無線局域網(wǎng)(4)

1、3.2 無線局域網(wǎng)物理層技術(shù),微波傳輸技術(shù)微波是指頻率在300~300000MHZ或波長1mm~1m范圍內(nèi)的電磁波。數(shù)字微波通信是指利用微波（射頻）攜帶數(shù)字信息，通過天線發(fā)射出去，電磁波在空間傳播。,信源,,信源編碼,信道編碼,載波調(diào)制,微波信道,載波解調(diào),信道解碼,信源解碼,信宿,噪聲源,,,,,,,,,,,,,,發(fā)送端基帶信號(hào),頻帶傳輸信號(hào),收端基帶信號(hào),,微波傳輸技術(shù),信源提供原始的信號(hào)

2、信源編碼把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)信道編碼提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃哉{(diào)制部分是為經(jīng)信道編碼后的符號(hào)能在適當(dāng)?shù)念l段傳輸，如微波頻段、短波頻段。接收端的解調(diào)、信道編碼和信源編碼等與上面一一對(duì)應(yīng)，反變換,擴(kuò)頻傳輸技術(shù),擴(kuò)頻傳輸技術(shù)是一種以高頻帶寬和低峰值功率為特征的通信技術(shù)。擴(kuò)頻傳輸技術(shù)是一種數(shù)字傳輸編碼技術(shù)。窄帶傳輸技術(shù)中數(shù)據(jù)基帶信號(hào)的頻譜不做任何擴(kuò)展，直接發(fā)射出去。擴(kuò)頻傳輸技術(shù)是指用比信號(hào)帶寬寬得多的頻帶寬度來傳輸信息的技術(shù)。一

3、般的擴(kuò)頻要經(jīng)過三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。,擴(kuò)頻傳輸技術(shù),直接序列（DS）采用偽噪聲碼（PN）與信號(hào)相乘達(dá)到擴(kuò)展信號(hào)的帶寬跳頻（FH）載波在跳頻碼的控制下按照某種跳頻圖案跳變，在接受端通過相關(guān)解跳，恢復(fù)出發(fā)送信號(hào)跳時(shí)（TH）偽隨機(jī)碼序列來開通或關(guān)斷發(fā)射機(jī)。線性調(diào)頻,信息、數(shù)據(jù)與信號(hào),信息(Information)是人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的事物的存在方式及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)。數(shù)據(jù)(Data)運(yùn)送信息的實(shí)體，是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表

4、現(xiàn)形式。信號(hào)(Signal)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，即數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)，如電壓、電流、磁場的強(qiáng)度等。,信息：人對(duì)雪花和馬的認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)：文字，二進(jìn)制數(shù)，十進(jìn)制數(shù)信號(hào)：電壓，光，磁場強(qiáng)度,模擬與數(shù)字,模擬——連續(xù) 數(shù)字——離散,模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào)的特點(diǎn)：波動(dòng)性；持續(xù)變化；包含無窮多個(gè)值；在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛使用超過100年。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)：離散性；躍變性；包含有限個(gè)值設(shè)備性能先進(jìn)，較為便宜。,模

5、擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)的值是某個(gè)區(qū)間內(nèi)的連續(xù)值。模擬數(shù)據(jù)的物理信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)，但不精確且容易受干擾。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的值是某個(gè)區(qū)間內(nèi)的有限個(gè)離散值。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)具有精確以及受擾動(dòng)可以恢復(fù)的特性。,模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),模擬信道和數(shù)字信道,信道（channel）向某一個(gè)方向傳輸信息的媒體。模擬信道是用來傳輸連續(xù)的模擬信號(hào)(如正弦波信號(hào))的信道；如果利用模擬信道傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，則必須經(jīng)過數(shù)字與模擬信號(hào)之間的變換（A/D變換器）。數(shù)字信道

6、是用來傳輸離散的數(shù)字信號(hào)(如脈沖信號(hào))的信道。,模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來表示，因而也可以用其中任意一種形式傳輸。,2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问?數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的指標(biāo),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng) ：波特率 ——碼元的傳輸速率比特率——信息的傳輸速率信道容量——信道能達(dá)到的最大傳輸能力。 誤碼率 ——數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸可靠性的指標(biāo),波特率和比特率,碼元是承載數(shù)據(jù)的基本信號(hào)單元。波特率（碼元傳輸速

7、率）：每秒傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位是Baud（波特）比特率：指的是每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)，速率的單位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。,要注意,信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上有一定的關(guān)系。一個(gè)n進(jìn)制碼元所包含的信息量為 I=log2n 位，所以數(shù)據(jù)傳輸速率的計(jì)算公式為：C=BI=B×log2n 其中 B 代表波特率； n 是一個(gè)碼元表示的有效狀態(tài)數(shù)； C 為比特率

