电子系统RF与天线PPT电子课件教案-第一章 无线通信系统简介.ppt

电子系统rf与天线,通信学院 通信大楼308室 通信学院教师园地,本课程的教学目的,通过对有关内容的介绍，使同学们对电子系统（主要指无线通信系统）的基本构成、系统方案和主要功能（rf）电路设计思想的基本知识有所掌握 ！,主要内容,一、系统的基本组成，以及从系统层面进行设计应注意的问题。,二、主要功能(rf)电路设计的基本原理与方法。,三、无线电波的传播概论与通信天线（无线信道）。,学习方法,本课程为一门较为综合性的课程，目前尚无适当的教材（尤其是第一部分的内容尚无专门的参考书）。因此，希望同学们注意记好笔记。参考书中介绍详细的内容，课堂上只作简单讲述！自己多看书！,教学方式：课堂讲授+讨论+实验+ 学习报告,讲授中出现的不足之处与错误，欢迎同学批评指正！,成绩的取得与参考书目,成绩的取得：学习考评（考察） 学习考评+设计 报告（考试）,参考书目： 1射频电路设计-理论与应用(美) reinhold lundwing, pavel bretchko 2微波技术与天线刘学观，郭辉萍 西安电子科技大学出版社 3射频通信电路陈邦媛 科学出版社,第一章 无线通信系统简介,引 言 电子通信系统的基本目的(任务): 将信息从一个地方传到另一个地方。它是当今广泛采用的最简捷的通信方式。,先贤有云：温故而知新！ 我们有必要了解其发展过程！,电子通信发展简史,1837年 摩尔斯（samuel morse）发明了利用电 磁感应原理，以点、划、空格为形式的有线电报通信。,1876年 贝尔 （alexander graham bell）和华特生（thomas a. watson）发明了电话。,1894年 马可尼 （guglielmo marconi）发明了无线电报。首次实现了通过大气层的无线通信。,1908年 德福莱斯特（lee de forest）发明了真空三极管。从而实现了对电信号的放大,发展简史,1920年 首家调幅信号商用无线电台开播。,1933年 阿姆斯特朗（edwin howard armstrong）发明频率调制（fm）。,1936年 首家商用fm电台开播。,1946年 首家公众移动电话服务在美面世 。,19541964年 卫星通信从实验逐渐走向成熟,发展简史,1965年 “晨鸟”（intelsat-1）卫星正式承担国际通信业务。,1979年 首个蜂窝系统在日本开通。,1990年 gsm系统在欧洲开通。 1995年gsm系统在中国开通。,今天 在中国大陆仅gsm系统用户就已超过了3亿！,1.1 无线通信系统的组成,通信系统其工作过程通常为将信息转换为电（磁）信号，再通过媒介（有线或无线）进行传输，在接收端将信号还原（解调）为信息,当信道为空间时，即“所谓”无线通信,1.1.1 工作方式,1.单工(sx),2.半双工(hdx),时刻1,时刻2,1.1.1 工作方式,全双工(fdx),全/全双工(f/fdx),1.1.2 电磁频谱,当今影响电子(尤其是无线)通信系统发展的一个最重要因素是：,不可再生的频谱资源！,所有新理论/技术的出现，本质上无不是为了在频谱（带宽）受限的条件下传送更多的信息或容纳更多的通信用户。,1.1.2 电磁频谱,各国的管理部门又组成itu（国际电信联盟）负责对全球的频谱资源进行协调分配和管理。,通常频谱资源由所在国（地区）的政府的有关部门统一管理（我国为无委会）,1.1.2 电磁频谱,不同频段的通信方式与用途可以说是千差万别。但基本上都是以谁最先提出而又得到公认的标准和用途以及技术为准。所以标准的提出尤为重要。,目前为止，已知的电磁频谱频率范围大约为：1001022hz.,当今最为通用的频段划分是由国际电气和电子工程师学会(ieee)建立的,表1.1 ieee频段划分,表1.1续,表1.2我国工程常用划分,对频段的划分不可能给出精确的界限。