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1、无线传输技术 张明军 友情提示：本章内容理论性较强，但 本章主要内容 l无线传输介质 l无线传输方式 l数字通信模型(复习) l多路复用技术 l无线扩频技术 无线传输介质 l传输介质(媒体) l计算机用以收发电子/光子信号的物理路径 l引导性介质(线缆介质、有向介质) 电磁波沿着一个固态介质传播。 例如：金属导体、玻璃等。 l非引导性介质(无线介质、无向介质) 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。 无线传输介质 l传输介质(媒体) 无线传输介质 l电磁波 l电磁波是由交替出现的电波和磁波组成 无线传输介质 l电磁波的属性 属性意义 振幅波形偏离中心振荡的标量幅度
2、频率波峰在一秒钟内穿过某一特定 点的数量 波长在正弦波上，两个连续波峰之 间的距离 强度沿波传播的能量大小 振幅 波长 无线传输介质 l电磁波的属性 属性意义 相位波相对于一个具有相同波长的 参考波的延迟或提前量 极化波的电场方向。电场垂直于地 面，这个波则是垂直极化；如 果平行于地面，则是水平极化 ；若电场与磁场旋转或交替， 则为圆极化。 速度波在空气中传播的快慢。真空 为光速。 相位为S 无线传输介质 l电磁波频谱及其应用 无线传输介质 l电磁波频谱 无线传输介质 l电磁波频谱 段号频段名称频段范围 （含上限，不含下限） 波段名称波长范围 （含上限，不含下限） 1极低频(ELF)330赫（
3、Hz）极长波10010兆米 2超低频(SLF)30300赫（Hz）超长波101兆米 3特低频(ULF)3003000赫（Hz）特长波10010万米 4甚低频(VLF)330千赫（KHz）甚长波101万米 5低频(LF)30300千赫（KHz）长波101千米 6中频(MF)3003000千赫（KHz）中波101百米 7高频(HF)330兆赫（MHz）短波10010米 8甚高频(VHF)30300兆赫（MHz）超短波101米 9特高频(UHF)3003000兆赫（MHz）分米波微 波 101分米 10超高频(SHF)330吉赫（GHz）厘米波101厘米 11极高频(EHF)30300吉赫（GHz）
4、毫米波101毫米 12至高频3003000吉赫（GHz）丝米波101丝米 无线传输介质 l主要用于无线通信的电磁波 l无线电(Radio waves) l微波(Microwaves) l红外线(Infrared) 无线传输介质 l无线电(Radio waves) l频率范围在10kHz1GHz之间。 l射频信号的能量可由天线和收发器决定。 l能穿透墙壁，也可到达普遍网络线无法到达的地方。 l不受雪、雨天气的干扰。 l可全方向广播，也可定向广播。 风雪无阻 穿墙而过 无线传输介质 l无线电(Radio waves) lVLF、LF、MF波段的无线电波沿着地面传播 l低频可传1000公里，高频范围
5、小些。 lHF、VHF波段无线电波被电离层折射回来（地面波会 被地球吸收） 无线电广播频率：30 MHz1GHz l 全向传播（Omnidirectional） l 信号沿着所有的方向传播 l 可被所有的天线接收 l 发射设备和接收设备不必在物理上对准 无线传输介质 l微波(Microwaves) l频率较高的无线电波(电磁频谱较低GHz级频率) l频率范围：2GHz 40GHz l不能很好地穿透建筑物 l微波按照直线传播 l发射端和接收端的天线必须精确地对准 l中继器之间的最大距离可为80km(假设塔高为100m) l定向传播（directional） l天线把所有的能量集中于一小束电磁波
6、无线传输介质 l两种微波系统 l地面微波系统 l利用定向抛物线在较低的GHz范 围内收发信号。 l卫星微波系统 l在定向抛物线和卫星之间传输信 号。 无线传输介质 l微波(Microwaves) l地面微波系统 l频带宽，容量大，不易受到干扰，比铺设电缆投资少 无线传输介质 l微波(Microwaves) l卫星微波系统 l优点： 通信距离远，在电波覆盖范围内 ，任何一处都可以通信，且通信 费用与通信距离无关。 受陆地灾害影响小，可靠性高； 易于实现广播通信和多址通信； l缺点： 通信费用高，延时较大(250ms) ； 10GHz以上雨衰较大； 易受太阳噪声的干扰； 36000km 36000
7、km 无线传输介质 l红外线(Infrared) l利用红外光波传送信号 l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。 l信号不能穿透墙壁等固体物体 l易受强烈光源的影响 l应用与优点 l短距离通信（TV、录像机、DVD、音响等） l不同房间内的红外系统互不干扰 l防窃听安全性比无线电系统好 无线传输介质 l红外线系统 l点-点 l光束可高度集中，并朝特定 的方向发射； l广播 l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。 无线传输介质 l思考题 l无线电波是什么类型的能量？ l课余学习 l请查阅资料，了解无线电波段划分、命名以及主
