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  • 无线通信基本概念

    该篇将开始学习无线通信时遇到的一些基本概念罗列出来,避免混淆和忘记,算是为后续进阶学习打基础吧!

    1、信道:信道可分为有线信道和无线信道两大类。前者包括明线、对称电缆、同轴电缆和光缆,后者包括地波传播、短波电离层发射、超短波或微波视距中继。有时信道不单指传输媒介,还包括相关的变换装置(如发送设备、接收设备、调制器和解调器),我们称之为广义信道。

    2、信道容量(Channel Capacity):信道上可以被传输的最大速率。与信道容量相关的几个概念如下:

    • 数据率(data rate):通常使用bit/s表示
    • 带宽(bandwidth):指传输信号所占的带宽,用Hz表示。日常生活中常把数据率(bit/s)称作“带宽”,如“带宽10M的网络”。
    • 噪声(noise):我们关心的是通信线路上的平均噪声电平,关注的是统计学上的意义,而不是单个的突发噪声。
    • 误码率(error rate):差错发生率。

    3、奈奎斯特带宽(无噪声的完美信道条件下):在无噪声的条件下,数据率的限制仅仅来自于信号的带宽。若带宽为B,可被传输的最大信号速率就是2B。这在一定程度上表明了数据率和带宽的正相关关系。

    4、香农容量(有噪声的真实信道):考虑噪声的条件下,带宽和信噪比共同决定一个信道的容量。对于高斯白噪声而言,计算公式为:C=Blog2(1+S/N)。

    5、空中接口频率资源稀缺性:无线通信的频率资源之所以相对有线通信更具稀缺性,是因为无线通信中传递信号的电磁波,其传播方式在视距的情况下遵循自由空间传播模型,如太阳光一样,向四周发散传播,同频率信号之间干扰不可避免,而有线通信中却可以通过控制电磁波的传播路径,消除这种干扰。正是由于空口频率资源的稀缺,所以包括复用、无线资源管理、功率控制等都是为了尽最大可能利用频率资源而设计。

    6、复用技术:所谓复用就是指区分在同一频段下通信等不同终端等技术,系统必须能有效区别各终端才能完成通信。一般有以下几种复用方式:

    • 空分复用是从空间上将使用同一频率的不同终端区别开来
    • 频分复用是将一个频段分为若干块,不同的终端占用不同块
    • 时分复用是从时间上将终端区别开,不同终端通过占用不同的时间来实现区分
    • 码分复用是通过终端占用的不同的扩频码来区分

      我们熟知的广电系统中的各个电视台就是使用频分复用来区分的,每个电视频道就是一个独立的频率段,与此类似的还有同属广电系的广播。

    7、电信系和广电系的不同点:

    • 广电系的架构是单向的,均是电视台或广播电台向观众或听众单向发送信号,所以广电系的频分仅仅是前向链路(下行链路)的频分。
    • 广电系传递给每一个用户的信号都一样,一个频道可以服务成千上万户,而电信系的用户是在沟通和交流,显然每个用户的信号都与别的用户不同,所以一个用户必须独占一个频道来实现通信。

    8、CDMA(Code Division Multiple Access):码分多址。该技术使用扩频码区别不同的终端。在信噪比很低(S/N<<1)时,香农定理可以简化为:C/B~~1.44S/N。可以看出,在传输同样速率信号的情况下,如果增加信道的带宽,就可以降低接收机信噪比的要求。降低信噪比有很多好处,比如发射机的功率可以降低;又或者同样的发射功率,接收机和发射机之间的距离可以增加,从而扩大了基站的覆盖范围。此外,降低接收机信噪比的要求还可以对抗干扰。

    9、信源编码与信道编码:前者要考虑的是减少冗余度的问题,也就是不要将废话,尽量要精炼;后者要考虑的是在一个处处是噪声的嘈杂环境中,你的话不断被噪声打断,但你依然要让对方听得明白的问题。

    10、分集技术:常用分集技术有三种,即空间分集、时间分集、频率分集。其都是为了应对无线变参信道而设计的一种干扰平均化的手段。

    • 空间分集:为了克服某一条无线路径的衰落带来的失真,采用接收多条无线信道的方法,使得空间路径带来的干扰平均化。
    • 频率分集:为了克服某个频率的干扰带来的失真,采用调频的方式来使得干扰在几个载频之间平均。
    • 时间分集:将码字的b个比特分散到n个帧中,以改变比特间的临近关系,也被称为交织技术,显然,n值越大,传输特性越好,但传输时延也越大。

    11、数字调制:经过“采样-量化-信源编码-信道编码”得到了一长串的0101的比特流,将这串比特流信息嵌入电磁波中的过程称为调制,调制之后就可以通过发射机发射出去了。一个电磁信号可以用一个正弦波表达,而正弦波无非3个参数:振幅、频率和相位,要将比特流信息嵌入进去,也只能从这3个参数上打主意,故将数字数据转变为电磁信号的基本编码或者说调制技术相应有3种:幅移键控、频移键控和相移键控。

    12、调制的意义:

    • 为了和信道匹配。无线通信中,信道是大气层,在大气层中,音频信号的传输将急剧衰减,而较高频率范围的信号可以传播到很远距离,因此须在发射机中将这些音频信号嵌入到另一个较高频率的信号中。
    • 电磁波的频率要与天线尺寸匹配。一般天线尺寸为电磁信号的1/4波长为佳。
    • 在高频段更易于采用频分复用。一路语音信号就要占用64kHz,低频段没用这么多频谱资源。
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