6章现代无线通信与微波技术基础

2020/2/131电磁场与电磁波6章现代无线通信与微波技术基础云南大学信息学院宗容[e-mail]13700687824电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/132本章重点电磁波传输的计算、衰落及对策；现代无线通信信号处理的理论及应用；全面了解现代无线通信与微波技术应用，为今后进行交叉学科和新兴边缘学科研究打下良好的基础。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/133本章难点电磁波传输的衰落无线通信信号处理的理论及技术微波技术在通信及非通信领域的应用电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/134本章内容6.1现代无线通信信号处理技术(教学时数3)6.1.1电磁波传输6.1.2电磁波传输的衰落及对策6.1.3无线通信信号处理技术6.2微波技术基础（教学时数2）6.2.1微波传感器6.2.2微波化学6.2.3微波加热6.2.4现代微波工程电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/135第四章现代无线通信信号处理技术4.1无线信道的特点4.1.1无线信道的主要特点4.1.2移动无线信道4.1.3现代无线通信信号处理技术4.2噪声与干扰4.2.1噪声的分类和来源4.2.2信噪比和噪声系数4.2.3噪声系数的计算4.2.4无线电通信的干扰4.3自适应均衡技术4.3.1Nyquist准则和部分响应技术4.3.2时域均衡器4.3.3自适应均衡技术4.4多用户检测技术1.CDMA的基本原理2.扩频通信3.多用户检测技术4.5无线宽带通信信号处理技术4.5.1无线宽带通信技术4.5.2智能天线4.5.3软件无线电（2）频率调制（3）相位调制4.6电磁兼容分析4.6.1电磁兼容的定义及实施4.6.2无线电通信系统中的EMC技术4.6.3无线电通信系统中的EMC标准电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1366.1现代无线通信信号处理技术近20年来，随着现代无线通信技术的发展,人们希望通过无线方式高速率、高质量地传输信息。由于无线信道是开放时变信道，极易受多径干扰、多址干扰和噪声等的影响。要利用好无线信道，必需针对无线信道的弱点研发新的信号处理技术本章首先介绍无线信道的特点、噪声与无线电通信干扰，然后介绍自适应均衡技术、多用户检测技术和宽带无线通信信号处理技术，最后讨论无线通信系统中的电磁兼容技术。6.1.1电磁波传输电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/137无线电波传播频率从几十赫兹到3000GHz频谱范围的电磁波称为无线电波。发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，在媒质(如地表、地球大气层或宇宙空间等)中的传播过程就称为无线电波传播。根据不同频段的电波在媒质中传播的物理过程，可将电波传播方式分类为：(1)地波传播(2)对流层电波传播(视距、散射传播)(3)电离层电波传播(反射、散射、流星电离余迹散射传播)(4)地—电离层波导传播(5)外大气层及行星际空间电波传播电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/138无线电波传播(1)地波传播——无线电波沿地球表面的传播。主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率和时间信号的广播、对潜通信等业务。传播特点：传输损耗小、作用距离远；受电离层扰动影响小，传播情况稳定；有较强的穿透海水及土壤的能力；但大气噪声电平高，工作频带窄电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/139(2)对流层电波传播。无线电波在低空大气层——对流层中的传播就称为对流层电波传播。按传播机制区分，又可分为视距传播和散射传播两种。1)视距传播。当收、发天线架设高度较高(远大于波长)，电波直接从发射天线传播至接收点(有时有反射波到达)，亦称为直射波传播。主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。其主要传播特点是：传播距离限于视线距离以内，一般为10～50km；频率愈高受地形地物影响愈大；微波衰落现象严重；10GHz以上电波，大气吸收及雨衰减严重。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/13102)散射传播。利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用，实现超视距传播，常用频段为200MHz～5GHz。由于散射波相当微弱，传输损耗大，需使用大功率发射机、高灵敏度接收机及高增益天线等设备，但单跳跨距可达300～800km，特别适用于无法建立微波中继站的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地区。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1311(3)电离层电波传播。无线电波经电离层反射或散射后到达接收点的一种传播方式。依传播机制又可分为：1)电离层反射传播，通常称为天波传播。主要用于中、短波远距离广播、通信，船岸间航海移动通信，飞机地面问航空移动通信等业务。其传播特点是：传播损耗小，能以较小功率进行远距离传播；衰落现象严重；短波传播受电离层扰动影响大。2)电离层散射传播。利用电离层(通常发生在离地面高度90～110km处)中电子浓度不均匀性对电波的散射作用完成远距离通信。常用的频段为35～70MHz。其主要传播特点是：传输损耗大；允许传输频带窄，一般为3～5kHz；衰落现象明显。但单跳跨距可达1000～2000km。特别是当电离层受到骚扰时，仍可保持通信。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/13123)流星电离余迹散射传播。利用发生在80～120km处流星电离余迹对电波的散射作用，实现2000km内的远距离传播。常用频段为30～70MHz。由于流星电离余迹持续时间短，但出现频繁，可利用它建立瞬间通信，在军事上应用较多。(4)地-电离层波导传播。