无线传输技术基础教材课件.ppt

1、第二章 无线传输技术基础2.1无线传输媒体一、传输媒体定义1、传输媒体（transmission medium）指的是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。 2、传输媒体分类 可分为导向的（guided）：电磁波被引导沿某一固定媒体前进，如双绞线、同轴电缆、和光纤。 非导向的（unguided）：他的例子是大气和外层空间，他们提供了传输电磁波的手段，这种传输形式通常称为无线传播（wireless transmission）。3、数据传输的特性： 数据传输的特性以及传输质量取决于传输媒体性质和传输信号。天线发射的信号有个重要的属性是方向性，通常，低频信号是全向的，就是说，信号从天线发射后会

2、沿所有方向传播，当频率较高时，信号才有可能被聚集称为有向波束。4、导向和非导向传输技术的工作频谱电磁波频谱 5、无线传输的两种基本构造类型：定向的和全向的定向结构中：发送天线将电磁波聚集成波束后发射出去，因此，发射和接收推荐先必须精确校准。全向结构：发送信号沿所有方向传播，并能够被多少天线接收。6、人们感兴趣的频率(1)、1GHz100GHz称为微波频率（microwave frequecies），这个频率范围内，高方向性的波束是可实现的，且微波非常适用于点对点的传输，它也可用于卫星通信。（2）、30MHz1GHz之间的频率范围适用于全向应用，这是无线电广播阶段（3）为红外线频谱段HZ1110

3、314102HZ11103二、微波（地面微波）1、微波分类 地面微波接力通信和卫星通信2、地面微波接力在物理线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响；两个地面站之间传送，距离为50 -100 km；（1）、微波接力的优点微波接力的优点 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。 微波通信受外界干扰比较小，传输质量较高。 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。（2）、微波接力通信缺点微波接力通信缺点相邻站之间必须直视，不能有障碍物（”视距通信”）。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达

4、接收天线，因而造成失真。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。三、卫星三、卫星（satellite）微波 一种特殊的微波通信与一般地面微波通信的不同在于使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号。1、国际上卫星可使用的频段： C波段 使用3.74.2 GHz的频段作为上行信道，5.9256.425 GHz的频段作为下行信道 Ku波段 使用11.712.2 GHz作为上行信道，1414.5 GHz作为下行信道 Ka波段 使用17.721.7 GHz作为上行信道，27.530.5 GHz作为下行信道 2

5、、卫星通信特点 （1） 缺点是传播延迟时间长 卫星通信的传播延迟时间1/4s（270 ms）是和端地面站间的距离无关的，因而特别适合于远距离的通信 （2）、卫星是一个人广播设施，许多站点可以向卫星发送信息，同事卫星传下来的信息也会被众多站点接收。 （3）卫星通信的新发展 ： 低成本的微型地面站的出现，又称甚小口径终端VSAT（Very Small Aperture Terminal）系统 四、红外线使用发送器/接收器（收发器），调制出不相干的红外线就可以实现红外线通信。红外线传输的特点：1、收发器间的距离不能超过视线的范围2、红外线不能穿透墙体，微波可以穿透墙体、3、红外线不存在频率分配许可五

6、、光波 光波指非导向光波，不是指用光纤的导向光波。这种方案提供了非常搞的带宽，成本也很低，并且相当容易安装，且要求FCC许可。弱点：标准难，容易受雨、雾的影响。2.2 天线简介: 天线可以定义成一种可以发射电磁能量至空间中或从空间中接收电磁能量的导电体或导电系统。u 天线将无线电频率电能转变成电磁能量辐射到周边的环境。u 天线接收电磁能量并将之转变城无线电频率之电能提供给接收器处理。u双向通讯系统中通常使用共同的天线来传送和接收信号。一、天线的辐射场型一、天线的辐射场型n 天线的辐射场型可描述天线性能n 辐射场型机会都是以三维场型的二维切面来描述波束宽度（半功速波束宽度）波束宽度（半功速波束宽

