1射频基础知识20080625

本文由 sgxgf 贡献 doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳 建议您优先选择 TXT 或下载源文件到本机查看 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 1 1 1 何谓射频 1 1 1 1 长 线和分布参数的概念 1 1 1 2 射频传输线终端短路 3 1 1 3 射频传输线终端开 路 4 1 1 4 射频传输线终端完全匹配 4 1 1 5 射频传输线终端不完全匹配 5 1 1 6 电压驻波分布 5 1 1 7 射频各种馈线 6 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 9 1 2 无线电频段和波段命名 9 1 3 移 动通信系统使用频段 9 1 4 第一代移动通信系统及其主要特点 12 1 5 第二代移 动通信系统及其主要特点 12 1 6 第三代移动通信系统及其主要特点 12 1 7 何 谓 双工 方式 何谓 多址 方式 12 1 8 发信功率及其单位换算 13 1 9 接 收机的热噪声功率电平 13 1 10 接收机底噪及接收灵敏度 13 1 11 电场强度 电 压及功率电平的换算 14 1 12 G 网的全速率和半速率信道 14 1 13 G 网设计中 选用哪个信道的发射功率作为参考功率 15 1 14 G 网的传输时延 时间提前量和最大 小区半径的限制 15 1 15 GPRS 的基本概念 15 1 16 EDGE 的基本概念 16 第二章 天线 16 2 1 天线概述 16 2 1 1 天线 16 2 1 2 天线的起源和发展 17 2 1 3 天 线在移动通信中的应用 17 2 1 4 无线电波 17 2 1 5 无线电波的频率与波 长 17 2 1 6 偶极子 18 2 1 7 频率范围 19 2 1 8 天线如何控制无线辐射 能量走向 19 2 2 天线的基本特性 21 2 2 1 增益 21 2 2 2 波瓣宽度 22 2 2 3 下倾角 23 2 2 4 前后比 24 2 2 5 阻抗 24 2 2 6 回波 损耗 25 2 2 7 隔离度 27 2 2 8 极化 28 2 2 9 交调 30 2 2 10 天线参数在无线组网中的作用 30 2 2 11 通信方程式 31 2 3 网络优化中天 线 32 2 3 1 网络优化中天线的作用 32 2 3 2 天线分集技术 33 2 3 3 遥 控电调电下倾天线 1 第三章 电波传播 3 3 1 陆地移动通信中无线电波传播的主 要特点 3 3 2 快衰落遵循什么分布规律 基本特征和克服方法 4 3 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 4 3 4 什么是 自由空间的传播模式 5 3 5 2G 系统的宏小区传播模式 5 3 6 3G 系统的宏小区 传播模式 6 3 7 微小区传播模式 6 3 8 室内传播模式 9 3 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 10 3 10 全链路平衡和最大允许路径损 耗 11 第四章 电磁干扰 12 4 1 电磁兼容 EMC 与电磁干扰 EMI 12 4 2 同频干扰和同频干扰保护比 13 4 3 邻道干扰和邻道选择性 14 4 4 发信机的 三阶 互调干扰辐射 15 4 5 收信机的互调干扰响应 15 4 6 收信机的杂散响应 和强干扰阻塞 15 4 7 dBc 与 dBm 16 4 8 宽带噪声电平及归一化噪声功率电平 16 4 9 关于噪声增量和系统容量 17 4 10 直放站对基站的噪声增量 17 4 11 IS 95 CDMA 对 GSM 基站的干扰 19 4 12 G 网与 PHS 网的相互干扰 20 4 13 3G 系统电磁干扰 22 4 14 PHS 系统与 3G 系统之间的互干扰 24 4 15 GSM 系统与 3G 系统之间的互干扰 25 第五章室内覆盖交流问题应答 12 5 1 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 广东移动培训资料 第一章 1 1 何谓射频 与移动通信相关的射频知识简介 