无线通信工程--第02讲－组成及规范

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年11月10日补充参考书：T.S.Rappaport著，蔡涛等译：“无线通信原理与应用”，电子工业出版社，1999姚彦等著：“数字微波中继通信工程”，人民邮电出版社，1990讲稿：，找“incoming/无线通信工程”文件夹。第二讲系统组成及技术规范系统组成性能指标技术体制技术规范系统组成系统组成（1）：组成框图发基带单元发中频单元发射频单元发天线单元收基带单元收中频单元收射频单元收天线单元无线传播信道系统组成（2）：基带单元框图发端接口处理发端信道处理发端调制映射发端基带滤波收端接口处理收端信道处理收端解调映射收端基带滤波比特流及时钟输入比特流及时钟输出复接、分接扰码、去扰纠错、交织均衡、去干扰扩频映射二进/多进映射基带成形匹配滤波基带复矢量信号输出基带复矢量信号输入系统组成（3）：中频单元框图复数调制器中频放大滤波复数解调器中频信道处理AGC中频放大收端中频滤波发送中频信号输出接收中频信号输入基带复矢量信号输入基带复矢量信号输出发端中频本振载波时钟同步系统组成（4）：射频单元框图上变频器射频功率放大下变频器射频信道处理射频前置放大收端射频滤波发送射频信号输出接收射频信号输入接收中频信号输出发端射频本振收端射频本振发送中频信号输入发端射频滤波频率控制系统组成（5）：天线单元框图发送射频信号输入接收射频信号输出天线收发双工FDD/TDD发射信号接收信号系统组成（6）：等效基带原理发送信号：s(t)=a(t)cos0t+(t)=Reu(t)exp(j0t)其中：u(t)=a(t)exp(j(t))=x(t)+jy(t)叫作等效基带信号，亦称复包络。正交调制及正交解调可以等效为复数乘法器。带通滤波器可以等效为复数低通滤波器。无线传播信道可以等效为时变的复数低通网络。信道非线性（包括：调制、解调和放大器的非线性）也可以进行复数低通等效。带通噪声可以等效为复数低通噪声系统组成（7）：调制解调的基带等效合路costsintx(t)y(t)S(t)分路cost-sintx(t)y(t)S(t)S(t)=x(t)+jy(t)exp(jt)x(t)=ReS(t)exp(-jt)y(t)=ImS(t)exp(-jt)系统组成（8）：带通滤波的基带等效00H()HB()HB(－0)=H()，0HB(－－0)=H(－)，0H()＝HB(－0)＋HB(－－0)系统组成（9）：无线传输的基带等效模型调制映射解调映射HT()HR()HC()N(t)复数噪声二进制码流输出二进制码流输入多进制复符号多进制复符号发端响应收端响应信道响应性能指标多址方式双工方式调制解调方式信道编码方式信源编码方式发送频谱发送功率信道速率误码门限工作频段及频谱安排传输距离及传输方式传输容量传输质量业务方式供电方式及耗电量环境条件可靠性性能指标（1）：概述性能指标（2）：工作频段及频谱安排工作频段：根据频谱规划，划分给该项业务的工作频率范围。波道配置：根据频谱规划，在工作频段内划分出若干个波道，供用户选用。收发配置：根据频谱规划，在工作频段内划分出发送和接收子频段。频段宽度波道间隔收发频差ffff1f1'f1f2性能指标（3）：传输距离和传输方式传输距离地面视距传播：取决于天线高度、工作频段和地形，一般50公里以内。地面绕射传播：一般20公里以内。对流层传播：一般几百公里。电离层传播：可达几千公里。卫星传播：洲际传播传输方式单工点对点方式。双工点对点方式。