射频集成电路设计基础10

东南大学射频与光电集成电路研究所,Oct-26,2003《射频集成电路设计基础》讲义↵无线通信系统‰引言‰无线通信的发展‰问题和挑战‰频率重用和蜂窝结构‰无线信道的一般特性‰多径传输与信道模型‰调制方式‰与射频工程师的关系‰参考文献射频集成电路设计基础无线通信系统引言1of23↵引言•什么是无线通信–以电磁波为载体、无需物理媒质的通信方式•个人无线通信迅猛发展的原因–技术因素：通信与网络理论、DSP、VLSI(微电子)和射频技术–政府方面：无线通信频段的划分和管理–市场因素：人们的“迁移率”越来越高，对移动通信的需求也越来越大•对射频技术的要求–高频、宽带、高灵敏度、大动态范围、低功耗的接收机–高效率、高线性度的发射机–小体积、低成本射频集成电路设计基础无线通信系统无线通信的发展2of23↵无线通信的发展•移动电话/通信首次出现在1946年，用于救护车、警车、出租车等的调度，大功率、大体积、大范围、低话质•随着固态电路技术的成熟，移动电话趋向于小型化，模拟蜂窝系统形成–寻呼机(Pager)–1983年AMPS1在美国获FCC2批准–类似的系统也开始在欧洲和日本提供服务–80年代中期无绳电话(CordlessPhone)出现•Pager和AMPS的成功刺激了对个人无线通信的需求，80年代中期随着集成电路技术和通信理论的迅速发展，数字蜂窝(DC)系统逐步成为主流，主要代表有GSM、CDMA(IS-95)、PHS、CT-2等1.AmericanMobilePhoneSystemsorAdvancedMobilePhoneService2.FederalCommunicationCommission射频集成电路设计基础无线通信系统无线通信的发展3of23↵•个人通信系统1(PCS)将频段拓展至1800MHz和1900MHz，并与DigitalCellular统称为第二代个人无线通信系统–蜂窝结构：更全面的覆盖范围–手机：小巧、便宜、低功耗、个人化–服务：除语音外更多样的服务种类和较低廉的收费•“二代半”(2G+)系统–GPRS(GeneralPacketRadioService，通用包无线业务)，多时隙工作–EDGE(EnhancedDataforGSMEvolution，GSM演进的增强型数据率)，使用较宽的频带和高效的调制方式•3G•Bluetooth、无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)1.这里的个人通信系统是一个狭义的概念，与工作在800-900MHz的数字蜂窝电话系统相区别射频集成电路设计基础无线通信系统问题和挑战4of23↵问题和挑战•有限的频带宽度–有限频谱资源的共享、频谱利用率的提高•噪声和干扰的普遍存在–热噪声(ThermalNoise)以及各种环境噪声–同信道干扰(Co-channelInterference)–相邻信道干扰(AdjacentChannelInterference)–来自其它系统的干扰和阻塞(Blocking/Jamming)•无线信道的特性(不理想性)–路径损耗(PathLoss)–遮蔽效应(ShadowingEffect)–多径衰落(Multi-pathFading)–时变性(Time-varying)射频集成电路设计基础无线通信系统问题和挑战5of23↵•有限的天线尺寸–难以达到最佳的收发效果•有限的电池电量–低功耗设计至关重要•移动带来的管理问题–小区(Cell)之间的切换(Hand-off)–地区之间的漫游(Roaming)•这些问题的解决必须以保证通信质量为基础射频集成电路设计基础无线通信系统频率重用和蜂窝结构6of23↵频率重用和蜂窝结构•蜂窝(Cellular)的概念始于五、六十年代f1f1f1f1f1f1f17小区重用方案简单的蜂窝系统射频集成电路设计基础无线通信系统频率重用和蜂窝结构7of23↵•混合小区重用方案射频集成电路设计基础无线通信系统无线信道的一般特性8of23↵无线信道的一般特性•电磁波的传播–反射(Reflection)：障碍物远大于信号波长–绕射(Diffraction)：障碍物具有尖锐边角的物体–散射(Scattering)：障碍物为许多细小(与波长相比)的物体，如雨点•路径损耗(PathLoss)–在自由空间，天线所接收到的信号功率为(1)其中Pt,Gt,Gr分别为发射功率、发射天线增益和接收天线增益，c,d,λ和fc分别为光速、传输距离、载波波长和频率；用对数形式表示(2)PrPtGtGr4πdλ⁄()[]2-----------------------------c2PtGtGr16π2-----------------------1d2-----1fc2----⋅⋅==PrdBm,10PtlogC20fclog–20dlog–+=射频集成电路设计基础无线通信系统无线信道的一般特性9of23↵C为常数；路径损耗可定义为(3)–这里的损耗和衰减指数(pathlossexponent)为2，表示距离每增加一倍信号衰减6dB；在拥挤的城市或建筑物内可以达到4以上•遮蔽效应(ShadowingEffect)–信号随距离的衰减并不是平滑的，当信号穿越各种障碍物(如建筑物、山丘、树林等)，或被反射时，会使损失能量，许多次的损失之和如果用对数表示服从高斯(Gaussian)分布，其平均值即为对应的路径损耗Table1:电磁波在不同环境中的衰减指数(pathlossexponent)Freespace2Urbanareacellular2.7to3.5Shadowedurbanarea3to5Inbuildingline-of-sight1.6to1.8Obstructedinbuilding4to6PLdBPtdBm,PrdBm,–C–20fclog20dlog++==射频集成电路设计基础无线通信系统无线信道的一般特性10of23↵•多径衰落(MultipathFading)发射天线发送的信号在到达接收天线之前会被不同的障碍物反射多次，形成多条路径，每条路径的信号都经过不同程度的衰减和延迟(相移),它们在接收天线处迭加，相位接近时信号增强，相位相反时信号减弱。