第10章無線電通信系統(tǒng)中的電磁兼容技術(shù)

第9章電磁兼容應(yīng)用9.2無線電通信系統(tǒng)中的電磁兼容技術(shù)9.1.1頻率的指配與管制1、頻率的指配頻率指配是指有權(quán)機(jī)關(guān)通過一定程序?qū)㈩l率（頻道）指配給某一電臺(tái)在規(guī)定條件下使用的行為。指配和使用頻率的基本要求是：(1)指配頻率和使用頻率，必須遵守國家對(duì)無線電頻率劃分和分配的有關(guān)規(guī)定；(2)指配頻率和使用頻率，必須按規(guī)定權(quán)限進(jìn)行；(3)指配頻率和使用頻率，必須符合科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的原則，即必須使頻率得到合理、充分、有效的利用。在滿足完成通信任務(wù)的前提下，盡量節(jié)省頻率。

2、頻譜管制頻譜管制包括執(zhí)法和監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面，是為了支持頻譜管理的整個(gè)過程，并解決干擾的問題。頻譜管制通過提供測(cè)量信息來支持頻譜管理，測(cè)量信息可用于：(1)通過驗(yàn)證發(fā)射信號(hào)的技術(shù)與操作特性，監(jiān)測(cè)和識(shí)別未授權(quán)的發(fā)射機(jī)來確保同國家頻譜管理的規(guī)則和法規(guī)相一致；(2)定位干擾源并解決干擾問題；(3)決定信道和頻段的用途，包括評(píng)價(jià)信道的可用性并證實(shí)頻率指配過程和頻譜分析方法的有效性。

頻譜的有效管理取決于頻譜管理人員通過執(zhí)行頻譜管理?xiàng)l例對(duì)頻譜使用進(jìn)行管制的能力。這種管制主要建立在強(qiáng)制檢查和監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上。

(1)強(qiáng)制檢查強(qiáng)制檢查這一職能可依靠監(jiān)測(cè)的輸入信息，包括以下內(nèi)容：調(diào)查干擾投訴；調(diào)查非法操作和不符合無線電臺(tái)執(zhí)照規(guī)定的操作；為訴訟案件收集信息并協(xié)助執(zhí)法機(jī)構(gòu)；確保無線電臺(tái)的操作者遵守國家及國際法律、規(guī)則要求；進(jìn)行技術(shù)測(cè)量，如發(fā)射機(jī)的輸出功率、失真等，這很難或不太可能通過監(jiān)測(cè)進(jìn)行。

(2)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)是同檢查和標(biāo)準(zhǔn)的符合性密切相關(guān)的，能夠識(shí)別和測(cè)量干擾源，核定輻射信號(hào)的正確技術(shù)與操作特性，從而監(jiān)測(cè)并識(shí)別出非法發(fā)射機(jī)。為確保適當(dāng)?shù)目捎眯院透采w范圍，檢查和監(jiān)測(cè)活動(dòng)在幅員遼闊的國家需要按地區(qū)來組織進(jìn)行。1、雜散發(fā)射限值的使用與參考帶寬(1)雜散發(fā)射限值的使用①雜散發(fā)射的電平依據(jù)無線電發(fā)射機(jī)的業(yè)務(wù)特性應(yīng)該用在雜散發(fā)射頻率上在一個(gè)給定的參考帶寬內(nèi)由發(fā)射機(jī)供給天線饋線的峰值包絡(luò)功率或平均功率表示。②③④⑤⑥

無線電發(fā)射機(jī)的雜散發(fā)射是一種十分有害的干擾，規(guī)定無線電發(fā)射機(jī)的雜散發(fā)射功率電平限值，有助于確保無線電發(fā)射機(jī)的質(zhì)量，降低系統(tǒng)之間的干擾，保證組網(wǎng)質(zhì)量。9.1.2無線電發(fā)射機(jī)的雜散發(fā)射功率電平限值4、分集接收技術(shù)分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以改善傳輸?shù)目煽啃?。它也是一?xiàng)研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域和空域中，如何分散又如何收集起來的技術(shù)。

(1)空間分集

①利用不同接收地點(diǎn)（空間）收到的信號(hào)衰落的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)抗衰落的功能。

