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第2章无线通信基础本章主要包括以下内容:2.1数据通信的基本模型2.2数据通信的基础计算2.3数据传输损耗2.4抽样定理2.5脉冲编码调制PCM2.6傅立叶变换和傅立叶分析2.7多路复用技术2.1数据通信的基本模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。信源的作用是把待传输的消息转换成原始电信号。信源输出的信号称为基带信号。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。信宿是将复原的原始电信号转换成相应的消息。2.1.1模拟通信系统把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。如图2-2所示。这里，一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器、解调器所代替。图2-2模拟通信系统模型对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号和把电信号恢复成最初的连续消息。由信源输出的电信号由于它具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。2.1.2数字通信系统1.数字频带传输通信系统数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有如下的几点问题。（1）数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错。。（2）当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在收端就必须进行解密。（3）由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。（4）为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。2.数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应，把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图2-4所示。图2-4数字基带通信系统3.模拟信号数字化传输通信系统上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号。实现模拟信号数字化传输的系统如图2-5所示。图2-5模拟信号数字化传输的系统2.2数据通信的基础计算2.2.1数据传输速率传输速率是指在单位时间内传输信息的量，它是评价通信速度的重要指标。1.码元传输速率码元传输速率简称传码率，它表示单位时间内信道上实际传输码元的个数，单位是波特，常用符号“B’来表示。公式（2-1）列出了传码率的计算。其中T是周期，即传送单位调制信号波所用时间，单位是s。数据信号速率信息传输速率简称传信率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特／秒，记为bit/s、b/s、bps。若进行串行方式进行数据传输时，则数据信号速率可定义如公式（2-2）：其中，RB为波特率，M为调制信号波的状态数，T为单位调制信号波的时间长度。数据信号速率所谓数据传输速率是指在单位时间内数据的输送量，其单位可以是比特、字符等。波特率指的是单位时间内载波调制状态改变的次数，其单位为波特。波特率B与比特率C的关系用公式表示为：C=Blog2M或C=BL（M表示为信号的状态个数，L表示传输所需要的二进制位数）比特率指的是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位数来表示，其单位用比特每秒表示。2.2.2信噪比信号在传输过程中不可避免地要受到噪声的影响，信噪比是用来描述在此过程中信号受噪声影响程度的量，信噪比通常是指某一点上的信号功率与噪声功率之比，用公式（2-3）表示信噪比：2.2.3香农定理香农定理指的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频率宽度B的信道上，香农定理可用公式（2-5）表示由公式（2-4）可以推导出公式（2-6）把公式（2-6）带入公式（2-5）可得到香农的公式的另外一种表达式，如公式（2-7）所表示。2.3数据传输损耗在计算机通信技术飞速发展的今天，各种数据传输系统在性能等诸多方面得到了不断完善。然而在任何传输系统的信号传输过程中一定会出现传输损耗,因为对于各种传输系统接收端得到的信号不可能与发送端传送出的信号完全一致。这些损耗会随机地引起模拟信号的改变，或使数字信号出现差错。2.3.1衰损信号在传输中将会有部分能量转化为热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这就是衰损。如图2-6显示的是信号强度和距离之间的关系。图2-6信号强度与传输距离2.3.2失真信号不同频率的分量在传输过程中受到不同程度的衰减和延迟的影响，最终使到达接收端的信号与发送端送出的初始信号在波形上有所差异，把这种传输过程中信号波形的变化称为失真。可有振幅失真，延迟失真。振幅失真：由各个频率分量振幅值发生不同变化而引起的失真，是由传输设备和线路引起的衰损造成的延迟失真：由各频率分量的传播速度不一致所造成的失真，容易造成码间串扰。2.3.3噪声噪声是指传输和接收之间的某处插入的不必要的信号。它是通信系统性能的主要制约因素。数据通信中可能出现的噪声主要有以下四类：1.热噪声热噪声是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。噪声功率密度可作为热噪声的度量，它以瓦/赫为单位。1Hz带宽内存的噪声值可由公式（2-11）计算式中，N0为噪声功率密度，K为玻耳兹曼常数，其值是1.3805×10-23焦耳/开2.交调噪声交调噪声指的是多个不同频率的信号共享一个传输媒介时可能产生的噪声，通常是通信系统中存在非线性因素造成的。这些信号的频率是某两个频率和、差或倍数。