無線通信基礎(chǔ)課件chapter2

1、無線通信基礎(chǔ)2課程內(nèi)容概要無線通信概論無線信道傳播機(jī)制 無線信道的統(tǒng)計描述寬帶和方向性信道的特性 信道模型無線信道容量 數(shù)字調(diào)制解調(diào)信道編碼 分集均衡 擴(kuò)展頻譜系統(tǒng) 正交頻分復(fù)用 多天線系統(tǒng)無線信道引言道不同，不相為謀。 論語無線信道的特性與有線信道有著顯著地不同，這在很大的程度上決定了無線通信采用的技術(shù)與有線通信有很大的不同。3無線信道傳播機(jī)制 直射反射與透射繞射粗糙表面的散射系統(tǒng)的噪聲和干擾系統(tǒng)的鏈路預(yù)算4無線通信的空間5電磁波的傳輸方式無線通信是利用電磁波可以在空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。電磁波主要有五種傳輸方式:直射反射繞射（衍射）透射散射直射反射散射透射反射繞射6直射

2、定義是指接收機(jī)天線與發(fā)射機(jī)的天線有視距路徑(LoS：Light of Sight)，發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波可以直線傳播到接收機(jī)。典型例子衛(wèi)星通信 微波通信 7直射發(fā)射功率、接收功率發(fā)射天線、接收天線自由空間損耗8功率發(fā)射功率(單位瓦) s(t)為發(fā)射信號。接收功率(單位瓦)r(t)為接收信號。工程上常用dBm來表示功率的大小1W=30dBm，1mW=0dBm，33dBm= W？ ，-10dBm= W？9方向圖 波瓣寬度天線增益全向有效輻射功率天線方向性的主要參數(shù)10方向性圖 方向性因子波瓣寬度（波束寬度）在主瓣最大輻射方向上，天線輻射信號功率密度降低一半(3dB)的任兩點的夾角中，最大的夾角定義為

3、波瓣寬度(HP: Half Power beamwidth)。波瓣寬度越窄，表明方向圖越尖銳，輻射的能量越集中，作用距離越遠(yuǎn)。天線方向性的主要參數(shù)注意是功率密度降低3dB，不是電場強(qiáng)度11天線增益（Antenna Gain）發(fā)射天線增益：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想全向輻射天線在空間同一點處所產(chǎn)生的信號功率密度之比。接收天線增益：理想全向輻射天線發(fā)射的無線信號，在空間同一點處，實際天線與理想全向輻射天線所接收到的信號功率密度之比。一般來說，同一付天線，作為發(fā)射天線或接收天線時，其天線增益是相同的。增益的提高主要依靠減小波瓣寬度，并不是將信號放大了，這與放大器增益不同。全向天線（一般水

4、平方向全向即稱之為全向天線）也可以有天線增益（因為垂直方向可以不是全向的）。全向天線有何優(yōu)點，有何缺點？天線方向性的主要參數(shù)12天線方向性的主要參數(shù)全方向性天線（理想天線） 偶極子天線垂直方向圖水平方向圖垂直全向水平全向垂直定向水平全向13天線方向性的主要參數(shù)增益單位以全方向天線為參考單位dBi以偶極子天線為參考單位dBb增益計算功率相同全向天線增加功率拋物面天線偶極子天線：全向天線接收面積天線有效接收面積其中：偶極子天線相對全方向天線有2.15dBi增益，以dBi表示的天線增益為以dBb表示的天線增益+2.1514有效全向輻射功率(EIRP: Effective Isotropic Radi

5、ated Power) 無線通信接收機(jī)收到的信號，不僅與發(fā)射機(jī)天線的輸入功率有關(guān)，而且與發(fā)射機(jī)天線增益有關(guān)。 為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率， 為發(fā)射天線的天線增益。EIRP可理解為：要達(dá)到此接收強(qiáng)度，如果采用全向天線所需的發(fā)射功率。EIRP主要用于衡量發(fā)射機(jī)發(fā)射信號強(qiáng)度的能力。例：一天線發(fā)射功率為13dBm，發(fā)射天線增益為4dB，則其EIRP為13+4=17dBm。天線方向性的主要參數(shù)或15福利斯(Friis)定律一般表示為對數(shù)形式（dB）自由空間損耗自由空間損耗因子Stutzman and thiele1997L用于空曠無遮擋環(huán)境EIRP16自由空間損耗福利斯(Friis)定律適用于天線遠(yuǎn)場 遠(yuǎn)場條件

