射频基础知识

第一部分射频基础知识目录第一章 与移动通信相关的射频知识简介11.1 何谓射频11.1.1长线和分布参数的概念11.1.2射频传输线终端短路41.1.3射频传输线终端开路41.1.4射频传输线终端完全匹配51.1.5射频传输线终端不完全匹配51.1.6电压驻波分布51.1.7射频各种馈线61.1.8从低频的集中参数的谐振回路向射频圆柱形谐振腔过渡91.2 无线电频段和波段命名91.3 移动通信系统使用频段91.4 第一代移动通信系统及其主要特点121.5 第二代移动通信系统及其主要特点121.6 第三代移动通信系统及其主要特点121.7 何谓“双工”方式？何谓“多址”方式121.8 发信功率及其单位换算131.9 接收机的热噪声功率电平131.10 接收机底噪及接收灵敏度141.11 电场强度、电压及功率电平的换算141.12 G网的全速率和半速率信道151.13 G网设计中选用哪个信道的发射功率作为参考功率151.14 G网的传输时延，时间提前量和最大小区半径的限制151.15 GPRS的基本概念161.16 EDGE的基本概念16第二章 天线162.1天线概述162.1.1天线162.1.2天线的起源和发展172.1.3天线在移动通信中的应用172.1.4无线电波172.1.5 无线电波的频率与波长172.1.6偶极子182.1.7频率范围192.1.8天线如何控制无线辐射能量走向192.2天线的基本特性212.2.1增益212.2.2波瓣宽度222.2.3下倾角232.2.4前后比242.2.5阻抗242.2.6回波损耗252.2.7隔离度272.2.8极化282.2.9交调302.2.10天线参数在无线组网中的作用302.2.11通信方程式312.3网络优化中天线322.3.1网络优化中天线的作用322.3.2天线分集技术332.3.3遥控电调电下倾天线1第三章 电波传播23.1 陆地移动通信中无线电波传播的主要特点23.2 快衰落遵循什么分布规律，基本特征和克服方法33.3 慢衰落遵循什么分布规律，基本特征及对工程设计参数的影响33.4 什么是自由空间的传播模式43.5 2G系统的宏小区传播模式43.6 3G系统的宏小区传播模式53.7 微小区传播模式63.8 室内传播模式83.9 接收灵敏度、最低功率电平和无线覆盖区位置百分比的关系93.10 全链路平衡和最大允许路径损耗11第四章 电磁干扰114.1 电磁兼容（EMC）与电磁干扰（EMI）114.2 同频干扰和同频干扰保护比124.3 邻道干扰和邻道选择性134.4 发信机的（三阶）互调干扰辐射144.5 收信机的互调干扰响应144.6 收信机的杂散响应和强干扰阻塞154.7 dBc与dBm154.8 宽带噪声电平及归一化噪声功率电平154.9 关于噪声增量和系统容量164.10 直放站对基站的噪声增量164.11 IS-95 CDMA 对 GSM 基站的干扰184.12 G网与PHS网的相互干扰194.13 3G系统电磁干扰204.14 PHS系统与3G系统之间的互干扰234.15 GSM系统与3G系统之间的互干扰24第五章室内覆盖交流问题应答1151、目前GSM室内覆盖无线直放站作信源站点数量达60%，WCDMA的建设中，此类站点太多将导致网络上行噪声被直放站抬高，请问怎么考虑？5.2、高层窗边的室内覆盖信号场强难以做到主导，而室内窗边将是数据业务需求的高发区域，室内窗边的高速速率如何保证？5.3、有厂家建议室内覆盖不用干放，全用无源覆盖分布，我们如何考虑？5.4、室内覆盖中，HSDPA引入后，有何新要求？5.5、系统引入多载频对室内覆盖的影响？5.6、上、下行噪声受限如何考虑？5.7、室内覆盖时延分集增益。精品文档交流第一章 与移动通信相关的射频知识简介1.1 何谓射频射频是指该频率的载波功率能通过天线发射出去（反之亦然），以交变的电磁场形式在自由空间以光速传播，碰到不同介质时传播速率发生变化，也会发生电磁波反射、折射、绕射、穿透等，引起各种损耗。在金属线传输时具有趋肤效应现象。该频率在各种无源和有源电路中R、L、C各参数反映出是分布参数。因此说所谓射频RF（Radio Frequency）是指频率较高，可用于发射无线电频率，一般常指几十到几百兆赫的频段，即VHF-UHF频段。而更高的频率，则称为微波。广义地说，在无线电频谱上微波是指频率为300MHz-300GHz的无线电波，其相应的波长范围是在1m0.1mm;一般更具体的指130GHz频段，即波长在厘米范围的厘米波。