第二讲 无线传输基础

模拟信号和数字信号 信号(signal)：数据的电气或电磁表示； 是时间的函数，也可以描述为频率的函数。 连续信号：由连续可变的数值表示。 离散信号：由一串特定的数值表示。 离散信号并不等同于数字信号。 数字信号不仅是离散的，而且是经过量化的。

模拟信号和数字信号 数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点。 模拟信号：一个连续变化的电磁波，根据它的频率可以在多种类型的媒体上传播。如铜线媒体、光纤、无线空间。 数字信号：一个电压脉冲序列，这些电压脉冲可以在铜线媒体上传输，不适宜直接在无线媒介中传播。

数据-模拟和数字 模拟(analog)和数字(digital)大致分别与连续(continuous) 和离散(discrete)相对应。数据、信号和传输经常使用这两 个术语。 模拟数据在一段时间内具有连续的值，例如，音频和视频是连续变 化的强度样本。 数字数据的值是离散的，例如：文本、整数、Morse代码。

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。 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。

模拟信号和数字信号的优缺点 模拟信号在理想情况下，具有无穷大的分辨率 模拟信号总是受到噪声的影响 数字信号的传播、处理越来越方便 与数字信号相比，模拟信号的信息密度更高； 不存在量化误差，可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。 模拟信号总是受到噪声的影响 信号被多次复制，或进行长距离传输之后，噪声的影响会变得十分显著； 噪声效应会使信号产生有损，有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原， 因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。 在噪声在作用下，虽然模拟信号理论上具有无穷分辨率，但并不一定比 数字信号更加精确。 数字信号的传播、处理越来越方便 数字信号不会失真，因为目前有检错码、纠错码等技术； 诸如照相机等设备都逐渐实现数字化，尽管它们最初必须以模拟信号的 形式接收真实物理量的信息，最后都会通过模拟数字转换器转换为数字 信号，以方便计算机进行处理，或通过互联网进行传输。

信号的描述 信号可以描述为时间的函数，也可以描述为频率 的函数 周期信号（periodic signal）： 周期性重复的信号：s(t T)  s(t) t  

一个典型的正弦波信号包含三个参数： 频率f： 周期T：T=1/f 波长λ： 相位φ ：信号在时间上的偏移量 振幅（A）、频率（f）、相位（φ ） 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T：T=1/f 波长λ： 信号在一个周期内传播的距离； λ=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 = 3×108米/秒 相位φ ：信号在时间上的偏移量

一个典型的正弦信号 s(t)  Asin(2 ft  φ) A=1, f=1, φ=0 A=0.5, f=1, φ=0 A=1, f=2, φ=0 A=1, f=1, φ=π/4

信号的频域分解 任意一个电磁信号可以看做由多个频率的信号组成（由傅 立叶变换保证） 例如：s(t) (4/)(sin(2 ft)(1/3)sin(2(3f )t)) 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。 如上例中的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（Spectrum） 例如上例中信号的频谱为{f, 3f }。 信号频谱的宽度被称为信号的带宽（bandwidth） 例如上例中信号的带宽为3f - f =2f

sin(2 ft) (1/3)sin(2(3f )t) (4/)[sin(2 ft)(1/3)sin(2(3f )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-1，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）。 

方波由哪些频率构成？ 频率f、3f、5f的 正弦信号相加 频率f、3f 、5f 、7f的正弦信号相加  频率f、3f、5f的 正弦信号相加  (4/)[sin(2 ft)(1/3)sin(2(3f )t)(1/5)sin(2(5f )t)] 频率f、3f 、5f 、7f的正弦信号相加  (4/)[sin(2 ft)(1/3)sin(2(3f )t)(1/5)sin(2(5f )t)(1/ 7)sin(2(7f )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。 

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，一般会造成信号一定程度 的失真（distortion）。

数字、模拟数字数据的模拟信号 模拟数据可以直接将数据产生一个同频率-振幅的电磁信号，在模拟线路上直接传输，如：打电话； 数字数据可以用模拟信号表示：调制-解调：将2进制电压脉冲序列转化成连续变化的电磁波序列，通常用于模拟线路上传输输数字信号,如：ADSL；

数字、模拟数字数据的数字信号 模拟数据可以用数字信号表示：编码-解码： 数字数据可以直接通过两个电压/电平以二进制形式表示。 对模拟数据进行采样，用位流近似模拟信号，产生二进制电压脉冲序列，实现模拟信号在数字设备上传输，如数字电话； 数字数据可以直接通过两个电压/电平以二进制形式表示。 通常为了改进传输特性二进制数据常常被编码成更为复杂的数字信号形式，如：计算机以太网络。

模拟数据采样 PAM：脉冲幅度调制，用采样脉冲幅度反映被测量； PCM：脉冲编码调制，用一组编码脉冲来反映被测量。

采样

采样

采样

采样定理 采样定理又称奈奎斯特定理，由奈奎斯特1924年提出； 一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍； 在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中，最高频率fmax的2倍时，即：fs.max>=2fmax，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息； 一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；