6、：拋物面天線偶極子天線17自由空間損耗例：題4.3要求設(shè)計一工作于1GHz，相距90m，直徑15m的拋物面天線，F(xiàn)riis定律能夠用來計算接收功率嗎？解：答：不可以一般情況下遠(yuǎn)場條件都可以滿足，但Friis定律僅適合空曠無遮擋的場合。18自由空間損耗（Friis定律）公式是理想情況下計算路徑損耗的公式，一般可用于衛(wèi)星通信，微波中繼，或作為路徑損耗的參考值使用。例：某通信衛(wèi)星，其信號頻率為2GHz，在距地面1000km時，其路徑損耗為自由空間損耗注意單位非常重要注意應(yīng)用場合19無線信道傳播機(jī)制 直射反射與透射繞射粗糙表面的散射系統(tǒng)的噪聲和干擾系統(tǒng)的鏈路預(yù)算20反射與透射反射定義：發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁

7、波，照射到比波長大的平面物體，發(fā)生發(fā)射。應(yīng)用短波通信（電離層反射，可全球覆蓋）流星余跡遠(yuǎn)距離傳輸透射定義：空氣中的電磁波照射到某一物體時，一部分能量的信號經(jīng)反射、繞射或散射后在空氣中傳播，另一部分能量的信號會直接穿透該物體，在該物體的背面中傳播。室內(nèi)接收流星余跡電離層反射21反射與透射斯涅爾(Snell)定律入射角反射角透射角復(fù)介電常數(shù)介電常數(shù)電導(dǎo)率復(fù)介電常數(shù)入射角=反射角透射波的角度反射與折射定理22反射與透射橫向電性(TE)波和橫向磁性(TM)波23反射與透射TE波TM波的反射系數(shù)在入射角趨近90時變?yōu)?1(幅度為1,相移180)反射系數(shù):復(fù)介電常數(shù)透射系數(shù):24反射與透射分層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)總

8、透射系數(shù)總反射系數(shù)其中電氣長度25反射與透射d-4功率定律 (見附錄4A)雙線模型直射波+一個地面的反射波一般表示為dB形式與自由空間損耗明顯不同接收功率與頻率無關(guān)，但與天線高度有關(guān)接收功率與距離4次方成反比（自由空間為2次方）適用場合L26反射與透射接收功率與距離傳播斷點并不是 n=2與n=4的明顯分界，是平均值n=1.55.5,有時更大注意自由空間傳播27無線信道傳播機(jī)制 直射反射與透射繞射粗糙表面的散射系統(tǒng)的噪聲和干擾系統(tǒng)的鏈路預(yù)算28繞射（衍射）定義電磁波照射到物體的不規(guī)則突出表面的邊緣(如：房頂?shù)倪吘墶⒋皯舻乃慕堑?，形成若干新的次波源，然后再進(jìn)行傳播。應(yīng)用廣播頻率越高，繞射現(xiàn)象越弱

9、29繞射單屏多屏30單屏繞射惠更斯(Huygen)原理繞射角：菲涅爾參數(shù)：接收電場：菲涅爾積分：入射場31例(題4.4):發(fā)送端位于離一垛58米高的磚墻( )的20米遠(yuǎn)處，而接收端位于墻的另一側(cè)，離墻60米遠(yuǎn)。墻厚10厘米，并且認(rèn)為無損，令兩者的天線均為1.4米且中心頻率為900MHz。1、考慮TE波，確定經(jīng)墻傳輸引起的在接收端的場強(qiáng)Ethrough2、墻可以看作半無限薄屏，確定由墻繞射引起的在接收端的場強(qiáng)Ediff3、確定兩場度大小的比率解：參數(shù)20m60m58m1.4m1.4m0.1m32例(題4.4):1、磚墻無損 ， 對TE波，從空氣到墻磚的反射系數(shù)從墻磚到空氣的反射系數(shù)相應(yīng)的透射系數(shù)

