無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)

1、第二章 無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)2.1無線傳輸媒體一、傳輸媒體定義1、傳輸媒體（transmission medium）指的是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑。 2、傳輸媒體分類 可分為導(dǎo)向的（guided）：電磁波被引導(dǎo)沿某一固定媒體前進(jìn)，如雙絞線、同軸電纜、和光纖。 非導(dǎo)向的（unguided）：他的例子是大氣和外層空間，他們提供了傳輸電磁波的手段，這種傳輸形式通常稱為無線傳播（wireless transmission）。3、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦裕?數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦砸约皞鬏斮|(zhì)量取決于傳輸媒體性質(zhì)和傳輸信號。天線發(fā)射的信號有個(gè)重要的屬性是方向性，通常，低頻信號是全向的，就是說，信號從天線發(fā)射后會

2、沿所有方向傳播，當(dāng)頻率較高時(shí)，信號才有可能被聚集稱為有向波束。4、導(dǎo)向和非導(dǎo)向傳輸技術(shù)的工作頻譜電磁波頻譜 5、無線傳輸?shù)膬煞N基本構(gòu)造類型：定向的和全向的定向結(jié)構(gòu)中：發(fā)送天線將電磁波聚集成波束后發(fā)射出去，因此，發(fā)射和接收推薦先必須精確校準(zhǔn)。全向結(jié)構(gòu)：發(fā)送信號沿所有方向傳播，并能夠被多少天線接收。6、人們感興趣的頻率(1)、1GHz100GHz稱為微波頻率（microwave frequecies），這個(gè)頻率范圍內(nèi)，高方向性的波束是可實(shí)現(xiàn)的，且微波非常適用于點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸，它也可用于衛(wèi)星通信。（2）、30MHz1GHz之間的頻率范圍適用于全向應(yīng)用，這是無線電廣播階段（3）為紅外線頻譜段HZ1110

3、314102HZ11103二、微波（地面微波）1、微波分類 地面微波接力通信和衛(wèi)星通信2、地面微波接力在物理線路昂貴或地理?xiàng)l件不允許的情況下適用；通過地球表面的大氣傳播，易受到建筑物或天氣的影響；兩個(gè)地面站之間傳送，距離為50 -100 km；（1）、微波接力的優(yōu)點(diǎn)微波接力的優(yōu)點(diǎn) 微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大。 微波通信受外界干擾比較小，傳輸質(zhì)量較高。 與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設(shè)投資少，見效快。（2）、微波接力通信缺點(diǎn)微波接力通信缺點(diǎn)相鄰站之間必須直視，不能有障礙物（”視距通信”）。有時(shí)一個(gè)天線發(fā)射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達(dá)

4、接收天線，因而造成失真。微波的傳播有時(shí)也會受到惡劣氣候的影響。與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差。對大量中繼站的使用和維護(hù)要耗費(fèi)一定的人力和物力。三、衛(wèi)星三、衛(wèi)星（satellite）微波 一種特殊的微波通信與一般地面微波通信的不同在于使用地球同步衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)微波信號。1、國際上衛(wèi)星可使用的頻段： C波段 使用3.74.2 GHz的頻段作為上行信道，5.9256.425 GHz的頻段作為下行信道 Ku波段 使用11.712.2 GHz作為上行信道，1414.5 GHz作為下行信道 Ka波段 使用17.721.7 GHz作為上行信道，27.530.5 GHz作為下行信道 2

5、、衛(wèi)星通信特點(diǎn) （1） 缺點(diǎn)是傳播延遲時(shí)間長 衛(wèi)星通信的傳播延遲時(shí)間1/4s（270 ms）是和端地面站間的距離無關(guān)的，因而特別適合于遠(yuǎn)距離的通信 （2）、衛(wèi)星是一個(gè)人廣播設(shè)施，許多站點(diǎn)可以向衛(wèi)星發(fā)送信息，同事衛(wèi)星傳下來的信息也會被眾多站點(diǎn)接收。 （3）衛(wèi)星通信的新發(fā)展 ： 低成本的微型地面站的出現(xiàn)，又稱甚小口徑終端VSAT（Very Small Aperture Terminal）系統(tǒng) 四、紅外線使用發(fā)送器/接收器（收發(fā)器），調(diào)制出不相干的紅外線就可以實(shí)現(xiàn)紅外線通信。紅外線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：1、收發(fā)器間的距離不能超過視線的范圍2、紅外線不能穿透墻體，微波可以穿透墻體、3、紅外線不存在頻率分配許可五