7、度） 度量天线方向性辐射场型辐射场型 天线用于接收信号时，辐射场型即是接收场型天线辐射电磁波的基本原理天线方向图天线方向图二、天线形式：二、天线形式：（1）等向天线（理想化） 向空间中所有方向的辐射能量都相同（2）偶极天线u 半波长偶极天线（赫兹天线）u 四分之一波长垂直天线（Marconi天线）（3）抛物面反射天线 四分之一波長天線四分之一波長天線2 / 半波長偶極天線半波長偶極天線4 /等向性等向性 指向性指向性天线的型式天线的型式天天线线型式型式xy平面侧视图zy平面俯视图xy平面侧视图zy平面俯视图xz平面俯视图xz平面俯视图简易偶极天线简易偶极天线指向性天线指向性天线三、天线的增益三

8、、天线的增益1、 天线增益：可用来度量天线的指向性，以理想的等向性天线任一方向输出功率为参考基准，天线在指定方向的输出功率定义为天线增益。2、 有效面积：天线的有效面积与本身的尺寸形状有关。3、天线的增益：天线增益与有效面积的关系：22244cAfAGeeG = 天线增益 Ae =有效面积f =载波频率c =光速(3108 m/s) =载波的波长天线增益与方向图半功率波瓣宽度关系曲线2.3传播方式n地波的传播 n天波的传播 n直线传播 一、地波的传播特点： 沿着地球的轮廓来传播 可以传送相当远的距离 传送信号频率在2MHz以下 例如AM无线电地球接收天线发射天线信号传播二、天波的传播 从地面上

9、的天线发射一信号至在大氣的电离层，电离层看似一个坚硬的反射表面会將波反射回地面 地波或多或少地沿著地球的轮廓来传播，而且在视觉地平线上能夠传送相当远的距离。 繞射这是电磁波碰到障碍物产生的一种現象 例子 AM无线电 CB radio三、直线传播 1、信号无法用天波或地波的方式传波，一定要用直线传播。n 卫星通信-超过30MHz的信号在电离层不会发生反射n 地面上的通信-发送和接受的天线一定要在自己有效（effective）的直线上。发送天线地球地球信号传输信号传输接收天接收天线线2、直线传输(折射效应)(1)、折射折射 大气会使微波弯曲或折射 折射的发生是因为电磁波的行进速度与传输介质密度有关

10、 当电磁波从某一密度的传输媒介到另一密度的传输媒介行进时速度会改变 传输介质的交接处产生一次电磁波方向的弯曲地球地球光波地平线光波地平线天线无线电地平线（2）直线传输 光学和无线电直线传播距离 有效的(或无线电)到地平线的直线传播 d =天线到地平线之間的直线距离，单位为公里 h =天线的高度，单位为公尺 K =其中K是折射的调节因子，最佳实用用值为K = 4/3 hd57. 3Khd57. 3 地面上两个线天之間的LOS传输的最大距离为: h1 =天线1的高度 h2 =天线2的高度2157. 3KhKh 2.5直线传输系统中的损伤 衰減和衰減失真 自由空间的衰減 大气的吸收作用 多重路径 折

11、射 热讯号 噪声一、衰減衰減 信号强度的衰减与距离有关，对于引导式媒介来说，信号强度的衰减通常与距离成对数关系 对于无引导式的媒介来说，大气造成的衰减是一个更复杂的距离函数，传输工程师对衰减有三个考虑因素： 接收机所接收之信号强度要够大，那麽接收机内电路系统才能够检测和表示该信号 信号必须保持比噪音大，使得接收信号无误 高频率信号衰减较大，而产生失真。一、自由空间的衰减 理想等向性天线来说，自由空间的衰减表示为 222244cfddPPrtPt = 传送天线端的信号功率Pr =接收天线端的信号功率 =波长 d =两个天线间的传播距离 c =光速 (3*108 m/s) 注意到d和?的单位要相同