10、1，幅度比值，并不違背能量守恒33例(題4.4):總透射系數(shù)當(dāng) 總透射系數(shù)透射場強(qiáng)E0是沒有磚墻時該點的接收場強(qiáng)。34例(題4.4):2、繞射場強(qiáng) 繞射角 菲涅爾參數(shù) 菲涅爾積分 則繞射場強(qiáng)單位：弧度查圖，查表計算公式35例(題4.4):3、比率 透射場強(qiáng)遠(yuǎn)大于繞射場強(qiáng)思考題：當(dāng)信號的頻率降低為9MHz，其他條件不變時，將此時繞射場強(qiáng)與900M時相比，結(jié)果說明了什么？36菲涅爾環(huán)帶費涅爾橢球面費涅爾區(qū)37菲涅爾環(huán)帶費涅爾區(qū)半徑從費涅爾球面上一點到TR的垂直距離當(dāng)垂線交于TR中點時（即d1=d2)，得到最大費涅爾區(qū)半徑F1費涅爾區(qū)半徑38菲涅爾環(huán)帶利用費涅爾區(qū)分析電波傳播能量集中程度第一費涅爾區(qū)

11、是能量最集中的區(qū)域，如阻擋將產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p耗 F1d1d2d39菲涅爾環(huán)帶第一菲涅爾區(qū)完全沒有被遮擋 傳播衰減除了自由空間損耗外，主要考慮地面反射波導(dǎo)致的衰減（雙線模型）第一菲涅爾區(qū)被部分遮擋 地面反射波的第一菲涅爾區(qū)被遮擋的情況肯定更嚴(yán)重，這時傳播衰減除了自由空間損耗外，主要考慮直射波的繞射衰減。第一菲涅爾區(qū)被完全遮擋 這種情況一般是因為天線架設(shè)高度不夠高，或通信距離較遠(yuǎn)，接收機(jī)落到了陰影區(qū)里。這時傳播主要以繞射為主，具體計算很復(fù)雜，地形對其影響還要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。Huygen定律使用菲涅爾區(qū)來描述繞射衰減，當(dāng)建筑物遮擋在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)時，第一菲涅爾區(qū)場強(qiáng)接近全部場強(qiáng)的1/2。 40多屏繞

12、射布林頓(Bullington)方法用等價單屏替代多屏（簡單但過于樂觀）TX與屏切線最陡者， RX與屏切線最陡者的焦點易普斯丁-彼得森(Epstein-Petersen)方法在屏處放置虛擬的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)計算每一屏的繞射衰減最后相加兩屏相距很近時計算誤差較大41Deygout方法（舉例說明）例4.4:有三個屏，相距20m，高度分別為30m，40m和25m，第一屏距發(fā)射機(jī)30m，最后一屏距接收機(jī)100m，發(fā)射機(jī)高度1.5m，接收機(jī)高度30m，求900MHz時繞射損耗。解：1）首先計算某一個屏單獨存在時的繞射損耗屏1多屏繞射42同理，可得屏2和屏3單獨存在時的繞射損耗L2=33.59dB和L3=2

13、6.54dB。顯然，屏2的損耗最大，為主屏。發(fā)射機(jī)到屏2之間只有一個屏（屏1），因此屏1為次主屏，可得屏2到接收機(jī)之間只有一個屏（屏3），因此屏3為次主屏，可得對應(yīng)損耗L3=0.17dB總損耗為：L=L2+L1+L3=54.77dB多屏繞射如信號頻率為100MHz，重新計算總損耗，這說明了什么？43多屏繞射經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀蒊TU-R提出(除自由空間衰落之外的損耗)其中每個單獨的屏的繞射損耗Li et al.改進(jìn)44無線信道傳播機(jī)制 直射反射與透射繞射粗糙表面的散射系統(tǒng)的噪聲和干擾系統(tǒng)的鏈路預(yù)算45散射定義散射:發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波，照射到比載波波長小的物體上(如：路燈、樹葉、交通標(biāo)志等)，反射出多路不

