6章现代无线通信与微波技术基础.ppt

1、2020/10/10,1,电磁场与电磁波,6章 现代无线通信与微波技术基础,云南大学信息学院 宗容2020/10/10,2,本章重点,电磁波传输的计算、衰落及对策； 现代无线通信信号处理的理论及应用； 全面了解现代无线通信与微波技术应用，为今后进行交叉学科和新兴边缘学科研究打下良好的基础。,2020/10/10,3,本章难点,电磁波传输的衰落 无线通信信号处理的理论及技术 微波技术在通信及非通信领域的应用,2020/10/10,4,本章内容,6.1 现代无线通信信号处理技术(教学时数3) 6.1.1 电磁波传输 6.1.2 电磁波传输的衰落及对策 6.1.3 无线通信

2、信号处理技术 6.2 微波技术基础（教学时数2） 6.2.1 微波传感器 6.2.2 微波化学 6.2.3 微波加热 6.2.4 现代微波工程,2020/10/10,5,第四章 现代无线通信信号处理技术 4.1无线信道的特点 4.1.1 无线信道的主要特点 4.1.2 移动无线信道 4.1.3 现代无线通信信号处理技术 4.2噪声与干扰 4.2.1噪声的分类和来源 4.2.2信噪比和噪声系数 4.2.3噪声系数的计算 4.2.4无线电通信的干扰 4.3自适应均衡技术 4.3.1 Nyquist准则和部分响应技术 4.3.2 时域均衡器 4.3.3 自适应均衡技术 4.4 多用户检测技术 1.C

3、DMA的基本原理 2.扩频通信 3.多用户检测技术 4.5 无线宽带通信信号处理技术 4.5.1无线宽带通信技术 4.5.2智能天线 4.5.3软件无线电 （2）频率调制 （3）相位调制 4.6电磁兼容分析 4.6.1电磁兼容的定义及实施 4.6.2 无线电通信系统中的EMC技术 4.6.3 无线电通信系统中的EMC标准,2020/10/10,6,6.1 现代无线通信信号处理技术,近20年来，随着现代无线通信技术的发展, 人们希望通过无线方式高速率、高质量地传输信息。 由于无线信道是开放时变信道，极易受多径干扰、多址干扰和噪声等的影响。 要利用好无线信道，必需针对无线信道的弱点研发新的信号处理

4、技术 本章首先介绍无线信道的特点、噪声与无线电通信干扰， 然后介绍自适应均衡技术、多用户检测技术和宽带无线通信信号处理技术，最后讨论无线通信系统中的电磁兼容技术。,6.1.1 电磁波传输,2020/10/10,7,无线电波传播,频率从几十赫兹到3000GHz频谱范围的电磁波称为无线电波。发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，在媒质(如地表、地球大气层或宇宙空间等)中的传播过程就称为无线电波传播。 根据不同频段的电波在媒质中传播的物理过程，可将电波传播方式分类为： (1)地波传播 (2)对流层电波传播(视距、散射传播) (3)电离层电波传播(反射、散射、流星电离余迹散射传播) (4)地电离层波导

5、传播 (5)外大气层及行星际空间电波传播,2020/10/10,8,无线电波传播,(1)地波传播无线电波沿地球表面的传播。 主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率和时间信号的广播、对潜通信等业务。 传播特点： 传输损耗小、作用距离远；受电离层扰动影响小，传播情况稳定；有较强的穿透海水及土壤的能力；但大气噪声电平高，工作频带窄,2020/10/10,9,(2)对流层电波传播。无线电波在低空大气层对流层中的传播就称为对流层电波传播。按传播机制区分，又可分为视距传播和散射传播两种。 1)视距传播。当收、发天线架设高度较高(远大于波长)，电波直接从发射天线传播至接收点(有时有反射波到达)，亦称

6、为直射波传播。主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。其主要传播特点是：传播距离限于视线距离以内，一般为10 50km；频率愈高受地形地物影响愈大；微波衰落现象严重；10GHz以上电波，大气吸收及雨衰减严重。,2020/10/10,10,2)散射传播。利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用，实现超视距传播，常用频段为200MHz5GHz。由于散射波相当微弱，传输损耗大，需使用大功率发射机、高灵敏度接收机及高增益天线等设备，但单跳跨距可达300800km，特别适用于无法建立微波中继站的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地区。,2020/10/10,11,(3)

7、电离层电波传播。无线电波经电离层反射或散射后到达接收点的一种传播方式。依传播机制又可分为： 1)电离层反射传播，通常称为天波传播。主要用于中、短波远距离广播、通信，船岸间航海移动通信，飞机地面问航空移动通信等业务。其传播特点是：传播损耗小，能以较小功率进行远距离传播；衰落现象严重；短波传播受电离层扰动影响大。 2)电离层散射传播。利用电离层(通常发生在离地面高度90110km处)中电子浓度不均匀性对电波的散射作用完成远距离通信。常用的频段为3570MHz。其主要传播特点是：传输损耗大；允许传输频带窄，一般为35kHz；衰落现象明显。但单跳跨距可达10002000km 。特别是当电离层受到骚扰时

