無線通信基礎課件47

第1章無線通信基礎無線通信的基本特征是利用電磁波在空中傳遞信號。它的發(fā)展建立在20世紀物理學、電子技術和信息技術大發(fā)展的基礎上。第2頁，共47頁。1.1無線電波在廣播電視和通信中，電磁波通常被稱為無線電波。除了無線電波之外，電磁波還包括紅外線、可見光、紫外線以及γ射線等，它們之間的區(qū)別僅僅是波的頻率不同。第3頁，共47頁。1.1.1無線電波段的劃分本書討論的無線通信覆蓋的無線電波頻率范圍主要是HF、VHF、UHF和SHF波段。第4頁，共47頁。1.1.1無線電波段的劃分微波頻段分米波段，特高頻（UHF），波長為1m-10cm厘米波段，超高頻（SHF），波長為10-1cm毫米波段，極高頻（EHF），波長為10-1mm頻率與波長的關系：第5頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性1、無線信道

信道是通信中信息的傳遞通路，是通信理論中對發(fā)射機與接收機之間信息傳輸媒介的一個概括性的總稱，是任何一個通信系統(tǒng)不可缺少的組成部分。信道分類：有線信道無線信道按傳輸媒介的不同分類明線、電纜和光纖中、長波的地波傳播信道，短波的電離層反射傳播信道，超短波和微波的直射傳播信道和散射傳播信道等第6頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性2、電磁波在無線信道中的傳播特性（1）傳播方式直射反射繞射散射一般情況下，電磁波總是以直線方式傳播碰到一個尺寸比自身波長大得多的物體碰到一個尖利的邊緣時，也稱衍射碰到尺寸小于自身波長的多個物體第7頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性2、電磁波在無線信道中的傳播特性（2）傳輸損耗路徑衰耗是指無線電波直線傳播的損耗，包括在自由空間中傳播時固有的與距離二次方成反比的衰耗，以及散射和吸收等導致的衰耗等。路徑衰耗與距離的n次方成比例，其中n稱為路徑衰耗指數，不同傳輸環(huán)境取不同的值。路徑衰耗、陰影衰落、多徑衰落第8頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性2、電磁波在無線信道中的傳播特性（2）傳輸損耗陰影衰落無線電波在傳播路徑中遇到起伏的地形、建筑物和高大的樹木等障礙物時，會在障礙物的后面形成電波的陰影。接收機在移動過程中通過不同的障礙物和陰影區(qū)時，接收天線接收到的信號強度會發(fā)生變化，造成的這種信號衰落稱為陰影衰落。它是服從對數正態(tài)分布的隨機變量。路徑衰耗、陰影衰落、多徑衰落第9頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性2、電磁波在無線信道中的傳播特性（2）傳輸損耗多徑衰落慢衰落（大尺度衰落）：相對無線電波的頻率來說其變化比較緩慢，上述兩種信號衰落即為慢衰落?？焖ヂ洌ㄐ〕叨人ヂ?，多徑衰落）：無線電信號在短時間或短距離傳播中發(fā)生信號幅度劇烈地起伏變化，這種衰落是由信號的多徑傳播引起的。路徑衰耗、陰影衰落、多徑衰落第10頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性3、無線電波傳輸中的多徑衰落由于受到周圍建筑物以及地面的反射和散射作用，往往使同一波源發(fā)出的信號沿多條不同的傳輸路徑，以不同的時間到達接收機。這些經不同路徑到達的波，稱為多徑波。由于不同路徑的信號的傳播距離及傳播時延不同，到達接收機時的相位也就不同，從而使接收到的信號的幅度有時因同相疊加而增強，有時又因反相疊加而減弱。這樣，接收信號的幅度就會產生劇烈的變化，造成畸變和衰落，這就是無線電波傳輸中的多徑衰落。第11頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性3、無線電波傳輸中的多徑衰落多徑衰落可能引起兩種特殊的選擇性衰落：（1）頻率選擇性衰落（2）時間選擇性衰落第12頁，共47頁。1.1.2無線電波的傳播特性4、電離層的結構及其對短波信道的影響電離層中的電子和離子密度在空間各處不相同，而且在不停地變動，這種不均勻性會使得無線電波在傳輸過程中會出現多徑衰落、相位起伏、多普勒頻移等一系列對通信不利的影響。第13頁，共47頁。