无线通信与泛在网络课程：note3-无线通信2

无线通信(2)12通信系统简介通信系统

系统概念由若干相互联系、相互作用、相互依赖的单元（事物）组合而成的，为完成某个任务的特定功能整体单独电子元件不是系统信源信宿信道一个高度抽象概括的点对点通信系统模型34通信系统分类模拟通信系统：将采集的信号直接进行传输模拟信号直接进行传输代表性系统：模拟电视，AM广播数字传输系统：传输的信号只包括“0”，“1”数字化信号将信号转变为数字信号后再进行传输典型系统：手机通信系统（大哥大除外），计算机网络模拟通信系统正在逐步被数字通信系统取代模拟通信系统信源与输入变换器信道输出变换器与输出信号信道信源与输入变换器调制器解调器噪声56＋3.6V3.8V0.2V（噪声）接收到错误电平信号！！模拟通信系统数字通信系统输出变换器与输出信号信道信源与输入变换器数字编码器解调器噪声调制器数字解码器信源编码信道编码信源解码信道解码优点在哪里？78＋3.6V3.8V0.2V（噪声）判决正确！！数字通信系统判决“1”>1.8V“1”→3.6v；“0”→0v9－3.6V“1”2.6V1.0V噪声判决正确！！数字通信系统判决“1”>1.8V“1”→3.6v；“0”→0v10数字通信相对于模拟通信优点：数字信号码流只有高低两个电平值，容易进行区分。同时我们可以在信道编码过程中插入冗余信息，提高传输的可靠性。模拟通信相对于数字通信，可靠性则差了很多！11信源编码是将信息转换成二进制数据，而后进行适当的压缩。例如：语音编码。信源解码过程是信源编码过程的逆过程。信源编码/信源解码模拟信号数字信号采样模拟/数字信源编码数字信号12信源编码：无损编码例5：Huffman编码：设信源有8种字母，对应概率为：XP(X)A0.20B0.19C0.18D0.17E0.15F0.10G0.005H0.00513信源编码：有损编码语音编码：64kbps32/16/8/4.8/2.4/0.8kbps预测编码PCM~DPCM`ADPCM参数编码高清晰度电视：1Gbps20Mbps分块/DCT/变换系数量化/Huffman编码帧间前向预测编码、P帧帧间前向后向预测编码、B帧14通信系统的构成（点到点）信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线15用于保证接收到的“0”,“1”序列是正确的★

错误检测可检查接收信息是否正确需要加入一些冗余信息★

错误纠正可以检测并可以纠正错误需要更多的冗余信息★

重传机制在系统能够监测到错误但不能纠正错误时需要更多冗余产生时延信道编码16正确信息：我们明天14:00——16:00开会接收到的错误信息：我们明天10:00——16：00开会★：接收信息有错误，但接收端无法知道纠错编码的意义17正确信息：我们明天14:00—16:00开会利用编码的方法可使错误被检测到：我们明天下午10:00—16：00开会★：错误可被检测到，但不能被纠正★：这里加入了一定的冗余信息纠错编码的意义18利用编码的方法可使错误被检测到并被纠正

我们明天下午10:00—16:00开会两个小时★：错误可被检测，并可被纠正★：加入了更多的冗余信息纠错编码的意义19有些错误是无法检测到并被纠正的

我们明天下午16:00—18:00开会两个小时★：加入了足够的冗余信息★：错误无法被检测并被纠正纠错编码的意义无线通信系统

无线通信系统的组成发射机接收机传输媒质（无线信道）通信协议和标准

2021现有无线通信系统移动蜂窝网系统第二代（GSM,IS-95)第三代（CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA）无线局域网系统无线局域网（WLAN）无线广域网（WMAX）广播电视系统卫星通信系统近距无线通信网络无线个域网（WPAN）无线传感器网络（WSN）无线射频识别（RFID）22无线通信相关的周边知识23传输媒体/介质/媒介传输媒体指的是发送器和接收器之间的物理通道传输介质（通信介质）：通信系统用以收发电子/光子信号的物理路径分类如下：引导性介质（线缆介质）电磁波沿着一个固态介质传播。例如：金属导体、玻璃、塑料非引导性介质（无线介质）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24传输媒体/介质/媒介

