《无线通信工程》PPT课件

1、无线通信工程,1.绪论 2.组成及规范 3.信道 4.基带传输 5.频带传输 6.信源编码 7.信道编码 8.多址技术 9.抗干扰技术 10.抗衰落技术 11.新技术及新应用,绪论,.历史 环境 应用 发展,组成及规范,系统组成 性能指标 技术体制 技术规范 协议标准 国际组织,信道,无线通信信道分类 无线通信信道模型 无线通信信道指标,基带传输,常用数字码型 基带传输过程 功率谱密度 奈奎斯特准则 最佳检测准则 误比特率,频带传输,ASK FSK PSK 载波同步 时钟同步,信源编码,目的：提高有效性 .概述 .理论 .性能指标 .实现方法 .应用,信道编码,目的：提高可靠性 概述 基本概念

2、 性能指标 分类 工作原理,多址技术,概述 FDMA TDMA CDMA SDMA,抗干扰技术,概述 原理 关键技术 应用,抗衰落技术,概论 非频率选择性衰落 频率选择性衰落 .均衡技术 .分集技术 .瑞克技术 .联合编码技术,绪论,.历史 环境 应用 发展,历史（1）通信发展历史的回顾,开辟了电信的新纪元 通信（Communication)作为电信（Telecommunication) 是从19世纪30年度开始的。,历史（4）通信发展历史的回顾,开辟了模拟通信的新纪元,历史（2）电话的发明者贝尔,贝尔（18xx1922）英国人 1868年 在伦敦工作 1871年 去波士顿工作 1873年 任

3、波士顿大学教授 1875年 发明多路电报 1876年 发明电话 一生曾获许多专利。 妻子是一位聋哑人。,历史（3）无线电的发明者马可尼,马可尼（18741937）意大利人 1894年 在父亲的庄园试验 1896年 去伦敦 1897年 建立无线电报公司 1899年 首次实现英法无线通信 1916年 实现短波无线电通信 1929年 建立世界性无线通信网 曾获诺贝尔奖金 曾参加法西斯党,历史（5）通信发展历史的回顾,开辟了数字通信的新纪元,历史（6）通信发展历史的回顾,开辟了空间通信的新纪元,历史（7）通信发展历史的回顾,开辟了光纤通信的新纪元,历史（8）通信发展历史的回顾,开辟了微波通信新纪元,历

4、史 小结,历史（9）通信发展历史的启示,环境（1）：无线通信的频谱环境,无线电频谱（2）,无线电频谱,无线电频谱（3）,无线电频谱,环境（2）：无线通信的传播环境,环境（3）：无线通信的传播环境,恒参与变参信道,环境（4）：无线通信的传播环境,色散与非色散信道,环境（5）：无线通信的传播环境带宽受限信道和功率受限信道,加性高斯白噪声信道上的山农定理 CW log2(1+S/N)b/s 令：S/N=Eb/N0C/W 山农定理就可以写成： Eb/N0=(2C/W - 1)/(C/W) 带宽受限信道 Eb/N0 C/W W 无限 功率可以换取带宽 功率受限信道 W C/W Eb/N0 有限 当W ，

5、Eb/N0 -1.6dB，即为山农极限，带宽不能无限制地换取功率,山农信道容量曲线,Eb/N0 dB,C/W b/sHz,-1.6dB,环境（6）：无线通信的传播环境色散与非色散信道、恒参与变参信道,信道响应为C(;t)，其中代表响应时间，t 代表信号时刻。 输入信号为时域冲击函数，检验是色散信道还是非色散信道。 其中Tm为多径扩散，其倒数fc为相干带宽。 输入信号为频域冲击函数，检验是恒参信道还是变参信道。 其中Bd为多普勒展宽，其倒数tc为相干时间。 信号带宽B fc ，色散信道 信号带宽B fc ，非色散信道 码元周期T tc ，变参信道 码元周期T tc ，恒参信道,C(;t),u(t

6、),v(t),t,t,(t),v(t),Tm,f,f,(f),S(f),Bd,环境（7）：无线通信的传播环境点对点信道和多址信道,点对点信道：和有线信道类似，体现不出无线的特点。 多址信道：无线传输的突出优点之一是能实现多址接入。 设：有N个用户地址，第k个地址发送的信号为： N Sk(t) = akj Skj (t)， akj =1,0 j = 1 j k 第k个地址接收的信号为： N N R(t) = Lik a ijSij (t) + nk(t) I=1 j=1,无线用户 1,无线用户 2,无线用户 k,空间环境,无线用户 1,点对点信道,多址信道,空 间 环 境,Sk(t),Rk(t)

7、,应用（1）：无线通信的应用概况,应用（2）：无线通信的应用说明,应用（3）：无线通信的应用说明,应用（4）：无线通信的应用说明,应用（5）：无线通信的应用说明,发展（1）：21世纪电信网的发展趋势,发展（2）：21世纪电信网的发展趋势,发展（3）：21世纪电信网的发展趋势,发展（4）：21世纪电信网的发展趋势,发展（5）：21世纪电信网的发展趋势,发展（6）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之一：个人通信,1986年 CCIR制订 FPLMTS，以个人全球通信为目标，首次提出个人通信概念 1986年 CCITT讨论 UPT（全球通用个人通信） 1989年 英国政府发放许可证建立双向个人通

