第2章 无线通信技术基础

第2章无线通信技术基础2本章内容简介☆无线电频谱☆无线传输介质和方式☆扩频技术☆复用和多址技术☆调制技术☆天线技术☆损伤和衰落☆MIMO3无线电频谱无线电频谱特点☆有限性☆排它性☆复用性☆非耗尽性☆传播性☆易干扰性4无线电管理部门☆联邦通信委员会(FCC)FCC是美国专门负责管理其国内及对外有线、无线和电视通信业务的行政决策机构，管理无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务，协调国内和国际通信，涉及美国各州及所属地区。☆中国无线电管理局我国的专业无线电管理部门，依据《中华人民共和国无线电管理条例》等法律法规，负责无线电管理。5无线电频谱的划分根据无线电波传播及使用的特点，国际上将无线电波频谱划分为12个频段，通常的无线电通信只使用其中的第4~12频段。值得一提的是ISM(IndustrialScientificMedical，工业科学医疗)频段，即2.4~2.4835GHz主要开放给这三类机构使用，该频段是依据FCC的定义，无需许可证授权，属于免费使用。只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。表2.1无线电频谱和波段划分表7无线传输介质和方式无线传输介质☆传输介质指数据传输系统中发送方和接收方之间的物理路径☆传输介质可分导向和非导向两类⑴导向传输介质用于有线通信，包括双绞线、同轴电缆(粗缆和细缆)、光纤、电力线等。⑵无线通信和无线网络则使用非导向传输介质，包括无线电、微波、红外线、毫米波、光波等。8无线通信的主要方式包括无线电波、微波、红外线☆无线电波指在自由空间传播的射频频段的电磁波，其基本原理是导体中电流强度的改变会产生无线电波。☆微波一般频率在300M~300GHz之间，波长在1米到1毫米之间的电波。☆红外线它是太阳光线中众多不可见光中的一种，存在于太阳光谱中红光的外侧，也可作为传输介质。9微波通信☆微波频率高，波长很短，在空中的传播特性与光波相近，即直线前进，遇到阻挡会被反射或阻断。☆微波通信的主要方式是视距通信，超过视距则需中继转发。☆普遍适用于各种专用通信网☆微波通信的特点包括：容量大、质量好、可传至很远的距离10和其它传输系统一样，微波传输的主要损耗源于衰减。对于微波以及无线电广播频段，其损耗可表示如下：2410lgdLdB其中d是距离，λ是波长，二者单位相同11微波通信主要分为两大类：地面微波通信和卫星微波通信☆地面微波通信通常在视距范围内进行，收发双方一般为两个互相对准方向的抛物面天线。12☆地面微波通信的优点⑴容量大⑵质量高⑶成本低☆地面微波通信的缺点⑴易失真⑵易受环境影响⑶安全保密性差⑷维护成本13☆卫星微波通信由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继作用，连接两个或多个地球站的地面微波发射器或接收器。☆卫星微波通信的优点：范围大、距离远；不易受地面灾害影响；建设快，通信费用和距离无关；易实现广播和多址通信。☆卫星微波通信的不足：信号传输有时延，天线受太阳噪声影响，安全保密性较差，卫星本身造价高，等等。14红外线通信☆红外线通信是以红外线为载体进行数据传输的通信方式；☆红外线通信使用收发器调制出互不相干的红外线，就可实现通信；☆红外线通信不易被发现和截获，保密性强；☆红外线通信几乎不受电磁、人为干扰，抗干扰性强；☆红外线通信机体积小、重量轻、结构简单、价格低廉。15红外通信笔记本电脑进行红外线通信16扩频技术扩频(SpreadSpectrum，SS)是一种重要的通信技术，可用于传输模拟和数字信息。扩频方法的优点包括：⑴对各种类型噪声如多径失真具有免疫性。⑵可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩展代码，才可恢复原始信息。⑶多个用户可独立使用同样的较高带宽，且几乎无干扰。17输出数据输入数据信道编码器调制器信道解调器信道解码器伪随机序列生成器扩展码伪随机序列生成器扩展码扩频系统的一般模型18扩频技术最早多用于军事和情报部门，通过将携带信息的信号扩展到较宽带宽中，以加大干扰和窃听的难度。目前主流的两个扩频技术分别是跳频和直接序列，均在无线通信标准和产品中得到应用。