频率更高的则称之为毫米波、亚毫米波段。因而，移动通信中的CDMA、GSM等系统所采用的800 MHz、900 MHz频段属于射频RF范畴，也即UHF频段（也可看作微波的低端）；而第三代移动通信3G的工作频段就是在微波范围内。综观无线电频谱，频率从极低一直到非常高，波长从超长波一直到亚毫米波段再到光波、紫外，不同频段的无线电波其特性也截然不同。我们必须了解这一点，并学会用不同的概念、技术和方法来处理问题。在移动通信所工作的射频和微波频段，如果只沿用低频的概念和技术来研究和处理问题，必然是行不通。众所周知，室内分布系统大多采用同轴电缆来传输移动通信信号或能量。那么，人们为什么不继续采用工频50 Hz的双绞电源线或以前VHF频段电视机常用的扁平双线馈线？同轴电缆又具有那些优点？这里，首先介绍一下射频和微波传输线的概念。用来传输电磁能量的线路统称为传输系统，由传输系统引导向一定方向传输的电磁波称为导行波。1.1.1长线和分布参数的概念在低频电路中，导线（或说是低频率传输线）只起连接的作用。在同一导线（例如长为60cm）的两端，都认为它们是同电位的，电流也相等，也就是属于同一点。但是，如果线上传输的是射频比如GSM下行942MHz的电信号（相应的波长大约为32cm）,这时还能认为导线的两端是同电位的吗？显然就不行了。这里存在两个概念问题，一是线的“长度”如何准确描述，二是集中参数和分布参数的概念。图1-1所示为线上的电流或电压随空间位置的分布情况，图1-1（a）表示的是半波长的波形图，AB是线上的一小段，它比波长小得多。由图可见，线段AB上各点的电流或电压的幅度和相位几乎不变，此时的线段AB是一段“短线”。如果频率很高，虽然线段AB的长度相同，但在某一瞬时线上各点电流或电压的幅度和相位均有很大变化，如图1-1(b)所示，此时的线段AB即应视为“长线”。图1-1电流电压沿线分布图(a)短线情况；（b）长线情况其实，“长度”有绝对长度和相对长度两种概念。对于传输线的“长”或“短”，并不是以其绝对长度而是以其相对长度，即以它与波长比值的相对大小来区分的。我们把传输线的几何长度（l）与其上传输电信号的波长（）之比l/ ，称为传输线的相对长度或者叫电长度。在射频和微波领域，波长通常以cm计。比如一根传输3G移动通信信号（如WCDMA）的同轴电缆，虽然只有30cm长，但它已大约是工作波长的两倍，当然属于“长线”；相反，输送工频市电的电力线即使仅有2km长，但与其波长（6000km）相比就是非常短的了，因此只能称之为“短线”。微波传输线基本上都属于“长线”的范畴，因此描述传输线特性和电压或电流沿线传输规律的传输线理论又称为长线理论。一般的说，只要线的几何长度l与其传输电信号的波长可以比拟时（通常为十分之一左右或以上），即可视为长线。电压和电流在传输线上是以波的形式传输并将信号或能量从电源传送至负载，这样就可以理解线上各点的电压或电流不相同的道理。同一时刻各点电压或电流的幅度不相同，同一点上的电压或电流的幅度又随着时间而改变，这就是波的概念。用数学术语来说就是电压和电流即是位置的函数，又是时间的函数，即u(z,t)和i(z，t)。为什么呢？这是因为传输线上处处存在分布电阻、分布电感，线间处处存在分布电容和漏电导。 电磁场理论告诉我们，当电信号通过传输线时将产生如下分布参数效应： 电流流过导线时发热，表明导线本身具有分布电阻； 由于导线中通过电流，周围将有磁场，因而导线存在分布电感效应； 由于导线间有电压，导线间便有电场，于是导线间存在分布电容效应； 由于导线间绝缘不完善而存在漏电流，表明导线间处处有分布电导。频率低时，这些分布参数效应完全可以忽略不计，所以低频只考虑时间因子而忽略空间效应，因而把低频电路当作集中参数电路来处理是允许的。但是，频率升高后，分布参数引起的效应不能再忽视了；传输线不能仅当作连接线，它将形成分布参数电路，参与并影响电压和电流的传输。因而传输线在电路中所引起的效应必须用传输线理论来研究和表述。我们用R1,L1,C1,G1分别表示传输线单位长度的电阻，电感，电容和电导，它们的数值与传输线类型、截面尺寸、导体材料、填充介质等有关。假设均匀传输线上取任一无限小线元dz(dz),则线元上都分布有一定大小的电阻R1dz和电感L1dz;此线元间都分布有一定大小的电容C1dz和电导G1dz。在此无限小线元上，我们可以把它看成一集中参数电路，其集中电阻、电感、电容和电导，分别为R1dz，L1dz，C1dz和G1dz，可用形网络来等效（也可用T形或形网络来等效），如图1-2（a）所示。