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 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 是指该频率的载波 功率能通过天线发射出去 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 发生变化 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 引起各种损耗 在金属 线传输时具有趋肤效应现象 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 1m 0 1mm 一 般更具体的指 1 30GHz 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 第 1 页 共 43 页 广东移动培训资料 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 Eg dz Z1 Rg Eg R1dz L1dz Rg G1dz C1dz Z1 a 第 2 页 共 43 页 广东移动培训资料 b Z1 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 射频传输线 传输线终端短路 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 电压反射系数 ZL Z O 反射点的反射电压 1 1 电压反射系数 ZL ZO 反射点的入射 电压 Vmax 1 无穷大 Vmin 1 即电压驻波比 VSWR 第 3 页 共 43 页 广东移动培训资料 无耗短路线的驻波特性 射频传输线 传输线终端开路 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 1 电压反射系数 1 即电压驻波比 VSWR Vmax 无穷大 Vmin 1 无耗开路线的驻波特性 无耗开路线的驻波特性 开路线的驻波 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 即电压驻波比 VSWR Vmax 1 1 为行波状态 Vmin 1 第 4 页 共 43 页 广东移动培训资料 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 0 H 10 D 接收天线之间的距离 H 天线的有效高度 B 工程中水平分集距离的一般要求 900MHz 1800MHz 最小 3m 最小 2m 建议 6m 建议 4m C 垂直分集距离一般为水平分集距离的 5 6 倍 一般不以采用 极化分集与空间分 集的比较 工程经验 城市中小区制 极化分集稍优 郊区及农村大区制 空间分集稍优 分集效果比较 应用环境 市区 室内 市区 室外 郊区 室内 郊区 室外 农村 极化分集增益 dB 3 7 4 7 4 0 5 7 2 7 空间分集增益 dB 5 0 3 3 3 7 4 7 5 3 第 34 页 共 43 页 广东移动培训资料 故障分析 A 空间分集的可能故障 两副天线的倾角不同 上行掉话 两副天线 的方位角不同 上行掉话 切换掉话 间距过近 分集增益低 多径引起掉话 远场 距离内有阻挡物 反射物影响一 二副天线 分集效果 差 前后比差 移动台找不到相 邻小区而掉话 另外 还要结合天线高度 覆盖范围 地形 增益 倾角综合 判断 B 极化分集的可能故障 两个极化天线的方位波束在左右两边不对称 天线设计问题 部分覆盖区域分集增益低 引起掉话 3 个扇区 120 度分隔不均 部分覆盖重叠 误码 率上升 切 换出故障 部分覆盖有盲区 信号强度弱 65o 情况 双极化天线在太高 的架设中 极化分集效果可能变差 塔下有 盲区 2 3 3 遥控电调电下倾天线 前面我们 已经介绍了在网络优化中需要不断地调整天线的俯仰角 目前 实现天线俯仰角的方法主要 有两种 机械下倾 电下倾 1 无下倾 广东移动培训资料 由图可以看出机械下倾方法 由图可以看出机械下倾方法 当下倾角度达到 10o 时 水平方向图严重 变形 必然产生越区覆盖 而电下倾时 水平方向图基本保持不变 变形 必然产生越区覆盖 而电下倾时 水平方向图基本保持不变 10 电下倾 6 电下倾 4 机械下倾 10 机械下倾 由此可看出采用机械下倾天线在网络优化中所存在的问题 