第10章無線電通信系統(tǒng)中的電磁兼容技術

第9章電磁兼容應用9.2無線電通信系統(tǒng)中的電磁兼容技術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機關通過一定程序將頻率（頻道）指配給某一電臺在規(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，必須遵守國家對無線電頻率劃分和分配的有關規(guī)定；(2)指配頻率和使用頻率，必須按規(guī)定權限進行；(3)指配頻率和使用頻率，必須符合科學、經(jīng)濟、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)測兩個方面，是為了支持頻譜管理的整個過程，并解決干擾的問題。頻譜管制通過提供測量信息來支持頻譜管理，測量信息可用于：(1)通過驗證發(fā)射信號的技術與操作特性，監(jiān)測和識別未授權的發(fā)射機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，包括評價信道的可用性并證實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)行頻譜管理條例對頻譜使用進行管制的能力。這種管制主要建立在強制檢查和監(jiān)測的基礎上。

(1)強制檢查強制檢查這一職能可依靠監(jiān)測的輸入信息，包括以下內容：調查干擾投訴；調查非法操作和不符合無線電臺執(zhí)照規(guī)定的操作；為訴訟案件收集信息并協(xié)助執(zhí)法機構；確保無線電臺的操作者遵守國家及國際法律、規(guī)則要求；進行技術測量，如發(fā)射機的輸出功率、失真等，這很難或不太可能通過監(jiān)測進行。

(2)監(jiān)測監(jiān)測是同檢查和標準的符合性密切相關的，能夠識別和測量干擾源，核定輻射信號的正確技術與操作特性，從而監(jiān)測并識別出非法發(fā)射機。為確保適當?shù)目捎眯院透采w范圍，檢查和監(jiān)測活動在幅員遼闊的國家需要按地區(qū)來組織進行。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)射機的業(yè)務特性應該用在雜散發(fā)射頻率上在一個給定的參考帶寬內由發(fā)射機供給天線饋線的峰值包絡功率或平均功率表示。②③④⑤⑥

無線電發(fā)射機的雜散發(fā)射是一種十分有害的干擾，規(guī)定無線電發(fā)射機的雜散發(fā)射功率電平限值，有助于確保無線電發(fā)射機的質量，降低系統(tǒng)之間的干擾，保證組網(wǎng)質量。9.1.2無線電發(fā)射機的雜散發(fā)射功率電平限值4、分集接收技術分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸?shù)目煽啃?。它也是一項研究利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中，如何分散又如何收集起來的技術。

(1)空間分集

①利用不同接收地點（空間）收到的信號衰落的獨立性，實現(xiàn)抗衰落的功能。

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

移動通信信道的主要特點是衰耗、慢衰落和各類多徑快衰落。其中對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間選擇性衰落）。分集技術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立的不同路徑，可以通過時域、頻域和空域的不同角度、不同方法與措施來加以實現(xiàn)。其中最基本的有：

③接收天線之間的距離為d，d為相關區(qū)間，它應滿足：

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雜性間折衷，通常取N＝2～4。式中，為波長，為天線擴散角。例如在城市中，擴散角一般為；則有：⑤空間分集的兩類變化形式極化分集。利用在同一地點兩個極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號，可呈現(xiàn)出不相關的衰落特性進行分集接收，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的信號進行極化分集。優(yōu)點是：結構緊湊、節(jié)省空間。缺點是：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，使到達不同路徑信號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方向。而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關的。

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的設備增益。

(2)頻率分集①將待發(fā)送的信息，分別調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帶寬，即③頻率分集與空間分集相比，其優(yōu)點是減少了接收天線與相應設備的數(shù)目；缺點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。式中，L為接收信號時延功率譜的寬度。同樣，在城市中800～900MHz頻段，典型的時延擴散值為5

(3)時間分集①對于一個隨機衰落的信號，當取樣時間間隔足夠大時，兩個樣點間的衰落是互不相關的，利用這一特性構成時間分集。

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

③根據(jù)時間選擇性衰落的特性，在時域上時間間隔應大于時域相關區(qū)間，即式中，B為多普勒頻移的擴散區(qū)間，它與移動臺的運動速度成正比?？梢?，時間分集對處于靜止狀態(tài)的移動臺是無用的。②將待發(fā)送的信號每隔一定時間間隔（大于時間相關區(qū)間）重復發(fā)送，在接收端就可以得到N條獨立的分集支路。