整个传输线则可看成是有许多线元的四端网络链联而成的分布参数电路，如图1-2（b）所示。对于无耗线（R1=0,G1=0），其等效电路，如图1-2（c）所示。（a）（b）（c）图1-2 传输线的等效电路（a）等效电路；（b）分布参数电路；（c）无耗线等效电路 有了上述等效电路，就容易解释传输线上的电压、电流不相同的现象。参看图1-2（b），由于aa和bb之间有串联电阻存在，两处的阻抗不相等，因而两处的电压也不想等；由于线间并联回路的存在，通过a和b点的电流也不相同。同时还可以看出，当接通电源后，电源通过分布电感逐次向分布电容充电，并形成向负载传输的电压波和电流波。就是说，电压和电流是以波的形式在传输线上传输，并将能量或信号从电源传送至负载。1.1.2射频传输线终端短路当射频传输线终端短路时信号为全反射。，无耗短路线的驻波特性1.1.3射频传输线终端开路当射频传输线终端开路时，信号为全反射。，无耗开路线的驻波特性1.1.4射频传输线终端完全匹配当射频传输线终端阻抗ZL完全等于传输线特性阻抗Z0时，信号无反射，电压反射系数=0，1.1.5射频传输线终端不完全匹配当射频传输线阻抗ZL不完全等于传输线特性阻抗Z0时，信号有局部反射，电压反射系数01。电压驻波比在工程上常用回波损耗RL表示，对应关系如下表：电压驻波比VSWR1.21.251.31.351.41.52.0回波损耗RL（dB）211917.616.615.6149.5 1.1.6电压驻波分布在各种反射系数下，电压驻波的分布如图（1-3）所示。驻波有若干重要特性，归结如下：1.驻波最大点或最小点之间的距离为g/2，电压的最大点对应于电流的最小点，反之，电压的最小点对应于电流的最大点。2.如终端开路，短路或为纯电抗，则沿线电压和电流间相角差为90o，如终端为一阻抗，则沿线的电压电流之间的相角差不是90o，而且沿途变化。在最大点或最小点处，电压电流同相，输入电阻是纯电阻；在电压最大处的输入电阻为最大电阻，电压最小点的电阻为最小电阻。图1-3 在各种反射系数下的电压驻波分布1.1.7射频各种馈线1）平行双线Z0= =lg（） r为介质的介电常数 趋肤效应显著； 辐射损耗增加； 支撑物损耗增加。2）同轴线Z0= () 同轴线封闭，无辐射3）带状线，又称三板线、板线或介质夹层线带状线的结构及场分布 4）同轴线向带状线演化5）微带线微带线的结构及电磁场分布这是一种非对称性双导体平面传输系统，它具有一个中心导体带条和一个接地板，可以看成是由平行双线演变而来的，在双导体中间放一导体平面构成镜像，再去掉一根圆柱导体就变成微带线，如下图：1.1.8从低频的集中参数的谐振回路向射频圆柱形谐振腔过渡1.2 无线电频段和波段命名无线电频谱可划分为如下12个频段（见表1.1）。频率的单位是赫兹或周秒，还可以使用千赫（kHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）表示。表1.1 无线电频段和波段命名段 号频 段 名 称频 率 范 围（含上限、不含下限）波 段 名 称波 长 范 围（含下限、不含上限）1极低频（ELF）330赫 （Hz）极长波10010兆米 (Mm)2超低频（SLF）30300赫 （Hz）超长波101兆米 (Mm)3特低频（ULF）3003000赫 （Hz）特长波1000100千米 (km)4甚低频（VLF）330千赫 （kHz）甚长波10010千米 (km)5低频（LF）30300千赫 （kHz）长波101千米 (km)6中频（MF）3003000千赫 （kHz）中波1000100米 (m)7高频（HF）330兆赫 （MHz）短波10010米 (m)8甚高频（VHF）30300兆赫 （MHz）米波101米 (m)9特高频（UHF）3003000兆赫（MHz）微波分米波101分米 (dm)10超高频（SHF）330吉赫 （GHz）厘米波101厘米 (cm)11极高频（EHF）30300吉赫 （GHz）毫米波101毫米 (mm)12至高频3003000吉赫（GHz）丝米波101丝米 (dmm)1.3 移动通信系统使用频段ITU以及各国家无线电主管部门为移动业务划分和分配了多个频段。考虑到无线电波传播的特点，移动业务使用的频段主要都在3GHz以下。确定移动通信工作频段可从以下几方面来考虑：电波传播特性；环境噪声及干扰的影响；服务区范围、地形和障碍物影响以及建筑物的渗透性能；设备小型化；与已经开发的频段的干扰协调和兼容性；用户需求及应用的特点。