第2章无线传输技术基础

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Jun 22, 2023

一、无线传输媒体

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传输媒体是发送器和接收器之间的物理路径。

1️⃣传输媒体分类

导向	电磁波被引导沿固定媒体前进(双绞线、同轴电缆、光纤)	性能取决于媒体自身
非导向(无线传播)	不引导传播方向，如大气和外层空间。分成定向和非定向。	性能取决于信号带宽

2️⃣无线频谱的分配

统一分配

ISM频段：工业、科学、医疗(非许可自由使用限制功率)

无线传输常用频段：广播无线电、微波、红外线

ㅤ	频段	特点
广播无线电	30MHz～1GHz	全向应用
微波	1GHz~100GHz	高方向性、点对点、卫星通信
红外线	3e11Hz~2e14Hz	本地应用，局部点对点/多点

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微波补充：

直线传播，定向传播

分地面微波/卫星微波

地面微波：用于长途电信服务、点对点线路。2GHz~40GHz。呈抛物面的“蝶形”天线。

卫星微波：微波接力站，电视广播，长途电话，1GHz~10GHz,广播设施。

传输主要损耗是衰减其次是干扰。

微波损耗随距离平方变化，而同轴电缆呈指数。下雨增加衰减，高于10GHz明显。

频率越高衰减越大

频率越高带宽越宽，数据率高；波长越短，需要天线小。

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广播无线电补充：

全向性不需要蝶形天线，无需精确校准位置。

包括FM/VHF/UHF

电离层透明，视距传输

下雨影响小

多路径干扰

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红外线补充：

THz范围

发光二极管或激光二极管发射信号，光电管接收信号。

不能穿墙，受强光影响

短距通信，防窃听，不同房间不干扰

点对点/点对多点

二、天线

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天线是无线传输最基本的设备。是一条电子导线/导线系统。用于辐射或收集电磁能。

1️⃣辐射模式

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。

全向天线

有向天线

2️⃣天线类型

偶级天线

抛物反射天线

3️⃣天线增益

G是天线增益，Ae是有效面积。

天线增益是天线定向性的度量，定义为在一特定方向上的功率输出，与天线尺寸与形状有关。

三、传播方式

由天线辐射出去的信号以三种方式传播：

传播方式	频段	特点
地波	低于2MHz	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。由波前倾斜及衍射造成。
天波	2MHz~30MHz	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。
直线	大于30MHz	不会被电离层反射，通信局限于视距范围，必须用直线方式。

四、直线传输系统中的损伤

衰减和衰减失真	信号强度随媒介中距离降低。导向媒介的衰减是指数值，常表示成每单位距离的分贝数。非导向媒介的衰减是复杂的距离函数充满大气层。这导致信号要有一定强度让接收端检测出来、保持信噪比(使用中继器、放大器)、高频会引起失真。(放大器更多放大高频)
自由空间损耗	信号会随距离发散。所以离天线远，信号功率低，在卫星通信中主要的损耗方式。
噪声	传输信号在传输系统失真，加入不希望有的额外信号。是通信系统性能的主要限制因素。
大气吸收	水蒸气和氧气的吸收。雨和雾散射。减少损耗方法，路径变短，使用低频带。
多径	信号在传播路径上经历了多个不同的传播路径（如直射路径、反射路径、绕射路径等），导致在接收端同时收到了多个相位和幅度不同的信号。
折射	当通过大气传播时，无线电波会被折射。无线电波向下弯曲。

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天线增益可以补偿频率增加引起的功率损耗，且带来净增益

五、移动环境中的衰退

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衰退是因传输介质和路径的改变使得接收信号功率随时间变化。

移动环境中两个天线相对运动，障碍物位置随时间变化，引起复杂传输结果。

多径三种传播机制：

反射：信号遇到表面大于信号波长的障碍，导致相位漂移。

衍射：遇到大于波长不可穿透边缘波会向不同方向传播，即使无发送器LOS视线信号也可以收到。

散射：当入境信号遇到与信号波长相当波长小的物体会发散出几个弱的出境信号。

多径：一个信号多个副本在不同相位抵达。如果相位破坏性叠加，信噪比会减小，导致接收端检测困难。

串扰：数字传输中，由反射、衍射、散射引起一个脉冲的多个延迟拷贝在一个比特时间内到达。

移动环境中衰退类型：

⭐分成快速或慢速

快速衰退：移动距离超过波长一半，信号剧烈变化

慢速衰退：跨越长距离，信号平均强度缓慢变化。

⭐分成平面的或选择性的

平面衰退：所有信号所有频率按相同比例波动

选择性衰退：不同光谱成分的影响是不相等的。

差错补偿机制

前向纠错(增加冗余位，计算纠错码)

自适应均衡(频域均衡：使得满足无失真传输条件，矫正幅频特性和群时延。时域均衡：冲激响应满足无码间串扰。)

分集技术(空间分集，频率分集，时间分集)

六、扩频技术

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扩频技术的基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的带宽中，加大干扰和窃听难度。

扩频数字通信系统一般模型：

第一种扩频技术称为跳频(frequency hopping)，更新的一种技术是直接序列(direct sequence)。

1️⃣跳频

工作原理：

信号在一串随机序列频率上广播。在固定时间间隔从一个频率跳到另一个频率。

接收机和发送者同步的方式跳转频率。

这样窃听者难以理解

好处：

干扰仅仅影响某个频率上的几个比特

克服噪声干扰和多径效应

没有传统意义上的阻塞

2️⃣直接序列扩频

工作原理：

将信息信号和随机序列产生的随机比特流加到一起得到第三个实际传输比特流。(可以是两个信号异或)

实际传输比特流速率和随机比特流相同，数据率相同。

在接收端再用相同的随机比特流和传输信号异或就又恢复出了信息信号。

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每个比特变成用扩展码多个比特表示，占更宽带宽，扩展与所用比特成比例。(使用了扩展编码技术)

七、差错控制技术

差错检测码

差错纠错码(前向纠错码)

自动重发请求协议(不适用长距离)

八、多路复用技术

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为了提高信道利用率，使得多路信号沿着同一传输而互不打扰的技术。

多路复用的关键是把多路信号汇合到一个信道上，在接收端能够正确分割。可以按频率、时间、码形结构分成：

频分多路复用(FDMA)

时分多路复用(TDMA)

码片多路复用(CDMA)

FDMA

TDMA

CDMA

每个站使用整个频段发送信号

多个站信号线性叠加

利用编码技术分离并发

接收端提取信号的关键是：

码片序列正交特性：任何两个不同码片序列归一化内积为0