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1、测控系统通信与网络,主讲：武汉大学电子信息学院 王泉德,第十章 无线通信与网络,无线通信是以自由空间作为介质，利用电磁波传播信号的通信系统。它是目前通信领域发展最为活跃的技术。 无线通信的优点： 不需架线挖沟，建设成本低，周期短； 覆盖范围广； 扩容灵活； 维护简单。,一、概述,信号源用于将待传递信息变成基带电信号； 发送设备主要解决电信号与信道的匹配； 信号以电磁波形式在空间介质中传播； 接收设备的功能与发送设备相反。,无线通信系统包括信号源、发送设备、传输信道（即为空间介质）、接收设备和收信装置等。,无线通信系统分类 从通信方式来分，无线通信可分为移动通信和 固定通信两种； 从通信的信道来
2、分，无线通信可分为卫星通信、 红外通信、短波通信等。 从接入网络的组网方式来分，无线通信网可分 为无线广域网、无线局域网和无线个域网。 根据是否存在固定的网络基础设施来分，无线 系统可分为蜂窝系统和Ad hoc系统。,无线通信的发展前景 多址技术：将有限的通信资源在多个用户之间进 行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信 质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得 较高系统容量 软件无线电 ：智能多模式终端的进一步发展， 是无线系统从模拟到数字发展的新阶段 自适应技术 ：实时检测信道，根据信道状况自 动调整通信参数，包括自适应天线，自适应调 制，自适应信道均衡等 多用户检测：在接收端尽量消除信道
3、之间的多址 干扰。,二、无线通信的基本原理,1 无线电波的传播特性,（a）直射 （b）折射 （c）绕射 （d）散射,直射、反射、绕射和散射是无线通信系统中四种最基本的传播方式。,电磁波在均匀空间中是以直线方式传播的； 在直射过程中，如果电磁波入射到一个尺寸比波 长大得多的物体时（如地球表面、建筑物和墙壁 表面），将发生反射； 如果电磁波被不规则的边缘阻挡时，由阻挡表面 产生的二次波存在于整个空间，甚至于阻挡物的 后面，也就是电磁波能够绕过障碍物传播，即为 电磁波的绕射。 当电磁波传播过程中遇到尺寸小于波长的目标物 或者障碍物的数目很多时（如粗糙表面、小物体 或其他不规则物体），电磁波将产生散射
4、。,无线电波是一种电磁波，当电磁波自波源（天线）发出后，要经过地波（表面波）传播，空间波传播和天波传播等各种可能的途径才能到达接收天线。 地波传播又称表面波传播，是电磁波绕着地球 的弯曲表面而进行的传播。 空间波传播又称视距传播。在可视距离内，电 磁波由天线发射出来，沿直线传播到接收天线。 天波传播是利用电离层的折射和反射来传播的 电磁波。,决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。 长波和中波的传播都是借助地波的，并且比较稳定，多用作远距离通信与导航。 短波通信可以借助天波传送。短波传播主要用于国际无线电广播，远距离无线电话和电报通信等。 超短波和微波只能用空间直射波进行视距通信，
5、传播距离大致上限制在视距范围之内。超短波和微波波段广泛用于卫星通信，宇宙飞船与地面站之间的通信，遥测等系统中。,调制就是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输并适应信道复用的形式。 解调则是将基带信号从载波中提取出来，使接收者理解或做进一步的处理。 调制信号为模拟信号时，最基本的调制方式是：幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。还可以有三种基本方式的组合调制方式。 调制信号为数字信号时，通常称为键控（SK: Shift Keying），三种基本的键控方式为振幅键控 （ASK）、频率键控（FSK）和相位键控(PSK)。,2 调制解调技术,调制方案的性能常用它的功率效率和带宽