根据ITU的规定，在5GHz以下，划分给陆地移动业务的主要频率范围列于表1.2。表1.2 ITU 5GHz以下陆地移动通信的主要频率范围（MHz）29.7474750（与广播共用）5468（与广播共用）335.4399.9406.14304404706874.875.28787.5100（与广播共用）470960（与广播共用）142715251668.41690138144148149.9150.05156.7625170026903500420044005000156.8375174174223（与广播共用）223328.6我国移动通信使用频段的规划原则上参照国际的划分规划，如我国正在大量使用的150MHz、350 MHz、450MHz、800MHz、900MHz，以及1.8GHz等频段。其中：150MHz频段 138MHz149.9MHz；150.05MHz167MHz （无线寻呼业务）280MHz频段 279MHz281MHz （无线寻呼业务）450MHz频段 403MHz420MHz；450MHz470MHz （移动业务）800MHz频段 806MHz821MHz/851MHz866MHz （集群移动通信）821 MHz825 MHz/866MHz870MHz （移动数据业务）825MHz835MHz/870MHz880MHz （蜂窝移动通信）840MHz843MHz （无绳电话）900MHz频段 885MHz915MHz/930MHz960MHz （蜂窝移动业务）915MHz917MHz （无中心移动系统）在民用的移动通信中，用于蜂窝移动通信使用的频段具体安排如下：中国移动（GSM）890909MHz移动台发935954MHz基站发，共19MHz中国联通（GSM）909915MHz移动台发954960MHz基站发，共6MHz数字CDMA系统频率安排如下：中国联通CDMA825835MHz移动台发870880MHz基站发，共10MHz1.8GHz频段安排如下：中国移动17101725MHz移动台发GSM1800MHz18051820MHz基站发（共15MHz）中国联通17451755MHz移动台发18401850MHz基站发（共10MHz）17101785DSC1800MHzMHz移动台发18051880MHz基站发目前正趋于实用化的第三代移动通信，即IMT-2000。其使用的核心频段为18852025MHz/21102200MHz（其中19802010MHz/21702200MHz为IMT-2000的卫星移动业务频段）。3GPP规定UTRA TDD的频段（共35MHz）：（1）19001920MHz20102025MHz（2）18501910MHz19301990MHz（3）19101930MHz3GPP规定的UTRA FDD的频段（上下行各60MHz）：（1）19201980MHz 移动台发21102170MHz 基站发（2）18501910MHz 移动台发19301990MHz 基站发。为满足第三代（3G）蜂窝移动通信技术和业务发展的需求，中国于2002年对3G系统使用的频谱作出了如下规划：第三代公众蜂窝移动通信系统的主要工作频段：频分双工(FDD)方式：19201980 MHz / 21102170 MHz；时分双工(TDD)方式：18801920MHz、20102025 MHz。第三代公众蜂窝移动通信系统的补充工作频段：频分双工(FDD)方式：17551785 MHz / 18501880 MHz；时分双工(TDD)方式：23002400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务。IMT-2000的卫星移动通信系统工作频段：19802010 MHz / 21702200 MHz。目前已规划给公众蜂窝移动通信系统的825835 MHz / 870880 MHz、885915 MHz / 930960 MHz和17101755 MHz / 18051850 MHz频段等，同时规划作为第三代公众移动通信系统的演进扩展频段。此外，为满足铁路系统调度通信等业务发展需要，拟将885889MHz（上行）和930934MHz（下行）作为GSM-R（EGSM）系统使用的频段；为满足射频电子标签业务发展的需要，将840845MHz和920925MHz规划作为RFID使用的频段（试用）。1.4 第一代移动通信系统及其主要特点近代的陆地移动通信系统，也称为蜂窝移动通信系统；自80年代起，已历经三代。