《无线通信基础》.ppt

现代通信技术 第1章无线通信基础 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 1 1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 1 1 1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 1 1 1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 1 1 2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 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 1 1 2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 1 1 2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 1 1 2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 1 1 2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 1 1 2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 1 1 2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 1 1 2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 1 2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 1 2调制与解调 常用调制方式及用途 1 2 1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 1 2 1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 1 2 1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 1 2 2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 1 3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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1基本概念 双向 多点通信 3 通信网 1 通信系统与通信网 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 1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 1 3 2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 1 3 2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 1 3 2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 1 3 3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 1 3 3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 1 3 3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 所谓相对调相 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 1 3 3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 1 3 3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 1 3 3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 1 3 3数字调制技术 3 组合调制方式 调制时采用更多调相相位来降低码速率 称为多进制调相MPSK 同时利用幅度和相位来提高信息的区分度 多进制正交幅度调制MQAM就是这种组合调制方式 a 16QAM b 16PSK多进制组合调制方式矢量图 1 3 4信道编码与差错控制技术 信道编码 即进行差错控制编码 差错控制编码的基本方法 在发送端被传输的数字信号序列里附加一些监督码元 在接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元之间的关系 若传输中发生错误 接收端就可发现错误 采取补救措施 甚至利用已有的信息来