无线通信与网络课件2

第二讲无线信号传输概述1电磁信号是时间的函数，也可以描述为频率的函数模拟信号和数字信号模拟信号（analogsignal）：信号强度随时间连续变化数字信号（digitalsignal）：信号强度在一定时间段内保持在一个稳定的水平。2模拟信号数字信号周期信号（periodicsignal）：周期性地重复的信号3()()stTstt一个典型的正弦波信号包含三个参数：振幅（A），频率（f）和相移（φ）。频率f：单位时间内信号重复自己的次数，单位是赫兹（Hz）。周期T：T=1/f波长λ：信号在一个周期内传播的距离，λ=vT，其中v是信号在介质中传播的速率。电磁波在真空中的速率c=3×108米/秒相移φ：信号在时间上的偏移量一个典型的正弦信号4()sin(2)stAft5A=1,f=1,Φ=0A=0.5,f=1,Φ=0A=1,f=2,Φ=0A=1,f=1,Φ=π/4信号的频域分解任意一个电磁信号可以视为由多个频率的信号组成（由傅立叶变换保证）例如：当构成信号的所有频率都是某个频率的整数倍时，这个频率被称为该信号的基本频率。如上例中f。信号的周期=信号中基本频率对应的周期。信号所有频率的范围被称为信号的频谱(Spectrum)，例如上例中信号的频谱为[f,3f]。信号频谱的宽度被称为信号的带宽（bandwidth），例如上例中信号的带宽为3f-f=2f6()(4/)(sin(2)(1/3)sin(2(3)))stftft7sin(2)ft(1/3)sin(2(3))ft(4/)[sin(2)(1/3)sin(2(3))]ftft信号数据传输速率和带宽的关系通常来说，信号的带宽越大，其传输数据的能力就越强例如：令方波的正电平为1，负电平为0，则信号在1/f时间内可以传送两个bit的数据，数据传输速率为2fbit/秒（bps）。8方波由哪些频率构成？频率f、3f、5f的正弦信号相加频率f、3f、5f、7f的正弦信号相加9(4/)[sin(2)(1/3)sin(2(3))(1/5)sin(2(5))]ftftft(4/)[sin(2)(1/3)sin(2(3))(1/5)sin(2(5))(1/7)sin(2(7))]ftftftft将所有f的奇数倍正弦信号叠加，可得到方波信号例1，考虑频率f、3f、5f的正弦信号叠加所得信号，如果f=1MHz，带宽为4MHz。如果用此信号近似为方波，则一个bit占用时间1/2f，传输速率为2f=2Mbps。例2，考虑同样的信号，但是f=2MHz，则带宽为8MHz。此时一个bit占用时间1/2f，传输速率为4Mbps。例3，考虑频率f、3f的正弦信号叠加所得信号，f=2MHz，带宽为4MHz。此时码速率为4Mbps。但是较之例1，信号更加失真，接收端识别信号的难度变大。10,14sin(2)()kkkftstAk奇数结论：数字信号方波包含无穷带宽信号传输系统通常仅具有有限的带宽对任意传输介质，占用的带宽越大，成本越高在有限的带宽内传输信号，会造成信号一定程度的失真（distortion）11模拟和数字信号典型的模拟信号：语音、视频典型的数字信号：文本、数据模拟的电磁波信号可以在一系列介质中传输，但是不同频率的信号传输特性不同。典型介质双绞线、同轴电缆光纤大气层、太空模拟信号可以用于传输模拟和数字内容12由一系列高低电平组成的数字信号可以在铜质线缆中传输数字信号较之模拟信号的优势在于更便宜，并且不容易受到噪声的干扰。劣势在于数字信号更容易衰减。信号的高频部分比低频部分衰减更大，整个信号失真13衰减造成数字信号失真模拟信号和数字信号之间的转换模拟信号模拟信号：声波（语音，300-3400Hz）转换为电磁波数字信号模拟信号：调制解调器（Modem）将数字内容调制为模拟载波信号14模拟信号数字信号：语音转换为数字信号，编解码器（codec）数字信号数字信号：数字收发器（transceiver）15选取不同的信号传输类型数字内容，数字信号传输数字信号直接用数字化方式传输比调制为模拟信号更方便便宜模拟内容，数字信号传输便于使用现代化的数字技术和数字网络（例如Internet）数字内容，模拟信号传输一些传输介质只能够传输模拟信号，光纤、卫星模拟内容，模拟信号传输例如，语音电磁波16模拟和数字信号传输模拟信号传输以模拟信号的方式传输模拟或者数字内容模拟信号易衰减，每传输一定距离，使用放大器放大信号能量不幸的是，同时放大了噪声数字信号传输更容易衰减中继器：接收数字信号，还原0和1，再编码传输。17信道容量噪声（noise）是造成信号失真的主要原因。对任意信道，在给定条件下数据传输的最大速率（单位为bps）被称为信道容量（channelcapacity）几个概念传输速率：数据在信道中传输的速度（bps）信号速率：单位时间传输信号的个数（波特）带宽：由传输者和传输介质确定的信号带宽（Hz）噪声：信道的平均噪声强度错误率：错误发生的速率（错误个数/秒）错误：发送1接收0，发送0接收1为什么要关注信道容量？