第2章 无线传输技术基础

第2章无线传输技术基础主要内容2.1无线传输媒体2.2天线2.3传播方式2.4直线传输系统中的损伤2.5移动环境中的衰退2.6多普勒效应2.7信号编码技术2.8扩频技术2.9差错控制技术2.1无线传输媒体传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的(unguided)两类。对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。传输性能主要取决于媒体自身性质。非导向媒体的例子是大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向，这种传输形式通常称为无线传播。传输性能主要取决于信号带宽。定向、非定向电信用的电磁波频谱无线频谱的分配工业科学医学频段感兴趣的3个频段微波：1GHz~100GHz，可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。无线电广播频段：30MHz～1GHz，适用于全向应用。红外线频谱段：3×1011Hz～2×1014Hz，适于本地应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点对点及多点应用非常有用。微波微波系统2.1.1地面微波地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站中继。用于建筑物之间的点对点线路。常见的用于传输的频率范围为2GHz～40GHz。频率越高，可能的带宽就越宽，因此可能的数据传输速率也就越高。采用呈抛物面的“蝶形”天线，并置于较高的位置，有时也会使用微波中继塔台。典型的数字微波性能波段/GHz带宽/MHz数据率/Mb/s271263090114013518220274地面微波（续1）微波传输的主要损耗来源于衰减。微波(以及无线电广播频段)的损耗公式微波的损耗随距离的平方而变化，而双绞线和同轴电缆的损耗距离呈指数变化。下雨会增加衰减。损伤的另一个原因是干扰，随着微波应用的不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个威胁。因此，频带的分配需要严格控制。dL42lg10地面微波（续2）频率越高衰减越大，较高的微波频率对长途传输没有什么用处，但却非常适用于近距离传输。频率越高，使用的天线就越小、越便宜。2.1.2卫星微波通信卫星实际上一个微波接力站，用于将两个或多个称为地球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送出去。卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和个人用商业网络卫星微波（续）卫星传输的最佳频率范围为1GHz～10GHz。特点卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有1/4s传播延迟。在差控和流控方面，也带来一系列问题。卫星微波是广播设施，许多站点可以向卫星发送信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。2.1.3广播无线电波广播无线电波是全向性的，不要求使用碟形天线，天线也无需严格地安装到一个精确地校准位置上。无线电波(Radio)是笼统术语，频率范围为3KHz~300GHz。非正式术语广播无线电波(broadcastradio)包括VHF频段和部分的UHF频段：30MHz～1GHz。广播无线电波衰减情况与微波相同，损伤的另一个主要来源是多路径干扰。2.1.4红外线2.1.4红外线2.1.5光波频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波。提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。激光的强度(非常窄的一束光，毫米级)是它的弱点，不易瞄准。激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳的热量使气流上升也会使激光束产生偏差。主要内容2.1无线传输媒体2.2天线2.3传播方式2.4直线传输系统中的损伤2.5移动环境中的衰退2.6多普勒效应2.7信号编码技术2.8扩频技术2.9差错控制技术2.2天线天线是实现无线传输最基本的设备。天线可看作一条电子导线或导线系统，该导线系统或用于将电磁能辐射到太空或用于将太空中的电磁能收集起来。发送：将无线电频率电能转换为电磁能接收：将电磁能转化为电能并合成到接收器中2.2天线2.2.1辐射模式2.2.2天线类型2.2.3天线增益2.2.1辐射模式一个天线辐射出去的功率是全方位的，然而并非在所有方向上辐射出的功率都是相等的。描述天线性能特性的常用方法是辐射模式，它是作为空间协同函数的天线的辐射属性的图形化表示。当天线用于接收时，辐射模式变为接收模式。理想的辐射模式所有方向等强度B方向比A辐射功率强最佳接收方向2.2.2天线类型偶级天线抛物反射天线简单（偶级）天线供电间隙导线偶极天线散射模式抛物线反射天线发射波平行于抛物面的轴焦点轴抛物面接收波集中于焦点2.2.3天线增益天线增益(antennagain)是天线定向性的度量。与由理论的全向天线(各向同性天线)在各个方向所产生的输出相比，天线增益定义为在一特定方向上的功率输出。天线增益与有效面积的关系：cAfAeeG22244主要内容2.1无线传输媒体2.2天线2.3传播方式2.4直线传输系统中的损伤2.5移动环境中的衰退2.6多普勒效应2.7信号编码技术2.8扩频技术2.9差错控制技术2.3传播方式由天线辐射出去的信号以三种方式传播：地波(groundwave)：地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视的地平线。由波前倾斜及衍射造成，例如调幅无线电。天波(skywave)：天波信号可以通过多个跳跃，在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行。例如民用波段CB以及国际广播。