为什么要这样组合 任何通讯任务选则选择特定组合的理由各不相同： 数字数据，数字信号：比起将数字数据编码为模拟信号的设备，将数字数据编码为数字信号的设备不那么复杂且不昂贵。 (计算机网络传文件) 模拟数据，数字信号：将模拟数据转换为数字形式主要用于模拟数据使用现代数字传输和交换设备。 (视频文件用以太网络传输) 数字数据，模拟信号：有些传输媒体，例如光纤和卫星只传输模拟信号，或者使用老的模拟设备线路传输。(无线网) 模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易被转换为模拟信号。 最直接传统的传输方式，对信道资源占用高，传输成本高。（收音机）

模拟传输和数字传输 模拟信号和数字信号都可以在适宜的传输媒体上传输，处理这些信号的方法是传输系统的功能

数据传输 模拟传输(analog transmission) 传输模拟信号的方法； 一般不考虑信号的内容； 远距离传输的放大器在增强数据信号的同时也将增强噪声的成分，失真越发严重，数字数据将被引入大量误差。 很容易被窃听，保密性不好。

数据传输 数字传输(digital transmission) ： 可以传输模拟信号（视频直播）和数字信号，传输模拟信 号需要先将模拟信号数字化； 传输需要考虑信号内容。 数字信号： 中继器接受数字信号后会将数据恢复，并重新生成数字信号，克 服了远距离衰减。 模拟信号： 如果模拟信号携带数字数据，可在在放大器前加入重传设备，将 数字数据从模拟信号中恢复，重新调制后再放大输出。 模拟信号携带模拟数据则只能直接放大。 可对内容进行加密，保证机密性。

模拟传输和数字传输 总结

数据传输术语 术 语 定 义 单 位 数据元素 一个单个的二进制1或0 位（bit） 数据率 数据元素传输的速率 位/秒(b/s) 术 语 定 义 单 位 数据元素 一个单个的二进制1或0 位（bit） 数据率 数据元素传输的速率 位/秒(b/s) 数据传速度 字节单位的数据传输速度 字节/秒（Byte/s） 信号元素 在一个信号传输的代码中占据最小间隔的那部分信号 数字：一个固定振幅的电压脉冲 模拟：一个具有固定频率、相位和振幅的脉冲 信号传输速率或调制速率 信号元素传输的速率 信号元素/秒(baud) 带宽 数字：单位时间内链路能够通过的数据量。 模拟：能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度 数字：一般直接用波特率或数据率来描述(Bps) 模拟：赫兹（Hz）为单位。

无线传输中的信号编码准则 对任一给定的通信任务来说，选择一种特定的组合的理由是不同的，如：无线传输系统主要是采用模拟载波信号进行传输。 数字到模拟：数字数据和数字信号必须转换成模拟信号进行无线传输。 模拟到模拟：基带模拟信号，诸如话音或视频，通常都必须调制到高频的载波上进行传输。 模拟到数字：先于传输之前，通常将话音数字化后再在导向的或非导向的媒体上传输，这样可以改进传输质量并可利用TDM方式。 对于无线传输来说，结果得到的数字信号必须调制到一个模拟载波上。

数字数据与模拟信号 最广泛的应用是通过公用电话网传输数字数据。 数字设备通过调制解调器（Modem）与网络相连； 电话网的设计是为了传输300Hz-3.4KHz的语音频率范围， 并不适用于处理来自用户端的数字信号。 数字设备通过调制解调器（Modem）与网络相连； 调制解调器将数字数据转换成模拟信号（调制modulation） 或将模拟信号转换成数字数据（解调demodulation）。 调制技术涉及对载波信号的3个特性(振幅、频率和相 位)中的一个或多个特性的操作： 幅移键控(ASK) 频移键控(FSK) 相移键控(PSK)

数字数据与模拟信号 调幅ASK: 用载波频率的两个不同振幅表示两个二进制值。容易受增益变化的影响，效率较低（在语音线路上只能达到1200bps） 调频FSK: 载波的频 率随数字信号改变 ，而载波的幅度保 持恒定。可用限幅 器消除噪声干扰,容 易实现（modem） 调相PSK: 用载波的 不同相位直接表示 数字信息。

模拟数据与模拟信号 当数据已经是模拟形式时，调制的主要原因有两个： 模拟数据的调制技术： (1) 为了实现有效的传输，可能需要较高的频率。对于非导向 传输，不可能直接传输基带信号： 低频信号天线大，需要使用的偶极天线直径为几千米； 频段资源紧缺； (2) 调制允许使用频分复用技术，可以提高信道的利用率。 模拟数据的调制技术： 调幅(AM) 调频(FM) 调相(PM)。

信道容量 噪声（noise）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（channel capacity） 相关概念  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。 

奈奎斯特带宽 例： 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，最高可实现的最大信号速率是2B。 两电平信号 如果信号的传输速率是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。 注意：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。

信号噪声比 奈奎斯特公式揭示，带宽翻倍则传输速率翻倍。 关键在于信号和噪声的能量对比。 signal power  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  signal power noise power SNRdB 10log10 信噪比越高，信号质量越好。 

