无线通信系统模块
无线通信系统中，信息从信源到信宿要经过多个处理步骤，每个步骤都有其特定的功能和相关技术。下面根据图片中的各个模块进行详细讲解。
1. 信源采样（Source Sampling）
功能：将模拟信号（如声音、视频）转换为数字信号。
技术：
- 采样：使用采样定理将连续信号以特定频率进行采样。
- 量化：将采样后的信号幅度值转换为离散的数字值。
- 编码：将量化后的数字值进行二进制编码。
示例：音频采样通常使用44.1kHz或48kHz的采样率，量化精度为16位或24位。
2. 信源编码（Source Encoding）与CRC
功能：对采样后的信号进行压缩编码以减少冗余，提高传输效率，并添加循环冗余校验（CRC）进行错误检测。
技术：
- 编码：如MP3、H.264等。
- CRC：计算并附加CRC校验码用于错误检测。
示例：视频编码采用H.264，音频编码采用AAC，同时添加CRC用于误码检测。
3. 信道编码（Channel Encoding）
功能：增加冗余信息，以便在接收端检测和纠正传输错误。
技术：
- 卷积编码：常用于移动通信。
- Turbo编码：提供高效纠错能力。
- LDPC（低密度奇偶校验码） ：常用于Wi-Fi和5G。
示例：5G NR采用LDPC进行信道编码。
4. 交织（Interleaving）
功能：重新排列编码后的数据，以对抗信道中的突发错误。
技术：
- 块交织：将数据块按特定顺序打乱。
- 卷积交织：将数据流按特定顺序排列成矩阵并按列输出。
示例：Wi-Fi系统中使用交织来提高抗干扰能力。
5. 符号调制（Symbol Modulation）
功能：将编码后的比特流转换为适合传输的符号。
技术：
- QAM（正交幅度调制） ：将比特映射为复数平面中的符号。
- PSK（相移键控） ：将比特映射为相位变化。
示例：64-QAM在Wi-Fi中常用于提高数据传输速率。
6. 上变频（Upconversion）
功能：将基带信号转换为射频信号，以便通过天线发射。
技术：
- 混频器：将基带信号与载波信号混合产生射频信号。
- 滤波器：去除不需要的频率分量。
示例：在Wi-Fi中，将基带信号上变频到2.4GHz或5GHz频段。
7. 信道（Channel）
功能：信号传输的物理介质，可能受到各种干扰和衰落。
技术：
- 自由空间传播
- 多径效应
- 衰落模型
示例：Wi-Fi信号在室内环境中传播时，会受到墙壁、家具等障碍物的影响。
8. 下变频（Downconversion）
功能：将接收到的射频信号转换回基带信号。
技术：
- 混频器：将射频信号与本地振荡信号混合产生基带信号。
- 滤波器：去除不需要的频率分量。
示例：接收到的Wi-Fi信号从5GHz下变频到基带信号。
9. 信道估计（Channel Estimation）
功能：估计信道特性，以便进行信号恢复。
技术：
- 导频信号：使用已知信号估计信道响应。
- 最小均方误差估计
示例：Wi-Fi中使用导频信号进行信道估计，以便于数据解调。
10. 均衡（Equalization）
功能：补偿信道的影响，恢复原始信号。
技术：
- 频域均衡
- 时域均衡
示例：使用自适应均衡器来对抗多径衰落。
11. 解调（Demodulation）
功能：将接收到的调制信号转换回比特流。
技术：
- 相干解调：如QAM解调。
- 非相干解调
示例：64-QAM解调将符号转换回比特流。
12. 解交织（Deinterleaving）
功能：恢复原始数据的顺序，以便于解码。
技术：
- 逆交织
示例：Wi-Fi系统中使用解交织恢复数据顺序。
13. 译码（Decoding）
功能：从编码数据中恢复原始数据。
技术：
- 卷积译码
- Turbo译码
- LDPC译码
示例：使用Viterbi算法进行卷积译码。
14. CRC检查（CRC Check）
功能：检测数据传输中的错误。
技术：
- CRC校验
示例：检查接收数据的CRC值以确定是否存在错误。
15. 信宿（Destination）
功能：接收解码后的数据，提供给最终用户。
