無線通信工程第講－組成及規(guī)范

無線通信工程姚彥教授清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2001年11月10日補(bǔ)充參考書：T.S.Rappaport著，蔡濤等譯：“無線通信原理與應(yīng)用”，電子工業(yè)出版社，1999姚彥等著：“數(shù)字微波中繼通信工程”，人民郵電出版社，1990講稿：8，找“incoming/無線通信工程”文件夾。第二講系統(tǒng)組成及技術(shù)規(guī)范系統(tǒng)組成性能指標(biāo)技術(shù)體制技術(shù)規(guī)范系統(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

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

發(fā)送信號(hào)： s(t)=a(t)cos0t+(t)=Reu(t)exp(j0t)

其中：u(t)=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)。正交調(diào)制及正交解調(diào)可以等效為復(fù)數(shù)乘法器。帶通濾波器可以等效為復(fù)數(shù)低通濾波器。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)。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。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)調(diào)制解調(diào)的的基帶等效效合路costsintx(t)y(t)S(t)分路cost-sintx(t)y(t)S(t)S(t)=x(t)+jy(t)exp(jt)x(t)=ReS(t)exp(-jt)y(t)=ImS(t)exp(-jt)系統(tǒng)組成（（8）：帶帶通濾波的的基帶等效效00H()HB()HB(－－0)=H()，0HB(－－－－0)=H(－－)，0H()＝HB(－－0)＋＋HB(－－－－0)系統(tǒng)統(tǒng)組組成成（（9））：：無無線線傳傳輸輸?shù)牡幕鶐У鹊刃ＤＰ托驼{(diào)制制映射射解調(diào)調(diào)映射射HT()HR()HC()N(t)復(fù)數(shù)數(shù)噪噪聲聲二進(jìn)進(jìn)制制碼碼流流輸輸出出二進(jìn)進(jìn)制制碼碼流流輸輸入入多進(jìn)進(jìn)制制復(fù)復(fù)符符號(hào)號(hào)多進(jìn)進(jìn)制制復(fù)復(fù)符符號(hào)號(hào)發(fā)端端響響應(yīng)應(yīng)收端端響響應(yīng)應(yīng)信道道響響應(yīng)應(yīng)性能能指指標(biāo)標(biāo)多址址方方式式雙工工方方式式調(diào)制制解解調(diào)調(diào)方方式式信道道編編碼碼方方式式信源源編編碼碼方方式式發(fā)送送頻頻譜譜發(fā)送送功功率率信道道速速率率誤碼碼門門限限工作作頻頻段段及及頻頻譜譜安安排排傳輸輸距距離離及及傳傳輸輸方方式式傳輸輸容容量量傳輸輸質(zhì)質(zhì)量量業(yè)務(wù)務(wù)方方式式供電電方方式式及及耗耗電電量量環(huán)境境條條件件可靠靠性性性能能指指標(biāo)標(biāo)（（1））：：概概述述性能能指指標(biāo)標(biāo)（（2））：：工工作作頻頻段段及及頻頻譜譜安安排排工作作頻頻段段：：根根據(jù)據(jù)頻頻譜譜規(guī)規(guī)劃劃，，劃劃分分給給該該項(xiàng)項(xiàng)業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)的的工工作作頻頻率率范范圍圍。。波道道配配置置：：根根據(jù)據(jù)頻頻譜譜規(guī)規(guī)劃劃，，在在工工作作頻頻段段內(nèi)內(nèi)劃劃分分出出若若干干個(gè)個(gè)波波道道，，供供用用戶戶選選用用。。