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

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

②最大比合并這種方法是對N路信號進行加權，再進行同相合并（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進行同相后再相加，加權時各路的加權因子相等。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，將體積嚴重受限的移動臺的接收端分集技術等效地搬至發(fā)送端來實現(xiàn)，這就是所謂的發(fā)送分集技術。非線性系統(tǒng)近似的線性系統(tǒng)。發(fā)射分集的優(yōu)點是能實現(xiàn)同一發(fā)射信號使多個移動臺獲得發(fā)射增益，而其他技術的發(fā)射增益只是針對一個移動臺。

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

在接收端將N條相互獨立的支路信號進行合并后，可以得到分集增益。根據(jù)在接收端使用合并技術的位置不同，可以分為檢測前合并技術和檢測后合并技術，分集的合并如圖所示。合并器檢測器(a)檢測前合并技術檢測器合并器(b)檢測后合并技術對于具體的合并技術來說，通常有3類，即選擇式合并、最大比合并和等增益合并。6、交織技術信道交織技術被用于多徑干擾引起的時間選擇性衰落，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)獲得時間分集。交織器的作用，就是將信源比特分散到不同的時間段中，以便出現(xiàn)深衰落或突發(fā)干擾時，來自信源比特中某一塊的最重要的碼位不會被同時干擾。交織編碼設計思想是通過交織將一個有記憶的突發(fā)差錯信道，改造為基本上是無記憶的隨機獨立差錯的信道，然后再用糾隨機獨立差錯的糾錯碼來糾錯。交織碼的實現(xiàn)框圖如圖所示。此技術是一種很好的降低多址干擾的方法。CDMA通信系統(tǒng)是一個多用戶同時接入的通信環(huán)境。因為多址干擾與信道中的噪聲具有不同的統(tǒng)計特性，最重要的是，多址干擾具有可估計、可再生的特性，因此，可以綜合各個用戶的有用信息，采用一定的信號處理手段去降低接收信號中的多址干擾直至為零，這也是多用戶檢測要實現(xiàn)的目標。

7、多用戶檢測技術

(1)多用戶檢測器的一般結構從原理上，首先要分清單個用戶檢測接收與多個用戶檢測接收之間的區(qū)別：②多用戶檢測接收機。充分利用有用偽碼多址的已知結構信息與統(tǒng)計信息聯(lián)合檢測的多用戶接收機。

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

(2)多用戶檢測器的主要優(yōu)缺點

①主要優(yōu)點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；是消除或減弱遠近效應的有效手段；簡化功率控制，降低功率控制精度；彌補正交擴頻碼互相關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主要缺點大大增加系統(tǒng)設備的復雜度；增加系統(tǒng)時延，特別是當采用自適應算法并對于擴頻碼較長的系統(tǒng)更是如此；多用戶檢測一般需要知道用戶擴頻碼的主要特征參量，這對于實際的多徑時變信道則不是一件容易的事，它需要通過不停的信道估計來實現(xiàn)，而且估值的精度將直接影響多用戶檢測器的性能。8、正交頻分復用（OFDM）技術OFDM是一種多載波技術，抗多徑傳播與頻率選擇性衰落能力很強。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速率，從而能減弱多徑傳播的影響，若再通過采用保護間隔（在每一路OFDM符號中插入保護區(qū)間Tg）的方法，甚至可以完全消除符號間干擾（ISI）。用于基站的智能天線是一種由多個天線單元組成的陣列天線。智能天線實現(xiàn)了發(fā)信設備和傳播環(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

①它通過調節(jié)各陣列單元的加權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

②它自動測出用戶方向，并將波束指向用戶，從而實現(xiàn)波束隨著用戶走。

③它可以提高天線增益，減少信號發(fā)射功率，延長電池壽命，減少用戶設備的體積；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，減少電波對人體的負面影響。

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，如導航、緊急救助。

(2)智能天線的分類

①自適應方向圖智能天線

它采用自適應算法，其方向圖沒有固定形狀，隨著信號及干擾而變化。其優(yōu)點是算法較為簡單，可得到最大的信號干擾比。

它在空間上選擇有用信號，抑制干擾信號，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)學困難，應用信號處理的理論和方法、自動控制的技術，解決天線權集優(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，通過測向確定用戶信號的到達方向（DOA），然后根據(jù)信號的DOA選取合適的陣元加權，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、響應速度快，魯棒性好。（所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結構，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。）用于基站的智能天線是一種由多個天線單元組成的陣列天線。智能天線實現(xiàn)了發(fā)信設備和傳播環(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

①它通過調節(jié)各陣列單元的加權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

②它自動測出用戶方向，并將波束指向用戶，從而實現(xiàn)波束隨著用戶走。

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