GSM直放站原理及工程应用基础-阿尔创.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除构筑优质网络，创造无限应用无线通信系统工程集成商GSM直放站原理及工程应用基础（版本：V1.1）阿尔创（广州）信息技术有限公司2009年03月20日Altratek (Guangzhou) Information Technology Co., Ltd精品文档目 录第一章 移动通信直放站概述71.1移动通信直放站起源71.2移动通信直放站分类71.2.1 按安装条件分类71.2.2 按通信制式分类71.2.3 按信号拾取及处理分类71.3移动通信直放站的应用81.4移动通信直放站的优缺点81.4.1 移动通信直放站的优点81.4.2 移动通信直放站的缺点8第二章 与移动通信直放站相关射频基础知识92.1 dB、dBc、dBi、dBd、dBm、dBw、dBuv辨析92.1.2 dB和dBc辨析92.1.2 dBi和dBd辨析92.1.3 dBm、dBw和dBuv辨析92.2无线电波102.2.1无线电波概述102.2.2 无线电波传播速度112.2.3 无线电波的波长、速度与频率的关系112.2.4 无线电波传播的几个基本概念112.2.5 电磁波的绕射传播122.2.6无线电波的传播方式122.2.7 无线电波的衰落特性122.2.8 无线电波的传播损耗132.2.9 无线电波传播中的菲涅耳区132.2.10 无线电频段及波段命名142.2.11 频率、频点和频段的区别142.3 传输线及馈线142.3.1 传输线概述142.3.2 传输线分类152.3.3 传输线的特性阻抗152.3. 移动通信工程常用射频同轴电缆152.4 噪声和干扰162.4.1 噪声和干扰概述162.4.2 热噪声162.4.3 噪声系数162.4.4 级联噪声系数172.4.5 噪声系数的测量方法182.4.6 噪声叠加182.4.7 信噪比、信干比和信纳比202.5 驻波比、反射系数、回波损耗202.6 电磁兼容（EMC）222.7 无源器件222. 无源器件概述222. 无源器件中的几个较常用指标222. 功分器和耦合器232. dB电桥和合路器242. 衰减器和负载252. 滤波器252. 环行器252. POI(多系统合路平台)262. 射频同轴连接器272. 天线282. 天线概述282. 天线增益282. 天线方向图282. 天线极化292. 天线其他指标302.10 三阶互调312.10. 互调概述312.10. 三阶互调322.11 分集接收技术342.11.1 分集接收技术概述342.11. 分集接收的分类342.11. 分集接收合并技术352.12 网络的OSI七层模型362.12.1 概述362.12.2 OSI各层的基本功能：372.13 其他一些无线通信基本知识382.13.1 全双工、半双工、单工382.13.2 覆盖路损预算上下行平衡382.13.3 多址方式392.13.4 信道、载波、时隙392.13.5 逻辑信道、物理信道、传输信道的区别392.13.6 话务容量与呼损率40第三章 与GSM直放站工程有关的网络知识423.1 GSM通信系统起源423.2 GSM通信系统组成423.3 GSM信道特性443.3.1工作频段443.3.2 信道间隔443.3.3 GSM调制方式和语音编码443.3.4 频道配置443.3.5 干扰保护比453.3.6 GSM信道的作用和配置453.4 GSM时隙和帧结构483.5 GSM网络分区493.5 GSM编号计划503.5.1 用户的ISDN号码（MSISDN）503.5.2 业务接入号（N1N2N3）503.5.3 国际移动用户识别码（IMSI）513.5.4 移动用户漫游号码（MSRN）513.5.5 切换号码（HON）513.5.6 临时移动用户识别码（TMSI）523.5.7 位置区识别码（LAI）523.6 GSM频率规划和常用的频率复用方式523.7 GSM小区和信道选择533.7.1 一般情况下的小区选择和重选533.7.2 双频网小区选择和重选543.7.3 信道分配算法543.8 GSM小区切换553.8.1 小区切换的分类553.8.2 小区切换算法553.9 GSM空中控制技术563.9.1 分集接收563.9.2 不连续发射563.9.3 半速率563.9.4时间提前量（TA）573.9.5 时间色散583.9.6 功率控制583.9.7 GSM跳频技术583.9.8 空闲信道干扰电平（IOI）59第四章 GSM基站604.1 