移動通信技術(shù)chv電波傳播與干擾

1、移動通信技術(shù)辦公電話：603E-mail: sailsmoon1移動通信的電波傳播與干擾移動通信的電波傳播分集技術(shù)噪聲干擾2本章思考手機有天線嗎？天線尺寸和什么有關(guān)？不同的業(yè)余波段如何利用？你了解無線電愛好者嗎？全國鐵路大提速后，部分地區(qū)GSM網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了鐵路覆蓋區(qū)域掉話率大幅度上升及話音質(zhì)量嚴(yán)重下降現(xiàn)象，極大地影響了中國移動GSM網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和業(yè)務(wù)質(zhì)量。這是為什么？說明中國電信發(fā)展中移動通信的制式與頻段選擇關(guān)系3地波方式天波方式空間波方式(直射波，反射波)視距方式繞射方式對流層散射方式電波的傳播方式繞射區(qū)空間波4實際無線移動信道中的電波傳播實際的移動通信中,無線電波主要以空間波形式傳播,主要考慮直

2、達波和反射波傳播，以及繞射傳播.一般情況下,對電波反射按平面波處理,電波在反射點的入射角等于反射角.接收到的信號是由直達波和多個反射波的合成.5不同頻段電波的傳播方式視距6移動通信使用的主要頻段的傳播特點7移動通信使用的主要頻段的傳播特點8電波的傳播特性電波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播能量的擴散與吸收反射與折射電波的干涉電波的繞射9電波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播球面波均勻平面波在均勻媒質(zhì)中,電波的各射線的傳播速度相同,傳播過程各射線相互平行,直線傳播10能量的擴散與吸收離開天線距離越遠,空間電磁場越弱假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間中,若此天線無方向性,輻射功率為PT瓦,則距輻射天線d米處的電場強度E0為: E

3、0 =30 PT /d (v/m)實際情況下,電磁波會遇到各種有損耗的介質(zhì),導(dǎo)體,因而會損耗一部分能量.此現(xiàn)象叫電磁波能量吸收.11反射當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時,如果界面尺寸比電波大的多,就會發(fā)生鏡面反射.由于大地和大氣是不同的介質(zhì),因此入射波會在界面上產(chǎn)生反射.12電波的干涉由同一波源產(chǎn)生的電磁波,經(jīng)過不同路徑到達某接收點,該接收點場強由不同路徑來的電波合成.這種現(xiàn)象叫電波的干涉,也稱多徑效應(yīng).13電波的干涉直射波與地面反射波合成場強隨路徑差變化而變化,有時同相相加,有時反相抵消,造成合成波的衰落現(xiàn)象.14折射1實際移動信道中,電波在底層大氣傳播.由于底層大氣不是均勻介質(zhì),因

4、而發(fā)生折射現(xiàn)象.在VHF,UHF波段尤為突出,直接影響視距傳播的極限距離.介質(zhì)折射率為n地球等效半徑Re,地球?qū)嶋H半徑R0大氣折射率的垂直梯度為dn/dh地球等效半徑系數(shù)k=Re/R0=1/(1+R0dn/dh)15折射2例:在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下, dn/dh-4108（1/m),地球?qū)嶋H半徑R0=6370km那么，等效地球半徑系數(shù)k=4/3,等效地球半徑Re =8500km16折射3-視線傳播極限距離d1 2 Reht,d2 2 Re hrd = d1 +d2 = 2Re (ht + hr)標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下, Re=8500km結(jié)論:大氣折射有利于超視距傳播.17電波的繞射電波傳播過程中有

5、一定繞過障礙物的能力,這種現(xiàn)象叫做繞射.因此在障礙物后面有時仍能收到無線電信號.電波的繞射能力和波長有關(guān),波長越長,繞射能力越強,波長越短,繞射能力越弱.繞射損耗 18研究無線信道無線信道電波的傳播環(huán)境為什么研究無線信道電波的傳播特性與無線信道關(guān)系密切;這些環(huán)境包括地貌,人工建筑,氣候特征,電磁干擾情況,通信體移動速度,使用的頻段直接關(guān)系到無線通信使用的無線傳輸技術(shù)和通信能力,通信質(zhì)量19研究無線信道的基本方法理論分析:電磁場理論和統(tǒng)計理論，數(shù)學(xué)模型.計算機模擬:模擬各種移動環(huán)境.現(xiàn)場電波實測:驗證和校正分析結(jié)果.上述方法的研究獲得不同移動環(huán)境中的電波傳播特性的統(tǒng)計描述以及分類.20無線信道的

