通信技术与系统应用-2013.第2讲.pptx

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1、第2讲1提纲上一讲回顾上一讲回顾第二章第二章 电波的传播特性电波的传播特性2.1 无线电波2.2 电波传播中的衰落2上一讲回顾上一讲回顾考试方式：期末全开卷（60%）+平时成绩（40%）总结：通信原理，图例，与实际结合，科普。交作业邮箱：课件下载：邮箱：密码：wireless20123提纲第一章第一章1.1 移动通信概念1.2 移动通信的发展1.3 移动通信系统的工作方式及组成移动通信系统的工作方式及组成41.3移动通信的工作方式l单工方式单工方式：信息在两点之间只能单方向发送的工作方式 （如：寻呼系统）l双工方式双工方式：指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行（如：普通市话系统）51

2、.3移动通信的工作方式l半双工方式半双工方式：信息在两点之间能够在两个方向上进行发送，但不能同时发送的工作方式，专用于移动通信系统（如汽车调度（车载GPS安全系统）等）l准双工方式准双工方式：移动台的发射机在发话时工作，而移动台的接收机总是工作的（如蜂窝移动通信系统，手机通信系统）6 接收机常开，发射机只在有信号 需发射时才开 优点：移动台省电 减少空中干扰电平1.3 移动通信系统的组成移动通信一般由移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心（MSC）及与市话网（PSTN）相连接的中继线等组成71.3 移动通信系统的组成MS、BS均有一套收、发信机和天馈系统无线小区：BS天线覆盖范围影响无

3、线小区大小的因素发射功率（传播衰耗）基站天线高度（视距传播特性）通过BS、MSC就可以实现在整个服务区内任意两个移动用户之间的通信经过中继线与市话局连接，实现移动用户和市话用户之间的通信，从而构成一个有线、无线相结合的移动通信系统8移动通信中信号的基本处理过程GSM移动台工作原理框图9发射信号处理语音编码信源编码，用于将模拟信号变成数字信号以便在信道中传输信道编码主要是为了纠错，有分组码和卷积码交织编码是在解码比特流中降低传输突发差错数字信号调制利用数字信号对射频载波进行调制。变成适合传输的信号变频调制后的信号需要上变频到发射频率10接收信号处理接收射频信号处理均衡利用均衡器产生的信道模型可以

4、解决在传输中可能出现的差错，GSM系统中采用了Viterbi均衡11移动通信系统的业务基本业务电话业务、紧急呼叫业务短消息业务、语音信箱业务、传真和数据通信业务补充业务号码识别补充业务类、呼叫提供类补充业务、呼叫限制类补充业务等增值业务手机银行、手机证券、手机邮箱、信息点播、彩信、随e行、手机+笔记本上网、WAP等12常用移动通信按使用对象可分为：民用设备和军用设备按使用环境可分为：陆地通信、海上通信和空中通信；按多址方式可分为：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等；按覆盖范围可分为：广域网和局域网；按业务类型可分为：基本业务、补充业务和增值业务网；按工作方式可分

5、为：同频单工、异频单工、异频双工和半双工；按服务范围可分为：专用网和公用网；按信号形式可分为模拟网和数字网。 13作业1. 什么是移动通信？移动通信与无线通信的区别与联系是什么？2. 移动通信常用的工作方式有哪些？公用蜂窝移动电话系统使用那种？3. 移动通信系统在语音信号传输中需要对信号作哪些处理？4. 报告： LTE采用什么技术以及其商用系统的进展情况（交电子档，可在网上搜索其相关内容-是开放性问题，Open problem）14提纲上一讲回顾上一讲回顾第二章第二章 电波的传播特性电波的传播特性2.1 无线电波2.2 电波传播中的衰落15第二章第二章 电波的传播特性电波的传播特性一一. 无线

6、电波的概念无线电波的概念 无线电波是一种能量传输形式，电场和磁场在空间交替变换，向前行进。在传输过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时，这两者又都垂直与传播方向。16电磁波的传播17电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场无线电波的传播特性无线电波的传播特性3、波长、频率和传播速度的关系 可用式 / 表示。其中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫兹；为波长，单位为米。18波长波长8Vc /3*10 m/s194、无线电波频段的划分频段名称频段名称频率范围频率范围波长范围波长范围长波长波30300KHz100010000m中波中波3003000KHz10

