第3講 無線通信系統(tǒng)

1、 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)2第三章 無線通信系統(tǒng) 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)3信息傳播過程：信源信道信宿。無線通信系統(tǒng)：也稱無線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、無線信道三大部分組成，是利用無線電磁波實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)4 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)5電磁波工作范圍電磁波工作范圍 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)6無線電波各頻段的主要應(yīng)用無

2、線電波各頻段的主要應(yīng)用頻段名稱頻率范圍波段名稱應(yīng)用極低頻(ELF)330Hz極長波地下通信，地下遙感，對潛通信等超低頻(SLF)30300 Hz超長波地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，電離層研究，對潛通信等特低頻(ULF)3003000 Hz特長波水下潛艇通信，電離層結(jié)構(gòu)研究等甚低頻(VLF)330 kHz甚長波導(dǎo)航，聲納，時間與頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞等低頻(LF)30300 kHz長波無線電信標(biāo)，導(dǎo)航等中頻(MF)3003000 kHz中波調(diào)幅廣播，海岸警戒通信，測向等高頻(HF)330 MHz短波電話、電報、傳真；國際短波廣播；業(yè)余無線電；民用頻段；船-岸通信；船-空通信等甚高頻(VHF)30300 MHz米波電視，調(diào)

3、頻廣播，空中交通管制，出租汽車移動通信，航空導(dǎo)航信標(biāo)等特高頻(UHF)3003000 MHz分米波電視，衛(wèi)星通信，無線電探空，警戒雷達(dá)，蜂窩移動通信，飛機導(dǎo)航等超高頻(SHF)330 GHz厘米波機載雷達(dá)，微波線路，衛(wèi)星通信等極高頻(EHF)30300 GHz毫米波短路徑通信，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感等超極高頻3003000 GHz亞毫米波短路徑通信等 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)7頻譜（信道）是區(qū)別各種電波的重要依據(jù)。從幾十兆到幾千兆的頻譜（信道）上，集中了各種不同的無線應(yīng)用，而且這些無線電傳播都使用同一個通信媒介空氣，所以為了保證各種無線通信之間不相互干擾，就需要對無線信道

4、的使用進(jìn)行必要的管理。ISM：國際通信聯(lián)盟無線電通信局規(guī)定，此頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個主要機構(gòu)使用。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)8無線收發(fā)器結(jié)構(gòu)：無線收發(fā)器結(jié)構(gòu)：收發(fā)模塊、收發(fā)天線、時鐘晶振等。收發(fā)模塊、收發(fā)天線、時鐘晶振等。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)9無無線線收收發(fā)發(fā)器器內(nèi)內(nèi)部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)10 基帶信號來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。 調(diào)制原因：基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或

5、直流分量。因此必須對基帶信號進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 調(diào)制（Modulate）就是對信號源的信息進(jìn)行處理加到載波上，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸形式的過程。 已調(diào)信號基帶信號通過調(diào)制后的信號，頻率高于基帶信號，適合于信道傳輸。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)11010011100基帶信號調(diào)頻調(diào)相調(diào)幅 基本調(diào)制方法：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM)、調(diào)相(PM) 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)12 解調(diào)（Demodulate)：從攜帶信息的已調(diào)信號中恢復(fù)信息的過程，是調(diào)制的逆過程。基帶信號已調(diào)信號調(diào)制解調(diào) 調(diào)制與解調(diào)兩種變換對信號的變化起決定性作用，

6、而其他過程對信號不會產(chǎn)生質(zhì)的變化，只是對信號進(jìn)行了放大或改善了信號特性。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)13按信息傳輸順序按信息傳輸順序并行傳輸并行傳輸將代表信息的數(shù)字序?qū)⒋硇畔⒌臄?shù)字序列以成組的方式在兩列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行條或兩條以上的并行信道上同時傳輸，優(yōu)信道上同時傳輸，優(yōu)點是速度快，缺點是點是速度快，缺點是需要的信道多、設(shè)備需要的信道多、設(shè)備復(fù)雜、成本高，適用復(fù)雜、成本高，適用于近距離通信，如計于近距離通信，如計算機與其它高速數(shù)字算機與其它高速數(shù)字設(shè)備。設(shè)備。串行傳輸串行傳輸數(shù)字序列以串行方式一數(shù)字序列以串行方式一個接一個地在一條信道個接一個地在

7、一條信道上傳輸。如上傳輸。如RS232C、USB等。等。發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收設(shè)備0 1 0 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)14按同步方式按同步方式異步傳輸異步傳輸以字符為單位的傳輸，每個字符的起始時刻可以以字符為單位的傳輸，每個字符的起始時刻可以是任意的，是任意的，起始代碼+字符代碼+終止代碼。收發(fā)收發(fā)雙方的時鐘信號不需要嚴(yán)格同步，傳輸效率較低，雙方的時鐘信號不需要嚴(yán)格同步，傳輸效率較低，實現(xiàn)簡單。實現(xiàn)簡單。同步傳輸同步傳輸以固定的時鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號，在一串?dāng)?shù)據(jù)以固定的時鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號，在一串?dāng)?shù)據(jù)流中，各信號碼元之間的相

