通信技术与系统应用-2013第3讲.ppt

第3讲 1 提纲 上一讲回顾 2.3电波传播特性预测 2.3.1 OM模型 2.3.2 任意地形地物信号中值的预测 2.3.3 场强中值变动分布及预测 2.3.4 覆盖设计 3.1 移动通信中的噪声 3.1 噪声的类型 3.2 噪声系数 3.3 降低噪声的方法2 电波传播的衰落特性 1. 衰落 阴影衰落（慢衰落） 多径衰落（快衰落） 2. 表征衰落的统计数字特征量 场强中值：当场强值高于规定值的持续时间，占统计时 间的一半时，规定值为场强中值（接收信号的场强） 衰落深度：接收电平与场强中值电平之差（dB） 衰落速率：接收信号场强变化的快慢 衰落持续时间： 场强低于某一给定电平值得持续时间 3 4 一、地形、地物分类 不同地形和传播环境条件下的电波传播特性是不同的，一 般通过对地形和传播环境分类进行电波船工的估算，即估 算移动信道中信号电场强度中值。 实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分 为两大类，即准平坦地形和不规则地形。 除了地形加以分类外，不同地物环境的条件也不同，可根 据地物的密集程度，把传播环境分为四类： 开阔地区 郊区 中小城市和大城市地区 隧道区 5 二、 中等起伏地形上传播损耗的中值 移动通信中电波传播的实际情况复杂多变的。人们通过大量 的实测和分析，总结归纳除了多种经验模型和公式，在一定 的条件下，使用这些模型对移动通信电波传播特性进行估计 ，都能得到比较准确的预测结果。 Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF 和UHF频段。 该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径 损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校 正因子加以修正。 6 电波传播特性预测 l设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算 出接收信号的场强，或接收信号中值。 l这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接 收天线高度、收发信机之间距离等。 l这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预 测。这里的信号中值是长区间中值。 7 1、市区传播损耗的中值 准平坦地形大城市地区的中值路径损耗,okumura模型中准 平坦地形大城市地区的中值路径损耗（dB）由下式给出: LT = Lbs+Am(f,d ) LT = Lbs+Am(f,d ) Hb(hb,d ) Hm(hm, f ) 在考虑了基站天线高度修正因子与移动台天线高度修正 因子的情况下，准平滑地形，市区路径损耗中值应该为: 8 式中，Lbs为自由空间路径损耗，由计算公式给出；Am(f，d) 为在大城市地区当基站天线高度 hb=200m、移动台天线高度 hm=3m时相对于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗； Hb(hb，d)为基站天线高度增益因子（dB），即实际基站天 线高度相对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函 数； Hm(hm，f )为移动台天线高度增益因子（dB），即实际移动 台天线高度相对于以标准天线高度hm =3m的增益为频率的函 数。 说明 ： 9 3.2 陆地移动信道的场强估算与损耗 图2-8 准平滑地形 大城市市区 基本衰耗中值 10 图2-9 基站天线高度增益因子 图2-10 移动台天线高度增益因子 3.2 陆地移动信道的场强估算与损耗 11 例2-1：计算准平滑地形，城市地区的路径衰减中值 。 已知：hb=200m,hm=3m, d=20km, f=900MHz 。 解：首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为： 查教材图2-8，可求得Am(f,d)，即 城市街道地区的传播衰耗中值： 12 若hb=60m,hm=1.5m，其他条件不变，求损耗中值 查图2-9得 查图2-10得 在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的高度增益 因子。 