第3講 無(wú)線通信系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論電子信息系1第三章無(wú)線通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)制解調(diào)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸方式通信技術(shù)指標(biāo)多路訪問技術(shù)2無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息傳播過程：信源信道信宿。無(wú)線通信系統(tǒng)：也稱無(wú)線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、無(wú)線信道三大部分組成，是利用無(wú)線電磁波實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。34電磁波工作范圍5無(wú)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)3～30Hz極長(zhǎng)波地下通信，地下遙感，對(duì)潛通信等超低頻(SLF)30～300Hz超長(zhǎng)波地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，電離層研究，對(duì)潛通信等特低頻(ULF)300～3000Hz特長(zhǎng)波水下潛艇通信，電離層結(jié)構(gòu)研究等甚低頻(VLF)3～30kHz甚長(zhǎng)波導(dǎo)航，聲納，時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞等低頻(LF)30～300kHz長(zhǎng)波無(wú)線電信標(biāo)，導(dǎo)航等中頻(MF)300～3000kHz中波調(diào)幅廣播，海岸警戒通信，測(cè)向等高頻(HF)3～30MHz短波電話、電報(bào)、傳真；國(guó)際短波廣播；業(yè)余無(wú)線電；民用頻段；船-岸通信；船-空通信等甚高頻(VHF)30～300MHz米波電視，調(diào)頻廣播，空中交通管制，出租汽車移動(dòng)通信，航空導(dǎo)航信標(biāo)等特高頻(UHF)300～3000MHz分米波電視，衛(wèi)星通信，無(wú)線電探空，警戒雷達(dá)，蜂窩移動(dòng)通信，飛機(jī)導(dǎo)航等超高頻(SHF)3～30GHz厘米波機(jī)載雷達(dá)，微波線路，衛(wèi)星通信等極高頻(EHF)30～300GHz毫米波短路徑通信，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感等超極高頻300～3000GHz亞毫米波短路徑通信等6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(wú)線應(yīng)用，而且這些無(wú)線電傳播都使用同一個(gè)通信媒介——空氣，所以為了保證各種無(wú)線通信之間不相互干擾，就需要對(duì)無(wú)線信道的使用進(jìn)行必要的管理。ISM：國(guó)際通信聯(lián)盟無(wú)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(gè)主要機(jī)構(gòu)使用。7無(wú)線收發(fā)器結(jié)構(gòu)：收發(fā)模塊、收發(fā)天線、時(shí)鐘晶振等。8無(wú)

線

收

發(fā)

器

內(nèi)

部

結(jié)

構(gòu)9調(diào)制/解調(diào)技術(shù)基帶信號(hào)——來(lái)自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。調(diào)制原因：基帶信號(hào)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直流分量。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。

調(diào)制（Modulate）——就是對(duì)信號(hào)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(hào)——基帶信號(hào)通過調(diào)制后的信號(hào)，頻率高于基帶信號(hào)，適合于信道傳輸。10010011100基帶信號(hào)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)11解調(diào)（Demodulate)：從攜帶信息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)信息的過程，是調(diào)制的逆過程。基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)調(diào)制解調(diào)調(diào)制與解調(diào)兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作用，而其他過程對(duì)信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的變化，只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性。12數(shù)據(jù)傳輸方式按信息傳輸順序分類一并行傳輸將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸，優(yōu)點(diǎn)是速度快，缺點(diǎn)是需要的信道多、設(shè)備復(fù)雜、成本高，適用于近距離通信，如計(jì)算機(jī)與其它高速數(shù)字設(shè)備。串行傳輸數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸。如RS232C、USB等。發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備……發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備01013按同步方式分類二異步傳輸以字符為單位的傳輸，每個(gè)字符的起始時(shí)刻可以是任意的，起始代碼+字符代碼+終止代碼。收發(fā)雙方的時(shí)鐘信號(hào)不需要嚴(yán)格同步，傳輸效率較低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。同步傳輸以固定的時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，在一串?dāng)?shù)據(jù)流中，各信號(hào)碼元之間的相對(duì)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)流中正確區(qū)分每個(gè)信號(hào)碼元，必須建立準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。14按信息傳輸方向與時(shí)間關(guān)系分類三單工任意時(shí)刻，信號(hào)只能從甲方向乙方單向傳輸，甲方只能發(fā)信，乙方只能收信全雙工任意時(shí)刻，信號(hào)既能從甲方向乙方傳輸，也能從乙方向甲方傳輸，甲乙雙方可同時(shí)收發(fā)半雙工任意時(shí)刻，信號(hào)可從甲方向乙方傳輸，或從乙方向甲方傳輸，但甲乙雙方不能同時(shí)收發(fā)15通信技術(shù)指標(biāo)通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣是由通信系統(tǒng)的各項(xiàng)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(zhǎng)有效性和可靠性是評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)，但難以量化，可操作性不強(qiáng)163.4.1