7、01000m短波短波330MHz10100m超短波超短波30300MHz（VHF）110m微波微波0.33GHz（UHF）10 cm1m330GHz110cm30300GHz110mm205、VHF、UHFVHF：甚高频（：甚高频（30MHz300MHz）。目前使用情况：）。目前使用情况：150MHz （对讲机频段）（对讲机频段） UHF：特高频（：特高频（300MHz3000MHz）。目前使用情况：）。目前使用情况：450MHz、800MHz、 900MHz（中国手机频段中国手机频段）、）、1800MHz（中国手机频段中国手机频段）、）、1900MHz（美国手机频段美国手机频段）、2000M

8、Hz为何移动通信通信主要使用为何移动通信通信主要使用VHF和和UHF频段？频段？ （1）VHF/UHF频段适合于移动通信：频段适合于移动通信： 从从VHF/UHF频段电波的传播特频段电波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，而大部分车辆的日常移动性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这个频段适合于移动通信。半径在几十公里范围内，因此，这个频段适合于移动通信。 （2）天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使用的无线较）天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使用的无线较短便于移动。短便于移动。 （3）抗干扰能力强：）

9、抗干扰能力强：VHF/UHF频段，可以使用较小的发射功率获得及频段，可以使用较小的发射功率获得及爱好的信噪比。爱好的信噪比。216、超短波的传播目前目前GSM和和CDMA移动通信使用的频段都属于移动通信使用的频段都属于UHF（特（特高频）超短波，其高端属于微波。高频）超短波，其高端属于微波。超短波和微波又称空间波，空间波一般只能沿直线方向超短波和微波又称空间波，空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方传播到直接可见的地方。227、电波传播方式 发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率，当频率f30 MHz时，典型的传播通路

10、如图所示。时，典型的传播通路如图所示。发射天线接收天线23二、直射波 直射波传播可按直射波传播可按自由空间传播自由空间传播来考虑。来考虑。 所谓所谓自由空间自由空间传播系指天线周围为传播系指天线周围为无限大真空时无限大真空时的电波传播的电波传播，它是理想传播条件。，它是理想传播条件。特点：特点：电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。吸收，也不会产生反射或散射。l产生原因：由于辐射能量的扩散而引起的。产生原因：由于辐射能量的扩散而引起的。直射波传播损耗直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗可看成自由空间的电波传播损

11、耗：)(201)(20144.32)(zfsMHgfkmgddBLl结论：结论：自由空间电波传播损耗只与工作频率自由空间电波传播损耗只与工作频率f和传播距离和传播距离d有有关。当关。当f或或d增大一倍时，增大一倍时，Lfs将分别增大将分别增大6dB。24自由空间传播模型一般用于预测接收机和发射机自由空间传播模型一般用于预测接收机和发射机之之间完全无阻挡的视距路径间完全无阻挡的视距路径是接受的场强，比如卫星是接受的场强，比如卫星通信系统和微波视距通信的无线链路就是典型的自通信系统和微波视距通信的无线链路就是典型的自由空间传播。由空间传播。l结论：结论：自由空间电波传播损耗只与工作频率自由空间电波

12、传播损耗只与工作频率f和传播距离和传播距离d有有关。当关。当f或或d增大一倍时，增大一倍时，Lfs将分别增大将分别增大6dB。l自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。25三、大气中的电波传播 特点：折射、能量吸收特点：折射、能量吸收 由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。对电波的折射。结论：结论：大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因大气折

13、射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。会产生多径衰落。障碍物会带来绕射损耗。障碍物会带来绕射损耗。26四、反射波产生反射的条件：产生反射的条件：两种不同介质的光滑界面两种不同介质的光滑界面界面尺寸比波长大得多界面尺寸比波长大得多TaobcRhrd1d2ht27结论结论：反射波与直射波的合成场强随反射系数反射波与直射波的合成场强随反射系数R和路径差和路径差d变变化。有时同相相加，有时反相抵消，因此造成了合成波化。有时同相相加，有时反相抵消，因此造成了合成波的衰落现象。的衰落现

14、象。故在固定选址中，尽量减弱地面反射。故在固定选址中，尽量减弱地面反射。 28五、视距传播的极限距离 由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。视线所能到达的最远距离称为视线所能到达的最远距离称为视线视线距离距离d0（见下图见下图）。 29已知地球半径为已知地球半径为R= 6370km，设发射天线和接收天线高度分，设发射天线和接收天线高度分别为别为hT和和hR（单位为（单位为m），理论上可得视距传播的极限距离），理论上可得视距传播的极限距离d d0 0为为: :l实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播

15、轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径后，在标准大气折射情况下，等效地球半径R= 8500km，可得修正后的视距传播的极限距离可得修正后的视距传播的极限距离d d0 0为：为：l由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远视线距离越远。)()()(57. 30kmmhmhdRT)()()(12. 40kmmhmhdRT30六、绕射损耗 在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引

