第02講-組成及規(guī)范

1、無線通信工程無線通信工程姚彥教授姚彥教授清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室20012001年年1111月月1010日日補(bǔ)充補(bǔ)充l參考書：參考書： T.S.RappaportT.S.Rappaport著，蔡濤等譯：著，蔡濤等譯：“無線通信原理無線通信原理與應(yīng)用與應(yīng)用”，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，19991999 姚彥等著：姚彥等著：“數(shù)字微波中繼通信工程數(shù)字微波中繼通信工程”，人民，人民郵電出版社，郵電出版社，19901990l講稿：講稿：88，找，找“incoming/incomin

2、g/無線通信工程無線通信工程”文件夾。文件夾。第二講第二講系統(tǒng)組成及技術(shù)規(guī)范系統(tǒng)組成及技術(shù)規(guī)范n系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成n性能指標(biāo)性能指標(biāo)n技術(shù)體制技術(shù)體制n技術(shù)規(guī)范技術(shù)規(guī)范系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 系統(tǒng)組成（1）：組成框圖發(fā)基帶單元發(fā)中頻單元發(fā)射頻單元發(fā)天線單元收基帶單元收中頻單元收射頻單元收天線單元無線傳播信道系統(tǒng)組成（2）：基帶單元框圖發(fā)端接口處理發(fā)端信道處理發(fā)端調(diào)制映射發(fā)端基帶濾波收端接口處理收端信道處理收端解調(diào)映射收端基帶濾波比特流及時(shí)鐘輸入比特流及時(shí)鐘輸出復(fù)接、分接擾碼、去擾糾錯(cuò)、交織均衡、去干擾擴(kuò)頻映射二進(jìn)/多進(jìn)映射基帶成形匹配濾波基帶復(fù)矢量信號(hào)輸出基帶復(fù)矢量信號(hào)輸入系統(tǒng)組成（3）：中頻單元框圖

3、復(fù)數(shù)調(diào)制器中頻放大濾波復(fù)數(shù)解調(diào)器中頻信道處理AGC中頻放大收端中頻濾波發(fā)送中頻信號(hào)輸出接收中頻信號(hào)輸入基帶復(fù)矢量信號(hào)輸入基帶復(fù)矢量信號(hào)輸出發(fā)端中頻本振載波時(shí)鐘同步系統(tǒng)組成（4）：射頻單元框圖上變頻器射頻功率放大下變頻器射頻信道處理射頻前置放大收端射頻濾波發(fā)送射頻信號(hào)輸出接收射頻信號(hào)輸入接收中頻信號(hào)輸出發(fā)端射頻本振收端射頻本振發(fā)送中頻信號(hào)輸入發(fā)端射頻濾波頻率控制系統(tǒng)組成（5）：天線單元框圖發(fā)送射頻信號(hào)輸入接收射頻信號(hào)輸出天線收發(fā)雙工FDD/TDD發(fā)射信號(hào)接收信號(hào)系統(tǒng)組成（6）：等效基帶原理n發(fā)送信號(hào)：s(t) = a(t)cos0t+(t) = Re u(t)exp(j0t)其中：u(t) =

4、a(t)exp(j(t) = x(t)+ jy(t) 叫作等效基帶信號(hào)，亦稱復(fù)包絡(luò)。n正交調(diào)制及正交解調(diào)可以等效為復(fù)數(shù)乘法器。n帶通濾波器可以等效為復(fù)數(shù)低通濾波器。n無線傳播信道可以等效為時(shí)變的復(fù)數(shù)低通網(wǎng)絡(luò)。n信道非線性（包括：調(diào)制、解調(diào)和放大器的非線性）也可以進(jìn)行復(fù)數(shù)低通等效。n帶通噪聲可以等效為復(fù)數(shù)低通噪聲系統(tǒng)組成（7）：調(diào)制解調(diào)的基帶等效 合路costsintx(t)y(t)S (t) 分路cost-sintx(t)y(t)S (t)S (t) = x(t) + j y(t) exp (jt)x (t) = Re S(t) exp (-jt)y (t) = Im S(t) exp (-j