8、，仍可保持通信。,2020/10/10,12,3)流星电离余迹散射传播。利用发生在80120km处流星电离余迹对电波的散射作用，实现2000km内的远距离传播。常用频段为3070MHz。由于流星电离余迹持续时间短，但出现频繁，可利用它建立瞬间通信，在军事上应用较多。 (4)地-电离层波导传播。电波在以地球表面及电离层下缘为界的地壳形空间内传播。 主要用于低频、甚低频远距离通信及标准频率和时间信号的传播。其主要传播特点是：传输损耗小，受电离层扰动影响小，传播相位稳定，有良好的可预测性，但大气噪声电平高，工作频带窄。,2020/10/10,13,(5)外大气层及行星际空间电波传播。电波传播的空间主

9、要是在外大气层或行星际空间，并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或天体为对象，在地一空或空一空之间传播。目前主要用于卫星通信、宇宙通信及无线电探测、遥控等业务中。其传播的主要特点是：因距离远，自由空间传输损耗大，在地一空电路中要受对流层、电离层、地球磁场以及来自宇宙空间的各种辐射波和高速粒子的影响，例加10GHz以上的电波大气吸收和降雨衰减严重。,2020/10/10,14,以上介绍了几种主要的电波传播方式，实际工作中往往取其一种作为主要的电波传播途径，在某些条件下可能几种传播方式并存。例如中波广播业务，某些地区既可收到经电离层反射的天波信号，同时又可收到沿地表传播的地波信号。通常是根据不同频段电波

10、传播的特点，利用天线的方向性来限定一种主要的传播方式。 在利用电波传递信息，完成无线电通信、广播电视、导航、遥控遥测、雷达等业务中，掌握电波传播的特点及其规律，以及进行必要的传输特性的估算(传输损耗、干扰信号及噪声电平、衰落、时延、交叉极化特性等)，是研究各种无线电信道特性和正确论证、设计、组织使用各种无线电系统的重要依据。 从实用观点考虑，为使读者能对各频段的电波传播方式建立起明确的概念，本章将介绍几种常用的电波传播方式，并结合其适用的频段，讨论其传播特点及规律，并简要介绍场强计算的一般方法。,2020/10/10,15,2020/10/10,16,2020/10/10,17,2020/10

11、/10,18,2020/10/10,19,各种通信基站的高度,2020/10/10,20,平流层飞艇通信系统概念模型,2020/10/10,21,临近空间（20Km-100Km）飞行器技术的发展，各种新的应用模式被提出，与卫星通信相比，临近空间飞行器可提供更多、更精彩的信息。 例如，美军对通信气球的效果进行了实战测试，结果表明，临近空间通信气球可使手提式电台的通信距离从原来的1024Km增加到643Km左右； 2003年初，美国空军空间作战实验室和空间作战中心联合研制了一种半自动的轻于空气的“近太空机动飞艇计划”，原型机由美国JP航宇公司制造，并被命名为“攀登者”。 2005年“高空哨兵”平流

12、层卫星进行了初步演示试验。,2020/10/10,22,平流层飞艇通信系统可用于下列业务,（1）高密度通信：高速Internet接入，它能提高移动通信接通率，降低建设周期和投资，减少电磁污染和基站选址困难，降低“远近效应”，有利于高效率CDMA制式使用； （2）山区或荒漠地区通信：离散小区，接入不连续蜂窝小区分布，方便崇山峻岭。地形复杂、交通不便用户群体。例如：山区城镇，重大建设工程，大型矿山和油田； （3）救灾应急通信：有100Km/s机动速度和稳定常驻能力，集信息获取、处理、分配、传输于一体。例如：用于大型现场密集信息系统有如在涉地千里的要害地区正上空悬挂一个无阴影的信息灯；,2020/1

13、0/10,23,平流层飞艇通信系统可用于下列业务,（4）军事通信：多方位密集信息用户群的高速机动性，集雷达、通信、指挥控制于一体，远距离、高精度、长期不间断监视有如一只永不停息的千里眼； （5）干线通信：高容量长距离干线传输，较好的传播条件，毫米波、大气激光的高容量承载能力，远距离节点接力传输，与地面高速公路对应的空中高速公路； （6）综合利用：通信、广播、探测、监视应用综合（如三峡工程），军、警、民应用的综合（如沿海、边境地区），通信、保安、交通管制应用综合（如大城市），长期、短期、突发事件应用综合（如减灾、救灾应用）。,2020/10/10,24,无线信道的特点,有线信道可建模为加性高斯白

14、噪声（AGWN）和线性滤波器信道（Linear Filter Channel），信号通过有线信道后的接收信号分别为 (无限带宽理想信道) (有限带宽恒参信道) 上式中，是信道的衰减因子；h(t)是信道的冲激响应。有线信道是封闭信道。,2020/10/10,25,无线信道的特点,无线信道可建模为线性时变滤波器信道（Linear Time-Variant Filter Channel），信号通过无线信道后的接收信号为 对多径信道 无线信道的主要特点是: 开放信道，极易受干扰和噪声的影响； 无线信道接收点地理环境复杂，多样； 无线通信用户可能慢速步行，亦可能高速运动。,2020/10/10,26,6