则修正后的路径衰耗中值为： 13 2不规则地形及不同环境 中的中值路径损耗 （1）计算自由空间的传播衰耗Lbs为： （2）计算准平滑地形市区的信号中值 （3）计算任意地形地物情况下的信号中值 KT为地形地物修正因子 TTA KLL-= 0sspjshfhrmrT kkkkkQQkK+= 14 式中： Kmr：郊区修正因子； Q0，Qr：开阔区，准开阔区修正因子； Kh，Khf：丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值； Kjs：孤立山丘地形修正因子； Ksp：斜坡地形修正因子； Ks：水路混合地形修正因子 根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其中的某几 项或为零。 例2-2 若将例2-1中的地形改为郊区，正 斜坡地形，且 ，其他条件不 变，则传播衰耗中值为多少？ 15 查图2-11 得郊区修正因子 查图2-15得斜坡地形修正因子 根据地形可得 改地形情况下的传播衰耗中值为 16 3. 其它因素的影响 街道走向的影响 电波传播的衰耗中值与街道的走向（相对于电波 传播方向）有关。在纵向街道上衰耗较小，横向 街道上衰耗较大。也就是说，在纵向街道上的场 强中值高于基准场强中值，在横向街道上的场强 中值低于基准场强中值。 建筑物的穿透衰耗 l一般来说波长越短，穿透能力越强。各个建筑物对电波的吸收 也是不同的。不同的材料，结构和楼房层数，其吸收衰耗的数 据都不一样。例如，砖石的吸收较小，钢筋混凝土的大些，钢 结构的最大。 l如果移动台要在室内使用，在计算传播衰耗和场强时，需要把 建筑物的穿透衰耗也计算进去，才能保持良好的可通率。 17 3. 其它因素的影响 隧道中的传播衰耗 l空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受 到较大的衰耗。 l电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关，频率越高，衰耗越小。当隧 道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重。 植被衰耗 l 树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被引起 的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿 度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木的路径长度 等多方面因素。 l 一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些。 18 解决电波在隧道中的传播问题，通常可采用两 种措施： 在较高频段（数百兆赫），使用强方向性天线，把电 磁波集中射入隧道中内，但传播距离也不能很长。 在隧道中，纵向沿隧道壁铺设导波线(通常为泄漏电缆 )，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播 衰耗。 提纲 上一讲回顾 2.3电波传播特性预测 2.3.1 OM模型 2.3.2 任意地形地物信号中值的预测 2.3.3 场强中值变动分布及预测 2.3.4 覆盖设计 3.1 移动通信中的噪声 3.1 噪声的类型 3.2 噪声系数 3.3 降低噪声的方法 19 2.3.3 场强中值变动分布及预测 快衰落 由多径效应引起的多径衰落，场强瞬时值有快速、大幅 度的变化 瑞利分布-瑞利衰落 20 慢衰落 由阴影效应和气象条件变化引起的场强中值的缓慢变化 对数正态分布（log Normal）-以分贝数表示信号中值 电平 通信概率 通信概率是指移动台在无线覆盖区域边缘进行满意通 话的成功概率-包括位置概率和时间概率 为了确保服务区域内规定的可靠通信概率，必须有足 够的抗衰落储备。 接收机要求输入的最低保护电平和系统余量的大小决 定了可靠通信的概率。 