5、t)系統(tǒng)組成（8）：帶通濾波的基帶等效00H()HB()HB(0) = H()，0 HB(0) = H()，0 H() HB(0) HB(0) 系統(tǒng)組成（9）：無線傳輸?shù)幕鶐У刃Ｐ驼{(diào)制映射解調(diào)映射HT ()HR ()HC ()N(t)復(fù)數(shù)噪聲二進(jìn)制碼流輸出二進(jìn)制碼流輸入多進(jìn)制復(fù)符號(hào)多進(jìn)制復(fù)符號(hào)發(fā)端響應(yīng)收端響應(yīng)信道響應(yīng)性能指標(biāo)性能指標(biāo)n多址方式n雙工方式n調(diào)制解調(diào)方式n信道編碼方式n信源編碼方式n發(fā)送頻譜n發(fā)送功率n信道速率n誤碼門限n工作頻段及頻譜安排n傳輸距離及傳輸方式n傳輸容量n傳輸質(zhì)量n業(yè)務(wù)方式n供電方式及耗電量n環(huán)境條件n可靠性性能指標(biāo)（1）：概述性能指標(biāo)（2）：工作頻段及頻譜安排n

6、工作頻段：根據(jù)頻譜規(guī)劃，劃分給該項(xiàng)業(yè)務(wù)的工作頻率范圍。n波道配置：根據(jù)頻譜規(guī)劃，在工作頻段內(nèi)劃分出若干個(gè)波道，供用戶選用。n收發(fā)配置：根據(jù)頻譜規(guī)劃，在工作頻段內(nèi)劃分出發(fā)送和接收子頻段。頻段寬度波道間隔收發(fā)頻差ffff1f1f1f2性能指標(biāo)（3）：傳輸距離和傳輸方式傳輸距離n地面視距傳播：取決于天線高度、工作頻段和地形，一般50公里以內(nèi)。n地面繞射傳播：一般20公里以內(nèi)。n對流層傳播：一般幾百公里。n電離層傳播：可達(dá)幾千公里。n衛(wèi)星傳播：洲際傳播傳輸方式n單工點(diǎn)對點(diǎn)方式。n雙工點(diǎn)對點(diǎn)方式。n中繼（或稱接力）方式有源中繼無源中繼n地面點(diǎn)對多點(diǎn)方式n衛(wèi)星點(diǎn)對多點(diǎn)方式n平流層氣球方式傳輸容量n傳輸容量

7、指對用戶有效的傳輸信息容量n傳輸容量表示方法用總的電話路數(shù)來表示，如：M16路，PCM30路等用PDH的群路數(shù)來表示，如：1E1，4E1等用有效傳輸?shù)谋忍芈蕘肀硎?，如?Mb/s，8Mb/sn傳輸容量有時(shí)還要考慮一些附加的信息性能指標(biāo)（4）：傳輸容量和信道速率信道速率n信道速率指在無線信道中傳送的總速率，一般用比特率表示n信道比特包括：用戶信息比特和輔助信息比特n輔助信息比特如：信道編碼比特勤務(wù)和監(jiān)控比特幀同步比特性能指標(biāo)（5）：傳輸質(zhì)量和誤碼門限傳輸質(zhì)量n數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量之一：誤碼，包括：長時(shí)間統(tǒng)計(jì)的零星誤碼短時(shí)間統(tǒng)計(jì)的誤碼超過某個(gè)值（如：10-3，10-6)的時(shí)間百分?jǐn)?shù)n數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量之

