无线网络技术导论
主讲教师：张亮老师
第二讲 无线传输技术基础
https://blog.csdn.net/Wjwstruggle/article/details/90757351
目录
1、传输媒体分类
- 引导性媒体(线缆媒体)，电磁波沿着一个固态媒体传播。例如：金属导体、玻璃或plastic 。
- 非引导性媒体(无线媒体)，提供了传输电磁信号的手段，但不加以引导。例如：大气层、外层空间。
2、传输媒体的电磁频谱
3、无线电波的传播特性
4、无线电波属性
（1）波长和频率
- 波长(λ)，两个相邻的波峰之间的距离
- 波长和频率的关系
光速(c)：电磁波在真空中的传播速度(3*10⒏m/s)
频率(f)：电磁波每秒震动的次数
5、无线电
- 频率范围在10kHz~1GHz之间,波长在几百米至一厘米之间
- 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
全向传播
- 信号沿着所有的方向传播
- 可被所有的天线接收
- 发射设备和接收设备不必在物理上对准
6、微波
- 频率较高的无线电波(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
- 发射端和接收端的天线必须精确地对准
定向传播（directional）
- 天线把所有的能量集中于一小束电磁波
7、红外线
- 利用红外光波传送信号。采用电磁频谱的THz范围。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。
- 信号不能穿透墙壁等固体物体
- 易受强烈光源的影响
- 应用与优点：
- 短距离通信（TV、录像机、DVD、音响等）
- 不同房间内的红外系统互不干扰
- 防窃听安全性比无线电系统好
（信号从天线出发通过三种路由发射）
- 地面波（ground wave）
- 天空波（sky wave）
- 直线传播（line of sight）
1、地面波
- 沿着地球轮廓线
- 可以传播很远
- 频率高达2MHz
例如
AM radio调幅无线电
2、天空波
- 信号从大气电离层反射回地球
- 信号能传播上几个来回，在电离层和地球表面之间上下
- 比地面波范围还要远
- 反射效果由折射引发
例如
业余无线电
民用波段无线电
3、视距传播
- 传输和接收天线必须在视线内
- 视距传播的距离一般为20～50Km
1、衰退（fading）
- 传输媒体或者路径使得接收信号的能量发生变化
- 在固定环境下：大气层条件的变化（例如：下雨）
- 在移动环境下：障碍物的相对位置随时间发生变化，造成复杂的传输效果— — 多径传播
2、反射（Reflection）
- 当信号遇到表面大于信号波长的障碍物（地球表面、高建筑物、大型墙面）导致信号的相位发生漂移
3、衍射（Diffraction）
- 当信号遇到大于波长的不可穿透物的边缘（例如无线电波中途遇到尖锐不规则的边缘物）
- 即使没有来自发送器的视线信号(LOS)也可接收到信号。
4、散射（Scattering）
- 当入境信号遇到波长小的物体（树叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的出境信号
5、多径（Multipath）传播
- 障碍物反射信号，使得接收端收到多个不同延迟的信号。
- 一个信号的多个拷贝以不同的相位到达：如果相位破坏性地叠加，则相对噪声来说信号的强度就会下降（信噪比减小），导致接收端检测困难。
- 信号串扰：一个脉冲的一个或多个延迟的拷贝在一个比特时间内到达
1、信号编码技术——基本概念
- 数据（Data）传递（携带）信息的实体。
- 信息（Information）数据的内容或解释。
- 信号（Signal）数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播
- 模拟信号，时间上连续，包含无穷多个信号值
- 数字信号，时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号
- 周期信号，信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）
- 非周期信号，信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。
- 信息编码：将信息用二进制数表示的方法，例如：ASCII编码、BCD编码等
- 数据编码：将数据用物理量表示的方法，例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为
2、信息通过数据通信系统进行传输的过程
- 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地（信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输）
编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错
调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位
解调：接收波形→数字信号
解码：数字信号→原始数据
- 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：
- 模拟传输和数字传输所使用的技术