它们是有交叉的。,注意,对电子通信系统而言，其一个实用的界线即波长是否与电子系统的实际尺寸相当。,在这个界限上/下我们采用的分析理论将发生较大变化-路/场,rf频段现在通常指vhfx波段。这个频段也是目前大多数集总元件能达到的工作频段。本门课程介绍的频段还包括hf频段（短波与超短波通信）。,1.1.3 无线通信系统的组成,如前所述，当电子通信系统的信道媒介为大气空间时，即所谓的“无线通信”。,此时，通信系统主要由发送机和接收机两部分组成。 下面分别加以介绍。,1.发送,发送部分的基本框图如下：,发送过程大致为： 1.调制 即将基带信号调制到通信载波上，某些应用领域还有一个对基带信号加密等其它的步骤。,1.发送,2.中放变频 在这一步，不但要对调制之后的信号作基本的放大，还要将信号变频到实际通信的频段（频道）。,3.功放 主要是将信号的功率放大到满足通信（距离）的要求。,4.发射天线 将信号有效的发射出去，除了发送功率（效率）之外，有时还有方向，以及电波传播方式的选择。,1.发送,对于发送系统硬件电路系统而言，最困难的部分就在于中放变频和rf功放。,中放变频难点主要在于变频系统方案的设计，好的系统方案设计可能产生的相关干扰较少，甚至还可能降低对参与变频的本地振荡信号的要求。,rf功放难点主要在于功率效率和线性度。,上述两点一直是通信电路的重要研究内容。,2.接收,接收的过程可以说是发送的逆过程，其方框如下：,2.接收,对于接收系统而言，最困难的部分就在于前端。因为空间中充满了各种各样的电磁信号，有用信号也在其中，如何既有效的接收到有用信号，同时还需尽可能的将无用信号抑制下去，一直是通信中的一个重要研究课题。,对于实际的通信机，基本上都同时包括了发送和接受两个部分。,其他的一些组成部分,上面我们粗略的介绍了无线通信系统的组成，事实上现代的无线通信系统，不仅上述部分在变化发展 ,还有其他的一些组成部分 ,如：,1.自适应选频：自动侦测，选择最佳的通信信道，甚至通信方式。,2.同步系统：如对于跳频通信系统（载波频率随时在跳变），就有同步问题。,现代通信机的组成,另外，随着电子技术中集成电路技术的发展，通信系统愈来愈小巧且功能更复杂。,随着数字（电路）处理技术的发展，通信系统中数字电路的成分愈来愈多！“软件无线电”就是其中一个最为明显的（趋势）例子。,现代通信机的组成,现代通信机的组成大致如下：,随着数字处理芯片与adc/dac工作频率的提高，模拟电路部分有进一步减少的趋势，但也绝不会完全消亡！,方案设计尤为重要,因此，方案设计尤为重要！,一方面通信频率不断提高；另一方面模拟电路本身现在也得到了飞速的发展，集成模块愈来愈多，分立电路应用愈来愈少。设计师愈来愈多的工作在于如何选择与应用好集成电路。,本门课程将加重方案设计方面的内容。,信道和信道机,通信的目的是将信息从“信源”传送到“信宿”。,从 “信源” 到 “信宿”,从广义的角度而言，其中间部分都可称之为信道或信道机。,信道机,这样，信道机就既包括了收/发信机，也包括了传输媒介，我们在后面的分析介绍也将以信道机方式进行。,1.2 无线通信中的基本信号与参数,1.2.1 基本信号,在电子通信系统中，最基本的信号为正弦（余弦）信号。典型的理想单频正弦信号的数学表征如下：,其中：v0为正弦时变信号的峰值（单位：v） 0为正弦信号的频率（单位：hz） 0为正弦时变信号的初始相移（单位：弧度） (t) 为正弦时变信号的相角 （单位：弧度）,信号调制,对于实际电子通信系统，v(t)通常被称为载波信号。其0决定了通信系统实际工作的频段（波段）。,v(t)有一个变量（t）。三个参量（v0，0，0或(t)），几乎所有的通信都是将基带（信息）信号调制在v(t)上（通过三个参量进行调制）而完成的。,信号调制,1.