香农公式 信道的最大容量（单位为bps）计算如下： C  Blog2(1 SNR) 说明： 即：信道速度与信道带宽成正比，同时还取决于系统信 噪比以及编码技术种类。 说明： 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。

无线传输媒体 传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的 物理路径。传输媒体可分为： 导向的(guided)：电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例 如双绞线、同轴电缆和光纤。 非导向的(unguided)：提供传输电磁波信号的手段，但不 引导电磁波传播的方向，这种传输形式被称为无线传播 (wireless transmission)，如大气和外层空间。

无线传输媒体 导向性传输媒体传输质量受限于传输媒体本身。 非导向性传输媒体传输质量受信号带宽影响更大 全向信号：信号发射后延所有方向传播,可被所有天线接收, 发射设备和接收设备不必在物理上对准,多为低频信号。 定向信号：信号发射后延特定方向传播,发射端和接收端的天 线必须精确地对准,多为高频信号。

无线传输媒体 无线电广播频段： 微波： 红外线频谱段： 30MHz～1GHz 适用于全向应用。 1GHz~100GHz 可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于 卫星通信。 红外线频谱段： 3×1011Hz～2×1014Hz 适于本地应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点对点及多 点应用非常有用。

无线传输媒体

无线电波 广播无线电波是全向性的，不要求使用定向天线，天线也无 须严格地安装到一个精确的校准位置上。 无线电波(Radio) 是笼统术语，一般频率范围为 3KHz~300GHz。 广播无线电波：30MHz～1GHz，该频段是广播通信的有 效频段，应用广泛。 电离层对30MHz以上频率的电磁波没有干扰； 雨雪对低于1 GHz以下频率的电磁波没有衰减； 根据衰减公式，波长越大衰减越小 广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。 来自多条路径不同延迟的信号重叠 。

无线电波 频率范围在30MHz~1GHz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；

微波 频率较高的无线电波(电磁频谱较低GHz级频率) 应用划分为：地面微波和卫星微波两种 微波频率：1GHz ~100GHz； 微波按照直线传播，不能很好地穿透建筑物； 天线把所有的能量集中于一小束电磁波，发射端和接收端的天 线必须精确地对准； 中继器之间的最大距离可为80km（假设塔高为100m）。 应用划分为：地面微波和卫星微波两种

地面微波 地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤， 通过地面接力站中继。 传输距离相等情况下需要的放大器和中继器比电缆传输少很多， 但需要视距传输。 广泛应用于电视（12Ghz CATV）和语音传播以及区域长途电话 业务。 常见的用于传输的频率范围为2GHz～40GHz。频率越高，可能 的带宽就越宽，因此可能的数据传输速率也就越高。

卫星微波 通信卫星是个微波接力站，用于将两个或多个称为地球站 或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。 卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上行)上的传输信 号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送 出去。 卫星主要应用：电视广播、国际长途电话传输和个人用商 业网络。

卫星微波 卫星传输的最佳频率范围为1GHz～10GHz。 低于1GHz易受到大自然和宇宙的信号干扰，高于10GHz易被 大气吸收和降雨影响； 但该频段已趋于饱和，寻求更高频段的应用，抗衰减是首要问 题； 卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有 1/4s延迟。在差控和流控方面，也带来一系列问题； 安全性问题，卫星微波是广播设施，站点可以向卫星发送信息， 同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。

红外线 使用发送器/接收器调制出不相干的可见光就可实现红外通 信。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。 红外线传输无法穿透墙体。微波系统中遇到的安全性和干扰 问题在红外线传输中都不存在。 频率高，距离短。 易受强烈光源的影响 红外线不需要频率分配许可。

光波 频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导 向光波。 提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与 微波不同，不要求FCC许可。 激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。 激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳的热量是气流上升 也会激光束产生偏差。 光波传输只能单向传输。

典型的无线传输数字性能 无线传输的主要损耗来源于衰减。 无线的损耗公式： 无线传输的损耗随距离的平方而变化； 有线网络中的损耗与距离的关系式为：L=Ed 其中d代表距 离，E代表其他关系变量； 而双绞线与同轴电缆的损耗随距离的指数变化。因此无线的中 继设备比电缆的中继设备可以放得更远。 可以根据球面面积计算公式来理解

典型的无线传输数字性能 高频信号和低频信号的优缺点： 1.高频信号载频点多，信息传输速率高； 2.发射天线的尺寸跟信号的波长有关系，高频信号波长 小，可以用尺寸较小的天线做到高功率发射； 3. 信号覆盖 高频信号比低频信号更容易做到大功率发射，所以虽然信号 衰减快，但是一般视距传输仍用高频信号； 低频信号的波长大，传输过程中衰落小，且传输中易于产生 散射和绕射，所以一般用来做网络覆盖。