6、慢衰落和快衰落場強變化劇烈場強平均值隨距離增加而衰減場強特性曲線數(shù)值快速變化-快衰落場強特性曲線數(shù)值緩慢變化-慢衰落21衰落定義接收端信號的幅度變化接收信號強弱變化都是衰落表現(xiàn)嗎？是22無線信道場強特性忽略熱噪聲,接收機的接收信號為:r(t) = m(t) r0(t)m(t)長期慢衰落/大尺度衰落原因：無線信道路徑上的路徑損耗和固定障礙物的陰影;平均信號衰落遵從對數(shù)正態(tài)分布特征;作用:利用不同測試環(huán)境下的無線信道長期慢衰落中值計算公式,可以計算移動通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域.23無線信道場強特性忽略熱噪聲,接收機的接收信號為:r(t) = m(t) r0(t)r0(t)短期快衰落/小尺度衰落原因：

7、移動臺運動和地點變化;多徑產(chǎn)生時間擴散引起符號間干擾,不可避免;運動產(chǎn)生多普勒效應(yīng),引起信號頻移.衰落變化呈瑞利分布;作用:決定使用的抗衰落技術(shù).兩種衰落都與接收機天線位移有關(guān).24移動通信環(huán)境的幾個效應(yīng)自由空間傳播損耗電磁波能量擴散引起陰影效應(yīng)地形結(jié)構(gòu)引起,慢衰落多徑效應(yīng)由移動臺周圍局部散射體引起，快衰落多普勒效應(yīng)由移動臺移動速度和方向引起，多徑條件下，引起多普勒頻展25自由空間無線電傳播自由空間：理想，均勻，各項同性的介質(zhì)電波在自由空間傳播不發(fā)生反射，折射，散射，繞射，吸收現(xiàn)象，只有電磁波能量擴散引起的傳播損耗。接收功率為Pr Pt Gt Gr / LpPt 為發(fā)射功率Gt為發(fā)射天線增益

8、Gr為接收天線增益Lp為自由空間傳播損耗26自由空間傳播損耗Lp = (4d/)2 = (4d f / c)2 d為傳播距離為工作波長c為光速f為工作電波頻率 Lp(dB)=32.45+20lgf(MHz) + 20lgd(km)結(jié)論:電波的自由空間傳播損耗與距離的平方成正比,與波長平方成反比.工作頻率提高一倍，或傳播距離增加一倍時，傳播損耗增加6dB27自由空間傳播損耗-例子結(jié)論：低軌和高軌的傳播損耗相差可達30dB，顯然低軌道方案在傳播損耗上具有優(yōu)勢，可放松對天線、發(fā)射功率等的要求，方便地實現(xiàn)衛(wèi)星與手持機之間的通信。 28陰影效應(yīng)如何產(chǎn)生陰影效應(yīng)的?由于大型建筑物和其它物體的阻擋，在電波傳

9、播的接收區(qū)域中產(chǎn)生傳播半盲區(qū)。電磁波波長較長，陰影不可見，但是接收終端(如手機)與專用儀表可測試出來。功率對數(shù)表現(xiàn)為一個高斯或正態(tài)分布 29衰落儲備概念:為了防止因衰落(快慢衰落)引起的通信中斷,在信道設(shè)計中,必須使信號的電平留有足夠的余量,使中斷率R小于規(guī)定指標(biāo),這種電平余量稱為衰落儲備.衰落儲備=正常接收電平接收機門限電平 例:f=450MHz,市區(qū)工作,要求通信可靠率T=99%,衰落儲備約?22.5dB30多徑衰落起因：由多條路徑來的接收電波到達時間不同。從時間域上看:接收信號的波形展寬，包絡(luò)近似為指數(shù)曲線。31如何理解頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬假設(shè)多徑傳播路徑只有2條,且到達接收點兩路信

10、號強度相同,只是到達時間上差一個時延.令發(fā)送信號為f(t),相應(yīng)的頻譜函數(shù)為F()假設(shè)兩路衰減都為K,兩條傳輸信號合成后,32如何理解頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬相應(yīng)的傅氏變換信道的傳輸函數(shù)為其幅頻特性為33如何理解頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬幅頻特性|H()|特性曲線如圖34相關(guān)性衰落與相關(guān)帶寬波形失真當(dāng)一個傳輸信號的頻譜寬于1/ 時,信號的頻譜發(fā)生畸變,不同頻率分量衰落不一致，衰落信號波形失真。這種現(xiàn)象成為頻率選擇性衰落.推廣到一般多徑傳播,頻率的選擇性同樣依賴于相對時延差.多徑傳播的相對時延差通常用最大時延差來表示,設(shè)信道最大時延差為m,則相鄰兩個零點之間的頻率間隔為f=1/ m這個頻率間隔成為