GSM基站604.2 GSM基站合成分配单元（CDU）614.2.1 CDU概述614.2.2 跳频与CDU的关系624.2.3 CDU-A介绍（CDU中的小精灵）634.2.4 CDU-C介绍（应用最广泛的CDU）644.2.4 CDU-C介绍654.2.5 CDU-D介绍（最节省天线的CDU）664.2.6 CDU-F介绍（可以看作是两个CDU-D）674.2.7 CDU-G介绍（三个CDU-A的组合）684.2.8CDU总结69第五章 GSM直放站原理及工程应用715.1 GSM直放站原理715.1.1 GSM宽带（选带、选频）直放站原理715.1.2 GSM干放735.1.3 GSM光纤直放站745.1.4 GSM移频直放站755.2 GSM室内覆盖工程755.3 室外直放站工程设计与调测865.4 直放站工程维护95第章 移动通信直放站概述1.1移动通信直放站起源 无线直放站最初是用于调频广播通信及消防无线设备信号接收转发，进入90年代以来，随着移动通信的蓬勃发展，由于用户对移动通信服务质量及运营商之间的竞争也越来越激烈，但移动信号覆盖不可避免会出现大量大大小小的盲区，如果全部用基站进行覆盖不仅没有必要而且耗费巨大，因此移动通信直放站应运而生，国内第一台GSM移动通信直放站是由福建省邮电科学研究所（现为福建电信科学技术研究院）于1991年研制成功。现在直放站及室内分布覆盖已经发展为移动通信产业的一环，为移动通信发展做出了自己的贡献。1.2移动通信直放站分类 移动通信直放站经过十几年的发展，现在已经发展为一个种类多、型号全的产业，可按照以下几种方式进行分类。1.2.1 按安装条件分类 室内直放站 室外直放站 他们的主要区别是室在直放站防水方面较好，且规范要求上行噪声系数小于室内直放站，这是由于室外直放站施主天线视野一般较开阔，噪声系数较小可以有效降低对网络的影响。1.2.2 按通信制式分类 GSM移动通信直放站 IS-95 CDMA/CDMA2000 移动通信直放站 PHS移动通信直放站 WCDMA移动通信直放站 TD-SCDMA移动通信直放站 等目前存在的各种移动通信制式直放站。1.2.3 按信号拾取及处理分类 无线宽带（选带）直放站 无线选频直放站 光纤直放站 移频直放站 干放 塔放&基站放大器 目前较新型的载波池产品应该算光纤直放站的一个新的应用，还没有到自成门类的地步。1.3移动通信直放站的应用 目前移动通信直放站的应用已经非常广泛，基本上可以分为以下几种应用情形： 帮助覆盖移动基站信号盲区、弱区， 由于无线信号传播受到建筑物、高山、树林等的阻挡，必然会产生很多信号盲区和信号弱区，这些地方的面积不大且话务量不高，如果都采用基站进行覆盖，一是投资巨大，投入产出不成比例；二是造成无线资源紧张，规划及优化难度加大。而采用直放站就不存在这些问题。 帮助基站扩大覆盖范围 采用塔放、基站放大器就能明显扩大基站的覆盖范围，在室内分布系统中基站后串联干放也能弥补基站功率不够的问题，此外用光纤直放站也可以极大的增加将基站的覆盖范围。 帮助无明显主导频区域确定主导频，避免频繁切换 在基站密集地区，某些区域信号繁杂，虽然信号都较强，但没有明显强信号，导致用户在该区域通话时切换过多，影响通话质量，这时安装一个直放站取该区域中原有的一个较强的信号，经过放大后使该信号强度明显高于其他导频信号，就可以消除用户在在该区域通话过程中的频繁切换。 对基站载波资源进行调配，疏忙补闲 采用无线直放站、光纤直放站、载波池等直放站设备可以将较闲小区信号引入到较忙小区覆盖范围内，帮助较忙小区分担话务，可以改善网络质量，缓解无线资源紧张局面，减少投资。1.4移动通信直放站的优缺点1.4.1 移动通信直放站的优点 投资少 工程设计及工程施工简单灵活 安装条件简单 覆盖更为灵活1.4.2 移动通信直放站的缺点 会给网络带来干扰 不能增加容量 受隔离度的影响，有些站点同频直放站无法安装 容易退服 自我测试及控制功能较差第章 与移动通信直放站相关射频基础知识2.1 dB、dBc、dBi、dBd、dBm、dBw、dBuv辨析2.1.2 dB和dBc辨析dB是一个表征相对值的值，直放站中的增益和衰减就是用dB表示。当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）X dB举例：例甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3dB。例7/8英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。