直线LOS(lineofsight)：当要传播的信号频率在30MHz以上时，不会被电离层反射，天波与地波的传播方式均无法工作，通信局限于视距范围，必须用直线方式。无线传播类型频带频率范围自由空间中的波长范围传播特性典型的应用ELF(极低频)30Hz～300Hz10000km～1000km地波功率线频率；用于某些家庭控制系统中VF(音频)300Hz～3000Hz1000km～100km地波用于电话系统中使用的模拟用户线路VLF(甚低频)3KHz～30KHz100km～10km地波；白天夜晚低衰减；高大气噪声级长距离导航；航海通信LF(低频)30KHz～300KHz1000km～1km地波；比VLF的可靠性略差；白天会被吸收长距离导航；航海通信中的无线电信号MF(中频)300KHz～3MHz1km～100m地波和晚上的天波；晚上的衰减低，白天的衰减高；有大气噪声海事无线电；定向查找HF(高频)3MHz～30MHz100m～10m天波；质量随一天的时间、季节和频率而变化无线电业余爱好者；国际广播，军事通信；长距离飞机和轮船通信VHF(高频)30MHz～300MHz10m～1m直线；由于温度倒置出现散射；宇宙噪声VHF电视；调频广播和双向无线电，调幅飞机通信；飞机导航UHF(特高频)300MHz～3GHz100cm～10cm直线：宇宙噪声UHF电视；蜂窝电话；雷达；微波链路；个人通信系统SHF(超高频)3GHz～30GHz10cm～1cm直线：100Hz以上，下雨会带来衰减；由于氧气和水蒸气带来人气衰减卫星通信；雷达；陆地微波链路；无线本地环EHF(极高频)30GHz～300Gz10mm～1mm直线；由于氧气和水蒸气带来大气衰减实验；无线本地环红外线300GHz～400THz1mm～770nm直线红外局域网；客户电子应用可见光400THz～900THz770nm～330nm直线光通信主要内容2.1无线传输媒体2.2天线2.3传播方式2.4直线传输系统中的损伤2.5移动环境中的衰退2.6多普勒效应2.7信号编码技术2.8扩频技术2.9差错控制技术2.4直线传输系统中的损伤衰减和衰减失真(attenuationandattenuationdistortion)自由空间损耗(freespaceloss)噪声(noise)大气吸收(atmosphericabsorption)多径(multipath)折射(refraction)2.4.1衰减一个信号的强度会随所跨越的任一传输媒介的距离而降低。对于导向媒介，这种强度上的降低或称衰减，通常是一个指数值，因而常表示为每单位距离一个固定的分贝数。对于非导向媒介，衰减是一个更为复杂的距离函数，且充满整个大气层。衰减带来的三个影响(1)接收的信号必须有足够的强度，以使接收端的电子线路能够检测并解释信号。(2)与噪声相比，信号必须维持一种足够高的水平以便被无误差地接收。(3)高频下的衰减更为严重，会引起失真。可采用使跨一频带的衰减均等化的技术。2.4.2自由空间损耗任一种无线通信中，信号都会随距离发散，因此，具有固定面积的天线离发射天线越远，接收的信号功率就越低。在卫星通信中这是一种主要的信号损耗方式。全向天线自由空间损耗2.4.3噪声任一接收信号都是由传输信号构成，这些传输信号可能会被传输系统所产生的各种失真修改，还包括了在传输端和接收端之间的某些地方插入的不希望有的额外信号，这些不希望有的信号就是噪声。噪声是对通信系统性能带来影响的主要限制因素。噪声可以分为如下四类：热噪声(thermalnoise)电子热搅动互调噪声(intermodulationnoise)多个频率叠加串扰(crosstalk)电子耦合或错误接收脉冲噪声(impulsenoise)电磁干扰2.4.4大气吸收水蒸气和氧气是产生这种衰减的主要因素水蒸气所产生的衰减的峰值在22GHz附近，在低于15GHz的频率处，衰减会减少。氧气的存在会导致在60GHz附近的吸收峰值，而在低于30GHz的频率处，这种影响会减少。雨和雾(有悬挂的小水滴)会引起无线电波的散射，从而导致衰减，这有可能是引起信号损耗的主要原因。要减少这种损耗，在有较大降水量的地区，或者是将路径的长度变短，或者是使用低频带。2.4.5多经2.4.6折射当通过大气传播时，无线电波会被折射(或弯曲)。由于信号高度的变化而引起的信号速度的改变或大气条件下其他空间的改变都会引起折射。导致只有一小部分直线波或没有直线波抵达接收天线。主要内容2.1无线传输媒体2.2天线2.3传播方式2.4直线传输系统中的损伤2.5移动环境中的衰退2.6多普勒效应2.7信号编码技术2.8扩频技术2.9差错控制技术2.5移动环境中的衰退反射(R)、散射(S)和衍射(D)反射衍射散射多径传播的影响多径传播的影响衰退类型移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速衰退效果也可以分为平面的或选择性的。平面衰退(flatfading)或称非选择性的衰退，接收到的信号的所有频率成分同时按相同的比例波动。选择性衰退(selectivefading)无线电信号的不同光谱成分的影响是不相等的。差错补偿机制1．前向纠错2．自适应均衡3．分集技术主要内容2.1无线传输媒体2.2天线2.3传播方式2.4直线传输系统中的损伤2.5移动环境中的衰退2.6多普勒效应2.7信号编码技术2.8扩频技术2.9差错控制技术2.6多普勒效应多普勒效应是为纪念ChristianDoppler而命名的。多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v，当观察者走近波源时观察到的波源频率为(v+c)/λ，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为(v-c)/λ。多普勒效应（续）多普勒效应不仅仅适用于声波，也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波。在无线移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以在移动通信中要充分考虑多普勒效应。尤其是高速移动宽带接入网络(如IEEE802.20)必须考虑多普勒效应。主要内容2.1无线传输媒体2.2天线2.3传播方式2.4直线传输系统中的损伤2.5移动环境中的衰退2.6多普勒效应2.7信号编码技术2.8扩