由此可看出采用机械下倾 天线在网络优化中所存在的问题 也可看出 采用电下倾天线在性能上远远优于机械下倾天 线 采用电下倾天线在性能上远远优于机械下倾天线 2 广东移动培训资料 第三章 电波传播 3 1 陆地移动通信中无线电波传播的主要特点 陆地移动通信中无线电波传播有两个最显著的特点 第一 随着移动体的行进 由于 建筑物 树林 起伏的地形及其他人为的 自然 的障碍物的连续变化 接收信号场强会产 生两种衰落 即多径快衰落和阴影慢衰落 前者是快速的微观变化 故称之为快衰落 后 者是缓慢的宏观变化 是由阻挡物引起 的阴影效应所造成的慢衰落 这两种衰落叠加在一 起就是陆地移动通信电波传播的主 要特性 第二 在城市环境中 衰落信号的平均场强与自由空间或光滑球面传播相比要小 得多 并且接收信号的质量还要受到环境噪声的严重影响 通常移动通信电波传播的路径 中值 损耗与距离和频率有关 与收发天线的高 度有关 也与地形地貌有关 各类场强预测模式 都是人工模型 就是以某些特定的地 形为基础 经过大量测试及计算机模拟分析以后提出 的参考标准 随后再加以修正 当工作频率确定以后 在特定的天线高度下 人工传播模 型都有三个特征值 断 点 斜率和附加修正因子 d L P A Blg d 0 C A 当 d d 0 时的路径中值损耗 d 0 即为断点 3 广东移动培训资料 B 路径 中值 损耗随距离而变化的斜率 衰减因子 C 对地形地貌的修正因 子 快衰落遵循什么分布规律 3 2 快衰落遵循什么分布规律 基本特征和克服方法 在移动通信传播环境中 到达移动台天线的信号不是单一路径 而是来自许多路 径的 众多反射波的合成 由于电波通过各个路径的距离不同 因而各条路径的反射波 到达的时 间不同 相位也不同 不同相位和幅度的多个信号在接收端叠加 有时同相 增强 有时反 相减弱 这样 接收信号的幅度将急剧变化 即产生了衰落 这种衰落 是由多径传播所引 起的 称为多径快衰落 它的变化速率与移动体行进速度及工作频 率 波长 有关 其变 化范围可达数十分贝 衰落的平均速率为 2 为车速 m s 为波长 m 大量统计结果表明 绝大多数的多径衰落遵循瑞利 Raxleigh 分布 一般来说 模拟移 动通信系统主要考虑接收信号幅度的变化 而数字移动通信系统还需考虑信号 的时延和扩 展 在第二代和第三代数字移动通信系统中 都采用了以下三个措施减少多径快衰落 的影 响 采用合理的纠错编码 如卷积码 Turbo 码等 交织保护和重传协议 以增 加 信号的冗余度 并进行时间分集 利用快速功控和 接收和 或发信 分集缓解功率损 失 使用多个 Rake 接收指峰进行多径分集接收 更好地集中能量 慢衰落遵循什么分布规律 3 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 在移动通信传播环境中 电波在传播路径上遇到起伏的山丘 建筑物 树林等障 碍物 阻挡 形成电波的阴影区 就会造成信号场强中值的缓慢变化 引起衰落 通常 把这种现 象称为阴影效应 由此引起的衰落又称为阴影慢衰落 另外 由于气象条件 的变化 电波 折射系数随时间的平缓变化 使得同一地点接收到的信号场强中值也随 时间缓慢地变化 但因为在陆地移动通信中随着时间的慢变化远小于随地形的慢变化 因而常常在工程设计 中忽略了随时间的慢变化 而仅考虑随地形的慢变化 慢衰落的速率与频率无关 主要取 决于阻挡物的尺寸和结构以及收发天线的高度 和移动体的速度 而慢衰落的深度取决于信 号频率和阻挡物的材质 大量统计数据表明 阴影衰落服从对数 正态分布 正态分布有 两个特征值 即 4 广东移动培训资料 均值 和偏差 按照对数 正态分布的特征可知 当覆盖区边缘的接 收场 强中值恰巧等于均值 时 系统接收场强没有余量 只能保证覆盖区边缘 50 的地点满足通信要求 在移动通信系统的无线工程设计中 必须提供接收场强的余量才能 保证更多地点 的可通率 这个余量与偏差 有关 按对数 正态分布规律 余量 dB 覆盖区边缘可通率 0 50 84 1 28 90 1 64 95 2 97 7 而 值根据不同地形特征由实测得到 也可根据国际电联的相关推荐数据进行比 较 选择而定 3 4 什么是自由空间的传播模式 所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为 1 的均匀介质所存在的空 间 这 相当于一个真空的空间 