無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件：物理層

物理層7.1無線通信系統(tǒng)組成7.2信源編碼7.3信道編碼7.4調(diào)制

7.1無線通信系統(tǒng)組成

數(shù)字通信系統(tǒng)由發(fā)送機、信道和接收機三個基本組件組成。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署位置相互靠近，適合使用短距離通信技術(shù)。信號是基帶信號，表達(dá)消息的信號必須轉(zhuǎn)換成處理器模塊能夠處理的離散信號。為了使消息不丟失，該轉(zhuǎn)換要求至少以奈奎斯特速率對信號采樣，采樣后離散信號轉(zhuǎn)換成比特流，該過程稱為信源編碼(sourceencoding)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱徊绞切诺谰幋a，它的目標(biāo)是增強傳輸信號的抗噪聲和抗干擾能力，而且，在信號損壞的情況下，它使錯誤識別和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)成為可能。有兩種基本的處理方法：發(fā)送預(yù)先定義的編碼本中的符號和發(fā)送冗余符號。信道編碼之后的處理是調(diào)制操作，調(diào)制過程是把基帶信號轉(zhuǎn)換為帶通信號的過程。為了從電磁波中提取消息信號，接收方組件必須執(zhí)行發(fā)送方組件執(zhí)行過程的逆過程。在理想情況下，接收方天線生成與調(diào)制信號的振幅、頻率和相位類似的信號。由于各種類型的損傷和干擾，信號的特征會發(fā)生改變，必須通過一系列的放大和濾波處理過程，以及解調(diào)和差錯檢測后轉(zhuǎn)換為基帶信號。最后，為了提取表示消息的原始模擬信號，必須對基帶信號進(jìn)行脈沖整形過程和兩個解碼(信道和信源)過程。

7.2信源編碼

7.2.1模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化信源編碼器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列的過程由采樣、量化和編碼三個階段組成。信源編碼器的目的是將每個量化元素s[j]映射為密碼本C中長度為r的相應(yīng)二進(jìn)制符號，如果編碼本中所有二進(jìn)制符號的長度相等，稱該密碼本為分組編碼(BlockCode)。然而，在通常情況下二進(jìn)制符號長度以及采樣率是不一致的，因此，習(xí)慣上給可能性較大的采樣值分配較短的符號和較高的采樣率，而給可能性較小的采樣值分配較長的符號和較低的采樣率。如果符號序列C=(C[1],C[2],…)中每個符號可以被映射為S=(s[1],s[2],…,s[n])中的相應(yīng)值，那么密碼本C可以被唯一解碼。能夠唯一解碼的二進(jìn)制密碼本必須滿足如下方程：7.2.2脈碼調(diào)制和增量調(diào)制脈碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(DM)是兩種最常用的源編碼技術(shù)。在數(shù)字脈碼調(diào)制中，首先對信號進(jìn)行量化處理，然后用二元碼字集合中的碼字表示每個采樣樣本。這些二元碼字的長度和碼元集合中碼字的個數(shù)決定了PCM技術(shù)的分辨率和信源編碼的比特率。在PCM中，信息的傳遞依賴于脈沖的存在與否，而非脈沖的振幅或脈沖邊緣位置。由于這種特性，PCM極大地提高了(幾乎無噪聲)二元碼字的傳輸和再生能力。與這種源編碼技術(shù)相關(guān)的代價是量化誤差，以及傳輸每個樣本輸出的多位二進(jìn)制數(shù)所要求的能量和帶寬。增量調(diào)制是低比特率數(shù)字系統(tǒng)中廣泛采用的數(shù)字脈沖調(diào)制技術(shù)，它是一個差分編碼器，該編碼器傳送的是描述連續(xù)信號間差值的信息比特而不是時序序列的實際值。通過估計基于以前樣本(Vi(t0))的信號幅度以及比較實際輸入信號(Vin(t0))的幅度之差生成差分信號Vd(t)，差分值的極性表示傳輸脈沖的極性。差分信號是對信號斜度的度量，它可以通過對模擬信號進(jìn)行采樣，并根據(jù)采樣信號的幅度改變數(shù)字信號的振幅、寬度或位置來實現(xiàn)。

