6章现代无线通信信号处理技术

2020/2/131电磁场与电磁波6章现代无线通信信号处理技术云南大学信息学院宗容[e-mail]13700687824电磁场与电磁波—6章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术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章现代无线通信信号处理技术2020/2/1315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章现代无线通信信号处理技术2020/2/1316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章现代无线通信信号处理技术2020/2/13176.1.2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、多普勒效应和接收天线的空间选择性引起的快衰落。快衰落描述小尺寸区间（数个波长）范围内接收功率瞬时值的快变化特性。)()()(dRdsddPnr电磁场与电磁波—6章现代无线通信信号处理技术2020/2/1318表1不同环境下的路径损失指数环境自由空间城区(蜂窝式)城市阴影区(蜂窝式)楼房(直射)楼层(被阻塞)工厂(被阻塞)路径损失指数n22.7～3.53～51.6～1.84～62～3表21.8GHz蜂窝式移动通信中典型环境下的扩展值地理环境时延扩展(L)角度扩展(φ)多普勒频率扩展(B)室内0.1μs360°5Hz农村0.5μs1°190Hz都市5μs20°120Hz丘陵20μs30°190Hz小区0.2μs120°10Hz电磁场与电磁波—6章现代无线通信信号处理技术2020/2/1319理论分析表明：时延扩展的均值Δτ与相干带宽BC的关系为BC=1/2πΔτ。多普勒扩展FS与相关时间的关系为FS≈1/TC，若同时考虑时延扩展和多普勒扩展，信道特性可建模为上式中，S(τ;v)被称为散射函数(ScatteringFunction)。若对某一市区，查得以上三类扩展分别为FS=120Hz，Δτ=5μs，φ=20°，则BC=1/Δτ=200KHz，TC=1/FS=83μs，RC=λ/4=360ºλ/2π(20º)=3λ。可见为了克服以上三类扩展，可分别采用不同的技术手段。克服空间选择性衰落可采用空间分集手段，但是分集接收机间的距离应大于3λ；克服频率选择性衰落可采用Rake接收方式，但是在设计Rake接收时，其频率相关区间一定要大于200KHz，才有多径分集效果；克服时间选择性衰落可采用信道交织技术，但交织区间一定要大于83μs。);();();(2vSdtethvHvtj电磁场与电磁波—6章现代无线通信信号处理技术2020/2/13206.1.3无线通信信号处理技术现代通信中，针对不同的信道特性，提出了不同的信号处理技术。（1）信道宽带无限，信道仅受噪声的影响，这时可采用相关接收机或匹配滤波器技术；（2）若在信道带宽B内，=常数，=常数，则称信道为理想信道.反之，称为非理想信道。对h（f）一定的信道，可通过信号设计来消除符号间干扰ISI（IntersymbolInterference）。例如，可采用无符号干扰的带限信号设计准则（Nyquist）和具有受控ISI的带限信号设计准则（部分响应技术）；BfBfefhfhfj0)()()()(fhdffd/)()2/1(电磁场与电磁波—6章现代无线通信信号处理技术2020/2