8、信网，首次出现 PCN名词 90年代以来，美国提出个人通信业务（ PCS），或个人通信系统 （PCS） 但是，到底什么是个人通信？,CCITT 个人的移动性和终端移动性分开 着重于个人的移动性，用户号码可以在任何终端上使用 无线接入不是必要的条件 CCIR、欧洲 PCN、美国 PCS 个人的移动性靠终端的移动性实现 移动通信网作为个人通信网的底层网络结构 无线接入是必要的条件 以无线接入为基础的个人通信叫做无线个人通信 Wireless Personal Communications,发展（7）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之二：无线接入,技术关键 多址有效性与可靠性 组网 蜂窝信令与

9、空间接口 高层无线接入 特点：蜂窝范围大 复杂的信道处理（纠错、均衡、分集） 快速移动 无线交换 功率大 成本高 低速语音编码 低层无线接入 特点：蜂窝范围小 简单的信道处理 慢速移动 有线交换 功率小 成本低 中速语音编码（32Kb/s ADPCM）,发展（8）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之三：无线ATM,无线 ATM 的发展背景 ATM方式是未来通信网发展的必然趋势 可移动多媒体业务的发展与普及 无线频谱资源的更加合理利用 无线 ATM 的技术关键 窄带化技术（低到几 Mb/s） 抗误码技术 按信源的信息量动态地分配带宽 无线 ATM 的应用前景 军事通信、多媒体通信,发展（9）

10、：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之四：扩频技术,扩频多址技术的缺点：非正交性 ( Non-orthogonality) 优点：坚韧性 (Robustness) 坚韧性体现在：抗多径 抗干扰 蜂窝分割的频率再用 扇区分割的频率再用 前沿技术：时空联合处理、智能天线、多用户检测,发展（10）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之五：软件无线电,当前无线系统在硬件及软件上存在的问题： 多种标准、多种制式、多种协议、多种方案 困难: 互连互通难 设备更新难 研制开发难 能否搞成一个通用的无线系统： 硬件是公用的，除了天线和 RF 前端外，其它都是 DSP 所有无线通信过程都用软件实现，而软件环

11、境是开放的 无线协议都遵循一个公共的 Wireless OSI 分层结构,软件无线电的关键技术 多频段天线及 RF前端技术 直接式数字上、下变频技术 高速 DSP 技术 标准化无线协议及协议转换技术 软件无线电的应用前景 多模手机 通用无线平台 通用抗干扰军用电台,发展（11）：21世纪电信网的发展趋势无线通信热点之六：第三代移动通信（1）,第一代 模拟话音 NMT，AMPS，TACS 第二代 数字话音低速数据（小于64Kbps) GSM,PDC，IS-95，IS-136（D-AMPS） 第三代 多媒体业务（小于2Mbps） 第二代业务 UMTS / IMT-2000, IMT2000简介 1

12、985年国际电联就开始研究FPLMTS， 1996年正式更名为IMT2000 国际移动通信系统，工作频段2000MHz， 使用日期2000年 IMT2000特点 全球性 综合性 兼容性 灵活性,发展（12）：21世纪电信网的发展趋势,第二讲,系统组成及技术规范 系统组成 性能指标 技术体制 技术规范,系统组成,系统组成（1）：组成框图,发基带 单元,发中频 单元,发射频 单元,发天线 单元,收基带 单元,收中频 单元,收射频 单元,收天线 单元,无线传播 信道,系统组成（2）：基带单元框图,发端接 口处理,发端信 道处理,发端调 制映射,发端基 带滤波,收端接 口处理,收端信 道处理,收端解

13、调映射,收端基 带滤波,比特流及 时钟输入,比特流及 时钟输出,复接、分接 扰码、去扰,纠错、交织 均衡、去干扰,扩频映射 二进/多进映射,基带成形 匹配滤波,基带复矢量 信号输出,基带复矢量 信号输入,系统组成（3）：中频单元框图,复数 调制器,中频放 大滤波,复数 解调器,中频信 道处理,AGC 中频放大,收端 中频滤波,发送中频 信号输出,接收中频 信号输入,基带复矢量 信号输入,基带复矢量 信号输出,发端中 频本振,载波时 钟同步,系统组成（4）：射频单元框图,上 变频器,射频功 率放大,下 变频器,射频信 道处理,射频前 置放大,收端 射频滤波,发送射频 信号输出,接收射频 信号输入

14、,接收中频 信号输出,发端射 频本振,收端射 频本振,发送中频 信号输入,发端 射频滤波,频率 控制,系统组成（5）：天线单元框图,发送射频 信号输入,接收射频 信号输出,天 线,收发双工 FDD/TDD,发射 信号,接收 信号,系统组成（6）：等效基带原理,发送信号： s(t) = a(t)cos0t+(t) = Re u(t)exp(j0t) 其中：u(t) = a(t)exp(j(t) = x(t)+ jy(t) 叫作等效基带信号，亦称复包络。 正交调制及正交解调可以等效为复数乘法器。 带通滤波器可以等效为复数低通滤波器。 无线传播信道可以等效为时变的复数低通网络。 信道非线性（包括：调