对v0进行调制am 例如 中波广播,2.对0进行调制fm 例如 超短波调频广播,3.对0/(t)进行调制m(间接调频) 例如 gps定位与导航,4.组合调制对二个以上参量同时进行调制 例如 短波ssb通信=am+m,1.2.2 相位噪声,理想正弦（载波）信号,其中v0，v0，0均为常数,实际正弦（载波）信号,(t)为寄生调幅，通常(t)1，比较容易去除掉，如加限幅器（或调谐放大器），故对通信影响不大！,1.2.2 相位噪声,(t)代表寄生调相，很难去除，是影响正弦信号的频谱纯度的主要因素。在不考虑(t)时，实际信号可表示为,此时信号的频谱将在主谱（0处）两边出现边带噪声。该边带噪声位于已调信号通带的部分将直接影响解调后的信噪比，十分有害，故必须引起足够的重视。,1.2.2 相位噪声,1.2.2 相位噪声,一般情况下，寄生调相可表示为：,为周期性的杂散干扰,通常有,下面分别讨论相位噪声和杂散,随机相位噪声,上式等号右边第一项是原理想载波信号；,随机相位噪声,第二项为由相位噪声形成的噪声电压。以下研究噪声电压功率谱密度与相位噪声功率谱密度之间的关系，令噪声电压为：,则根据自相关函数的定义，可得其自相关函数为 :,随机相位噪声,设 为平稳的，则,其中：,随机相位噪声,根据自相关函数与功率谱密度之间的关系，相位噪声的双边功率谱密度可表示为,再根据噪声的自相关函数可得它的双边功率谱密度为：,随机相位噪声,当电压噪声采用单边功率谱密度表示时，则有：,取与原理想载波的比值（相对值），可得噪声电压的相对单边功率谱密度为：,随机相位噪声,又因为射频单边相位谱密度与基带单边相位噪声谱密度有如下关系：,取对数,通常表以 称为付氏频率,（又称相对频偏），从而有,杂散干扰,1.杂散干扰（以单频正弦波干扰为例，多频时可类推）,杂散干扰,上式等号右边第一项为有用正弦信号，后面二项为无用（杂散）信号对载波上、下边带的调相干扰。需要指出的是：杂散干扰不同于随机相噪，它是确定大小、位置的。故通常用功率来表征。,杂散干扰,总的相对杂散功率（单边带）,如果载波信号同时受两个或两个以上寄生频率调制，上述结论仍然成立。,杂散功率：,杂散位置：,小结,1.相位噪声或杂散都以成对的形式出现。它们在射频0两边成对称分布。,小结,相位噪声与杂散统称频谱纯度，它对通信载波或本振是一个最为重要的指标。,4.相位噪声和杂散对电子通信系统是十分有害，其进入已调信号通带部分将直接对通信质量产生影响,且无法消除！,3.功率谱中的f为付氏频偏，即偏离与载频0的大小。,2. 单边带噪声的相对功率谱为相位噪声功率谱的一半。,相位噪声的基本性质,1、迭加性: 对,若,（对应混频器变频）,相位噪声的迭加性,混频器的相位噪声模型如下：,有：,相噪相加,相位噪声的迭加性,例：入,变频出,相位噪声的迭加性,结论： 迭加性（混频器）导致输出信号的频谱为原两路输入信号频谱的叠加；且体现出以差者为主的特性。,注意： 以上性质讨论未考虑实现器件的新增相噪（本地噪声）和新增杂散（变频交调），因此，实际的相噪肯定要差些。,相位噪声的比例性,2、比例性: 对,（ 0k1对应倍频器变频，1k对应分频器变频。）,有：,相噪与频率同比变化。,相位噪声的比例性,（1）倍频器,注意：倍频器只使得输出信号的相噪增大n倍（振幅），而相噪的谱型仍保持不变（例如杂散位置不变）,相位噪声的比例性,例：n=10，即做10倍频时,入,出,相位噪声的比例性,（2）分频器,分频器使相噪振幅降低n倍，谱型同样保持不变。,注意：分频器也只使得输出信号的相噪减小n倍（振幅），而相噪的谱型仍将保持不变（例如杂散位置不变）,相位噪声的比例性,例：n=10时,入,出,以上性质讨论未考虑实现器件的新增相噪和新增杂散（本地噪声），因此，实际的相噪肯定要差些。另外，谱型不变也未考虑其后接的滤波器与采样的影响。