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1、第二章 无线传输基础,清华大学出版社,内容提要,21 无线传输媒体 22 天线 23 传播方式 24 直线传输系统中的损伤 25 移动环境中的衰退 26 多普勒效应 27 信号编码技术 28 扩频技术 29 差错控制技术,无线传输媒体,传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。传输媒体可分为： 导向的(guided)：电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。 非导向的(unguided)：提供传输电磁波信号的手段，但不引导电磁波传播的方向，这种传输形式被称为无线传播(wireless transmission)，如大气和外层空间。,无线传输媒体,导向性传输媒体传
2、输质量受限于传输媒体本身。 非导向性传输媒体传输质量受信号带宽影响更大 全向信号：信号发射后延所有方向传播,可被所有天线接收,发射设备和接收设备不必在物理上对准,多为低频信号。 定向信号：信号发射后延特定方向传播,发射端和接收端的天线必须精确地对准,多为高频信号。,无线传输媒体,无线电广播频段：30MHz1GHz，适用于全向应用。 微波：1GHz100GHz，可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。 红外线频谱段：31011Hz21014Hz，适于本地应用，在有限的 区域(如一个房 间)内对于局部 的点对点及多 点应用非常有 用。,无线传输媒体,典型的无线传输数字性
3、能,无线传输的主要损耗来源于衰减。无线的损耗公式： 有线网络中的损耗与距离的关系式为：L=Ed 其中d代表距离，E代表其他关系变量。 无线传输的损耗随距离的平方而变化 而双绞线与同轴电缆的损耗随距离的指数变化。因此无线的中继设备比电缆的中继设备可以放得更远。,典型的无线传输数字性能,损伤的另一个原因是干扰，随着无线应用的不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个威胁。因此，频带的分配需要严格控制。 （ITU-R） 频率越高衰减越大，较高的微波频率对长途传输没有什么用处，但却非常适用于近距离传输。（=v/f）,无线电波,广播无线电波是全向性的，不要求使用定向天线，天线也无须严格地安装到一个精确地校准
4、位置上。 无线电波(Radio) 是笼统术语，一般频率范围为3KHz300GHz。非正式术语广播无线电波：30MHz1GHz，该频段是广播通信的有效频段，应用广泛。 电离层对30MHz以上频率的电磁波没有干扰； 雨雪对低于1 GHz以下频率的电磁波没有衰减； 根据衰减公式，波长越大衰减越小 广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。 来自多条路径不同延迟的信号重叠 。 电视信号被飞机阻挡后出现重影。,无线电波,频率范围在30MHz1GHz之间； 射频信号的能量可由天线和收发器决定； 能穿透墙壁，也可到达普遍网络线无法到达的地方； 不受雪、雨天气的干扰； 可全方向广播，也可定向广播；,微波,频
5、率较高的无线电波(电磁频谱较低GHz级频率) 不能很好地穿透建筑物； 微波按照直线传播； 天线把所有的能量集中于一小束电磁波，发射端和接收端的天线必须精确地对准； 中继器之间的最大距离可为80km（假设塔高为100m）； 微波频率：1GHz 100GHz。 应用划分为：地面微波和卫星微波两种,地面微波,地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站中继。 传输距离相等情况下需要的放大器和中继器比电缆传输少很多。但需要视距传输。广泛应用于电视（12Ghz CATV）和语音传播以及区域长途电话业务。 常见的用于传输的频率范围为2GHz40GHz。频率越高，可能的带宽就越宽，
6、因此可能的数据传输速率也就越高。,卫星微波,通信卫星是个微波接力站，用于将两个或多个称为地球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。 卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送出去。 卫星主要应用：电视广播、国际长途电话传输和个人用商业网络,卫星微波,卫星传输的最佳频率范围为1GHz10GHz。低于1GHz易受到大自然和宇宙的信号干扰，高于10GHz易被大气吸收和降雨影响，但该频段已趋于饱和，寻求更高频段的应用，抗衰减是首要问题。 卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有1/4s延迟。在差控和流控方面，也带来一
7、系列问题。 安全性问题，卫星微波是广播设施，站点可以向卫星发送信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。,红外线,使用发送器/接收器调制出不相干的可见光就可实现红外通信。发光二极管或激光二极管用于发射信号；光电管则能接收信号。 红外线传输无法穿透墙体。微波系统中遇到的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存在。 频率高，距离短。 易受强烈光源的影响 红外线不需要频率分配许可。,光波,频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波。 提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。 激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。 激光束不能穿透雨
8、或者浓雾，白天太阳的热量是气流上升也会激光束产生偏差。 光波传输只能单向传输。,天线,天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。天线可看作一条电子导线或导线系统，在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件，是实现无线传输最基本的设备。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。 主要任务： 发送时，将无线电频率电能转换为电磁能辐射到周围的环境中； 接收时，将撞击到天线上的电磁能转化为无线电频率的电能，合成到接收器中。,辐射模式,一个天线辐射出去的功率是全方位的，然而并非在所有方向上辐