12、(例如：公尺) 以dB为单位， 自由空间衰减方程式可写成： dPPLrtdB4log20log10 dB 98.21log20log20d dB 56.147log20log204log20dfcfd 对於其他天线而言，我们必须考虑天线的增益，其自由空间衰减方程式写成： trtrtrrtAAfcdAAdGGdPP2222224Gt =传送端的天线增益 Gr =接收端的天线增益 At =发射天线的有效发射面积 Ar =接收天线的有效接收面积 以dB为单位，由天线增益和有效区域之关系推导得到 因此，当天线尺寸和距离相同时，载波波长越长(载波频率f越低)，自由空间路径的损失会越大。 rtdBAAdL

13、log10log20log20 dB54.169log10log20log20rtAAdf二、噪音的种类 噪音(Thermal noise) 互调噪音(Intermodulation noise) 串音(Crosstalk) 脉冲噪音(Impulse noise) 1、热噪音是电子的热搅动所造成 存在於所有的电子装置和传输介质中并且是温度的函数。热噪音在频带内均匀分布故常称为白色噪音 热噪音无法消除 ，故热噪音定义了通讯系统性能的上限，卫星通讯收到的信号非常微弱，所以热噪音对卫星通讯的影响特别显着。 任何的装置或导体中频宽为1Hz的热噪音定义为 : N0 =熱雜訊在每1Hz頻寬的瓦特數 k =

14、波茲曼常數(Boltzmanns constant) =1.380310-23 J/K T =溫度(絕對溫度) W/Hz 0kTN 假设噪音与频率无关 频宽B Hz的热噪音(单位瓦特): 或写成(单位dBW) kTBN BTNlog10 log 10k log10BTlog10 log 10dBW 6 .2282、噪音术语 不同频率信号共用同一个传输媒介时有可能造成互调噪音 互调噪音 互调噪音是由两个原始频率之和频、差频以及这些和频或差频的倍频所组合的信号 串音 不同信号路径之间产生我们不想要的耦合现象称为串音 脉冲噪音是一种短暂不规则、非连续 且高振幅的噪音 包括外部电磁干扰、闪电以及通信3

15、、Eb/N0的表示式的表示式 此参数是每位元信号能量和每赫兹的噪音功率密度之比值 Eb/N0是数位通讯系统性能的度量标准 给定达到某种错误率的Eb/N0值，可以用前面公式来选择参数值 当位元率 R 增加时，必须提高发送信号功率以保持所需的 Eb/N0 TRSNRSNEbk/004、Eb/N0与讯杂比(SNR)之关系 Eb/N0与讯杂比(SNR)之关系描述如下 参数N0是噪音能量密度(单位为瓦特/赫兹)。因此，频宽BT的噪音能量为并改写上式成 RNSNEob0RBNSNETb0(5.4) 5、Eb/N0与频谱效率之相关性 Shannon最大通道容量方程式为 当通道容量C的单位为位元/每秒；通道频

16、宽B的单位为Hz，上式可以写成 利用(5.4)式、B = BT和C = R，我们有)/1log(NSBC12BCNS) 12(0BCbCBNE二、其他衰減其他衰減 大气吸收效应 水蒸汽和氧气造成最主要的衰减 多重路径 障碍物会反射信号并造成接收机可收到不同延迟的多重信号 折射 气传播高度影响信号速度或大气环境变化时会产生折射 1、多重路径传播 反射 - 当电磁信号遇到比信号波长大的物体表面时会发生反射 绕射-比无线电波波长大的建筑物边缘会发会生的绕射现象 散射散射发生时进入的信号会分散成几个更弱的向外射出信号图 三个重要传播机制的示意图：反射(R)、散射(S)、绕射(D) 多重路径传播上图 说