,相位噪声的比例性,例如：分频器的本底噪声一般为白噪声，它主要是脉冲边缘抖动（jitter)带来的。工作频率越高，本底噪声越大，且ecl分频器的噪声比ttl大。,放大器对相噪的影响可看作n=1的倍频器或分频器。,倍频器的本底噪声，主要取决于支撑电路（有源？无源？）一般无源电路本底噪声可以忽略不计。,频谱仪及 相位噪声测试实例,频谱仪,频谱仪,频谱仪,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,相位噪声测试实例,1.2.3 通信带宽与信息容量,理论分析告诉我们，对通信系统性能影响最大的因素有两个：,系统带宽和干扰噪声,1.通信带宽,信息信号的带宽：该信号中包含的最高和最低频率之差。,信息信号愈复杂，其带宽就愈大。,例如：语音质量电话信号带宽约为3khz,1.通信带宽,高保真音乐（已调fm）信号带宽约为200khz。 广播质量电视信号带宽约为6mhz。,通信带宽： 通信系统（主要取决于信道）实际允许传输的信号的最高频率与最低频率之差（亦称通带）。,通用规则： 一个通信系统不能无失真的传输频率变化范围大于信道带宽的信号（信息信号）,2.信息容量,例如：实际带宽约为2.7khz的话音系统（电话），以及带宽4.5mhz的有线电视信号都会有少许失真。,信息容量：指在一个给定的时间内，通过一个通信系统可以传送多少信息的一种度量。一般以 i 来表示。,2.信息容量,根据哈特莱定律：带宽愈宽，传输时间愈长，能够通过该系统传输的信息就愈多。,2.信息容量,哈特莱定律的数学表达式为：,其中： i总为通信系统传输的信息总量， b为通信系统的系统带宽，t为传送时间 ；k为比例系数，取决于通信系统所采用的通信（调制）方式。,2.信息容量,哈特莱定律表明： 要传送更多的信息，要么增加系统带宽，要么加长传送时间。,对于实际的实时（有时间限制）通信系统，信息信号愈复杂，所需的系统带宽也就愈大。,香农（c.e.shannon）定理,1948年问世的香农（c.e.shannon）信息论给出了信息容量的极限表述：,上式中： i 为信息容量，单位b/s（对数字系统） b 为系统带宽，单位hz snr 为信噪比,香农极限,例如：对于信噪比为1000（30db）的信号，标准话音频带通信信道（2.7khz）,数字通信系统的信息容量极限为：,i=2700 log2(1+1000)=26.9 kb/s,即此时，该信道最大可以传送26.9 kb/s 的信息容量。,该极限值给出了对话音信号数字处理（采样率、adc位数）的限制。,香农极限,例如对标准话音信号进行数字化（采样）。,设采用分辨率较差的8bit adc以奈奎斯特采样率进行采样，则实时信息容量为：,上述值显然大于香农极限，故实际的数字话音（图象）通信系统总是需要进行数字编码压缩处理。,香农极限,需要注意：香农公式给出的是极限值！并不是任意情况都能达到香农极限，至少应是使用输出状态（符号数）大于2的数字系统（有兴趣的同学可参阅有关书籍）。,香农公式可改写为：,从而用来确定一个通信系统传送给定的数据量（信息容量）需要多大的带宽。,香农极限,香农公式也可改写为：,从而用来确定一个通信系统在限定系统带宽时传送给定的数据量（信息容量）需要多大的信噪比。,1.2.4 信噪比与噪声系数,从上一小节我们知道，对于一个通信系统而言，其通信的信息容量与信号和噪声的大小密切相关。,1.信噪比 全称：信号噪声功率比 数学表征：,这里：ps信号总功率（单位：w） pn噪声总功率（单位：w）,1.信噪比,注意：pn是指落入通信通带范围内噪声的总功率。通带范围之外的噪声无影响！,工程上信噪比也经常以分贝(db)为单位表示：,即表征：信号与噪声的功率(db)差。,那些噪声可能落入通信通带范围内？,1、基带信号本身携带的噪声。