第一代的主要特点是利用模拟传输方式实现话音业务，以AMPS（美国、南美洲）、TACS（英国、中国）和NMT（北欧）为代表。主要商用时间从80年代初开始到90年代前期。它的主要特点是： 模拟话音直接调频； 多信道共用和频分多址接入方式； 频率复用的蜂窝小区组网方式和越区切换； 无线信道的随机变参特征使无线电波受多径快衰落和阴影慢衰落的影响 环境噪声和多类电磁干扰的影响； 无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数据业务很难开展； 安全保密性差，易被“窃听”，易被“仿制烧号”。1.5 第二代移动通信系统及其主要特点第二代蜂窝移动通信系统以数字传输方式实现话音和低速数据业务，以GSM为主, IS-95CDMA为辅。主要商用时间从90年代中期开始到现在。它的主要特点是： 低速率话音编码技术和数字调制； 每载波多路、时分多址或码分多址接入； Rake接收机和自适应均衡技术； 与固定网向数字化推进相适应，具有中低速数据承载业务能力； 先进的开放的技术规范（如A接口和U接口），有利于形成既竞争又相互促进的机制； 安全保密性强，不易“窃听”，不易“仿制” ； 有利于大规模集成。1.6 第三代移动通信系统及其主要特点第三代蜂窝移动通信系统以更高速的数据业务和更好的频谱利用率为目标，采用宽带CDMA为主流技术，目前已形成三种空中接口标准，即WCDMA 、TD-SCDMA和CDMA2000。今后十年内将逐步替代第二代系统而成为主流。它的主要特点是： 新型的调制技术，包括多载波调制和可变速率调制技术； 高效的信道编译码技术，除了沿用第二代的卷积码外，还对高速数据采用了Turbo纠错编码技术； Rake接收多径分集技术以提高接收灵敏度和实现软切换； 软件无线电技术易于多模工作； 智能天线技术易于提高载干比； 多用户检测技术以消除和降低多址干扰； 可与固定网中的电路交换和分组交换网很好地相适应，满足各类用户对话音及高、中、低速率数 据业务的需求。1.7 何谓“双工”方式？何谓“多址”方式“双工”（Duplexer）是相对于“单工”而言的收发信机工作方式。在无线对讲（集群）电话问世之初，由于技术及成本因素，发信机采用了“按下讲话”的方式，即有一个通话按钮，按下时表示发信，放开时表示接收，也就是说，此种通话方式不能像固定电话那样同时收发，故称之为“单工”。而技术的进步和制造成本的下降，使双工滤波器能够在各类工作频段都能随意使用，从而使无线对讲电话也能像固定电话那样同时接收和发送，不需要在讲话时按下按钮, 这种通话方式就是“双工”方式。当收信和发信采用一对频率资源时，称为“频分双工”；而当收信和发信采用相同频率仅以时间分隔时称为“时分双工”。“多址”（Multi Access）是指在多信道共用系统中，终端用户选择通信对象的传输方式，在陆地蜂窝移动通信系统中，用户可以通过选择“频道”、“时隙”或“PN码”等多种方式进行选址，它们分别对应地被称为“频分（Frequency Division）多址”、“时分（Time Division）多址”和“码分（Code Division）多址”。简称FDMA, TDMA和CDMA.1.8 发信功率及其单位换算通常发信机功率单位为“瓦特”（W），它也可以表示为dBw，即以1W为基准的功率分贝值，即 Pt（dBW）=10lg为了便于计算，发信功率单位也可用“毫瓦”（mW）表示，同样，它也可以表示为dBmW（简写为dBm），即以1mW为基准的功率分贝值，而1W = 1000 mW1 dBW = 30dBm 或Pt（dBm）=10lg1.9 接收机的热噪声功率电平任何一个无线通信接收机能否正常工作，不仅取决于所能获得的输入信号的大小，而且也与其内部噪声以及外部噪声和干扰的大小有关。接收机内部噪声也称为热噪声，它是由电子运动所产生的，其定义是指当温度为290K（17C）时，由接收机通带（通常由接收机中频带宽所决定）所截获的热噪声功率电平。No= KT B（W） 接收机带宽 绝对温度值 290K 玻尔兹曼常量 1.3710如用dBW表示，可写为No（dBw）= 204 dBW + 10lgB 或 = 174 dBm + 10lgB对于G网，B = 200KHz（53dB），No = 121dBm1.10 接收机底噪及接收灵敏度接收机底噪：热噪声+NF（接收机噪声系数）对于G网，B = 200KHz（53dB），NF=5dBm,接收机底噪= -174（dBm）+10lgB+ NF（dB）=-116 dBm.