6、、光波 光波指非導(dǎo)向光波，不是指用光纖的導(dǎo)向光波。這種方案提供了非常搞的帶寬，成本也很低，并且相當(dāng)容易安裝，且要求FCC許可。弱點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)難，容易受雨、霧的影響。2.2 天線簡介: 天線可以定義成一種可以發(fā)射電磁能量至空間中或從空間中接收電磁能量的導(dǎo)電體或?qū)щ娤到y(tǒng)。u 天線將無線電頻率電能轉(zhuǎn)變成電磁能量輻射到周邊的環(huán)境。u 天線接收電磁能量并將之轉(zhuǎn)變城無線電頻率之電能提供給接收器處理。u雙向通訊系統(tǒng)中通常使用共同的天線來傳送和接收信號。一、天線的輻射場型一、天線的輻射場型n 天線的輻射場型可描述天線性能n 輻射場型機(jī)會都是以三維場型的二維切面來描述波束寬度（半功速波束寬度）波束寬度（半功速波束寬

7、度） 度量天線方向性輻射場型輻射場型 天線用于接收信號時(shí)，輻射場型即是接收場型天線輻射電磁波的基本原理天線方向圖天線方向圖二、天線形式：二、天線形式：（1）等向天線（理想化） 向空間中所有方向的輻射能量都相同（2）偶極天線u 半波長偶極天線（赫茲天線）u 四分之一波長垂直天線（Marconi天線）（3）拋物面反射天線 四分之一波長天線四分之一波長天線2 / 半波長偶極天線半波長偶極天線4 /等向性等向性 指向性指向性天線的型式天線的型式天線型式天線型式xy平面?zhèn)纫晥Dzy平面俯視圖xy平面?zhèn)纫晥Dzy平面俯視圖xz平面俯視圖xz平面俯視圖簡易偶極天線簡易偶極天線指向性天線指向性天線三、天線的增益三

8、、天線的增益1、 天線增益：可用來度量天線的指向性，以理想的等向性天線任一方向輸出功率為參考基準(zhǔn)，天線在指定方向的輸出功率定義為天線增益。2、 有效面積：天線的有效面積與本身的尺寸形狀有關(guān)。3、天線的增益：天線增益與有效面積的關(guān)系：22244cAfAGeeG = 天線增益 Ae =有效面積f =載波頻率c =光速(3108 m/s) =載波的波長天線增益與方向圖半功率波瓣寬度關(guān)系曲線2.3傳播方式n地波的傳播 n天波的傳播 n直線傳播 一、地波的傳播特點(diǎn)：沿著地球的輪廓來傳播可以傳送相當(dāng)遠(yuǎn)的距離傳送信號頻率在2MHz以下例如AM無線電地球接收天線發(fā)射天線信號傳播二、天波的傳播 從地面上的天線發(fā)

9、射一信號至在大氣的電離層，電離層看似一個(gè)堅(jiān)硬的反射表面會將波反射回地面 地波或多或少地沿著地球的輪廓來傳播，而且在視覺地平線上能夠傳送相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。 繞射這是電磁波碰到障礙物產(chǎn)生的一種現(xiàn)象 例子 AM無線電 CB radio三、直線傳播 1、信號無法用天波或地波的方式傳波，一定要用直線傳播。n 衛(wèi)星通信-超過30MHz的信號在電離層不會發(fā)生反射n 地面上的通信-發(fā)送和接受的天線一定要在自己有效（effective）的直線上。發(fā)送天線地球地球信號傳輸信號傳輸接收天接收天線線2、直線傳輸(折射效應(yīng))(1)、折射、折射 大氣會使微波彎曲或折射 折射的發(fā)生是因?yàn)殡姶挪ǖ男羞M(jìn)速度與傳輸介質(zhì)密度有關(guān) 當(dāng)電

10、磁波從某一密度的傳輸媒介到另一密度的傳輸媒介行進(jìn)時(shí)速度會改變 傳輸介質(zhì)的交接處產(chǎn)生一次電磁波方向的彎曲地球地球光波地平線光波地平線天線無線電地平線（2）直線傳輸 光學(xué)和無線電直線傳播距離 有效的(或無線電)到地平線的直線傳播 d =天線到地平線之間的直線距離，單位為公里 h =天線的高度，單位為公尺 K =其中K是折射的調(diào)節(jié)因子，最佳實(shí)用用值為K = 4/3 hd57. 3Khd57. 3 地面上兩個(gè)線天之間的LOS傳輸?shù)淖畲缶嚯x為: h1 =天線1的高度 h2 =天線2的高度2157. 3KhKh 2.5直線傳輸系統(tǒng)中的損傷 衰減和衰減失真 自由空間的衰減 大氣的吸收作用 多重路徑 折射 熱

