资料课件讲义射频基础

射频基础知识,京信通信系统（中国）有限公司苏华鸿(hh_su)2020年6月4日,目录,3,1.1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。在1.1表中其波长在VHF甚高频(米)和UHF特高频(分米)波段通常被我们用作移动通信，所以我们叫它做移动通信射频。,4,1.1.1长线和短线的概念,图（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（b）所示，此时的线段AB即应视为“长线”.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。,电流电压沿线分布图,（a）短线情况,（b）长线情况,5,1）短线集中参数概念,2）射频长线分布参数概念,低频短线集中参数电路,射频长线分布参数电路,6,1.1.2射频终端短路线（全反射）,无耗短路线的驻波特性,当射频传输线终端短路时信号为全反射。,7,1.1.3射频终端开路线（全反射）,开路线的特性,当射频传输线终端开路时，信号为全反射。,8,1.1.4射频传输线终端完全匹配,当射频传输线阻抗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。,9,1.1.5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，对应关系如右表：,10,1.1.6在不同反射系数下传输线的电压驻波分布,=-1,全反射,终端短路,=+1,全反射,终端开路,=0,无反射,终端匹配,0|1,局部反射,终端不完全匹配,11,1.1.7射频各种馈线1）平行双线,1）趋肤效应显著；2）辐射损耗增加；3）支撑物损耗增加。,12,2）同轴线,同轴线封闭，无辐射,13,3）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,14,4）同轴线向带状线演化,15,5）微带线,微带线的结构及电磁场分布,16,5）微带线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：,17,1.1.8从低频的集中参数的谐振回路向射频圆柱形谐振腔过渡,18,1.2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,19,1.3移动通信系统使用频段,20,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：19201980MHz/21102170MHz；时分双工(TDD)方式：18801920MHz、20102025MHz。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：17551785MHz/18501880MHz；时分双工(TDD)方式：23002400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务。,21,IMT-2000的卫星移动通信系统工作频段：19802010MHz/21702200MHz。目前已规划给公众蜂窝移动通信系统的825835MHz/870880MHz、885915MHz/930960MHz和17101755MHz/18051850MHz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）。,22,1.4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。,23,1.5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(数字话音)；每载波多路、时分多址或码分多址接入。,24,1.6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：(数字话音+高、中、低速率数据业务)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。,25,1.7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=1000mW1dBW=30dBm或,26,1.8接收机的热噪声功率电平,27,1.9接收机的底噪及接收机灵敏度,底噪即为接收机的热噪声功率+该接收机的噪声系数NF；如GSM基站接收机的热噪声系数NF=5dB时，底噪声=N0+5=-116dBm接收机灵敏度，即为:接收机的底噪声+C/I(接收机解调相关业务时要求的载干比)对于G网，当B=200KHZ；NF=5dB；C/I=12dB时，接收机灵敏度(dBm)=-174+53+5+12=-116dBm+12=-104dBm,28,1.10G网的时间提前量TA和最大小区半径的限制,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3.69us，因此Tamax=233us，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。,29,1.11EDGE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GPRS同GSM的射频调制方式(GMSK)高斯最小移频键控。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（EnhancedDateRatesforGSMEvolution），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22.8kb/s提高到69.2kb/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560kb/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384kb/s（V=100km/hr时）,甚至到144kb/s（V=250km/hr时）。,30,目录,31,2.电波传播:陆地移动通信多径衰落(与分集接收),克服信号衰落，改善通信质量,32,2.1陆地移动通信中无线电波传播存在的两种衰落,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。,33,2.2快衰落遵循瑞利（Raxleigh）分布规律,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,遵循瑞利（Raxleigh）分布规律。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。,34,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。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。慢衰落遵循对数正态分布规律,2.3慢衰落遵循对数正态分布规律,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。,35,2.4什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：,36,2.52G系统的宏小区传播模式,国际电联推荐用奥村-Hata（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。,37,2.63G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COST231工作委员会，提出了奥村模式的扩展模型，即COST231Hata模型。