖锐不规则的边缘物 即使没有来自发送器的视线信号 LOS 也可接收到信号 散射 Scattering 散射 Scattering 当入境信