,2、信道元、部件产生的本地噪声。,3、参与变频的本地振荡信号的相位噪声。,4、变频、采样等处理搬移进来的噪声。,1.信噪比,信噪比是通信中一个非常重要的参数，在理论分析中信号的功率比较好计算，噪声的功率则不易计算。因为信号通常是确定的，而噪声为随机的，不确定的；故噪声功率一般是通过测量或估计而得到。,2、噪声系数,既然信噪比如此重要，为了考察一个电路（或系统）的性能，又定义了噪声系数。,2.噪声系数,噪声系数（又称噪声因数）：,工程上（取对数）：,因为任意一个实际（模拟）电子系统总是有噪声的，所以f一定大于1，理想情况f=1或nf=0db,2.噪声系数,例如：一般情况下，对于nf=6db的系统，则意味着系统输出信噪比较输入信噪比恶化了6db。故噪声系数反映了信噪比经系统后恶化的程度。,思考题1：是不是任意信号经过nf=6db的电路或系统后信噪都一定要恶化6db呢？,1.3 无线电波传播概论,在无线电通信中一个很重要的组成部分就是无线电波的传播部分从发射天线到接收天线，亦即所谓“无线信道”部分。,信号在这部分以电磁波的方式进行传送，本节对传播情况加以概述。,电磁波,电磁波在自由空间（真空）传播称为无线射频（rf）传播。这里的电磁波通常指横向电磁波（tem）。,tem波是指电场与磁场相互垂直，且它们都与传播方向垂直的电磁波。如下图所示：,1.3.1电磁波传播的基本分析,功率谱密度s0为:,一、自由空间中的传播 设发射天线的输入功率为pi，天线增益系数为gi，则离天线r处的场强功率谱密度e0为,电磁波在实际媒介空间的传播在理论分析上可以看作自由传播加上媒介的影响。,一、自由空间中的传播,上式中为无线电波之波长。 于是我们可以得到自由空间基本传输损耗（输入功率与接受功率之比）为,若接收天线的增益系数为gr，有效接收面积为ae，则距离发射天线处实际接收到的功率为,一、自由空间中的传播,用对数表示,上式表明电磁波在自由空间的传播损耗是球面波随距离增大，能量的自然扩散而引起,二、传输媒介对电波传播的影响,1、传输损耗（无线信道损耗）,电波在实际媒质中的传播是有能量损耗的。能量的损耗，主要是由于媒介对电波的吸收、散射引起的；也可能是对障碍物的绕射而引起的。这种损耗我们定义为信道的衰减因子，以a表示,二、传输媒介对电波传播的影响,于是前公式修正为,另外，由于媒介电磁特性的不稳定，它对电波传播还有其它一些影响。,二、传输媒介对电波传播的影响,2、衰落现象,定义：接收到的信号随时间的随机起伏。,（1）吸收性衰落：传输媒介电参数变化而引起。因变化较慢故也称慢衰落。,地球大气的吸收衰落还与通信频率有很大关系，见下图。,二、传输媒介对电波传播的影响,由上图可以看到,10ghz以下电波受吸收衰落影响较小，可以忽略不计。,二、传输媒介对电波传播的影响,(2)干涉性衰落： 主要由随机多径干涉现象引起。因变化较快故也称为快衰落。,快衰落通常具有频率选择性，故通常也称为选择性衰落。快衰落在移动通信中表现最为明显。,实验表明：当频率差值大于400hz时，信道的干涉性衰落特性的相关性已经很小，可以分别考虑。,二、传输媒介对电波传播的影响,对付衰落的办法：采用分集接收等技术。,(3)其它一些衰落:极化衰落，相位起伏。,极化衰落：信号在通过媒介（主要是反射）后，极化方式发生变化而导致的衰落。,相位起伏：也叫多谱勒频移。媒介（如电离层）快速移动而导致的信号相位起伏。 例如：对短波信号，电离层12hz, 磁暴6hz。,二、传输媒介对电波传播的影响,3、传输失真,接收信号的振幅失真和相位失真。 产生原因：媒介的色散效应与随机多径传输效应。,（1）色散效应：不同频率电磁信号在媒介中的衰落和传播速率不同而引起的失真。,信号带宽愈宽，色散效应愈明显。,二、传输媒介对电波传播的影响,（2）多径效应：,若收、发信机之间存在多个传输途径（直射、折射、反射），则接收到的信号为多个途径的综合叠加，从而导致失真。