8、要用 途。 无线传输方式 l四种电磁波传输方式 l地表传播 l电磁波沿地球表面传播(地球对表面波有吸收作用)，30MHz,如图中5所示 无线传输方式 l移动环境下的衰退(fading) l衰退(fading):传输介质或者路径使得接收信号的能 量发生变化。 l在固定环境下：大气层条件的变化 l低于1GHz的频率本身不受雨及大气湿度的影响 l高于10GHz的频率通常受到严重影响 l高于30GHz的频率在户外场路径上不能使用 l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 低频具有更强的穿透力，可以传输更远的距离； 频率越高，衰减越严重，发射机需要更大的功率， 传输范
9、围更短； 无线传输方式 l反射(Reflection) l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 无线传输方式 l衍射(Diffraction) l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。 无线传输方式 l散射(Scattering) l当入境信号遇到波长小的物体（树叶、街牌、灯柱 ）就发散成几个弱的出境信号。 无线传输方式 l反射、衍射和散射 l对于LOS，衍射和散射信号不重要 l对于非LOS，衍射和散射是接收的主要手段 无线传输方式 l多径
10、(multipath)传播的影响 l多径(Multipath)：障碍物反射信号，使得接收端收 到多个不同延迟的信号。 l一个信号的多个拷贝以不同的相位到达 如果相位破坏性地叠加，则相对噪声来说信号的强度就会下 降（信噪比减小），导致接收端检测困难。 l信号串扰(Intersymbol interference) 一个脉冲的一个或多个延迟的拷贝在一个比特时间内到达 无线传输方式 l多径(multipath)传播的影响 l假设：以给定频率在固定天线和移动节点之间的链 路上发送一个窄脉冲 数字通信模型 l通信系统的组成 l信源：产生和发送信息的设备 l信宿：接收和处理信息的设备 l信道：信源和信宿之
11、间的通信链路 l数字信道：采用数字信号传输数据的信道 l模拟信道：采用模拟信号传输数据的信道 数字通信模型 l通信系统的一般模型 数字通信模型 l三种通信传输模式 l单向通信：也称单工，通信的方向是单向的。 l双向交替通信：也称半双工，通信是双向进行的，但不 能同时发送和接收。 l双向同时通信：也称全双工，通信是双向进行的，可同 时发送和接收。 数字通信模型 l频带传输与基带传输 l基带：未经调制的电脉冲信号所占据的频带，从直流和 低频开始，因此成为基带。(数字信号所占用的带宽) l基带传输：直接采用基带信号进行数据传输的方式。 数字通信模型 l频带传输与基带传输 l频带：对基带信号调制后所占
12、用的频率带宽。(模拟信 号所占用的带宽) l频带传输：基带信号经过调制后进行传输的方式(通常 时把基频搬移动到高频)。 数字通信模型 l四种通信方式 l模拟信号以模拟方式传输 l例：第一代手机，收音机，闭路电视等 l模拟信号以数字方式传输 l例：VoIP l数字信号以数字方式传输 l数字信号的基带传输 l例：串口对传，有线局域网 l数字信号以模拟方式传输 l数字信号的载波/调制传输 l例：Modem VoIP 数字通信模型 l模拟/数字编码技术 数字通信模型 l数字信号的调制方法（数字模拟） 数字通信模型 l数字信号的调制方法（数字模拟） 载波 调幅 调频 调相 数字通信模型 l数字信号的编码
13、方法 数字通信模型 l信道容量 l信道容量（capacity） l指给定条件下信道传输数据的能力。 l数据速率(data rate) l指数据通信的速率，以每秒多少个二进制位表示(bps) 。 l带宽(bandwidth) l被传信号所占频带的宽度，以每秒多少个周期表示或赫 兹Hz。 数字通信模型 l信道容量 l比特率 l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。 l波特率 l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)。 设一个波形的持继时间为T，则波特率 Dbaud = 1/T 数字通信模型
14、 l香农(Shannon)定律 l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) (bps) lS表示信号功率； lN表示噪声功率； lW为信道带宽(Hz)； lC为信道容量； Claude E. Shannon 1916 - 2001 数字通信模型 l香农(Shannon)定律 l分贝用来度量电路中不同点上功率的相对大小 l信噪比的单位是分贝(dB) l分贝= 10log10(S/N) 若S/N = 10, 则为10dB 若S/N = 100, 则为20dB 若S/N = 1000, 则为30dB
