现代通信技术附：无线通信技术

无线通信技术概述1.无线传播环境及其特性2.无线传输技术天线基本知识调制解调技术抗衰落及抗干扰技术多址技术1.无线传播环境及其特性1.1电波的自由空间传播接收到的功率为：22224444dfcPdPdPPtttr路径损耗为：2244cdfdPPLrtS写成分贝值为：)(lg20)(lg204.92GHzfkmdLS12011010090807060504010－11001011GHz100MHzf＝10MHz102自由空间损耗/dB距离/km图移动信道中自由空间传播损耗1.2电波传播的几何模型①大气折射与等效地球半径0rrKe电波在空间传播中，由于大气中介质密度随高度增加而减小，导致电波在空间传播时会产生折射、散射等。大气折射对电波传输的影响通常可用地球等效半径来表征。地球的实际半径和地球等效半径之间的关系为式中，k称为地球等效半径系数，r0=6370km为地球实际半径，re为地球等效半径。在标准大气折射情况下，地球等效半径系数k=4/3，此时地球等效半径为kmKrre84936370340②电波的反射（如图10.2）③刃型遮挡的影响1.3电波的多径传播和衰落①电波传播的长期慢衰落XLLd由传播路径上固定障碍物的阴影引起，也称为阴影衰落。②电波传播的短期快衰落接收端接收到的信号是发送端的信号经过直射、反射、折射、散射、绕射等的信号的叠加，即接收信号是发送信号经过多径传播后的叠加信号。无线通信系统中，陆地移动信道和短波电离层反射信道是两种典型的具有快衰落特性的随参信道，这种信道具有以下三个特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变化；(2)信号传输的时延随时间随机变化；(3)多径传播。陆地移动通信系统中，基站天线发射的信号经过多条不同的路径到达移动台。假设发送信号为单一频率正弦波，即s(t)=Acosωct多径信道一共有n条路径，各条路径具有时变衰耗和时变传输时延且从各条路径到达接收端的信号相互独立，则接收端接收到的合成波为式中，ai(t)为从第i条路径到达接收端的信号振幅，τi(t)为第i条路径的传输时延。传输时延可以转换为相位的形式，即r(t)=式中1()cos[()]niciiatwttr(t)=a1(t)cosωc［t-τ1(t)］+a2(t)cosωc［t-τ2(t)］+…+an(t)cosωc［t-τn(t)］1()cos[()()]niciiatwtticitt(2)(3)为从第i条路径到达接收端的信号的随机相位。(1)式(2)可变换为11()()coscos()sinsinnniiciiciirtatwtatwt()cos()sinccXtwtYtwt式中1()()cosniiiXtat1()()sinniiiYtat由于X(t)和Y(t)都是相互独立的随机变量之和，根据概率论中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋于正态分布。(4)因此，当n足够大时，X(t)和Y(t)都趋于正态分布。通常情况下X(t)和Y(t)的均值为零，方差相等，其一维概率密度函数为)2exp(21)(22xxxxf)2exp(21)(22yyyyf且σx=σy。式(4)也可以表示为包络和相位的形式，即r(t)=V(t)cos［ωct+φ(t)］(5)(6)式中φ(t)=arctan对于陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信道，其路径幅度ai(t)和相位函数φi(t)随时间的变化与发射信号载波频率相比要缓慢得多。因此，相对于载波来说V(t)和φ(t)是慢变化随机过程，于是r(t)可以看成是一个窄带随机过程。由随机信号分析理论我们知道，包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，相位φ(t)的一维分布服从均匀分布，可表示为()()YtXt22VtXtYt)2exp()(22vvvvvf(8a)(7a)(7b)且有σx=σy=σv=σ。由窄带随机过程分析我们知道，r(t)的包络服从瑞利分布，r(t)是一种衰落信号，r(t)的频谱是中心在fc的窄带谱。(1)多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；(2)从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。20,21f(φ)=其他,0(8b)频率选择性衰落与相关带宽当发送信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选择性衰落。频率选择性衰落是多径传播的又一重要特征。为了分析方便，我们假设多径传播的路径只有两条，信道模型如图3-22所示。其中，k为两条路径的衰减系数，Δτ(t)为两条路径信号传输的相对时延差。当信道输入信号为si(t)时，输出信号为so(t)=ksi(t)+ksi［t-Δτ(t)］(9)图3–22两条路径信道模型kk延迟(t)＋si(t)so(t)So(ω)=kSi(ω)+kSi(ω)e-jωΔτ(t)=kSi(ω)［1+e-jωΔτ(t)］(10)信道传输函数为H(ω)=So(ω)/Si(ω)=k［1+e-jωΔτ(t)］，信道传输特性主要由［1+e-jωΔτ(t)］项决定。信道幅频特性为()()[1]1cos()sin()jtHWkektjt2()()()2cos2sincos222tttkj()()()2coscossin222tttkj()2cos2tk(12)(11)对于固定的Δτi，信道幅频特性如图3-23(a)所示。式(3.3-23)表示，对于信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。显然，信号通过这种传输特性的信道时，信号的频谱将产生失真。当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。特别是当信号的频谱宽于时，某些频率分量会被信道衰减到零，造成严重的频率选择性衰落。)(1t图3–23信道幅频特性|H()|2kOf2i1i1|H()|2kO2(t)1f(a)(b)另外，相对时延差Δτ(t)通常是时变参量，故传输特性中零点、极点在频率轴上的位置也随时间随机变化，这使传输特性变得更复杂，其特性如图3-23(b)所示。