11、訊號 噪聲一、衰減衰減 信號強(qiáng)度的衰減與距離有關(guān)，對于引導(dǎo)式媒介來說，信號強(qiáng)度的衰減通常與距離成對數(shù)關(guān)系 對于無引導(dǎo)式的媒介來說，大氣造成的衰減是一個(gè)更復(fù)雜的距離函數(shù)，傳輸工程師對衰減有三個(gè)考慮因素： 接收機(jī)所接收之信號強(qiáng)度要夠大，那麼接收機(jī)內(nèi)電路系統(tǒng)才能夠檢測和表示該信號 信號必須保持比噪音大，使得接收信號無誤 高頻率信號衰減較大，而產(chǎn)生失真。一、自由空間的衰減 理想等向性天線來說，自由空間的衰減表示為 222244cfddPPrtPt = 傳送天線端的信號功率Pr =接收天線端的信號功率 =波長 d =兩個(gè)天線間的傳播距離 c =光速 (3*108 m/s) 注意到d和?的單位要相同(例如

12、：公尺) 以dB為單位， 自由空間衰減方程式可寫成： dPPLrtdB4log20log10 dB 98.21log20log20d dB 56.147log20log204log20dfcfd 對於其他天線而言，我們必須考慮天線的增益，其自由空間衰減方程式寫成： trtrtrrtAAfcdAAdGGdPP2222224Gt =傳送端的天線增益 Gr =接收端的天線增益 At =發(fā)射天線的有效發(fā)射面積 Ar =接收天線的有效接收面積 以dB為單位，由天線增益和有效區(qū)域之關(guān)系推導(dǎo)得到 因此，當(dāng)天線尺寸和距離相同時(shí)，載波波長越長(載波頻率f越低)，自由空間路徑的損失會越大。 rtdBAAdLlog

13、10log20log20 dB54.169log10log20log20rtAAdf二、噪音的種類 噪音(Thermal noise) 互調(diào)噪音(Intermodulation noise) 串音(Crosstalk) 脈沖噪音(Impulse noise) 1、熱噪音是電子的熱攪動(dòng)所造成 存在於所有的電子裝置和傳輸介質(zhì)中并且是溫度的函數(shù)。熱噪音在頻帶內(nèi)均勻分布故常稱為白色噪音 熱噪音無法消除 ，故熱噪音定義了通訊系統(tǒng)性能的上限，衛(wèi)星通訊收到的信號非常微弱，所以熱噪音對衛(wèi)星通訊的影響特別顯著。 任何的裝置或?qū)w中頻寬為1Hz的熱噪音定義為 : N0 =熱雜訊在每1Hz頻寬的瓦特?cái)?shù) k =波茲曼

14、常數(shù)(Boltzmanns constant) =1.380310-23 J/K T =溫度(絕對溫度) W/Hz 0kTN 假設(shè)噪音與頻率無關(guān) 頻寬B Hz的熱噪音(單位瓦特): 或?qū)懗?單位dBW) kTBN BTNlog10 log 10k log10BTlog10 log 10dBW 6 .2282、噪音術(shù)語 不同頻率信號共用同一個(gè)傳輸媒介時(shí)有可能造成互調(diào)噪音 互調(diào)噪音 互調(diào)噪音是由兩個(gè)原始頻率之和頻、差頻以及這些和頻或差頻的倍頻所組合的信號 串音 不同信號路徑之間產(chǎn)生我們不想要的耦合現(xiàn)象稱為串音 脈沖噪音是一種短暫不規(guī)則、非連續(xù) 且高振幅的噪音 包括外部電磁干擾、閃電以及通信3、Eb

15、/N0的表示式的表示式 此參數(shù)是每位元信號能量和每赫茲的噪音功率密度之比值 Eb/N0是數(shù)位通訊系統(tǒng)性能的度量標(biāo)準(zhǔn) 給定達(dá)到某種錯(cuò)誤率的Eb/N0值，可以用前面公式來選擇參數(shù)值 當(dāng)位元率 R 增加時(shí)，必須提高發(fā)送信號功率以保持所需的 Eb/N0 TRSNRSNEbk/004、Eb/N0與訊雜比(SNR)之關(guān)系 Eb/N0與訊雜比(SNR)之關(guān)系描述如下 參數(shù)N0是噪音能量密度(單位為瓦特/赫茲)。因此，頻寬BT的噪音能量為并改寫上式成 RNSNEob0RBNSNETb0(5.4) 5、Eb/N0與頻譜效率之相關(guān)性 Shannon最大通道容量方程式為 當(dāng)通道容量C的單位為位元/每秒；通道頻寬B的