例如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6dB。例如果甲天线增益为12dBd，乙天线增益为14dBd，可以说甲比乙天线增益小2dB。 dBc也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。2.1.2 dBi和dBd辨析dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15，即0dBd=2.15dBi。例对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。2.1.3 dBm、dBw和dBuv辨析dBm、dBw和dBuv都是一个考征功率和电平绝对值的值，计算公式为：dBm=10lgP（功率值/1mw）dBw=10lgP（功率值/1w）dBuv=10lgP（电平值/1uV）换算：dBm=10lgP功率值/1w10-3）=dBw +30当以接收机端电压表示，阻抗为50W：W=V2/4R10 lg （10-3）dBm = 10lg（uV210-12/4R）dBm -30 = dBuv-120- 10lg(450)dBm = dBuv-120- 23 30dBm = dBuv-113当端电压包括匹配天线，阻抗为50W：W=V2/R10 lg （10-3）dBm = 10lg（uV210-12/R）dBm -30 = dBuv-120- 10lg(50)dBm = dBuv-120- 17 30dBm = dBuv-107举例：例如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。例对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10000=46dBm。 对于40W的功率，按dBw单位进行折算后的值应为：10lg（40W/1w)=10lg（40）=10lg4+10lg10=16dBw。2.2 无线电波2.2.1 无线电波概述整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光、和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波(3KHz3000GHz)、红外线、可见光、紫外线、X射线、丫射线和宇宙射线。 无线电波是电磁辐射的一种形式，也是一种能量传输形式，可以在传输线路中传播，也可以在空气及真空中传播。在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。无线电波传播示意图如下：无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。2.2.2 无线电波传播速度 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。2.2.3 无线电波的波长、速度与频率的关系该关系可用式 / 表示，其中：为速度，单位为m/s；为频率，单位为Hz；为波长，单位为m。 如对于900MHz其波长/300000000（米）/900000000（Hz）0.33米33厘米由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不 同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。2.2.4 无线电波传播的几个基本概念 多径效应移动通信中无线电波在传播过程中会遇到各种各样的建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射、散射和绕射等，导致到达同一个接收机的信号是由不同路经传播过来的，这就是多径效应，对接收机而言，同一个信号经过不同的路经到达，必定会有先后顺序，不同路经到达的信号对于路经最短的信号的时延的差值称为多径时延，对于有些数字通信系统（如GSM系统）而言，多径时延会带来多径干扰，但对于有些通信系统（如IS-95CDMA系统）多径时延可以带来更好的接收效果（时间分集和RAKE接收技术）。 阴影效应有大型建筑物和其他物体的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区的现象。