收發(fā)發(fā)配配置置：：根根據(jù)據(jù)頻頻譜譜規(guī)規(guī)劃劃，，在在工工作作頻頻段段內(nèi)內(nèi)劃劃分分出出發(fā)發(fā)送送和和接接收收子子頻頻段段。。頻段段寬寬度度波道道間間隔隔收發(fā)發(fā)頻頻差差ffff1f1'f1f2性能能指指標(biāo)標(biāo)（（3））：：傳傳輸輸距距離離和和傳傳輸輸方方式式傳輸輸距距離離地面面視視距距傳傳播播：：取取決決于于天天線線高高度度、、工工作作頻頻段段和和地地形形，，一一般般50公公里里以以內(nèi)內(nèi)。。地面面繞繞射射傳傳播播：：一一般般20公公里里以以內(nèi)內(nèi)。。對(duì)流流層層傳傳播播：：一一般般幾幾百百公公里里。。電離離層層傳傳播播：：可可達(dá)達(dá)幾幾千千公公里里。。衛(wèi)星星傳傳播播：：洲洲際際傳傳播播傳輸輸方方式式單工工點(diǎn)點(diǎn)對(duì)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)方方式式。。雙工工點(diǎn)點(diǎn)對(duì)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)方方式式。。中繼繼（（或或稱稱接接力力））方方式式－有有源源中中繼繼－無無源源中中繼繼地面面點(diǎn)點(diǎn)對(duì)對(duì)多多點(diǎn)點(diǎn)方方式式衛(wèi)星星點(diǎn)點(diǎn)對(duì)對(duì)多多點(diǎn)點(diǎn)方方式式平流流層層氣氣球球方方式式傳輸輸容容量量傳輸輸容容量量指指對(duì)對(duì)用用戶戶有有效效的的傳傳輸輸信信息息容容量量傳輸輸容容量量表表示示方方法法－用用總總的的電電話話路路數(shù)數(shù)來來表表示示，，如如：：M16路，，PCM30路路等等－用用PDH的的群群路路數(shù)數(shù)來來表表示示，，如如：：1E1，，4E1等等－用用有有效效傳傳輸輸?shù)牡谋缺忍靥芈事蕘韥肀肀硎臼荆?，如如：?Mb/s，，8Mb/s傳輸輸容容量量有有時(shí)時(shí)還還要要考考慮慮一一些些附附加加的的信信息息性能能指指標(biāo)標(biāo)（（4））：：傳傳輸輸容容量量和和信信道道速速率率信道道速速率率信道道速速率率指指在在無無線線信信道道中中傳傳送送的的總總速速率率，，一一般般用用比比特特率率表表示示信道道比比特特包包括括：：用用戶戶信信息息比比特特和和輔輔助助信信息息比比特特輔助助信信息息比比特特如如：：－信信道道編編碼碼比比特特－勤勤務(wù)務(wù)和和監(jiān)監(jiān)控控比比特特－幀幀同同步步比比特特性能能指指標(biāo)標(biāo)（（5））：：傳傳輸輸質(zhì)質(zhì)量量和和誤誤碼碼門門限限傳輸輸質(zhì)質(zhì)量量數(shù)字字信信號(hào)號(hào)傳傳輸輸質(zhì)質(zhì)量量之之一一：：誤誤碼碼，，包包括括：：－長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)時(shí)間間統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)的的零零星星誤誤碼碼－短短時(shí)時(shí)間間統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)的的誤誤碼碼超超過過某某個(gè)個(gè)值值（（如如：：10-3，10-6)的的時(shí)時(shí)間間百百分分?jǐn)?shù)數(shù)數(shù)字字信信號(hào)號(hào)傳傳輸輸質(zhì)質(zhì)量量之之二二：：同同步步，，包包括括：：－時(shí)時(shí)鐘鐘抖抖動(dòng)動(dòng)－時(shí)時(shí)鐘鐘丟丟失失誤碼碼門門限限無線線傳傳輸輸系系統(tǒng)統(tǒng)的的重重要要性性能能指指標(biāo)標(biāo)為達(dá)達(dá)到到一一定定誤誤碼碼率率所所需需要要的的最最小小接接收收電電平平，，稱稱為為該該系系統(tǒng)統(tǒng)的的誤誤碼碼門門限限誤碼門限計(jì)計(jì)算公式：：Pr0=NFkT0fbEb/N0其中：NF為噪聲系數(shù)數(shù)，k為為玻爾茲曼曼常數