②空間分集的基本結(jié)構(gòu)為：發(fā)端一副天線發(fā)送，收端N副天線接收，如圖所示。

移動(dòng)通信信道的主要特點(diǎn)是衰耗、慢衰落和各類多徑快衰落。其中對(duì)傳輸性影響最大的是各類快衰落（空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落）。分集技術(shù)就是其中一種最為有效的根治這些快衰落的措施和“藥方”。為了在接收端得到幾乎相互獨(dú)立的不同路徑，可以通過時(shí)域、頻域和空域的不同角度、不同方法與措施來加以實(shí)現(xiàn)。其中最基本的有：

③接收天線之間的距離為d，d為相關(guān)區(qū)間，它應(yīng)滿足：

④分集天線數(shù)N越大，分集效果越好，但不分集與分集差異較大，屬質(zhì)變。分集增益正比于分集的數(shù)量N，其改善是有限的，屬量變，且改善程度隨分集數(shù)量N的增加而減小。工程上要在性能與復(fù)雜性間折衷，通常取N＝2～4。式中，為波長(zhǎng)，為天線擴(kuò)散角。例如在城市中，擴(kuò)散角一般為；則有：⑤空間分集的兩類變化形式極化分集。利用在同一地點(diǎn)兩個(gè)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)，可呈現(xiàn)出不相關(guān)的衰落特性進(jìn)行分集接收，即在收發(fā)端天線上安裝水平與垂直極化天線，就可以把得到的兩路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行極化分集。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間。缺點(diǎn)是：由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，有3dB的損失。角度分集。由于地形、地貌和建筑物等接收環(huán)境的不同，使到達(dá)不同路徑信號(hào)可能來自不同的方向，這樣在接收端可采用方向性天線，分別指向不同的到達(dá)方向。而每個(gè)方向性天線接收到的多徑信號(hào)是不相關(guān)的。

⑥空間分集中由于接收端有N副天線，若N副天線尺寸、增益相同，則空間分集除了可獲得抗衰落的分集增益以外，還可獲得每副天線3dB的設(shè)備增益。

(2)頻率分集①將待發(fā)送的信息，分別調(diào)制在不同的載波上發(fā)送至信道。即要求頻率分集的載波間隔大于200kHz。

②只要不同的載波之間的間隔足夠大，載波間隔大于頻率相關(guān)帶寬，即③頻率分集與空間分集相比，其優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線與相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目；缺點(diǎn)是要占用更多的頻譜資源，并且在發(fā)送端有可能需要采用多部發(fā)射機(jī)。式中，L為接收信號(hào)時(shí)延功率譜的寬度。同樣，在城市中800～900MHz頻段，典型的時(shí)延擴(kuò)散值為5

(3)時(shí)間分集①對(duì)于一個(gè)隨機(jī)衰落的信號(hào)，當(dāng)取樣時(shí)間間隔足夠大時(shí)，兩個(gè)樣點(diǎn)間的衰落是互不相關(guān)的，利用這一特性構(gòu)成時(shí)間分集。

④時(shí)間分集與空間分集相比，其優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線數(shù)目，缺點(diǎn)是要占用更多的時(shí)隙資源，從而降低了傳輸效率。

③根據(jù)時(shí)間選擇性衰落的特性，在時(shí)域上時(shí)間間隔應(yīng)大于時(shí)域相關(guān)區(qū)間，即式中，B為多普勒頻移的擴(kuò)散區(qū)間，它與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度成正比。可見，時(shí)間分集對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)是無用的。②將待發(fā)送的信號(hào)每隔一定時(shí)間間隔（大于時(shí)間相關(guān)區(qū)間）重復(fù)發(fā)送，在接收端就可以得到N條獨(dú)立的分集支路。

(4)分集合并技術(shù)分集接收中，在接收端從不同的N個(gè)獨(dú)立信號(hào)支路所獲得的信號(hào)，可以通過不同形式的合并技術(shù)來獲得分集增益。具體來說，通常有3類：

①選擇性合并所有的接收信號(hào)送入選擇邏輯，選擇邏輯從所有接收信號(hào)中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號(hào)作為輸出。

②最大比合并這種方法是對(duì)N路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，再進(jìn)行同相合并（輸出信噪比等于各路信噪比之和）。在所有已知的線性分集合并方法中，其抗衰落性最佳。