这些非线性因素通常是由元件故障引起的。通常情况下，发送端和接收端是以线性系统模式工作的，即输出为输入的常数倍。3.串扰串扰又叫串音，它是指一个信道中的信号对另一个信道中的信号产生的干扰。串扰分为边带线性串扰和边带非线性串扰两种。边带线性串扰指的是，当单边带通信中的边带滤波器对另一边带的衰减不够大时，上边带信号窜入下边带或下边带信号窜入上边带所造成的可懂干扰。4.脉冲噪声脉冲噪声是一种由突发的振幅很大持续时间很短，耦合到信号通路中的非连续尖峰脉冲引起的干扰，通常是由一些无法预知的因素造成的脉冲噪声对模拟数据传输不会造成明显影响，但数字数据传输中脉冲噪声是产生差错的主要来源。2.3.4通信系统的性能衡量一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面:（1）有效性。（2）可靠性。（3）适应性。（4）经济性。（5）保密性。（6）标准性。（7）维修性。（8）工艺性。l.码元差错率码元差错率简称误码率，是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例。误码率指某一段时间的平均误码率，对于同一条数据电路由于测量的时间长短不同，误码率就不一样。误码率用表达式可表示成公式（2-12）：2.信息差错率信息差错率简称误信率，或误比特率，是指发生差错的信息量在信息传输总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。可表示成公式（2-13）：3.频带利用率在比较不同的通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还要看传输这样的信息所占用的频带。通信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。其计算可表示为公式（2-14）。2.4抽样定理抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。下面用一个简单的模拟正弦波来分析抽样过程。(1)假设在该正弦波上取足够小的抽样间隔，直接连接用黑点表示的采样点就可充分表现正弦波形，显示如图2-9所示。图2-9足够小采样结果(2)若抽样间隔为正弦波信号周期T，导致采样后的信号成为直流信号，显然抽样间隔太宽将导致信号得不到恢复。显示如图2-10所示。图2-10周期点采样结果(3)若取抽样间隔为正弦波信号周期的，将得出全为0的数据，信号仍然得不到恢复。显示如图2-11所示。图2-11半周期点采样结果(4)若在正弦波信号一个周期T内抽样三次,即抽样间隔T/3，则可以近似地恢复原正弦波信号。显示如图2-12所示。图2-121/3周期点采样结果2.4.1低通抽样定理2.4.2带通抽样定理带通抽样的描述如下：2.5脉冲编码调制PCM脉冲编码调制，简称脉码调制，它是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，实现对模拟信号数字化的取样技术。脉码调制的本质不是调制，而是数字编码，所以能充分保证传输质量。2.5.1PCM实现PCM的系统原理框图如图2-14所示。首先，在发送端进行脉码调制，它包括抽样、量化和编码三个过程图2-14PCM系统原理框图1.量化过程量化过程与其结果就是将信号抽样序列的每个样本幅度按照要求的误差限度，变为近似的离散幅度值。这里假设各样本的量化过程与结果均与其相邻前后样本无关。()SfKT以为量化间距（台阶），量化级数量为M个，并覆盖信号样本值的动态范围2Xmax，如图2-15所示的双极性信号的样本序列，则量化间隔为公式（2-16）：表2-1给出三种不同量化电平级数M下的量化信噪比。表2-1不同量化电平级数M下的量化信噪比量化电平级数M增大，量化信噪比也增大。3.PCM数据的编码如图2-15给出的双极性信号抽样样本序列，正极性部分4个电平由101，101，110，110表示，负极性部分3个电平由001，011，001表示。然后将已量化的样本量化值，按时序以它们所在的量化电平的代码符号表示。图2-15抽样样本序列二元码PCM序列可以由几种编码方式表示，如表2-2所示。/2M2.5.2差分脉冲编码调制DPCM任何信号,不论语音或图像,采用直接采样-量化-编码的方式进行编码,都会发现码组之间具有很强的相关性。由于相关性的存在,传输数据中存在大量不需要传输的信息,称为冗余。当利用PCM方式编码时，这些相邻样本很可能在一个量化级，或只差1、2个量化级，这样的PCM码序列，就产生了“冗余”信息。如果设法在编码前就去掉这些相关性很强的冗余，则可进行更为有效的信息传输。具有此种功能而普遍采用的编码机制，称为差分脉冲编码调制（DPCM）。图2-16给出了一个实现DPCM功能的系统框图。图2-16DPCM功能系统框图主要包括以下内容1.各量值之间关系2.DPCM编码3.DPCM解码2.5.3自适应差分脉码调制（ADPCM）ADPCM，即自适应差分脉码调制，它是利用样本与样本之间的高度相关性和量化阶自适应来压缩数据的一种波形编码技术。图2-18为ADPCM编码器的基本结构图。它由PCM码/线形码变换器、自适应量化器、自适应逆量化器、自适应预测器及量化尺度适配器组成。图2-18ADPCM编码器ADPCM译码器由自适应量化器、自适应预测器、线形码/pcm变换器、量化尺度适配器以及同步编码调整组成。ADPCM译码器的结构如图2-19所表示。图2-19ADPCM译码器2.6傅立叶变换和傅立叶分析傅立叶变换是调制理论的基础，调制指的是用原始信号f(t)去控制高频简谐波或周期性的脉冲信号的某一参量，使它们随f(t)线性变化。其中把原始信号称为调制信号或基带信号，把调制后得到的信号称为已调信号。2.6.1频谱的傅立叶变换在通信系统的研究中常常遇到非周期信号，它通常是单个脉冲，即在－∞t+∞只有这一个脉冲，如图2-20（a）的方波脉冲f(t)。若以大于脉冲宽度的周期T重复此波形，则构成周期信号如图2-20（b）所示。(a)非周期信号(b)周期信号图2-20信号波形2.6.2傅立叶变换的相关性质2.7多路复用技术在数据通信系统中,传输媒体的带宽往往超过传输单一信号的需求,为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号,这就是所谓的多路复用技术。采用多路复用技术能把多个信