在 360 的球体具有各向同性 电导率为零等特性 自由空间传 播与真空传播一样 只有扩散损耗的直线传播 而没有反射 折射 绕射 色散等等现象 其传播速度等于光速 因此 自由空间是一种科学的抽象 但它可以 作为实际传播模式的 参考 特别在室内视线可见的范围内 其传播模式非常接近于自 由空间模型 自由空间的 路径中值损耗 L bs 32 45 20lgf 20lgd 式中 f 工作频率 MHz d 收发天线间距 km 3 5 2G 系统的宏小区传播模式 国际电联推荐用奥村 Okumura Hata 模式所提供的曲线及其归纳的经验公式作 为 第二代移动通信系统中城市宏小区传播模型 L P 69 55 26 16lgf 13 82lgh b hm 44 9 6 55lgh b lgd dB 该模型使用范围 f 150 1500MHz h b 30 200m 5 广东移动培训资料 h m 1 10m d 1 20km h m 以 1 5m 为基准 对于中小城市 hm 1 1lgf 0 7 h m 1 56lgf 0 7 dB 对大城市 hm 8 29 lg 1 54 h m 1 1 dB 2 2 当 f 300MHz hm 3 2 lg 11 75 h m 4 97 dB 当 f 300MHz 3 6 3G 系统的宏小区传播模式 前述奥村模式工作频率的上限只有 1500MHz 因此 欧洲科学和技术研究协会 Euro Cost 组成了 COST 231 工作委员会 提出了奥村模式的扩展模型 即 COST 231 Hata 模型 其路径损耗的计算公式为 L P dB 46 3 33 9lgf 13 82lgh b hm 44 9 6 55lgh b lgd C M 式中 C M 为大城市中心校正因子 在中小城市和郊区 C M 0 在市中心 C M 3 dB 该模型适用于下列参数范围 f 1500 2300MHz h b 30 200m h m 1 10m d 1 20km 与前述奥村模式相比 前两项由 69 55 26 16lgf 变为 46 3 33 9lgf 如果分别 以 f 900MHz 和 2000MHz 代入 可知仅此一项 2G 与 3G 系统的路径损耗将相差 10 12dB 3 7 微小区传播模式 随着 3G 的问世 微小区覆盖更显重要 我们介绍两种传播模型 COST 231WI 模 型 该模型广泛用于建筑物高度近似一致的市 郊小区 该模型考虑了自由空 间损耗 从建 筑物顶到街面的损耗以及街道走向对电波传播衰耗的影响 如图所示为该模型的传播示意 图 6 广东移动培训资料 低基站天线情况 如果电波在街道形成的峡谷中存在一个自由的视距可见 LOS 路 径的话 它与自由空间的传播特性是有差别的 L 42 6 26logd km 20logf MHz 高 基站天线传播 在这种情况下 COST 231WI 模型由三项组成 L d 0 02km L bf L rts L msd L bf 为自由空间损耗 即 式中 Lbf 32 44 20logf MHz 20logd km L rts 为 最后的屋顶到街道的绕射散射损耗 16 9 10lgw 10lgf 20lg h m L ori hR hm L rts 0 L rts 0 L ori 为街道方向因子 即电波方向与街道方向之夹角 10 2 5 Lori 0 35 7 广东移动培训资料 2 5 4 0 4 0 0 35 55 55 90 L msd 为多重屏绕射损耗 L msd 0 其中 L bsh k a k d logd k f logf 9logb L msd 0 L bsh 和基站天线相对于建筑物高度有关 18log 1 h b hb hR hb hR hb hR L bsh 0 54 ka 54 0 8 54 0 8 18 h b h b d 0 5 d 0 5km d 0 5km hb hb hR hR hb hR h b h R hb hR 树木密度适中的中等城市 和郊区中心 kd 18 15 0 7 f 925 1 k f 4 1 5 f 925 1 COST 231WI 模型的使用范围 f 800 2000MHz 大城市中心 h b 4 50m h m 1 3m d 0 02 5Km h R 3 楼层数 屋顶参数 双线模型 双线模型的基本假设是 从发射天线到接收天线有两条路径 即视距可 见直 8 广东移动培训资料 达波和地面反射波 