1.2調制與解調無線電波是無線通信的信息載體，通常把它稱為載波。在通信發(fā)射端將要傳遞的信息裝載到載波上，這個過程就叫做調制。裝載了信息的電磁波稱為已調波。在通信接收端從收到的已調波上把信息取出來，就叫做解調。第14頁，共47頁。1.2調制與解調常用調制方式及用途第15頁，共47頁。1.2.1幅度調制1、雙邊帶調幅（AM）式中，——載波幅度；——調制信號，它可以是確知信號,也可以是隨機信號；——載波角頻率；——載波的初相位。若=，=0，則有=++式中，為調幅度第16頁，共47頁。1.2.1幅度調制1、雙邊帶調幅（AM）單音調制的雙邊帶調幅波（AM）的波形與頻譜（c）第17頁，共47頁。1.2.1幅度調制2、單邊帶調制（SSB）(c)單邊帶調幅頻譜(a)話音信號頻譜(b)雙邊帶調幅波頻譜第18頁，共47頁。1.2.2角度調制頻率調制（FM）與相位調制（PM）統(tǒng)稱為角度調制，屬于非線性調制。FM：使高頻振蕩的頻率按調制信號的規(guī)律變化而振幅保持不變的一種調制方式。PM：使高頻振蕩的相位按調制信號的規(guī)律變化而振幅保持不變的一種調制方式。第19頁，共47頁。1.3數字通信數字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相比的優(yōu)點：（1）抗干擾能力強，通信質量高，可通過再生而消除噪聲的積累；（2）數字設備集成度高，便于大規(guī)模生產，成本低，效率高；（3）能充分發(fā)揮計算機的強大數據處理能力，可將語音通信和數據通信融合成綜合業(yè)務數據網；（4）保密性能好。第20頁，共47頁。1.3.1基本概念實現信息傳遞的全部技術設備和傳輸媒介組成一個通信系統(tǒng)。（1）通信系統(tǒng)1、通信系統(tǒng)與通信網一般單向通信系統(tǒng)的模型框圖第21頁，共47頁。1.3.1基本概念信息源：通信中信息的提供者，簡稱信源。（1）通信系統(tǒng)1、通信系統(tǒng)與通信網發(fā)送設備：對信源產生的消息信號進行處理變換，使其變?yōu)楸阌趥魉偷男盘栃问剑⒏鶕鬏斁嚯x大小以一定的信號功率傳送出去。信道：從發(fā)送設備到接收設備之間信號傳遞所經過的物理傳輸媒介。第22頁，共47頁。1.3.1基本概念（1）通信系統(tǒng)1、通信系統(tǒng)與通信網噪聲源：為分析方便，將各處噪聲的集中表現抽象成噪聲源模型加入到信道上。接收設備：完成發(fā)送設備的發(fā)變換，從帶有干擾的信號中正確恢復出原始信息。受信者：又稱為信宿，是傳輸信息的歸宿點，將復原的原始信號轉換成相應的消息。第23頁，共47頁。1.3.1基本概念（2）數字通信系統(tǒng)1、通信系統(tǒng)與通信網信源為數字信號的通信系統(tǒng)稱為數字通信系統(tǒng)。一般數字通信系統(tǒng)的組成框圖第24頁，共47頁。1.3.1基本概念信源編碼與譯碼：信源編碼是把模擬信號變換為數字信號，并進行數據壓縮。信源譯碼是信源編碼的逆過程。（2）數字通信系統(tǒng)1、通信系統(tǒng)與通信網信道編碼與譯碼：信道編碼是對傳輸的信息碼元按一定的規(guī)則加入保護成分。信道譯碼是按一定規(guī)則進行解碼，發(fā)現或糾正錯誤，提高系統(tǒng)抗干擾的能力。加密與解密：加密是為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸的數字序列擾亂，即加上密碼。解密是在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復制品對收到的數字序列進行解密，恢復原來信息。第25頁，共47頁。1.3.1基本概念數字調制和解調：數字調制把數字基帶信號的頻譜從低頻搬到高頻，形成適合在信道中傳輸的頻帶信號。數字解調是在接收端恢復數字基帶信號。（2）數字通信系統(tǒng)1、通信系統(tǒng)與通信網同步與數字復接：同步使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調一致。數字復接是依據時分復用基本原理把若干個低速數字信號合并成一個高速的數字信號，以擴大傳輸容量，提高傳輸效率。第26頁，共47頁。1.3.1基本概念雙向、多點通信（3）通信網1、通信系統(tǒng)與通信網第27頁，共47頁。