技术：
- 数据终端
- 显示设备
示例：Wi-Fi数据接收后通过计算机显示器呈现。
为什么有信道编码还需要使用CRC
信道编码和CRC在无线通信系统中的角色虽然有重叠，但它们的主要目标和工作方式有所不同，结合使用可以提供更高的传输可靠性。
信道编码的功能
信道编码（如卷积编码、Turbo编码、LDPC编码）主要通过添加冗余信息来提高数据的鲁棒性，以便在传输过程中纠正错误。这种纠错编码能够在数据接收过程中检测并纠正一定数量的错误，但在某些情况下可能会失败，比如在出现大量连续错误或信号干扰严重的情况下。
信道编码特点：
- 增加冗余：在发送数据时添加冗余比特，以提高抗干扰能力。
- 纠错能力：接收端通过冗余信息检测并纠正传输中的错误。
- 复杂度：通常需要复杂的编码和译码算法，增加系统处理复杂度。
CRC的功能
**循环冗余校验（CRC）**是一种错误检测机制，通过在数据后面附加一个校验码来检测传输过程中的错误。CRC本身不具备纠错能力，只能检测错误。
CRC特点：
- 错误检测：主要用于检测数据在传输过程中是否发生错误。
- 轻量级：实现相对简单，计算开销较小。
- 可靠性：在绝大多数情况下可以有效检测到数据传输中的错误。
为什么需要两者结合使用
- 提高检测和纠错能力：信道编码能在一定程度上纠正错误，但并不能保证所有错误都能被纠正。CRC可以作为最后一道防线，确保所有错误都能被检测到。
- 确保数据完整性：信道编码主要侧重于纠错能力，而CRC则更侧重于验证数据的完整性。即使信道编码不能完全纠正所有错误，CRC也能确保接收的数据是正确的。
- 高效的错误处理策略：在实际系统中，数据包在传输过程中可能会受到不同程度的干扰。信道编码和CRC结合使用，可以实现高效的错误检测和纠错，确保数据的完整性和可靠性。
实际应用中的例子
- 无线通信（如Wi-Fi） ：在Wi-Fi中，数据在传输过程中可能会受到干扰，导致错误。Wi-Fi协议通常使用信道编码（如LDPC）来纠正错误，并使用CRC来检测剩余的错误。
- 移动通信（如4G/5G） ：移动通信系统中，数据在传输过程中受到多径效应和其他干扰，可能会出现错误。信道编码和CRC结合使用，确保数据传输的高可靠性。
综上所述，信道编码和CRC的结合使用可以最大程度地提高数据传输的可靠性，确保接收端能够正确接收到原始数据。
信源编码与信道编码
信源编码
信源编码（Source Coding），也称数据压缩，是将输入数据转换为更紧凑的形式，以减少传输或存储所需的资源。信源编码不关注错误校正，而是专注于数据的压缩和表示。
具体编码方式：
-
无损压缩：
- 霍夫曼编码（Huffman Coding） ：一种可变长度的编码方法，根据字符出现的频率为其分配不同长度的编码，频率越高的字符编码越短。
- 游程编码（Run-Length Encoding, RLE） ：适用于重复字符序列，将连续相同的字符压缩为一个字符和出现次数。
- Lempel-Ziv-Welch (LZW) 编码：一种基于词典的编码方法，动态生成编码表，以压缩数据流。
-
有损压缩：
- JPEG：一种用于图像的有损压缩方法，通过离散余弦变换（DCT）和量化减少数据量。
- MP3：一种用于音频的有损压缩方法，通过去除人耳不敏感的频率来减少数据量。
信道编码
信道编码（Channel Coding），也称错误控制编码，是在数据传输之前添加冗余信息，以检测和纠正传输过程中出现的错误。信道编码确保数据在通过噪声和干扰的信道时，尽量保持正确性。
具体编码方式：
-
检错编码：
- 奇偶校验（Parity Check） ：通过添加一个奇偶校验位来检测单比特错误。
- 循环冗余校验（CRC, Cyclic Redundancy Check） ：使用多项式除法生成校验码，可以检测多种错误类型。
-
纠错编码：
- 汉明码（Hamming Code） ：通过添加多个校验位，可以纠正单比特错误，检测双比特错误。
- 卷积码（Convolutional Code） ：将输入比特流编码成输出比特流，利用码树结构进行纠错。