典型的无线传输数字性能 损耗的另一个原因是干扰，随着无线应用的不断增多，传 输区域重叠，干扰始终是一个威胁。 因此，频带的分配需要严格控制。

天线 天线（antenna)是一种变换器， 互易定理：同一天线作为发射或接收的基本特性参数相同。 主要任务： 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。 天线可看作一条电子导线或导线系统，在无线电设备中用来发 射或接收电磁波的部件，是实现无线传输最基本的设备。 互易定理：同一天线作为发射或接收的基本特性参数相同。 主要任务： 发送时，将无线电频率电能转换为电磁能辐射到周围的环境中； 接收时，将撞击到天线上的电磁能转化为无线电频率的电能， 合成到接收器中。

辐射模式 一个天线辐射出去的功率是全方位的，然而并不一定在所有 方向上辐射出的功率都是相等的。 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。 环形辐射模式 碟形天线定向辐射模式

辐射模式 辐射模式的实际大小是任意的，重要的是每个方 向上与天线位置的距离，相对距离决定相对功率。 全向天线（各向同性天线）：辐射模式为以天线为中心 的球体，各方向辐射功率相同。 有向天线：所指方向的功率最大。

天线类型 1、偶级天线 半波偶极天线： 由等长度的两个在同一直线上的导线组成，两条导线由一个小 的供电间隙分开，天线长度是可最有效传输的信号波长的一半。 1/4波偶极天线： 天线长度是可最有效传输的信号波长的1/4，是汽车无线电和便携无 线电中最常见的类型。

天线类型 半波偶级在一个维上具有一致的或全向的辐射模式，在另外两个 维上具有8字型的辐射模式。 可使用更复杂的天线配置产生一个有向的电磁波束。如：图b。

天线类型 2、抛物反射天线： 能量从焦点反射到抛物面，形成定向性的辐射； 车灯、光学和无线电望远镜均采用了此种原理； 常用于地面微波和卫星

天线类型 根据抛物面天线的原理，可改装Wifi天线，增强对 某方向的无线路由器的信号接收。

天线增益 天线增益(antenna gain)是天线定向性的度量。 在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元（如 参考全向天线）在空间同一点处所产生的信号的功率密度之 比，增益的单位为dBi。 如：一个天线有3dB的增益，则该天线比起全向天线，在某特定 方向上有3dB或2倍的改进。 增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越 小，增益越高。 增加某方向的功率是以降低其他方向功率为代价的，目的是 获得更好的定向性。

天线增益 如果用理想的无方向性点源作为发射天线，发射到某点需 要 100W 的输入功率，而用增益为 G = 13dB=20倍放 大的某定向天线作为发射天线时对该方向进行放大，发射 到该点输入功率只需 100 / 20 = 5W 。 天线增益与有效面积的关系： G：增益、Ae：有效面积、f：载波频率、λ：载波波长、C：光速

天线增益 dBi与dBd： dBi和dBd是功率增益的单位，两者都是相对 值，但参考基准不一样。 dBi：以理想点源天线参考的基准

MIMO MIMO（Multi-input Multi-output） 是一种用来描述多天线无线通信系统 的抽象数学模型，能利用发射端的多 个天线各自独立发送信号，同时在接 收端用多个天线接收并恢复原信息。 MIMO可以在不需要增加带宽或总发 送功率耗损的情况下大幅地增加系统 的数据吞吐量（throughput）及发 送距离，使得此技术于近几年受到许 多瞩目。 MIMO的原理：利用多根发射天线与 多根接收天线所提供之空间自由度来 有效提升无线通信系统的频谱效率， 以提升传输速率并改善通信质量。

传播方式 天线辐射出去的信号以三种方式传播： 地波(ground wave)： 天波(sky wave)： 电波的波长越短，越容易被地面吸收。 地波不受气候影响，传播比较稳定可靠。 地波在传播过程中，能量被大地不断吸收，传播距离不如天波远。 天线辐射出去的信号以三种方式传播： 地波(ground wave)： 低于2 Mhz的地波传播或多或少要沿着地 球的轮廓前行，可传播较远的距离，较好 地跨越可视的地平线 ，如：调幅广播AM； 天波(sky wave)： 2 Mhz-30Mhz的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，常用于无线电爱好者和国际广播； 直线LOS(line of sight) ： 当要传播的信号频率在30MHz以上时 （无法被电离层反射），天波与地波的传 播方式均无法工作，通信必须用直线方式。

直线传输系统中的损伤 衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion) 自由空间损耗(free space loss) 噪声(noise) 大气吸收(atmospheric absorption) 多径(multi path) 移动环境

直线传输系统中的损伤 衰减： 平方倒数定律： 在固定环境下：大气层条件的变化 一个信号的强度会随所跨越的任一媒介的距离而降低； 对于导向媒介，这种强度上的降低通常是一个距离的指数值，常表 示为每单位距离一个固定的分贝值； 对于非导向媒介，衰减是一个更为复杂的距离函数； 平方倒数定律： 在真空中信号强度将以距离平方的倒数衰减。 在固定环境下：大气层条件的变化 低于1GHz的频率本身不受雨及大气湿度的影响 高于10GHz的频率通常受到严重影响 高于30GHz的频率在户外场路径上不能使用