其路径损耗为收发之间距离 d 的函数 并且可以用 3 条不同 斜 率的线段来表示 双线模型中首先要确定一个突发点 即发射天线到该点的距离恰好是从 发射 到接收的第一菲涅尔半径椭球碰到地面的那一点的距离 d 4 ht hr 对于 f 1900MHz 时 40 25logd db d 2 L 2d db d 40 25log 2 40log b db 2 d 4 d b d db d 4d b 40 25log 2 40log 4 b 60log 对于建筑物相对较少的微小区 采用双线模型是比较合适的 d 4 db 3 8 室内传播模式 在室内电磁波传播受影响的因素很多 在有限的空间内环境变化大 墙 顶 地 人和室内物体等都会引起电磁的反射 折射 散射和吸收 电磁场分布十分复杂 电波 传播模型相应多种多样 本文着重介绍在测试的基础上总结出来的三种传播 模型 可供移 动通信室覆盖预测参考用 1 室内小尺度路径损耗 室内小尺度路径损耗是指短距离 短 时间内快速衰落 衰落深度达 20 40dB 其传播模型表达式为 P L d PL d 0 10 n log 式中 PL d 表示路径 d 的总损耗值 d X d0 dB 式 1 PL d 0 表示近地参考距离 d 0 3 10 自由空间衰减值 n 表示环境和建筑物传播损耗指数 1 6 3 3 X 表示标准偏差 6 3 14 的正态随机变量 2 室内路径损耗因子模型 这一模型灵活性很强 预测路径损耗与测量值的标准偏 差为 4dB 衰减因子模型表达式 9 广东移动培训资料 为 PL d PL d 0 10 nSF log d FAF dB d0 式 2 式中 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 3 室内自由空间路径损耗附加因子模 型 在室内可以认为是自由空间受限的传播路径 这一模型灵活性很强 预测路径损耗与 测 量值的标准偏差为 4dB 其传播模型表达式为 PL d PL d 0 20 log 式中 为路径损耗因子 0 2 1 6dB m d d dB d0 式 3 由于室内传播非常复杂 预测出的场强和实际测量值存在一定偏差 工程设计时需用 实 测值对传播模型进行修正 接收灵敏度 3 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 通常 在进行项目设计时 我们会得到一个数据 即所需覆盖区边缘的可通率和最 低 功率电平 如 90 和 85dBm 与这个数据有关的技术指标主要是 接收机灵敏 度 S V dBm 在实际噪声环境中的恶化量 d dB 对覆盖区及其边缘的可 通信概率 这些参数之间的关系可用下式表示 Prmin S V d x S V 接收机灵 敏度指标值 dBm d 在实际噪声环境中的恶化量 d dB 阴影慢衰落的偏差值 dB x 与覆盖区边缘的可通率有关的系数 S V 是指接收机在静态条件下 试验室内 满足一定的误码性能的条件下 其 射频输入端所需的最低信号电平 通常用功率电平 dBm 表示 当一个接收机置于实际通信环境中时 由于噪声及多径衰落的影响 其误 码性 能将被恶化 此时 为了保证误码性能达到系统的要求 就必须加大射频输入端的 10 广东移动培训资料 信号电平到 S V d d 值即实际环境中由于噪声和多径衰落造成的恶化量 接下来的 问题是 当覆盖区边缘信号电平达到接收机需要的最低输入保护电平 S V d 时 能否 保证正常通信呢 答案是能保证 但不能完全保证 因为移动通信的电波传播阴影慢衰落 特性 服从对数 正态分布 因此必须具有一定的衰落余量才能保证需要的通信效果 在 工程上归结为覆盖区边缘或整个覆盖区的可通信概率 通信概率与系统余量的关系见下 图 100 0 90 0 84 80 0 70 0 60 0 50 0 0 50 1 2 3 90 97 99 70 当系统余量为 0 时 覆盖区边缘可通概率为 50 当系统余量为 1 时 覆盖区边缘 可通概率为 84 当系统余量为 2 时 覆盖区边缘可通概率为 97 当系统余量为 3 时 覆盖区边缘可通概率为 99 7 当系统余量为 1 28 时 覆盖区边缘可通概率为 90 接收灵敏度 最低功率电平与覆盖区位置百分比关系 例如 G 网接收机灵敏度为 102 dBm 环境恶化量为 9dB 当阴影衰落偏差为 6dB 时 如果需要覆盖区边缘可通率为 90 其最低信号功率电平应为 