16、單位為Hz，上式可以寫成 利用(5.4)式、B = BT和C = R，我們有)/1log(NSBC12BCNS) 12(0BCbCBNE二、其他衰減其他衰減 大氣吸收效應(yīng) 水蒸汽和氧氣造成最主要的衰減 多重路徑 障礙物會反射信號并造成接收機(jī)可收到不同延遲的多重信號 折射 氣傳播高度影響信號速度或大氣環(huán)境變化時(shí)會產(chǎn)生折射 1、多重路徑傳播 反射 - 當(dāng)電磁信號遇到比信號波長大的物體表面時(shí)會發(fā)生反射 繞射-比無線電波波長大的建筑物邊緣會發(fā)會生的繞射現(xiàn)象 散射散射發(fā)生時(shí)進(jìn)入的信號會分散成幾個(gè)更弱的向外射出信號圖 三個(gè)重要傳播機(jī)制的示意圖：反射(R)、散射(S)、繞射(D) 多重路徑傳播上圖 說明三種

17、不同的傳播機(jī)制。當(dāng)電磁信號遇到比信號波長大的物體表面時(shí)會發(fā)生反射。例如，靠近手機(jī)的地面反射波，因?yàn)榈孛娣瓷湓斐上嘁?80度，此反射波和視線(LOS)波可能互相抵抵消，進(jìn)而造成大的信號損失，再者行動(dòng)天線一般都低於建筑物，故會發(fā)生多重路徑的干擾，這些反射波可能在接收器造成建設(shè)性或破壞性的干擾。比無線電波波長大的建筑物邊緣會發(fā)會生的繞射(diffraction)現(xiàn)象。繞射電波傳播方向與原信號不同。因此有時(shí)無LOS傳輸時(shí)接收機(jī)也能夠收到信號。 如果障礙物的尺寸與信號的波長差不多時(shí)會發(fā)生散射。散射發(fā)生時(shí)進(jìn)入的信號會分散成幾個(gè)更弱的向外射出信號。在行動(dòng)電話使用頻帶中，有許多物體，像是燈柱和交通號志都會引起

18、散射，因此散射效應(yīng)很難預(yù)測。 3 換句話說，反射信號路徑較長，相較於直線波之路徑延遲會產(chǎn)生相移，路徑延遲半波長時(shí)相當(dāng)於相移180度(信號反向)。2、多重路徑干擾的例子微波連接行動(dòng)連接3、多重路徑傳播的影響 多重路徑傳播造成接收機(jī)收到不同相位的多重信號 如果這些相位破壞性地相加，相對於噪音，信號準(zhǔn)位降低，使得接收機(jī)檢測信號更加困難 符際干擾 (inter symbol interference, ISI) 現(xiàn)在假設(shè)這個(gè)脈沖編碼表示一個(gè)或多個(gè)資料位元，在首要脈波後面的一個(gè)或多個(gè)延遲的信號可能與下一個(gè)首要脈波同時(shí)抵達(dá)，此情況下，對首要脈波而言，延遲脈沖是某種形式的噪音，使得資料位元的辨識更加困難 4

19、、符際干擾(inter symbol interference, ISI) 現(xiàn)象圖為多重路徑下時(shí)間變化的兩個(gè)脈沖發(fā)射脈沖接收之LOS脈沖接收之多重路徑脈沖接收之LOS脈沖接收之多重路徑脈沖時(shí)間發(fā)射脈沖時(shí)間 另一種稱為符際干擾(inter symbol interference, ISI)的現(xiàn)象對數(shù)位傳輸而言特別重要。考慮基地臺固定天線和行動(dòng)臺之間以給定的頻率傳送一窄脈沖信號。上圖顯示在兩個(gè)不同時(shí)間傳送此脈沖，通道可將脈沖送到接收器，圖的上半部顯示時(shí)域上的兩個(gè)脈沖傳輸。圖的下半部面顯示接收器收到的脈沖。在這兩個(gè)傳送情況下，第一個(gè)收到的脈沖是LOS信號，因大氣衰減進(jìn)或行動(dòng)臺遠(yuǎn)離基地臺固定天線時(shí)脈沖