9、射出的功率都是相等的。 描述天线性能特性的常用方法是辐射模式，它是作为空间协同函数的天线的辐射属性的图形化表示。,辐射模式,辐射模式的实际大小是任意的，重要的是每个方向上与天线位置的距离，相对距离决定相对功率。 全向天线（各向同性天线）：辐射模式为以天线为中心的球体，各方向辐射功率相同。 有向天线：所指方向的功率最大。,天线类型,1、偶级天线：半波偶极、1/4波垂直天线。 半波偶极天线：由等长度的两个在同一直线上的导线组成，两条导线由一个小的供电间隙分开，天线长度是可最有效传输的信号波长的一半。 求2.4Ghz天线的长度，因为c=f (c：波传播速度,：波长,：频率), =c/f=300000
10、000m/s2.4GHz=300000000m/s2400000000Hz=0.125m,天线类型,偶级天线：半波偶极、1/4波垂直天线。 1/4波偶极天线：天线长度是可最有效传输的信号波长的1/4，是汽车无线电和便携无线电中最常见的类型。,天线类型,半波偶级在一个维上具有一致的或全向的辐射模式，在另外两个维上具有8字型的辐射模式。可使用更复杂的天线配置产生一个有向的电磁波束。如：图b。,天线类型,2、抛物反射天线：能量从焦点反射到抛物面，形成定向性的辐射，车灯、光学和无线电望远镜均采用了此种原理，常用于地面微波和卫星,天线类型,根据抛物面天线的原理，可改装Wifi天线，增强对某方向的无线路由
11、器的信号接收。,天线增益,天线增益(antenna gain)是天线定向性的度量。在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。如参考全向天线，增益的单位为dBi。比如，偶极子天线的增益为2.14dBi它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 增加某方向的功率是以降低其他方向功率为代价的，目的是获得更好的定向性。,天线增益,如果用理想的无方向性点源作为发射天线，发射到某点需要 100W 的输入功率，而用增益为 G = 13dBi=20倍放大的某定向天线作为发射天线时对该方向进行放
12、大，发射到该点输入功率只需 100 / 20 = 5W 。 天线增益与有效面积的关系：（G:增益、Ae:有效面积、f:载波频率、:载波波长、C:光速）,3db法则,功率(W): 发射机对外辐射能量的度量。如，WiFi 无线网卡的发射功率通常为 0.036W ，或者说36mW 。 增益(dBm):信号强度的另一种表达，相对1mW的比例水准。如 WiFi 无线网卡的发射增益 为 15.56dBm 。 两种表达方式可以互相转换： dBm = 10 x log功率mW mW = 10增益dBm /10dBm 换算公式：电平（dBm）=10lgW 5W 10lg5000 = 37dBm 10W 10lg
13、10000 = 40dBm 20W 10lg20000 = 43dBm 功率每增加一倍，电平值增加3dBm,天线增益,“全向高增益天线”的误区 天线增益是无源现象，天线并不增加功率。更换天线并未改变路由器中的发射功率。 能量守恒。a方向获得了更多的能量，b方向就会有就减少能量。 “全向天线的增益是靠在垂直方向上(Z轴)压扁信号辐射来获得的，水平方向仍然是360度的，所以增益越高的全向天线在高度范围更需要调节摆放位置。 市面所售的“全向高增益天线”最多也就“水平全向高增益天线”。其特点：同一楼层的信号会改善，但是同时会导致不同楼层间信号减弱。,传播方式,由天线辐射出去的信号以三种方式传播： 地波
14、(ground wave)：低于2 Mhz的电磁特性，地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视 的地平线 ，如:调幅广播AM； 天波(sky wave)：2 Mhz-30Mhz的天波信号可以通过多个跳跃，在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行 ,常用于无线电爱好者和国际广播； 直线LOS(line of sight) ：当要传播的信号频率在30MHz以上时（无法被电离层反射），天波与地波的传播方式均无法工作，通信必须用直线方式。,传播方式,由天线辐射出去的信号以三种方式传播：,直线传输系统中的损伤,衰减和衰减失真(attenuation and attenuat
15、ion distortion) 自由空间损耗(free space loss) 噪声(noise) 大气吸收(atmospheric absorption) 多径(multi path) 折射(refraction),直线传输系统中的损伤,衰减：一个信号的强度会随所跨越的任一媒介的距离而降低。 对于导向媒介，这种强度上的降低通常是一个距离的指数值，常表示为每单位距离一个固定的分贝值； 对于非导向媒介，衰减是一个更为复杂的距离函数，且充满整个大气层 平方倒数定律：在真空中信号强度将以距离平方的倒数衰减。 在固定环境下：大气层条件的变化 低于1GHz的频率本身不受雨及大气湿度的影响 高于10GHz
16、的频率通常受到严重影响 高于30GHz的频率在户外场路径上不能使用,直线传输系统中的损伤,面对衰减，无线通信主要考虑以下三种影响： 1、接收的信号必须有足够的强度，以使接收可以解析信号； 2、需维持高信噪比； 3、高频下衰减更严重。 1、2可通过放大器或中继解决，3则较为复杂。,直线传输系统中的损伤,噪声：信号传输过程中，信号可能被传输系统所产生的各种失真修改，或被插入不希望有的信号。 热噪声：由电子热搅动产生，在频谱上均匀分布也被称为白噪声，无法消除； 互调噪声：不同频率信号共享相同传送媒介时，会产生多种信号频率叠加的互调噪声； 串扰：来自其它通信信号的干扰，如电话串声； 脉冲噪声：脉冲信号所引起的噪声，在模拟传输中并无大碍，但是数字传输中的主要错误源。,直线传输系统中的损伤,自由空间损耗：任何一无线通信中，信号会随距离发散，具有固定面积的天线离发射天线越远，接收到的信号功率就越低。在卫星通信中是一种主要的信号损耗方式。,直线传输系统中的损伤,大气吸收：水蒸气和氧气是产生此种衰减的主要因素，在雨水较多地带