直线传输系统中的损伤 面对衰减，无线通信主要考虑以下三种影响： 1、接收的信号必须有足够的强度，使接收器可以解析信号； 2、需维持足够的信噪比； 3、高频下衰减更严重。 其中：1、2可通过放大器或中继解决，3则较为复杂。

直线传输系统中的损伤 自由空间损耗： 任何一无线通信中，信号会随距离发散，具有固定面积 的天线离发射天线越远，接收到的信号功率就越低。 在卫星通信中是一种主要的信号损耗方式。 平方倒数定律：在真空中信号强度将以距离平方的倒数衰减。

直线传输系统中的损伤 噪声：信号传输过程中，信号可能被传输系统所产生的各种 失真修改，或被插入不希望有的信号。 热噪声：由电子热搅动产生，在频谱上均匀分布也被称为白噪声，无 法消除； 互调噪声：不同频率信号共享相同传送媒介时，会产生多种信号频率 叠加的互调噪声； 串扰：来自其它通信信号的干扰，如电话串声； 脉冲噪声：脉冲信号所引起的噪声，在模拟传输中并无大碍，但是数 字传输中的主要错误源。

直线传输系统中的损伤 大气吸收：水蒸气和氧气是产生此种衰减的主要因素，在 雨水较多地带尽可能使用低频传输。 水蒸气：15Ghz-22Ghz 氧气：30Ghz-60Ghz 多径：在发送器和接收器之间产生了不止一条，而是许多 条不同的路径。

直线传输系统中的损伤 多径的优点 多径对传输的影响 反射及多径传播使无线电波在拐弯处可以弯曲，从而到达山丘、楼房 后面、停车场、通道等。 接收信号的传播延迟； 接收信号的随机相位漂移（瑞利衰落Rayleigh Fading）； 在无线通信信道中，由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同的，而各个方向分量波的叠加，又产生了驻波场强，从而形成信号快衰落称为瑞利衰落。 瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。

移动环境中的衰退 在移动环境中，两个天线中的一个相对于另一个在 移动，各种障碍物的相对位置会随时间而改变，由 此会产生比较复杂的传输结果。 反射 衍射 散射

移动环境中的衰退 反射 (Reflection)： 遇到比电磁信号波长更大的表面会发生反射（地球表面、 高建筑物、大型墙面），相位会发生偏移，反射波可能会 与直线波产生抵消，同时也会产生多径干扰；

移动环境中的衰退 衍射(Diffraction) ： 发生在难以穿透的物体边界处，该物体比无线电波波长大 （例如无线电波中途遇到尖锐不规则的边缘物），电磁波 传输方向发生变化，可基本正常接收，即使没有来自发送 器的视线信号也可接收到信号； 衍射后的波在相位上可以形成固定关系，在光线衍射中，可以看到一定的图案，如衍射花纹等

移动环境中的衰退- 散射(Scattering)： 障碍物尺寸和信号波长相近（树叶、街牌、灯柱），路 电磁波信号被散射为几路弱信号，信号强度被大大降低。 散射后相位、方向等都是随机的

移动环境中的衰退 对于视距传输，衍射和散射信号不重要； 对于非视距传输，衍射和散射是接收的主要手段。

移动环境中的衰退 随着移动天线的运动，各种障碍物的位置会发生变化， 所产生的次要脉冲的数量、量值和历经的时间也会发生 变化，使得设计可过滤多径效应以使信号可保真恢复的 处理技术比较困难。 多径 存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲

移动环境中的纠错 前向纠错（FEC）技术 分集技术 自适应均衡技术 名字对应传统传输中的后向纠错（接收、检验、重发），通过多 个冗余位形成纠错码（接收、冗余码检查、纠错）； 数据开销较大。 分集技术 将一组信号用多个逻辑信道发送。 避免单一信道受干扰后，所有信号全部丢失（TDM、FDM）； 信道开销较大。 自适应均衡技术 为避免多组信号之间的干扰，先将多组信号拥过编码技术合并， 在接收分离； 系统开销较大。

多普勒效应 多普勒效应： 多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的。 波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低， 当观察者移动时也能得到同样的结论。 假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v，当观察者走 近波源时观察到的波源频率为(v+c)/λ，如果观察者远离波源，则观察 到的波源频率为(v-c)/λ。 多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的。

多普勒效应 多普勒效应适用条件 在移动通信中要充分考虑多普勒效应 不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波； 在无线移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时， 频率变低； 在移动通信中要充分考虑多普勒效应 尤其是高速移动宽带接入网络（3G、4G、802.20、etc.）必须考虑 多普勒效应。

多普勒效应应用 计算马航飞机坠毁位置 飞机上的某些设备会定期向 卫星发送请求连接的Ping信 号，专家称之为“握手”。 由于卫星定点于地球上空，而马航的飞机当时正处于飞行状态，因此 严格来说马航的这架飞机与卫星之间存在相对运动，距离也在不断发 生变化。因此通过以纳秒(十亿分之一秒)级别的精度计算飞机与卫星之 间的相对运动，就能判断飞机的大致飞行位置。