19跳频扩频☆跳频扩频(FrequencyHoppingSS，FHSS)是用一定的扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变。☆发送方用看似随机的无线电频率序列广播信息，并在固定间隔里从一频率跳至另一频率。☆接收方接收消息时，也同步跳转频率。HedyLamarr2021扩频信号调制器(FSK/BPSK)二进制数据sd(t)带通滤波器(约为频率之和)频率合成器信道表伪随机数生成源c(t)FH扩频器s(t)(a)发送器扩频信号解调器(FSK/BPSK)二进制数据sd(t)带通滤波器(约为频率之差)频率合成器信道表伪随机数生成源c(t)FH解扩频器s(t)(b)接收器跳频扩频系统框图22一个跳频信号示例，8个信道分配了跳频信号。2f1f3f4f5f6f7f8f58371462能量频率1f2f3f4f5f6f7f8f频率时间跳频扩频示例23直接序列扩频☆直接序列扩频(DirectSequenceSS，DSSS)用具有高码率的扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱，而接收方则用相同扩频码序列进行解扩，即把拓宽的扩频信号还原成原始信息。☆DSSS中，原始信号中的每一位在传输信号中以多位表示，即使用扩展编码。这种扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上，该频带范围与使用位数成正比。24调制器(BPSK)伪随机数生成源sd(t)c(t)二进制数据s(t)扩频信号DS扩频器(a)发送器解调器(BPSK)伪随机数生成源sd(t)c(t)二进制数据s(t)扩频信号DS解扩频器(b)接收器直接序列扩频系统框图25●一种使用异或运算将数字信号流与扩展编码流相结合的DSSS技术实例输入数据A本地产生的伪随机位流B传送信号：CAB本地产生与上面相同的伪随机位流B接收信号CACB输出数据发送方接收方26复用和多址技术●通信技术中的一个关键是传输效率，即尽量充分利用信道(有线或无线)。实际上就是同时传输多个信号，在两点间的信道中同时传输互不干扰的多个信号称“信道复用”，而在多点间实现互不干扰的多边通信称“多址接入”。●本质是信号分割，即赋予各信号不同特征或地址。然后根据各特征间的差异来区分，按不同地址分发，以实现互不干扰的通信。27●复用或多址技术的关键是设计正交信号集合，使各信号彼此无关。实际工作中，实现完全正交和不相关较难，一般采用准正交，互相关很小。●常见的复用方式有频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、空分复用(SDM)等。多址通信的方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。28TDMA给定频带的最高数据传送速率，将传递时间划分为若干时隙，每个用户站使用某一指定时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。12345678123456781234567812345678下行上行帧时隙TDMA时隙分配示意图29FDMA☆FDMA将传输频带划分为若干较窄且互不重叠的子频带，每个用户分配一个固定子频带。☆FDMA常用于卫星通信、移动通信、微波通信。☆FDMA分模拟调制和数字调制，也可由一组模拟信号用频分复用方式或一组数字信号用时分复用方式占用一个较宽的频带，调制到相应子频带后传送到同一地址。30OFDMA☆OFDMA将信道分为若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制至每个子信道上传输。☆接收方采用相关技术可区分正交信号，有效减少子信道间的相互干扰。☆与OFDM不同，OFDMA的每个用户可选择信道条件较好的子信道传输数据。31CDMA☆发送方用一个带宽远高于信号带宽的伪随机编码信号或其它扩频码，调制所需传输的信号，即拓宽原信号的带宽，再经载波调制后发送。☆接收方使用完全相同的扩频码序列，同步后与接收到的宽带信号作相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信息。☆由于是以正交的不同码片序列区分用户，故称“码分多址”，也称“扩频多址(SSMA)”。