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无线通信基础知识介绍 1 无线集群工程中心 时间2012 4 目录 基本物理量和基本概念介绍常用射频器件 模块介绍移动通信概念介绍电磁波传播损耗模型介绍 2 1 基本物理量 基本概念的介绍 3 功率 电平 功率 理论上定义为做功的速率 单位为mW W 瓦 kW等 电平 功率的另一种表示 单位为dBm 取1mW为基准值 以分贝表示的绝对功率电平 换算公式 电平 dBm 10lg 功率mW 1mW 如5W 10lg5000 37dBm 10W 10lg10000 40dBm 功率增倍 电平增加3dB 输出功率 指放大器的功率输出能力 常以功率或电平表示 4 阻抗匹配 阻抗匹配 使系统反射系数为零 即无反射时称为匹配 相应的传输线有三种状态 无反射状态 行波 全反射状态 驻波 行驻波 5 驻波比 回波损耗 驻波比 行驻波状态时 波腹电压与波节电压之比 VSWR 回波损耗RL dB 反射信号电平 dBm 入射信号电平 dBm 换算公式RL 20 log10 VSWR 1 VSWR 1 6 驻波比 回波损耗对照表 三阶互调 三阶互调 若存在两个正弦信号 1和 2 由于非线性作用将产生许多互调分量 p 1 q 2 p q称为阶 其中的2 1 2和2 2 1两个频率分量称为三阶互调分量 三阶互调系数M3 三阶互调分量的功率P3和信号 1或 2的功率P1 2 之比称为三阶互调系数M3 即M3 10lgP3 P1 dBc M3越小 互调干扰就越小 7 噪声系数 NF 噪声系数 NF 衡量电路或系统的噪声性能好坏 噪声恶化程度 的参数 定义为输入信 载 噪比与输出信 载 噪比的比值 单位为分贝 dB NF dB 输入载噪比 dB 输出载噪比 dB NF dB 越小 系统噪声性能越好 理想时 NF 0dB 1 8 耦合度 耦合度 耦合端口与输入端口的功率比 单位为dB 耦合度 dB 耦合端口功率 dBm 输入端口功率 dBm 9 耦合度为10dB损耗为0 7dB 隔离度 隔离度 衡量两天线之间信号隔离 不被接收 的程度的量 单位为dB 隔离度 dB 接收天线接收功率 dBm 发射天线发射功率 dBm 例如 天线隔离度LC 指天线1的输出功率与它进入天线2输出端 末级 的功率之比 图中L1称为转换损耗 指天线2上来自天线1的功率 即干扰 与天线2产生的互调产物功率之比 10 天线方向图 波瓣图 天线方向图 表示天线各辐射方向的场强的图 或者说是天线辐射的电磁波在空间存在的范围 由于方向图呈花瓣状 又称为波瓣图 方向图宽度 表示天线辐射能量集中的程度 又称半功率波瓣宽度 其定义为辐射功率下降到最大辐射方向的一半 或者说场强下降到最大方向的0 707倍 的两个方向的夹角 2 0 5 一般是方向图越宽 增益越低 方向图越窄 增益越高 向前辐射能力强 E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图 H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图 11 天线波瓣图 12 天线增益 dB 天线前后比F B 天线增益 指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力 一般把天线的最大辐射方向上的场强Emax与理想多向同性天线均匀辐射场强E0相比 以功率密度增加的倍数定义为增益 即Ga Emax E0 2 天线增益Ga dB 10lgGa dB 天线前后比F B 指最大正向增益与最大反向增益之比 用分贝 dB 表示 其值越大天线的方向性越好 13 天线型号 波瓣图 14 ODP 085 V11 NG小区覆盖天线 单工 双工 单工 有单频单工 双频单工之分 单频 同频 单工制 即收发使用同一频率 由于接收和发送使用同一个频率 所以收发不能同时进行 称为单工 适用于用户少 专业性强的移动通信系统中 如对讲机 双工 异频双工制 即收发双方使用两个不同的频率 任何一方在发话的同时都能收到对方的讲话 但这种工作方式的缺点是发射机总是工作的 故耗电大 准双工 MS的发射机仅在发话时才工作 而接收机总是工作的 这样MS可省电 准双工与双工制兼容 在移动通信中广泛应用 15 2 常用射频器件 模块介绍 16 放大器 Amplifier 放大器 Amp 用于实现信号放大的电路 有低噪声放大器 LNA 和功率放大器 PA 主要指标 增益 饱和功率 ALC电平 17 滤波器 Filter 双工滤波器 Duplex 滤波器 通过有用频率信号而抑制无用频率信号的电路 器件或模块 有有源滤波器和无源滤波器之分 主要指标 选频宽度 带宽BW 选择性 插损 带外衰减 双工滤波器 简称双工器 可把两路不同频段的信号合成一路 或把一条传输线中两路不同频段的信号分成两路 主要指标 插损 隔离度 