③等增益合并即把各支路信號(hào)進(jìn)行同相后再相加，加權(quán)時(shí)各路的加權(quán)因子相等。其性能比最大比合并差，但比選擇性分集好。

(5)發(fā)射分集為了改善下行傳輸條件，能否利用線性系統(tǒng)的互易原理，將體積嚴(yán)重受限的移動(dòng)臺(tái)的接收端分集技術(shù)等效地搬至發(fā)送端來實(shí)現(xiàn)，這就是所謂的發(fā)送分集技術(shù)。非線性系統(tǒng)近似的線性系統(tǒng)。發(fā)射分集的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)同一發(fā)射信號(hào)使多個(gè)移動(dòng)臺(tái)獲得發(fā)射增益，而其他技術(shù)的發(fā)射增益只是針對(duì)一個(gè)移動(dòng)臺(tái)。

5、RAKE接收技術(shù)由于多徑信號(hào)中含有可利用的信息，所以，CDMA接收機(jī)可以通過合并多徑信號(hào)來改善接收信號(hào)的信噪比。RAKE接收機(jī)就是通過多個(gè)相關(guān)檢測(cè)器接收多徑信號(hào)中各路信號(hào)，并把它們合并在一起，以提供優(yōu)于單路信號(hào)的接收信噪比。CDMA系統(tǒng)中的RAKE接收機(jī)如圖所示。

在接收端將N條相互獨(dú)立的支路信號(hào)進(jìn)行合并后，可以得到分集增益。根據(jù)在接收端使用合并技術(shù)的位置不同，可以分為檢測(cè)前合并技術(shù)和檢測(cè)后合并技術(shù)，分集的合并如圖所示。合并器檢測(cè)器(a)檢測(cè)前合并技術(shù)檢測(cè)器合并器(b)檢測(cè)后合并技術(shù)對(duì)于具體的合并技術(shù)來說，通常有3類，即選擇式合并、最大比合并和等增益合并。6、交織技術(shù)信道交織技術(shù)被用于多徑干擾引起的時(shí)間選擇性衰落，交織可以再不附加任何開銷的情況下，使數(shù)字通信系統(tǒng)獲得時(shí)間分集。交織器的作用，就是將信源比特分散到不同的時(shí)間段中，以便出現(xiàn)深衰落或突發(fā)干擾時(shí)，來自信源比特中某一塊的最重要的碼位不會(huì)被同時(shí)干擾。交織編碼設(shè)計(jì)思想是通過交織將一個(gè)有記憶的突發(fā)差錯(cuò)信道，改造為基本上是無記憶的隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的信道，然后再用糾隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的糾錯(cuò)碼來糾錯(cuò)。交織碼的實(shí)現(xiàn)框圖如圖所示。此技術(shù)是一種很好的降低多址干擾的方法。CDMA通信系統(tǒng)是一個(gè)多用戶同時(shí)接入的通信環(huán)境。因?yàn)槎嘀犯蓴_與信道中的噪聲具有不同的統(tǒng)計(jì)特性，最重要的是，多址干擾具有可估計(jì)、可再生的特性，因此，可以綜合各個(gè)用戶的有用信息，采用一定的信號(hào)處理手段去降低接收信號(hào)中的多址干擾直至為零，這也是多用戶檢測(cè)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

7、多用戶檢測(cè)技術(shù)

(1)多用戶檢測(cè)器的一般結(jié)構(gòu)從原理上，首先要分清單個(gè)用戶檢測(cè)接收與多個(gè)用戶檢測(cè)接收之間的區(qū)別：②多用戶檢測(cè)接收機(jī)。充分利用有用偽碼多址的已知結(jié)構(gòu)信息與統(tǒng)計(jì)信息聯(lián)合檢測(cè)的多用戶接收機(jī)。

①傳統(tǒng)的單用戶檢測(cè)接收機(jī)。它是將多址干擾、多徑干擾當(dāng)作等效加性高斯白噪聲來處理，這是一種消極處理方式。③多用戶最佳檢測(cè)接收機(jī)結(jié)構(gòu)。包括多徑合并放在多用戶檢測(cè)之前與多徑合并放在多用戶檢測(cè)之后兩種。它既可以抗多址干擾也可以抗多徑干擾，還可以減少“遠(yuǎn)近效應(yīng)”（近距離強(qiáng)信號(hào)壓制遠(yuǎn)地弱信號(hào)的現(xiàn)象）的影響。

