無線通信(2)12通信系統簡介通信系統

系統概念由若干相互聯系、相互作用、相互依賴的單元（事物）組合而成的，為完成某個任務的特定功能整體單獨電子元件不是系統信源信宿信道一個高度抽象概括的點對點通信系統模型34通信系統分類模擬通信系統：將采集的信號直接進行傳輸模擬信號直接進行傳輸代表性系統：模擬電視，AM廣播數字傳輸系統：傳輸的信號只包括“0”，“1”數字化信號將信號轉變為數字信號后再進行傳輸典型系統：手機通信系統（大哥大除外），計算機網絡模擬通信系統正在逐步被數字通信系統取代模擬通信系統信源與輸入變換器信道輸出變換器與輸出信號信道信源與輸入變換器調制器解調器噪聲56＋3.6V3.8V0.2V（噪聲）接收到錯誤電平信號！！模擬通信系統數字通信系統輸出變換器與輸出信號信道信源與輸入變換器數字編碼器解調器噪聲調制器數字解碼器信源編碼信道編碼信源解碼信道解碼優點在哪里？78＋3.6V3.8V0.2V（噪聲）判決正確！！數字通信系統判決“1”>1.8V“1”→3.6v；“0”→0v9－3.6V“1”2.6V1.0V噪聲判決正確！！數字通信系統判決“1”>1.8V“1”→3.6v；“0”→0v10數字通信相對于模擬通信優點：數字信號碼流只有高低兩個電平值，容易進行區分。同時我們可以在信道編碼過程中插入冗余信息，提高傳輸的可靠性。模擬通信相對于數字通信，可靠性則差了很多！11信源編碼是將信息轉換成二進制數據，而后進行適當的壓縮。例如：語音編碼。信源解碼過程是信源編碼過程的逆過程。信源編碼/信源解碼模擬信號數字信號采樣模擬/數字信源編碼數字信號12信源編碼：無損編碼例5：Huffman編碼：設信源有8種字母，對應概率為：XP(X)A0.20B0.19C0.18D0.17E0.15F0.10G0.005H0.00513信源編碼：有損編碼語音編碼：64kbps32/16/8/4.8/2.4/0.8kbps預測編碼PCM~DPCM`ADPCM參數編碼高清晰度電視：1Gbps20Mbps分塊/DCT/變換系數量化/Huffman編碼幀間前向預測編碼、P幀幀間前向后向預測編碼、B幀14通信系統的構成（點到點）信源編碼信道編碼調制低通濾波載波調制通道載波解調低通濾波解調信道解碼同步均衡信宿發射天線接收天線15用于保證接收到的“0”,“1”序列是正確的★

錯誤檢測可檢查接收信息是否正確需要加入一些冗余信息★

錯誤糾正可以檢測并可以糾正錯誤需要更多的冗余信息★

重傳機制在系統能夠監測到錯誤但不能糾正錯誤時需要更多冗余產生時延信道編碼16正確信息：我們明天14:00——16:00開會接收到的錯誤信息：我們明天10:00——16：00開會★：接收信息有錯誤，但接收端無法知道糾錯編碼的意義17正確信息：我們明天14:00—16:00開會利用編碼的方法可使錯誤被檢測到：我們明天下午10:00—16：00開會★：錯誤可被檢測到，但不能被糾正★：這里加入了一定的冗余信息糾錯編碼的意義18利用編碼的方法可使錯誤被檢測到并被糾正

我們明天下午10:00—16:00開會兩個小時★：錯誤可被檢測，并可被糾正★：加入了更多的冗余信息糾錯編碼的意義19有些錯誤是無法檢測到并被糾正的

我們明天下午16:00—18:00開會兩個小時★：加入了足夠的冗余信息★：錯誤無法被檢測并被糾正糾錯編碼的意義無線通信系統

無線通信系統的組成發射機接收機傳輸媒質（無線信道）通信協議和標準

2021現有無線通信系統移動蜂窩網系統第二代（GSM,IS-95)第三代（CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA）無線局域網系統無線局域網（WLAN）無線廣域網（WMAX）廣播電視系統衛星通信系統近距無線通信網絡無線個域網（WPAN）無線傳感器網絡（WSN）無線射頻識別（RFID）22無線通信相關的周邊知識23傳輸媒體/介質/媒介傳輸媒體指的是發送器和接收器之間的物理通道傳輸介質（通信介質）：通信系統用以收發電子/光子信號的物理路徑分類如下：引導性介質（線纜介質）電磁波沿著一個固態介質傳播。例如：金屬導體、玻璃、塑料非引導性介質（無線介質）提供了傳輸電磁信號的手段，但不加以引導。例如：大氣層、外層空間24傳輸媒體/介質/媒介