电波在以地球表面及电离层下缘为界的地壳形空间内传播。主要用于低频、甚低频远距离通信及标准频率和时间信号的传播。其主要传播特点是：传输损耗小，受电离层扰动影响小，传播相位稳定，有良好的可预测性，但大气噪声电平高，工作频带窄。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1313(5)外大气层及行星际空间电波传播。电波传播的空间主要是在外大气层或行星际空间，并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或天体为对象，在地一空或空一空之间传播。目前主要用于卫星通信、宇宙通信及无线电探测、遥控等业务中。其传播的主要特点是：因距离远，自由空间传输损耗大，在地一空电路中要受对流层、电离层、地球磁场以及来自宇宙空间的各种辐射波和高速粒子的影响，例加10GHz以上的电波大气吸收和降雨衰减严重。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1314以上介绍了几种主要的电波传播方式，实际工作中往往取其一种作为主要的电波传播途径，在某些条件下可能几种传播方式并存。例如中波广播业务，某些地区既可收到经电离层反射的天波信号，同时又可收到沿地表传播的地波信号。通常是根据不同频段电波传播的特点，利用天线的方向性来限定一种主要的传播方式。在利用电波传递信息，完成无线电通信、广播电视、导航、遥控遥测、雷达等业务中，掌握电波传播的特点及其规律，以及进行必要的传输特性的估算(传输损耗、干扰信号及噪声电平、衰落、时延、交叉极化特性等)，是研究各种无线电信道特性和正确论证、设计、组织使用各种无线电系统的重要依据。从实用观点考虑，为使读者能对各频段的电波传播方式建立起明确的概念，本章将介绍几种常用的电波传播方式，并结合其适用的频段，讨论其传播特点及规律，并简要介绍场强计算的一般方法。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1315电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1316电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1317电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1318电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1319各种通信基站的高度电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1320平流层飞艇通信系统概念模型电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1321临近空间（20Km-100Km）飞行器技术的发展，各种新的应用模式被提出，与卫星通信相比，临近空间飞行器可提供更多、更精彩的信息。例如，美军对通信气球的效果进行了实战测试，结果表明，临近空间通信气球可使手提式电台的通信距离从原来的10~24Km增加到643Km左右；2003年初，美国空军空间作战实验室和空间作战中心联合研制了一种半自动的轻于空气的“近太空机动飞艇计划”，原型机由美国JP航宇公司制造，并被命名为“攀登者”。2005年“高空哨兵”平流层卫星进行了初步演示试验。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1322平流层飞艇通信系统可用于下列业务（1）高密度通信：高速Internet接入，它能提高移动通信接通率，降低建设周期和投资，减少电磁污染和基站选址困难，降低“远近效应”，有利于高效率CDMA制式使用；（2）山区或荒漠地区通信：离散小区，接入不连续蜂窝小区分布，方便崇山峻岭。地形复杂、交通不便用户群体。例如：山区城镇，重大建设工程，大型矿山和油田；（3）救灾应急通信：有100Km/s机动速度和稳定常驻能力，集信息获取、处理、分配、传输于一体。例如：用于大型现场密集信息系统有如在涉地千里的要害地区正上空悬挂一个无阴影的信息灯；电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1323平流层飞艇通信系统可用于下列业务（4）军事通信：多方位密集信息用户群的高速机动性，集雷达、通信、指挥控制于一体，远距离、高精度、长期不间断监视有如一只永不停息的千里眼；（5）干线通信：高容量长距离干线传输，较好的传播条件，毫米波、大气激光的高容量承载能力，远距离节点接力传输，与地面高速公路对应的空中高速公路；（6）综合利用：通信、广播、探测、监视应用综合（如三峡工程），军、警、民应用的综合（如沿海、边境地区），通信、保安、交通管制应用综合（如大城市），长期、短期、突发事件应用综合（如减灾、救灾应用）。电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1324无线信道的特点有线信道可建模为加性高斯白噪声（AGWN）和线性滤波器信道（LinearFilterChannel），信号通过有线信道后的接收信号分别为(无限带宽理想信道)(有限带宽恒参信道)上式中，α是信道的衰减因子；h(t)是信道的冲激响应。有线信道是封闭信道。)()()(tntsty)()()()(tnthtsty)()()(tndth电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/1325无线信道的特点无线信道可建模为线性时变滤波器信道（LinearTime-VariantFilterChannel），信号通过无线信道后的接收信号为对多径信道无线信道的主要特点是:开放信道，极易受干扰和噪声的影响；无线信道接收点地理环境复杂，多样；无线通信用户可能慢速步行，亦可能高速运动。)(),()()(tnthtsty)()();(tndtsthLKkktath1)()();(LKkktntstaty1)()()()(电磁场与电磁波—6章现代无线通信与微波技术基础2020/2/13266.1.2电磁波传输的衰落及对策移动通信中，移动点接收到的无线电波功率为上式中，d-n是无线电波的路径损失指数；路径损失指数描述大尺度区间（数百米）接收功率随距离d的变化特性.s(d)是由于无线电波传播路径上受到障碍物阻塞而引起的慢衰落；慢衰落描述中等尺度（数百个波长）范围内接收中值电平的慢变化特性。R(d)是由于多径、