11、相關(guān)帶寬Bc，如果信號帶寬BsBc將產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落.35實際多徑時延信號強度由于時延擴展，接受信號中的碼元波形會擴展到其他碼元周期中，引起碼間干擾。為了避免碼間干擾，應(yīng)使碼元周期大于多徑效應(yīng)引起的時延擴展。信號傳輸速度受到多徑時延的影響：碼元速率R3,分集復(fù)雜性增加,分集增益增加變的緩慢.77頻率分集信息以不同載頻發(fā)射出去,只要載頻之間間隔大于相關(guān)帶寬,在接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號.優(yōu)點:與空間分集相比,減少了天線的數(shù)目.缺點:要占用更多的頻譜資源,在發(fā)射端需要多部發(fā)射機.78極化分集天線的極化指天線輻射時形成的電場強度方向。 由于兩個正交極化的電磁波具有獨立的衰落特性,所

12、以發(fā)送端和接收端可以用兩個位置很近但不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號.極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB。優(yōu)點:結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省空間。79角度分集接收端利用方向性天線,分別指向不同信號到達方向.每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的.80時間分集時間間隔足夠遠(大于相干時間)的兩個樣點是互不相關(guān)的.信號在時間上相差一定的間隔重復(fù)傳輸M次,只要時間大于相干時間,就可以得到M條獨立的分集支路. T1/(2fm)= 1/(2v/), fm為衰落頻率例:移動體速度v=30km/h和工作頻率為450MHz, T40ms.若移動臺靜止?fàn)顟B(tài),v=0,時間分集得益喪失.時間分集對靜止?fàn)顟B(tài)的移動臺

13、無助于減小此種衰落.81分集信號的合并技術(shù)M個輸入信號電壓r1(t), r2(t), r3(t) rM(t),合并器輸出電壓r(t)=a1r1(t)+ a2r2(t) + a3r3(t) + +aMrM(t), = akrk(t), ak為第k個信號的加權(quán)系數(shù).合并方式：選擇式合并最大比合并等增益合并82選擇式合并M個接收機的輸出信號送入選擇邏輯,選擇邏輯從M個接收信號中選擇最高基帶信噪比(SNR)的基帶信號作為輸出.選擇式合并的平均輸出信噪比=1/k， ：每個支路的平均信噪比。每增加一路分集支路,對輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍.合并增益Gs = / =1/k83最大比合并M個分集

14、支路經(jīng)過相位調(diào)整后,按適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)同相相加合并.最大比合并的平均輸出信噪比=M 合并增益為Gs = / =M與M成線性關(guān)系.84等增益合并ai實時改變是比較困難的,通常希望ai為常量,取ai =1就是等增益合并.等增益合并的平均輸出信噪比=1+(M-1)/4合并增益為Gs = / = 1+(M-1)/4當(dāng)M較大時,等增益合并僅比最大比合并差1.05dB.85分集合并性能的比較相同分集重數(shù)(M相同)情況下,以最大比值合并方式改善信噪比最多,等增益合并次之;分集重數(shù)M較小時,等增益合并信噪比改善接近最大比值合并.選擇式合并所得到的信噪比改善量最少.選擇式合并所得到信噪比改善量最少,合并器輸出只利

15、用了最強一路信號,而其他支路都沒有被利用.86移動通信的電波傳播與干擾移動通信的電波傳播分集技術(shù)噪聲干擾87噪聲移動信道的噪聲分為根據(jù)噪聲的來源不同分為內(nèi)部噪聲:熱噪聲,散彈噪聲自然噪聲人為噪聲根據(jù)噪聲特征分為脈沖噪聲起伏噪聲外部噪聲隨機噪聲88各種噪聲功率與頻率的關(guān)系89人為噪聲人為噪聲：電氣裝置中電流或電壓發(fā)生急劇變化而形成的電磁輻射，如各種電火花形成的電磁輻射。移動信道中，人為噪聲主要是車輛的點火噪聲。90噪聲對話音質(zhì)量的影響話音質(zhì)量評定惡化量:車輛行進時的動態(tài)條件下,為了達到靜態(tài)條件下一樣的話音質(zhì)量所需要接受的電平增加量.91移動臺接收機性能的惡化量頻率升高時,惡化量減小.對頻率在40

16、0MHz以上的接收機,性能惡化量基本與頻率無關(guān).92移動通信的電波傳播與干擾移動通信的電波傳播分集技術(shù)噪聲干擾93干擾主要有:鄰道干擾同頻干擾互調(diào)干擾94鄰道干擾1概念:相鄰的或者鄰近頻道的信號相互干擾以單音頻調(diào)頻波進行分析:S(t) = cos(0t + sint)=f/Fm:調(diào)頻指數(shù); :調(diào)制信號角頻率; 0:載波角頻率;展開成級數(shù)得:S(t) = J0()sin0t+J1() sin(0+)t - J1() sin(0-)t (第一對邊頻)+J2() sin(0+2)t + J2() sin(0-2)t (第二對邊頻)+J3() sin(0+3)t - J3() sin(0-3)t (第