其路径损耗的计算公式为：,38,2.7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COST231WI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。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。,39,2.8室内传播模式,1)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为：,FAF表示不同层路径损耗附加值（1020dB）PL(do)为自由空间1米传播损耗,40,2）室内自由空间附加衰减损耗模型PL(d)=PL(d0)+20lg+d+C-式(1)其中：PL(d)为路径d总损耗；PL(d0)为路径1米时的自由空间损耗，2GHzPL(d0)=38.4dB；为距离损耗因子，要由模拟测试求得，一般范围为：02dB/m；d为距离m；C为穿墙损耗dB。,2.8室内传播模式,41,2G不同材料的墙体和地板的穿透损耗(1000MHZ)值C,3G不同材料的穿透损耗（2200MHz）值C,42,假定=0.1dB/m，C=20，代入式(1)衰减损耗模型，则15m时电磁波的传输损耗为：PL(15)=38.4+20log15+150.1+20=83.4dB20m时电磁波的传输损耗为：PL(20)=38.4+20log20+200.1+20=86.4dB,根据国家电磁辐射标准、MCL取值等要求，室内分布系统天线口发射功率通常设计为05dBm，我们按照天线口最小功率0dBm进行覆盖半径理论计算，假定全向吸顶天线增益为2dBi,则天线覆盖情况如下：,43,停车场模拟测试图,TD-SCDMA室内覆盖模拟测试,44,写字楼模拟测试图,45,商场模拟测试图,46,包房模拟测试图,47,天线口注入功率5dBm，边缘场强85dBm的情况下，在各种覆盖场景下进行模拟测试，得到模拟测试结论如下：,较空旷区域，如地下停车场，有效覆盖半径为15米左右；包房类区域，如酒店，娱乐场所等，有效覆盖半径为8米左右（仅能覆盖邻近天线的左右各一间包房）；有遮挡区域，如商场，有效覆盖半径为10到15米左右；利用壁挂天线（增益6dBi）朝向电梯厅，可覆盖3层的电梯；（本层和上下各一层），并可保证进出电梯厅的切换；利用板状天线（增益11dBi）上下朝向时，可覆盖4层的电梯，目前保守的覆盖方式为3层。,48,根据全国各地已完工的3G室内覆盖改造站点统计，各种场景下，2G/3G室内天线实际覆盖半径如下：,天线实际覆盖半径,49,目录,50,3.1无线电干扰,无线电干扰是指发生在无线电频谱内的干扰。接收机收到无用信号时会导致有用信号的接收质量下降，出现信息差错和丢失，甚至会阻断通信，这就是通常所说的无线电干扰。无线电干扰通常有如下几类：（1）同信道干扰（2）邻道干扰3）带外干扰（4）互调干扰（5）阻塞干扰（6）来自工、科、医等非无线电设备的干扰在移动通信系统中，通信链路对于上述六类干扰都需要协调。,51,3.2同频干扰和同频干扰保护比,G网中同频干扰保护比，通常取C/I=12dB或9dB；C网中同频干扰保护比，通常取C/I=Eb/No-Gp(处理增益),52,3.3邻道干扰比,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。对于GSM系统邻道干扰比ACIR:200KHz邻道干扰比:-9dB400KHz邻道干扰比:-41dB,53,3.4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。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,54,3.5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。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。,55,3.6我国对IS-95CDMA干扰GSM的规定,国家信息产业部明确指出鉴于两个系统之间只有5MHz保护带，为了防止对G网的接收产生有害干扰，必须限值CDMA800的带外杂散辐射电平。详细的指表要求见下表,表中，对G网和集群频段作了最严格的限值，为-67dBm100KHz（-64dBm200KHz）,56,假定G网基站上行接收机底噪声电平为-121dBm+7dB-114dBm，而它能承受的干扰电平比它低10dB，即-124dBm。则按此要求计算当C网下行杂散为-64dBm200KHz时，要求两系统之间最低隔离度LSO=-64dBm200KHz-(-124dBm)=60dB当不满足要求时可采用措施:1)增加天线的空间隔离;2)在CDMA发射系统加滤波器.,3.7IS-95CDMA对GSM基站的干扰,57,按此要求值，可以求得两副天线之间的水平间距，如下表所示：C网发射天线与G网接收天线的水平间距,3.8IS-95CDMA对GSM基站的干扰分析,注:-117dBm/Hz=-64dBm/200KHz,58,1)、隔离度计算,依据信部无200265号文精神已知CDMA800基站发射机（或直放站）带外杂散发射在885915MHz为-67dBm/100kHz，假定GSM900能承受的干扰电平比背景噪声低10dB：背景噪声=GSM900热噪声+噪声系数=-114dBm干扰电平=-124dBm隔离度Liso=-67dBm-（-124dBm）-10LogWBinterferingWBaffected=-67dBm+124dBm-10Log100kHz=60dB200kHz,59,2)、天线水平隔离度计算公式,Liso-Lfilt=22+20LgD/-GTX-GTR+2*Lcable式(1)式中:D:水平距离(米):工作波长(米)Lcable:馈线系统损耗3dBGTX:CDMA800发天线(6dBi)LisoL:隔离度(dB)GTR:GSM900收天线(6dBi)Lfilt:滤波器抑制度(dB),60,3)、CDMA800与GSM900站距计算,1)发端不加滤波器时:将相关数据代入式(1)60-0=22+20Lg-6-6+2*3D=47.5(米)50(米)即两基站相距50米时不需加滤波器2)发端加10dB滤波器:将相关数据代入式(1)60-10=22+20Lg-6-6+2*3得D=15(米)即两基站相距20(15)米时需加10dB滤波器,61,3)、CDMA800与GSM900站距计算,3)发端加15dB滤波器时将相关数据代入式(1)60-15=22+20Lg-6-6+2*3D=8.5(米)即两基站相距10(8.5)米时需加15dB滤波器,62,3.8IS-95CDMA对GSM基站的干扰分析(继续)CDMA的带内杂散导致GSM接收机灵敏度降低2.GSM接收机超载3.CDMA产生的交调产物,63,干扰示意图,64,来自干扰系统发射机的杂散发射信号进入被干扰系统的接收系统带内。,系统之间的干扰,干扰频普,被干扰系统接收的总功率和由干扰载波产生的三阶交调产物,65,被干扰系统带内的杂散发射波(IAFF)要比噪声基底低10dB被干扰系统带内接收的总的干扰功率(CAff_Rx)要比接收机的1dB非线性点低5dB被干扰系统带内接收的三阶交调产物(IMP3)要比噪声基底低10dB噪声基底17410log(BW)+噪声指数隔离选择时以最坏的情况为考虑标准,可接受干扰功率标准,66,带内杂散发射干扰,67,接收机过载,68,三阶交调产物,TransmitPowerperCarrier,:被干扰基站接收滤波器对干扰基站发射带内的干扰信号的衰减,A,in,Rx,P,C,Interfering,前置放大器,干扰基站,接收站滤波器,B,隔离,69,典型接收机输入/输出特性,70,典型接收机的非线性:1dB非线性点和三阶交调交点(TOI)二个输入信号产生的三阶IMP：,三阶交调产物(IMP),71,隔离损耗,1.杂散发射Liso,sp=CTx,A+ICRTX_amp-LTX_rej-Iaff-10Log(BWIntefering/BWAffected)2.接收机过载Liso,oL=CTotal_A-LRXFiliter-CAffRx3.三阶交调产物L