无线通信与网络课件2

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1、第二讲 无线信号传输概述 1 电磁信号 是时间的函数，也可以描述为频率的函数 模拟信号和数字信号 模拟信号（模拟信号（analog signal）：信号强度随时间连续变化 数字信号（数字信号（digital signal）：信号强度在一定时间段内保持 在一个稳定的水平。 2 模拟信号 数字信号 周期信号（周期信号（periodic signal）：周期性地重复的信号 3 ()( ) s tTs tt 一个典型的正弦波信号包含三个参数：振幅 （A），频率（f）和相移（ ）。 频率频率f：单位时间内信号重复自己的次数，单位是 赫兹（Hz）。 周期周期T：T=1/f 波长波长：信号在一个周期内传播的

2、距离，=vT，其 中v是信号在介质中传播的速率。 电磁波在真空中的速率c = 3108米/秒 相移相移 ：信号在时间上的偏移量 一个典型的正弦信号 4 ( )sin(2)s tAft5 A=1, f=1, =0 A=0.5, f=1, =0 A=1, f=2, =0 A=1, f=1, =/4 信号的频域分解 任意一个电磁信号可以视为由多个频率的信号组成 （由傅立叶变换保证） 例如： 当构成信号的所有频率都是某个频率的整数倍时，这个频 率被称为该信号的基本频率基本频率。如上例中f。信号的周期=信 号中基本频率对应的周期。 信号所有频率的范围被称为信号的频谱频谱(Spectrum)，例如上 例中

3、信号的频谱为f, 3f。 信号频谱的宽度被称为信号的带宽带宽（bandwidth），例如上 例中信号的带宽为3f-f=2f 6 ( )(4/) (sin(2)(1/3)sin(2 (3 ) )s tftf t7 sin(2)ft(1/3)sin(2 (3 ) )f t(4/) sin(2)(1/3)sin(2 (3 ) )ftf t信号数据传输速率和带宽的关系 通常来说，信号的带宽越大，其传输数据的能力就 越强 例如：令方波的正电平为1，负电平为0，则信号在 1/f 时间内可以传送两个bit的数据，数据传输速率为 2f bit/秒（bps）。 8 方波由哪些频率构成？ 频率f、3f、5f的正弦

4、信号相加 频率f、3f 、5f 、7f的正弦信号相加 9 (4/)sin(2)(1/3)sin(2 (3 ) )(1/5)sin(2 (5 ) )ftf tf t(4/)sin(2)(1/3)sin(2 (3 ) )(1/5)sin(2 (5 ) )(1/7)sin(2 (7 ) )ftf tf tf t将所有f的奇数倍正弦信号叠加，可得到方波信号 例1，考虑频率f、3f、5f的正弦信号叠加所得信号， 如果f=1MHz，带宽为4MHz。如果用此信号近似为方 波，则一个bit占用时间1/2f，传输速率为2f=2Mbps。 例2，考虑同样的信号，但是f=2MHz，则带宽为 8MHz。此时一个bit

5、占用时间1/2f，传输速率为 4Mbps。 例3，考虑频率f、3f的正弦信号叠加所得信号， f=2MHz，带宽为4MHz。此时码速率为4Mbps。但是 较之例1，信号更加失真，接收端识别信号的难度变 大。 10 ,14sin(2)( )k kkfts tAk 奇数结论： 数字信号方波包含无穷带宽 信号传输系统通常仅具有有限的带宽 对任意传输介质，占用的带宽越大，成本越高 在有限的带宽内传输信号，会造成信号一定程度 的失真（distortion） 11 模拟和数字信号 典型的模拟信号：语音、视频 典型的数字信号：文本、数据 模拟的电磁波信号可以在一系列介质中传输，但是 不同频率的信号传输特性不同

6、。 典型介质 双绞线、同轴电缆 光纤 大气层、太空 模拟信号可以用于传输模拟和数字内容 12 由一系列高低电平组成的数字信号可以在铜质线缆 中传输 数字信号较之模拟信号的优势在于更便宜，并且不 容易受到噪声的干扰。劣势在于数字信号更容易衰衰 减减。 信号的高频部分比低频部分衰减更大，整个信号失真 13 衰减造成数字信号 失真 模拟信号和数字信号之间的转换 模拟信号模拟信号：声波（语音，300- 3400Hz）转换为电磁波 数字信号模拟信号：调制解调器（Modem） 将数字内容调制为模拟载波信号 14 模拟信号数字信号：语音转换为数字信号，编 解码器（codec） 数字信号数字信号：数字收发器（

7、transceiver） 15 选取不同的信号传输类型 数字内容，数字信号传输 数字信号直接用数字化方式传输比调制为模拟信号更方便 便宜 模拟内容，数字信号传输 便于使用现代化的数字技术和数字网络（例如Internet） 数字内容，模拟信号传输 一些传输介质只能够传输模拟信号，光纤、卫星 模拟内容，模拟信号传输 例如，语音电磁波 16 模拟和数字信号传输 模拟信号传输 以模拟信号的方式传输模拟或者数字内容 模拟信号易衰减，每传输一定距离，使用放大器 放大信号能量 不幸的是，同时放大了噪声 数字信号传输 更容易衰减 中继器：接收数字信号，还原0和1，再编码传 输。 17 信道容量 噪声（噪声（n