14、同的較弱的電磁波，再傳播到無線通信接收機(jī)的天線處。應(yīng)用超短波通信46粗糙表面的散射散射與反射47散射Kirchhoff理論高度的概率密度函數(shù)微擾理論推廣了Kirchhoff理論考慮空間相關(guān)反射系數(shù)光滑表面的反射系數(shù)高度分布的標(biāo)準(zhǔn)方差入射角:定義為波矢量與平面之間的的夾角其中：空間相關(guān)函數(shù)：48無線信道傳播機(jī)制 直射反射與透射繞射粗糙表面的散射系統(tǒng)的噪聲和干擾系統(tǒng)的鏈路預(yù)算49系統(tǒng)噪聲和干擾定義無線通信信道中的噪聲干擾，是指信道中無意或有意產(chǎn)生、隨機(jī)性很強(qiáng)、影響無線通信接收準(zhǔn)確性的信號。分類50內(nèi)部噪聲（熱噪聲）定義：是由導(dǎo)體中的電子熱震動產(chǎn)生的噪聲，它存在于所有電子器件和傳輸介質(zhì)中。特性主要由

15、溫度決定，只要接收機(jī)不是絕對零度，就一定存在內(nèi)部噪聲在整個頻譜上具有相同的功率譜密度（白），又稱白噪聲，不能夠消除，是通信系統(tǒng)性能的上限。分類天線噪聲饋線噪聲收發(fā)開關(guān)噪聲前端低噪聲放大器噪聲前端其它放大器噪聲51噪聲功率熱噪聲功率為： Pn= kBTeB 其中：kB為玻爾茲曼常數(shù)， kB=1.381023 J/K； Te為絕對溫度，單位為開爾文(K)； B 為接收機(jī)帶寬，單位為Hz。噪聲功率譜密度: N0= kBTe 1K時，采用對數(shù)單位的 N0=198.6dBm/Hz 常溫 (300K)下，采用對數(shù)單位的 N0 =174dBm/Hz帶寬B 的噪聲功率為: -198.6+10lg(Te)+10

16、lg(B) dBm不要用這個公式計算記住這個數(shù)52噪聲功率例:GSM系統(tǒng)帶寬為200kHz，溫度為300K (273.15+27) ，則接收機(jī)前端無源器件熱噪聲（基礎(chǔ)熱噪聲）功率:也就是說，200 kHz 帶寬的接收機(jī)，常溫下其基礎(chǔ)熱噪聲的功率為121dBm。如果放到液氮中（77K），Pn為多少？如果帶寬為5MHz，Pn為多少？為什么相同發(fā)射功率，帶寬越寬的系統(tǒng)傳輸距離較短？53外部噪聲定義是指在無線通信中由接收機(jī)外部產(chǎn)生并進(jìn)入接收機(jī)的噪聲。包括近地噪聲太陽系噪聲宇宙噪聲54近地噪聲定義在地面與衛(wèi)星、航天器間的無線通信中，無線電波在穿過地球大氣層中與大氣層中對流層、平流層、中間層、電離層、散逸

17、層中的氧、水蒸氣、雨等相互作用，從而產(chǎn)生的噪聲。55近地噪聲大氣(實線)、宇宙(虛線)對地球地面與衛(wèi)星、航天器間無線通信的影響，其中仰角表示的是天線仰角。A是指向熱空的(指向銀河中心稱為指向熱空)B是指向冷空的56近地噪聲雨、云霧、氧氣、水蒸氣，對地球?qū)α鲗觾?nèi)任兩點間的無線通信也有影響。57太陽系噪聲太陽系中太陽、各行星以及月亮輻射的電磁干擾而形成的噪聲，其中太陽是最大的熱輻射源只要天線不對準(zhǔn)太陽，在靜寂期太陽噪聲對天線噪聲貢獻(xiàn)不大其它行星和月亮，當(dāng)沒有高增益天線直接指向時，對天線噪聲貢獻(xiàn)也不大在某些應(yīng)用環(huán)境（如衛(wèi)星通信、深空通信中），當(dāng)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)所構(gòu)成的直線的延長線，剛好指向太陽時，無線