17、明三种不同的传播机制。当电磁信号遇到比信号波长大的物体表面时会发生反射。例如，靠近手机的地面反射波，因为地面反射造成相移180度，此反射波和视线(LOS)波可能互相抵抵消，进而造成大的信号损失，再者行动天线一般都低於建筑物，故会发生多重路径的干扰，这些反射波可能在接收器造成建设性或破坏性的干扰。比无线电波波长大的建筑物边缘会发会生的绕射(diffraction)现象。绕射电波传播方向与原信号不同。因此有时无LOS传输时接收机也能够收到信号。 如果障碍物的尺寸与信号的波长差不多时会发生散射。散射发生时进入的信号会分散成几个更弱的向外射出信号。在行动电话使用频带中，有许多物体，像是灯柱和交通号志都

18、会引起散射，因此散射效应很难预测。 3 换句话说，反射信号路径较长，相较於直线波之路径延迟会产生相移，路径延迟半波长时相当於相移180度(信号反向)。2、多重路径干扰的例子微波连接行动连接3、多重路径传播的影响 多重路径传播造成接收机收到不同相位的多重信号 如果这些相位破坏性地相加，相对於噪音，信号准位降低，使得接收机检测信号更加困难 符际干扰 (inter symbol interference, ISI) 现在假设这个脉冲编码表示一个或多个资料位元，在首要脉波後面的一个或多个延迟的信号可能与下一个首要脉波同时抵达，此情况下，对首要脉波而言，延迟脉冲是某种形式的噪音，使得资料位元的辨识更加困

19、难 4、符际干扰(inter symbol interference, ISI) 现象图为多重路径下时间变化的两个脉冲发射脉冲接收之LOS脉冲接收之多重路径脉冲接收之LOS脉冲接收之多重路径脉冲时间发射脉冲时间 另一种称为符际干扰(inter symbol interference, ISI)的现象对数位传输而言特别重要。考虑基地台固定天线和行动台之间以给定的频率传送一窄脉冲信号。上图显示在两个不同时间传送此脉冲，通道可将脉冲送到接收器，图的上半部显示时域上的两个脉冲传输。图的下半部面显示接收器收到的脉冲。在这两个传送情况下，第一个收到的脉冲是LOS信号，因大气衰减进或行动台远离基地台固定天线

20、时脉冲的强度可能变小，但是除主要脉冲以外，尚有由反射、绕射和散射造成的多个次要的脉冲。现在假设这个脉冲编码表示一个或多个资料位元，在首要脉波後面的一个或多个延迟的信号可能与下一个首要脉波同时抵达，此情况下，对首要脉波而言，延迟脉冲是某种形式的噪音，使得资料位元的辨识更加困难。 5、衰退类型衰退类型 快速衰退(fast fading) 慢速衰退(slow fading) 平坦衰退(flat fading) 选择性衰退(selective fading) rayleigh fading rician fading快速衰退:当行动手机沿着城市的街道移动，每半波长的距离信号强度发生快速变化，蜂巢式行动

21、电话典型的频率 900 MHz，其波长是0.33 m，此应用在城市的街道环境接收信号振幅快速变化的一个例子。在一个短距离上振幅的变化可能多达20或者30 dB。这种快速改变的衰退现象称快速衰退(fast fading)，此快速衰退不仅影响汽车中的行动电话甚至影响城市街道上步行使用者的行动电话。慢速衰退:由於行动使用者活动距离超过波长许多，当使用者通过不同高度的建筑物、空地、十字路口等等，相当於城市环境在改变，在这长距离的移动期间，接收信号平均功率准位会有一平缓的变化,显示此慢速改变的波形，称之为慢速衰退(slow fading)。平坦衰退:所有频率成份的衰退波动都相同者称平坦衰退(flat f

