物联网通信技术第2章-无线通信技术课件.ppt

1、第2章 无线通信技术n无线通信基本知识n无线信道n无线通信原理概述2.1 无线通信基本知识n无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式n近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。无线通信的特点n无线频谱是稀缺资源，必须分配给不同的系统和业务使用，因此无线电频谱必须由区域性和全球性的管理机构控制。n无线信道随机多变。n由于无线电波能够全向传输的特性，一定区域范围内的无线信号可以相互干扰，这大大限制了无线通信系统的容量。无线通信的

2、应用 n无线个人区域网：包括蓝牙、ZigBee（低成本、低功率的无线通信）和超宽带UWB（高速近距无线通信）；n无线局域网，代表技术：WiFi；n宽带无线接入：WiMAX；n蜂窝电话系统最成功的无线网络；n卫星通信系统：广播视频、语音，卫星电话，定位 几种无线通信技术的比较 2.2 无线信道n无线信道主要以辐射无线电波为传输方式的无线电信道和在水下传播声波的水声信道等。n不同频段的无线电波有不同的传播方式 n地波传输地波传输：地球和电离层构成波导，中长波、长波和甚长波可以在这天然波导内沿着地面传播并绕过地面的障碍物 n天波传输天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射

3、信道进行传播 n视距传输视距传输：对于超短波、微波等更高频率的电磁波，通常采用直接点对点的直线传输。2.2 无线信道n按照信道对信号的影响特点，无线信道可分为恒参信道和随参信道两类 n恒参信道：是指信道对信号的影响不随时间变化或基本不变，影响是固定的或变化极为缓慢；n随参信道：非恒参信道的统称，信道对信号的影响是随机快变化的。2.2.1 恒参无线信道举例恒参无线信道举例n无线电视距中继 n卫星中继信道 无线电视距中继n无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。终端站中继站终端站中继站卫星中继信道 n人造卫星中继信道可视为无线电

4、中继信道的一种特殊形式。n轨道在赤道平面上的人造卫星，当它离地面高度为35860Km是，绕地球运行一周的时间恰好为24h。这种卫星称为同步通信卫星，使用它作为中继站，可以实现地球上18000km范围内的多点之间的连接。n采用三个适当配置的同步卫星中继站就可以覆盖全球（赤道上）18101km73155km41756km12752km35860km卫星中继信道n卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。n其中上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径，而信道设备集中于地球站与卫星中继站中。n在较低轨道运行的卫星及不在赤道平面的卫星也可以用于中继通信。在几百公里高度的低轨

5、道上运行的卫星，由于要求地球站的发射功率较小，特别适用于移动通信和个人通信系统中。2.2.2 恒参信道特性及其对信恒参信道特性及其对信号传输的影响号传输的影响n恒参信道等效于一个非时变线性网络，只要得到网络的传输特性，利用信号通过线性系统的分析方法，就可以求得已调信号通过恒参信道的变化规律。n网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特性来表示 幅度幅度频率畸变频率畸变 n理想的信道幅频特性在通带内应是平的，这样信号的各个频率分量幅度比例不会因通过信道传输而发生变化，所以没有幅频畸变 幅度幅度频率畸变频率畸变n一般数字信号是矩形波或升余弦波，它们都有丰富的频率成分，如果利用幅频特性不均匀的信道

6、来传输数字信号，将使各频率成分受到不同的衰耗，从而使波形发生畸变。幅度幅度频率畸变频率畸变n不均匀的衰耗必然使传输信号的幅度随频率发生畸变，引起失真；n对于数字信号，还会引起相邻码元波形在时间上的重叠，造成码间串扰。n措施n改善滤波性能，将幅度频率畸变控制在允许的范围之内；n通过均衡措施，使衰耗特性曲线变的平坦 相位相位频率畸变频率畸变 n理想的相频特性是通过原点的斜线，相位与频率成线性关系 n相频畸变对模拟话音通信影响并不显著，因为人耳对相频畸变不太敏感。但对数字信号传输却不然，尤其当传输速率高时，相频畸变将会引起严重的码间串扰，从而对通信带来很大的损害。相位相位频率畸变频率畸变n若不是线性