15、 数字通信模型 l香农(Shannon)定律 l例：语音信道(电话线)带宽为3100赫兹，信噪比为 30分贝。 l求：该信道的容量？ l已知：W3100Hz， RS/N =30dB l解： 第1步，由30 = 10 log10 (S/N) 可知： S/N = 1000 第2步，由C = Wlog2 (1+S/N)可知： C= 3100 *log2(1+1000)= 30894bps 那么，56Kbps Modem是如何实 现的？ 数字通信模型 l奈奎斯特(Nyquist)准则 l离散无噪声的数字信道信道容量为C = 2W log2 L lW为信道的带宽(Hz) lL为代码采用的进制数 Harr
16、y Nyquist 0 1889 1976 多路复用技术 l多路复用(multiplexing) l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。 l为什么多路复用？ l数据速率越高传输设施的成本就越有效； l大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率。 多路复用技术 l实现多路复用的关键 l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。 l分割信号的依据：信号之间的差别 l信号频率上的不同 l信号出现时间上的不同 l信号码型结构上的不同 u 频分多路复用 u 时分多路复用 u 码分多路复用 多路复用技术 l频分多路复用 lFrequency Divis
17、ion Multiplexing，FDM l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。 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 多路复用技术 l频分多路复用 l条件： l通信线路带宽单路信号带宽； l各路信号使用互不重叠的频率范围。 多路复用技术 l时分多路复用 lTime Division Multiplexing，TDM l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)。 频率 时间 B C DB C DB C DB C DAAAA 在 TDM 帧中的位置不变
18、TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 多路复用技术 l时分多路复用 ln路时分复用系统的关键： l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。 多路复用技术 l码分多路复用 lCode Division Multiplexing，CDM l常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。 每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用基 于码型的分割信道方法，即每个用户分配一个地址码，各个 码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力 强。 多路复用技术 l三种多路复用技术总结 多路复用技术 l三种多路
19、复用技术总结 多路复用技术 l三种多路复用技术总结 多路复用技术 l三种多路复用技术总结 多路复用技术 l思考与自学 l什么是波分复用技术？ 无线扩频技术 l扩频(Spread spectrum, SS) l扩频最初是针对军事和情报部门的需求而开发的。 l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。 为什么 ？ 无线扩频技术 l扩频的目的 l发展扩展频谱的实际目的是为了达到阻止通信： l阻止敌人接收和译码； l检测和干扰军队无线通信 11001010011 传输 冗余频谱 无线扩频技术 l扩频的思想 l如果每个站要求的带宽是B，扩频将带宽扩展到Bss ，这里Bss B。 l扩大的带宽允许源端用有防护的封装将它的报文进行更 安全的传输。 扩频过程 BBss 扩频代码 无线扩频技术 l两种扩频技术 l直接序列扩频(DSSS) l调频扩频(FHSS) 无线扩频技术 l直接序列扩频(DSSS) l扩频函数是一个码字，称为片码，与输入比特流进 行异或运算产生的速率更高的“码片流”，用来对射 频载波进行调制。 无线扩频技术 l调频扩频(FHSS) l直接用输入数据流调制射频载波，扩频函数用来在 一定的频隙范围内控制载波的特定频隙，从而扩展 传输频带的宽度。 无线扩频技术 l思考题 l扩频技术能够促进或加强无线网络的安全性吗？ 课后作业 l课余学习任务 l第2章