20、的強(qiáng)度可能變小，但是除主要脈沖以外，尚有由反射、繞射和散射造成的多個(gè)次要的脈沖?，F(xiàn)在假設(shè)這個(gè)脈沖編碼表示一個(gè)或多個(gè)資料位元，在首要脈波後面的一個(gè)或多個(gè)延遲的信號可能與下一個(gè)首要脈波同時(shí)抵達(dá)，此情況下，對首要脈波而言，延遲脈沖是某種形式的噪音，使得資料位元的辨識更加困難。 5、衰退類型、衰退類型 快速衰退(fast fading) 慢速衰退(slow fading) 平坦衰退(flat fading) 選擇性衰退(selective fading) rayleigh fading rician fading快速衰退:當(dāng)行動(dòng)手機(jī)沿著城市的街道移動(dòng)，每半波長的距離信號強(qiáng)度發(fā)生快速變化，蜂巢式行動(dòng)電話

21、典型的頻率 900 MHz，其波長是0.33 m，此應(yīng)用在城市的街道環(huán)境接收信號振幅快速變化的一個(gè)例子。在一個(gè)短距離上振幅的變化可能多達(dá)20或者30 dB。這種快速改變的衰退現(xiàn)象稱快速衰退(fast fading)，此快速衰退不僅影響汽車中的行動(dòng)電話甚至影響城市街道上步行使用者的行動(dòng)電話。慢速衰退:由於行動(dòng)使用者活動(dòng)距離超過波長許多，當(dāng)使用者通過不同高度的建筑物、空地、十字路口等等，相當(dāng)於城市環(huán)境在改變，在這長距離的移動(dòng)期間，接收信號平均功率準(zhǔn)位會有一平緩的變化,顯示此慢速改變的波形，稱之為慢速衰退(slow fading)。平坦衰退:所有頻率成份的衰退波動(dòng)都相同者稱平坦衰退(flat fad

22、ing)、或非選擇性衰退。 選擇性衰退:對不同頻率的影響不一。選擇性衰退通常只與全部通信通道的頻寬有顯著的關(guān)聯(lián)性。如果只有信號頻寬上的某一部份發(fā)生衰減，此種衰退是選擇性的；非選擇性衰退意味著信號頻寬比衰退影響的頻譜寬度還窄。Rayleigh衰退:當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間有多重的間接路徑而沒有主要支配的路徑(例如LOS)時(shí)會發(fā)生Rayleigh衰退(Rayleigh fading)，此模型這表示最糟的情況。幸運(yùn)地，Rayleigh衰退能夠加以分析并提供一些復(fù)雜環(huán)境中的系統(tǒng)特性，例如市區(qū)環(huán)境。 Rician衰退:Rician衰退最適合描述有一個(gè)直接視線路徑和一些多重路徑的環(huán)境。Rician模型常應(yīng)用在

23、室內(nèi)的環(huán)境，而Rayleigh模型適用於戶外環(huán)境。Rician模型也適用於小的細(xì)胞區(qū)域或空曠的戶外環(huán)境。 6、錯(cuò)誤補(bǔ)償機(jī)制 直接錯(cuò)誤更正直接錯(cuò)誤更正 適應(yīng)性等化器適應(yīng)性等化器 分集技術(shù)分集技術(shù)（1）、直接錯(cuò)誤更正）、直接錯(cuò)誤更正 傳送器於每一個(gè)區(qū)塊資料中添加多余位元傳送器於每一個(gè)區(qū)塊資料中添加多余位元 錯(cuò)誤更正碼由資料位元的某一種函數(shù)計(jì)算得到錯(cuò)誤更正碼由資料位元的某一種函數(shù)計(jì)算得到 接收器計(jì)算這些輸入資料位元得到一個(gè)新的錯(cuò)誤更正碼接收器計(jì)算這些輸入資料位元得到一個(gè)新的錯(cuò)誤更正碼 如果這個(gè)新碼與輸入的錯(cuò)誤更正碼相同表示沒有錯(cuò)誤發(fā)生如果這個(gè)新碼與輸入的錯(cuò)誤更正碼相同表示沒有錯(cuò)誤發(fā)生 如果輸入的碼與計(jì)算的碼不同表示一個(gè)或多個(gè)位元是錯(cuò)誤如果輸入的碼與計(jì)算的碼不同表示一個(gè)或多個(gè)位元是錯(cuò)誤的的（2）、適應(yīng)性等化 適應(yīng)性等化器可應(yīng)用於類比資訊或數(shù)位資訊 類比聲音或視訊 數(shù)位資料、數(shù)位化的聲音或視訊 用來對抗符際干擾 適應(yīng)性等化是一種能夠聚集分散的符號能量回到原時(shí)間區(qū)間內(nèi)的方法 技術(shù) 區(qū)塊類比電路 復(fù)雜的數(shù)位處理演算法 （3）、線性等化器電路 顯示一個(gè)常用的線性等化器電路，在此特例中，輸入信號經(jīng)過均勻延遲?後分別乘上系數(shù)權(quán)