- 模拟的和数字的数据、信号
编码与调制的区别
- 编码：用数字信号承载数字或模拟数据
- 调制：用模拟信号承载数字或模拟数据
编码与解码
调制与解调
3、信道复用技术
频分复用、时分复用和统计时分复用
- 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
- 时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
4、波分复用 WDM
波分复用就是光的频分复用。
5、码分复用 CDM
常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
（1）、码片序列(chip sequence)
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。
- 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
- 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
- 发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
- 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
（2）、重要特点
- 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
- 在实用的系统中是使用伪随机码序列。
（3）、码片序列的正交关系
令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：
（4）、正交关系的另一个重要特性
- 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。
- 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
（5）、CDMA 的工作原理
1、通信系统的两个指标
通信系统中两个基本问题：有效性和可靠性
- 有效性：是指通信系统传输信息效率的高低
- 可靠性：是指通信系统可靠地传输信息的能力
2、扩频通信的理论依据
香农公式
式中C为信道容量，它是信道可能传输的最大信息速率，W为信道带
宽，S为有用信号的平均功率，N为白噪声的平均功率，S/N就是信噪比。
3、扩展频谱的原理
扩频通信的含义：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
- 频道内将几十个或者几百个电路和发射机互相堆积
- 扩频不去试图消除干扰，相反欢迎它并将其设计到系统中。
- 使用非常宽的频道
- 系统自动平衡、自我调节
4、扩频技术的出现——反通信
- 直接序列扩频（DSSS）直接序列扩展频谱是为实现保密话音通信而提出
- 跳频扩频（FHSS）跳频扩展作为反干扰策略提出
5、扩展频谱基础
- 模拟或者数字数据
- 采用模拟信号
- 将数据扩展到一个大的带宽上
- 使干扰和窃听非常困难
- 特点：传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽
6、扩频系统的一般描述
7、噪声调制
将类噪声型信号加入到拟传输的信号之中
8、扩频使用的两种信号构建技术
- 直接序列扩频（DSSS）使用调幅技术合并数据信号和载波信号的波形
- 跳频扩频（FHSS）不断的在频道之间切换载波信号来发射信号
9、直接序列扩展频谱
基本原理
将两个数字信号加到一起得到第三个实际传输比特流；
- 第一个信号是信息信号；
- 第二个信号是由随机序列产生器产生的随机比特流；
- 第三个比特流的速率与第二个信号相同；
具体方法
- 每个比特由扩展码的多个比特表示
- 扩展码信号占更宽的频率（扩展与所用的比特成比例，10比特扩展码将信号扩展到10倍宽的频道）
- 一种如下方法
- 将输入信号与扩展码进行XOR
- 输入比特1反转扩展码
- 数据比特0不改变扩展码
- 数据率与原始的扩展码速率相同
优点：直接序列扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。
10、跳频扩展频谱
基本原理
跳频扩频通过不断的在频道之间切换载波信号来发射信号
确切的说，跳频系统应该叫做多频、选码和频移键控通信系统。它是用二进制伪随机码序列去控制射频载波震荡器输出信号的频率，使发射信号的载波频率随伪随机码的变化而跳变。频率跳变系统可供随机选取的载波频率数通常是几千-几万个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个由伪随机码决定。
- 信号在一串随机序列的频率上广播
- 接收者以与发送者同步的方式跳转频率
- 窃听者听到的难以理解
- 干扰仅影响某个频率上的有限几比特
- 跳频能克服噪声干扰和多径效果
- 没有传统意义上的阻塞
一个好的跳频图案应具备以下几点
- 图案本身的随机性要好, 要求参加跳频的每个频率出现的概率相同。随机性好, 抗干扰能力就强。
- 图案的密钥量要大, 要求跳频图案的数目要足够多，这样抗破译的能力强。
- 各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小, 要求图案的正交性要好，这样有利于组网通信和多用户的码分多址。