电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为米，在距建筑物米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱分贝，当接收兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱分贝。如果建筑物的高度增加到米时，则在距建筑物米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。 远近效应由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站见的距离也是随即的变化。若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱会有不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重了这种情况，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。 多普勒效应由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运的速度成正比。2.2.5 电磁波的绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为米，在距建筑物米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱分贝，当接收兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱分贝。如果建筑物的高度增加到米时，则在距建筑物米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。2.2.6无线电波的传播方式 直射直射是无线电波在自由空间传播的方式。 反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。 绕射（衍射）波在传播时，若被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡，就绕过这个物体，继续进行。 散射散射就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对电磁波的作用，使电磁波偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。2.2.7 无线电波的衰落特性衰落一般分为快衰落与慢衰落两种 慢衰落慢衰落是由接收点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若MS在没有任何障碍物的环境下移动，则某点信号电平与该点和发射机的距离有关。 快衰落快衰落是叠加在慢衰落的信号上的，这个信号衰落的速度很快，每秒钟可达到几十次，除与地形地物有关，与MS的速度和信号的快衰落波长有关外，还与绕射、散射和反射所产生的多个电波的叠加也有关，并且幅度可达几十个dB，信号的变化呈瑞利分布，也叫瑞利衰落。2.2.8 无线电波的传播损耗对于移动通信的电波传播,其传播损耗由下式已知：- 自由空间的传播衰耗：Lbs32.45+20lgD(km)+20lgf(MHz) 或 Lbs32.45+20lgD(m)+20lgf(GHz)使用该公式有一个先决条件，即D要远远大于波长，例如对于1000MHz，波长为30CM当D为1米时其空间损耗实际为30dB，但如果代入上式计算则为32.45，与实际不符。从以上公式可以看出，自由空间的传播损耗只与工作频率与传播距离有关。 - 室内专有无线电传播损耗模型PL=PL(d0)+10Nsflog(d/d0)+FAF这也是专家经过大量的试验得出的经验公式，其中PL（d0） 为距天线1 米处的路径衰减：典型值为：30dB(1GHZ)，33dB(2GHz)。Nsf指的是同层衰减指数，介于1.83.25之间。FAF是衰减因子，根据实际阻挡情况选用。- 室外宏蜂窝覆盖路径传播衰耗模型对于大区制电波传播，已建立了许多场强预测模型，例如：平面大地模型、Bullington模型（BM）、Egli模型、Okumura模型、CCIR模型、CAM模型、AP（Allsebrooke Parsons）模型、Malaga模型、LR模型等，其中 Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于机UHF（特高频）和VHF（甚高频）频段，是较通用的预测模型。一般可以利用Okumura（奥村）模型可计算路径损耗。