接收灵敏度: 接收机底噪+C/I(载干比)对于G网，当B=200KHz NF=5dB C/I=12dB时Pi（dBm）= -174+53+5+12=-104 dBm1.11 电场强度、电压及功率电平的换算电场强度（E）是指长度为1米的天线所感应到的电压，以v/m、v/m、dBv/m计，对半波偶极天线而言，其有效长度为，故其感应的电压e为： e = E （v） 式中：E为电场强度（v/m）；为波长（m）由于半波偶极天线的特性阻抗是73.13，而移动通信接收机的输入阻抗通常为50，因此，接收机的输入开路电压 A = e = E 若以dBv计，则： A（dBv）= E（dBv/m）+20lg1.65 = E +20lg11.6例如：对于900MHz频段，=0.33m，当采用半波偶极天线时，输入电压A与接收场强E之间的关系为： A（dBv）= E（dBv/m）-21.33若采用其他增益天线，只需加上该天线相对于半波偶极天线的增益GD即可。对于移动通信系统，按惯例是以电动势（开路电压）作为灵敏度指标值。因此，其电压与功率的换算应为： P= 当R=50时 Pi = A137（dBW） 或 = A107（dBm）1.12 G网的全速率和半速率信道GSM系统的语音编码采用规则脉冲激励长期线性预测（RPELTP）编译码方式，根据速率不同可以分为全速率和半速率两种信道。当编码器每20ms取样一次，线性预测声域分析抽头为8时，输出260bit，此时编码速率为260/20=13Kbits/s，即为全速率信道。半速率是GSM在26复帧中奇偶各传一路。1.13 G网设计中选用哪个信道的发射功率作为参考功率GSM系统是一个TDMA时分多址系统， 在G网作功率规划时，是以相对恒定的BCCH信道功率作为参考功率进行规划的。对于话音信道的功率是可变化的。1.14 G网的传输时延，时间提前量和最大小区半径的限制G网上行传输方向，在随机接入信道（RACH）上传送，用于移动用户（通过基站）向网络提出接入申请。由于移动台距基站的距离是可变的，因而其传播时延也是变动的，为了保证基站接收机能够准确地接收任一移动台的申请，故在接入信道尾部设立较长的防护段，称为扩展保护期，占68.25比特，约251s，该值对应大于35Km的传输时延，即保证距基站35Km的移动台发出的接入申请也不会丢失。但是，保护期的增加实际上是增加了传输开销，也即降低了信息传输速率，因此，G网中相应地采用了自适应的帧调整技术。一旦移动台通过接入信道登记，基站便连续地测试传播时延，并在慢速辅助控制信道上以2次/秒向移动台发出时间提前量指令，其值为0233s，移动台按此指令进行自适应帧调整，使得移动台向基站发送的时间与基站接收的时隙相一致。从基站的角度看，下行方向延时3个时隙（BP）就可以得到上行方向的结构，也就是上行时隙与其对应的下行时隙号有3个偏移，这是GSM规范中规定的。从移动台的角度看，为了弥补传输时延变化的影响，用一个时间值来补偿传播时延，以调整收发时延始终保持在3 BP，这个数值称为时间提前量TA（Timing Advance）。此时，从MS的角度看，上下行之间的准确偏移量是3 BPTA，TA值由BTS根据传播时延量计算并通知MS，如下图所示：BTSTX BP MSTX BP TA 时间提前量的结构图GSM规范中，时间提前量TA包含6位二进制码元，数值范围为063，每个码元传输时间为3.69s，因此Tamax=233s，这相当于电波传输35Km的往返时间。从这点出发，也可推知，GSM（当8个时隙正常运用时）的小区覆盖最大半径只能是35Km。当然，GSM也允许特殊的稀路由状态下，将8个时隙合并为4个时隙，甚至2个时隙或1个时隙，此时，允许的小区覆盖半径最大可达290Km。1.15 GPRS的基本概念众所周知，GSM是以数字话音业务为主的低速率移动通信系统，且只能完成电路数据交换，远不能满足移动数据业务的要求。作为一种改进，以现有GSM网络为基础，叠加一个支持高速分组数据传输的网络，将数据业务的速率从9.6kb/s提高一个量级，从而推出了GPRS，即通用分组无线业务（General Packet Radio Service），GPRS也被称为2.5G系统。除了运营软件需相应升级以外，GPRS需对原有网络进行一些改动，增加新的设备如业务支持节点（SGSN），网关支持节点（GGSN）等。GPRS是移动通信技术和数据通信技术的完美结晶，它可以在保证话音业务的同时，利用无线信道的空闲资源完成分组数据业务，大大地提高了GSM无线频率资源的利用率。