7.3信道編碼信道編碼的主要目的是生成數(shù)據(jù)序列，該序列對噪聲具有魯棒性并且提供差錯檢測和前向糾錯機制。對簡單、廉價的收發(fā)器來說，前向糾錯的代價比較高，因此，信道編碼的任務(wù)主要局限于分組傳輸中的差錯檢測機制。物理信道設(shè)置限制了信號傳輸?shù)姆群蛡鬏斔俣?。根?jù)Shannon-Hartley定理，無差錯傳輸消息時的信道容量由下式給出：信號傳輸過程中產(chǎn)生錯誤的兩個獨立的原因：第一，如果消息的傳輸速率大于信道容量，信息將會丟失；第二，噪聲將不相關(guān)的信息引入到信號中，從而造成信息的丟失。7.3.1信道類型1．二元對稱信道BSC二元對稱信道BSC(BinarySymmetricChannel)是指能傳輸信息比特(0和1)的信道模型，該信道正確傳輸信息的一個比特位(不管傳輸?shù)氖?或1)的概率為p，而錯誤傳輸(1變?yōu)?或者0變?yōu)?)的概率為1-p。2．二元刪除信道BEC在二元刪除信道BEC(BinaryErasureChannel)中，對傳輸?shù)男畔⒈忍氐慕邮?正確地或其他的)未作保證。因此，該信道可用二元輸入和三元輸出來描述，刪除概率為P，而信息被正確接收的概率為1?p，信息傳輸錯誤的概率是零。二進(jìn)制刪除信道的信道矩陣如下：7.3.2信道信息傳輸給定輸入消息，信道矩陣[PC]和輸出信息，可用以描述不相關(guān)性和疑義度的影響，以及信道上沒有差錯傳輸信息的百分比，我們也稱其為變換或互信息。7.3.3差錯檢測與糾正除了提高信道傳輸質(zhì)量，檢測和糾正傳輸過程中的差錯也是必要的。通過允許發(fā)送器僅發(fā)送某種類型的碼字可實現(xiàn)差錯檢測，如果信道解碼器識別出的是未知碼字，則嘗試糾正錯誤或請求重傳(也就是自動重傳請求ARQ)。原則上，解碼器可能僅能糾正m個錯誤，其中m取決于碼字的大小。通過與發(fā)送的n比特的信息一起發(fā)送r比特的控制信息能夠?qū)崿F(xiàn)前向糾錯，但前向糾錯的問題是降低了傳輸效率。