,环境愈复杂（城市楼群中），多径效应愈明显。,1.3.2电磁波的传播方式,不同频率的电磁波在相同的媒介环境中的传播方式有所不同，同一频率的电磁波在不同的媒介环境中的传播方式也有所不同。但总体来说传播方式大致可以分为下列四种 ：,1.视距传播,2.天波传播,3.地波传播,4.不均匀媒质传播,1.3.2电磁波的传播方式,传播方式示意图,地球表面,地球上空大气,发射天线,接收天线,天波,直射波,大地反射波,表面波,1.3.2电磁波的传播方式,一、视距传播,发射天线与接收天线位于同一直线上的情形。主要适用于超短波和微波频段。,在平原和海面上（不考虑高山的影响），受地球曲率的影响，两天线相互“看得见”的距离v由下式给出：,一、视距传播,上式中 为地球半径， h1,h2为收发天线高度。,一、视距传播,考虑到大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响（弯曲）时。上公式应修正为：,对照光学上的分类，并考虑到地球表面对电波传播的影响，实际上将 的区域称为照明区， 的区域称为半照明区， 称为阴影区。,在视距传播中应注意的问题,1、大气对电波的衰减。 吸收和散射随频率增加而影响加重，10ghz以上必须要在设计时加以考虑。,2、场强分布 理论分析表明在视距通信时 （1）当工作波长和收、发天线间距不变时，接收点场强随天线高度h1和h2的变化而在零值与最大值之间变化（波动）。,在视距传播中应注意的问题,场强随天线高度变化示意图,在视距传播中应注意的问题,（2）当工作波长和两天线高度h1和h2都不变时，接收点场强随间距的增大也呈波动变化，间距小时波动小,在视距传播中应注意的问题,(3)当两天线高度不变，间距d不变，接收点场强随工作波长呈波动变化,场强分布,二、地面波传播,由于地球大气密度随着离开地球表面的距离增大而减小，这会造成电波阵面的倾斜，且倾斜逐渐增大，因此，地面波能保持贴近地球表面并绕地球而传播。见下图：,二、地面波传播,地波传播一般用于船舶之间，船岸之间的通信，也常用于无线电导航和海上移动通信。,地波的衰落随着频率的升高而增大。,二、地面波传播,地波传播优点,a.足够大的功率与恰当的频率条件下，地波传播可用于地球上任意两地之间的长距离通信,b.大气条件的改变对地波传播基本不产生影响。 这就是为什么中波广播比较稳定的原因,二、地面波传播,地波传播缺点,a.需要很大的发射功率。因为衰落较大。,b.工作频率较低（vlf、lf、mf频段），且需要大尺寸的天线。,c.实际衰落损耗与地球表面形状（高山、峡谷）和地质条件有关。,三、天波传播,天波传播指发射的无线电波经大气高空电离层反射后到达接收点的传播方式。主要用于中波和短波波段。,1.电离层概况 电离层是地球高空大气的一部分，分布在从离地面50到1000公里的高空。他对电波的影响主要是因为电子密度的大小不同，为此通常分为d 、e、 f三层，如下图所示,三、天波传播,电离层示意图,三、天波传播,d层：分布在50100km之间，电子密度最低，对vlf,lf波有反射作用，对mf和hf有吸收作用。,e层：分布在100140km之间。对mf与部分hf波有反射作用，因太阳黑子运动，有时会出现不规则e层，从而导致通信异常。,三、天波传播,f层：实际由f1和f2组成。,f1分布在140250km之间；f2的分布随季节有所不同，冬季在140300km之间，夏季在250360km之间。f2会将hf波反射，f1则可能部分吸收衰减hf波。夜间f2层电子密度通常会比白天低。因此夜间可能高段的hf波不会反射，这即是短波通信夜间工作频率一般比白天低的原因。,对于uhf以上电波，将穿透电离层，不会反射。,三、天波传播,2.电离层特性,电波由空气射入电离层时，因电离