(2)多用戶檢測(cè)器的主要優(yōu)缺點(diǎn)

①主要優(yōu)點(diǎn)是消除或減弱多址干擾的有效手段；是消除或減弱多徑干擾的有效手段；是消除或減弱遠(yuǎn)近效應(yīng)的有效手段；簡(jiǎn)化功率控制，降低功率控制精度；彌補(bǔ)正交擴(kuò)頻碼互相關(guān)性不理想所帶來的消極影響；改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量、增大小區(qū)覆蓋范圍。

②主要缺點(diǎn)大大增加系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜度；增加系統(tǒng)時(shí)延，特別是當(dāng)采用自適應(yīng)算法并對(duì)于擴(kuò)頻碼較長(zhǎng)的系統(tǒng)更是如此；多用戶檢測(cè)一般需要知道用戶擴(kuò)頻碼的主要特征參量，這對(duì)于實(shí)際的多徑時(shí)變信道則不是一件容易的事，它需要通過不停的信道估計(jì)來實(shí)現(xiàn)，而且估值的精度將直接影響多用戶檢測(cè)器的性能。8、正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)OFDM是一種多載波技術(shù)，抗多徑傳播與頻率選擇性衰落能力很強(qiáng)。由于OFDM系統(tǒng)把信息分散到許多載波上，大大降低了各子載波的信號(hào)速率，從而能減弱多徑傳播的影響，若再通過采用保護(hù)間隔（在每一路OFDM符號(hào)中插入保護(hù)區(qū)間Tg）的方法，甚至可以完全消除符號(hào)間干擾（ISI）。用于基站的智能天線是一種由多個(gè)天線單元組成的陣列天線。智能天線實(shí)現(xiàn)了發(fā)信設(shè)備和傳播環(huán)境、用戶和基站間的最佳空間匹配通信。

(1)智能天線的特點(diǎn)

①它通過調(diào)節(jié)各陣列單元的加權(quán)幅度和相位來改變陣列天線的方向，從而抑制干擾，提高信噪比。

9、智能天線技術(shù)

②它自動(dòng)測(cè)出用戶方向，并將波束指向用戶，從而實(shí)現(xiàn)波束隨著用戶走。

③它可以提高天線增益，減少信號(hào)發(fā)射功率，延長(zhǎng)電池壽命，減少用戶設(shè)備的體積；或在不降低發(fā)射功率的前提下，大大增加基站的覆蓋率。

④它可以提高通信性能，降低發(fā)射功率，減少電波對(duì)人體的負(fù)面影響。

⑤它是一種不受建筑物阻擋的定位手段，可以為用戶提供新的服務(wù)，如導(dǎo)航、緊急救助。

(2)智能天線的分類

①自適應(yīng)方向圖智能天線

它采用自適應(yīng)算法，其方向圖沒有固定形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。其優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡(jiǎn)單，可得到最大的信號(hào)干擾比。

它在空間上選擇有用信號(hào)，抑制干擾信號(hào)，也被稱為空間濾波器。它避開了天線方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，應(yīng)用信號(hào)處理的理論和方法、自動(dòng)控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問題。

②固定形狀方向圖智能天線

按照采用的天線方向圖形狀，分為兩類。

固定形狀方向圖形狀基本不變，通過測(cè)向確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向（DOA），然后根據(jù)信號(hào)的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高信噪比。此天線無需迭代、響應(yīng)速度快，魯棒性好。（所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性。）用于基站的智能天線是一種由多個(gè)天線單元組成的陣列天線。智能天線實(shí)現(xiàn)了發(fā)信設(shè)備和傳播環(huán)境、用戶和基站間的最佳空間匹配通信。

(1)智能天線的特點(diǎn)

①它通過調(diào)節(jié)各陣列單元的加權(quán)幅度和相位來改變陣列天線的方向，從而抑制干擾，提高信噪比。

9、智能天線技術(shù)

②它自動(dòng)測(cè)出用戶方向，并將波束指向用戶，從而實(shí)現(xiàn)波束隨著用戶走。

③它可以提高天線增益，減少信號(hào)發(fā)射功率，延長(zhǎng)電池壽命，減少用戶設(shè)備的體積；或在不降低發(fā)射功率