22、ading)、或非选择性衰退。 选择性衰退:对不同频率的影响不一。选择性衰退通常只与全部通信通道的频宽有显着的关联性。如果只有信号频宽上的某一部份发生衰减，此种衰退是选择性的；非选择性衰退意味着信号频宽比衰退影响的频谱宽度还窄。Rayleigh衰退:当发射机和接收机之间有多重的间接路径而没有主要支配的路径(例如LOS)时会发生Rayleigh衰退(Rayleigh fading)，此模型这表示最糟的情况。幸运地，Rayleigh衰退能够加以分析并提供一些复杂环境中的系统特性，例如市区环境。 Rician衰退:Rician衰退最适合描述有一个直接视线路径和一些多重路径的环境。Rician模型常应

23、用在室内的环境，而Rayleigh模型适用於户外环境。Rician模型也适用於小的细胞区域或空旷的户外环境。 6、错误补偿机制 直接错误更正直接错误更正 适应性等化器适应性等化器 分集技术分集技术（1）、直接错误更正）、直接错误更正 传送器於每一个区块资料中添加多余位元传送器於每一个区块资料中添加多余位元 错误更正码由资料位元的某一种函数计算得到错误更正码由资料位元的某一种函数计算得到 接收器计算这些输入资料位元得到一个新的错误更正码接收器计算这些输入资料位元得到一个新的错误更正码 如果这个新码与输入的错误更正码相同表示没有错误发生如果这个新码与输入的错误更正码相同表示没有错误发生 如果输入的

24、码与计算的码不同表示一个或多个位元是错误如果输入的码与计算的码不同表示一个或多个位元是错误的的（2）、适应性等化 适应性等化器可应用於类比资讯或数位资讯 类比声音或视讯 数位资料、数位化的声音或视讯 用来对抗符际干扰 适应性等化是一种能够聚集分散的符号能量回到原时间区间内的方法 技术 区块类比电路 复杂的数位处理演算法 （3）、线性等化器电路 显示一个常用的线性等化器电路，在此特例中，输入信号经过均匀延迟?後分别乘上系数权值Ci再相加得到一个输出，此电路具适应性，因为系数可动态调整。一般系数的设定是根据培训序列(已知的位元序列)。发射端传送培训序列(training sequence)，接收器

25、收到此送培训序列与预期结果比较并据以计算系数的权值。发射端会周期性地传送新的培训序列，以适应传输环境的改变。 对於Rayleigh通道，或更糟的情况，也许每传送单一区块资料都要包括新的培训序列。这表示资料过载(添加很多的位元，效率降低)，但效率要以无线行动环境中的错误率来做判断基础。（4）分集技术 基於个别通道所经历的衰退情况各自独立的事实 空间分集 涉及自然界的传输路径的分集技术称为空间分集 频率分集 频率分集使信号频谱分布更大的频宽或使用多重载波 时间分集 时间分集技术是将资料在时间上展开使噪音影响的位元数减少 （5）时间分集概念时间分集概念 时间分集技术是将资料在时间上展开使噪音影响的位

26、元数减少。此技术在慢速衰退的地区非常有效。如果行动台移动缓慢，因此可能有较长的间隔在衰退严重的地区停留，此情况下即使信号平均准位高於干扰，也会造成连续的错误，也许功能强大的错误更正码也不能更正此突然的连续错误。如果数位资料以分时多工(TDM)架构传送，多个使用者以分割时段方式(见图 2.13b)共享同一通道，此种区块交错使用的方式建立了时间分集技术。图5.15显示JONE93的结果并说明时间分集概念。注意到连续噪音波仍然影响相同的位元数，但错误位元分散至不同的逻辑通道上，如果每一个通道配合直接错误更正技术，错误更正码也许能处理较少数目的错误位元。如果没使用TDM架构，将资料源分成一序列的区块并搅乱区块的方式传送仍可达到时间分集的功效，图5.15b显示四组区块为一组再加以搅乱传送，同样地，错误位元数相同，此种区块交错的方式也可将错误位元分散开来。结合TDM架构与区块交错法可达到时间分集更佳的功效。