Prmin 102 dBm 9 dB 1 28 6 dB 85 3 dBm 此时 能满 足整个覆盖区 95 的可通率 3 10 全链路平衡和最大允许路径损耗 由于无线覆盖区工程设计涉及诸多参数 且上 下行也有较大区别 因此 在无 线覆 盖区设计中需进行全链路预算 其目的主要是 验证链路参数设置的合理性 验证 上 下行链路的平衡 对于 3G 系统 还需验证不同数据业务 同等的 QOS 链路的平 衡问题 通常链路平衡预算是将各类参数列表后求得允许的最大路径损耗值 随后将其与 11 广东移动培训资料 实际的路径损耗中值 按确定的损耗模式 相比较 允许最大路径损耗 发射功率 发 信天线增益 收信天线增益 软切换增益 接收灵敏度 干扰储备 馈线等附加损耗 人 体损耗 阴影 慢 衰落储备 按确定模式计算的实际路径损耗中值 第四章 电磁干扰 电磁兼容 EMC 与电磁干扰 EMI 4 1 电磁兼容 EMC 与电磁干扰 EMI 所谓电磁兼容性 是指电子设备或系统工作在指定的环境中 不致由于无意的电 磁辐 射而遭受或引起不能容忍的性能下降或发生故障的抑制能力 电磁兼容的反面即电磁干扰 欲解决电磁兼容性问题 必须从分析系统和系统间 电磁干扰着手 从无线信号的干扰产生 的机理来看 应该将干扰分为如下几类 1 同信道干扰 与有用信号载频相同的无用信 号对有用信号接收机造成的干 扰均称为同信道干扰 也可称为同频干扰 2 邻道干扰 由相邻信道的信号发射功率落入相邻信道的接收机通带内造 成的干扰称为邻道干扰 3 带外干扰 由发射机的谐波或杂散辐射落到有用信号接收机通带内所造 成的干扰称为 带外干扰 也可称为带外杂散干扰 4 互调干扰 包括发射机互调干扰和接收机互调干 扰 当多部发射机载频信号落入另一部发射机时 由于在非线性 作用下相互调制 产生不 需要的组合频率产物 从而对与这 些组合频率相同的接收机造成干扰 称为发射机互调干 扰 当多个强信号同时进入一部接收机时 在接收机非线性作用 下产生组合频率产物 落 入接收机通带内所造成的干扰 称 为接收机互调干扰 12 广东移动培训资料 5 阻塞干扰 当接收机收到一个强干扰信号时 会使其灵敏度降低 严重 时会造成通信中断 称为 阻塞干扰 6 来自工 科 医等非无线电设备的干扰 一些非无线电设备在运行时产 生的无线电波辐射 对无线电台 站 会产生有害干扰 称 为非无线电设备辐射干扰 主要包括工业用的高频炉 热合 机 高压电线 发电机和电动机等 交通工具如摩托车 汽 车 电车 轮船点火系统等 医疗用高频设备 X 光机以及 内外科医疗仪器设备 在 移动通信系统中 通信链路对于上述六类干扰和噪声的影响都需要协调 当前移动通信系 统正处于 2G 向 3G 平滑过渡的年代 系统的 G 网 网 2G C PHS 网和 3G 系统的 WCDMA Cdma20001x 以及 TD SCDMA 之间将长期共存 因此 分析它们之间的电磁干扰将 是移动通信建设和运营部门迫在眉睫的重大课题 4 2 同频干扰和同频干扰保护比 顾名思义 当接收机接收到的无用信号的频率与有用信号相同时 即称为同频干 扰 在蜂窝移动通信网中 相同的频率在隔开一段距离以后被重复使用 这一原理是 蜂窝系统 的精髓所在 也是解决系统容量和提高频谱利用率的根本途径 但由此带来 的问题是系统 内的同频干扰 为了使系统能正常工作 由于频率复用引起的同频干扰 必须是足够小以至 于可以被忽略或者至少不影响正常的通信 在 G 网中 通常将整个频段分成若干频率组 k 对应分配到各小区 频率分组愈 多 整个系统内同频小区的间隔就愈大 同频干扰就愈 小 但每区频道数将减少 使 话务量也随之降低 合理的方式是在满足同频干扰保护比的 前提下将 k 值降至最低 在全向天线状态下 K 与同频复用距离 D 的关系是 D r 3k 式中 D 为同频小区中心间距 r 为小区半径 k 即频率复用系数 D 下表为 k 3 12 时 对应的 k 3 3 r 值 4 3 46 7 4 6 9 5 2 12 6 D r 同频复用保护距离主要取决于同频干扰保护比 C I 值 它与要求的信号质量 13 广东移动培训资料 传播环境 要求的信号通信概率等因素有关 如果假定区内电波传播衰减与距离呈 4 次方幂关系 则可推断得 C 1 D I 6 r 4 1 3k 2 3 2 6 2k 或 k C 2C 3 I G 网中 通常取 I 12dB 或 9dB 对应的 k 3 27 或 2 31 C I 