第三讲 物理层

S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
CDMA 的重要特点


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。
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 的规格化内积都是 0：
在无线通信标准和产品中得到应用。
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扩频系统的一般模型
信源 信源编码 信道编码 载波调制 扩频 调制 信
道
信息输 出
信源译码
信道译码
符号解调
解扩频
扩频系统的一般模型
下面简要介绍调频扩频与直接序列扩频
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跳频扩频概述

跳频扩频(Frequency Hopping SS，FHSS)是用一定的扩频码序列进 行选择的多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变。
× √

脉冲调制
• 脉冲编码调制 ？
数字调制技术

数字调制技术是把数字基带信号以一定方式调制到载波 上进行传输的技术。从对载波参数的改变方式上可把调 制方式分成三种类型：ASK、FSK和PSK，见下一页。 每种类型又有多种不同的具体形式：


ASK：正交载波调制技术、单边带技术、残留边带技术和部分 响应技术等都是基于ASK的变型。 FSK：GFSK,GMSK（高斯最小频移键控） PSK：DPSK，QPSK，OQPSK（偏移QPSK），MPSK（多相）
无线通信物理层的主要技术
信道 无线电频段
前面对物理层做了介绍，包括什 么是物理层、物理层协议以及物 理层的功能等，下面介绍数据通 信技术。
调制技术
扩频技术 信道复用技术
信道
无线电波传播信道（第48页第3,4段）

自由空间上进行传播，并且传输效率低 传播距离远，例如，微波（波长为1米-10厘米）可以传播的 范围可达几十公里 传播衰减大，电波能量与信号源的距离r，关系大致为1/r3 失真大，干扰多（多径失真。多径信道：散射，折射，衍射）

83.5 MHz

125 MHz

频率 902 928 MHz MHz 2.4 GHz 2.4835 GHz

5.725 GHz 5.850 GHz
调制技术
调制技术概述

为什么要对信号进行调制？
• 调制作用：使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低 通形式的传输特性，然而实际信道中，大多数信道具有带通传输特 性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输，因 此必须用数字基带信号对载波进行调制。 • 调制技术是无线通信系统的关键技术之一。


实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低 不少。
例如，通常音频电话连接支持的频率范围为300Hz到3300Hz，则 B=3300Hz－300Hz=3000Hz，而一般链路典型的信噪比是30dB， 即S/N=1000，因此我们有C=3000×log2(1+ 1000)，近似等于 30Kbps，是28.8Kbps调制解调器的极限，因此如果电话网络的信 噪比没有改善或不使用压缩方法，调制解调器将达不到更高的速 率。

几个名词（48页中）：基带信号（m(t)），带通信号；调制信号， 已调信号 数字调制系统的基本结构
m(t) 调制器 e0(t) 发滤波器 信道 噪声 收滤波器 解调 m(t)

数字调制系统的基本结构
调制技术
什么是调制与解调（48页中）
如何对信号进行调制？

模拟调制 数字调制
• 幅移键控 • 频移键控 • 相移键控
对各种类型噪声如多径失真具有免疫性。

可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩展代码，才可恢复 原始信息。
多个用户可独立使用同样的较高带宽，且几乎无干扰。

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扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种

直接序列扩频 跳频扩频 跳时扩频 宽带线性调频扩频(简称切普扩频)
目前主流的两个扩频技术分别是跳频和直接序列，均
更复杂，但是具有较好的抗干扰能力 48页最后一段
扩频技术介绍
概述


扩频是一种重要的通信技术，可用于传输模拟和数字信息。
扩频技术最早多用于军事和情报部门，通过将携带信息的信号 扩展到较宽带宽中，以加大干扰和窃听的难度。
什么是扩频？（49页第1段）
扩频方法的优点包括： （49页第3段）

快速跳频 – 跳频速度大于数据速度
跳频扩频抗干扰能力

抗干扰性能提高n倍
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直接序列扩频概述

直接序列扩频(Direct Sequence SS，DSSS)用具有高码率的扩频码 序列在发送方直接扩展信号频谱，而接收方则用相同扩频码序列进行 解扩，即把拓宽的扩频信号还原成原始信息。
DSSS中，原始信号中的每一位在传输信号中以多位表示，即使用扩 展编码。这种扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上，该频带范 围与使用位数成正比。

频分复用(FDM) 时分复用(TDM) 码分复用(CDM) 空分复用(SDM)等 √
码分复用 CDM



常用的名词是码分多址 CDMA 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。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称 为码片。
A1
B1 C1 (a) 使用单独的信道 A1 B1 C1 复用 共享信道
A2
B2 C2
源自文库
(
+
+ )
分用
A2 B2 C2
(b) 使用共享信道
信道复用是通信技术中的基本概念