(shù)，T0為絕對(duì)溫度度，fb為信道速率率，Eb/N0為保證一定定誤碼率所所需要的歸歸一化信噪噪比性能指標(biāo)（（6）：雙雙工方式頻分雙工（（FDD））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)調(diào)制解調(diào)方方式調(diào)制方式模擬調(diào)制及及數(shù)字調(diào)制制常用數(shù)字調(diào)調(diào)制方式：：FSK、MSK、GMSK、、TFMBPSK、、QPSK、8PSK16QAM、64QAM、256QAM全數(shù)字實(shí)現(xiàn)現(xiàn)方法任何調(diào)制都都可以正交交展開，即即用復(fù)包絡(luò)絡(luò)表示解調(diào)方式模擬解調(diào)和和數(shù)字解調(diào)調(diào)數(shù)字解調(diào)－相干解調(diào)調(diào)－非相干解解調(diào)同步問題的的重要性－載波同步步－時(shí)鐘同步步全數(shù)字解調(diào)調(diào)算法性能指標(biāo)（（8）：信信道編碼方方式信道編碼的的目的：－消除由于于信道不理理想所帶來來的誤碼－在理想信信道上取得得一定的功功率增益考慮原則：：－系統(tǒng)對(duì)信信道編碼的的要求－系統(tǒng)能提提供多少冗冗余度常用的信道道編碼：－分組碼－卷積碼－Turbo碼糾錯(cuò)編碼和和交織結(jié)合合糾錯(cuò)編碼和和調(diào)制結(jié)合合代數(shù)譯碼和概概率譯碼性能指標(biāo)（9）：信源編編碼方式語(yǔ)音壓縮編碼碼增量調(diào)制（M）16Kb/s，32Kb/s脈沖編碼調(diào)制制（PCM））64Kb/s自適應(yīng)差分脈脈碼調(diào)制（ADPCM））32Kb/s其它中低速語(yǔ)語(yǔ)音編碼16Kb/s，8Kb/s，4.8Kb/s，，2.4Kb/s圖象壓縮編碼碼JPEG，靜止圖象32,64,128Kb/sH.261，，會(huì)議電視64,128,384,1920Kb/sMPEG-1，存儲(chǔ)媒體體2Mb/s以以下MPEG-2，數(shù)字電視視2Mb/s以上性能指標(biāo)（10）：發(fā)送送頻譜和發(fā)送送功率發(fā)送頻譜框架架發(fā)送功率為了保證有一一個(gè)較好的電電磁環(huán)境，無無線通信系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)送功率率有較嚴(yán)格的的規(guī)定。發(fā)送功率的等等級(jí)：－無繩電話：：毫瓦級(jí)－移動(dòng)電話：：瓦級(jí)－微波通信：：十瓦級(jí)－衛(wèi)星通信：：百瓦級(jí)f0f主瓣寬度：BB帶外輻射：LLdB性能指標(biāo)（11）：供電電方式及耗電電量供電方式交流供電、直直流供電間斷供電、不不間斷供電各種方式：－220V電網(wǎng)－發(fā)電機(jī)－太陽(yáng)能－蓄電池－干電池耗電量無線通信系統(tǒng)統(tǒng)的重要指標(biāo)標(biāo)降低耗電量的的方法：－減少整個(gè)系系統(tǒng)的傳輸損損耗，減少發(fā)發(fā)射功率－采用效率高高的功率器件件－提高電源變變換器的效率率性能指標(biāo)（12）：環(huán)境境條件溫度條件－保證指標(biāo)的的溫度范圍－保證工作的的溫度范圍－儲(chǔ)存的溫度度范圍濕度條件沖擊及振動(dòng)條條件電磁干擾條件件腐蝕條件特種條件溫度條件舉例例民品：5400C保證指標(biāo)0450C保證工作軍品－10450C保證指標(biāo)－20500C保證工作性能指標(biāo)（13）：可靠靠性可靠性基本關(guān)關(guān)系失效率：在單位時(shí)時(shí)間內(nèi)從正常常轉(zhuǎn)為失效的的概率平均無故障工工作時(shí)間T。。T＝1/可靠度p：無故障工作的的概率。p=exp(-t)可用率P。P＝t工作/(t工作+t中斷)無線通信的可可靠性包括：設(shè)備可可靠性和傳播播可靠性。