7.4調(diào)制7.4.1調(diào)制類型消息信號是基帶信號，其主頻率分量在零附近。調(diào)制是根據(jù)消息(基帶)信號調(diào)整載波信號的特征(振幅，頻率和相位)，使其適合于信道傳輸?shù)倪^程。解調(diào)則是從載波信號中提取基帶信號的過程。實際應(yīng)用中常用正弦載波信號作為載波信號，該正弦信號表示如下：通過輸入消息信號可控制的振幅、頻率、相位，則相應(yīng)的調(diào)制方式稱為幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(FM)。根據(jù)輸入消息信號Sm(t)不同可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制技術(shù)仍在上下變頻處理中起著無可代替的作用，但模擬調(diào)制自身功耗較大、抗干擾能力差，逐步被數(shù)字調(diào)制技術(shù)所替代，相應(yīng)的數(shù)字調(diào)制類型被稱為幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。7.4.2模擬幅度調(diào)制假設(shè)載波和調(diào)制信號是模擬的正弦信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：幅度調(diào)制也就是對Sc(t)和Sm(t)進(jìn)行乘法運算，調(diào)制之后信號Smod(t)將通過放大和過濾過程進(jìn)一步滿足系統(tǒng)對振幅和頻譜的要求。調(diào)幅波Smod(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為為了簡化分析，假設(shè)兩個信號相位應(yīng)用歐拉公式，方程進(jìn)一步簡化為解調(diào)的目的是從已調(diào)信號中提取出消息信號，和調(diào)制過程類似，但增加了一個低通濾波過程。首先，接收到的已調(diào)信號與其同頻同相的載波信號(理想情況下，相位與原始載波信號Sc(t)相同)相乘，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為擴展式可得其中，K≤1，表示已調(diào)信號的衰減系數(shù)。應(yīng)用三角函數(shù)的性質(zhì)，式(7.19)可以簡化為由式可看出，解調(diào)信號中包含消息信號和載波信號，但載波信號的頻率比消息信號高得多，所以很容易通過簡單包絡(luò)檢測器(由半波整流和低通濾波器的組成)進(jìn)行分離。調(diào)制信號與接收機本地振蕩器產(chǎn)生的載波信號相乘后通過帶通濾波器(圖中未標(biāo)出)除去fc部分。最后，通過簡單的半波整流和低通濾波器恢復(fù)消息(基帶)信號。7.4.3數(shù)字調(diào)制類似地，如果將調(diào)制信號換成數(shù)字信號仍去控制正弦載波，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)頻和數(shù)字調(diào)相等已調(diào)波。需要注意的是，雖然調(diào)制信號為數(shù)字信號，但是已調(diào)波仍是模擬連續(xù)波。在實際WSN通信系統(tǒng)中，常用二進(jìn)制調(diào)制，還可以采用M進(jìn)制調(diào)制。M進(jìn)制調(diào)制符號可發(fā)送多個比特，縮短了發(fā)送器的運行時間和能量消耗，但是往往要采用比二進(jìn)制更復(fù)雜的發(fā)送器和接收器電路，也會帶來更高的解碼誤差。1．幅移鍵控(ASK)幅移鍵控(ASK)是模擬載波信號的幅值隨二進(jìn)制流變化的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其中載波信號的頻率和相位保持不變。ASK通常用在近距離無線通信應(yīng)用中。實現(xiàn)ASK最簡單的方法是使用通斷調(diào)制系統(tǒng)(也稱開關(guān)鍵控OOK)，即在比特為1時發(fā)送信號，而在比特為0時不發(fā)送信號。從信號理論可知，直接混合方波(比特流)需要一個帶寬很寬的乘法器，其代價很大。另外，由香農(nóng)定理可知，限制信號的帶寬必然會增加接收機端的誤碼率。帶寬受限的系統(tǒng)常常采用脈沖整形技術(shù)，該技術(shù)可以解決帶寬受限的問題，同時最大限度地減少誤碼率。于是，數(shù)字脈沖整形濾波器(PSF)已經(jīng)成為許多數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的一部分，這里可以用脈沖整形濾波器(PSF)實現(xiàn)幅移鍵控，PSF濾除方波信號的高頻分量，并且用低頻信號近似表示方波，進(jìn)而調(diào)制載波信號。2．頻移鍵控(FSK)頻移鍵控中，載波信號的頻率隨著消息比特流而變化。由于消息的比特流僅包含0或1，載波頻率也在兩個值之間變化，二進(jìn)制頻移鍵控BFSK很早就應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。任務(wù)要求：甲單片機按鍵同時控制甲單片機本身和乙單片機3個LED燈，分別實現(xiàn)四種效果；第一次按下并抬起，實現(xiàn)閃爍；第二次按下并抬起，實現(xiàn)LED1亮；第三次按下并抬起，實現(xiàn)LED2亮；第四次按下并抬起，實現(xiàn)流水顯示。乙機按鍵每按下并抬起一次，甲機數(shù)碼管加1顯示。學(xué)習(xí)目的：(1)了解51單片機串行口(UART)的結(jié)構(gòu)和工作方式。(2)了解串行口通信的原理及數(shù)據(jù)交換過程。(3)掌握單片機之間進(jìn)行串口通信的編程方法。1．硬件電路設(shè)計所需元件：晶振(CRYSTAL)、電阻(RES)、電容(CAP)、電解電容(CAP-ELEC)、單片機(AT89C51)、LED燈(LED-RED)、按鍵(BUTTON)。FSK解調(diào)過程需要兩個本地振蕩器(頻率為f1和f2)、兩個PSF和一個比較器。3．相移鍵控(PSK)相移鍵控中，載波信號的相位隨著信息比特流而變化。相移鍵控最簡單的形式是當(dāng)比特流從1到0或從0到1變化時相位偏移180°。下圖顯示了簡單相移鍵控過程中比特流從1到0時載波信號發(fā)生180°相位的偏移。調(diào)制過程需要本地振蕩器、反相器、開關(guān)放大器和PSF，反相器負(fù)責(zé)將載波信號反轉(zhuǎn)180°。另外，PSF、混頻器和本地振蕩器的使用如下圖所示。解調(diào)過程使用一個本地振蕩器、一個混頻器、一個PSF和一個比較器，如圖所示。4．正交振幅調(diào)制QAMQAM調(diào)制過程中，兩個經(jīng)幅度調(diào)制的正交載波信號組成復(fù)合信號，與普通的幅度調(diào)制相比使帶寬能夠提高兩倍。數(shù)字系統(tǒng)中，尤其是在無線應(yīng)用中，QAM可以和脈幅調(diào)制PAM一起使用。把調(diào)制后的比特流分成兩個平行的比特流，這兩個比特流分別調(diào)制兩個正交載波信號。下圖說明了QAM信號的解調(diào)過程。具有幅度和相位(或I和Q)信息的復(fù)合信號到達(dá)接收端后，輸入信號與本地振蕩器