15、制、解调和放大器的非线性）也可以进行复数低通等效。 带通噪声可以等效为复数低通噪声,系统组成（7）：调制解调的基带等效,合路,cost,sint,x(t),y(t),S (t),分路,cost,-sint,x(t),y(t),S (t),S (t) = x(t) + j y(t) exp (jt),x (t) = Re S(t) exp (-jt),y (t) = Im S(t) exp (-jt),系统组成（8）：带通滤波的基带等效,0,0,H(),HB(),HB(0) = H()，0 HB(0) = H()，0,H() HB(0) HB(0),系统组成（9）：无线传输的基带等效模型,调制

16、映射,解调 映射,HT (),HR (),HC (),N(t) 复数噪声,二进制码流输出,二进制码流输入,多进制复符号,多进制复符号,发端响应,收端响应,信道响应,性能指标,多址方式 双工方式 调制解调方式 信道编码方式 信源编码方式 发送频谱 发送功率 信道速率 误码门限,工作频段及频谱安排 传输距离及传输方式 传输容量 传输质量 业务方式 供电方式及耗电量 环境条件 可靠性,性能指标（1）：概述,性能指标（2）：工作频段及频谱安排,工作频段：根据频谱规划，划分给该项业务的工作频率范围。 波道配置：根据频谱规划，在工作频段内划分出若干个波道，供用户选用。 收发配置：根据频谱规划，在工作频段内

17、划分出发送和接收子频段。,频段宽度,波道间隔,收发频差,f,f,f,f1,f1,f1,f2,性能指标（3）：传输距离和传输方式,传输距离 地面视距传播：取决于天线高度、工作频段和地形，一般50公里以内。 地面绕射传播：一般20公里以内。 对流层传播：一般几百公里。 电离层传播：可达几千公里。 卫星传播：洲际传播,传输方式 单工点对点方式。 双工点对点方式。 中继（或称接力）方式 有源中继 无源中继 地面点对多点方式 卫星点对多点方式 平流层气球方式,传输容量 传输容量指对用户有效的传输信息容量 传输容量表示方法 用总的电话路数来表示，如：M16路，PCM30路等 用PDH的群路数来表示，如：1

18、E1，4E1等 用有效传输的比特率来表示，如：2Mb/s，8Mb/s 传输容量有时还要考虑一些附加的信息,性能指标（4）：传输容量和信道速率,信道速率 信道速率指在无线信道中传送的总速率，一般用比特率表示 信道比特包括：用户信息比特和辅助信息比特 辅助信息比特如： 信道编码比特 勤务和监控比特 帧同步比特,性能指标（5）：传输质量和误码门限,传输质量 数字信号传输质量之一：误码，包括： 长时间统计的零星误码 短时间统计的误码超过某个值（如：10-3，10-6)的时间百分数 数字信号传输质量之二：同步，包括： 时钟抖动 时钟丢失,误码门限 无线传输系统的重要性能指标 为达到一定误码率所需要的最小

19、接收电平，称为该系统的误码门限 误码门限计算公式： Pr0 = NF kT0 fb Eb/N0 其中：NF 为噪声系数， k为玻尔兹曼常数，T0 为绝对温度，fb 为信道速率，Eb/N0 为保证一定误码率所需要的归一化信噪比,性能指标（6）：双工方式,频分双工（FDD）,时分双工（TDD）,发滤波,收滤波,发送 信号,接收 信号,去天线,发开关,收开关,发送 信号,接收 信号,去天线,环行器,TDD 控制,性能指标（7）：调制解调方式,调制方式 模拟调制及数字调制 常用数字调制方式： FSK、MSK、GMSK、TFM BPSK、QPSK、8PSK 16QAM、64QAM、256QAM 全数字实

20、现方法 任何调制都可以正交展开，即用复包络表示,解调方式 模拟解调和数字解调 数字解调 相干解调 非相干解调 同步问题的重要性 载波同步 时钟同步 全数字解调算法,性能指标（8）：信道编码方式,信道编码的目的： 消除由于信道不理想所带来的误码 在理想信道上取得一定的功率增益 考虑原则： 系统对信道编码的要求 系统能提供多少冗余度,常用的信道编码： 分组码 卷积码 Turbo码 纠错编码和交织结合 纠错编码和调制结合 代数译码和概率译码,性能指标（9）：信源编码方式,语音压缩编码 增量调制（M） 16Kb/s，32Kb/s 脉冲编码调制（PCM） 64Kb/s 自适应差分脉码调制（ADPCM）

21、32Kb/s 其它中低速语音编码 16Kb/s，8Kb/s，4.8Kb/s，2.4Kb/s,图象压缩编码 JPEG，静止图象 32,64,128 Kb/s H.261，会议电视 64,128,384,1920Kb/s MPEG-1，存储媒体 2Mb/s以下 MPEG-2，数字电视 2Mb/s以上,性能指标（10）：发送频谱和发送功率,发送频谱框架,发送功率 为了保证有一个较好的电磁环境，无线通信系统的发送功率有较严格的规定。 发送功率的等级： 无绳电话：毫瓦级 移动电话：瓦级 微波通信：十瓦级 卫星通信：百瓦级,f0,f,主瓣宽度：B,B,带外辐射：L,L dB,性能指标（11）：供电方式及耗