在几个波长(λ=0.3m@1GHz)的范围内，信号幅度(包络)的起伏可以达到几十dBDelay=d1Delay=d2ttTXRXd1d2射频集成电路设计基础无线通信系统无线信道的一般特性11of23↵–如果信号路径非常之多，那么根据中心极限定理(TheCentralLimitTheorem)，接收到的信号将服从一定的分布规律：信号幅度呈Rayleigh分布(在6%的时间内幅度衰减大于10dB)，而相位则在0到2π上均匀分布射频集成电路设计基础无线通信系统无线信道的一般特性12of23↵•三层模型–路径损耗模型用于系统规划»小区覆盖范围»频率复用系数的确定等–遮蔽效应模型»功率控制»为系统规划提供更细致的分析–多径衰落模型：»物理层设计：编码器、解调器、交织编码器(Interleaver)等射频集成电路设计基础无线通信系统多径传输与信道模型13of23↵多径传输与信道模型•平坦衰落信道(FlatFadingChannel)–信号的多径传输决定了信道的频率特性假设发射频率为ω的正弦波，信号经过两路不同延时(相同衰减)在接收端汇合成，即(4)可见由于存在不同延时的多条传输路径，信号不仅产生了相移，而且发生了衰减，衰减幅度取决于信号频率及路径间的时延差xt()Aωtτ1–()cosωtτ2–()cos+[]=xt()2Aωτ1τ2–()2-------------------------cosωtωτ1τ2+()2-------------------------–cos⋅⋅=ωτ1τ2–()2------------------------cos1τ1τ2–---------------ωτ1τ2–()2------------------------cos1τ1τ2–---------------ffChannelChannelFlatfadingfrequency-selectivefading射频集成电路设计基础无线通信系统多径传输与信道模型14of23↵–TimeDelaySpread：不同路径间的总时延差为∆τ，若基带信号周期(码元宽度)TS∆τ,那么对于单个信道来说，可以认为各频率点的衰减都相同，或者说这是一个是平坦衰落信道ttimedelayspread∆τSymbolPeriodTSf1f2f射频集成电路设计基础无线通信系统多径传输与信道模型15of23↵•频率选择性衰落信道(FrequencySelectiveFadingChannel)–∆τTS时，信道的频率相应相对于信号带宽起伏很大，信号频谱会受到很大破坏–在时域中，由于各条路径的延时差大于码元宽度，在接收时会造成码元之间的相互干扰而形成严重的码间干扰(ISI)射频集成电路设计基础无线通信系统多径传输与信道模型16of23↵•时变信道–接收机或环境中物体的位置移动会造成信号延时和衰减随时间变化，或者说信道是时变的•分集接收(Diversity)衰落是影响通信质量的主要因素。快衰落深度可达30至40dB，加大发射功率来克服衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰。分集接收是抗衰落的一种有效措施。分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立、携带同一信息的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的技术。分集方式–空间分集(SpaceDiversity)»空间分集的依据在于快衰落的空间独立性»在两个不同的位置接收同一信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。»接收机需要两副相隔距离为d的天线，在移动通信中：市区d＝0.5λ;郊区d＝0.8λ;基站：d为几个波长。900MHz的工作频段，d＝0.8λ=0.27m。射频集成电路设计基础无线通信系统多径传输与信道模型17of23↵–时间分集(TimeDiversity)»时间分集的依据在于快衰落的时间独立性»同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响»主要用于衰落信道中的数字信号的传输»RakeReceiverinCDMA»有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落–频率分集(FrequencyDiversity)»频率间隔大于相关带宽的两个信号所受到的衰落是不相关的，因此可用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集»相关带宽Bc＝1/(2π∆),∆为延时扩展，例如市区中∆=3µs，Bc＝53kHz。此时频率分集需要使用两个发射机同时发送同一信号，并用两个接收机来接收信号»设备复杂，频谱利用率低–极化分集(PolarizationDiversity)»两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性射频集成电路设计基础无线通信系统多径传输与信道模型18of23↵»发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号»射频功率分给两个不同极化的天线，发射功率损失3dB–场分量分集»电磁波的E场和H场载有相同信息，但反射机理不同»三个场分量互不相关»适于较低的工作频率(100MHz)，频率较高时，可以采用空间分集»场分量分集不像极化分集那样要损失3dB功率–角度分集»使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端。接收端利用多个方向性尖锐的接收天线分离出不同方向来的信号分量。由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而实现角度分集并获得抗衰落的效果»在较高频率时容易实现射频集成电路设计基础无线通信系统多径传输与信道模型