无线通信基础知识介绍

1、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 v基本物理量和基本概念介绍 v常用射频器件、模块介绍 v移动通信概念介绍 v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 v 功率理论上定义为做功的速率。单位为 mW、W （瓦）、kW等。 v 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）。 v 换算公式：电平(dBm)=10lg(功率mW1mW) 。如 5W10lg5000=37dBm; 10W 10lg10000=40dBm.（功率增倍，电平增加3dB） v 输出功率指放大器的功率输出能力。常以功率或

2、电平表示。 4 阻抗匹配 v 阻抗匹配使系统反射系数为零，即无反射时称为 匹配。 v 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 v 驻波比行驻波状态时，波腹电压与波节电压之比（ VSWR）。 v 回波损耗RL（dB) =反射信号电平（dBm）入射信号 电平（dBm） v 换算公式RL=20*log10(VSWR+1)/(VSWR-1) 6 驻波比（SWR） 回波损耗（dB） 1.21.251.31.351.41.5 -21-19-17.6-16.6-15.6 -14.0 驻波比回波损耗对照表： 三阶互调 v 三阶互调若存在两个正弦信号1和

3、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 12和2 2 1两个频率分量称为三阶互调分 量。 v 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P 1（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 f 1 22 122 21 P1 P3 噪声系数（NF） v 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）。 v NF（dB）=输入载噪比（dB）输出载噪比（dB） v NF（dB）越小，系统噪声

4、性能越好。理想时，NF=0dB （1）。 8 耦合度 v 耦合度耦合端口与输入端口的功率比。单位为dB 。 v 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 耦合器 输入端口 输出端口 耦合端口 20dBm 10dBm 19.3dBm 隔离度 v 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。 v 隔离度（dB）=接收天线接收功率（dBm）发射天线 发射功率（dBm） v 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

5、线2产生的互调产物功率之比。） 10 12 LC L1 天线方向图（波瓣图） v 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。 v 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（20.5）。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。 v E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图。 v 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 后瓣 旁瓣 主瓣 Ema

6、x 0.707Emax 0.707Emax 20.520 天线增益（dB）、天线前后比F/B v 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。 v 天线增益Ga（dB）=10lg Ga（dB） v 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-NGODP-085/V11-NG 小区覆盖天线小区覆盖天线 单工、双工 v 单工有单频

7、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 ）。 v 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 。 v 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） v 放大器（Amp.）用于实现信号放大的电路。有低 噪声放大器（LNA）和

8、功率放大器（PA）。 v 主要指标增益、饱和功率(ALC电平）。 17 LNA PA 滤波器（Filter）、双工滤波器（Duplex） v 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 。 v 主要指标选频宽度（带宽BW）、选择性、插损 、带外衰减。 v 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。 v 主要指标插损、隔离度。 18 DUP 环行器、双工环行器 v 环行器使信号单方向传输的器件。 v 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

9、分路、 合路的功能。 19 DUP 衰减器（Attenuator） v 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。 v 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 LNAPA PALNA ATT ATT 监控单元 Note Book 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

10、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） v 耦合器实现从主干通道中提取出部分信号的器件 。 v 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6065dB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 主干通道 耦合端 20dBm 10dBm 19.3dBm 耦合器 24 宽频带耦合器（8002500MHz） RC-5NK-06F 插损1.8dB RC-5NK-20F 插损0.7dB 9

11、00MHz耦合器 RC-5NK/NK/NK-05C插损2.2dB RC-5NK/NK/NK-30C插损0.4dB 宽频带耦合器（8002300MHz） RC-5NK/NK/NK-06F1插损1.8dB RC-5NK/NK/NK-20F1插损0.7dB 功分器（Power splitter） v 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。 v 主要指标插损、隔离度 25 10dBm 6.5dBm 6.5dBm 损耗3.5dB 功分器 26 900MHz功分器 RD-52N/N

12、P-C0插损3.5dB RD-53N/NP-C0插损5.2dB RD-54N/NP-C0插损6.5dB 宽频带功分器（800 2400MHz） RD-52N/NP-F1插损3.5dB RD-53N/NP-F1插损5.2dB RD-54N/NP-F1插损6.5dB 负载、转接头 v 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 。 v 对其要求阻抗匹配和所能承受的功率。 v 转接头把不同类型的线缆接头连接在一起的器件 。 v 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-J8