18、通信系統(tǒng)就會受嚴(yán)重干擾，甚至造成中斷當(dāng)太陽黑子活動強(qiáng)烈時，對無線通信的干擾較大。衛(wèi)星日凌太陽黑子58宇宙噪聲外空間星體及分布在星際空間的物質(zhì)所形成的噪聲，在銀河系中心的指向上達(dá)到最大值(通常稱為指向熱空)，在天空其它某些部分的指向上是很低的(稱為冷空)。宇宙噪聲與頻率的三次方成反比，在1GHz以下時，它是天線噪聲的主要成分。微波背景輻射被認(rèn)為是宇宙大爆炸理論的三個強(qiáng)有力證據(jù)之一，另兩個是哈勃紅移和原初輕元素豐度。宇宙微波背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，噪聲溫度2.725K（約為3K），也稱3K背景輻射。宇宙大爆炸理論認(rèn)為宇宙微波背景輻射是150億年前宇宙誕生時殘留的余熱?！捌?/p>

19、朗克”天文望遠(yuǎn)鏡完成首張全天域宇宙微波背景輻射59宇宙噪聲60人為噪聲源定義：人類的工業(yè)活動產(chǎn)生的噪聲，其它的無線電臺泄漏的無線電信號電源開關(guān)產(chǎn)生的無線電信號點火線圈產(chǎn)生的電磁輻射信號電力線干擾熒光燈干擾61噪聲系數(shù)信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)時，不僅信號本身攜帶的噪聲會經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)本身也產(chǎn)生熱噪聲，因此輸出端的熱噪聲變多了。 噪聲系數(shù)定義:對線性系統(tǒng)而言為輸入信噪比除以輸出信噪比(一般指等效到基帶)考慮網(wǎng)絡(luò)增益網(wǎng)絡(luò)本身熱噪聲在輸入端的等效噪聲輸入噪聲噪聲系數(shù)大于1，噪聲系數(shù)越大，表明網(wǎng)絡(luò)引入的噪聲越多。62將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲在輸入端等效成一個具有一定溫度的熱噪聲，然后假定網(wǎng)絡(luò)無噪。該等效溫度即為等效

20、噪聲溫度（簡稱為噪聲溫度）。噪聲溫度與噪聲系數(shù)的關(guān)系等效噪聲溫度等效噪聲溫度室溫?zé)o噪聲噪聲系數(shù)F-1，表明是網(wǎng)絡(luò)新引入的噪聲63例:噪聲溫度為290K，求噪聲系數(shù)等效噪聲溫度64噪聲系數(shù)天線的噪聲功率譜密度噪聲系數(shù)例:天線的噪聲溫度為1600K，求天線的噪聲系數(shù)和噪聲功率譜密度噪聲溫度1600K無噪聲天線65噪聲系數(shù)多個噪聲系數(shù)折算為噪聲功率譜密度無噪聲無噪聲無噪聲F1F266噪聲系數(shù)無噪聲饋線噪聲系數(shù)=衰減值饋線衰減折算為噪聲系數(shù)饋線沒有引入額外噪聲，也沒有放大噪聲，但有用信號發(fā)生了衰減67噪聲系數(shù)有放大和衰減時衰減放大反過來看，加入一個放大器，后端的噪聲系數(shù)折合到前端會減小到1/G內(nèi)部無噪