- 里德-所罗门码（Reed-Solomon Code） ：一种基于符号的纠错码，广泛应用于光盘、QR码等。
-
高级纠错编码：
- 低密度奇偶校验码（LDPC, Low-Density Parity-Check Code） ：一种基于稀疏图的纠错码，具有接近香农极限的性能。
- 涡轮码（Turbo Code） ：通过交织器将多个简单的卷积码结合起来，提供强大的纠错能力。
- 极化码（Polar Code） ：一种新型编码方法，基于信道极化理论，已应用于5G标准。
详细解释：
-
霍夫曼编码：
- 计算每个符号的出现频率。
- 频率低的符号用较长的编码表示，频率高的符号用较短的编码表示。
- 生成霍夫曼树，叶节点表示符号，路径长度表示编码长度。
-
奇偶校验：
- 在数据后附加一个比特，使得整个数据序列的1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。
- 用于简单的错误检测，但无法纠错。
-
汉明码：
- 计算校验位的位置，使得每个数据位和若干校验位形成一个特定的模式。
- 通过检查校验位，确定错误的位置并进行纠正单比特错误。
-
卷积码：
- 使用滑动窗口技术对输入数据进行编码。
- 编码器产生多个输出位，与当前和之前若干位输入相关联。
- 通过维特比算法（Viterbi Algorithm）进行译码，找到最可能的输入序列。
-
低密度奇偶校验码（LDPC） ：
- 使用稀疏矩阵表示编码约束条件。
- 通过迭代算法进行译码，逐步修正错误比特。
- 具有高效的纠错能力，接近信道容量极限。
802.11 MAC 帧结构
一个典型的 802.11 MAC 帧结构包括以下主要字段：
- 帧控制字段（Frame Control）
- 持续时间/ID（Duration/ID）
- 地址字段（Address Fields）
- 序列控制字段（Sequence Control）
- 地址字段（Address Fields）
- 帧负载（Frame Body）
- 帧校验序列（Frame Check Sequence, FCS）
1. 帧控制字段（Frame Control）
帧控制字段是一个 16 位的字段，包括以下子字段：
- 协议版本（Protocol Version, 2 bits） ：指示协议版本，通常为 00。
- 帧类型（Type, 2 bits） ：指示帧的类型，如管理帧、控制帧或数据帧。
- 子类型（Subtype, 4 bits） ：指示具体的帧子类型，如探测请求、探测响应、关联请求等。
- To DS（1 bit） ：指示帧是否发送到分布系统（DS）。
- From DS（1 bit） ：指示帧是否来自分布系统（DS）。
- 更多分片（More Fragments, 1 bit） ：指示是否有更多的分片。
- 重试（Retry, 1 bit） ：指示该帧是否为重传帧。
- 电源管理（Power Management, 1 bit） ：指示发送 STA 的电源管理模式。
- 更多数据（More Data, 1 bit） ：指示是否有更多数据帧。
- 受保护（Protected, 1 bit） ：指示帧是否经过加密保护。
- 顺序（Order, 1 bit） ：指示帧是否按顺序传输。
2. 持续时间/ID（Duration/ID）
持续时间/ID 字段是一个 16 位的字段，包含以下两种用途：
- 持续时间（Duration） ：指示介质在发送帧和期望的应答帧时所需的时间。
- ID：在某些管理帧中使用，如 PS-Poll 帧中包含关联 ID。
3. 地址字段（Address Fields）
802.11 帧最多可以包含四个地址字段，每个地址字段为 48 位（MAC 地址）：
- 地址 1（Address 1） ：通常是目标地址。
- 地址 2（Address 2） ：通常是源地址。
- 地址 3（Address 3） ：根据帧类型不同，用于不同的目的，如 BSS ID。
- 地址 4（Address 4） ：仅在数据帧中使用，表示数据转发的地址。