8、對位置是固定的，傳流中，各信號碼元之間的相對位置是固定的，傳輸效率高，但接收方為了從收到的數(shù)據(jù)流中正確輸效率高，但接收方為了從收到的數(shù)據(jù)流中正確區(qū)分每個信號碼元，必須建立準(zhǔn)確的時鐘同步，區(qū)分每個信號碼元，必須建立準(zhǔn)確的時鐘同步，實現(xiàn)比較復(fù)雜。實現(xiàn)比較復(fù)雜。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)15按信息傳輸方向與時間關(guān)系按信息傳輸方向與時間關(guān)系單工單工任意時刻，信號只能從甲方向任意時刻，信號只能從甲方向乙方單向傳輸，甲方只能發(fā)信，乙方單向傳輸，甲方只能發(fā)信，乙方只能收信乙方只能收信全雙工全雙工任意時刻，信號既能從甲方向任意時刻，信號既能從甲方向乙方傳輸，也能從乙方向甲方乙方傳

9、輸，也能從乙方向甲方傳輸，甲乙雙方可同時收發(fā)傳輸，甲乙雙方可同時收發(fā)半雙工半雙工任意時刻，信號可從甲方向乙任意時刻，信號可從甲方向乙方傳輸，或從乙方向甲方傳輸，方傳輸，或從乙方向甲方傳輸，但甲乙雙方不能同時收發(fā)但甲乙雙方不能同時收發(fā) 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)16 通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣是由通信系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)決定的 通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)非常復(fù)雜，包括的內(nèi)容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)性、快速性、方便性、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性等諸多方面 有些指標(biāo)特性之間是相互矛盾的，此消彼長 有效性和可靠性是評價通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)，但難以量化，可操作性不強 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第

10、3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)173.4.1 工作速率工作速率一一衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通信能力（1）調(diào)制速率 調(diào)制速率（又稱符號速串或碼元速率（Nbd或fs）表示每秒傳輸信號碼元的個數(shù)，單位為 波特(Bd）。其計算公式為Nbd=1/T(2)數(shù)據(jù)傳信速率（簡稱傳信率）R（或fb ） 數(shù)據(jù)傳信速率表示每秒傳輸?shù)男畔⒘?，即比特個數(shù)或二進(jìn)制碼元的個數(shù)，單位為bit/s。 傳信速率可表示為R= NBdLog2M式說明了數(shù)據(jù)傳信速率與調(diào)制速率之間的關(guān)系，V為傳送的波形數(shù)。(3)數(shù)據(jù)傳送速率 數(shù)據(jù)傳送速率為單位時間內(nèi)在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備之間實際傳送的平均數(shù)據(jù)量，又稱有效數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為比特/秒（ bi

11、t/s ）、字符/秒或碼組/秒。但在實際中.有效數(shù)據(jù)傳送速率是小于數(shù)據(jù)傳信速率的. 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)183.4.2 有效性指標(biāo)有效性指標(biāo)-頻帶利用率頻帶利用率 頻帶利用率是描述數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬之間關(guān)系的1個指標(biāo)。它是單位時間內(nèi)所能傳 輸?shù)男畔⑺俾?，可表示為系統(tǒng)的傳輸速率/系統(tǒng)的頻帶寬度（B），單位為Bd/HZ或bit/(s .Hz)=NBd/B =R/B 從以上可看出，若碼元速率相同，加大M或減少B都可使頻帶利用率提高。前者可采用 多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)，后者可采用單邊調(diào)制、部分響應(yīng)等壓縮發(fā)送信號頻譜的方法。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通

12、信系統(tǒng)19可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)-傳輸?shù)牟铄e率傳輸?shù)牟铄e率（1）碼元差錯率 碼元差錯率指正在傳輸?shù)拇a元總數(shù)中發(fā)生差錯的碼元數(shù)所占的比例（平均值），簡稱誤碼率，表示為Pe=N/M PS 式表示碼元差錯率與錯誤接收碼元數(shù)和碼元傳輸總數(shù)的關(guān)系，M為碼元傳輸總數(shù)，N為 錯誤接收碼元數(shù)。 當(dāng)統(tǒng)計的碼元很大時，它與理論上的碼元差錯概率很接近，故用同一符號Pe表示。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)20(2)比特差錯率比特差錯率 比特差錯率指在傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)中發(fā)生差錯的比特數(shù)所占的比例（平均值）也稱誤字符（碼組）率。當(dāng)統(tǒng)計的比特數(shù)很大時，比特差錯率與理論上的比特差錯率概率很接近，故用同一