7、关系就会出现群迟延畸变，群迟延畸变常用群迟延频率特性来衡量，群迟延频率特性是相频特性对频率的导数。n若信道的相频特性是理想的，（）是的线性函数，则群迟延频率特性 常数，即无论什么频率成分它的延迟时间都是相同的 相位相位频率畸变频率畸变n当非单一频率的信号通过实际的信道时，信号频谱中的不同频率分量将有不同的群延迟，即他们到达的时间不一样，引起畸变。2.2.3 随参无线信道举例随参无线信道举例n信道特性随时间变化很快的信道，其变化速率甚至能与波形传输速率相比拟，即在一个码元时间内它的特性就可能发生很大的变化。n比较典型的这类传输媒质为电离层反射和散射，对流层散射及流星余迹散射等 1、短波电离层反射

8、和散色、短波电离层反射和散色n电离层一般分为4层nD层：只有白天日照时存在，主要对长波起反射作用，对短波和中波则起吸收作用。nE层：白天晚上都存在，由氧原子电离形成，可反射中波和短波。nF1层：只有白天存在。nF2层：白天和晚上都存在。F层的反射作用，可进行短波远距离通信。1、短波电离层反射和散色、短波电离层反射和散色n传播路径：电离层F2反射，D、E是吸收层。n工作频率：需要经常更换 n多径传播 n应用：远距离传输 2、对流层散射信道、对流层散射信道n通常是指无线电电磁波在大气对流层和平流层散射传播 n对流层：大气的最低层，它经常存在很多的大气湍流，形成很多的涡流单元，由于大小、尺寸和温度湿

9、度的不同，涡流单元的介电系数不同。电波作用于这些不均匀气团时就要产生折射和散射。n平流层：高空大气层，其散射距离可达6001000公里 2.2.4 随参信道特性及其对信随参信道特性及其对信号传输的影响号传输的影响n随参信道的传输媒质的特点n对信号的衰耗随时间变化；n传输的时延随时间而变；n多径传播。n多径传播的影响 n衰落和频率弥散 n频率选择性衰落 2.2.5 随参信道特性的改善随参信道特性的改善分集接收分集接收n分散接收几个合成信号并集中（合并）这些信号的接收方法，明显有效且被广泛采用的措施之一。n基本思想：同时接收几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，减小衰落的影响。分

10、集方式 n空间分集使用多个天线（位置间要求有足够的间距，100个信号波长）n频率分集用不同载频传送同一个消息，各载频的频差相隔较远。n角度分集利用天线波束的指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。n极化分集分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方法。合并方法 n最佳选择式载几个分散信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号。n等增益相加式将分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号。n最大比值相加式控制各支路增益，使他们分别与本支络的信噪比成正比，然后相加获得接收信号。2.2.6 现代常用无线信道现代常用无线信道无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线卫星地面微波 调

11、幅无线电 调频无线电 海事无线电电视f/Hzf/Hzf/Hzf/HzLFLFMFMFHFHFVHFVHFUHFUHFSHFSHFEHFEHFTHFTHF波段10104 4 10105 5 10106 6 10107 7 10108 8 10109 9 101010 10 101011 11 101012 12 101013 13 101014 14 101015 15 1010161610100 0 10102 2 10104 4 10106 6 10108 8 101010 10 101012 12 101014 14 101016 16 101018 18 101020 20 101022

12、 22 10102424 移动无线电 短波通信信道短波通信信道 n主要是靠电离层的反射。n但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。n因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输 微波信道微波信道 n微波的频率范围为300MHz300GHz(波长1m10cm)，但主要是使用240GHz的频率范围。n微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。n传统的微波通信主要有两种主要的方式：即地面微波接力通信和卫星速信 ISM信道信道 n常用的无线局域网IEEE802.1

13、1b/g工作在2.42.4835GHz频段 频带频率26MHz83.5MHz125MHz902MHz928MHz2.4GHz2.4835GHz5.725GHz5.850GHz2.3 无线通信原理概述 n天线n信号传播n窄带、宽带及扩展频谱信号 n固定和移动 2.3.1 天线天线n天线是一种变换器，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 n在无线电设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。n一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线 天线能量转换原理