22、电量,供电方式 交流供电、直流供电 间断供电、不间断供电 各种方式： 220V电网 发电机 太阳能 蓄电池 干电池,耗电量 无线通信系统的重要指标 降低耗电量的方法： 减少整个系统的传输损耗，减少发射功率 采用效率高的功率器件 提高电源变换器的效率,性能指标（12）：环境条件,温度条件 保证指标的温度范围 保证工作的温度范围 储存的温度范围 湿度条件 冲击及振动条件 电磁干扰条件 腐蚀条件 特种条件,温度条件举例 民品： 5400C 保证指标 0450C 保证工作 军品 10450C 保证指标 20500C 保证工作,性能指标（13）：可靠性,可靠性基本关系 失效率：在单位时间内从正常转为失效

23、的概率 平均无故障工作时间T。 T 1 / 可靠度p：无故障工作的概率。 p = exp(- t) 可用率P。 P t工作 / (t工作+t中断),无线通信的可靠性 包括：设备可靠性和传播可靠性。 为提高设备可靠性： 采用高可靠性的元件 采用设备的备份措施 为提高传播可靠性： 在传播能力上留有余量 采用抗信道衰落技术 采用波道的备份措施,技术体制,技术体制（1）：考虑原则,有效性：在给定的频率、功率和空间条件下实现最大的传输容量。 可靠性：在给定的信道衰落和干扰条件下实现最好的业务质量。 灵活性：为固定及移动用户提供最灵活的无线接入手段。 实用性：成本、体积、重量、耗电等。,技术体制（2）：关

24、于有效性,信源编码技术： 采用有效的信源编码技术，在保证原始消息质量的条件下，尽可能压缩传输所需的比特率。 调制技术： 采用高效率的调制技术（包括频谱成形技术），尽可能压缩传输给定比特率所需的带宽。,蜂窝技术：控制发射机的功率，在通信区域内划分出许多蜂窝状小区，从而提高无线频谱的利用率。 智能天线技术：利用天线的自动定向或扇区划分，在通信区域内形成许多定向的小区，从而提高无线频谱利用率。,技术体制（3）：关于可靠性,冗余度技术： 纠错编码，比特上的冗余度； 扩频与跳频，频率上的冗余度； 电平储备，功率上的冗余度； 备份切换，设备上的冗余度。,抵销技术 均衡，用频域或时域的方法校正信道的传递函数

25、； 分集，用多重频率、时间或天线接收的信号抵销多径效应； 多用户检测； 自适应干扰抵销。,技术体制（4）：关于灵活性,无线多路 无线多路是无线通信灵活性的表现之一。 无线多路一般遵循多路电话的标准，如：PDH的基群、二次群等，SDH的STM-1等。采用TDM体制。 无线通信还能提供灵活的旁路业务。,无线多址 无线多址接入是无线通信灵活性的表现之二。 采用FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等多址接入技术。 既能固定接入，也能移动接入。 在蜂窝移动系统中，越区和漫游技术的重要性。,技术体制（5）：关于实用性,便携性 便于携带，是无线通信作为个人通信物理层基础的重要特点。 为了满足便携性，对个人

26、便携终端（如：手机）的体积、重量、功耗都提出了很高的要求。 为解决此问题需要综合的技术。,经济性 随着个人通信的发展，无线通信已从传统的投资类产品转化为市场巨大的消费类产品。 在市场竞争的推动下，无线通信产品的成本价格必须大幅度下降。 降低成本的关键：采用系统集成技术和批量生产技术。,技术规范,技术规范（1）：概述,无线通信技术规范的重要性 无线频谱的合理使用 无线系统的干扰协调 无线用户的入网接口 无线设备的跨域漫游 无线通信技术规范的核心 无线传输技术（空中接口技术） 无线入网技术,技术规范（2）：标准系列,国际电联的标准：CCIR、CCITT、ITU 世界各国的地区性标准 欧洲标准 北美

27、标准 日本标准 我国标准 国家标准 部门标准,技术规范（3）：无线法规,由国家无线电管理委员会制定无线电法规，作为国家行政法规颁布。 各种无线产品必须符合无线法规制定的入网标准。 各种无线产品的研制、生产、引进、使用都必须向主管部门（各级无委会）申报，特别是无线发射机。 各项无线通信工程的设计、施工和运营都必须向主管部门（各级无委会）申报，特别是使用频率。 违反国家无线法规的行为都属于违法行为。,技术规范（4）：频谱规划,无线频谱的使用由国家无委会统一规划，并实行许可证制度。 频谱规划种类：广播电视、射电天文、雷达定位、民用通信、军用通信等。 民用通信举例：微波通信、卫星通信、移动通信、无线寻

28、呼、无绳电话、无线数据等。 频谱规划中允许不同业务共享某个频段，但在技术上和管理上要做好协调。,技术规范（5）：数字微波技术规范,工作频段：2GHz，4GHz，6GHz，8GHz，11GHz等 传输容量：小容量 2Mb/s，8Mb/s 中容量 34Mb/s，68Mb/s 大容量 140Mb/s，155Mb/s 传输质量：高误码，误码率超过1103的时间百分数 低误码，误码率超过1106的时间百分数 零星误码不超过1109 传输距离：2500Km，1000Km，300Km,技术规范（6）：扩频微波技术规范,工作频段：2.4-2.4835 GHz, 5.725-5.85 GHz 无需许可证频段 传