13、符號Peb表示。Pb=錯誤的比特數(shù)/傳輸?shù)目偙忍財?shù) 誤字符（碼組）率等于接收出現(xiàn)差錯的字符（碼組）數(shù)/總的發(fā)送字符（碼組）數(shù)。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)21 有效性：用系統(tǒng)的傳輸頻帶寬度傳輸頻帶寬度來衡量 傳輸介質(zhì)：一般都有足夠的帶寬容量 對信號的處理方式：起決定性作用 可靠性：用接收端最終輸出的信噪比信噪比來評價模擬模擬通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)22 有效性：用信息傳輸速率信息傳輸速率（比特率/波特率）來衡量 單位時間傳輸?shù)拇a元（0/1）個數(shù) 可靠性：用差錯率差錯率衡量，包括誤碼率和誤信率 誤碼率(Ps)=錯誤的碼元

14、數(shù)/傳輸?shù)目偞a元數(shù) 誤信率(Pb)=錯誤的比特數(shù)/傳輸?shù)目偙忍財?shù) 誤碼率(Ps)=誤信率(Pb)？數(shù)字?jǐn)?shù)字通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)23無線鏈路是通過相同的傳輸媒介空氣來傳播無線電信號；無線通信的誤碼率比有線系統(tǒng)高幾個數(shù)量級，RF鏈路的可靠性比有線鏈路低許多。為了實現(xiàn)在同一范圍內(nèi)多點間通訊，必須防止數(shù)據(jù)包在空氣中的傳輸時相互碰撞，必須建立可靠的無線傳輸通路。FDMA/TDMA/CSMA/FHSS是無線通信中實行多路訪問、提高信道效率和可靠性的常用技術(shù) 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)24頻分多址（Frequency Divis

15、ion Multiple Access，F(xiàn)DMA ），即不同的用戶分配在時隙相同而頻率不同的信道上。把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，F(xiàn)DMA使信道容量可根據(jù)要求動態(tài)地進(jìn)行交換。在FDMA系統(tǒng)中，分配給用戶一個信道，即一對頻譜，一個頻譜用作前向信道即基站向移動臺方向的信道，另一個則用作反向信道即移動臺向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號，任意兩個移動用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，因而必須同時占用2個信道（2對頻譜）才能實現(xiàn)雙工通信。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)25時分多址(Time

16、 Division Multiple Access，TDMA)是把時間分割成周期性幀(Frame)，每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾?；景l(fā)向多個移動終端的信號都按順序安排在預(yù)定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來。TDMA是在一個信道上對時間進(jìn)行分配，讓設(shè)備在不同的時間中完成數(shù)據(jù)的交互通信。TDMA較之FDMA具有通信信號質(zhì)量高、保密性好，容量較大等優(yōu)點，但它必須有精確的定時和同步以保證移動終端和基站間正常通信，技術(shù)上比較復(fù)雜。設(shè)備A設(shè)備B設(shè)備A設(shè)

17、備B時間TDMA 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)26CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）即載波偵聽多路訪問/沖突檢測，工作原理： 若媒體空閑，則傳輸； 若媒體忙，一直監(jiān)聽直到信道空閑，然后立即傳輸； 若在傳輸中監(jiān)聽到干擾，則發(fā)干擾信號通知所有站點，等候一段時間，再次傳輸。設(shè)備設(shè)備A設(shè)備設(shè)備B頻率頻率CSMA 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)27CSMA比FDMA/TDMA能更好的利用資源：在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，一直檢測是否存在相同頻率的載波。如果存在，就不發(fā)送數(shù)據(jù)；如果不存在，即可

18、發(fā)送數(shù)據(jù)。不僅提高了資源利用效率，也提高了通信的可靠性。“先聽后說，邊說邊聽”CSMA/CD是一種分布式介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議，網(wǎng)中的各個站（節(jié)點）都能獨立決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時，才允許發(fā)送幀。如果兩個以上的節(jié)點同時監(jiān)聽到介質(zhì)空閑并發(fā)送幀，則會產(chǎn)生沖突現(xiàn)象，這使發(fā)送的幀都成為無效幀，發(fā)送失敗。每個節(jié)點必須有能力隨時檢測沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生沖突，則應(yīng)停止發(fā)送，以免介質(zhì)帶寬因傳送無效幀而被白白浪費，然后隨機延時一段時間，再重新爭用介質(zhì)，重發(fā)送幀。CSMA/CD協(xié)議簡單、可靠，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如Ethernet）被廣泛使用。 物 聯(lián) 網(wǎng) 概 論第第3講講 無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)28跳頻通訊(Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS) 是抗干擾能力很強的通信方式之一，其原理與CSMA近似，但比CSMA的靈活性