Okumra（奥村）模型经验公式如下： Lm=69.55+26.16lgf-13.82log(hb)-a(hm)+449.9-6.51log(hb)log(d)其中：a(hm)为修正因子， 中小城市：a(hm)=2.53hm-3.8; 大城市：a(hm)=3.2lg(11.75km)12-4.97hm为移动用户天线高度，取hm=1.5m, 则a(hm)=0，通过路径损耗Lm可以测出覆盖距离。2.2.9 无线电波传播中的菲涅耳区无线传播中的菲涅尔区是指以收发点为焦点的一系列椭球面所包围的空间，其中每一个椭球面上任一点到收发点距离之和与收发最短路径之差是半波长的整数倍，倍数n即费涅耳区的序号。垂直于收发点连线的切面园的半径，叫做菲涅耳半径。因此该椭球区域厚度会因信号通路长度和信号频率的不同而有变化。无线传播主要通过菲涅尔区进行的。因此在实际传播损耗中收发点虽然可视，但会因为传播路线上菲涅尔区有物体阻挡而带来较大的传播损耗（如下图所示）。而其中又以第一菲涅尔区和最小菲涅尔区（1/3菲涅尔区）最为重要，如果不考虑大气等的影响，在视距范围内，只要这一带菲涅尔区内没有阻挡物就可以认为是自由空间传播。如下图所示： 2.2.10 无线电频段及波段命名 无线电频段及波段命名见下表：段号频带名称频率范围波段名称波长范围1极低频3-30Hz极长波100kkm-10kkm2超低频30-300Hz超长波10kkm-1kkm3特低频300-3000Hz特长波1000km-100km4甚低频（VLF）3-30KHz甚长波100k-10km5低频（LF）30-300KHz长波10k-1km6中频（MF）300-3000KHz中波1000-100m7高频（HF）3-30MHz短波100-10m8甚高频（VHF）30-300MHz米波10-1m9特高频（UHF）300-3000MHz分米波微波100-10cm10超高频（SHF）3-30GHz厘米波10-1cm11极高频（EHF）30-300GHz毫米波10-1mm12至高频300-3000GHz丝米波1-0.1mm2.2.11 频率、频点和频段的区别 电磁波振荡周期的倒数，每秒钟振动(变化)的次数称频率。 在无线通信中指最小一段作为物理信道进行信息传输的频率称为频点，这段频率的编号则称为频点号或载波号或信道号。如GSM系统中，1号频点其中心频率为890.2MHz，频率范围为890.1MHz890.MHz，频点带宽为200KHz。 在无线通信中某种制式通信系统占用的连续频率称为频段，一般包含多个频点。对于GSM网络，在中国使用的频段为上行885MHz915MHz，下行频段为930MHz960MHz。2.3 传输线及馈线2.3.1 传输线概述连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。2.3.2 传输线分类超短波段的传输线一般有两种：平行线传输线和同轴电缆传输线，微波传输线有同轴电缆传输线、波导和微带等。平行线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平衡式的传输线。这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。2.3.3 传输线的特性阻抗无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗：。138/ log(D/d) 。通常。=50/或75式中，D为同轴电缆外导体铜网内径；d为其芯线外径； 为导体间绝缘介质的相对介电常数。由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。2.3. 移动通信工程常用射频同轴电缆在移动通信设备及工程中最为常用的电缆为射频同轴电缆，可以分为以下几类：柔性电缆也称为软电缆，较常用的射频电缆，易于布线，使用方便。半柔性电缆半刚性电缆弯曲性能差，但弯曲后易于定型。刚性电缆也称为硬电缆，布线困难，通信工程中很少用。波纹铜管电缆这种电缆就为现在室内覆盖工程中最常用的电缆，电缆的外包皮为波纹状铜管，尺寸较大，损耗小，容量大，电性能优越。泄漏电缆普通电缆在信号传输过程中希望横向屏蔽效果最好，以最小损耗将信号从一端传送到另一端，但泄漏电缆却是希望信号在传送过程中能进行横向辐射，以达到覆盖的目的。泄漏电缆分耦合型泄漏电缆和辐射型泄漏电缆，其中耦合型泄漏电缆适用于宽频谱、多系统信号传送，但信号泄漏速度较快。辐射型泄漏电缆适用于小范围频段、专网信号传送，信号泄漏速度较慢。