無線信道屬于非導向傳輸信道，在空間或宇宙中自由直線傳播方式，傳播速度3*108m/s具有折射、反射、繞射和干涉等波的特性無線信道為開放性信道，時時刻刻受到人為或自然現象的影響或干擾，傳輸不如有線信道穩定和可靠25無線傳輸的電磁頻譜ITU定義適于無線通信頻率30kHz-300GHz26常用無線電波段的特點27受管制頻譜和不受管制的頻譜800－1000MHz：幾個蜂窩系統使用此頻段（模擬系統和第二代蜂窩）。也有一些應急通信系統（集群無線電）使用此頻段1.8－2.0GHz：這是蜂窩通信的主要頻段。目前的（第二代）蜂窩系統工作于此頻段，大多數第三代系統也將工作于此頻段。許多無繩系統也工作于此頻段2.4－2.5GHz：工業、科學和醫療（ISM）頻段。無繩電話、無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）工作于此頻段；它們與其它的許多設備（包括微波爐）分享這一頻段28無線頻譜的分配頻率統一分配（FCC/ITU_R/各個國家）根據信息類型分配頻譜（AM/FM無線電臺、TV、蜂窩電話…）工業科學醫學頻段（ISM）可自由使用但限制功率，如藍牙采用2.4GHz專用于非許可的商業用途救護車、出租車、無線遙控玩具、無線電家用設備等天線Allwirelessdeviceshaveatleastoneantenna;mostusethesameantennatotransmitandreceiveTheantennamustbeatleastonequarterwavelengthinsizetoworkwell.So,nomatterhowsmallyoumakeacellularphone,theantennaisgoingtohavetobeaboutthissize!29天線方向性發射天線有兩種基本功能把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去將大部分能量向所需的方向輻射天線根據其方向性可分為全向天線方向性（或定向）天線天線的特性3031全向傳播與定向傳播全向傳播（Omnidirectional）信號沿所有方向傳播可被所有的天線接收發射設備和接收設備不必在物理上對準定向傳播（directional）天線把所有的能量集中于一小束電磁波天線增益在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的全向天線（球型輻射單元）在空間同一點處所產生信號的功率密度之比，定量描述一根天線把輸入功率集中輻射的程度其物理含義為：在相同距離上某點產生相同大小信號所需發送信號的功率比天線增益（AntennaGain）32天線增益天線增益反映了天線將電波集中發射到某一方向上的能力。一般來講天線的增益越高，波瓣寬度越窄，天線發射能量也越集中類比：水管粗細與水壓的關系天線增益33【例】天線增益計算P2為參考全向天線發射功率P1為定向天線發射功率產生相同的效果，全向天線發射功率應該更強才能達到定向天線的效果天線增益3435無線信號傳播特性36大尺度傳播模型對傳輸模型的研究，傳統上集中于“距發射機一定距離處平均接收信號場強的預測”對于預測平均信號場強并用于估計無線覆蓋范圍的傳播模型，由于描述的是發射機與接收機之間（T-R）長距離（幾百米到幾千米）上的信號場強變化，所以我們稱之為大尺度傳播模型37小尺度衰落模型小尺度衰落簡稱衰落，指無線電信號在短時間或短距離傳播后其幅度，相位或多徑時延快速變化，以至于大尺度路徑損耗的影響可以忽略不計這種衰落一般是由同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小時間差到達接收機的信號互相干擾所致，這些波稱為多徑波3839無線信號傳播從天線發出的信號存在以下三種不同傳播方式：地波傳播（GrandWave）天波傳播（SkyWave）直線（視距）傳播(Line-of-sight)**我們討論的重點40無線信號傳播理想情