理论上讲，如果将每个载频8个全速率时隙都用来传送数据的话，最高可以提供171kb/s的传输速率。但实际上由于受容量和调制方式的限制，其速率一般也只能到几十kb/s。GPRS定义了四种不同的编码方案，即称为CS-1到CS-4，分别对应不同的传输速率（从9.6kb/s21.4kb/s）。1.16 EDGE的基本概念虽然GPRS采用了多时隙操作模式，但也只能将传输速率提高到几十kb/s，受限制的主要因素在于GMSK的调制方式。为了进一步提高GSM系统的容量，欧洲电信标准协会（ETSI）推出了一种增强数据率的演进方案，即EDGE（Enhanced Date Rates for GSM Evolution），也被称为GSM的2.75G系统。EDGE系统引入了多电平调制方式8PSK调制，使用户数据信道每时隙的比特率从22.8 kb/s提高到69.2 kb/s，而所有的控制信道仍采用GMSK调制方式。尽管EDGE理论上可以达到的最高码率约每帧560 kb/s,但实际上它还要受移动速度的限制,随着速度的提高,其码率将降至384 kb/s（V=100km/hr时）,甚至到144 kb/s（V=250km/hr时）。第二章 天线2.1天线概述2.1.1天线天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。2.1.2天线的起源和发展 1865年：J.C.Maxwell理论创立麦克斯韦方程； 1888年：H.Herz实验证实电磁波辐射。天 线：理论与实践的完美结合！2.1.3天线在移动通信中的应用1897年Marconi发明无线电报 无线电： 电报、广播、电视、通信 通 信： 微波接力、卫星、移动通信 移动通信： 集群、寻呼、无绳、蜂窝 蜂窝移通信：1G 摸拟语音 2G 数字语音+数字 3G 数字语音+高速多媒体数据应用背景不同，对天线的要求也不同。2.1.4无线电波 无线电波是电磁能量在空中传播时的“振动”； 无线电波在空中以30万公里/秒的速率传播； 无线电波在传播过程中会衰减。2.1.5 无线电波的频率与波长 频率即“振动”的速率，或解释为在一秒内通过的波的数量（即每秒的周期数，又叫赫兹，如取一百万作为单位，则为兆赫兹） ；低 频高 频 波长是波在两个相邻周期上的相同点的距离。波 长2.1.6偶极子 偶极子是天线中广泛应用的一种辐射单元；1/4 波长1/4 波长1/2 波长偶极子波长1/2 波长精品文档交流 偶极子的长度与波长成正例。1/2 波长偶极子的长度400MHz is 400mm 长800MHz is 200mm 长2.1.7频率范围 当波长不是最优值（谐振）时，性能下降； 在频率范围内可保持可接受的性能水平。850MHz偶极子的1/2波长最优值890MHz天线偶极子820MHz820 MHz 的1/2 波长 180mm, 890 MHz 的 1/2 波长 170mm天线将优化为850MHz - 175mm天线带宽 = 890 - 820 = 70MHz2.1.8天线如何控制无线辐射能量走向 一个单一偶极子的辐射能量图看起来就象一个“汽车轮胎”；俯视图侧视图立体图 使“汽车轮胎”“扁平化”，将信号集中到地面需要覆盖的地区； 将偶极子组成阵列；一个偶极子的接收机功率为1mW（例）偶极子阵列接收机功率为 4 mW （例）性能的增强称为增益. 在这里，增益 = 10log(4mW/1mW) = 6dBd 集中性更强的信号 在阵列的的一边放置反射板。“扇形天线”接收机功率为 8mW （例）“全向阵列”接收机功率为4mW（例）天线（俯视图）“扇形天线”中的反射板将能量聚焦到一个方向，进一步提高了天线的增益。在这个例子中，扇形天线的增益比单一偶极子的增益为：10log(8mW/1mW) = 9dBd 32.2天线的基本特性2.2.1增益 天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号，天线的增益是将天线辐射电磁波进行聚束以后比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值，显然增益与天线的方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。 