4. 序列控制字段（Sequence Control）
序列控制字段是一个 16 位的字段，包括两个子字段：
- 帧序号（Sequence Number, 12 bits） ：指示帧的序列号，用于检测重传。
- 分片号（Fragment Number, 4 bits） ：指示帧的分片号。
5. 帧负载（Frame Body）
帧负载字段包含了实际的数据或管理信息。不同类型的帧具有不同的帧负载结构：
- 管理帧：包含用于建立和维护无线网络的管理信息。
- 控制帧：通常没有帧负载字段。
- 数据帧：包含实际的数据负载。
6. 帧校验序列（Frame Check Sequence, FCS）
FCS 字段是一个 32 位的 CRC 值，用于检测帧传输过程中的错误。发送方计算 FCS 并将其附加到帧的末尾，接收方通过计算接收到帧的 FCS 来验证数据完整性。
802.11 MAC 帧的类型和子类型
管理帧（Management Frames）
管理帧用于建立和维护无线网络，包括以下子类型：
- 探测请求（Probe Request）
- 探测响应（Probe Response）
- 信标（Beacon）
- 关联请求（Association Request）
- 关联响应（Association Response）
- 重关联请求（Reassociation Request）
- 重关联响应（Reassociation Response）
- 解除关联（Disassociation）
- 认证（Authentication）
- 去认证（Deauthentication）
控制帧（Control Frames）
控制帧用于控制访问点之间的数据传输，包括以下子类型：
- 请求发送（Request to Send, RTS）
- 允许发送（Clear to Send, CTS）
- 确认（Acknowledgment, ACK）
- 内容自由（Contention Free, CF-End）
- CF-End+ACK
数据帧（Data Frames）
数据帧用于传输数据负载，包括以下子类型：
- 数据（Data）
- 数据+CF-ACK
- 数据+CF-无数据
- 数据+CF-无数据+CF-ACK
跳频与扩频技术
跳频技术（Frequency Hopping）
跳频技术是一种通过快速在多个频率间切换来传输信号的通信方法。跳频系统按照预先定义的跳频序列在频率间切换，以避免长时间停留在一个频率上，从而减少干扰和截获的可能性。
特点：
- 抗干扰能力强：由于频率不断变化，难以被干扰源锁定和影响。
- 保密性好：频率跳动序列通常是保密的，外部监听者很难解码通信内容。
- 频谱效率高：可以在拥挤的频谱中使用，减少同频干扰。
在Wi-Fi中的应用：
- 早期的Wi-Fi标准（如802.11-1997） 使用跳频扩展频谱（FHSS）技术，但现代Wi-Fi标准（如802.11b及之后）主要使用直序扩展频谱（DSSS）和正交频分复用（OFDM）技术。
扩频技术（Spread Spectrum）
扩频技术通过将信息信号扩展到比其原始频带宽更宽的频带来传输数据。常见的扩频技术包括直接序列扩展频谱（DSSS）和跳频扩展频谱（FHSS）。
直接序列扩展频谱（DSSS）
DSSS技术将数据与高频伪随机噪声码（PN码）进行混合，以扩展信号带宽。接收端使用相同的PN码进行解扩，恢复原始数据。
特点：
- 抗干扰能力强：扩展后的信号能量分散在宽频带上，即使某些频段受到干扰，也不会显著影响整体通信。
- 保密性好：需要知道正确的伪随机码才能解码信号。
在Wi-Fi中的应用：
- 802.11b标准 使用DSSS技术，提供较高的数据传输速率（最高11 Mbps）。
正交频分复用（OFDM）
OFDM技术通过将数据分成多个子载波并行传输来扩展信号带宽。每个子载波在正交频率上独立调制，从而提高频谱利用率和抗多径干扰能力。
无线信道传播过程中的信号衰减
1. 自由空间路径损耗（Free Space Path Loss, FSPL）