2.4 噪声和干扰2.4.1 噪声和干扰概述噪声和干扰是影响通信系统性能的重要因素之一。噪声按其产生来源分类为：自然噪声（天电噪声、宇宙噪声）；人为噪声（汽车点火、微波炉、电动工具、发电机、高压输配电线）；内部噪声（热噪声）。干扰主要是来自其他无线电台干扰。干扰对通信系统的干扰可分为以下几种：同频干扰、邻频干扰、收发信机互调干扰、阻塞干扰、收发信机寄生辐射干扰、组合频率和副波道干扰。2.4.2 热噪声 热噪声只是众多噪声中的一种，但在一个有大量直放站的通信网络中，热噪声是通信系统噪声的一个主要来源。热噪声产生是由于自由电子在电阻一类导体中由于热能引起的布朗运动会产生一个交流电流成分。电磁波产生的热噪声可以由下式计算得到：Nrs=K*T*B其中K：波耳兹曼常数K=1.38*10-23J/K T：内阻的绝对温度，如17就为290K（开尔文）K*T：热噪声密度 B：系统信道带宽在室温下，1Hz频带宽度内产生的热噪声功率为：PNT0B0 =(1.38X10-23 J/k*294k）(1Hz)=4.057*10-21W =4.057x10-18mW = -174dBm对于GSM系统其B为200KHz，则其Nrs=K*T*B1.38*10-23*290*200*103 = 8.1*10-16w = -151dBw = -121dBm2.4.3 噪声系数 放大器噪声系数是指放大器输入端信号的信噪比Sin/Nin 与输出端信号的信噪比Sout/Nout之比值。即： f=（Sin/Nin）/（Sout/Nout） 其中：Sin ：输入信号功率 Nin：输入噪声功率 Sout：输出信号功率 Nout：输出噪声功率用dB表示时为：N f=10Log（f）。 它表示信号通过放大器后信号信噪比变坏的程度。如果放大器是理想无噪声网络，则f =1或N f =0dB，信号与噪声得到同样的放大。若放大器本身有噪声，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。即经放大器后的输出噪声为： Nout=Nin*G+NF=Nin*G+Np= Nin*NF*G 其中g为放大器放大倍数，NP为放大器本身产生的噪声功率。 放大器产生的噪声为： Np=Nin*NF*g-NIN*g=（NF-1）*Nin*g2.4.4 级联噪声系数多级放大器连接示意图如下： Qin Pin1 Pout1 Pin2 Pout2 A1 A2 Nin1 Nout1 Nin2 Nout2多级放大器的噪声系数：我们先考虑二级放大器的噪声:由于第二级放大器的输入噪声电平即为第一级放大器的输出噪声：即（Nin）2=（Nout）1=（Nin）1*（NF）1*G1根据上面的结论我们可知，第二级放大器的噪声功率由放大后的第一级放大器的输出噪声功率加上第二级放大器本身产生的噪声功率NP2。NP2=（NF2-1）*Nin*G2这样，第二级放大器输出噪声功率为： （Nout）2=（Nout）1*G+NP2=Nin*NF1*G1*G2+（NF2-1）*Nin*G2按照噪声系数的定义，二级放大器噪声系数为 （NF）12=（Nout）2/（ Nin）*(G12) = Nin *NF1* G1*G2+（NF2-1）*Nin*G2/( Nin*G1*G2） = NF1+（NF2-1）/ G1 采用同样方法,可以得n级级联放大器的噪声系数 （NF）1、2.n= NF1+（NF2-1）/ G1+（NF3-1）/ (G1*G2）+. （NFn-1）/(G1*G2*.Gn） 由此可见,多级放大器的噪声系数取决于一、二级。当出现多级放大器时，最关键的第一级不仅要求它噪声系数低，而且要求它增益尽可能大，但在室内分布系统中，由于每级之间还接入其他用户，因此，应与纯放大器的多级串联有不同的考虑，即应将所有用户状态综合起来考虑。注意：上面所有公式中的参数都是绝对值，不是dB值。2.4.5 噪声系数的测量方法 方法1：使用噪声系数测试仪使用噪声系数测试仪是测量噪声系数的最直接方法。在大多数情况下也是最准确地。工程师可在特定的频率范围内测量噪声系数，分析仪能够同时显示增益和噪声系数帮助测量。分析仪具有频率限制。例如，Agilent N8973A可工作频率为10MHz至3GHz。当测量很高的噪声系数时，例如噪声系数超过10dB，测量结果非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。 方法2：使用一般频谱仪测试 根据计算的设备的热噪声Nrs，测量出设备的增益G，再测量出设备的噪声No，则噪声系数可以由下式得出：NF=No G Nrs。不过这种方法可以用来大略判断设备的噪声系数，并不是非常准确。