18 环行器 双工环行器 环行器 使信号单方向传输的器件 双工环行器 即双工环行滤波器 是一种能使信号实现单方向传输的双工滤波器 根据信号走向来完成分路 合路的功能 19 衰减器 Attenuator 衰减器 在相当宽的频段范围内一种相移为零 其衰减和特性阻抗均为与频率无关的常数的 由电阻元件组成的四端网络 其主要用途是调整电路中信号大小 改善阻抗匹配 衰减的单位为dB 衰减器有功率容量的要求 主要用途 衰减器主要用于放大器输出功率测试 为测试配件 先衰减 再进频谱仪 可变衰减器用于主机输入信号的调整 多用于室内直放站 20 例如 21 LNA PA ATT ATT 监控单元 NoteBook DT MT 232接口 无线直放站R 9110AC系统原理图 合路器 22 GSM CDMA双频合路单元 FD U900D1850B200NNOO双频合路单元 RM NKC1 RM NKC2基站合路单元 耦合器 Coupler 耦合器 实现从主干通道中提取出部分信号的器件 分类 按耦合度的大小分为5 10 15 20 dB不同规格 从基站提取信号时可用大功率耦合器 300W 其耦合度可从60 65dB中选用 耦合器的接头多采用N头 23 耦合度为10dB损耗为0 7dB 耦合器 24 宽频带耦合器 800 2500MHz RC 5NK 06F插损1 8dBRC 5NK 20F插损0 7dB 900MHz耦合器RC 5NK NK NK 05C插损2 2dBRC 5NK NK NK 30C插损0 4dB 宽频带耦合器 800 2300MHz RC 5NK NK NK 06F1插损1 8dBRC 5NK NK NK 20F1插损0 7dB 功分器 Powersplitter 功分器 进行功率分配的器件 有二功分器 三功分器 四功分器等 接头类型分N头 50 SMA头 50 和F头 75 三种 我们公司常用的是N头和SMA头 主要指标 插损 隔离度 25 功分器 26 900MHz功分器RD 52N NP C0插损3 5dBRD 53N NP C0插损5 2dBRD 54N NP C0插损6 5dB 宽频带功分器 800 2400MHz RD 52N NP F1插损3 5dBRD 53N NP F1插损5 2dBRD 54N NP F1插损6 5dB 负载 转接头 负载 终端在某一电路 如放大器 或电器输出端口 接收电功率的元器件 部件 或装置 统称为负载 对其要求 阻抗匹配和所能承受的功率 转接头 把不同类型的线缆接头连接在一起的器件 接头类型 SMA N BNC TNC F DIN 接头分公型 J 和母型 K 27 接头 转接头 28 接头 N J8C配8D馈线NJ 1 2C 针头 NK 1 2C 孔头 配1 2馈线NJ 7 8C 针头 NK 7 8C 孔头 配7 8馈线 转接头 N 50KK用于N J与N J接头的连接N 50JJ用于N K与N K接头的连接N SMK JK 2020 3 18 29 可编辑 天线 馈线 天线 Antenna 是将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去 或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流的一种设备 馈线 是传输高频电流的传输线 通常是同轴电缆 指标为线损 dB m 30 天线 31 ODP 030 V18 NG定向板状天线 ODP 090 V14 NG定向板状天线 天线 32 ORA 008 V21 NG抛物面天线 口径1 8米 ORA 010 V18 NG抛物面天线 口径1 2米 ORA 010 V25 NG抛物面天线 口径2 4米 天线 33 IXD 360 V03 NW室内吸顶天线 IWH 085 V09 NG室内壁挂天线 IWH 090 V08 NG室内壁挂天线 馈线 34 电缆馈线 8D馈线 细 1 2馈线 中 7 8馈线 粗 损耗 14dB 百米 8dB 百米 4 5dB 百米 3 移动通信概念介绍 35 36 TETRA发展 TErrestrialTrunkedRadio TETRA陆地集群无线电通信系统 欧洲电信标准协会1995年正式确定的开放性标准用以替代以往的专业移动通信系统PMR和公共接入移动通信系统PAMR的唯一标准与GSM系统类似 成为事实上的全球标准 37 系统组成图 主要特点 38 1 移动无线通信2 电波传播环境恶劣阴影效应 慢衰落 分集接收技术多径效应 快衰落 分集接收技术远近效应 相互干扰 自动功率控制技术多径时延 码间串扰 均衡技术3 噪声和强干扰噪声 自然界 工业噪声 发动机点火 互调干扰 选择性邻道干扰 自动功率控制技术同频干扰 组网时注意 主要特点 39 4 多谱勒效应多谱勒频移 f vcos 锁相技术 PLL 5 用户经常移动 跟踪交换技术位置登记 越区切换 漫游访问等6 频率资源有限 