8、二：同步，包括：時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)鐘丟失誤碼門限n無線傳輸系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)n為達(dá)到一定誤碼率所需要的最小接收電平，稱為該系統(tǒng)的誤碼門限n誤碼門限計(jì)算公式：Pr0 = NF kT0 fb Eb/N0 其中：NF 為噪聲系數(shù)， k為玻爾茲曼常數(shù)，T0 為絕對溫度，fb 為信道速率，Eb/N0 為保證一定誤碼率所需要的歸一化信噪比性能指標(biāo)（6）：雙工方式n頻分雙工（FDD）n時(shí)分雙工（TDD）發(fā)濾波收濾波發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)去天線發(fā)開關(guān)收開關(guān)發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)去天線環(huán)行器TDD控制性能指標(biāo)（7）：調(diào)制解調(diào)方式調(diào)制方式n模擬調(diào)制及數(shù)字調(diào)制n常用數(shù)字調(diào)制方式：FSK、MSK、GMSK、TFMBPSK、QPSK、8P

9、SK16QAM、64QAM、256QAMn全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法任何調(diào)制都可以正交展開，即用復(fù)包絡(luò)表示解調(diào)方式n模擬解調(diào)和數(shù)字解調(diào)n數(shù)字解調(diào)相干解調(diào)非相干解調(diào)n同步問題的重要性載波同步時(shí)鐘同步n全數(shù)字解調(diào)算法性能指標(biāo)（8）：信道編碼方式n信道編碼的目的：消除由于信道不理想所帶來的誤碼在理想信道上取得一定的功率增益n考慮原則：系統(tǒng)對信道編碼的要求系統(tǒng)能提供多少冗余度n常用的信道編碼：分組碼卷積碼Turbo碼n糾錯(cuò)編碼和交織結(jié)合n糾錯(cuò)編碼和調(diào)制結(jié)合n代數(shù)譯碼和概率譯碼性能指標(biāo)（9）：信源編碼方式語音壓縮編碼n增量調(diào)制（M）16Kb/s，32Kb/sn脈沖編碼調(diào)制（PCM）64Kb/sn自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（

10、ADPCM）32Kb/sn其它中低速語音編碼16Kb/s，8Kb/s，4.8Kb/s，2.4Kb/s圖象壓縮編碼nJPEG，靜止圖象32,64,128 Kb/snH.261，會(huì)議電視64,128,384,1920Kb/snMPEG-1，存儲(chǔ)媒體2Mb/s以下nMPEG-2，數(shù)字電視2Mb/s以上性能指標(biāo)（10）：發(fā)送頻譜和發(fā)送功率發(fā)送頻譜框架發(fā)送功率n為了保證有一個(gè)較好的電磁環(huán)境，無線通信系統(tǒng)的發(fā)送功率有較嚴(yán)格的規(guī)定。n發(fā)送功率的等級：無繩電話：毫瓦級移動(dòng)電話：瓦級微波通信：十瓦級衛(wèi)星通信：百瓦級f0f主瓣寬度：BB帶外輻射：LLdB性能指標(biāo)（11）：供電方式及耗電量供電方式n交流供電、直流供

11、電n間斷供電、不間斷供電n各種方式：220V電網(wǎng)發(fā)電機(jī)太陽能蓄電池干電池耗電量n無線通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)n降低耗電量的方法：減少整個(gè)系統(tǒng)的傳輸損耗，減少發(fā)射功率采用效率高的功率器件提高電源變換器的效率性能指標(biāo)（12）：環(huán)境條件n溫度條件保證指標(biāo)的溫度范圍保證工作的溫度范圍儲(chǔ)存的溫度范圍n濕度條件n沖擊及振動(dòng)條件n電磁干擾條件n腐蝕條件n特種條件溫度條件舉例n民品： 5400C 保證指標(biāo) 0450C 保證工作n軍品10450C 保證指標(biāo)20500C 保證工作性能指標(biāo)（13）：可靠性可靠性基本關(guān)系n失效率：在單位時(shí)間內(nèi)從正常轉(zhuǎn)為失效的概率n平均無故障工作時(shí)間T。T 1 / n可靠度p：無故障工作的概