29、输容量：不小于250 kbits/s 扩谱方式：直接序列扩谱（DSSS），扩频比为11 跳频扩谱（FHSS），跳频速率为2.5次/秒 发射功率：不大于 100 mW 峰值功率密度：不大于10 dBW/100KHz（跳频） 不大于20dBW/1MHz（直扩）,技术规范（7）：移动通信技术规范,模拟蜂窝TACS 频率 900MHz 间隔 25KHz 调制 话音FM，信令FSK 多址 FDMA 双工 FDD 数字蜂窝GSM 频率 900MHz 间隔 200KHz 调制 GMSK 多址 TDMA/FDMA 双工 FDD,数字蜂窝Q-CDMA(IS-95) 频率 800MHz 间隔 1.25MHz 调制

30、 扩频 QPSK 多址 CDMA 双工 FDD 数字蜂窝D-AMPS(IS-54) 频率 800MHz 间隔 30KHz 调制 /4 DQPSK 多址 TDMA/FDMA 双工 FDD,技术规范（8）：军用电台频率规范,军用电台频率规划表 频率范围 波段 系统（设备）名称 200500KHz 中长波 陆军电台 1.630MHz 短波 海陆空电台 3088MHz VHF 陆军、海军 108174MHz VHF 海军、空军 225400MHz UHF 空军,技术规范（9）：某军用电台技术规范,背景 未来的数字化战场，特别是电子对抗。 未来的综合业务，如：话音、数据、传真、图象。 用途 取代原有的多

31、制式、多品种的短波、超短波战术电台。 配备到陆军师、团、营、连、排各级。,主要指标 工作频段：2180MHz，兼容陆军现有的短波、超短波频段和陆军航空兵的地空指挥导航频段。 可兼容现有的AM、FM体制。 保密数字话：16Kb/s的CVSD，4.8/8Kbps的CELP。 数据通信：509600b/s，TCP/IP协议。,第三讲,无线通信的信道 引言 自由空间传播 地面视距传播 地面超视距传播 移动传播,引 言,引言（1）：无线通信信道的分类,理想无线信道？非理想无线信道？ 理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。 固定无线信道？移动无线信道？ 视距无线信道？非视距无线信道？ 视距，

32、如：地面视距、卫星。 非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。 有干扰无线信道？无干扰无线信道？ 干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。,引言（2）：无线通信信道的指标,传播衰减 衰减的平均值 衰减的最大值 衰减的统计特性 传播延时 延时的平均值 延时的最大值 延时的统计特性,延时扩展 对信道色散效应的描述 多普勒扩展 对信道时变效应的描述 干扰 干扰的性质 干扰的强度,引言（3）：无线传播信道的模型,信道响应为h(, t) ，可以表示色散和时变 假设：线性信道、加性干扰,h(, t),s(t),r(t),n(t),自由空间传播,自由空间传播（1）,什么叫自由空间？无

33、任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。 无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。 如图所示，发射功率为PT，发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，d为半径的球面上单位面积的功率为： S PT / 4 d2,球面上的功率流,PT,d,自由空间传播（2）,由于天线有方向性（设发射天线增益为GT），故在主波束方向通过单位面积的功率为： S = GT PT / 4 d2 设接收天线的有效面积为A，则接收天线所截获的功率为：Pr = S A = A GT PT / 4 d2 对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布，则天线的有效面

34、积为： A = Gr 2 / 4 其中Gr为接收天线增益， 为自由空间波长,代入Pr公式。得到： Pr = Gr GT PT ( / 4 d)2 令： Pr / PT = Gr GT / LS 其中LS定义为自由空间传播损耗。 则： LS = (4 d / )2 = (4 f d / c )2 以分贝数表示： LS = 92.4 + 20 lg f(GHz) +20 lg d(km) dB,地面视距传播,简 介,地面微波通信属于视距传播。 视距传播的主要特点是收发天线都在视距范围内。 视距传播要考虑大气效应和地面效应。,视距和天线高度的关系 由于地球是一个曲面，天线高度h1、h2和视距d之间存

35、在以下关系： d = 3.57( ) 其中h1、h2的单位是m，d的单位是km。 说明：此公式没有考虑大气及地面对传播的影响，所以只能用作大致的估计。,大气效应之一：吸收衰减,主要发生在高频段 水蒸汽的最大吸收峰在23GHz(1.3cm)； 氧气的最大吸收峰在60GHz(5mm)； 对于12GHz(2.5cm)以下的频率，大气吸收衰减小于： 0.015dB/km。,大气效应之二：雨雾衰减,在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几dB。 在10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几dB/km。 下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。,大气效应之三：大气折射,引入等效地球半径的概

36、念：,地面效应之一：费涅尔半径和余隙,利用波动光学的惠更斯费涅尔原理，在遇到障碍物时将产生附加损耗。 障碍物到T，R连线的垂直距离为hc，称为余隙。一阶费涅尔半径为h1，定义hc/h1为相对余隙。就可以从右图求出附加损耗。,地面效应之二：地面反射,这是产生电平衰落的主要原因之一。 设：反射系数为m，反射相位为1800，自由空间衰减系数为，就可以求出接收点的场强：,平衰落,当衰落较严重时，接收点的场强接近瑞利分布 接收点场强小于某个值的概率,通用公式 例： B1 C3.5 A=1.4108 Q=1,频率选择性衰落,根据W.D.Rummler提出的伪三径模型，得到频率选择性衰落的频率响应函数，如下