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(hào)速串或碼元速率（Nbd或fs）表示每秒傳輸信號(hào)碼元的個(gè)數(shù)，單位為波特(Bd）。其計(jì)算公式為Nbd=1/T(2)數(shù)據(jù)傳信速率（簡(jiǎn)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(gè)數(shù)或二進(jìn)制碼元的個(gè)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(shí)間內(nèi)在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備之間實(shí)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（bit/s）、字符/秒或碼組/秒。但在實(shí)際中.有效數(shù)據(jù)傳送速率是小于數(shù)據(jù)傳信速率的.173.4.2有效性指標(biāo)-----頻帶利用率頻帶利用率η是描述數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬之間關(guān)系的1個(gè)指標(biāo)。它是單位時(shí)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)η=NBd/Bη=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(shí)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(hào)頻譜的方法。18可靠性指標(biāo)------傳輸?shù)牟铄e(cuò)率（1）碼元差錯(cuò)率碼元差錯(cuò)率指正在傳輸?shù)拇a元總數(shù)中發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)所占的比例（平均值），簡(jiǎn)稱誤碼率，表示為Pe=N/MPS式表示碼元差錯(cuò)率與錯(cuò)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(cuò)誤接收碼元數(shù)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)的碼元很大時(shí)，它與理論上的碼元差錯(cuò)概率很接近，故用同一符號(hào)Pe表示。19(2)比特差錯(cuò)率

比特差錯(cuò)率指在傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)中發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)所占的比例（平均值）也稱誤字符（碼組）率。當(dāng)統(tǒng)計(jì)的比特?cái)?shù)很大時(shí)，比特差錯(cuò)率與理論上的比特差錯(cuò)率概率很接近，故用同一符號(hào)Peb表示。Pb=錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)/傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)誤字符（碼組）率等于接收出現(xiàn)差錯(cuò)的字符（碼組）數(shù)/總的發(fā)送字符（碼組）數(shù)。20有效性：用系統(tǒng)的傳輸頻帶寬度來(lái)衡量傳輸介質(zhì)：一般都有足夠的帶寬容量對(duì)信號(hào)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來(lái)評(píng)價(jià)模擬通信系統(tǒng)21有效性：用信息傳輸速率（比特率/波特率）來(lái)衡量單位時(shí)間傳輸?shù)拇a元（0/1）個(gè)數(shù)可靠性：用差錯(cuò)率衡量，包括誤碼率和誤信率誤碼率(Ps)=錯(cuò)誤的碼元數(shù)/傳輸?shù)目偞a元數(shù)誤信率(Pb)=錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)/傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)誤碼率(Ps)=誤信率(Pb)？數(shù)字通信系統(tǒng)22多路訪問技術(shù)無(wú)線通信與有線通信存在許多差異：無(wú)線鏈路是通過相同的傳輸媒介——空氣來(lái)傳播無(wú)線電信號(hào)；無(wú)線通信的誤碼率比有線系統(tǒng)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，RF鏈路的可靠性比有線鏈路低許多。為了實(shí)現(xiàn)在同一范圍內(nèi)多點(diǎn)間通訊，必須防止數(shù)據(jù)包在空氣中的傳輸時(shí)相互碰撞，必須建立可靠的無(wú)線傳輸通路。FDMA/TDMA/CSMA/FHSS是無(wú)線通信中實(shí)行多路訪問、提高信道效率和可靠性的常用技術(shù)23頻分多址（FDMA）訪問技術(shù)頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA），即不同的用戶分配在時(shí)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(dòng)態(tài)地進(jìn)行交換。在FDMA系統(tǒng)中，分配給用戶一個(gè)信道，即一對(duì)頻譜，一個(gè)頻譜用作前向信道即基站向移動(dòng)臺(tái)方向的信道，另一個(gè)則用作反向信道即移動(dòng)臺(tái)向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號(hào)，任意兩個(gè)移動(dòng)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(shí)占用2個(gè)信道（2對(duì)頻譜）才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。24時(shí)分多址（TDMA）訪問技術(shù)時(shí)分多址(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)是把時(shí)間分割成周期性幀(Frame)，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)終端的信號(hào)而不混擾?；景l(fā)向多個(gè)移動(dòng)終端的信號(hào)都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸，各移動(dòng)終端只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分并接收下來(lái)。TDMA是在一個(gè)信道上對(duì)時(shí)間進(jìn)行分配，讓設(shè)備在不同的時(shí)間中完成數(shù)據(jù)的交互通信。TDMA較之FDMA具有通信信號(hào)質(zhì)量高、保密性好，容量較大等優(yōu)點(diǎn)，但它必須有精確的定時(shí)和同步以保證移動(dòng)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)備B時(shí)間TDMA25CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）即載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)，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(hào)通知所有站點(diǎn)，等候一段時(shí)間，再次傳輸。載波偵聽（CSMA）訪問技術(shù)設(shè)備A設(shè)備B頻率CSMA26CSMA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(cè)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?！跋嚷牶笳f，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(gè)站（節(jié)點(diǎn)）都能獨(dú)立決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。每個(gè)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(shí)，才允許發(fā)送幀。如果兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)聽到介質(zhì)空閑并發(fā)送幀，則會(huì)產(chǎn)生沖突現(xiàn)象，這使發(fā)送的幀都成為無(wú)效幀，發(fā)送失敗。每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須有能力隨時(shí)檢測(cè)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(wú)效幀而被白白浪費(fèi)，然后隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間，再重新爭(zhēng)用介質(zhì)，重發(fā)送幀。CSMA/CD協(xié)議簡(jiǎn)單、可靠，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如Ethernet）被廣泛使用。27跳頻通信（FHSS）訪問技術(shù)跳頻通訊(Frequency-HoppingSpreadSpectrum,FHSS)是抗干擾能力很強(qiáng)的通信方式之一，其原理與CSMA近似，但比CSMA的靈活性更大，能夠更加合理的利用空間資源