32SDMA☆SDMA利用不同用户的空间特征区分用户，从而实现多址通信。☆蜂窝移动通信充分运用了SDMA方式，用有限频谱构成大容量通信系统，称为频率再用，是蜂窝通信的一项关键技术。☆卫星通信中采用窄波束天线实现空分多址以提高频谱利用率。33调制技术●调制指将输入信息变换为适于信道传输的形式。●信号源信息通常包含直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。●调制过程改变了高频载波即信息载体信号的幅度、相位或频率，使其随基带信号幅度的变化而变化。●解调过程则将基带信号从载波中提取出来，使接收方能正确处理。34常用的调制方式⑴模拟调制用连续变化的信号调制一个高频正弦波☆幅度调制，包括调幅(AM)、双边带、单边带、残留边带、独立边带调制等☆角度调制，包括调频(FM)、调相(PM)⑵数字调制用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制☆振幅键控(ASK)，用数字调制信号控制载波通断。35☆频率键控(FSK)，用数字调制信号的正负控制载波频率☆移相键控(PSK)，用数字调制信号的正负控制载波相位⑶脉冲调制用脉冲序列作为载波☆脉幅调制(PAM)，用调制信号控制脉冲序列的幅度，使其在均值上下随调制信号的瞬值变化36☆脉宽调制(PDM)，用调制信号控制脉冲序列中各脉冲宽度，使单脉冲持续时间与该瞬时调制信号值成比例☆脉位调制(PPM)，调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置(即相位)，使各脉冲的相对位置随调制信号变化☆脉码调制(PCM)，首先对信号采样，再对采样值予以量化，最后对信号进行编码☆脉频调制(PFM)，用调制信号控制脉冲重复频率，使该频率随调制信号变化37天线技术●天线是无线通信系统中的外界传播介质接口●发送方先将信号通过馈线(电缆)输送到天线，再以电磁波形式辐射出去●接收方在电磁波到达后，由天线吸收下来(仅接收极小一部分功率)，通过馈线送至无线电接收机。●天线的型号、增益、方向图、驱动功率、极化等都是影响通信系统性能的因素之一38天线的分类☆按用途分通信天线、电视天线、雷达天线等。☆按工作频段分短波天线、超短波天线、微波天线等☆按方向性分全向天线、定向天线等☆按外形分线状天线、面状天线等39天线的主要指标☆天线增益增益是指输入功率相等是，实际天线与理想辐射单元在空间同一处产生的信号功率密度之比。☆方向图天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标的分布图形，成为方向图。40☆极化极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性。☆其它技术指标，例如：(1)电压驻波比(2)端口隔离度(3)回波损耗(4)无源互调(5)功率容量41天线的关键技术☆天线分集技术分集是通过多信道（时间、空间、频率）接受到承载相同信息的多个副本，由于各信道的传输特性不同，个副本的衰落就会不同。分集技术包括：空间分集、时间分集、频率分集、极化分集等42☆赋形波束技术赋形波指根据系统性能指标，形成对基带（中频）信号的最佳组合或分配。☆智能天线技术智能天线指安装在基站的双向天线，通过一组由可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可获取基站和移动台之间各链路的方向特性。43☆多天线技术多天线技术能在不增加带宽的前提下，提高传输效率频谱利用率。44损伤和衰落传输过程中的损伤（损耗）主要的损伤包括衰减和衰减失真、自由空间损耗、噪声、大气吸收、多径、折射等☆衰减和衰减失真衰减和衰减失真指信号强度随所跨越的任一传输介质的距离而下降，无线介质中的衰减是一个更复杂的距离函数☆自由空间损耗信号随距离增加会在越来越大的面积范围内散布，该衰减称自由空间损耗，可表示为发射功率与天线的接收功率之比45噪声☆热噪声由电子热扰动产生，存在于所有电子设备和传输介质中，是温度的一个函数☆互调噪声不同频率的信号共享相同介质时，会产生互调噪声☆串扰噪声不同信号路径间的融合☆脉冲噪声外部电磁干扰、通信系统中的错误和缺陷等46移动环境中的衰落☆衰落指因传输介质或路径改变引起的接收信号功率随时间变化☆多径传播机制分为