為提高設(shè)備可可靠性：－采用高可靠靠性的元件－采用設(shè)備的的備份措施為提高傳播可可靠性：－在傳播能力力上留有余量量－采用抗信道道衰落技術(shù)－采用波道的的備份措施技術(shù)體制技術(shù)體制（1）：考慮原原則有效性：在給給定的頻率、、功率和空間間條件下實(shí)現(xiàn)現(xiàn)最大的傳輸輸容量?？煽啃裕涸诮o給定的信道衰衰落和干擾條條件下實(shí)現(xiàn)最最好的業(yè)務(wù)質(zhì)質(zhì)量。靈活性：為固固定及移動(dòng)用用戶提供最靈靈活的無線接接入手段。實(shí)用性：成本本、體積、重重量、耗電等等。技術(shù)體制（2）：關(guān)于有有效性信源編碼技術(shù)術(shù)：采用有有效的信源編編碼技術(shù)，在在保證原始消消息質(zhì)量的條條件下，盡可可能壓縮傳輸輸所需的比特特率。調(diào)制技術(shù)：采采用高效率率的調(diào)制技術(shù)術(shù)（包括頻譜譜成形技術(shù)）），盡可能壓壓縮傳輸給定定比特率所需需的帶寬。蜂窩技術(shù)：控控制發(fā)射機(jī)的的功率，在通通信區(qū)域內(nèi)劃劃分出許多蜂蜂窩狀小區(qū)，，從而提高無無線頻譜的利利用率。智能天線技術(shù)術(shù)：利用天線線的自動(dòng)定向向或扇區(qū)劃分分，在通信區(qū)區(qū)域內(nèi)形成許許多定向的小小區(qū)，從而提提高無線頻譜譜利用率。技術(shù)體制（3）：關(guān)于可可靠性冗余度技術(shù)：：－糾錯(cuò)編碼，，比特上的冗冗余度；－擴(kuò)頻與跳頻頻，頻率上的的冗余度；－電平儲(chǔ)備，，功率上的冗冗余度；－備份切換，，設(shè)備上的冗冗余度。抵銷技術(shù)－均衡，用頻頻域或時(shí)域的的方法校正信信道的傳遞函函數(shù)；－分集，用多多重頻率、時(shí)時(shí)間或天線接接收的信號(hào)抵抵銷多徑效應(yīng)應(yīng)；－多用戶檢測(cè)測(cè)；－自適應(yīng)干擾擾抵銷。技術(shù)體制（4）：關(guān)于靈靈活性無線多路無線多路是無無線通信靈活活性的表現(xiàn)之之一。無線多路一般般遵循多路電電話的標(biāo)準(zhǔn)，，如：PDH的基群、二次次群等，SDH的STM-1等。采采用TDM體體制。無線通信還能能提供靈活的的旁路業(yè)務(wù)。。無線多址無線多址接入入是無線通信信靈活性的表表現(xiàn)之二。采用FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等多址接入入技術(shù)。既能固定接入入，也能移動(dòng)動(dòng)接入。在蜂窩移動(dòng)系系統(tǒng)中，越區(qū)區(qū)和漫游技術(shù)術(shù)的重要性。。技術(shù)體制（5）：關(guān)于實(shí)實(shí)用性便攜性便于攜帶，是是無線通信作作為個(gè)人通信信物理層基礎(chǔ)礎(chǔ)的重要特點(diǎn)點(diǎn)。為了滿足便攜攜性，對(duì)個(gè)人人便攜終端（（如：手機(jī)））的體積、重重量、功耗都都提出了很高高的要求。為解決此問題題需要綜合的的技術(shù)。經(jīng)濟(jì)性隨著個(gè)人通信信的發(fā)展，無無線通信已從從傳統(tǒng)的投資資類產(chǎn)品轉(zhuǎn)化化為市場(chǎng)巨大大的消費(fèi)類產(chǎn)產(chǎn)品。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的的推動(dòng)下，無無線通信產(chǎn)品品的成本價(jià)格格必須大幅度度下降。降低成本的關(guān)關(guān)鍵：采用系系統(tǒng)集成技術(shù)術(shù)和批量生產(chǎn)產(chǎn)技術(shù)。