无线通信智能天线技术中

吉林通信行业职业技能鉴定中心无线通信工程第二章无线通信技术吉林通信行业职业技能鉴定中心教学内容自测训练题吉林通信行业职业技能鉴定中心主要内容安排第一节天线技术第二节调制技术第三节抗衰落及抗干扰技术第四节多址技术吉林通信行业职业技能鉴定中心无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线(电缆)输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来(仅仅接收很小一部分功率)，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线对于无线通信来说，起着举足轻重的作用，如果天线的选择(类型、位置)不好，或者天线的参数设置不当，都会直接影响通信质量。第一节天线技术吉林通信行业职业技能鉴定中心发射天线有两种基本功能：一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去；二是把大部分能量朝所需的方向辐射。根据天线的方向性分为全向天线和方向性(或定向)天线。全向天线在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下，波瓣宽度越小，增益越大；定向天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。一、天线方向性吉林通信行业职业技能鉴定中心方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度、主瓣宽度或半功率角)。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。二、波瓣宽度吉林通信行业职业技能鉴定中心天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的球型辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义——为在相同距离上某点产生相同大小信号所需发送信号的功率比。表征天线增益的参数为dBi。dBi是相对于在各方向的辐射是均匀的点源天线的增益。如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100／20=5w。换言之，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，某天线的增益，即为与无方向性的理想点源相比把输入功率放大的倍数。三、天线增益吉林通信行业职业技能鉴定中心所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。四、天线的极化吉林通信行业职业技能鉴定中心第二节调制技术调制就是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。一般来说，信号源的编码信息(信源)含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以适合于信道传输。这个带通信号叫作已调信号，而基带信号叫作调制信号。调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来，以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。吉林通信行业职业技能鉴定中心无线通信信道的基本特征主要表现在三个方面：一是带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传播特性；二是干扰和噪声影响大，这主要是无线通信工作的电磁环境所决定的；三是在移动通信中存在多径衰落，在移动环境下，接收信号起伏变化。在移动通信环境中，移动台的移动使电波传播条件恶化，特别是快衰落的影响使接收场强急剧变化。在选择调制方式时，必须考虑采取抗干扰能力强的调制方式，能适用于快衰落信道，占有较小的带宽以提高频谱利用率，并且带外辐射要小，以减小对邻近波道的干扰。模拟基带信号的调制有调幅(AM)和调频(FM)两种。大部分模拟无线通信系统采用FM方式。数字基带信号的调制方式有幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)等。吉林通信行业职业技能鉴定中心频谱利用率常用单位频带内能传输的比特率来表征(bit／s／Hz)。高的频谱利用率要求已调信号所占的带宽窄。它意味着已调信号频谱的主瓣要窄，同时副瓣的幅度要低，即辐射到邻信道的功率小。应用于无线通信的数字调制技术，按信号相位是否连续可分为相位连续的调制和相位不连续的调制；按信号包络是否恒定可分为恒定包络和非恒定包络调制。如果采用恒定包络调制，可工作于线性放大区，它具有较高的功率效率，但会引起大的带外辐射。为了获得高的频谱利用率，可选用多电平调制，已调波的包络变化大，由于要求线性放大，因此会使功率效率降低。目前，在GSM数字蜂窝移动通信系统中选用高斯滤波最小移频键控(GMSK)调制，GMSK调制基于MSK调制，而MSK调制是连续相位频移键控(CPFSK)的一种特殊情况。在很多无线系统中，大都使用了BPSK或QPSK以及多进制PSK或QAM方式。吉林通信行业职业技能鉴定中心分集技术是用来补偿信道衰落影响的，它通常要通过两个或更多的接收支路来实现。基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。由于在任一瞬间，两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率是极小的，因此合成信号的衰落程度会明显减小。分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，以降低衰落的影响。第三节抗衰落及抗干扰技术一、分集技术吉林通信行业职业技能鉴定中心1．分集的接收合并方式分集的接收合并方式主要有选择性合并、最大比合并和等增益合并三种。设分集重数为L，则合并的信号的表示为：s(t)=k1s1(t)+k2s2(t)+…+kLsL(t)式中，ki为加权系数，i=0，1，2，3,……，L。选择不同的加权系数就形成了不同的合并方法。(1)选择性合并选择性合并方法是在多支路(子信道)接收信号中，选择信噪比最高的支路的信号作为输出信号。