中继（或称接力）方式－有源中继－无源中继地面点对多点方式卫星点对多点方式平流层气球方式传输容量传输容量指对用户有效的传输信息容量传输容量表示方法－用总的电话路数来表示，如：M16路，PCM30路等－用PDH的群路数来表示，如：1E1，4E1等－用有效传输的比特率来表示，如：2Mb/s，8Mb/s传输容量有时还要考虑一些附加的信息性能指标（4）：传输容量和信道速率信道速率信道速率指在无线信道中传送的总速率，一般用比特率表示信道比特包括：用户信息比特和辅助信息比特辅助信息比特如：－信道编码比特－勤务和监控比特－帧同步比特性能指标（5）：传输质量和误码门限传输质量数字信号传输质量之一：误码，包括：－长时间统计的零星误码－短时间统计的误码超过某个值（如：10-3，10-6)的时间百分数数字信号传输质量之二：同步，包括：－时钟抖动－时钟丢失误码门限无线传输系统的重要性能指标为达到一定误码率所需要的最小接收电平，称为该系统的误码门限误码门限计算公式：Pr0=NFkT0fbEb/N0其中：NF为噪声系数，k为玻尔兹曼常数，T0为绝对温度，fb为信道速率，Eb/N0为保证一定误码率所需要的归一化信噪比性能指标（6）：双工方式频分双工（FDD）时分双工（TDD）发滤波收滤波发送信号接收信号去天线发开关收开关发送信号接收信号去天线环行器TDD控制性能指标（7）：调制解调方式调制方式模拟调制及数字调制常用数字调制方式：FSK、MSK、GMSK、TFMBPSK、QPSK、8PSK16QAM、64QAM、256QAM全数字实现方法任何调制都可以正交展开，即用复包络表示解调方式模拟解调和数字解调数字解调－相干解调－非相干解调同步问题的重要性－载波同步－时钟同步全数字解调算法性能指标（8）：信道编码方式信道编码的目的：－消除由于信道不理想所带来的误码－在理想信道上取得一定的功率增益考虑原则：－系统对信道编码的要求－系统能提供多少冗余度常用的信道编码：－分组码－卷积码－Turbo码纠错编码和交织结合纠错编码和调制结合代数译码和概率译码性能指标（9）：信源编码方式语音压缩编码增量调制（M）16Kb/s，32Kb/s脉冲编码调制（PCM）64Kb/s自适应差分脉码调制（ADPCM）32Kb/s其它中低速语音编码16Kb/s，8Kb/s，4.8Kb/s，2.4Kb/s图象压缩编码JPEG，静止图象32,64,128Kb/sH.261，会议电视64,128,384,1920Kb/sMPEG-1，存储媒体2Mb/s以下MPEG-2，数字电视2Mb/s以上性能指标（10）：发送频谱和发送功率发送频谱框架发送功率为了保证有一个较好的电磁环境，无线通信系统的发送功率有较严格的规定。发送功率的等级：－无绳电话：毫瓦级－移动电话：瓦级－微波通信：十瓦级－卫星通信：百瓦级f0f主瓣宽度：BB带外辐射：LLdB性能指标（11）：供电方式及耗电量供电方式交流供电、直流供电间断供电、不间断供电各种方式：－220V电网－发电机－太阳能－蓄电池－干电池耗电量无线通信系统的重要指标降低耗电量的方法：－减少整个系统的传输损耗，减少发射功率－采用效率高的功率器件－提高电源变换器的效率性能指标（12）：环境条件温度条件－保证指标的温度范围－保证工作的温度范围－储存的温度范围湿度条件冲击及振动条件电磁干扰条件腐蚀条件特种条件温度条件举例民品：5400C保证指标0450C保证工作军品－10450C保证指标－20500C保证工作性能指标（13）：可靠性可靠性基本关系失效率：在单位时间内从正常转为失效的概率平均无故障工作时间T。T＝1/可靠度p：无故障工作的概率。p=exp(-t)可用率P。P＝t工作/(t工作+t中断)无线通信的可靠性包括：设备可靠性和传播可靠性。为提高设备可靠性：－采用高可靠性的元件－采用设备的备份措施为提高传播可靠性：－在传播能力上留有余量－采用抗信道衰落技术－采用波道的备份措施技术体制技术体制（1）：考虑原则有效性：在给定的频率、功率和空间条件下实现最大的传输容量。可靠性：在给定的信道衰落和干扰条件下实现最好的业务质量。