显然，如上图所示，信道复用提高了信道的利用率，利用信 道复用，1条信道可同时传送3路信号 数据通信中广泛使用复用技术

常见的复用方式有：
109
1010
卫星
1011 1012
1013
1014
1015 光纤
1016
地面微波
调幅 海事 无线电 无线电 波段
调频 移动 无线电 无线电 电视
LF
MF
HF
VHF UHF SHF
EHF THF
30k
短波通信
微波通信：包括地面微波接力通信与卫星通信。
无线局域网使用的 ISM 频段
频带
26 MHz
输入数据A
发 送 方
本地产生的伪 随机位流B
CAB
传送信号：
接收信号C
接 收 方
本地产生与上 面相同的伪随 机位流B 输出数据
ACB
由于码分多址与扩频技术密切相关，因此，下面介绍码分多址，在 学习码分多址的同时，可加深对扩频技术的理解
26
码分多址是一种复用，复用是通信技术中的基本概念。

无线电频段
无线传输所使用的频段很广 频段划分
电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105
双绞线
106
107
同轴电缆
108
1 m S T S iTi 0 m i 1
(1)
码片序列的正交关系举例


令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向 量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(1)式就可看 出这两个码片序列是正交的。
扩频 信号
FH 解扩频器 sd(t) 带 通 滤 波器 (约 为频率 s(t) c(t) 之差) 频率合 成器 信道表 伪随机 数生成 源 (b)接收器
解调器 二进制 (FSK/ 数据 BPSK)
跳频扩频系统框图
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跳频扩频分类（跳频速度，数据速度）：

慢速跳频 – 跳频速度小于等于数据速度
• 香农定理：香农限制或信道容量
信道的极限信息传输速率
C 可表达为
C = W log2(1+S/N) b/s

香农定理描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与 信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越 高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找 到某种办法来实现无差错的传输。

数据终端设备（DTE）是数据通信系统的一个组成部
分。它是向数据传输网络发送和接收数据的硬件设备。 数据终端设备直接与用户打交道，是数据通信系统中 用户使用和接触最频繁的设备。计算机便是一种最常 用的数据终端设备。
物理层概述
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：
①机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺 寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。 ②电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上 信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。 ③功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定 义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。 ④规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作 过程，包括各信号线的工作规则和时序。

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抗干扰的情况：抗干扰性能提高若干倍
DS 解扩频器
二进制 数据
DS 扩频器 调制器 (BPSK)
sd(t) c(t)
伪随机数 生成源 (a)发送器
扩频 信号
扩频 信号
sd(t)
s(t)
s(t) c(t)
伪随机数 生成源 (b)接收器
二进制 解调器 数据 (BPSK)
直接序列扩频系统框图
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●一种使用异或运算将数字信号流与扩展编码流相结合 的DSSS技术实例

在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物 ，例如楼房、高大建筑 物或山丘等，对电波产生反射、折射或衍射等，因此，到达接收天线的信号可能存 在多种反射波（广义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象称为多径传播。

信道容量
• 信道：通信系统中传送信号的通道，分为有线信道与无线信道。
• 信道容量：信道传输数据的最大速度（bits/second）
发送方用看似随机的无线电频率序列广播信息，并在固定间隔里从一 频率跳至另一频率。


接收方接收消息时，也同步跳转频率。
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FH 扩频器 二进制 调 制 器 s (t) d (FSK/B 数据 PSK) c(t) 频率合 成器 信道表 伪随机 数生成 源 (a)发送器
带 通 滤 扩频 波 器 信号 ( 约 为 s(t) 频 率 之和 和)
3.1 物理层
内容
•
• •
目标
物理层概述
数据通信技术介绍 无线传感器网络物理层 设计
• 理解物理层的基本概念
• 了解数字通信基本知识 • 学习无线传感器网络物理层 设计的基本问题
物理层概述
数据通信系统的模型（下一页）

无线通信系统：无线介质的通信系统
什么是物理层（46-47页）

物理层的定义：ISO给出定义 作用：提供物理连接 包括机械、电气、功能与规程的特性
码片序列

每个站被指派一个唯一的 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。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。


QAM（正交调幅）：ASK与PSK的结合
数字调制
数字调制技术比较
ASK （Amplitude Shift Keying）
结构简单易于实现对带宽的要求小，缺点 是抗干扰能力差

FSK （Frequency Shift Keying ): 相比于ASK需要更大的带宽
PSK (Phase Shift Keying):

物理层在参考模型中的位置 用于物理层的协议称为物理层协议，是各种网络设备互联时必 须遵守的底层协议 物理层协议也叫作物理层规程 物理层协议相当复杂
• 传输介质种类多：无线，有线等
• 物理连接方式多：点到点连接、点到多连接或广播连接

物理层的功能

①为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供 传送数据的通路。（什么是DTE，见下一条） ②传输数据：传输数据的方式 ③其他管理工作
数据通信系统的模型
数据通信系统
输入 汉字
数字比特流
模拟信号 公用电话网
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
调制解调器 目的系统
PC
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
物理层概述
物理层协议（47页第3段）