37、图所示。,地面超视距传播,对流层散射传播,在地球表面1012 km处为对流层，存在大量随机运动的不均匀介质，能对电波产生折射、散射和反射。 散射通信是利用部分散射体内介质的前向散射信号。这是典型的多径信道。 通信距离可达几百上千公里。,散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。 根据测试结果，接收电平小于其均方根值10dB, 20dB, 30dB的概率分别为10，1，0.1%。 快衰落服从瑞利分布。 慢衰落服从对数正态分布。 克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技术。,电离层反射传播,在地球上空60km以上是电离层，可以分为D层、E层、F层。D层能吸收电波，E层能反射电波，然而在

38、晚上都会消失。对电波起良好反射作用的是F层，并且能够在昼夜都保持一定的通信功能。,电离层反射传播（续）,存在严重的多径效应，最大传播延时差可达毫秒量级。 存在严重的时变性，电离层的特性随时变化，并且很难准确预测 存在最高可用频率，为了实现较好的传输质量，工作频率应尽可能接近最高可用频率。这些频率都在短波波段（230MHz）。,存在多种附加损耗。如：吸收损耗（625dB），地面反射损耗（20dB），系统额外损耗（1518dB） 存在严重的干扰，这是短波通信的一大特点。包括：大气噪声、工业干扰、天电干扰、其它电台的干扰。 技术措施：自适应均衡、自动线路建立、分集。,流星余迹传播,据统计，每昼夜有数

39、百亿的流星进入大气层，和空气碰撞产生电离。在地面80120km处形成电离气体带，这就是流星余迹。 利用流星余迹的散射和反射进行通信。 工作频率3080MHz，传输距离2002000km，传输速率低，用于突发通信。,卫星传播,静止卫星 信道稳定，可以按照自由空间传播损耗计算 长延时，要考虑对话音质量和通信协议的影响,移动卫星 要考虑地面的影响，包括多径和遮蔽 接收信号电平服从莱斯分布 要考虑多普勒频移,移动传播,说 明,移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。 首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。 其次，由于用户台的移动性，传播

40、参数随时变化，引起接收场强的快速波动。 为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。,四种传播机制,直射：自由空间传播 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。 绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。 散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。,二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型,大尺度路径损耗传播模型 描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。 小尺

41、度多径衰落传播模型 描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短时间上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应该采取的技术措施。,二种传播模型（续）,对数距离路径衰减规律,根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示：,多径扩散和相干带宽的关系,多径扩散和相干带宽,多普勒扩散和相干时间的关系,多普勒扩散和相干时间,基于多径时延扩散,平衰落 信号带宽相干带宽 时延扩散符号周期,频率选择性衰落 信号带宽相干带宽 时延扩散符号周期,基于多普勒扩散,快衰落 多普勒频移大 相干时间符号周期 信道变化快于基带信号的变化,慢衰落 多普勒频移小 相干时间符

42、号周期 信道变化慢于基带信号的变化,衰落信道的分类,大尺度模型：室外模型,Longley-Rice模型 适用频率范围：40MHz-10GHz。 不同种类地形的点对点系统。 利用路径几何学及对流层绕射性，预测大尺度中值传播损耗。 有计算机程序，根据输入的路径参数，进行点对点预测或区域预测。 缺点：不能提供对环境因素的修正，没有考虑多径效应。,Durkin模型 描述不规则地形场强预测的计算机仿真器。 已被联合无线电委员会用于进行有效移动无线覆盖区的研究。 主要用于大尺度路径损耗的预测。 缺点：不能精确预测由于树叶、建筑物、其它人造结构引起的传播效应，不能计算除地面反射以外的多径传播。,大尺度模型：

43、室外模型（续）,Okumura模型 适用频率范围150MHz-3GHz， 距离1100km，天线高度301000m。 预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经成为系统规划的标准。 开发了一套在特定条件下自由空间中值损耗的曲线。 缺点：对城区和郊区的快速变化反应较慢，和实际情况偏差约1014dB。,大尺度模型：室外模型（续）,Hata模型 适用频率范围150MHz -1.5GHz 根据Okumura曲线图所作的经验公式，以市区传播损耗为标准，并对其它地区进行修正。 市区路径损耗的标准公式。在1km以上的情况下，预测结果和Okumura模型非常接近。 缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径

44、为1km的个人通信系统。,其它模型 Hata模型的PCS扩展 WalfishBertoni模型 宽带PCS微蜂窝模型,大尺度模型：室内模型,一般说明 室内传播特点：覆盖距离更小，环境变化更大 受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放置的位置？人员的分布情况？ 室内信道可以分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种。,分隔损耗 同楼层的分隔损耗 给出不同频段、不同材料不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在1300MHz的损耗为815dB。 楼层间的分隔损耗 和建筑物的材料、类型、层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小。,大尺度模型：室内模型（续）,对数距离路径损耗模型 室

45、内路径损耗公式,大尺度模型：室内模型（续）,Ericsson多重断点模型 通过测试多层办公室建筑，获得Ericsson无线系统模型 此模型提供特定地形路径损耗范围的确定限度 右图给出此模型的室内路径损耗图,小尺度模型（1）,小尺度传播的主要效应： 信号强度的快速变化 时变引起的多普勒频移 多径引起的延时扩展,多径信道的冲激响应模型： 移动信道可以看成线性时变信道，输入x(t)和输出y(t)存在以下关系,小尺度模型（2）,移动多径信道的参数：延时扩展及相干带宽，描述色散 延时扩展的典型值如下表所示 相干带宽估算：,小尺度传播模型（3）,移动多径信道的参数：多普勒扩展及相干时间，描述时变 多普勒频