8、。當(dāng)一個(gè)碼元只能表示0或1兩種狀態(tài)時(shí)，比特率就等于波特率。,誤碼率,誤碼率：是二進(jìn)制碼元在信道中被傳錯(cuò)的概率。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論，此概率近似等于被傳錯(cuò)的碼元數(shù)與所傳送的碼元總數(shù)之比。即： Pe=Ne /N其中： Ne為被傳錯(cuò)的碼元數(shù)；N為所傳送的碼元總數(shù)； Pe為誤碼率。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，要求誤碼率低于10-6。如果實(shí)際傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制碼元，需折合成二進(jìn)制碼元計(jì)算。,信道容量,信道容量（也稱為傳輸帶寬）：指信道

9、能達(dá)到的最大傳輸能力，即信道的最大（極限）數(shù)據(jù)傳輸速率。,……………………………………………………………………………………………………….,信道的極限容量,任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。,數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道,失真不嚴(yán)重失真嚴(yán)重,,,,,,,實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,輸入信號(hào)波形,輸出

10、信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重),,奈奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則,理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud,W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz),,不能通過,能通過,0,頻率(Hz),,,W (Hz),,在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯邢薜?，傳輸速率超過此上限，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元的識(shí)別成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能過通過的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)干擾。,如果

11、編碼方式的碼元狀態(tài)數(shù)為M，就得到了理想低通信道的極限信息傳輸速率（即信道容量）Cmax： Cmax= 2W log2M (bps) 因?yàn)樾诺揽偸怯性肼暤?，因此奈奎斯特?zhǔn)則給出的是理論上的上限。實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)傳輸速率（或者最高碼元速率），要明顯地低于奈奎斯特準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。,,,另一種形式的奈奎斯特準(zhǔn)則,理想帶通信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud,W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz),,不能通過

12、,能通過,0,頻率(Hz),,,W (Hz),,不能通過,,如果編碼方式的碼元狀態(tài)數(shù)為M，就得到了理想帶通信道的極限信息傳輸速率（即信道容量）C max： Cmax= W log2M (bps),練習(xí)： 有一帶寬為3 kHz的理想低通信道，求其最高碼元速率。若傳輸?shù)臑?進(jìn)制碼元，求其信道容量。若為8進(jìn)制碼元呢？,香農(nóng)定理,香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯(cuò)的信息傳

13、輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C（即傳輸帶寬）可表達(dá)為 C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；S 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。S / N—信噪比，常以分貝(dB)表示         記為： 信噪比(dB) = 10*log10(S/N) &#

14、160; (dB),練習(xí)：求信噪比為30分貝，帶寬為4kHz 的信道的最大數(shù)據(jù)速率(信道容量)。,香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。要想提高信息的極限傳輸速率，或者必須設(shè)法提高傳輸線路的帶寬，或者必須設(shè)法提高所傳信號(hào)的信噪比，此外沒有其他任何辦法。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。,………………………………………………………………………………………………………

15、.,擴(kuò)展頻譜技術(shù),一. 擴(kuò)頻技術(shù)的幾種方式,擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)質(zhì)是在發(fā)送端將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)信息的頻帶展寬到一個(gè)比原信號(hào)帶寬寬的多的頻帶上去，接收端通過相關(guān)接收方法，再將其恢復(fù)到原來信息帶寬的一種技術(shù)。,●    直接序列擴(kuò)展頻譜（DSSS）●    跳頻擴(kuò)展頻譜（FHSS）●    跳時(shí)（TH）●    組合方式：FH/D

16、SSS、TH/DSSS等。 應(yīng)用較多的是DSSS、FHSS和FH/DSSS。,擴(kuò)展頻譜技術(shù),二. 擴(kuò)頻技術(shù)的特點(diǎn),● 抗干擾能力強(qiáng)干擾信號(hào)（或噪聲）與擴(kuò)頻用偽隨機(jī)（PN）碼不相關(guān)，則在擴(kuò)頻接收機(jī)內(nèi)會(huì)被擴(kuò)展到很寬頻帶上去，使進(jìn)入信號(hào)通帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低，增加了解擴(kuò)相關(guān)器的輸出信干比（或信噪比）?！?#160;   可進(jìn)行多址通信擴(kuò)頻通信本身是一種多址通信方式，稱為擴(kuò)頻多址（SSM

17、A），實(shí)際上是碼分多址（CDMA）的一種。用不同的擴(kuò)頻碼（偽隨機(jī)碼）可組成不同的小區(qū)網(wǎng)，這些小區(qū)網(wǎng)使用同一頻段傳輸信號(hào)時(shí)可以作到互不干擾，甚至比頻分多址（FDMA）系統(tǒng)的頻帶利用率還高?！?#160;   安全保密信息頻帶的擴(kuò)展，使信號(hào)功率密度降低，甚至可深深地淹沒在噪聲中（比噪聲功率小得多），如果不知道發(fā)端所使用的擴(kuò)頻碼，并用該擴(kuò)頻碼進(jìn)行同步相關(guān)檢測，是無法正確接收信息的。●   