带宽资源非常昂贵。18奈奎斯特带宽1.频率不超过B的信号足以实现2B的传输信号速率2.对带宽为B的信道，最高可实现的信号速率是2B。例，两电平信号。如果信号的传输速率是2B，则一个频率不大于B的信号足够实现上述速率。反之，对带宽B的信道，其能够传输的最大信号速率是2B。如果信号包含多个（M个）电平，信道容量为C=2Blog2M。增加电平数可以提高传输速率。但是识别多个电平给接收设备带来更大负担，且信号更容易受到噪声的影响。19信号噪声比奈奎斯特公式揭示，带宽翻倍则传输速率翻倍。噪声条件下，将产生错误，传输速率并不仅仅取决于带宽关键在于信号和噪声的能量对比。信噪比（SNR或者S/N）是信号功率和信号传输时噪声能量水平的比值，常以分贝（dB）为单位信噪比越高，信号质量越好2010signalpower10lognoisepowerdBSNR21香农公式信道的最大容量（单位为bps）计算如下：这只是理论上信道可以达到的最大传输速率，在实际中，这样的传输速率往往难以达到。香农在推导中，仅假设白噪声，没有考虑突发性的噪声没有考虑信号的衰减222log(1)CBSNR例：考虑一个信道的频谱从3MHz到4MHz，SNRdB=24dB。信道容量SNRdB=24dB=10log10(SNR)，SNR=251，C=106×log2(1+251)≈8Mbps如果这个传输速率可以实现，信号应该具有多少个电平？2316log4log102108log222662MMMMBC传输介质传输介质是指信号发送者和接收者之间的物理通路有导向的介质：信号沿固体介质传输铜质双绞线、同轴电缆、光纤无导向的介质：不规定传输的方向无线信号的传输方式大气层、太空通过天线发送和接收信号天线可以是全向的，或者是有方向的24频段划分微波频段1GHz到100GHz有向无线射束（beam）适合点对点传输用于卫星通信无线电频段30MHz到1GHz适合信号全向传输的各种应用红外频段3×1011到2×1014Hz在室内点对点传输2526地面微波(TerrestrialMicrowave)地面微波天线抛物面“锅”，直径3米固定对准特定角度，发射接收特定方向的射束实现信号的视距（lineofsight）传输通常置于高处应用远距离电信服务楼宇之间点对点通信（绕过电信运营商）27传输特性微波随传输距离的衰减衰减和距离的平方成正比，因此信号放大器可以每间隔10至100公里放置一个对比在双绞线和同轴电缆中，信号的衰减和距离的指数成正比，微波的衰减很小。282410logdBdL卫星微波描述两个地面基站通过卫星通信卫星就是一个微波信号中转站：通过一个频率接收信号（上行链路uplink，地面站到卫星）,重复或增大信号强度，再通过另一个频率传输（下行链路downlink，卫星到地面站）应用电视信号远距离电话通信主干线路，卫星电话私有商业网络29传输特性最优频段1-10GHz大部分卫星使用5.925-6.425GHz频段作为上行链路，3.7-4.2GHz频段作为下行链路。卫星必须将接收的信号转换频率，才能发射，以避免干扰。传输延迟明显，“检错+重传”的方法不再适用本质上是广播，所有地面站都可以收到信号（需合理复用）。30广播无线电广播无线电的天线信号全向传输天线不需要对准特定的角度应用包含FM广播信号频段和VHF和UHF电视信号频段，30MHz至1GHz传输特性随传输距离的衰减多路干扰失真较明显312410logdBdL红外类似于微波，视距传输不同于微波，不能穿透障碍物（例如墙壁）32复用传输介质的信道容量通常足够传输一路信号复用：通过单一介质同时传输多路信号更好地利用传输介质n路信号输入到多路复接器，多路复接器和多路分解器之间通过一个数据链路连接，多路分解器再将同时传输的n路信号分离。33为什么要复用当传输速率提高，每单位kbps的成本降低大部分通信设施可以支持较高的通信速率，而大多数通信应用不需要很高的速率34复用技术频分复用（FDM）：每一路信号独立使用一段频率，多路信号之间的频段之间有足够的间隔（guardband）语音信号300-3400Hz，4kHz带宽足够一路语音通信。早期的AT&T和ITU标准使用60至108kHz的频段复用传输12路语音信号。时分复用（TDM）：将时间分片，每个时间片对应一路信号同步时分复用，时间分片是预先设定的异步时分复用，动态地调整时间分片3536一个典型的同步时分复用系统37信号发送信号接收复用后的信号由帧组成，一帧包含所有路信号对应的时间片。在前后所有帧中对应特定信号的时间片被称为一个信道（channel）。AT&T的T1技术使用一个PCM语音编码信号复用线路。PCM语音编码信号由7bit的语音数据和1bit的控制位构成。24路PCM语音信号TDM复用T1线路，每帧包含8×24=192bit。每一帧还有一个bit的控制位。PCM每秒采样8000次，因此整个T1线路的速率为8000×193=1.544Mbps。38