況下，無線信號在從發射器到接收器間的一條直線上傳播，稱為“視距傳播”(lineofsight,LOS)自由空間傳播模型實際情況下，由于傳輸障礙物等傳輸環境的影響，無線信號的傳播將發生如下三種現象：反射衍射(Diffraction，也稱為繞射)散射（其中物體的幾何形狀決定了將產生哪種現象）41自由空間傳播模型自由空間傳播模型用于預測接收機和發射機之間是完全無阻擋的視距路徑時接收信號的場強由于電磁波能量的擴散，距離增加時，能量仍然會衰減自由空間模型預測接收功率的衰減為T-R距離的函數(Friis公式)：42自由空間傳播模型載波波長與頻率成反比（C為光速）自由空間傳播模型僅當d為發射天線遠場距離df時才使用，df與發射天線截面最大線性尺寸和載波波長有關（D為天線最大物理線性尺寸）43自由空間傳播模型d0:參考距離df:遠場距離Pr(d0)的單位為W。參考距離d0在室內環境的典型值取為1m，室外環境取為100m或者1000m當距離d超過遠場距離時，預測自由空間的接收功率為44自由空間傳播模型例1：求解最大尺寸為1m，工作頻率為900MHz的天線的遠場距離45自由空間傳播模型例1：求解最大尺寸為1m，工作頻率為900MHz的天線的遠場距離解：D=1m,f=900MHz46對數距離路徑損耗模型自由空間傳輸模型主要用于預測發射機與接收機之間是完全無阻擋的LOS時接收信號的場強。因此一般用于戶外預測實際應用環境復雜，對于大多數傳輸模型是通過分析和實驗相結合而產生的，實驗方法是通過大量測試數據擬合傳輸曲線分析：針對應用環境，建立模型，通過仿真或計算得出傳播模型；實驗：根據大量實驗測量數據，繪出傳播損耗曲線或擬合成解析式，再抽象出傳播模型47對數距離路徑損耗模型自由空間損耗模型：推廣，對數距離路徑損耗模型適用范圍更廣n路徑損耗指數，表明路徑損耗隨距離增長率d0近地參考距離48室內無線電傳播模型室內無線信道特點：覆蓋距離更小，對于更小的T-R距離，環境變化更大，對數距離損耗模型未考慮環境變化的影響考慮環境影響，路徑損耗服從對數正態分布，即：頻率MHzn室內走廊9003.07.0辦公室（軟分隔）9002.49.6辦公室（軟分隔）19002.614.1辦公室（硬分隔）15003.07.049反射（reflection）反射：當信號遇到表面大于信號波長的障礙物（地球表面、高建筑物、大型墻面）導致信號的相位發生漂移50反射（reflection）平面波入射到兩種理想電介質交界面，一部分進入第二介質（透射），一部分返回原介質（反射），無能量損耗。若第二介質為理想導體，則僅有反射，無透射，無損耗；否則，有能量損耗51衍射/繞射（Diffraction）衍射（或繞射）：當信號遇到大于波長的不可穿透物的邊緣（如無線電波中途遇到的尖銳不規則的邊緣物），即使沒有來自發送器的視線信號，也可接收到信號52衍射/繞射（Diffraction）由于衍射效應，電磁波可以繞過障礙物傳播到它后面。這意味著在陰影區接收機仍然可以收到發射信號。但是，隨著接收機向陰影區縱深移動，信號迅速衰落。衍射效應可以由Huygens原理解釋，即所有波前的點都可以視為次波源。這些次波源的輻射形成在波傳播方向形成新的波前。場強等于障礙物附近所有次波源電磁場向量和。53散射（Scattering）散射：當信號遇到比波長更小的物體（樹葉、街牌、燈柱）就發散成幾個弱的散射信號。54散射（Scattering）實際接收到的信號比衍射和反射模型預測的要強，反射能量由于散射而為接收機提供額外能量。散射還與障礙物表面的粗糙度有關。表面越粗糙，越容易引起散射。在戶外，樹木和路標都會導致移動電話信號的散射。在室內，椅子、書籍和計算機都會導致無線局域網信號的散射。55反射、衍射和散射56電波的多徑傳播和衰落電波傳播的長期慢衰落由傳播路徑上固定障礙物的陰影引起，也稱為陰影衰落三大損耗路徑損耗、慢衰落損耗、快衰落損耗（1）長期慢衰落長期慢衰落由傳播路徑上的固定障礙物的陰影引起，其信號衰落緩慢，且衰落速率與工作頻率無關，僅與地形、地物分布和