现代通信技术课件第10章 无线通信技术

第10章无线通信技术10.1无线通信概述利用无线电波（空间电磁波）进行信息传递的通信技术称为无线通信技术。无线电波的传播具有覆盖特性。无线电波传播环境具有复杂性：•可能会遇到阻挡、反射、折射、散射和绕射等影响；•可能会遇到雨、雪、雾等天气因素的影响；•可能会遇到天电噪声、人为噪声等噪声干扰的影响；•可能会遇到系统内部和其它系统等影响。无线电波传播环境是开放的，安全性差。频率资源有限。无线通信技术可分成两类：•信息传输：微波中继通信、卫星通信等；•无线接入（覆盖功能）：陆地移动通信、卫星移动通信等。10.2无线传播环境及其特性10.2.1电波的自由空间传播自由空间的传播损耗:实质是因电波扩散损失的能量，基本特点是接收电平与距离的平方以及频率的平方成反比。电波传播可按自由空间传播来考虑。自由空间是一个理想的空间，在自由空间中，电波沿直线传播，不发生反射、折射、绕射、散射和吸收等现象。在图10-1所示的自由空间中，设在原点有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为PT。经辐射后，能量均匀地分布在以O点为球心，d为半径的球面上。已知球面的表面积为4πd2，因此，在球面单位面积上的功率应为PT/4πd2。若接收天线所能接收的有效面积取为A=λ2/4π，则接收功率为2222)4()4(44dfcPdPdPPTTTR通常，定义发射功率与接收功率的比值为传播损耗。所以，自由空间传播损耗Lbs为2)4(dPPLRTbs若以dB表示，则有)(lg20lg2045.324lg204lg102dBfdddLbs10.2.2电波传播的几何模型1.大气折射与等效地球半径：K=4/32.电波的反射（如图10.2）VHF、UHF频段的电波传播特性典型的移动信道电波传播路径hRd1hTdd2d—直射波传播距离d1—地面反射波传播距离d2—散射波传播距离电波传播的路径损耗预测：Okumura-Hata方法为了在系统设计时,使Okumura预测方法能采用计算机进行预测，Hata对Okumura提出的基本中值场强曲线进行了公式化处理，所得基本传输损耗的计算公式如下：)(lg)lg55.69.44()(lg82.13lg16.2655.69)(dBdhhahfLbmbb市区)(4.528lg2)()(2dBfLLbb市区郊区)(94.40lg33.18)(lg78.4)()(2dBffLLbb市区开阔区式中：d为收发天线之间的距离，km；hb为基站天线有效高度，m；α（hm）为移动台天线高度校正因子，hm为移动台天线高度（m）。α（hm）由下式计算：)400(97.4)75.11(lg2.3)200(1.1)54.1(lg29.88.0lg56.1)7.0lg1.1()(22MHzfhMHzfhfhfhmmmm中、小城市大城市大城市这套公式的适用范围为：150MHz≤f≤1500MHz，30m≤hb≤200m，1m≤hm≤10m，1km≤d≤20km，准平坦地形。10.3无线传输技术10.3.1天线基本知识1.天线方向性：全向天线、定向（方向性）天线2.波瓣宽度3.天线增益4.天线的极化天线方向图的一般形状主轴主瓣后瓣第一副瓣＝0°0.502020.5半功率点波瓣宽度（HalfPowerBeamWidth,HPBW）2θ0.5E或2θ0.5H:指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的一半）的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其它副瓣均较弱，则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽度来判断。增益系数方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量上的转换效能；而增益系数(Gain)则表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场强|Emax|2的平方）和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比，记为G。用公式表示如下：002maxmax200ininininPPPPESGSE式中Pin、Pin0分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线本身的增益系数为1。考虑到效率的定义，在有损耗情况下，功率密度为无损耗时的ηA倍00maxmax00ininrrAPPPPASSGSSGD天线的极化天线的极化(Polarization)是指该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。所谓辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。就圆极化而言，一般规定：若手的拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量的旋转方向，这时若电场矢量端点的旋转方向与传播方向符合右手螺旋，则为右旋圆极化，若符合左手螺旋，则为左旋圆极化。10.3.2调制技术移动通信的数字调制要求是:（1）必须采用抗干扰能力较强的调制方式（采用恒包络角调制方式以抗严重的多径衰落影响）；（2）尽可能提高频谱利用率:占用频带要窄，带外辐射要小（采用FDMA、TDMA调制方式）；占用频带尽可能宽，但单位频谱所容纳的用户数多（采用CDMA调制方式）；（3）具有良好的误码性能。数字调制的性能指标数字调制的性能指标通常通过功率有效性ηp（PowerEfficiency）和带宽有效性ηB(SpectralEfficiency)来反映。