在用这种方法测试中，要注意频谱仪的RBW（测试带宽），如将RBW设置为100KHz，设备的上行增益G测得为90dB，上行噪声No为-29dBm，则上行噪声系数NF=No G Nrs-29-90-（-124）5dB。2.4.6 噪声叠加下面我们举直放站上行噪声叠加到基站的例子来说明噪声叠加。Gbp上直放站BP基站BTSLBTS-bp综合传输损耗设直放站的上行增益为Gbp上，直放站到达基站的噪声电平为： (Npbts) = Npbp+Gbp上Lbts-bp基站总的噪声电平为： (Npbts)total = 10lg10Npbts /10+10(Npbts)/10 直放站噪声使基站的噪声电平升高为： ROT = (Npbts)total Npbts = 10lg10(Npbts / 10) +10(Npbts)/10 Npbts = 10lg10Npbts / 10 +10(Npbts)/10 10lg10Npbts / 10 =10lg10Npbts / 10 +10(Npbts)/10/10Npbts / 10 =10lg1 +10(Npbts )/10- Npbts / 10 =10lg1 +10(Npbts)Npbts) /10 =10lg1 +10(KTB+Nfbp+Gbp上Lbts-bp (KTB+Nfbts) /10 =10lg1 +10(Nfbp+Gbp上Lbts-bp Nfbts) /10例设一个GSM直放站上行增益为85dB，上行噪声系数为5，施主基站噪声系数为5，基站到直放站路经损耗为95dB，不考虑其他干扰，计算这时基站底噪总共为多少？该直放站对施主基站的底噪提高多少？ 计算：基站热噪声为：Nrs-bts = -121+5= -116dBm 直放站到达基站的噪声为：Nbts-rp = -121+85+5-95 = -126dBm这时基站底噪为：(Npbts)total = 10lg10Nrs-bts /10+10Nbts-rp /10 = 10lg10-11.6+10-12.6 = 10lg10-11.6(1+10-1) = -116+0.4 = -115.6 dBm直放站对基站的底噪提高为：-115.6 - (-116) = 0.4dB 即直放站使施主基站灵敏度下降了0.4dB。2.4.7 信噪比、信干比和信纳比 有用信号“signal”，噪声“noise”（热噪声等），其它畸变（失真）信号“distortion”，干扰信号 “interference”等，它们相互之间的关系如下： 信噪比signal/noise； 信干比signal/（noiseinterference)； 信纳比signal/（noisedistortion+interference)；但在实际应用中，往往将信噪比与信干比等同来使用，而一般情况下，信号失真度较小，也比较难测量得到，因此信纳比一般用得不多。2.5 驻波比、反射系数、回波损耗驻波比是衡量两个射频设备阻抗是否匹配的间接参数，什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗L 等于馈线特性阻抗0 时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波我们平时所说得驻波比为电压驻波比VSWR，简称为SWR，其计算式为：SWR = (Po /R + Pr /R)(Po /R - Pr /R) = (Po + Pr)(Po / - Pr )其中：Po：进入测试系统端口的功率，单位为W或mW；Pr：从测试系统反射回来的功率，单位为W或mW。R：天馈阻抗。如下图所示，设备输出10W功率，发射出去的有9.5W，反射回来的有0.5W。理想系统（阻抗完全匹配）的反射功率即Pr为零，故而SWR为1，实际中驻波肯定大于1。我们一般用网络分析仪来测试驻波。如果端口驻波太大，则说明反射回来的功率比较大，造成信号的损失，系统发热等影响。反射系数TPrPo，是指反射功率与入射功率的比值再开平方，因此驻波比SWR（1T）/（1T）；回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示，即：Hdb20lg（1/T）20lg（SWR1）/（SWR1）回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越好，0表示全反射，无穷大表示完全匹配。