8、oise）是造成信号失真的主要原因。 对任意信道，在给定条件下数据传输的最大速率（单位为 bps）被称为信道容量（信道容量（channel capacity） 几个概念 传输速率：数据在信道中传输的速度（bps） 信号速率：单位时间传输信号的个数（波特） 带宽：由传输者和传输介质确定的信号带宽（Hz） 噪声：信道的平均噪声强度 错误率：错误发生的速率（错误个数/秒） 错误：发送1接收0，发送0接收1 为什么要关注信道容量？带宽资源非常昂贵。 18 奈奎斯特带宽 1. 频率不超过B的信号足以实现2B的传输信号速率 2. 对带宽为B的信道，最高可实现的信号速率是2B。 例，两电平信号。如果信号的传

9、输速率是2B，则一个频率不 大于B的信号足够实现上述速率。反之，对带宽B的信道，其 能够传输的最大信号速率是2B。 如果信号包含多个（M个）电平，信道容量为C=2Blog2M。 增加电平数可以提高传输速率。但是识别多个电平给接收设 备带来更大负担，且信号更容易受到噪声的影响。 19 信号噪声比 奈奎斯特公式揭示，带宽翻倍则传输速率翻倍。 噪声条件下，将产生错误，传输速率并不仅仅取决于带宽 关键在于信号和噪声的能量对比。信噪比（SNR或者 S/N）是信号功率和信号传输时噪声能量水平的比 值，常以分贝（dB）为单位 信噪比越高，信号质量越好 20 10signal power10lognoise

10、powerdBSNR21 香农公式 信道的最大容量（单位为bps）计算如下： 这只是理论上信道可以达到的最大传输速率，在实 际中，这样的传输速率往往难以达到。 香农在推导中，仅假设白噪声，没有考虑突发性的噪声 没有考虑信号的衰减 22 2log (1)CBSNR例：考虑一个信道的频谱从3MHz到4MHz， SNRdB=24dB。 信道容量 SNRdB=24dB=10log10(SNR)，SNR=251， C=106log2(1+251)8Mbps 如果这个传输速率可以实现，信号应该具有多少个电平？ 23 16log4log102108log222662MMMMBC传输介质 传输介质传输介质是指

11、信号发送者和接收者之间的物理通路 有导向的介质：信号沿固体介质传输 铜质双绞线、同轴电缆、光纤 无导向的介质：不规定传输的方向 无线信号的传输方式 大气层、太空 通过天线发送和接收信号 天线可以是全向的，或者是有方向的 24 频段划分 微波频段 1GHz到100GHz 有向无线射束（beam） 适合点对点传输 用于卫星通信 无线电频段 30MHz到1GHz 适合信号全向传输的各种应用 红外频段 31011 到21014 Hz 在室内点对点传输 25 26 地面微波(Terrestrial Microwave ) 地面微波天线 抛物面“锅”，直径3米 固定对准特定角度，发射接收特定方向的射束 实

12、现信号的视距视距（line of sight）传输 通常置于高处 应用 远距离电信服务 楼宇之间点对点通信（绕过电信运营商） 27 传输特性 微波随传输距离的衰减 衰减和距离的平方成正比，因此信号放大器可以 每间隔10至100公里放置一个 对比在双绞线和同轴电缆中，信号的衰减和距离的指数 成正比，微波的衰减很小。 28 2410logdBdL 卫星微波 描述 两个地面基站通过卫星通信 卫星就是一个微波信号中转站：通过一个频率接收信号 （上行链路uplink，地面站到卫星）,重复或增大信号强 度，再通过另一个频率传输（下行链路downlink，卫星到 地面站） 应用 电视信号 远距离电话通信主干

13、线路，卫星电话 私有商业网络 29 传输特性 最优频段1-10GHz 大部分卫星使用5.925-6.425GHz频段作为上行链 路，3.7-4.2GHz频段作为下行链路。 卫星必须将接收的信号转换频率，才能发射，以 避免干扰。 传输延迟明显，“检错+重传”的方法不再适用 本质上是广播，所有地面站都可以收到信号（需 合理复用）。 30 广播无线电 广播无线电的天线 信号全向传输 天线不需要对准特定的角度 应用 包含FM广播信号频段和VHF和UHF电视信号频 段，30MHz至1GHz 传输特性 随传输距离的衰减 多路干扰失真较明显 31 2410logdBdL 红外 类似于微波，视距传输 不同于微

14、波，不能穿透障碍物（例如墙壁） 32 复用 传输介质的信道容量通常足够传输一路信号 复用：通过单一介质同时传输多路信号 更好地利用传输介质 n路信号输入到多路复接器，多路复接器和多路分解 器之间通过一个数据链路连接，多路分解器再将同 时传输的n路信号分离。 33 为什么要复用 当传输速率提高，每单位kbps的成本降低 大部分通信设施可以支持较高的通信速率，而大 多数通信应用不需要很高的速率 34 复用技术 频分复用（频分复用（FDM）：每一路信号独立使用一段频 率，多路信号之间的频段之间有足够的间隔 （guard band） 语音信号300-3400Hz，4kHz带宽足够一路语音通信。早 期的

15、AT&T和ITU标准使用60至108kHz的频段复用传输 12路语音信号。 时分复用（时分复用（TDM）：将时间分片，每个时间片对 应一路信号 同步时分复用，时间分片是预先设定的 异步时分复用，动态地调整时间分片 35 36 一个典型的同步时分复用系统 37 信号发送 信号接收 复用后的信号由帧帧组成，一帧包含所有路信号对应的时间 片。在前后所有帧中对应特定信号的时间片被称为一个信道信道 （channel）。 AT&T的T1技术使用一个PCM语音编码信号复用线路。PCM 语音编码信号由7bit的语音数据和1bit的控制位构成。24路 PCM语音信号TDM复用T1线路，每帧包含824=192bit。每 一帧还有一个bit的控制位。PCM每秒采样8000次，因此整个 T1线路的速率为8000193=1.544Mbps。 38