46、移计算： 相干时间计算： 对于高速行驶的车辆，只要传输速率大于几百bits/s，多普勒效应就可以忽略，信道就成为慢衰落信道。,小尺度传播模型（4）,平坦衰落的Clarke模型 这是一种基于散射的统计模型。接收信号的包络服从瑞利分布： 射频信号受到多普勒衰落影响的功率谱密度如右图所示。,小尺度传播模型（5）,电平交叉率（LCR）： 瑞利衰落包络归一化为本地rms电平后，沿正向穿过某一指定电平的速率。表示为：,平均衰落时段： 接收信号低于某指定电平R的平均时间段的值。表示为：,小尺度传播模型（6）,双线瑞利衰落模型 Clarke模型及瑞利衰落统计模型只适用于平衰落，而不考虑多径时延。为此，采用一种

47、常用的独立双线瑞利衰落信道模型。其冲激响应为：,小尺度传播模型（7）,Saleh和Valenzuela室内统计模型 根据测试结果，提出一个简单的室内信道多径模型。该模型假设多径分量以簇的形式到达。接收信号的幅度是独立的瑞利随机变量，相位在（0，2）之间独立分布。 各个簇和簇内的多径分量构成不同速率的泊松过程，到达次数成指数分布。,SIRCIM和SMRCIM室内和室外统计模型 基于离散冲激响应信道模型提出了一个来源于实际的统计模型，并编写了计算机程序SIRCIM。后来又有人编写了一个类似的程序SMRCIM，用以产生市区蜂窝及微蜂窝信道的冲激响应。 目前全世界有100多家机构使用这种程序。,第四讲

48、：基带传输,引言 数字信息表示法 基带传输过程 功率谱密度 奈奎斯特准则 最佳检测准则 比特差错率,引 言,什么叫基带传输？ 数字信号的电脉冲不对载波进行调制，直接送往信道进行传输的方法，叫基带传输。,无线通信为什么要讨论基带传输？ 1、一个载波传输系统，在调制前与解调后所进行的信号变换过程，如：编码、译码、滤波、判决、抽样、再生，和基带传输过程十分相似。基带传输的方法完全可以用于载波传输。 2、载波传输系统在一定条件下完全可以用等效基带传输系统来代替。有关基带传输系统的一些分析结果，如：功率谱密度、比特差错率可以推广到载波传输系统。,数字信息的表示法,数字信息可以用抽象代码或传输代码来表示,

49、抽象代码 一组数字或文字符号； 记为 ，是一组随机序列； Ik 表示码元，k表示序号， Ik所能取得的各个符号值为符号集：,在满足马尔可夫过程时，其统计特性完全可以由状态概率pi(i = 1,2,.,M)及转移概率pi,j(n) (i,j = 1,2 ,M) 来描述。 二进制抽象代码举例： 0，1 1，1 S0，S1,传输代码 一组电脉冲波形； 记为 u(t) = ， 是一个随机过程； uk (t)表示在kTSt(k+1)TS时隙中的码元，k表示序号； uk (t)所能取得的各个波形组成为波形集：,传输代码和抽象代码的映射关系 二进制传输代码举例： 非归零码、归零码,多进制 在数字通信系统中，

50、为了提高传输效率，往往采用多进制。 最常用的多进制为2l进制，即二进制、四进制、八进制，等等。 一个多进制抽象代码可以表示成多进制数，也可以表示成二进制数组。 如：0 1 2 3 00 01 10 11,信息量 在不考虑传输误差情况下，一个随机等概分布的M进制码元所包含的信息量： I log2(M) 比特 码元速率（符号速率、键控速率、数码率）： ？波特（Baud) 信息速率（比特率）： ？比特/秒（bits/s),基带传输过程,基带传输过程:发端滤波器、基带信道、噪声与干扰、收端滤波器、再生器 传输过程的畸变：干扰与噪声、波形失真 再生器的作用,什么叫眼图？ 如何观察眼图？ 眼图质量的几个重

51、要参数： 眼图开启度 眼皮厚度 交叉点发散度,比特差错率（BER） 各种叫法：误码率、误字率、码元差错率、比特差错率、符号差错率 发生差错的原因 差错的计算及测量 BER和Eb/N0的关系曲线,功率谱密度,定义,平稳随机过程的功率谱密度可以定义为自相关函数的傅里叶变换。 数字信息的抽象代码是平稳的随机序列，但映射成传输代码，却不是平稳的随机过程。 传输代码的自相关函数在一个码元内和时间起点有关，即： R(t1+kTs, t2+KTs)R(t1, t2) 并呈现周期性，称为广义周期平稳随机过程。,求出平均自相关函数： 其中: t=t1, =t2-t1。 对此进行傅里叶变换，得到平均的功率谱密度:

52、,计算方法之一,u(t)的自相关函数： Ru(t,t+) = E(u*(t)u(t+ ) 在一个周期中求平均： 进行傅里叶变换： 其中Gi(f)为gi(t)的傅里叶变换，Rik(l)为aim和ai(m+l)的互相关。,自相关函数法 多进制数字信号可以写成： 其中（a1n,a2n,aMn)是抽象代码In对应的随机变量组，gi(t), i=1,2,M是相应的波形集。设In是一个马尔可夫过程，其状态概率为pi，i=1,2,M，转移概率为pi,k(l), i或k=1,2,M,计算方法之一（续）,得到： 存在线谱和连续谱 线谱不存在的充分必要条件：,功率谱密度的一般表达式 特例：纯随机数字信号 转移概率