下表为三个相关参数部分值的对应表：T0.0240.0320.0480.0560.100.01780.2000.3160.330VSWR1.051.071.101.121.221.431.501.922.00Hdb32.330.026.425.020.015.014.010.09.6移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，此时回波损耗为14dB，反射系数为0.2。驻波比太高就会引起回波和反射波加大，进一步削弱了直射有用信号，但噪声电平并不因反射而减少，因而造成了信噪比的下降。驻波比太高还会产生很多的回波干扰，最后将全部折合到噪声电平上来，引起系统信噪比的进一步下降。例设直放站下行输出功率为100mW，反射功率25mW，计算该设备下行输出的驻波比。SWR = (Po + Pr)(Po - Pr) = (100+ 25)(100 - 25) = (10+ 5)(10 - 5) = 155 = 32.6 电磁兼容（EMC）由于电磁干扰源的大量普遍曾在，电磁干扰现象经常发生。如果在一个系统中各种用电设备能和谐正常工作而不致相互发生电磁干扰造成性能改变和遭受损坏，人们就满意的称这个系统中的用电设备是相互兼容的。但是随着用电设备功能的多样化、结构的复杂化、功率加大和频率提高，同时它们的灵敏度已越来越高，这种相互包容兼顾、各显其能的状态很难获得。为了使系统达到电磁兼容，必须以系统的电磁环境为依据，要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时又要求它具有一定的抗干扰能力。只有对每一个设备作这两方面的约束，才能保证系统达到完全兼容。因此人们对电磁兼容的含义作出了科学的概括，认为电磁兼容是“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中。能一起执行各自功能的共存状态。即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其它设备（分系统、系统）应受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。2.7 无源器件2. 无源器件概述无源器件是指不需要电源可以对电磁波进行处理的器件，包括合路器件、分路器件、馈线、连接器和天线等等，在实际应用中一般将这类除天线和馈线外的器件称为无源器件。无线通信系统中用到的无源器件有以下几种：功分器、耦合器、合路器、电桥、衰减器、负载、环行器和POI（多系统合路平台）。见下图所示几种无源器件：2. 无源器件中的几个较常用指标插损当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减，单位用dB表示。在无源器件中插损有时指的是不包含分配损耗，有时又包括分配损耗。如对于一个10耦合器，输入100mW的信号功率，那么对于主通路的分配损耗为10lg(100) - 10lg(100-10) = 20 19.54 = 0.46，如果不包含分配损耗的插损为0.3dB，那么包含分配损耗的插损为0.30.46= 0.76dB。例如果一个无源器件输出的信号是输入信号的1/100，试问该器件的插入损耗是多少？L10lg(1/100) = 20dB。带内波动给无源器件输入扫频信号，观察输出信号，在有效工作频带内最大和最小电平之间的差值。如下图中的。工作带宽无源器件通过最高频率与最低频率的差值。不管是有源还是无源设备带宽一般指3dB带宽，即信号下降dB的带宽。选择性（带外衰减）衡量工作频带内的增益及带外辐射的抑制能力，如上图所示。衰减越大，选择性越好。理想的滤波器的幅频特性应该是一个矩形。隔离度一个端口信号泄漏到其他端口的功率与原有功率之比，单位为dB，也可以理解为路经损耗，如二功分器两个输出端口的隔离度实际就为两个端口的路经损耗，测量方法为将某一强度的信号输入到其中一个输出端口，在另一个输出端口测量该信号的信号强度 ，两个信号强度之差就为二功分器的隔离度。此外还有驻波比、功率容量、无源三阶互调（PIM3）等指标。2. 功分器和耦合器二功分器四功分器耦合器 功分器用于系统中功率的均匀分配 耦合器用于系统中功率的不均匀分配 按照结构分为：腔体器件和微带器件 腔体器件 插损小，稳定性高，功率容限大，价格高 微带器件 插损大，稳定差，功率容限低，价格低2. dB电桥和合路器二进一出电桥二进二出电桥合路器 3dB电桥用于同频的合路 不同频段间的合路可以采用异频合路器 GSM&CDMA双频合路器，GSM&DCS&3G三频合路器 直放站内置的双工器其实也是一种合路器，只不过是用来合路同一个通信系统的上下行信号。 合路器同时也可以用作分路器。2. 衰减器和负