21、聲68復(fù)合噪聲系數(shù)由于放大器增益，復(fù)合噪聲以第一級引入的噪聲為主，所以第一級噪聲系數(shù)盡量小后級產(chǎn)生的噪聲隨前級增益的增加而降低接收機(jī)一般采用多級放大，前端為較低增益（增益與噪聲系數(shù)往往很難兼顧）的低噪聲放大器（LNA）噪聲系數(shù)各級噪聲系數(shù)F1，F(xiàn)2，都以第一級的輸入噪聲為參考，即,線性值，不是dB值69噪聲的特性白噪聲功率譜密度在整個頻域內(nèi)保持不變（常數(shù)）的噪聲稱為白噪聲“白” 類似于光學(xué)中包括全部可見光頻率的光稱為白光。白噪聲以外的噪聲稱為有色噪聲。一般來說，只要噪聲的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通信系統(tǒng)頻率范圍，且在帶寬內(nèi)其功率譜密度近似不變，即可把該噪聲信號視為白噪聲。熱噪聲在很寬頻率范圍內(nèi)具有不變

22、的功率譜密度，通?？梢哉J(rèn)為是白噪聲。嚴(yán)格地說，白噪聲只是一種理想化的模型，因為實際噪聲的功率譜密度不可能具有無限寬的帶寬，否則它的平均功率將是無限大，是物理上不可實現(xiàn)的。然而，白噪聲在數(shù)學(xué)處理上比較方便，因此得到廣泛應(yīng)用。70噪聲的特性中心極限定理若一隨機(jī)變量可表示為大量獨立隨機(jī)變量之和，其中每一個隨機(jī)變量具有有限的數(shù)學(xué)期望和方差，則可認(rèn)為其近似服從高斯分布(Gaussian Distribution)，又稱正態(tài)分布(Normal Distribution) 。在實際無線通信信道中，噪聲信號在信號空間各個方向上的投影可以認(rèn)為是很多獨立的子噪聲/干擾之和。因此，可以認(rèn)為其服從高斯分布（正態(tài)分布）

23、。而且噪聲的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)，因此稱其高斯白噪聲。高斯白噪聲在無線信道中廣泛存在。由于白噪聲均值等于零，容易證明，高斯白噪聲的平均功率等于高斯噪聲的方差（證一個試試）。71噪聲的特性一個維度上的噪聲72白噪聲的雙邊功率譜密度函數(shù)定義為白噪聲的單邊功率譜密度函數(shù)定義為白噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)(完全的時域不相關(guān)）白噪聲信號的均值為零白噪聲的特性沖激函數(shù)73加性高斯白噪聲的仿真加性高斯白噪聲方法1sigma=1/sqrt(2*(10(snr(i)/10);x=randint(1,N);%Sources=x*2-1; L=length(s);n=sigma*randn(1,L);r=s+nor mu

24、nications p50-51離散化Eb/N0與SNR的關(guān)系注意信噪比的定義方式74無線信道傳播機(jī)制 直射反射與透射繞射粗糙表面的散射系統(tǒng)的噪聲和干擾系統(tǒng)的鏈路預(yù)算75系統(tǒng)的鏈路預(yù)算（重要）鏈路預(yù)算是確定發(fā)射功率最清楚、最直觀的方式，廣泛用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。衰落余量無線信道隨空間和時間均在變化，即使接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的距離d不變，接收功率也可能隨著時間或移動臺的所處位置而發(fā)生變化。根據(jù)前文方法計算得到的路徑損耗（接收功率）只是平均值，即只有約50%時間和位置上的接收功率可以超過平均值因此，必須追加一個衰落余量，以確保接收功率以較高概率（例如95%和99%）超過這一值（門限）。衰落余量的數(shù)值依賴于衰落幅度的統(tǒng)計分布。中斷概率76系統(tǒng)的鏈路預(yù)算有效各向同性輻射功率(EIRP)鏈路斷點模型（重要）77系統(tǒng)的鏈路預(yù)算例3.1: GSM下行鏈路，載波頻率950MHz，接收靈敏度-102dBm，發(fā)射機(jī)輸出功率30W,發(fā)射天線增益為10dB，連接器/合并器等損耗5dB，衰落余量為12dB，斷點在距離100m處，那么覆蓋的距離是多少？TX: 發(fā)射功率: 30W 45dBm連接器/合路