18、; 利用擴(kuò)頻偽隨機(jī)（PN）碼的相關(guān)特性，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有擾多徑干擾的能力?！?#160;   使用ISM頻段，無須向無線電管理部門申請(qǐng)?jiān)S可。,,,擴(kuò)展頻譜技術(shù),直接序列擴(kuò)展頻譜(DSSS),圖6.24 直接序列擴(kuò)頻（DSSS）系統(tǒng)組成框圖,一. DSSS系統(tǒng)組成與原理,m（t）= s（t）·c（t）·cos2πfot,m″（t）= s（t）·c（t）·cos2πfI t,d′

19、（t）= s（t）·c（t）,解擴(kuò)要求接收端提供和發(fā)送端相同結(jié)構(gòu)且完全同步的偽隨機(jī)（PN）碼序列c（t），如果接收機(jī)中的c′（t）與發(fā)端c（t）相同且同步，接收信號(hào)沒受到噪聲和干擾的影響，即d′（t）與d（t）相同，則解擴(kuò)后的輸出信號(hào)s′（t）就應(yīng)和發(fā)送端的數(shù)據(jù)信號(hào)s（t）完全相同。,接收機(jī)中利用相同且同步的偽隨機(jī)（PN）碼序列進(jìn)行解擴(kuò)的接收方法，常稱為相關(guān)接收方法。,,直接序列擴(kuò)展頻譜(DSSS),一. DSSS系統(tǒng)組成與

20、原理,圖6.25 直接序列擴(kuò)頻（DSSS）系統(tǒng)信號(hào)波形圖,,直接序列擴(kuò)展頻譜(DSSS),一. DSSS系統(tǒng)組成與原理,對(duì)干擾來說，由于與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，在接收端解擴(kuò)時(shí)將被頻譜擴(kuò)展，使得落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾能量大大減小，提高了相關(guān)接收器輸出信噪比，達(dá)到抗干擾目的。,圖6.26 直接序列擴(kuò)頻（DSSS）系統(tǒng)信號(hào)的頻譜,直接序列擴(kuò)展頻譜,二. DSSS系統(tǒng)的處理增益與干擾容限,擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益就定義為擴(kuò)頻接收機(jī)的相關(guān)器（解擴(kuò)器）輸出信

21、噪比So/No與輸入信噪比Si/Ni的比值，用GP表示。處理增益表明了擴(kuò)頻處理帶來的抗干擾性能的好處。,擴(kuò)頻系統(tǒng)的干擾容限定義為系統(tǒng)在可靠接收條件下，所容許干擾信號(hào)功率可超過信號(hào)功率的分貝（dB）數(shù)。干擾容限反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)可容許的極限干擾的強(qiáng)度，用Mn表示。,GP 是以分貝為單位的擴(kuò)頻處理增益；Ls是以分貝為單位的擴(kuò)頻系統(tǒng)內(nèi)部損耗；（S/N）o是以分貝為單位的擴(kuò)頻系統(tǒng)可靠工作時(shí)相關(guān)器要求的最小輸出信噪比。,擴(kuò)頻系統(tǒng)在抗干擾方面的好處是有

22、代價(jià)的，那就是占用頻帶寬度的增大。 例如，一個(gè)數(shù)據(jù)信源的輸出二進(jìn)制碼元速率 fs 為 1M波特（碼元寬度Ts為1μs，頻帶寬度Bs為1MHz）,采用 DSSS 系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。若擴(kuò)頻接收機(jī)正常工作時(shí)要求相關(guān)器輸出最小信噪比為（S/N）o = 7dB，系統(tǒng)內(nèi)部損耗為Ls = 3dB，為使擴(kuò)頻系統(tǒng)具有Mn = 10dB的干擾容限，則要求系統(tǒng)的擴(kuò)頻處理增益GPGP ≥ Mn + Ls +（S/N）o = 10 + 3 + 7

23、= 20（dB）相當(dāng)于GP = 100 倍，這就要求擴(kuò)頻用偽隨機(jī)（PN）碼的切普速率fc為100M波特，使得擴(kuò)頻信號(hào)的占用頻帶寬度（與PN碼信號(hào)帶寬Bc相同）提高為原來數(shù)據(jù)信號(hào)帶寬Bs的100倍，即為100MHz 。,直接序列擴(kuò)展頻譜,三. DSSS系統(tǒng)的偽隨機(jī)（PN）碼,偽隨機(jī)（PN）碼在擴(kuò)頻系統(tǒng)中起著非常重要的作用。盡管碼的隨機(jī)性越大，對(duì)信號(hào)頻譜的擴(kuò)展越有利，但完全隨機(jī)（像白噪聲那樣）的擴(kuò)頻碼是不實(shí)用的。因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)的接收端需要確

