通信技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用-2013.第2講

通信技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用第2講1提綱上一講回顧第二章電波的傳播特性2.1無線電波2.2電波傳播中的衰落2上一講回顧考試方式：期末全開卷（60%）+平時成績（40%）總結(jié)：通信原理，圖例，與實際結(jié)合，科普。交作業(yè)郵箱：lly.uestc@課件下載：郵箱：wireless_comm@163.com密碼：wireless20123提綱第一章1.1移動通信概念1.2移動通信的發(fā)展1.3移動通信系統(tǒng)的工作方式及組成41.3移動通信的工作方式單工方式：信息在兩點之間只能單方向發(fā)送的工作方式（如：尋呼系統(tǒng)）雙工方式：指在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也能夠接收數(shù)據(jù)，兩者同步進(jìn)行（如：普通市話系統(tǒng)）51.3移動通信的工作方式半雙工方式：信息在兩點之間能夠在兩個方向上進(jìn)行發(fā)送，但不能同時發(fā)送的工作方式，專用于移動通信系統(tǒng)（如汽車調(diào)度（車載GPS安全系統(tǒng)）等）準(zhǔn)雙工方式：移動臺的發(fā)射機(jī)在發(fā)話時工作，而移動臺的接收機(jī)總是工作的（如蜂窩移動通信系統(tǒng)，手機(jī)通信系統(tǒng)）6接收機(jī)常開，發(fā)射機(jī)只在有信號需發(fā)射時才開優(yōu)點：移動臺省電

減少空中干擾電平1.3移動通信系統(tǒng)的組成移動通信一般由移動臺（MS）、基站（BS）、移動業(yè)務(wù)交換中心（MSC）及與市話網(wǎng)（PSTN）相連接的中繼線等組成71.3移動通信系統(tǒng)的組成MS、BS均有一套收、發(fā)信機(jī)和天饋系統(tǒng)無線小區(qū)：BS天線覆蓋范圍影響無線小區(qū)大小的因素發(fā)射功率（傳播衰耗）基站天線高度（視距傳播特性）通過BS、MSC就可以實現(xiàn)在整個服務(wù)區(qū)內(nèi)任意兩個移動用戶之間的通信經(jīng)過中繼線與市話局連接，實現(xiàn)移動用戶和市話用戶之間的通信，從而構(gòu)成一個有線、無線相結(jié)合的移動通信系統(tǒng)8移動通信中信號的基本處理過程GSM移動臺工作原理框圖9發(fā)射信號處理語音編碼信源編碼，用于將模擬信號變成數(shù)字信號以便在信道中傳輸信道編碼主要是為了糾錯，有分組碼和卷積碼交織編碼是在解碼比特流中降低傳輸突發(fā)差錯數(shù)字信號調(diào)制利用數(shù)字信號對射頻載波進(jìn)行調(diào)制。變成適合傳輸?shù)男盘栕冾l調(diào)制后的信號需要上變頻到發(fā)射頻率10接收信號處理接收射頻信號處理均衡利用均衡器產(chǎn)生的信道模型可以解決在傳輸中可能出現(xiàn)的差錯，GSM系統(tǒng)中采用了Viterbi均衡11移動通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)基本業(yè)務(wù)電話業(yè)務(wù)、緊急呼叫業(yè)務(wù)短消息業(yè)務(wù)、語音信箱業(yè)務(wù)、傳真和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)補充業(yè)務(wù)號碼識別補充業(yè)務(wù)類、呼叫提供類補充業(yè)務(wù)、呼叫限制類補充業(yè)務(wù)等增值業(yè)務(wù)手機(jī)銀行、手機(jī)證券、手機(jī)郵箱、信息點播、彩信、隨e行、手機(jī)+筆記本上網(wǎng)、WAP等12常用移動通信按使用對象可分為：民用設(shè)備和軍用設(shè)備按使用環(huán)境可分為：陸地通信、海上通信和空中通信；按多址方式可分為：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）等；按覆蓋范圍可分為：廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)；按業(yè)務(wù)類型可分為：基本業(yè)務(wù)、補充業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)網(wǎng)；按工作方式可分為：同頻單工、異頻單工、異頻雙工和半雙工；按服務(wù)范圍可分為：專用網(wǎng)和公用網(wǎng)；按信號形式可分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)。13作業(yè)1.什么是移動通信？移動通信與無線通信的區(qū)別與聯(lián)系是什么？2.移動通信常用的工作方式有哪些？公用蜂窩移動電話系統(tǒng)使用那種？3.移動通信系統(tǒng)在語音信號傳輸中需要對信號作哪些處理？4.報告：LTE采用什么技術(shù)以及其商用系統(tǒng)的進(jìn)展情況（交電子檔，可在網(wǎng)上搜索其相關(guān)內(nèi)容—-----是開放性問題，Openproblem）14提綱上一講回顧第二章電波的傳播特性2.1無線電波2.2電波傳播中的衰落15第二章電波的傳播特性一.無線電波的概念無線電波是一種能量傳輸形式，電場和磁場在空間交替變換，向前行進(jìn)。在傳輸過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時，這兩者又都垂直與傳播方向。16電磁波的傳播17電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場無線電波的傳播特性3、波長、頻率和傳播速度的關(guān)系可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。其中，Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ為頻率，單位為赫茲；λ為波長，單位為米。18波長194、無線電波頻段的劃分頻段名稱頻率范圍波長范圍長波30～300KHz1000～10000m中波300～3000KHz100～1000m短波3～30MHz10～100m超短波30～300MHz（VHF）1～10m微波0.3～3GHz（UHF）10cm～1m3～30GHz1～10cm30～300GHz1～10mm205、VHF、UHFVHF：甚高頻（30MHz—300MHz）。目前使用情況：150MHz（對講機(jī)頻段）UHF：特高頻（300MHz—3000MHz）。目前使用情況：450MHz、800MHz、