13、C 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 天线、馈线 v 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。 v 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）。 29 天线 30 ODP-030/V18-NG定向板状天线ODP-090/V14-NG定向板状天线 天线 31

14、 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 32 IXD-360/V03-NW室内吸顶天线室内吸顶天线 IWH-085/V09-NG室内壁挂天线室内壁挂天线 IWH-090/V08-NG室内壁挂天线室内壁挂天线 馈线 33 电缆馈线：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 34 35 TETRA发展发展 TErrestrial Trunked Radi

15、o TETRA 陆地集群无线电通信系统 欧洲电信标准协会欧洲电信标准协会 1995年正式确定的开放性标准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用以替代以往的专业移动通信系统PMR和公共接入移和公共接入移 动通信系统动通信系统PAMR的唯一标准的唯一标准 与与GSM系统类似，成为事实上的全球标准系统类似，成为事实上的全球标准 36 *系统组成图 PSTN 汇接局 汇接局长话局 MSC1MSC2 PLMN BS BS BS BS BS MS MS MS MS MS 业务区 （国、省） MSC区 MSC区 位置区1 位置区2 基站区 （1个 小区） 基站区 位置区 （两个基 站区）

16、中继线 *主要特点 37 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 38 4、多谱勒效应 多谱勒频移（f= v cos / ）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 39 1、多址技术 FD

17、MA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-2000 3G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 40 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，2-4.8 kbps。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

18、 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 41 室外电磁波传播损耗模型 v自由空间损耗模型 vCost/Walfish/Ikegami可视路径损耗模型 vOkumura-hata模型 42 A、自由空间损耗模型 43 v公式模型： Lb=32.4+20log(d)+20log(f) (dB) 式中：d 距离，单位 km f 频率，单位MHz

19、 例如：900MHz时 Lb=91.5+20log(d) (dB) v适用场合：可视空旷的自由空间 v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 44 v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 v适用场合：f = 8002000MHz, d = 0.025km; 基站天线高度hb=450m; 移动天线高度hm=110m; 适用于城市微小区覆盖设计，视线通畅的情况。 Cost-231/Walfish/Ikeg

20、ami 可视路径损耗模型 45 v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 v适用场合： 视线不通畅的情况。 C、Okumura-hata模型（OM） 46 v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（120km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。 v公式模型2： Lb(农村)= Lb（城区）-2log(f/2

21、8)2-5.4 Okumura-hata模型（OM） 47 v公式模型3： Lb(开阔地）= Lb（城区）-4.78(logf)2+18.33logf-40.94 v适用场合：GSM900MHz, d=120km; 基站天线高度hb=30200m; 移动天线高度hm=110m; 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 v 损耗与距离的关系：在120km以内，大致为 40dB/dec；距离增大时，5060dB/dec。 v 自由空间损耗 v 绕射损耗 v 反射损耗 v 建筑物贯穿损耗 v 人

22、体损耗：3dB左右 v 车内损耗：810dB左右 v 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。 v 大气吸收、雨雾吸收损耗 48 室内电磁波传播损耗模型 v室内路径损耗因子模型 v室内自由空间路径损耗附加因子模型 v室内路径损耗估算 49 A、室内路径损耗因子模型 50 v公式模型： PL(d) = PL(do)+10nSFlog(d/do)+FAF (dB) 式中： PL(do)表示近地参考距离（ do=310），自由空间损耗； nSF表示同层损耗因子（1.63.3）； FAF表示不

23、同层路径损耗附加值（1020 dB ）。 v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)=31.5 dB nSF取2.8, FAF=0dB 故 PL(15m) = PL(1m)+102.8log(15/1)+0 =31.5+32.9= 64.4 (dB) v注：计算损耗时需预留10 dB的衰减储备 B、室内自由空间路径损耗附 加因子模型 51 v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=310），自由空间损耗； 为路径损耗因子（-0.21.6dB/m)。 v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)=31.5 dB 取0.6dB/m 故 PL(15m) = P