自由空间路径损耗是信号在传播过程中因传播距离增加而逐渐减弱的现象。这种损耗与传播距离的平方成正比。
解释： 随着信号传播距离的增加，信号能量在自由空间中不断扩散，导致信号强度减弱。
2. 路径损耗（Path Loss）
路径损耗包括自由空间路径损耗和其他由于环境导致的附加损耗，例如建筑物、树木等障碍物的阻挡。
解释： 信号在传播过程中遇到的障碍物会反射、折射或吸收信号，导致信号强度进一步减弱。
3. 多径效应（Multipath Effect）
多径效应是指信号到达接收点时，经过不同路径传播的多个信号分量的叠加现象。这些路径可能包括直接路径、反射路径和折射路径。
解释： 多径效应会导致信号的时延扩展和相位变化，进而引起信号的衰减和干扰。例如，某些信号分量可能会相互抵消，导致接收信号强度减弱。
4. 阴影效应（Shadowing）
阴影效应是指信号传播过程中，由于大尺度障碍物（如建筑物、山体等）造成的信号遮挡和损耗。
解释： 阴影效应会导致信号在某些区域内急剧减弱，形成信号盲区。
5. 吸收（Absorption）
吸收是指信号在传播过程中被介质（如空气、水、建筑材料等）吸收，导致信号能量的损失。
解释： 不同介质对不同频率的信号吸收率不同，例如，水对高频信号的吸收率较高，因此在高湿度环境中，高频信号的衰减较大。
6. 反射（Reflection）
反射是指信号遇到障碍物表面时反射回来的现象。
解释： 反射会导致信号路径的改变，并且反射信号可能会与直达信号发生干扰，导致信号衰减。
7. 折射（Refraction）
折射是指信号穿过不同介质时，由于传播速度的变化而导致传播方向改变的现象。
解释： 折射会导致信号传播路径的改变，可能引起信号衰减和时延变化。
8. 绕射（Diffraction）
绕射是指信号遇到障碍物边缘时绕过障碍物继续传播的现象。
解释： 绕射会导致信号路径的改变，并且绕射信号通常较弱，导致信号强度减弱。
9. 多普勒效应（Doppler Effect）
多普勒效应是指信号源或接收者相对运动时，导致接收信号频率发生偏移的现象。
解释： 多普勒效应会引起信号频率变化，可能导致信号的失真和衰减，尤其是在高速移动场景下。
10. 天线方向性和极化损耗（Antenna Directionality and Polarization Loss）
天线方向性和极化损耗是指信号传播过程中，由于发射和接收天线的方向性和极化不匹配，导致的信号强度减弱。
解释： 天线具有方向性和极化特性，若发射和接收天线不匹配，会导致信号能量损失。
11. 布居效应（Urban Clutter）
布居效应是指信号在城市环境中受到建筑物和其他结构物的反射、折射和散射影响，导致信号衰减。
解释： 城市环境复杂，信号在传播过程中会遇到大量障碍物，导致信号衰减和传播路径的复杂化。
12. 热噪声（Thermal Noise）
热噪声是由接收设备中的电子器件产生的随机噪声。
解释： 热噪声会增加信号的噪声水平，降低信噪比（SNR），进而导致信号衰减和误码率增加。
干扰有哪些（SINR的I是包含哪些）
1. 同频干扰（Co-channel Interference）
同频干扰是指在同一频率信道上，多个发射机同时发送信号，导致信号相互干扰。这在蜂窝网络、Wi-Fi等系统中较为常见。
产生原因：
- 同一频率信道上的多个接入点或基站同时工作。
- 频谱资源有限，不同通信系统或设备使用相同频率。
2. 邻频干扰（Adjacent Channel Interference）
邻频干扰是指在相邻频率信道上工作的设备之间的干扰。尽管这些信道不完全重叠，但由于频谱的“泄漏”，仍会相互干扰。
产生原因：
- 相邻频率信道上的设备工作。
- 设备的滤波器性能不佳，导致信号泄漏到相邻信道。
3. 多径干扰（Multipath Interference）
多径干扰是指信号通过多个路径传播到接收端，这些路径可能包括直线路径、反射路径、折射路径等。不同路径的信号到达接收端时，会相互干扰。
产生原因：
- 信号遇到障碍物（如建筑物、墙壁）发生反射、折射或绕射。