900MHz（中國手機(jī)頻段）、1800MHz（中國手機(jī)頻段）、1900MHz（美國手機(jī)頻段）、2000MHz為何移動通信通信主要使用VHF和UHF頻段？

（1）VHF/UHF頻段適合于移動通信：從VHF/UHF頻段電波的傳播特性來看，主要是視距范圍內(nèi)，一般為幾十公里，而大部分車輛的日常移動半徑在幾十公里范圍內(nèi)，因此，這個頻段適合于移動通信。（2）天線長度決定波長，這個頻段信號發(fā)射和接收時，所使用的無線較短便于移動。

（3）抗干擾能力強：VHF/UHF頻段，可以使用較小的發(fā)射功率獲得及愛好的信噪比。216、超短波的傳播目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段都屬于UHF（特高頻）超短波，其高端屬于微波。超短波和微波又稱空間波，空間波一般只能沿直線方向傳播到直接可見的地方。227、電波傳播方式

發(fā)射機(jī)天線發(fā)出的無線電波，可依不同的路徑到達(dá)接收機(jī)，當(dāng)頻率f＞30MHz時，典型的傳播通路如圖所示。23二、直射波直射波傳播可按自由空間傳播來考慮。所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。特點：電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。產(chǎn)生原因：由于輻射能量的擴(kuò)散而引起的。直射波傳播損耗可看成自由空間的電波傳播損耗：結(jié)論：自由空間電波傳播損耗只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)。當(dāng)f或d增大一倍時，[Lfs]將分別增大6dB。24自由空間傳播模型一般用于預(yù)測接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間完全無阻擋的視距路徑是接受的場強，比如衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距通信的無線鏈路就是典型的自由空間傳播。結(jié)論：自由空間電波傳播損耗只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)。當(dāng)f或d增大一倍時，[Lfs]將分別增大6dB。自由空間傳播導(dǎo)致大部分發(fā)射信號大部分都散失在空間中，從而需要增加發(fā)射臺的發(fā)射功率提高移動臺的接收靈敏度。25三、大氣中的電波傳播

特點：折射、能量吸收

由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，稱為大氣對電波的折射。結(jié)論：大氣折射有利于超視距的傳播，但在視線距離內(nèi)，因為由折射現(xiàn)象所產(chǎn)生的折射波會同直射波同時存在，從而也會產(chǎn)生多徑衰落。障礙物會帶來繞射損耗。26四、反射波產(chǎn)生反射的條件：兩種不同介質(zhì)的光滑界面界面尺寸比波長大得多27結(jié)論：反射波與直射波的合成場強隨反射系數(shù)R和路徑差△d變化。有時同相相加，有時反相抵消，因此造成了合成波的衰落現(xiàn)象。故在固定選址中，盡量減弱地面反射。

28五、視距傳播的極限距離

由于地球是球形的，凸起的地表面會擋住視線。視線所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離稱為視線距離d0（見下圖）。

29已知地球半徑為R

=

6370km，設(shè)發(fā)射天線和接收天線高度分別為hT和hR（單位為m），理論上可得視距傳播的極限距離d0為:實際上，當(dāng)考慮了空氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響后，在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，等效地球半徑R