12dB k 3 已趋极限 在 C 网 和即将投入商用的 因此 当不带跳频时 3G 系统中 由于采用了直接扩频码分多址技术 其基础是使用一组正交 或准正交 的伪随机码噪声 PN 序列通过相关处理实现选址的功能 它所采用的扩频技术把原 始信 号的带宽变换成带宽宽得多 几百或几十倍 的类噪声信号 因此在接收端仅有 用信号为 窄带谱 而其余同频的无用信号均为宽带谱 也就是说各类信号呈现的特征 是一个类噪声 的信号和诸多宽带白噪声 因此 码分系统的相邻小区的载频可以是相 D 同的 即 r 2 k 1 33 而对码分系统的同频干扰的分析将归结白噪声的提高 4 3 邻道干扰和邻道选择性 相邻频道干扰简称邻道干扰 它主要取决于接收机中频滤波器的选择性和发信机 在相 邻频道通带内的边带噪声 在 3G 系统内 由于有多个运营商共同运营 如果在一个小区 内有几个运营商且 它们的工作频道恰巧相邻的话 则当基站站址选择不当时 会引起较 严重的邻道干扰 邻道干扰比 ACIR 取决于相邻信道选择性 ACS 以及发信机邻道辐射 功率 比 ACLR 邻道干扰比 ACIR 也是两个相邻载波之间的耦合度 在数值上可表示为 ACLR ACS 10 10 10 10 ACIR dB 10lg 在 WCDMA 上行系统中 性能要求见下表 允许的最大相邻信道泄漏功率比 相邻状况 第 一相邻付载波 第一相邻付载波 信道间隔 移动台 ACS 5MHz 10MHz 33dB 43 dB 基站 ACLR 45 dB 50 dB 邻道干扰比 ACIR 32 7 dB 42 2 dB 这个数值可以用来计算小区内基站接收机噪声电平的增加 14 广东移动培训资料 发信机的 三阶 4 4 发信机的 三阶 互调干扰辐射 两个或多个信号经过非线性传输电路后 将产生等间隔的互调产物 其中尤以奇 阶特 别是三阶互调最为严重 因此 三阶互调就成为讨论互调辐射的主要代表 发信机末级功 放是三阶互调产物产生的主要来源 当两个系统的发信天线靠得很 近时 也可能通过天线 来耦合而引起三阶互调辐射 三阶互调干扰的危害首先取决于其产物与有用信号频率之关 系 其次取决于干扰 信号的幅度以及非线性器件本身的线性度 如图 三阶产物的频率 应为 2f2 f1 和 2f1 f2 三阶产物与主信号等间隔分布 f f f 2f1 f2 f1 4 5 收信机的互调干扰响应 f2 2f2 f1 f 同样 当收信机在接收有用信号的同时收到二个或二个以上具有特殊频率关系的 无用 信号时 由于收信机前端电路的非线性 当无用信号足够大时 也将产生互调干 扰响应 如图 特殊频率关系是指两者间隔相等 f 当然 f 的大小可以使无用信号 在通 带内或通带外都可以产生干扰响应 而且无用信号无论是已调或未调的都可构成 三阶互调 干扰响应 收信机的三阶互调干扰相应将折算为同频干扰处理 其产物也应满足系统组网 所 要求的载干比 例如 G 网为 12dB f f f1 f2 f0 无用信号 有用信号 4 6 收信机的杂散响应和强干扰阻塞 接收机除接收有用信号外 还能收到其他频率的无用信号 这种对其他无用信号 的 响应 能力通常称为 杂散响应 当无用信号足够强时 会使接收机输出端噪声 15 广东移动培训资料 显著增加 相当于接收机灵敏度下降 严重时 会使接收机完全阻塞而无法正常工作 这种现象称为接收机灵敏度抑制或强干扰阻塞 强干扰无用信号可以来自发信机的杂散辐 射 但大部分情况是来自其他系统的信 号辐射 特别对于终端处于运动状况的移动通信系 统而言更甚 产生灵敏度抑制或阻塞的主要原因 是由于干扰信号足够高 使接收机产生 自动 增益控制 或者由于接收机的高放和 或混频级进入饱和状态 使接收机对有用信号的 增益进入非线性 从而导致接收机灵敏度降低甚至阻塞 4 7 dBc 与 dBm 我们已经阐明了 dBm 或 dBW 都是用分贝数表示的绝对功率电平值 它以载波信 号功 率电平为基准 通常 发信机的杂散辐射 邻道辐射和互调辐射功率电平可以用绝对值 dBm 来表示 也可以用相对值 dBc 来表示 例如 某发信机额定功率电平为 30dBm 其杂散辐射电平为 70dBc 且绝对值不 应大于 36dBm 该项指标表明 杂散辐射相 对电平为 30 dBm 70 dB 40 dBm 且满 足绝对值不大于 36dBm 的要求 又如 GSM 与 PHS 系统的发射功率与下行杂散辐射功率如下表所示 GSM 下行发射功率 下行杂散辐射 43dBm 