- 信号通过不同路径传播，导致到达接收端的时间不同。
4. 自身干扰（Self-Interference）
自身干扰是指同一设备中不同模块之间的干扰，例如发射模块对接收模块的干扰。
产生原因：
- 发射和接收模块之间的隔离度不够。
- 设备内部电磁兼容性设计不佳。
5. 环境噪声（Environmental Noise）
环境噪声是指来自外部环境的随机噪声信号，这些噪声会叠加在有用信号上，导致信号接收质量下降。
产生原因：
- 自然界的电磁噪声（如雷电、大气噪声）。
- 人工产生的电磁噪声（如电器设备、电力线）。
6. 互调干扰（Intermodulation Interference）
互调干扰是指两个或多个不同频率的信号在非线性器件中混合，产生新的频率成分，这些新的频率成分会干扰其他信号。 产生原因：
- 非线性器件（如放大器）中的信号混合。
- 多个强信号同时存在时，产生互调产物。
7. 占用频谱干扰（Spectrum Occupation Interference）
占用频谱干扰是指不同系统或设备在同一频段内工作，导致信号相互干扰。
产生原因：
- 不同通信系统或设备的频谱管理不当。
- 频谱资源分配不合理。
8. 电磁兼容性问题（Electromagnetic Compatibility Issues）
电磁兼容性问题是指设备与设备之间在电磁环境中相互影响，导致干扰。
产生原因：
- 设备的电磁辐射水平高。
- 设备的抗干扰能力低。
大尺度衰落与小尺度衰落
大尺度衰落（Large-Scale Fading）
大尺度衰落是指信号强度随距离和环境变化而逐渐减弱的现象。它通常发生在较大的地理范围内，主要包括路径损耗（path loss）和阴影衰落（shadowing）。
-
路径损耗（Path Loss） :
- 定义：信号从发射端到接收端传播过程中，由于距离增加导致的信号强度减弱。
- 原因：电磁波在自由空间中传播时，信号强度随着距离的平方反比减弱。这种损耗与传播距离成比例。
- 模型：自由空间路径损耗模型、对数距离路径损耗模型。
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阴影衰落（Shadowing） :
- 定义：信号在传播过程中遇到障碍物（如建筑物、树木）造成的附加衰落。
- 原因：障碍物遮挡或吸收信号，导致信号在传播路径上出现局部衰减。
- 特点：阴影衰落一般呈现为慢速变化，通常用对数正态分布（log-normal distribution）来描述。
小尺度衰落（Small-Scale Fading）
小尺度衰落是指信号在短距离或短时间内快速变化的现象。它主要是由多径传播（multipath propagation）和多普勒效应（Doppler effect）引起的。
-
多径衰落（Multipath Fading） :
- 定义：信号通过多个路径到达接收端，各路径上的信号由于相位不同，相互叠加产生的快速衰落。
- 原因：信号在传播过程中被反射、折射或散射，导致信号通过不同路径到达接收端。这些路径可能有不同的长度、延迟和相位。
- 特点：多径衰落通常表现为信号的快速起伏，可能导致频率选择性衰落（frequency-selective fading）或平坦衰落（flat fading）。
- 模型：瑞利衰落（Rayleigh fading）、莱斯衰落（Rician fading）。
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多普勒效应（Doppler Effect） :
- 定义：由于相对运动导致接收信号频率变化的现象。
- 原因：当发射端或接收端相对于传播介质移动时，接收到的信号频率会发生偏移。移动速度越快，多普勒频移越大。
- 特点：多普勒效应引起的频率偏移会导致信号的时间变化特性，进而影响信号的相位和幅度。
总结
- 大尺度衰落主要包括路径损耗和阴影衰落，是信号在较大范围内逐渐减弱的现象。
- 小尺度衰落主要包括多径衰落和多普勒效应，是信号在短距离或短时间内快速变化的现象。