12、率。p = exp(- t)n可用率P。P t工作 / (t工作+t中斷)無線通信的可靠性n包括：設(shè)備可靠性和傳播可靠性。n為提高設(shè)備可靠性：采用高可靠性的元件采用設(shè)備的備份措施n為提高傳播可靠性：在傳播能力上留有余量采用抗信道衰落技術(shù)采用波道的備份措施技術(shù)體制技術(shù)體制技術(shù)體制（1）：考慮原則l有效性：在給定的頻率、功率和空間條件下實(shí)現(xiàn)最大的傳輸容量。l可靠性：在給定的信道衰落和干擾條件下實(shí)現(xiàn)最好的業(yè)務(wù)質(zhì)量。l靈活性：為固定及移動(dòng)用戶提供最靈活的無線接入手段。l實(shí)用性：成本、體積、重量、耗電等。 技術(shù)體制（2）：關(guān)于有效性n信源編碼技術(shù)： 采用有效的信源編碼技術(shù)，在保證原始消息質(zhì)量的條件下，盡

13、可能壓縮傳輸所需的比特率。n調(diào)制技術(shù)： 采用高效率的調(diào)制技術(shù)（包括頻譜成形技術(shù)），盡可能壓縮傳輸給定比特率所需的帶寬。n蜂窩技術(shù)：控制發(fā)射機(jī)的功率，在通信區(qū)域內(nèi)劃分出許多蜂窩狀小區(qū)，從而提高無線頻譜的利用率。n智能天線技術(shù)：利用天線的自動(dòng)定向或扇區(qū)劃分，在通信區(qū)域內(nèi)形成許多定向的小區(qū)，從而提高無線頻譜利用率。技術(shù)體制（3）：關(guān)于可靠性n冗余度技術(shù)：糾錯(cuò)編碼，比特上的冗余度；擴(kuò)頻與跳頻，頻率上的冗余度；電平儲(chǔ)備，功率上的冗余度；備份切換，設(shè)備上的冗余度。n抵銷技術(shù)均衡，用頻域或時(shí)域的方法校正信道的傳遞函數(shù)；分集，用多重頻率、時(shí)間或天線接收的信號(hào)抵銷多徑效應(yīng)；多用戶檢測；自適應(yīng)干擾抵銷。技術(shù)體制（

14、4）：關(guān)于靈活性無線多路n無線多路是無線通信靈活性的表現(xiàn)之一。n無線多路一般遵循多路電話的標(biāo)準(zhǔn)，如：PDH的基群、二次群等，SDH的STM-1等。采用TDM體制。n無線通信還能提供靈活的旁路業(yè)務(wù)。無線多址n無線多址接入是無線通信靈活性的表現(xiàn)之二。n采用FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等多址接入技術(shù)。n既能固定接入，也能移動(dòng)接入。n在蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)中，越區(qū)和漫游技術(shù)的重要性。技術(shù)體制（5）：關(guān)于實(shí)用性便攜性n便于攜帶，是無線通信作為個(gè)人通信物理層基礎(chǔ)的重要特點(diǎn)。n為了滿足便攜性，對個(gè)人便攜終端（如：手機(jī)）的體積、重量、功耗都提出了很高的要求。n為解決此問題需要綜合的技術(shù)。經(jīng)濟(jì)性n隨著個(gè)人通信

15、的發(fā)展，無線通信已從傳統(tǒng)的投資類產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為市場巨大的消費(fèi)類產(chǎn)品。n在市場競爭的推動(dòng)下，無線通信產(chǎn)品的成本價(jià)格必須大幅度下降。n降低成本的關(guān)鍵：采用系統(tǒng)集成技術(shù)和批量生產(chǎn)技術(shù)。技術(shù)規(guī)范技術(shù)規(guī)范技術(shù)規(guī)范（1）：概述n無線通信技術(shù)規(guī)范的重要性無線頻譜的合理使用無線系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)無線用戶的入網(wǎng)接口無線設(shè)備的跨域漫游n無線通信技術(shù)規(guī)范的核心無線傳輸技術(shù)（空中接口技術(shù)）無線入網(wǎng)技術(shù)技術(shù)規(guī)范（2）：標(biāo)準(zhǔn)系列n國際電聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)：CCIR、CCITT、ITUn世界各國的地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)歐洲標(biāo)準(zhǔn)北美標(biāo)準(zhǔn)日本標(biāo)準(zhǔn)n我國標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)部門標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范（3）：無線法規(guī)n由國家無線電管理委員會(huì)制定無線電法規(guī)，作為國家行政法規(guī)頒布。