1GHz 带内 1GHz 36dBm 103dBm 30dBm PHS 27dBm 90dBc 表明 GSM 的下行杂散辐射功率在 1GHz 频段内为 36dBm 在 1GHz 频段内 为 30dBm 相对于载波功率 也可分别表示为 79 dBc 和 73dBc 而 PHS 则用相对功 率电平 表示为 90 dBc 计算时可以折成绝对电平 27 dBm 90 dBc 63dBm 4 8 宽带噪声电平及归一化噪声功率电平 发信机除了离散型 以脉冲形式出现 杂散 邻道和互调辐射外 还有宽带噪声 辐射 尤其是对于码分多址系统 因为其发射信号都以直扩伪随机码噪声序列形式出 现 因此研 究其宽带噪声电平的影响尤其重要 宽带噪声的一个特点是其频谱延伸很宽 因此 表示 宽带噪声电平高低需要表明 16 广东移动培训资料 测试带宽值 或者为了计算方便都将它归一为单位赫兹的噪声功率电平 例如 XX 系 统的邻道辐射噪声功率为 42 dBc 30KHz 该系统发射功率为 24 dBm 则表明该系统的邻道 辐射噪声功率为 18dBm 30KHz 或者为 18 dBm 45 dB 63dBm Hz 通常 归一化噪声 功率电平 Hz 可以不写 而直接用 63 dBm 表示 4 9 关于噪声增量和系统容量 如前所述 码分多址是第三代移动通信系统的主流技术 码分多址系统是一个自 干扰 容量受限系统 上 下行容量与噪声的增加密切相关 我国国家有关主管部门在进 行 3G 系 统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 Eg dz Z1 Rg Eg R1dz L1dz Rg G1dz C1dz Z1 a 第 2 页 共 43 页 广东移动培训资料 b Z1 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 射频传输线 传输线终端短路 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 电压反射系数 ZL Z O 反射点的反射电压 1 1 电压反射系数 ZL ZO 反射点的入射 电压 Vmax 1 无穷大 Vmin 1 即电压驻波比 VSWR 第 3 页 共 43 页 广东移动培训资料 无耗短路线的驻波特性 射频传输线 传输线终端开路 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 1 电压反射系数 1 即电压驻波比 VSWR Vmax 无穷大 Vmin 1 无耗开路线的驻波特性 无耗开路线的驻波特性 开路线的驻波 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 即电压驻波比 VSWR Vmax 1 1 为行波状态 Vmin 1 第 4 页 共 43 页 广东移动培训资料 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 0 1 电压驻波比 VSWR Vmax 1 V 工程时控制在 1 1 5 之间 Vmin 1 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 VSWR 回 波损耗 RL dB 相应公式 R L 20lg V 1 dB V 1 1 2 21 1 25 19 1 3 17 6 1 35 16 6 1 4 15 6 1 5 14 2 0 9 5 1 1 6 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 o 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 90 如终端为一阻抗 则沿线的电 o 压电流之间的相角差不是 90 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 第 5 页 共 43 页 广东移动培训资料 图 1 3 在各种反射系数 下的电压驻波分布 1 1 7 1 1 7 射频各种馈线 1 平行双线 第 6 页 共 43 页 广东移动培训资料 Z0 L1 276 C1 r lg 2 D d 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 138 L1 r C1 lg b a 同