1.3.1基本概念數字信號的信息速率Rb定義為單位時間內系統(tǒng)傳輸的信息量（比特，bit），又稱比特率。（1）信息速率Rb和碼元速率Rs2、信息速率、信噪比、誤碼率與信道容量通信系統(tǒng)的二個重要的質量指標：有效性、可靠性碼元速率Rs是單位時間內所傳送的碼元個數，單位為“波特”，又稱波特率、傳碼率、符號速率。式中，n為碼元采用的進制數有效性第28頁，共47頁。1.3.1基本概念信噪比定義為輸出有用信號功率（PS）與輸出噪聲功率（PN）的比值。（2）信噪比（S/N）通信系統(tǒng)的二個重要的質量指標：有效性、可靠性單位為分貝（dB）可靠性2、信息速率、信噪比、誤碼率與信道容量第29頁，共47頁。1.3.1基本概念誤碼率=單位時間內接收的錯誤碼元數/單位時間內傳輸的總碼元數（3）誤碼率和誤比特率通信系統(tǒng)的二個重要的質量指標：有效性、可靠性可靠性誤比特率=單位時間內接收的錯誤比特數/單位時間內傳輸的總比特數2、信息速率、信噪比、誤碼率與信道容量第30頁，共47頁。1.3.1基本概念（4）信道容量C信道容量指單位時間、單位帶寬的信道能夠無錯誤地傳輸的最大比特數。香農公式W為信道的帶寬，單位為Hz；S/N為信噪比；C為信道容量，單位為b/s。2、信息速率、信噪比、誤碼率與信道容量第31頁，共47頁。1.3.1基本概念結論：當信道容量一定時，帶寬和信噪比之間，即有效性與可靠性之間成反比關系。通常只能做到在滿足一定可靠性指標下，盡量提高通信系統(tǒng)的有效性。（4）信道容量C2、信息速率、信噪比、誤碼率與信道容量第32頁，共47頁。1.3.1基本概念在數字通信系統(tǒng)中，在傳輸距離不太遠的情況下，將來自信息源的數字基帶信號直接傳輸，稱為數字基帶傳輸。3、基帶傳輸與頻帶傳輸將數字基帶信號經過載波調制，把頻譜搬移到高頻處再傳輸，這種傳輸稱為數字頻帶傳輸。基帶信號：由信源直接生成的信號。頻帶信號：基帶信號經調制后生成的信號。第33頁，共47頁。1.3.2語音編碼（信源編碼）波形編碼：語音編碼的基本方法：波形編碼和參量編碼將時域的模擬語音的（電壓）波形信號經過采樣、量化、編碼而形成數字語音信號。如脈沖編碼調制（PCM）、增量調制（ΔM）及其變形均屬于波形編碼。適合用于有線通信中。第34頁，共47頁。1.3.2語音編碼（信源編碼）參量編碼：語音編碼的基本方法：波形編碼和參量編碼基于人類語言的發(fā)聲機理，找出表征語音的特征參量，對特征參量進行編碼的一種方法。線性預測編碼(LPC)及其變形均屬于參量編碼。缺點是語音質量只能達到中等水平，不能滿足商用語音通信的要求。第35頁，共47頁。1.3.2語音編碼（信源編碼）混合編碼：語音編碼的基本方法：波形編碼和參量編碼在混合編碼的信號中，既含有若干語音特征參量信息又含有部分波形編碼信息。規(guī)則脈沖激勵線性預測編碼（RPE-LPC）、矢量和激勵線性預測編碼（VSELP）等屬于混合編碼。在數字移動通信中得到了廣泛應用。第36頁，共47頁。1.3.3數字調制技術1、三種基本調制方式（1）幅移鍵控（ASK）就是數字信號的振幅調制，是利用已調波的振幅變化去攜帶信息，而載波的頻率和相位不變。（2）頻移鍵控（FSK）就是數字信號的頻率調制，是利用已調波的頻率變化去攜帶信息，而載波的振幅和相位不變。（3）相移鍵控（PSK）就是數字信號的相位調制，是利用已調波的相位變化去攜帶信息，而載波的振幅和頻率不變。第37頁，共47頁。1.3.3數字調制技術1、三種基本調制方式數字基帶信號的不同調制方法與波形第38頁，共47頁。1.3.3數字調制技術2、相對調相與解調數字信號的相位調制可分為絕對調相和相對調相。對應于數字信號“1”和“0”采用固定不變的相位（如“1”碼對應0相位，“0”碼對應相位）的相位調制方式稱為絕對調相。所謂相對調相，其相位是一種相對的關系，其調制規(guī)律為：當遇到基帶信號“1”碼時，載波的相位相對于前一個碼元相位改變（即倒相）；當遇到“0”碼時，載波的相位相對于前一個碼元相位不變。第39頁，共47頁。1.3.3數字調制技術2、相對調相與解調（1）二相相對調相（2DPSK）與解調2DPSK調制原理方框圖第40頁，共47頁。1.3.3數字調制技術2、相對調相與解調（2）四相相對調相（QPSK）與解調（a）QPSK調制器組成框圖（b）QPSK工作原理矢量圖第41頁，共47頁。1.3.3數字調制技術2、相對調相與解調（2）四相相對調相（QPSK）與解調QPSK相干解調方框