16、起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。常将这种损耗称为绕射损耗。设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中x x表示障碍物顶点表示障碍物顶点P P至直线至直线TR之间的垂直距离，在传播理之间的垂直距离，在传播理论中论中x x称为菲涅尔余隙。称为菲涅尔余隙。 图图 菲涅尔余隙菲涅尔余隙（a）中所示的）中所示的x被定义为负值。被定义为负值。 （b）中所示的）中所示的x被定义为正值。被定义为正值。 提纲上一讲回顾上一讲回顾第二章第二章 电波的传播特性电波的传播特性2.1 无线电波2.2 电波传播中的衰落3132一、信道分类按信道特性参数的变化状态

17、分类：按信道特性参数的变化状态分类：（1）恒参信道：指传输信道特性的变化量极微且变化速度）恒参信道：指传输信道特性的变化量极微且变化速度极慢。即，在足够长的时间内，其参数基本不变。极慢。即，在足够长的时间内，其参数基本不变。 （2）变参信道：指传输特性的参数随时间变化极快。）变参信道：指传输特性的参数随时间变化极快。 移动信道即为典型的移动信道即为典型的“变参信道变参信道”。33镜面发射：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇镜面发射：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是

18、产生多径衰落的主要因素。主要因素。漫反射：漫反射产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在实漫反射：漫反射产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。当发射机和接收机之间不存在视距路径（生绕射。当发射机和接收机之间不存在视距路径（LOSLOS，Line of Line of sightsight）（视距路径是指移动台可以看见基站天线；非视距（）（视距路径是指移动

19、台可以看见基站天线；非视距（NLOSNLOS）（非视距是指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯（非视距是指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲。曲。二、传播路径与信号衰落二、传播路径与信号衰落l在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。射、绕射和散射。34建筑物反射波建筑物反射波 绕射波绕射波 直达波直达波 地面反射波地面反射波1、多径传播模型、多径传播模型352、多径效应与瑞利衰落：、多径效应与瑞利衰落：l在陆地移动通信系统中，移动台往往受到各种障碍物和其他在陆地移动通信系统中，移动台往往受到

20、各种障碍物和其他物体的影响，以致到达移动台的信号是物体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的来自不同传播路径的信号之和信号之和。其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大。其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化的起伏变化 ，这种衰落称之为，这种衰落称之为快衰落或瑞利衰落快衰落或瑞利衰落。3、阴影效应与慢衰落：、阴影效应与慢衰落：l电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，其局部中值

21、电平随地点、时间阻挡所造成的电磁场阴影时，其局部中值电平随地点、时间以及移动台速度做比较平缓的变化，以及移动台速度做比较平缓的变化， 称为慢衰落。称为慢衰落。 在蜂窝移动通信中，信道工作于符合瑞利分布的快衰落在蜂窝移动通信中，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。36三. 多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（Doppler Shift），可用下式表示

22、：），可用下式表示： iyxSi(t)基站天线37 多普勒频移 由于移动台移动而产生的由于移动台移动而产生的 频率偏移现象称为频率偏移现象称为多普勒效应多普勒效应。l式中，式中，v为车速，为车速，为波长，为波长，fm为为i=0时的最大多普勒频移。时的最大多普勒频移。l影响：使工作频率产生小范围的影响：使工作频率产生小范围的“晃动晃动”，对采用载波提取，对采用载波提取方式进行解调的接收机有影响方式进行解调的接收机有影响。频域干扰频域干扰coscosmDfvf38多径效应时间接收信号强度发射信号发射信号接收技术无线环境接收技术无线环境- -多径效应多径效应39衰落距离距离(m)接收功率接收功率(d

23、Bm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快衰落l 在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落衰落402、衰落有什么影响？衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步同步衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅

24、速，衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。影响某些跟踪过程。所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的问题。所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的问题。413、如何对抗衰落？频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号波形由于信号中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。将产生失真。非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无非频率选择性衰落是指信号中各

25、分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。相关带宽时，发生频率选择性衰落。423、如何对抗衰落？l非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低.l统计特性统计特性:平均接收电平及接收电平降低到某个门限值以平均接收电平及接收电平降低到某个门限值以下的概率下的概率.l抗衰落原理：衰落储备法。抗衰落原理：衰落储备法。l衰落储备的实现方法：减少通信距离；增加发送功率；衰落储备的实现方法：减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由，降低噪声系数及对归一调整天线高度；选择合适路由，降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等。化信噪比的要求等。