24、知發(fā)送端使用的擴(kuò)頻碼的特性參數(shù)，并且要取得擴(kuò)頻碼的同步，才能解擴(kuò)出原來的數(shù)據(jù)信息。偽隨機(jī)（PN）碼不是完全隨機(jī)的，而是存在一定的規(guī)律和周期性，其碼元取值分布具有一定的隨機(jī)特性。最常用的是被稱為最長線性移位寄存器序列（m序列）的偽隨機(jī)（PN）碼，由若干級(jí)連的移位電路和一些反饋控制邏輯構(gòu)成。一個(gè)r級(jí)移位寄存器構(gòu)成的m序列產(chǎn)生電路輸出的偽隨機(jī)序列具有如下主要特性：,●    周期性m序列存在一定的周期性，

25、且周期為 N = 2r-1 個(gè)切普（Chip）碼元。●    均勻性m序列一個(gè)周期內(nèi)的“0”和“1”的數(shù)目基本相等，事實(shí)上“1”比“0”多一個(gè)?！?#160;   移位相加特性m序列和它的一個(gè)移位序列相加（模2）后得到的序列，仍然是該m序列的另一個(gè)移位序列?！?#160;   游程分布特性我們把連續(xù)取值相同的若干碼元稱作一個(gè)游程，一個(gè)游程中碼元的數(shù)目稱作該

26、游程的長度。在周期為N的m序列中，一個(gè)周期內(nèi)的游程總數(shù)為2r-1個(gè)；其中長度為k的游程（連續(xù)k個(gè)“0”和連續(xù)k個(gè)“1”，1≤k < r-1）占游程總數(shù)的1/2k ，且在長度為k的游程中，連“0”和連“1” 的游程各占一半；r-1個(gè)連“0”和r個(gè)連“1”的游程各有一個(gè)?！?#160;   自相關(guān)特性● 功率譜密度特性,,,直接序列擴(kuò)展頻譜,三. DSSS系統(tǒng)的偽隨機(jī)（PN）碼,圖6.27 m序列的自相

27、關(guān)函數(shù)Rc(τ)和功率譜密度Pc(f)示意圖形,,,,直接序列擴(kuò)展頻譜,三. DSSS系統(tǒng)的偽隨機(jī)（PN）碼,圖6.28 由五級(jí)移位電路（r=5）構(gòu)成的m序列產(chǎn)生電路,,直接序列擴(kuò)展頻譜,三. DSSS系統(tǒng)的偽隨機(jī)（PN）碼,,直接序列擴(kuò)展頻譜（DSSS）,四. 軟擴(kuò)頻技術(shù),軟擴(kuò)頻技術(shù)是將輸入的每k個(gè)數(shù)據(jù)信息碼位用N位（N>k）的偽隨機(jī)碼作為輸出來實(shí)現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展，又常稱作（N，k）軟擴(kuò)頻。,圖6.29 （N，k）軟擴(kuò)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

28、框圖,軟擴(kuò)頻技術(shù)通常應(yīng)用于數(shù)據(jù)信息速率較高的場合，其擴(kuò)頻處理的頻譜擴(kuò)展系數(shù)一般不太大（小于10），可表示為ξ=N/k。,（N，k）軟擴(kuò)頻信號(hào)的產(chǎn)生要求從2N個(gè)長度為N的碼組中挑選出其中的2k個(gè)來代表長度為k的信息碼組。這挑選出的2k個(gè)碼要有前面介紹的偽隨機(jī)（PN）碼的特性且碼組間的距離（不相同位的數(shù)目）要大。實(shí)用中常選擇一組相互正交的碼組（2k個(gè)），因此有時(shí)將軟擴(kuò)頻稱為正交碼擴(kuò)頻。,直接序列擴(kuò)展頻譜（DSSS）,五. DSSS系統(tǒng)的同步

29、,直擴(kuò)（DSSS）系統(tǒng)只有在完成偽隨機(jī)碼的同步后，才能對(duì)接收的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，把擴(kuò)頻后的寬帶信號(hào)恢復(fù)成原來未曾擴(kuò)頻的窄帶信號(hào)，以便從中將傳送的信息解調(diào)出來。一般的同步可分為兩步進(jìn)行，即捕獲和跟蹤。捕獲又稱為粗同步或初始同步，捕獲是對(duì)輸入擴(kuò)頻信號(hào)的同步信息進(jìn)行搜索，使收發(fā)雙方用的偽隨機(jī)碼的相位差小于偽隨機(jī)碼切普寬度Tc。跟蹤又稱為精同步，它是在捕獲的基礎(chǔ)上，使收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼的相位誤差進(jìn)一步減少，保證收端的偽隨機(jī)碼的相位一直跟隨