多普勒效应应用 具有波动性的光也会出现这种效应——多普勒-斐索效应 天体运动测量 光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化： 如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移； 如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。 法国物理学家斐索（1819-1896）于1848年独立地对来自恒星的波 长偏移做了解释，指出了利用这种效应可以测量恒星相对速度。 天体运动测量 多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能， 这只要分析一下接收到的光的频谱就行了； 1868年，英国天文学家W. 哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速 度（即物体远离我们而去的速度），得出了46 km/s的速度值。

移动通信中的多普勒效应 移动通信中，普通低速度（120km/hr）情况下多普勒效应 不明显，但当速度超过200km/hr的临界速度时，多普勒效 应愈显突出，影响通信效果。

通信模型 按功能分为信源、编码器、信道、译码器、信宿。 信 源 译 码 信 源 编 码 信 道 编 码 信 道 译 码 解 密 信 源 加 钥 源 密 钥 源 噪声

通信模型 编码理论的基本问题 编码问题可以分为三类： 如何提高一般通信系统的有效性和可靠性 如何提高加密通信系统的安全性 要运一批碗到外地，首先在装箱的时候，将碗摞在一起，这就类似于信源编码：压缩以便更加有效率。然后再箱子中的空隙填上报纸，泡沫，做保护，就像信道编码：保证可靠。 编码理论的基本问题 如何提高一般通信系统的有效性和可靠性 如何提高加密通信系统的安全性 编码问题可以分为三类： 以提高数字信息传输、存储处理的有效性为宗旨的信源编 码（Source coding）； 以保证数字信息传输和处理的可靠性为目的的信道编码 （channel coding），又称为差错控制编码（error- control coding）； 以增加数字信息传输、存储的安全性为目标的数据加密编 码（data encryption）；

信号编码技术 数据(data)：涉及事物的形式，定义为传达某种意 义或信息的实体，例如语音、图像或ASCII； 信号(signal)：是数据的电气或电磁表示 ； 传输(transmission)：是通过信号的传播和处理进 行数据通信的过程； 信号 数据

信号编码准则 数字信号是离散的、非连续性的电压脉冲序列，每个脉冲就是一个信号元素，二进制数据传输就是通过把每个数据编码成信号元素完成的。 最简单的情况下，位和信号元素存在一对一的关系，如0代表低电平，1代表高电平。 数据率，指的是以bit/s为单位的数据传输的速率。 一个位的持续时间长度是指发送器发送这各位所需的时间，如果数据率为R，则为的持续时间为1/R。 调制速率是信号电平改变的速率，依赖编码特性，调制速率用波特率（Band）来表示，指每秒钟多少个信号元素。 位和信号元素一对一的情况下传输率和调制速率相等。 在现今的高速Modem中，由于载波的每次变化可以传送多个比特数据，使得波特与传输速度不同。

信号编码准则 接收器解释信号： 每个位的定时关系（每个位的起始和终止时间） 判别每个位是高还是低（一般通过与阀值比较来完成，噪声和其它损伤的存在可能会造成误差）

信号编码准则 C=Wlog2(1+S/N) 决定接收器能够成功解释所收到信号的因素主要有：信噪比、数据率和带宽： 其它因素保持不变的情况下，数据率增加，误码率也会增加；信噪比增加，则误码率会降低；增加带宽可以增加数据率。 编码机制也可以用来改进传输性能 编码机制是一种简单的从数据位到信号元素的映射关系。 如对信号频谱进行预处理，避免使用高频部分和频带边缘部分传输信号。 C=Wlog2(1+S/N)

多路复用

多路复用 实现多路复用的关键 分割信号的依据：利用信号之间的差别 把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分解出各种信号。 信号频率上的不同 信号出现时间上的不同 信号码型结构上的不同

频分多路复用 频分多路复用(Frequency Division Multiplexing) 每个数据信号被调制到具有不同频率的载波上，所有的信号在一个信道上同时传送。

频分多路复用 频分多路复用中的发送器

频分多路复用 组成信号的频谱

频分多路复用 频分多路复用中的接收器

时分多路复用 时分多路复用(Time Division Multiplexing) 以时间作为分割信号的依据。 它利用每个信号在时间上交叉，可在一个传输通路上传输多个数字信号(或运载数字数据的模拟信号)。

时分多路复用 时分多路复用的信号收发过程

码分多路复用 码分多路复用 关键问题： Code Division Multiple Access： 每个站使用整个频段发送信号； 多个站的信号可以线性叠加； 利用编码技术分离并发的传输。 关键问题： 接收端能提取出期望的信号，同时拒绝所有其他的信号，并把这些信号当作噪声。

码分多路复用原理 码分复用的原理 T站用C的码片序列乘接收到的信息： 假设站A、站B、站C同时传输 T站等待接收来自C的报文

三种多路复用技术的总结 GSM采用FDMA和TDMA两种方式的结合。 GSM比模拟移动电话有很大优势，但是也存在一些问题： 在频谱效率上仅是模拟系统的3倍，容量有限； 话音质量很难达到有线电话水平； CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。