功率有效性ηp是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力,可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：0NEbp带宽有效性ηB是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力,可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率：))/((HzsbBRB当今蜂窝系统、PCS(个人通信系统)和无绳电话采用的主要调制方式10.3.3抗衰落及抗干扰技术1.分集技术2.信道编码和交织技术3.跳频技术4.直接序列扩频技术5.智能天线技术6.均衡技术7.多载波和OFDM技术分集技术分集就是指通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。分集技术包括分集发送技术和分集接收技术，从分集的类型看，使用较多的是空间分集和频率分集，除此之外，还有以下几种：把空间分集和频率分集组合起来，即发站用两个频率发送同一信息，收站用垂直分隔的两副天线各自接收不同频率的信号，再进行合成或选择，就称为混合分集。此外还有站址分集、时间分集、角度分集等。跳频跳频系统的组成跳频系统的组成如图所示。用信源产生的信息流a(t)去调制频率合成器产生的载频,得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制,按一定规律跳变。跳频系统的解调多采用非相干解调,因而调制方式多用FSK、ASK等可进行非相干解调的调制方式。高放混频中放解调频率合成器PN码产生器同步系统…调制频率合成器PN码产生器…信源fi跳频图案…t1t2t3t4t5t6tmtm－1f1f2f3fN－1fN……(a)发射;(b)接收(a)(b)高放混频解扩解调本振PN码同步rI(t)fL)(Itr)(ta)(tc信源扩频调制PN码振荡器a(t)d(t)s(t)c(t)f0直扩系统的组成原理框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间为Ta的信息流,伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t),每一伪随机码码元宽度或切普(chip)宽度为Tc。直接序列扩频技术扩频系统频谱示意图a(f)fm－fmo－fcfcffod(f)或c(f)J(f)s(f)f0fofI)(fJ)(fsfoofI)(fJ)(fsf智能天线智能天线（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可行，促使智能天线技术开始在无线通信中广泛应用。由于智能天线能显著提高系统的性能和容量，并增加了天线系统的灵活性，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。智能天线分为两大类：多波束天线与自适应天线阵列。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线阵列是智能天线的主要类型，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。简要地介绍一下智能天线如何克服无线通信中的时延扩展和多径衰落来提高系统的性能和容量。设天线阵列的不同天线元对信号施以不同的权值，然后相加，产生一个输出信号。如果定义“天线增益”为在一定输出信噪比的情况下所需要输入信号功率的降低，“分集增益”为在有衰落的情况下给定误码率所需要输入信噪比的降低，那么一般来说，M元的天线阵列可以提供M倍的天线增益加上一个分集增益，具体提高的值决定于天线阵元间的相关性。10.3.4多址技术1.多址的基本原理在无线通信系统中，是以信道来区分通信对象的。一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，可以共享无线媒体。用某种方式区分不同的用户，就是多址方式。在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。多址接入方式的种类：频分多址方式（FDMA）；时分多址方式（TDMA）；码分多址方式（CDMA）。2.FDMA技术(频分多址)频分多址是以频率来区分信道的。模拟信号和数字信号都可采用频分多址方式传输。该方式有如下特点：(1)每路一个载频(2)连续传输。(3)FDMA蜂窝移动通信系统是频道受限和干扰受限的系统。(4)FDMA系统需要周密的频率计划，频率分配工作复杂。(5)频率利用率低、系统容量小。2.时分多址(TDMA)时分多址是以时隙(时间间隔)来区分信道的。在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，每个业务信道占其中的一个时隙，在规定的时隙内收发信号。在时分多址方式中，分配给各移动台的是一个特定的时隙。4.CDMA技术在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。码分多址(CDMA)码分多址是基于码型分割信道。在CDMA方式中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分的。CDMA的特征是代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同，并且其地址码相互间具有正交性，以区别地址。在移动通信中，要实现码分多址必须具备以下三个条件：(1)要有数量足够多、相关性能