对于一般的多径传播，信道的传输特性将比两条路径信道传输特性复杂得多，但同样存在频率选择性衰落现象。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征。设信道最大多径时延差为Δτm，则定义多径传播信道的相关带宽为mCB1(13)相关带宽表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的1/5~1/3。当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，就必须限制数字信号传输速率。2无线传输技术2.1天线基本知识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。①天线方向性全向天线定向天线②波瓣宽度主瓣副瓣③天线增益在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的球形辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，表征参数为dBi。方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。AntennaGainASimplifiedExplanationReceivedsignalstrengthfromanantennawith3dBigainwillbedoublethatfromanantennawhichhas0dBigain,a3dBiincreaseinreceivedsignalstrengthisroughlyequaltodoublingthetransmitterpoweroutput.Receivedsignalstrengthandthereforerangecanbeincreasedbyraisingthetransmitteroutputorbyusingahighergainantenna.Themaximumallowed2.4GHzLIPDVideoTransmitterpoweroutputis10mWEIRP(inAustralia),increasingtransmitterpowerisillegalandthereforenotanoption.Howeverfittingahighergainantennatothereceiverwillproduceresultssimilartoincreasingthetransmitterpower,inverysimpletermsa3dBigainantennaisequivalenttoraisingtransmitpowerfrom10mWto20mW,5dBi~33mW,8dBi~66mW,12dBi~160mW,15dBi~320mW,18dBi~640mW,21dBi~1.28Watts,24dBi~2.56Watts.④天线的极化天线辐射时形成的电场强度方向。垂直极化和水平极化信源电信号调制接收机解调发射机电信号信宿无线信道噪声和干扰消息图：无线通信系统框图2.2调制技术调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。该信号称为已调信号。调制过程用于通信系统的发端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。按照调制器输入信号(该信号称为调制信号)的形式，调制可分为模拟调制(或连续调制)和数字调制。模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制(或改变)载波(正弦波)的振幅、频率或相位，从而得到调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)信号。数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的数字调制有：ASK、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等。无线通信信道的基本特征是：①带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传播特性；②干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；③存在着多径衰落。针对无线通信信道的特点，已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力。即：①已调信号所占的带宽要窄。②经调制解调后的输出信噪比(S/N)较大或误码率较低。数字调制的性能指标•功率有效性：指在一定误码率下，每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比，可表示为：•带宽有效性：指在给定带宽下的数据速率，可表示为：式中，R为数据速率，B为已调信号占用的带宽。bPoEN(/)/BRbsHzB由香农定理：式中，C为信道容量，B为信道带宽，S/N为信噪比。因此，的最大值为：BmaxBNSBC1log2bit/sNSBCB1log2max对于GSM系统，则有：目前，GSM系统的实际数据速率为270.833kb/s，只达到信道容量的40％。200,BkHz10SNRdB=691.886/kbs=2maxlog1103.46BCB(/)/kbsHzNSBC1log2)101(log2002GMSK由于MSK信号不能满足功率谱在邻道取值低于主瓣峰值的60dB,因此引入GMSK。MSK的输入信号0预调制滤波器FM调制不归零(NRZ)图GMSK信号的产生原理输入数据调制指数h=0.5图2.16GMSK的功率谱密度GMSK信号的频谱衰落和邻道干扰BbTb=对应MSK的功率谱/4-QPSK调制根据允许的相位转换的最大值，π/4相移QPSK调制是一种介于QPSK和OQPSK之间的正交相移键控调制方法。它可以采用相干或非相干方式解调。π/4QPSK的最大相移限制在135º，而QPSK是180º，OQPSK是90º。