三种多路复用技术的总结 联通WCDMA： 电信CDMA2000： 移动TD-SCDMA： ITU-IMT-2000标准，欧美广泛应用，技术最为成熟，窄带CDMA使用 的是200KHz宽度的载频，而WCDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。 最高传输可达14.4Mbps，最高下载速度可达5.75Mbps。实测下载速度 5.6Mbps。 电信CDMA2000： ITU的IMT-2000标准。日、韩、北美、中国广泛应用，采用多载波方式， 每载波带宽为1.25Mhz，电信实现最高下载速度9.3MBps，上传 5.4Mbps。实测1.78Mbps下载。 移动TD-SCDMA： Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access（时分 同步码分多址） 也是ITU批准的三个3G标准中的一个。实现最高下载速 度2.8MBps，上传1.6Mbps。实测1.72Mbps下载 TD-SCDMA由于采用时分双工，上行和下行信道特性基本一致，因此， 基站根据接收信号估计上行和下行信道特性比较容易。

微波扩频通信技术 扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication）， 简称扩频通信技术； 增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，扩频通信就是用宽 带传输技术来换取信噪比上的好处。 在传输信息之前，扩展所传信号频谱，利用宽频谱获得较强 的抗干扰能力、较高的传输速率，同时由于在相同频带上利 用不同码型可以承载不同用户的信息，因此扩频也提高了频 带的复用率。

微波扩频通信技术 根据Shannon信息公式 C=Wlog2(1+S/N) 其中C：传输速度，W：传输带宽，P/N：信噪比。 若速度C不变，W增加可使S/N降低，即：降低对信噪比的要求。 计算机网络有效带宽由发射端决定，增加伪随机编码来 填补增加的无效带宽，由接收端还原。 B2 B2 D B1 B1 D NIC 微波网桥 扩频调制 扩频调制 微波网桥 NIC 扩频编码发生器 扩频编码发生器 同步

微波扩频通信技术 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频 用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加（波形相乘） 后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号， 即将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频 率，以在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。 不同速率的信道扩频采用不同的编码，如：1Mbps采用 DBPSK，2Mbps采用DQPSK。

微波扩频通信技术 FHSS Frequency-Hopping Spread Spectrum，跳频扩频技术；

扩频通信技术的特点 抗干扰性强 屏蔽性强、干扰小 易实现多路复用 抗多径干扰 扩频编码随机生成，同类信号间经扩频后频率也不相同。 经宽带扩频频后，原窄带信号被散布在宽带中，单位频带功率 小，被窃取后不易发现信号存在，低功率对其它设备干扰较小。 易实现多路复用 根据扩频码的不同可以控制每路信息所占用信道位置，可同时 在同一频率信道上实现多路复用。 抗多径干扰 利用扩频码技术容易在接收端将多径信号中提取出最强的有用 信号，也可以通过多经同一码序列的信号进行相位调整叠加， 达到较好的抗多径干扰效果。

扩频通信技术的特点 安全性 扩频系统将传输的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随着频 谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪音中。 因此其保密性很强，要截获或窃听、侦察这样的信号是非常困难的， 除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关的检测。 自由频段 由于扩频信号功率频谱密度很低，在许多国家，如美、日、欧洲等 国家对专用频段，如ISM频段，只要功率频谱密度满足一定的要求， 就可以不经批准使用频段。 在中国，原则上国家无线管理委员会没有允许的自由频段，任何无 线频段的使用都要经过申请，但在2.4G~2.483G的频段上，国家无 线管理委员会是允许民用产品使用，一般申请都会同意，而且基本 上不要费用。

微波扩频通信技术 扩频通信技术在1941年由好莱坞女演 员Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出。 基于对鱼雷控制的安全无线通信的思 路他们申请了美国专利#2.292.387。 当时该技术并没有引起美国军方的重 视，直到19世纪80年代才引起关注将 它用于敌对环境中的无线通信系统。 典型应用是GPS、3G移动通信、 WLAN和Bluetooth。扩频技术也为提 高无线电频率的利用率提供帮助(无线 电频谱有限，昂贵的资源)；

扩频通信技术之母 1913年，Hedy Lamarr出生在维也纳， 父亲是银行家，母亲是钢琴家。 18岁接拍捷克电影《神魂颠倒》而全 球闻名，被誉为30-50电影黑白时代 最美女星； 随着CDMA技术在通讯领域的成功 Hedy Lamarr被誉为CDMA之母； 二战期间Hedy Lamarr积极投入反法 西斯战争的政治工作中，四处游说位美 国政府筹集大量资金，并因此多次成为 政治杂志封面人物； 2000年才去世Hedy Lamarr在美国病 逝，享年87岁。

5G 互联网改变了世界，移动互联网重新塑造了生活，“在家不能没 有网络，出门不能忘带手机”已成为很多人的共同感受。 人们对动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜，需 求的“更”是没有止境的，这促使着移动互联网技术突飞猛进， 技术体制的更新换代也随之越来越快。 很多用户刚刚踏入4G的门槛，5G时代很快就要来到了。 5G：第五代移动通信技术； 2020年之后，5G有望大规模商用； 标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”； 关键技术包括：大规模天线阵列、超密集组 网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构； 未来5G更大的作用是与物联网结合在一起， 实现万物互联。