灵活性：为固定及移动用户提供最灵活的无线接入手段。实用性：成本、体积、重量、耗电等。技术体制（2）：关于有效性信源编码技术：采用有效的信源编码技术，在保证原始消息质量的条件下，尽可能压缩传输所需的比特率。调制技术：采用高效率的调制技术（包括频谱成形技术），尽可能压缩传输给定比特率所需的带宽。蜂窝技术：控制发射机的功率，在通信区域内划分出许多蜂窝状小区，从而提高无线频谱的利用率。智能天线技术：利用天线的自动定向或扇区划分，在通信区域内形成许多定向的小区，从而提高无线频谱利用率。技术体制（3）：关于可靠性冗余度技术：－纠错编码，比特上的冗余度；－扩频与跳频，频率上的冗余度；－电平储备，功率上的冗余度；－备份切换，设备上的冗余度。抵销技术－均衡，用频域或时域的方法校正信道的传递函数；－分集，用多重频率、时间或天线接收的信号抵销多径效应；－多用户检测；－自适应干扰抵销。技术体制（4）：关于灵活性无线多路无线多路是无线通信灵活性的表现之一。无线多路一般遵循多路电话的标准，如：PDH的基群、二次群等，SDH的STM-1等。采用TDM体制。无线通信还能提供灵活的旁路业务。无线多址无线多址接入是无线通信灵活性的表现之二。采用FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等多址接入技术。既能固定接入，也能移动接入。在蜂窝移动系统中，越区和漫游技术的重要性。技术体制（5）：关于实用性便携性便于携带，是无线通信作为个人通信物理层基础的重要特点。为了满足便携性，对个人便携终端（如：手机）的体积、重量、功耗都提出了很高的要求。为解决此问题需要综合的技术。经济性随着个人通信的发展，无线通信已从传统的投资类产品转化为市场巨大的消费类产品。在市场竞争的推动下，无线通信产品的成本价格必须大幅度下降。降低成本的关键：采用系统集成技术和批量生产技术。技术规范技术规范（1）：概述无线通信技术规范的重要性－无线频谱的合理使用－无线系统的干扰协调－无线用户的入网接口－无线设备的跨域漫游无线通信技术规范的核心－无线传输技术（空中接口技术）－无线入网技术技术规范（2）：标准系列国际电联的标准：CCIR、CCITT、ITU世界各国的地区性标准－欧洲标准－北美标准－日本标准我国标准－国家标准－部门标准技术规范（3）：无线法规由国家无线电管理委员会制定无线电法规，作为国家行政法规颁布。各种无线产品必须符合无线法规制定的入网标准。各种无线产品的研制、生产、引进、使用都必须向主管部门（各级无委会）申报，特别是无线发射机。各项无线通信工程的设计、施工和运营都必须向主管部门（各级无委会）申报，特别是使用频率。违反国家无线法规的行为都属于违法行为。技术规范（4）：频谱规划无线频谱的使用由国家无委会统一规划，并实行许可证制度。频谱规划种类：广播电视、射电天文、雷达定位、民用通信、军用通信等。民用通信举例：微波通信、卫星通信、移动通信、无线寻呼、无绳电话、无线数据等。频谱规划中允许不同业务共享某个频段，但在技术上和管理上要做好协调。技术规范（5）：数字微波技术规范工作频段：2GHz，4GHz，6GHz，8GHz，11GHz等传输容量：小容量2Mb/s，8Mb/s中容量34Mb/s，68Mb/s大容量140Mb/s，155Mb/s传输质量：高误码，误码率超过110－3的时间百分数低误码，误码率超过110－6的时间百分数零星误码不超过110－9传输距离：2500Km，1000Km，300Km技术规范（6）：扩频微波技术规范工作频段：2.4-2.4835GHz,5.725-5.85GHz无需许可证频段传输容量：不小于250kbits/s扩谱方式：直接序列扩谱（DSSS），扩频比为11跳频扩谱（FHSS），跳频速率为2.5次/秒发射功率：不大于100mW峰值功率密度：不大于－10dBW/100KHz（跳