30、接收到的信號(hào)的偽隨機(jī)碼的相位，在一允許的范圍內(nèi)變化。跟蹤與一般的數(shù)字通信系統(tǒng)的跟蹤方法類似，關(guān)鍵還是在于第一步的捕獲。直擴(kuò)系統(tǒng)中初始同步方法很多，通常有滑動(dòng)相關(guān)同步法和匹配濾波器同步法。,,圖6.30 滑動(dòng)相關(guān)法實(shí)現(xiàn)PN碼同步原理框圖,直接序列擴(kuò)展頻譜（DSSS）,五. DSSS系統(tǒng)的同步,接收機(jī)在搜索同步過程中，本地偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器以不同于發(fā)端的偽隨機(jī)碼碼速工作，這就相當(dāng)于收發(fā)用的偽隨機(jī)碼彼此在“滑動(dòng)”。若接收機(jī)的偽隨機(jī)碼碼速大于發(fā)

31、射機(jī)的偽隨機(jī)碼碼速，則接收機(jī)偽隨機(jī)碼滑動(dòng)超前于發(fā)端的偽隨機(jī)碼，否則滯后于發(fā)端的偽隨機(jī)碼。,滑動(dòng)過程中，收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼不重疊時(shí)，相關(guān)器輸出噪聲或很低的碼相關(guān)旁峰值；當(dāng)接收雙方的偽隨機(jī)碼接近重合或重合時(shí)，有較大的相關(guān)主峰值輸出。相關(guān)輸出經(jīng)包絡(luò)檢波，積分后輸出脈沖信號(hào)，當(dāng)脈沖電平超過門限電平時(shí)，表示已完成了偽隨機(jī)碼的初始同步。,完成捕獲后，同步單元轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，跟蹤通常采用鎖相環(huán)路來完成。,擴(kuò)展頻譜技術(shù),跳頻擴(kuò)頻(FHSS),跳頻擴(kuò)頻（F

32、HSS）也是IEEE 802.11 無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中建議的一種物理層實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 與DSSS系統(tǒng)不同，跳頻系統(tǒng)的載頻受偽隨機(jī)碼的控制，不斷地、隨機(jī)地發(fā)生跳變。對(duì)每一瞬時(shí)來說，跳頻輸出信號(hào)可能是一個(gè)窄帶頻譜，單對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過程來說，無疑是一個(gè)寬帶的頻譜。 另外和 DSSS 系統(tǒng)不同的是， FHSS 系統(tǒng)并不直接傳輸偽隨機(jī)（PN）碼，而是用偽隨機(jī)碼來選擇載波頻率或信道。,,一. 跳頻系統(tǒng)組成與原理,擴(kuò)展頻譜

33、技術(shù),跳頻擴(kuò)頻(FHSS),圖6.31 跳頻擴(kuò)頻（FHSS）系統(tǒng)組成框圖,跳頻輸出信號(hào)為m（t）= s（t）cosωi t ， fi∈[f1，f2，……，fN],接收混頻器輸出為m″（t）= m′（t）·cos2πfi′t ， fi′∈[f1+ fI，f2+ fI，……，fN+ fI],1/2 s（t）cos2πfI t,1/4 s（t）,,一. 跳頻系統(tǒng)組成與原理,擴(kuò)展頻譜技術(shù),跳頻擴(kuò)頻(FHSS),圖6.32

34、 跳頻擴(kuò)頻（FHSS）系統(tǒng)的頻譜,跳頻系統(tǒng)可根據(jù)跳頻速度分為高速跳頻系統(tǒng)、中速跳頻系統(tǒng)和低速跳頻系統(tǒng)。跳頻速度小于100Hop/s為低速跳頻系統(tǒng)，跳速在100Hop/s～500Hop/s為中速跳頻系統(tǒng)，跳速大于500Hop/s為高速跳頻系統(tǒng)。,在某一時(shí)刻，跳頻系統(tǒng)是窄帶的，從整個(gè)時(shí)間看，跳頻信號(hào)在整個(gè)頻帶內(nèi)跳變，是寬帶的。,,二. 跳頻圖案,擴(kuò)展頻譜技術(shù),跳頻擴(kuò)頻(FHSS),圖6.33 跳頻擴(kuò)頻（FHSS）系統(tǒng)的跳頻圖案,通常要求

35、跳頻圖案的周期要長，最好長到一次實(shí)際通信中跳頻圖案不重復(fù)。這就要求用于控制跳變圖案的偽隨機(jī)碼的周期要長，即移位寄存器的級(jí)數(shù)要大，如級(jí)數(shù)r=32或64。,為了進(jìn)一步提高跳變圖案的保密性，有時(shí)不是簡單地用偽隨機(jī)碼去控制跳頻圖案，而且還要考慮采用別的措施，增強(qiáng)跳頻圖案的保密性。如加密鑰，加時(shí)間變量（這樣可使跳頻圖案隨時(shí)間變化，為時(shí)變的跳頻圖案）等。,跳頻圖案的隨機(jī)性要好，即由偽隨機(jī)碼控制頻率合成器產(chǎn)生的頻率，在選定的跳頻圖案中均勻出現(xiàn)。,,,