5G关键技术 5G最显著的特点是高速， 按规划速率会高达10～ 50Gbps，人均月流量 大约有36TB，如此高的 速率该靠什么资源来支 撑呢？必须要靠更大的 带宽！ 手机通信使用的是无线 信道，那它的带宽是如 何增加的呢？核心方法 就是采用更高的频段。

5G关键技术 毫米波技术 光速=频率×波长，光速为常量，则频率与波长成反比。 表格中两个黄色块的数据，数值都是3～30，但单位不同，甚低频段 的整个带宽是27kHz，超高频段的整个带宽是27GHz，后者是前者 的100万倍！由此可见，频段越高且带宽越大！

5G关键技术 5G时代若想更高速，就得使用更大的带宽，而要取得更大 的带宽，就得使用更高的频段。 国际电信联盟的专家预测将来有可能使用30GHz~60GHz的频段； 30GHz以上的频段，比上表中最后一项的超高频还要高，就是波长 更短的毫米波。

5G关键技术 电波传播的特性很有趣，频率越高（即波长越短）的电磁 波，就越倾向于直线传播，当高到红外线和可见光以上时， 就一点也不打弯了，这是个渐进的过程。

5G关键技术 毫米波一般不用于移动通信领域，原因就是它的频率都快 接近红外线了，信道太“直”，移动起来不容易对准。 类比：拿着激光笔指远处墙壁上的图钉，是不是一件很困难的事？ 卫星车就很难“动中通”，开动起来车身摇摆，天线（就是那个大 锅）就很难对准卫星，通常只能驻车后工作，而且必须精细调整天 线的角度，使其电波的辐射方向正对着卫星，否则就无法通信。 手机是移动使用的，不可能打电话时还举着手机瞄准准基 站的方向。 虽然在非正对方向也有信号，但强度会明显衰弱，使用体验会比4G 之前要差得多。

5G关键技术 电磁波有五种传播模式，相对于未来的5G时代，我们现在手机的频率 要低得多，其绕射能力还是不错的，楼房阴影处的信号也没太大问题， 因为信号可以绕着到达。 而未来5G的频率会高得多，绕射能力会下降，信号只能直线传输，以 往信号能到达的非直线区域就不能覆盖—微基站技术。

5G关键技术 采用微基站的原因 考虑小区中心只立着一盏路灯，阴影面积当然会很大，而如果在小 区里均匀设置很多路灯，阴影面积则会小得多了。 将传统的宏基站变成站点更多密度更大的微基站，是解决毫米波 “直线问题”的有效方法。 5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长，单位面积内的入网设备 可能会增至千倍，若延续以往的宏基站覆盖模式，即使基站的带宽 再大也无力支撑。 问题 微基站密度加大，需要避免基 站之间的频谱互扰，以及考虑 协同工作。

5G关键技术 高阶MIMO技术 根据天线理论，天线长度应与波长成正比，大约在1/10~1/4之间， 当前手机使用的是甚高频段（即分米波），天线长线大约在几厘米 左右，通常安装在手机壳内的上部。 5G时代的手机频率在提升几十倍后，相应的手线天线长度也会降低 到以前的几十分之一，会变成毫米级的微型天线，手机里就可以安 装多个天线，形成多天线阵列。 基站与手机之间有很多对的信道并行通信，每一对天线都独立传送 一路信息，经汇集后可成倍提高速率

5G关键技术 波束赋形技术： 基站不知道设备在哪个方位，所以它跟你 通信使用的电磁波是全向辐射的 就好像是电灯泡发出的光那样，只有到达你 手机的辐射才是有用的，其它方向的辐射都 是浪费的，这种巨大的无用辐射还成为了其 它手机的干扰。 因为手电筒的能量更集中，所以比灯泡照的 更远，基站与某部手机的关系就相当于光源 与被照射物的关系。 波束赋形技术： 把灯泡模式改成有指向性的 手电筒模式； 不仅提高能量效率，还能避 免干扰。

5G 5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破，其上千倍综合能力的提升，更多地是来自移动网络的重新布局。 任何更新换代的关键性技术，都必须是经历过多年研究的成熟技 术，按规划还有5年就要进入5G时代了，不太可能突然出现一个 全新的技术并被吸纳为5G的国际标准中，考察5G的技术发展脉 络还得从成熟技术中寻找答案。 在传统的宏基站大覆盖的情况下提速是非常困难的，20%的频谱 利用率的提升都是了不起的成就，而在5G时代的千倍提速要求 面前，这种内部挖潜的方法是行不通的，只有通过大幅度的加大 带宽才有可能。 加大带宽是起点，由此而产生的毫米波、微基站、高阶MIMO、 波束赋型等都是顺理成章的技术趋势。只要把基站做得足够小， 其服务范围变窄了，单个用户获得的资源就能足够大，速度就可 以提高到足够快。 5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破，其上千倍综合能力的提升，更多地是来自移动网络的重新布局。