无线信道属于非导向传输信道，在空间或宇宙中自由直线传播方式，传播速度3*108m/s具有折射、反射、绕射和干涉等波的特性无线信道为开放性信道，时时刻刻受到人为或自然现象的影响或干扰，传输不如有线信道稳定和可靠25无线传输的电磁频谱ITU定义适于无线通信频率30kHz-300GHz26常用无线电波段的特点27受管制频谱和不受管制的频谱800－1000MHz：几个蜂窝系统使用此频段（模拟系统和第二代蜂窝）。也有一些应急通信系统（集群无线电）使用此频段1.8－2.0GHz：这是蜂窝通信的主要频段。目前的（第二代）蜂窝系统工作于此频段，大多数第三代系统也将工作于此频段。许多无绳系统也工作于此频段2.4－2.5GHz：工业、科学和医疗（ISM）频段。无绳电话、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）工作于此频段；它们与其它的许多设备（包括微波炉）分享这一频段28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，如蓝牙采用2.4GHz专用于非许可的商业用途救护车、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等天线Allwirelessdeviceshaveatleastoneantenna;mostusethesameantennatotransmitandreceiveTheantennamustbeatleastonequarterwavelengthinsizetoworkwell.So,nomatterhowsmallyoumakeacellularphone,theantennaisgoingtohavetobeaboutthissize!29天线方向性发射天线有两种基本功能把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去将大部分能量向所需的方向辐射天线根据其方向性可分为全向天线方向性（或定向）天线天线的特性3031全向传播与定向传播全向传播（Omnidirectional）信号沿所有方向传播可被所有的天线接收发射设备和接收设备不必在物理上对准定向传播（directional）天线把所有的能量集中于一小束电磁波天线增益在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的全向天线（球型辐射单元）在空间同一点处所产生信号的功率密度之比，定量描述一根天线把输入功率集中辐射的程度其物理含义为：在相同距离上某点产生相同大小信号所需发送信号的功率比天线增益（AntennaGain）32天线增益天线增益反映了天线将电波集中发射到某一方向上的能力。一般来讲天线的增益越高，波瓣宽度越窄，天线发射能量也越集中类比：水管粗细与水压的关系天线增益33【例】天线增益计算P2为参考全向天线发射功率P1为定向天线发射功率产生相同的效果，全向天线发射功率应该更强才能达到定向天线的效果天线增益3435无线信号传播特性36大尺度传播模型对传输模型的研究，传统上集中于“距发射机一定距离处平均接收信号场强的预测”对于预测平均信号场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于描述的是发射机与接收机之间（T-R）长距离（几百米到几千米）上的信号场强变化，所以我们称之为大尺度传播模型37小尺度衰落模型小尺度衰落简称衰落，指无线电信号在短时间或短距离传播后其幅度，相位或多径时延快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计这种衰落一般是由同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小时间差到达接收机的信号互相干扰所致，这些波称为多径波3839无线信号传播从天线发出的信号存在以下三种不同传播方式：地波传播（GrandWave）天波传播（SkyWave）直线（视距）传播(Line-of-sight)**我们讨论的重点40无线信号传播理想情况下，无线信号在从发射器到接收器间的一条直线上传播，称为“视距传播”(lineofsight,LOS)自由空间传播模型实际情况下，由于传输障碍物等传输环境的影响，无线信号的传播将发生如下三种现象：反射衍射(Diffraction，也称为绕射)散射（其中物体的几何形状决定了将产生哪种现象）41自由空间传播模型自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时接收信号的场强由于电磁波能量的扩散，距离增加时，能量仍然会衰减自由空间模型预测接收功率的衰减为T-R距离的函数(Friis公式)：42自由空间传播模型载波波长与频率成反比（C为光速）自由空间传播模型仅当d为发射天线远场距离df时才使用，df与发射天线截面最大线性尺寸和载波波长有关（D为天线最大物理线性尺寸）43自由空间传播模型d0:参考距离df:远场距离Pr(d0)的单位为W。参考距离d0在室内环境的典型值取为1m，室外环境取为100m或者1000m当距离d超过远场距离时，预测自由空间的接收功率为44自由空间传播模型例1：求解最大尺寸为1m，工作频率为900MHz的天线的远场距离45自由空间传播模型例1：求解最大尺寸为1m，工作频率为900MHz的天线的远场距离解：D=1m,f=900MHz46对数距离路径损耗模型自由空间传输模型主要用于预测发射机与接收机之间是完全无阻挡的LOS时接收信号的场强。因此一般用于户外预测实际应用环境复杂，对于大多数传输模型是通过分析和实验相结合而产生的，实验方法是通过大量测试数据拟合传输曲线分析：针对应用环境，建立模型，通过仿真或计算得出传播模型；实验：根据大量实验测量数据，绘出传播损耗曲线或拟合成解析式，再抽象出传播模型47对数距离路径损耗模型自由空间损耗模型：推广，对数距离路径损耗模型适用范围更广n路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长率d0近地参考距离48室内无线电传播模型室内无线信道特点：覆盖距离更小，对于更小的T-R距离，环境变化更大，对数距离损耗模型未考虑环境变化的影响考虑环境影响，路径损耗服从对数正态分布，即：频率MHzn室内走廊9003.07.0办公室（软分隔）9002.49.6办公室（软分隔）19002.614.1办公室（硬分隔）15003.07.049反射（reflection）反射：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50反射（reflection）平面波入射到两种理想电介质交界面，一部分进入第二介质（透射），一部分返回原介质（反射），无能量损耗。若第二介质为理想导体，则仅有反射，无透射，无损耗；否则，有能量损耗51衍射/绕射（Diffraction）衍射（或绕射）：当信号遇到大于波长的不可穿透物的边缘（如无线电波中途遇到的尖锐不规则的边缘物），即使没有来自发送器的视线信号，也可接收到信号52衍射/绕射（Diffraction）由于衍射效应，电磁波可以绕过障碍物传播到它后面。这意味着在阴影区接收机仍然可以收到发射信号。但是，随着接收机向阴影区纵深移动，信号迅速衰落。衍射效应可以由Huygens原理解释，即所有波前的点都可以视为次波源。这些次波源的辐射形成在波传播方向形成新的波前。场强等于障碍物附近所有次波源电磁场向量和。53散射（Scattering）散射：当信号遇到比波长更小的物体（树叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的散射信号。54散射（Scattering）实际接收到的信号比衍射和反射模型预测的要强，反射能量由于散射而为接收机提供额外能量。散射还与障碍物表面的粗糙度有关。表面越粗糙，越容易引起散射。在户外，树木和路标都会导致移动电话信号的散射。在室内，椅子、书籍和计算机都会导致无线局域网信号的散射。55反射、衍射和散射56电波的多径传播和衰落电波传播的长期慢衰落由传播路径上固定障碍物的阴影引起，也称为阴影衰落三大损耗路径损耗、慢衰落损耗、快衰落损耗（1）长期慢衰落长期慢衰落由传播路径上的固定障碍物的阴影引起，其信号衰落缓慢，且衰落速率与工作频率无关，仅与地形、地物分布和