36、三. 跳頻系統(tǒng)中的頻率合成器,擴(kuò)展頻譜技術(shù),跳頻擴(kuò)頻(FHSS),頻率合成一般可分為直接式頻率合成和間接式頻率合成兩種方式。,四. 跳頻系統(tǒng)的同步,擴(kuò)展頻譜技術(shù),跳頻擴(kuò)頻(FHSS),跳頻系統(tǒng)的同步包括其它通信系統(tǒng)中存在的碼元同步、載波同步、幀同步等，但跳頻系統(tǒng)主要是所特有的“跳頻圖案同步”。,● 精確時(shí)鐘定時(shí)法這種方法是用高精度時(shí)鐘控制收發(fā)雙方的跳頻圖案，即實(shí)時(shí)控制收發(fā)雙方的頻率合成器的頻率的跳變。由于產(chǎn)生跳變頻率的方法是一樣的

37、，所用的偽隨機(jī)碼是一樣的，唯一不知道的是時(shí)間。若收發(fā)雙方都保持時(shí)間一致，且通信距離已知，則可保證跳頻圖案的同步。這種方法用精確的時(shí)鐘減少了收發(fā)雙方偽隨機(jī)碼相位的不確定性，因此同步快、準(zhǔn)確性好、保密性好。,● 同步字頭法將帶有同步信息（如時(shí)間信息等）作為同步字頭置于跳頻信號(hào)的最前面，或離散地插入。收端根據(jù)同步字頭的特點(diǎn)，可以從接收到的跳頻信號(hào)中將它識(shí)別出來，作為調(diào)整本地時(shí)鐘或偽隨機(jī)碼發(fā)生器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而使收發(fā)雙方同步。與這種方法相配

38、合，接收機(jī)可處于等待狀態(tài)，即在某一頻率上等待同步頭的到來，或者對(duì)同步頭頻率進(jìn)行掃描搜索，從中提取同步頭信息。這種同步方法具有同步搜索快、容易實(shí)現(xiàn)、同步可靠等特點(diǎn)。,● 匹配濾波器法匹配濾波器具有很強(qiáng)的信號(hào)處理能力，將其用于同步系統(tǒng)，會(huì)使同步系統(tǒng)簡化，同步時(shí)間縮短，同步性能提高。用匹配濾波器同步，一般是對(duì)同步頭進(jìn)行匹配濾波，一旦輸入的跳頻信號(hào)與匹配濾波器相匹配，就表明收到了同步頭，即完成了時(shí)間的同步，接收端就可從此刻啟動(dòng)本地頻率合成器，

39、從而完成了跳頻同步。這種同步方式特別適合于快速跳頻系統(tǒng)和突發(fā)通信系統(tǒng)。,,擴(kuò)展頻譜技術(shù),混合擴(kuò)頻系統(tǒng),,擴(kuò)展頻譜技術(shù),混合擴(kuò)頻系統(tǒng),擴(kuò)展頻譜技術(shù),混合擴(kuò)頻系統(tǒng),FH/DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)中，用了兩個(gè)偽隨機(jī)碼，一個(gè)用于直擴(kuò)，一個(gè)用于控制頻率合成器，一般用于直擴(kuò)的偽隨機(jī)碼I的長度比用于跳頻的偽隨機(jī)碼Ⅱ的長度要長，且速率高得多。接收機(jī)要正常恢復(fù)出傳輸信息，要求收端的兩個(gè)偽隨機(jī)碼要分別與發(fā)端對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)碼同步，這就對(duì)系統(tǒng)的同步提出了更高的要求，復(fù)雜

40、程度就更高。采用FH/DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能。在電子對(duì)抗領(lǐng)域，干擾機(jī)要有效地干擾FH/DS系統(tǒng)，不僅需要干擾頻率能夠跟上跳變頻率的變化，還要求干擾電平必須超過直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限。這樣就大大增加了干擾的難度，從而達(dá)到更有效地抗干擾的目的。 采用FH/DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)后，不僅提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，而且將跳頻系統(tǒng)和直擴(kuò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)集中起來，克服了單一擴(kuò)頻方式的不足。如直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)同步的要求高，“遠(yuǎn)—近”效應(yīng)影響大

41、等，這些不足正好是跳頻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；跳頻系統(tǒng)在抗頻率選擇衰落、抗多徑等方面的能力不強(qiáng)，直擴(kuò)正好彌補(bǔ)了它的不足。這樣，把直擴(kuò)和跳頻結(jié)合起來，使系統(tǒng)更加完善，功能更強(qiáng)。,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),數(shù)字調(diào)制就是對(duì)基帶數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的“搬移”，即把含有大量低頻成分的基帶信號(hào)頻譜搬移到一個(gè)很高的頻段上去。這種向高頻的搬移在數(shù)據(jù)的發(fā)送端進(jìn)行，搬移的過程稱作“調(diào)制”，在稱作調(diào)制器的設(shè)備中完成。在數(shù)據(jù)的接收端，有一個(gè)相反的變換被稱作“解調(diào)”的過程，