技術(shù)規(guī)范技術(shù)規(guī)范（1）：概述無線通信技術(shù)術(shù)規(guī)范的重要要性－無線頻譜譜的合理使使用－無線系統(tǒng)統(tǒng)的干擾協(xié)協(xié)調(diào)－無線用戶戶的入網(wǎng)接接口－無線設(shè)備備的跨域漫漫游無線通信技技術(shù)規(guī)范的的核心－無線傳輸輸技術(shù)（空空中接口技技術(shù)）－無線入網(wǎng)網(wǎng)技術(shù)技術(shù)規(guī)范（（2）：標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)系列國(guó)際電聯(lián)的的標(biāo)準(zhǔn)：CCIR、、CCITT、ITU世界各國(guó)的的地區(qū)性標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)－歐洲標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)－北美標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)－日本標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)－國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)－部門標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范（（3）：無無線法規(guī)由國(guó)家無線線電管理委委員會(huì)制定定無線電法法規(guī)，作為為國(guó)家行政政法規(guī)頒布布。各種無線產(chǎn)產(chǎn)品必須符符合無線法法規(guī)制定的的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。各種無線產(chǎn)產(chǎn)品的研制制、生產(chǎn)、、引進(jìn)、使使用都必須須向主管部部門（各級(jí)級(jí)無委會(huì)））申報(bào)，特特別是無線線發(fā)射機(jī)。。各項(xiàng)無線通通信工程的的設(shè)計(jì)、施施工和運(yùn)營(yíng)營(yíng)都必須向向主管部門門（各級(jí)無無委會(huì)）申申報(bào)，特別別是使用頻頻率。違反國(guó)家無無線法規(guī)的的行為都屬屬于違法行行為。技術(shù)規(guī)范（（4）：頻頻譜規(guī)劃無線頻譜的的使用由國(guó)國(guó)家無委會(huì)會(huì)統(tǒng)一規(guī)劃劃，并實(shí)行行許可證制制度。頻譜規(guī)劃種種類：廣播播電視、射射電天文、、雷達(dá)定位位、民用通通信、軍用用通信等。。民用通信舉舉例：微波波通信、衛(wèi)衛(wèi)星通信、、移動(dòng)通信信、無線尋尋呼、無繩繩電話、無無線數(shù)據(jù)等等。頻譜規(guī)劃中中允許不同同業(yè)務(wù)共享享某個(gè)頻段段，但在技技術(shù)上和管管理上要做做好協(xié)調(diào)。。技術(shù)規(guī)范（（5）：數(shù)數(shù)字微波技技術(shù)規(guī)范工作頻段：：2GHz，4GHz，6GHz，8GHz，，11GHz等傳輸容量：： 小容量量2Mb/s，8Mb/s中容量34Mb/s，68Mb/s大容量140Mb/s，155Mb/s傳輸質(zhì)量：： 高誤碼碼，誤碼率率超過110－3的時(shí)間百分分?jǐn)?shù)低誤碼，誤誤碼率超過過110－6的時(shí)間百分分?jǐn)?shù)零星誤碼不不超過110－9傳輸距離：： 2500Km，，1000Km，300Km技術(shù)規(guī)范（（6）：擴(kuò)擴(kuò)頻微波技技術(shù)規(guī)范工作頻段：：2.4-2.4835GHz,5.725-5.85GHz無需許可證證頻段傳輸容量：：不小于250kbits/s擴(kuò)譜方式：：直接序列列擴(kuò)譜（DSSS）），擴(kuò)頻比比為11跳頻擴(kuò)譜（（FHSS），跳頻速率為為2.5次次/秒發(fā)射功率：：不大于100mW峰值功率密密度：不大大于－10dBW/100KHz（（跳頻）不不大于－20dBW/1MHz（直擴(kuò)擴(kuò)）技術(shù)規(guī)范（（7）：移移動(dòng)通信技技術(shù)規(guī)范模擬蜂窩TACS－頻率900MHz－間隔25KHz－調(diào)制話話音FM，信令令FSK－多址FDMA－雙工FDD數(shù)字蜂窩G