dBi与dBd的定义dBi ：用点源天线( i )作为标准天线计算出的天线增益G(dBi)=10lgGidBd ：用半波振子天线(d)作为标准天线计算出的天线增益G(dBd)=10lgGddBi与dBd的关系：Gd=Gi-2.15 (dBd )全向辐射器在各个方向上的辐射能量相等单一偶极子的“汽车轮胎”形辐射图2.17dB偶极子比全向辐射器的增益高 2.17dB天线相对于偶极子的增益用“dBd” 表示天线相对于全向辐射器的增益用“dBi”表示如: 3dBd = 5.17dBi2.2.2波瓣宽度 方位角 (如水平面) 图峰值 - 3dB3dB 波瓣宽度60(eg)峰值峰值 - 3dB10dB 波瓣宽度峰值 - 10dB峰值 - 10dB120(eg)峰值 仰角(如垂直面) 图15(eg)峰值 - 3dB峰值峰值 - 3dB15(eg)峰值 - 10dB峰值峰值 - 10dB 旁瓣图上旁瓣抑制 (dB)下旁瓣抑制 (dB)上旁瓣下旁瓣上旁瓣上旁瓣上旁瓣下旁瓣2.2.3下倾角下倾角使天线波束指向地面，倾角方式可分为：电调下倾和机械下倾电调下倾角无下倾角机械下倾角立体下倾图2.2.4前后比 前后比是指扇形天线的前向辐射功率与后向辐射功率之比。后向功率前向功率前向功率后向功率前后比(dB) = 10 log ，典型值约为25dB目的是尽可能减少后向辐射功率，减少对其他基站的干扰 我国移动通信系统基站天线技术条件要求：定向基站极化天线隔离度23dB。2.2.5阻抗 阻抗是电磁能量通过介质的一个特性 阻抗的单位为欧姆(W)50 欧姆50 欧姆 80 欧姆电缆天线匹配不匹配为实现良好的性能，阻抗需达到匹配状态2.2.6回波损耗 天线驻波比表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。 驻波比的定义：Umax馈线上波腹电压；Umin馈线上波节电压。 驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。 VSWR越大，反射越大，匹配越差。驻波比（VSWR）: Voltage Standing Wave Ratio 回波损耗（RL）:Return Loss 换算公式：RL=20*log10(VSWR+1)/(VSWR-1)换算表格：驻波比回波损耗(dB)驻波比回波损耗(dB)1.0146.0641.2618.7831.0240.0861.2718.4931.0336.6071.2818.2161.0434.1511.2917.9491.0532.2561.3017.6921.0630.7141.3117.4451.0729.4171.3217.2071.0828.2991.3316.9771.0927.3181.3416.7551.1026.4441.3516.5401.1125.6581.3616.3321.1224.9431.3716.1311.1324.2891.3815.9361.1423.6861.3915.7471.1523.1271.4015.5631.1622.6071.4115.3851.1722.1201.4215.2111.1821.6641.4315.0431.1921.2341.44 14.8791.2020.8281.4514.7191.2120.4431.4614.5641.2220.0791.4714.4121.2319.7321.48 14.2641.2419.4011.49 14.1201.2519.0851.5013.979那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。A、 VSWR1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率。B、 增大了馈线的损耗。7/8电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率。C、 在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定值。但是，现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如（VSWR1.7或2.0）达到额定功率。经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系，见下表。VSWR反射功率百分比增大馈线损耗(dB)（50米馈线加跳线约2.5dB自然损耗）与完全匹配(VSWR=1)相比减小的辐射功率(dB)减小辐射功率百分比3.06.025%(1.25dB)0.92.1540%2.09.511%(0.5dB)0.360.8618%1.811.08%(0.36dB)