53、退化为状态概率 pik(l) = pk,计算方法之二,样本函数uT(t)的功率密度 对此随机过程进行统计平均 可以证明，,样本统计法 先证明可行性。 从随机过程u(t)中截取一段 取uT(t)的傅里叶变换 计算uT(t)的平均功率,计算方法之二(续）,特例：二进制随机数字信号 其中Ik是平稳、遍历、纯随机的二进制序列，以p1的概率取1，以p0的概率取0，p1+p0=1 从u(t)中截取(KTS,KTS)一段，分成二部分： u(t,T)=(t,T)+(t,T) 其中： (t,T)E(u(t,T) (t,T)=u(t,T)- (t,T),用样本统计法计算(t)的功率谱密度： 用样本统计法计算(t)

54、的功率谱密度： 讨论：线谱、连续谱,举例,单极性基带信号 波形集： g1(t)=g(t),概率1/2 g0(t)=0.概率1/2 功率谱密度： 讨论,双极性基带信号 波形集： g1(t)=g(t),概率1/2 g0(t)=g(t),概率1/2 功率谱密度： 如果g(t)为幅度等于A，码长为TS的非归零脉冲，则：,奈奎斯特准则,说明,奈奎斯特第一准则：抽样点无失真准则，或无码间串扰（ISI Free)准则 奈奎斯特第二准则：转换点无失真准则，或无抖动（Jitter Free）准则 奈奎斯特第三准则：波形面积无失真准则。,数字信号在传输过程中产生二种畸变：叠加干扰与噪声，出现波形失真。 瑞典科学家

55、哈利奈奎斯特在1928年为解决电报传输问题提出了数字波形在无噪声线性信道上传输时的无失真条件，称为奈奎斯特准则。,第一准则,理想低通滤波器频域响应,理想低通滤波器时域响应,第一准则（续）,第一准则的推广：升余弦滚降滤波器 左图为频域响应 为滚降系数 时域响应：,第二准则,第二准则表示在转换点无失真。 令传输信道的时域响应为h(t)，输入为冲激函数的随机序列，则满足第二准则的条件为：,第二准则（续）,满足第二准则的频域响应为 其中02fSt0，令t0=0，有：,第二准则（续）,同时满足第一准则和第二准则的滤波器 频域响应为1升余弦滚降特性的滤波器。 带宽为：(fS，fS ) 时域响应为1升余弦滚

56、降特性的滤波器。 时间为：(TS，TS ),满足第二准则的理想滤波器 频域响应 时域响应,第三准则,第三准则：波形面积无失真准则。 第n时隙的波形面积，只决定于该时隙码元的取值，而和其它时隙的码元无关。 可以证明：满足第三准则的滤波器，是一个对矩形脉冲的输出响应满足第一准则的滤波器。 关系如下：,第三准则（续）,第三准则滤波器的实用价值 由于一般的数字信号不可能是冲激响应，而是矩形脉冲，为了满足第一准则，实际上都需要采用第三准则滤波器。 有时把具有： 特性的滤波器称为网孔均衡器。,最佳检测准则,基带传输模型,HT (f),HR (f),+,u(t),v(t),n0 (t),在t=t0时刻对v(

57、t)抽样，得到： 其中n0是高斯噪声，均值为0，方差为 以上假定系统满足奈奎斯特第一准则。,抽样点信噪比,X0为抽样点信号变量，n0为抽样点噪声变量。当I0为双极性二进制码时，抽样点信噪比可以写成：,根据积分的施瓦兹不等式 有：,抽样点信噪比（续）,此式相等的条件： 这时抽样点信噪比取得最大值：,令：C01，t00， 有： 收发滤波器满足共轭相等条件。,共轭匹配,结论：基带信号在AWGN信道上实现最佳检测的条件是收发滤波器共轭匹配，这时抽样点的信噪比取得最大值，并等于归一化信噪比。,基带传输响应最佳化,基带传输的最佳响应是收发滤波器各为平方根奈奎斯特滤波器 收发滤波器响应：,比特差错率,说明,

58、比特差错率是数字信号传输的一项重要指标 下面讨论计算过程,计算时的假设 传输信道是AWGN信道 传输信道是线性信道 收发滤波器满足无码间串扰条件，并且共轭匹配,双极性二进制码,接收端抽样点的电压 v0=x0+n0 服从高斯分布，均值为h0，h0，方差为n2 v0的条件概率密度函数如上图所示 判决规则 误判区,计算平均比特差错率,单极性二进制码,计算过程同双极性二进制码,计算结果： 讨论,存在码间串扰,存在码间串扰时的比特差错率 定义码间串扰量 = h(t0-Ts) =h(t0+Ts) 比特差错率表达式 其中：h02/ n2为抽样点信噪比， /h0为相对码间串扰量,第五讲,载波传输 引言 复包络分析法 多相移相键控 正交移幅键控 连续相位移频键控 载波同步 时钟同步,引 言,引言（1）,模拟调制和数字调制 以正弦波为载波的调制（无论是模拟