=

8500km，可得修正后的視距傳播的極限距離d0為：由此可見，視距決定于收、發(fā)天線的高度。天線架設(shè)越高，視線距離越遠(yuǎn)。30六、繞射損耗

在實際情況下，除了考慮在自由空間中的視距傳輸損耗外，還應(yīng)考慮各種障礙物對電波傳輸所引起的損耗。通常將這種損耗稱為繞射損耗。設(shè)障礙物與發(fā)射點、接收點的相對位置如圖所示，圖中x表示障礙物頂點P至直線TR之間的垂直距離，在傳播理論中x稱為菲涅爾余隙。

圖

菲涅爾余隙（a）中所示的x被定義為負(fù)值。（b）中所示的x被定義為正值。

提綱上一講回顧第二章電波的傳播特性2.1無線電波2.2電波傳播中的衰落3132一、信道分類按信道特性參數(shù)的變化狀態(tài)分類：（1）恒參信道：指傳輸信道特性的變化量極微且變化速度極慢。即，在足夠長的時間內(nèi)，其參數(shù)基本不變。（2）變參信道：指傳輸特性的參數(shù)隨時間變化極快。移動信道即為典型的“變參信道”。33鏡面發(fā)射：反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面，當(dāng)電磁波遇到比其波長大的多的物體時就會發(fā)生反射。反射是產(chǎn)生多徑衰落的主要因素。漫反射：漫反射產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體。在實際的移動通信系統(tǒng)中，樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等都會引發(fā)散射。繞射：當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時會發(fā)生繞射。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間不存在視距路徑（LOS，Lineofsight）（視距路徑是指移動臺可以看見基站天線；非視距（NLOS）（非視距是指移動臺看不見基站天線），圍繞阻擋體也產(chǎn)生波的彎曲。二、傳播路徑與信號衰落在移動通信系統(tǒng)中，影響傳播的三種最基本的傳播機(jī)制為反射、繞射和散射。34①建筑物反射波②繞射波③直達(dá)波④地面反射波1、多徑傳播模型352、多徑效應(yīng)與瑞利衰落：在陸地移動通信系統(tǒng)中，移動臺往往受到各種障礙物和其他物體的影響，以致到達(dá)移動臺的信號是來自不同傳播路徑的信號之和。其合成波的幅度和相位隨移動臺的運動產(chǎn)生很大的起伏變化，這種衰落稱之為快衰落或瑞利衰落。3、陰影效應(yīng)與慢衰落：電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會產(chǎn)生電磁場的陰影。當(dāng)移動臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰影時，其局部中值電平隨地點、時間以及移動臺速度做比較平緩的變化，稱為慢衰落。在蜂窩移動通信中，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號幅度滿足對數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。36三.多普勒頻移

當(dāng)移動臺在運動中通信時，接收信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移（DopplerShift），可用下式表示：

37

多普勒頻移

由于移動臺移動而產(chǎn)生的頻率偏移現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。式中，v為車速，λ為波長，fm為θi=0°時的最大多普勒頻移。影響：使工作頻率產(chǎn)生小范圍的“晃動”，對采用載波提取方式進(jìn)行解調(diào)的接收機(jī)有影響。頻域干擾38多徑效應(yīng)時間接收信號強度發(fā)射信號接收技術(shù)無線環(huán)境-多徑效應(yīng)39衰落距離(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落

在無線通信的信道傳輸過程中，由于大氣及地面的影響而發(fā)生傳播損耗及傳播延時隨時間變化的現(xiàn)象叫做衰落。衰落根據(jù)其時間特性可以分為二類：快衰落和慢衰落。402、衰落有什么影響？衰落影響之一：接收電平降低，無法保證正常通信。衰落影響之二：接收波形畸變，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼。衰落影響之三：傳播延時變化，破壞與時延有關(guān)的同步衰落影響之四：在快衰落情況下，由于電平變化迅速，影響某些跟蹤過程。所以，對抗衰落是無線通信必需認(rèn)真解決的問題。413、如何對抗衰落？頻率選擇性衰落是指信號中各分量的衰落狀況與頻率有關(guān)，即傳輸信道對信號中不同頻率分量有不同的隨機(jī)響應(yīng)。由于信號中不同頻率分量衰落不一致，所以衰落信號波形將產(chǎn)生失真。非頻率選擇性衰落是指信號中各分量的衰落狀況與頻率無關(guān)，即信號經(jīng)過傳輸后，各頻率分量所遭受的衰落具有一致性，即相關(guān)性，因而衰落信號的波形不失真。對于移動信道來說，存在一個相關(guān)