6、效率来衡量。 功率效率 ： 带宽效率： 每比特信号能量 R 每秒数据率 噪声功率谱密度 B 已调信号占用的带宽 目前，扩频技术也得到广泛应用。扩展频谱的优点： 很多用户可以在一个频带中同时使用，而不会相互产生明显的干扰。 良好的抗多径干扰的特性。,固定分配接入 固定分配方式固定地将信道划分为不同的子信道并分配给各个用户。 常用的固定分配接入方法： FDMA 频分多址 TDMA 时分多址 CDMA 码分多址 即分别采用频率、时间或码字区分不同用户传输的多址方式。,3 无线介质接入方案,随机接入方法 随机接入方法就是在通信时为了处理突发性数据而产生的。分成两类，第一类基于ALOHA接入方案，另一类
7、是基于CSMA（载波侦听）的随机接入技术。,ALOHA是最简单的随机接入技术，它以分组形式允许多用户在共用信道上发送消息。,基于载波侦听的随机接入技术在发送前先监测信道，并采取相应措施减少工作站发送消息的盲目性，从而减少冲突概率。,三、射频系统及应用,目前在无线通信领域，射频多指300MHz至5.8GHz的频率范围。射频技术在当今各个领域得到了广泛应用。如: 高速语音、数据、图文与图像传输； 蜂窝式个人通信与基站； 低轨道卫星移动通信； 无线局域网； 无线接入技术（包括Bluetooth）； 全球卫星定位系统； 卫星直播电视； 多点多址分布系统。,1 无线通信射频系统概述,无线射频系统一般由接
8、收机和发射机两部分构成。 发送信号时，从基带模块送出含有信息的模拟信号，经中频放大后，在混频器中的升频器中混频成为射频信号，送到射频功率放大器中进行功率放大，再通过天线发送出去。 接收信号时，通过天线接收进来的射频信号经滤波和低噪声放大器放大后，与本地振荡器所产生的本地振荡信号再经降频器混频，产生固定的中频信号IF，放大后送到基带部分进行后续处理。,2 接收机,射频接收系统可分为超外差升降频结构和直接升降频结构两种。,超外差升降频结构,微弱射频信号首先通过射频（RF）段的带通滤波器（BPF），以衰减频带外的噪声和干扰，然后由低噪声放大器（LNA）进行多级放大，放大后的信号与可调谐本振进行混频，
9、通过中频（IF）段的带通滤波器，频谱就被下变频到一个固定的中频。,上述结构有两个主要的问题需要解决，即抑制镜像信号和相邻信道的干扰。 通过二次变频超外差接收结构，能较好的解决上述矛盾。,二次变频超外差接收结构,直接升降频结构,直接升降频结构其本地振荡频率和射频频率相同。射频频率直接降到基频，没有镜像频率的问题，所以不需要在混频器前加镜像滤波器。没有中频，故不需要在混频器后加选择滤波器和中频放大器，而是直接使用一个低通滤波器和一个基频放大器。 但存在上下边带重叠的问题。,上下边带重叠,可以采用两次下变频的方法来解决，第一次和正弦信号混频，第二次和余弦信号混频。,直流失调 本振信号与载波频率相同，
10、对同频带工作的其它 接收机带来干扰； 正交通道幅度和相位不匹配会引起误码率上升； 颤动噪声 ； 电源上的不稳定抖动和 50Hz 的低频干扰；,存在的问题,发射机完成的主要功能是调制、上变频、功率放大和滤波。发射机的方案比较简单，大致可以分两种：一是将调制和上变频合二为一，在一个电路完成，称为直接变换法；二是将调制和上变频分开，先在较低的中频上进行调制，然后将已调信号上变频到发射的载频上，称为两步法。,注入拉移现象,3 发射机,直接变换法比较简单，基频信号只经过一次升频后，就经由功率放大器发射出去。 存在注入拉移现象。要消除拉移现象，直接降频结构的本地振荡频率最好离射频频率足够远。,使用两个不同
11、频率的压控振荡器（VCO），经过混频器后，产生新的本振频率，以改善注入拉移现象。,两次变换法可以改善直接变换法的不足。,超外差发射机的二次升频结构,利用二次升频的方式把基频信号发射出去。功率放大器的频率离振荡频率非常远，因此不会有注入拉移现象。而且由于调制是在较低的中频上进行，因此正交的两支路容易一致。,4 射频芯片nRF905及在无线影音监控系统中 的应用,nRF905内部结构图,无线数字影音监控系统采用的是点到点双工无线通信方式，在视距200300米的变电站区域内，实现无线语音对讲、无线视频传输功能。整个系统分为移动端和固定端。视频数据是单向传输的，由移动端向固定端发射。音频则是双向传输。