42、解調(diào)過程在稱作解調(diào)器的設(shè)備中完成。,圖6.4 頻帶傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,經(jīng)過調(diào)制的后的信號(hào)在一個(gè)很高的頻段上占有一定的帶寬，由于所處頻段很高，使得其最高頻率和最低頻率的相對(duì)偏差變小（最高頻率和最低頻率的比值略大于1），這樣的信號(hào)稱為頻帶信號(hào)或射頻信號(hào)，相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)稱作頻帶傳輸系統(tǒng)。,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),二值幅移鍵控(2ASK),圖6.5 基帶數(shù)據(jù)信號(hào)s（t）與2ASK信號(hào)m（t）的波形示意圖,可以看出，2ASK信號(hào)可以看作二進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)序

43、列信號(hào)s（t）和一個(gè)高頻載波cos2πfc t 相乘的結(jié)果。即  m（t）= s（t）·cos2πfc t （6－4）其中是一個(gè)單極性基帶數(shù)據(jù)序列信號(hào)。,一.2ASK信號(hào)的波形與頻譜,二值幅移鍵控(2ASK),可以證明已調(diào)2ASK信號(hào)m（t）的功率譜密度Pm（f）

44、可通過Ps（f）應(yīng)用頻移定理而獲得，即有,，-∞〈 f〈 ∞ （6－8）,,圖6.6基帶數(shù)據(jù)s（t）與2ASK信號(hào)m（t）的功率譜密度示意圖,2ASK信號(hào)的帶寬B2ASK = 2 fs （Hz），是基帶數(shù)據(jù)信號(hào)s（t）帶寬Bb的兩倍（注意計(jì)算帶寬只考慮正頻率部分），稱作雙邊帶信號(hào)，相應(yīng)地把這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制。,一.2ASK信號(hào)的波形與頻譜,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),二值幅移鍵控(2ASK),二.2ASK信號(hào)的產(chǎn)生

45、與解調(diào),圖6.7 2ASK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)原理框圖,,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),二值頻移鍵控(2FSK),一.2FSK信號(hào)的波形與頻譜,圖6.8 基帶數(shù)據(jù)s（t）與2FSK信號(hào)m（t）的波形示意圖,,二值頻移鍵控(2FSK),一.2FSK信號(hào)的波形與頻譜,圖6.9 基帶數(shù)據(jù)s（t）與2FSK信號(hào)m（t）的功率譜密度（單邊）示意圖,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),二值頻移鍵控(2FSK),二.2FSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖6.10 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生（調(diào)制器

46、）原理框圖,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),二值頻移鍵控(2FSK),二.2FSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),（a） 同步（相干）解調(diào),（b） 鑒 頻 器 解 調(diào),圖6.11 2FSK信號(hào)的解調(diào)（解調(diào)器）原理框圖,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),二值相移鍵控(2PSK),一.2PSK信號(hào)的波形與頻譜,圖6.12(a) 基帶數(shù)據(jù)s（t）與2PSK信號(hào)m（t）的波形,2PSK信號(hào)m（t）是雙極性基帶數(shù)據(jù)信號(hào)s（t）和高頻載波cos2πfct （圖中實(shí)際是sin2πfct）相乘

47、的結(jié)果。,,二值相移鍵控(2PSK),一.2PSK信號(hào)的波形與頻譜,圖6.12（b）基帶數(shù)據(jù)s（t）與2PSK信號(hào)m（t）的功率譜密度（雙邊）,,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),二值相移鍵控(2PSK),二.2PSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖6.13 2PSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)原理框圖,數(shù)字調(diào)制技術(shù),多值數(shù)字調(diào)制與MPSK,一. 多值數(shù)字調(diào)制原理,在M進(jìn)制（設(shè)M=2K）基帶傳輸系統(tǒng)中，信源輸出的每K=log2M位二進(jìn)制數(shù)據(jù)（Kbit信息）可用一個(gè)M進(jìn)制傳輸符

48、號(hào)（碼）來傳輸。若信源數(shù)據(jù)速率仍為Rbit/s, 則傳輸?shù)拇a元速率就是fs = R/K波特，占用頻帶為R/K Hz，頻帶利用率為Kbit/s·Hz。一般說來，一個(gè)M進(jìn)制系統(tǒng)的頻帶利用率要比二進(jìn)制系統(tǒng)提高log2M倍，或者可以說對(duì)于一定的信源數(shù)據(jù)速率（常稱信息速率，單位bit/s），M進(jìn)制系統(tǒng)會(huì)比二進(jìn)制系統(tǒng)節(jié)省大約log2M倍的占用頻帶寬度。,,多值數(shù)字調(diào)制與MPSK,一. 多值數(shù)字調(diào)制原理,圖6.14 多值（M=4）數(shù)字調(diào)