21 覆盖设计 传播模型的选用及修正 基站覆盖预测 使用的频率、服务质量要求、发射机输出功率、接收机 可用灵敏度、使用的天线、通信地点的传播环境、选用 的传播模型等 系统均衡 移动通信是一个双向通信系统，从基站到移动台的信道 成为“下行链路”，从移动台到基站的信道为“上行链路” 。 基站和移动台的发射和接收灵敏度不同，所以需要系统 均衡 22 上下行链路示意图 Pinm-Pinb=Poutb-Poutm-Lcb-Gdb (移动台接收灵敏度与基站接 收灵敏度之差) 23 小知识-国内3G频段划分 中国移动：TD-SCDMA；采用TDD方式 18801920 MHz （40MHz） 20102025MHz（15MHz） 中国联通：WCDMA ：采用 FDD方式 上行：19401955 MHz （15MHz） 下行：21302145 MHz （15MHz） 中国电信： CDMA2000 采用FDD方式 上行：19201935 MHz （15MHz） 下行：21102125 MHz （15MHz） 24 作业 2-2 衰落深度、衰落速率和衰落持续时间分别用来衡量衰落的哪方面 的情况？ 2-4 什么是自由空间？电波在自由空间传播时，是否有能量损失？自 由空间传播衰耗的含义是什么？ 2-5 试计算工作频率为900MHz，通信距离分别为10km和20km时的自 由空间传播衰耗 2-6 某移动电话系统，其工作频率为150MHz，基站天线高度为50m， 移动台天线高2m，市区工作，若传播路径为准平滑地形，通信距离 10km,求传播路径的衰耗中值？ 2-9 已知两移动台接收灵敏度为-102dBm，基站接收灵敏度为-106 dBm，基站天线共用器损耗cLb=5dB，基站接收机分集接收增益 Gab=2dB，若基站发射功率为31W，求移动台发射功率Poutm。 25 提纲 上一讲回顾 2.3电波传播特性预测 2.3.1 OM模型 2.3.2 任意地形地物信号中值的预测 2.3.3 场强中值变动分布及预测 2.3.4 覆盖设计 3.1 移动通信中的噪声 3.1 噪声的类型 3.2 噪声系数 3.3 降低噪声的方法 26 27 3.1.1噪声的类型 内部噪声 接收机固有的 主要来源：电阻的热噪声、电子器件的散弹噪声 热噪声：粒子热运动产生 散弹噪声：单位时间内通过PN结的载流子数不同 外部噪声 自然噪声 指天电噪声、宇宙噪声、太阳噪声等 自然噪声远低于接收机固有噪声 -可忽略 人为噪声（主要噪声） 最主要的人为噪声类型为汽车点火噪声 28 人为噪声 各种电气设备中电流或电压剧变形成的电磁波辐射 可能直接辐射，也可能通过电力线传播 冲击性噪声 数量和集中程度随地点、时间变化 噪声强度与接收天线的高度及天线离道路的距离有 关 BS和MS所受影响不同 29 平均噪声功率的计算 基准噪声功率No= KT0Bi 玻尔兹曼常数K=1.3810-23 J/K； 参考绝对温度T0 =290K Bi为接收机带宽 KT0=-204dBW/Hz 平均噪声功率 噪声功率与频率 的关系 30 噪声功率 N(dB)=No+ N N为N高出KT0Bi的分贝数，由图3-1读得 移动通信中一般要求人为噪声功率 限制在-110dBm以下 抑制人为噪声的方法 屏蔽、滤波 接收机采用噪声限制器、噪声熄灭器等 31 3.1.2噪声系数 低噪声级-高增益放大器的输入级 多级级联放大器中，第一级噪声源影响最大 衡量噪声的指标：噪声系数NF 信噪比：衡量噪声对信号的影响程度 SNR：S/N=PS/PN PS为平均信号功率，PN为平均噪声功率 信噪比越大，信号传输质量越高 信号在传输中，噪声会累积 所以信噪比不断恶化（下降） 只有理想放大器的输出信噪比等于输入信噪比 32 噪声系数NF 衡量信噪比通过线性网络的变化 噪声系数是指网络输入端的信噪比与输出端的信噪比的 比值(电平差) 若：Si为输入信号功率，Ni为噪声功率，So为输出信号功率， No为输出噪声功率，则Si/Ni为输入信噪比；So/No为输出信噪 比 噪声系数为： 用dB表示为： 33 NF=1时，输出信噪比等于输入信噪比 只有理想放大器（无噪声）才有可能 一般放大器NF1 噪声系数越接近于1，说明放大器内部噪声越小，输出 信噪比下降的倍数也越少 34 多级放大器级联时的噪声系数 Friis公式 第一级功率增高时，级联放大器的噪声系数主要受第一级噪 声的影响 前面各级产生的噪声都要经由后面各级逐级放大 如何减少第一级噪声是设计低噪声电路的关键 35 整机前端电路