17、三對邊頻)+Jn() sin(0+n)t + (-1)nJn() sin(0-n)t (第n對邊頻)+Jn()為邊頻幅度;調(diào)頻信號含有無數(shù)對邊頻分量,落入鄰道接收機的通道內(nèi),就會產(chǎn)生鄰道干擾.95鄰道干擾2圖中給出第一頻道(No.1)發(fā)送的調(diào)頻信號落入鄰道(No.2)示意.nL為落入鄰道最低邊頻的次數(shù); 在最壞情況下,落入鄰道接收機的最低邊頻次數(shù)為:nL = (Br 0.5 BI - fTR)/ Fm得nL后,就能求出相應(yīng)的貝賽爾函數(shù)JnL (), JnL+1 ()值,從而求出落入鄰道的邊帶功率.減少鄰道干擾的辦法：提高收發(fā)信機的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度限制發(fā)射信號帶寬發(fā)射機的瞬時頻偏不超過最大允許

18、值.96鄰道干擾2已知頻道間隔25kHz,接收機中頻帶寬BI為16kHz,頻偏為5kHz,收發(fā)信機頻差fTR =2kHz,最高調(diào)制頻率Fm=3kHz.落入鄰道接收機的最低邊頻次數(shù)是多少?如果某移動臺輻射功率為10w,該移動臺到另一移動臺的鄰道接收機傳輸損耗為100dB,求落入鄰道接收機的調(diào)制邊帶功率.nL=(25-8-2)/3=5 = f / Fm= 5/3 1.7J5(1.7)=3.3997*10-3第5邊頻相對于載波功率：20lg3.3997*10-3 -50dB落入鄰道邊帶功率約為P=10-50-100=-140(dBW)97同頻干擾同頻道再用移動通信系統(tǒng)中,相隔一定距離后,要重復(fù)使用相

19、同頻道.產(chǎn)生原因:凡是與有用信號具有相同頻率的無用信號或者與有用信號頻差不大能進入同一接收機通帶的無用信號都能產(chǎn)生同頻干擾.產(chǎn)生同頻干擾的頻率范圍:f0 BI /2.解決:使接收機輸入端的有用信號與同頻干擾電平之比大于某個數(shù)值(射頻防護比)不同信號的干擾射頻防護比不同.98同頻道再用距離概念:相同頻道之間的最小距離為同頻再用的最小安全距離所謂”安全”:接收機輸入端有用信號與同頻干擾比值大于射頻防護比同頻再用距離的相關(guān)因素:調(diào)制制度電波傳播特性基站覆蓋范圍(小區(qū)半徑)要求的可靠通信概率99同頻再用距離和射頻防護比的關(guān)系DI / Ds = 10 S/I/40若射頻防護比為8dB, DI / Ds

20、=10 8/40= 1.6, D = 2.6r0若考慮快慢衰落,射頻防護比約25dB, D = 5.2r0100互調(diào)干擾產(chǎn)生原因:由傳輸信道中的非線性電路產(chǎn)生.多個頻率不同的信號作用于任何一個非線性電路都會產(chǎn)生多組頻率的信號.一般非線性器件的輸出電流ic與輸入電壓u的關(guān)系為 ic = a0 + a1u + a2u2 + a3u3+, ak為非線性器件的特性系數(shù), a0 a1 a2設(shè)兩個信號同時作用于非線性器件u = AcosA t+ BcosB t失真項為: an (AcosA t+ BcosB t)n101互調(diào)干擾在三階(n=3)失真項中,會出現(xiàn)2A-B, 2B-A ,2A+B , 2B+A

21、等組合頻率因為:A和B都接近0(接收機接收接近調(diào)諧頻率的信號)所以,2A-B 0, 2B-A 0,這兩種組合頻率的干擾成為三階互調(diào)干擾.同理,在五階(n=5)失真項中,具有危害的是3A-2B ,3B-2A,成為五階互調(diào)干擾.102無三階互調(diào)的頻道組三階互調(diào)干擾比五階互調(diào)干擾大的多,所以一般主要考慮三階互調(diào)干擾的影響.產(chǎn)生三階互調(diào)干擾的頻率是:fx = fi + fj - fkfx =2 fi - fjfk, fi, fj是頻率集合f1, f2, fn中任意三個頻率.也是頻率集合中的一個頻率.常用頻道序號來表征頻率:103無三階互調(diào)的頻道組利用頻道序號差值表示互調(diào)關(guān)系式方便判別一組頻道中是否存在互調(diào)干擾.判別某個無線區(qū)所選擇的頻道組有無三階互調(diào)干擾,只要判別各頻道序號的差值有無相同.利用頻道序號差值陣列法來判斷頻道組那是否存在三階互調(diào)干擾104判斷無三階互調(diào)的