49、制的波形示意圖,MASK和MFSK應(yīng)用較少，MPSK應(yīng)用較多。,,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),多值數(shù)字調(diào)制與MPSK,二. MPSK信號(hào)的矢量表示,（a）4PSK（QPSK）,（b） 8PSK（B方式）,圖6.15 4PSK（QPSK）與8PSK信號(hào)的矢量圖表示,●A方式,●B方式,●B方式,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),多值數(shù)字調(diào)制與MPSK,三. 4PSK（QPSK）信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖6.16 B方式4PSK（QPSK）調(diào)制實(shí)現(xiàn)框圖,數(shù)字調(diào)制技術(shù),

50、多值數(shù)字調(diào)制與MPSK,三. 4PSK（QPSK）信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),● 當(dāng)｛a, b｝= 00 時(shí)，調(diào)制器輸出信號(hào)為 （6－17a）● 當(dāng)｛a, b｝= 01 時(shí)，調(diào)制器輸出信號(hào)為

51、 （6－17b）● 當(dāng)｛a, b｝= 11 時(shí)，調(diào)制器輸出信號(hào)為 （6－17c）● 當(dāng)｛a, b｝= 10 時(shí)，調(diào)制器輸出信號(hào)為

52、 （6－17d）,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),多值數(shù)字調(diào)制與MPSK,三. 4PSK（QPSK）信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖6.17 B方式4PSK（QPSK）解調(diào)實(shí)現(xiàn)框圖,4PSK信號(hào)的頻帶寬度是四進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)速率的兩倍（雙邊帶調(diào)制），或者說是串/并變換電路輸出的二元碼速率的兩倍，而不是信源輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)速率的兩倍。由于二元碼（或四進(jìn)制碼）速率比信源二進(jìn)制碼的速率

53、降低了一倍，盡管是雙邊帶調(diào)制，4PSK仍可作到1bit/s·Hz的頻帶利用率。,數(shù)字調(diào)制技術(shù),差分相移鍵控2DPSK與4DPSK,2PSK和4PSK都是把基帶數(shù)據(jù)信息承載在輸出載波的絕對(duì)相位上。如2PSK中,基帶數(shù)據(jù)信號(hào)為“1”時(shí),輸出載波相位ф=0；基帶數(shù)據(jù)信號(hào)為“0”時(shí),輸出載波相位ф=π 。這樣的相位調(diào)制稱為“絕對(duì)調(diào)相”。絕對(duì)調(diào)相時(shí)，須要求接收端的本地載波和發(fā)送端的調(diào)制載波同頻率和同相位。事實(shí)上，接收端從接收PSK信號(hào)中

54、提取本地載波，電路提取的本地載波和發(fā)送載波同頻率一般沒有問題，但本地載波(以2PSK為例)有可能與發(fā)送端的調(diào)制載波反相位，稱為倒π現(xiàn)象。發(fā)生倒π的本地載波使得解調(diào)出的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生“0”和“1”的互換，而接收方并不知道，從而出現(xiàn)解調(diào)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。 解決上述問題的方法就是采用差分相位調(diào)制，又稱“相對(duì)調(diào)相”，如2DPSK、4DPSK等。無線局域網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)中就建議了這種調(diào)制方式。,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),6.2.5 差分相移鍵控2DPSK與

55、4DPSK,一. 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),● 當(dāng)輸入基帶數(shù)據(jù)信號(hào)為“0”時(shí)，輸出載波產(chǎn)生相位變化△ф= θ0 ；● 當(dāng)輸入基帶數(shù)據(jù)信號(hào)為“1”時(shí)，輸出載波產(chǎn)生相位變化△ф= θ1 。通常使用的方式有:◆A方式（θ0 = 0 ，θ1 =π） ◆ B方式（θ0 = π/2 ，θ1 = -π/2）,圖6.18 2DPSK信號(hào)的波形示意圖,,差分相移鍵控2DPSK與4DPSK,一. 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖6.19

56、2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)原理框圖,,差分相移鍵控2DPSK與4DPSK,二. 4DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),,差分相移鍵控2DPSK與4DPSK,二. 4DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖6.21 4DPSK（DQPSK）系統(tǒng)中的碼變換電路,,差分相移鍵控2DPSK與4DPSK,二. 4DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),,差分相移鍵控2DPSK與4DPSK,二. 4DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖6.22 4DPSK（DQPSK）調(diào)制與解調(diào)實(shí)現(xiàn)原理框

57、圖,數(shù)字調(diào)制技術(shù),數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能,一. 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的帶寬與頻帶利用率,數(shù)字調(diào)制技術(shù),數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能,二. 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率,采用相干解調(diào)方式,二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率:對(duì)于2ASK，對(duì)于2FSK，對(duì)于2PSK，,r是解調(diào)器輸入信噪比，稱為互補(bǔ)誤差函數(shù)。,當(dāng)信噪比r遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1（一般r≥10）時(shí)，可以近似。,對(duì)于M PSK，當(dāng)r足夠大時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率Pe為：,,數(shù)字調(diào)制技術(shù),數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能,二.