各种提高频谱利用率的技术多址技术 调制技术 智能天线技术 话音编码技术等 主要技术 40 1 多址技术FDMA频分多址 模拟系统 TDMA时分多址 欧GSM 美DAMPS 日PDC系统 CDMA码分多址 IMT 20003G标准 SDMA空分多址 智能天线技术 3G系统 2 调制技术线性调制技术 QPSK正交移相键控 4 QPSK 美日使用 恒定包络调制技术 MSK最小移频键控 GMSK高斯滤波MSK 欧GSM使用 主要技术 41 3 话音编码技术波形编码 如PCM M编码 16 64kbps话音质量好 16kbps以下质量下降 声源编码 即参量编码 2 4 8kbps 如线性预测编码LPC 话音质量只能中等 混合编码 方向是高质量 低速率 8 16kbps 如规则码激励长期预测编码RPE LPT 13bps GSM使用 良好的话音质量 使用最多 码激励线性预测编码CELP 8bps 美日使用 4 自适应均衡与分集接收技术 克服码间串扰 衰落现象等 5 跟踪交换技术 位置登记技术 一齐呼叫功能 信道切换技术 信道控制技术等 4 电磁波传播损耗模型介绍 42 室外电磁波传播损耗模型 自由空间损耗模型Cost Walfish Ikegami可视路径损耗模型Okumura hata模型 43 A 自由空间损耗模型 44 公式模型 Lb 32 4 20log d 20log f dB 式中 d距离 单位kmf频率 单位MHz例如 900MHz时Lb 91 5 20log d dB 适用场合 可视空旷的自由空间结论 频率越高 衰减越大 距离越远 衰减越大 B Cost 231 Walfish Ikegami可视路径损耗模型 45 公式模型1 Lb 42 6 26log d 20log f dB 式中 d距离 单位km 1km范围内准确性较高 f频率 单位MHz适用场合 f 800 2000MHz d 0 02 5km 基站天线高度hb 4 50m 移动天线高度hm 1 10m 适用于城市微小区覆盖设计 视线通畅的情况 Cost 231 Walfish Ikegami可视路径损耗模型 46 公式模型2 Lb Lo Lrts Lmsd dB 式中 Lo自由空间传输损耗Lrts屋顶至街道的绕射及散射损耗Lmsd多重屏障的绕射损耗适用场合 视线不通畅的情况 C Okumura hata模型 OM 47 公式模型1 Lb 城区 69 55 26 16log f 13 82log hb a hm 44 9 6 55log hb log d 式中 d距离 单位km 1 20km范围内准确性较高 f频率 单位MHz a hm 修正因子 中小城市取0 公式模型2 Lb 农村 Lb 城区 2 log f 28 2 5 4 Okumura hata模型 OM 48 公式模型3 Lb 开阔地 Lb 城区 4 78 logf 2 18 33logf 40 94适用场合 GSM900MHz d 1 20km 基站天线高度hb 30 200m 移动天线高度hm 1 10m 适用于准平坦地形 城区 郊区 开阔地 丘陵 山地 水域等 平均建筑高度不太高的城市大蜂窝覆盖设计 城镇 乡镇覆盖设计 室外电磁波传播损耗类型 损耗与距离的关系 在1 20km以内 大致为40dB dec 距离增大时 50 60dB dec 自由空间损耗绕射损耗反射损耗建筑物贯穿损耗人体损耗 3dB左右车内损耗 8 10dB左右植被损耗 树林内部0 2dB m 900MHz 0 3dB m 1800MHz 部分穿过树林或绕射20dB dec 接收机周围有树林10dB 大气吸收 雨雾吸收损耗 49 室内电磁波传播损耗模型 室内路径损耗因子模型室内自由空间路径损耗附加因子模型室内路径损耗估算 50 A 室内路径损耗因子模型 51 公式模型 PL d PL do 10 nSF log d do FAF dB 式中 PL do 表示近地参考距离 do 3 10 自由空间损耗 nSF表示同层损耗因子 1 6 3 3 FAF表示不同层路径损耗附加值 10 20dB 例如 计算同层d 15米距离损耗 GSM900MHz do设定为1米 则PL do PL 1m 91 5 20log 0 001 31 5dBnSF取2 8 FAF 0dB故PL 15m PL 1m 10 2 8 log 15 1 0 31 5 32 9 64 4 dB 注 计算损耗时需预留10dB的衰减储备 B 室内自由空间路径损耗附加因子模型 52 公式模型 PL d PL do 20log d do d dB 式中 PL do 表示近地参考距离 do 3 10 自由空间损耗 为路径损耗因子 0 2 1 6dB m 例如 计算同层d 15米距离损耗 GSM900MHz do设定为1米 则PL do PL 1m 91 5 20log 0 001 31 5dB 取0 6dB m故PL 15m PL 1m 20log 15 1 0 6 1