16、n各種無線產(chǎn)品必須符合無線法規(guī)制定的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。n各種無線產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、引進(jìn)、使用都必須向主管部門（各級無委會(huì)）申報(bào)，特別是無線發(fā)射機(jī)。n各項(xiàng)無線通信工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營都必須向主管部門（各級無委會(huì)）申報(bào)，特別是使用頻率。n違反國家無線法規(guī)的行為都屬于違法行為。 技術(shù)規(guī)范（4）：頻譜規(guī)劃n無線頻譜的使用由國家無委會(huì)統(tǒng)一規(guī)劃，并實(shí)行許可證制度。n頻譜規(guī)劃種類：廣播電視、射電天文、雷達(dá)定位、民用通信、軍用通信等。n民用通信舉例：微波通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、無線尋呼、無繩電話、無線數(shù)據(jù)等。n頻譜規(guī)劃中允許不同業(yè)務(wù)共享某個(gè)頻段，但在技術(shù)上和管理上要做好協(xié)調(diào)。技術(shù)規(guī)范（5）：數(shù)字微波技術(shù)規(guī)范n工作

17、頻段：2GHz，4GHz，6GHz，8GHz，11GHz等n傳輸容量： 小容量 2Mb/s，8Mb/s中容量 34Mb/s，68Mb/s大容量 140Mb/s，155Mb/sn傳輸質(zhì)量： 高誤碼，誤碼率超過1103的時(shí)間百分?jǐn)?shù)低誤碼，誤碼率超過1106的時(shí)間百分?jǐn)?shù)零星誤碼不超過1109n傳輸距離： 2500Km，1000Km，300Km技術(shù)規(guī)范（6）：擴(kuò)頻微波技術(shù)規(guī)范n工作頻段：2.4-2.4835 GHz, 5.725-5.85 GHzn無需許可證頻段n傳輸容量：不小于250 kbits/sn擴(kuò)譜方式：直接序列擴(kuò)譜（DSSS），擴(kuò)頻比為11跳頻擴(kuò)譜（FHSS），跳頻速率為2.5次/秒n發(fā)射功

18、率：不大于 100 mWn峰值功率密度：不大于10 dBW/100KHz（跳頻） 不大于20dBW/1MHz（直擴(kuò)）技術(shù)規(guī)范（7）：移動(dòng)通信技術(shù)規(guī)范n模擬蜂窩TACS頻率 900MHz間隔 25KHz調(diào)制 話音FM，信令FSK多址 FDMA雙工 FDDn數(shù)字蜂窩GSM頻率 900MHz間隔 200KHz調(diào)制 GMSK多址 TDMA/FDMA雙工 FDD n數(shù)字蜂窩Q-CDMA(IS-95)頻率 800MHz間隔 1.25MHz調(diào)制 擴(kuò)頻 QPSK多址 CDMA雙工 FDDn數(shù)字蜂窩D-AMPS(IS-54)頻率 800MHz間隔 30KHz調(diào)制 /4 DQPSK多址 TDMA/FDMA雙工 FDD技術(shù)規(guī)范（8）：軍用電臺(tái)頻率規(guī)范軍用電臺(tái)頻率規(guī)劃表軍用電臺(tái)頻率規(guī)劃表頻率范圍頻率范圍 波段波段 系統(tǒng)（設(shè)備）名稱系統(tǒng)（設(shè)備）名稱200500KHz 中長波 陸軍電臺(tái) 1.630MHz 短波 海陸空電臺(tái)3088MHz VHF 陸軍、海軍108174MHz VHF 海軍、空軍225400MHz UHF 空軍技術(shù)規(guī)范（9）：某軍用電臺(tái)技術(shù)規(guī)范n背景s 未來的數(shù)