14、 工作原理 n当导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关；n如果导线位置由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱；n如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强；n当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；n当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射；n通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子；两臂长度均为1/4波长的振子叫做对称半波振子。天线增益 n增益是天线系统的最重要参数之一，天线增益的定义与全向天线或半波振子天线

15、有关。n全向辐射器是假设在所有方向上都辐射等功率的辐射器，在某一方向的天线增益是该方向上的场强。方向图 n天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。n用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。n天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內的方向图，称为平面方向图。n在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。基本振子的方向图 全向天线波瓣示意图 n在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或

16、旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣 定向天线水平波瓣和垂直波瓣图 波瓣宽度波瓣宽度 n波瓣宽度，顾名思义，就是无线电波辐射形成的扇面所张开的角度。n同一天线发射的无线电波不同方向上的辐射强度是不同的，所以定义为比最大辐射方向上的功率下降3dB的两个方向之间的夹角为波瓣宽度。在水平面和垂直面各有一个波瓣宽度 前后比前后比 n方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F/B。n前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。上旁瓣抑制上旁瓣抑制 n对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。极化 n极化是描述电磁波场强矢量空间指

17、向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐射方向上的电场矢量来说的。n电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波，与地面垂直的波叫垂直极化波。n由于水平极化波和入射面垂直，故又称正交极化波；垂直极化波的电场矢量与入射平面平行，称之平行极化波。n电场矢量和传播方向构成平面叫极化平面。分类 n按工作性质可分为发射天线和接收天线。n按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。n按方向性可分为全向天线和定向天线等。n按工作波长可分为超长波天线、长波天线

18、、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。n按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。n按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线 n天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类 常用天线 n板状天线 n高增益栅状 n八木定向天线 n室内吸顶天线n环形天线 n室内壁挂天线 2.3.2 信号传播 n因为空气是无制导介质，而发射器与接收器之间的路径并不是很清晰，所以无线信号通常不会沿着一条直线传播。n当一个障碍物挡住了信号的路线时，信号可能会绕过该物体、被该物体吸收，也可能发生以下任何一

19、种现象：发射、衍射或者散射。距离方程 n自由空间无线电波传播的损耗为：Los(dB)=32.44+20lgD(km)+20lgF(MHz)式中Los为传输损耗，单位dB；D为传输距离，单位km；F是工作频率，单位以MHz计算。n在固定的频率条件下，影响通信距离的因素有：发射功率、接收灵敏度、传播损耗、天线增益等 距离方程n例例2-1：求一个工作频率为433.92MHz，发射功率为10dBm(10mW)，接收灵敏度为-105dBm的系统在自由空间的传播距离。假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB，试计算得出实际通信距离？传播视距 n极限直视距离 n极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度H

20、T 与 HR间的关系 为：Rmax=3.57 HT(m)+HR(m)(km)n考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为Rmax=4.12 HT(m)+HR(m)(km)n电波传播的有效直视距离 Re 约为 极限直视距离Rmax 的 70%，即 Re=0.7 Rmax 电波在平面地上的传播特征 n由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；n发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。n显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。n波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波

21、长的倍数时，直射波和反射波信号相减，合成为最小 电波的多径传播 n在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、高大建筑物或山丘等)对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波（广义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象叫为多径传播 n由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。电波的绕射传播 n在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。n超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，

22、在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。2.3.3 窄带、宽带及扩展频谱信号 n在“窄带”，发射器在一个单独的频率或者非常小的频率范围上集中信号能量。n与窄带相反，“宽带”是指一种使用无线频谱的相对较宽频带的信号传输方式。n使用多个频率来传输信号被称为扩展频谱技术，换句话说，在传输过程中，信号从来不会持续停留在一个频率范围内。2.3.4 固定和移动固定和移动n在“固定”无线系统中，发射器和接收器的位置是不变的。传输天线将它的能量直接对准接收器天线，因此，就有更多的能量用于该信号。对于必须跨越很长的距离或者复杂地形的情况，固定的无线连接比铺设电缆更经济。n移动无线系统中，接收器可以位于发射器特定范围内部的任何地方。这就允许接收器从一个位置移动到另一个位置，同时还继续接受信号。