(2)最大比合并每一支路有一个加权(放大器增益)，加权的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。(3)等增益合并当最大比合并中的加权系数为1时，就是等增益合并。理论分析表明，最大比合并的性能最好，其次是等增益合并。吉林通信行业职业技能鉴定中心2．分集技术的种类(1)按信号的传输方式分类按信号的传输方式分，可分为以下两大类：一是显分集。显分集最通用的分集技术是空间分集，即几个天线被分隔开来，并被连到一个公共的接收系统中。当一个天线未检测到信号时，另一个天线却有可能检测到信号的峰值，而接收机可以随时选择接收到的最佳信号作为输入。其他的显分集技术包括天线极化分集、频率分集和时间分集等。二是隐分集。隐分集主要是指把分集作用隐蔽于传输信号之中(如交织编码、直接序列扩频技术等)，在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集只需一付天线来接收信号，因此在数字移动通信系统中得到了广泛的应用。例如码分多址(CDMA)系统通常使用RAKE接收机，它能够通过时间分集来改善链路性能。吉林通信行业职业技能鉴定中心(2)按分集的目的分类按分集的目的分，可以分为以下两大类：一是宏分集。宏分集主要用于蜂窝移动通信系统中，也称为多基站分集。这是一种减少慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设备在不同的地理位置上和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，接收机可选择其中一个信号最好的基站进行通信。二是微分集。微分集是一种减少快衰落的分集技术，依获得分支的方法不同，可分为空间分集、频率分集、极化分集、场分集、角度分集和时间分集等。常用的分集技术有天线分集技术、时间分集技术、频率隐分集技术和多径分集技术等。在无线通信系统中，很多都采用两个接收天线，以达到空间分集的效果；采用编码加交织方式实现时间隐分集的作用。在无线数据传输中，采用多种自动重传技术实现时间分集；采用跳频、扩频或直接序列扩频技术实现频率隐分集作用。吉林通信行业职业技能鉴定中心二、信道编码和交织技术信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能的。在发射机的基带部分，信道编码器把一段数字序列映射成另一段包含更多数字比特的码序列。然后，把已被编码的码序列进行调制，以便在无线信道中传送。接收机可以用信道编码来检测或纠正由于在无线信道中传输而引人的一部分或全部的误码。由于解码是在接收机进行解调之后执行的，所以编码被看作是一种后检测技术。由于编码而附加出来的数据比特会降低在信道中传输的原始数据速率，也就是会扩展信道的带宽。信道编码通常有两类：分组编码和卷积编码。交织编码的目的是把一个由衰落造成的较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码(FEC)技术消除随机差错。以线性分组码为例，先将k位信息编成具有t位纠错能力的n位码字的分组码(n，k，t)，再将其编码码字序列构成交织编码矩阵。吉林通信行业职业技能鉴定中心三、跳频技术1．跳频抗多径跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波频率为ω，当存在多径传播环境时，因多径延迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。若接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一频率ω1上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。为此，要求跳频信号驻留时间小于多径延迟时间差，换句话说，要求跳频的速率应足够得快。比如，若多径延迟时间差为1μs，则要求跳频速率为106跳／秒。目前，要实现这样高的跳频速率，跳频通信系统在技术上尚存在困难。所以目前在数字蜂窝移动通信中采用跳频技术的目的主要用于抗干扰和抗衰落。2．跳频抗同频干扰移动通信系统中，地理位置上不同的用户可能使用相同的频率资源。这样，这些用户之间会产生干扰，即同频干扰。采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，从而避免频率重用引起的同频干扰。即使利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同频干扰离散化，即减少同频干扰的重合次数，从而减少同频干扰的影响。吉林通信行业职业技能鉴定中心3．跳频抗衰落跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的载波频率上同时发生衰落的可能性很小。对于快跳频系统，应满足传输的符号速率小于跳频速率这一条件，即一位符号是在多个跳频载波上传输。这相当于对符号的频率分集。因为跳频是在时间频率域上进行的，所以每一位符号还是在不同时隙中传输的，这又相当于对符号的时间分集。因此快跳频技术同时具有频率分集和时间分集。对于慢跳频系统，传输的符号速率大于跳频速率，即在一跳驻留时间内传输多个符号。因此慢跳频不能起到对符号的频率分集作用。但是采用慢跳频可将深衰落的影响分散开来，从而减轻深衰落对传输的影响。为了更好地发挥跳频抗衰落的作用，可将慢跳频技术与交织编码技术相结合，构成具有时间分集和频率分集作用的隐分集。吉林通信行业职业技能鉴定中心四、直接序列扩频技术基带信号的信码是欲传输的信号，它通过速率很高的编码序列(通常用伪随机序列)进行调制，将其频谱展宽，这个过程称作扩频。频谱展宽后的序列被进行射频调制(通常多采用PSK调制)，其输出则是扩展频谱的射频信号，经天线辐射出去。在接收端，射频信号经混频后变为中频信号，它与本地的发端相同的编码序列反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号，这个过程称为解扩。解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信码。如果将扩频和解扩这两部分去掉，该系统就变成普通的数字调制系统。因此扩频和解扩是扩展频谱调制的关键过程。扩展频谱的特f生取决于所采用的编码序列的码型和速率。为了获得