12、,系统移动端由数字视频输入模块，音频输入输出模块，DSP处理器与存储器，无线发射模块构成。 系统固定端由数字视频编码模块，音频编解码模块，DSP处理器与存储器，无线收发模块构成。,四、无线通信网络,无线通信网络按通信覆盖的范围大致可以分为: 无线广域网（WWAN，十几公里） 无线城域网（WMAN，几公里） 无线局域网（WLAN，100米左右） 无线个域网（WPAN，10米左右）,1 无线广域网,无线广域网络是移动电话及数据服务所使用的通讯网络，覆盖范围可以达到十几公里乃至上百公里。 无线广域网主要有2G、2.5G及3G等，主要采用GSM，GPRS，CDMA等技术 （1）2G 2G即第二代蜂窝通
13、信系统规范，主要应用于GSM（Global System for Mobile）即全球移动系统。 它的工作频段在890MHz到915MHz之间（用于用户到基站的传输）和935MHz到960MHz之间（用于基站到用户的传输），提供了9.6kbps的数据传输率。,GSM的基本结构,（2）2.5G 2.5G即第二代半蜂窝通信系统规范，主要采用GPRS（General Packet Radio Service）技术，即通用分组无线业务。 GPRS是一种工作于20kHz信道的基于FDMA/TDMA的分级交换无线技术，支持从144kbps384kbps的速率。GPRS是分组交换，在每个帧分配给用户多个时隙
14、。 （3）3G 3G即第三代蜂窝通信系统规范。3G的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，传输速率在高速移动环境中支持144kbps，慢速移动环境中支持384kbps，静止状态下支持2Mbps。,3G系统的技术基础是CDMA。延伸的技术标准有： (1)WCDMA (2)CDMA2000 (3)TD-SCDMA (4)HSDPA,2 无线城域网,无线城域网络覆盖范围可以达到十公里。 宽带无线接入（BWA，Broadband Wireless Access）技术与系统是无线移动通信的一个重要技术与应用领域，具有经济便捷、容量高、覆盖面广、可快速提供宽带业务等优点. 无线宽带城域网技术是以IEE
15、E 802.16系列标准为代表的宽带无线接入热点技术。1999年IEEE成立了IEEE802.16工作组专门研究宽带固定无线接入规范，目标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。最早的IEEE802.16标准于2001年12月正式发布，之后该标准不断丰富，先后推出了802.16a、802.16c、802.16d以及802.16e标准等。,3 无线局域网,无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）是在有线局域网络的基础上发展起来的，使局域网上的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决有线方式不易实现的连通问题，它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。,（1）W
16、LAN的特点,灵活移动性 安装便捷 经济节约 可扩展性强 便于维护和管理,（2）WLAN的标准,1）802.11 2）802.11b/Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真） 3）802.11a 4）802.11g 5）其他802.11标准： IEEE802.11e、 IEEE802.11f、 IEEE802.11h、 IEEE802.11i 6）HomeRF 7）HiperLAN/1和HiperLAN/2,4 无线个域网,无线个域网（WPAN，Wireless Personal Area Network）是指对个人操作空间（POS，Personal Operation Space）中的电子设备进行无线互联而形成的无线网络，它的核心思想是用新的无线传输技术代替传统的有线传输技术，实现个人信息终端的智能化互连，组建个人化的办公或者家用信息网络。 使用动态拓扑以适应网络节点的移动性。 其优点是: 按需建网、容错、连接不受限制; 一种装置用做主控，其他装置作为从属装置