15、.1.2 电磁波传输的衰落及对策,移动通信中，移动点接收到的无线电波功率为 上式中，d-n是无线电波的路径损失指数；路径损失指数描述大尺度区间（数百米）接收功率随距离d的变化特性. s(d)是由于无线电波传播路径上受到障碍物阻塞而引起的慢衰落；慢衰落描述中等尺度（数百个波长）范围内接收中值电平的慢变化特性。 R(d)是由于多径、多普勒效应和接收天线的空间选择性引起的快衰落。快衰落描述小尺寸区间（数个波长）范围内接收功率瞬时值的快变化特性。,2020/10/10,27,表1 不同环境下的路径损失指数,表2 1.8GHz蜂窝式移动通信中典型环境下的扩展值,2020/10/10,28,理论分析表明：

16、时延扩展的均值与相干带宽BC的关系为BC=1/2。 多普勒扩展FS与相关时间的关系为FS1/TC，若同时考虑时延扩展和多普勒扩展，信道特性可建模为 上式中，S(; v)被称为散射函数(Scattering Function)。 若对某一市区，查得以上三类扩展分别为FS=120Hz，=5s，=20，则BC=1/=200KHz，TC=1/FS=83s，RC=/4=360/2(20)=3。 可见为了克服以上三类扩展，可分别采用不同的技术手段。克服空间选择性衰落可采用空间分集手段，但是分集接收机间的距离应大于3；克服频率选择性衰落可采用Rake接收方式，但是在设计Rake接收时，其频率相关区间一定要大

17、于200KHz，才有多径分集效果；克服时间选择性衰落可采用信道交织技术，但交织区间一定要大于83s。,2020/10/10,29,6.1.3 无线通信信号处理技术,现代通信中，针对不同的信道特性，提出了不同的信号处理技术。 （1）信道宽带无限，信道仅受噪声的影响，这时可采用相关接收机或匹配滤波器技术； （2） 若在信道带宽B内， =常数， =常数，则称信道为理想信道.反之，称为非理想信道。 对h（f）一定的信道，可通过信号设计来消除符号间干扰ISI（Intersymbol Interference）。例如，可采用无符号干扰的带限信号设计准则（Nyquist）和具有受控ISI的带限信号设计准则（

18、部分响应技术）；,2020/10/10,30,（3）若信道存在失真和噪声，且h（f）未知，则ISI是导致误码率Pe增加的主要原因。解决方案是设计一种能补偿或减少接收信号中ISI的电路（均衡器）。例如，MLSE接收（Maximum Likelihood Sequence Estimation）、线性均匀器、判决反馈均衡器。若信道特性是时变的，信道响应随时间变化，则要求均衡器能够自动调节抽头系数（自适应均衡器）。 （4）在蜂窝移动通信系统中，多址干扰（或多用户干扰或同信道干扰）是导致误码率Pe增加的主要原因，解决办法是多用户检测器（多用户检测理论）。 （5）如果希望能够根据信号和干扰环境自动调节天

19、线阵的空间辐射特性，这对减少多用户干扰和解调期望的信号是有利的，这种技术就是智能天线。,2020/10/10,31,（6）无线通信中同时存在码间干扰ISI和同信道干扰，均衡技术可以补偿码间干扰，但不能抑制同信道干扰，多用户检测可以抑制同信道干扰，但不能补偿码间干扰，空时二维处理可同时抑制这两种干扰。 （7）空时编码（Space-Time Coding）使用多个发射天线和接收天线，在不同无线发射信号间引入时域和空域相关，接收端进行分集接收，可获得更高的编码增益，提高无线通信系统的容量。 （8）超宽无线电技术发射具有宽带频谱的超低功率无载波脉冲，脉冲宽度为10ns1ns。采用脉冲位置调制方式，具有

20、抗多径、抗干扰、辐射功率极低、通信容量大和穿透能力强等优点。,2020/10/10,32,综上所述，由于无线信道中存在各种衰落、码间干扰和多用户干扰，人们采取各种技术手段来消除它们的影响。 例如，功率控制技术抗慢衰落和远近效应；信道交织技术抗时间选择性衰落；Rake接收技术抗频率选择性衰落；分集接收和分集发射抗空间选择性衰落；均衡技术和多载波技术抗码间干扰；智能天线抗多用户干扰，并有利于有用信号解调；多用户检测抗多用户干扰；空时二维处理抗码间干扰和多用户干扰；信道编码抗差错；软件无线电能解决多频段、多体制、多媒体统一化综合终端的设计。 详细介绍上述技术超出了本节的范围，本节仅介绍自适应均衡技术

21、、多用户检测技术、超宽无线电技术、智能天线和软件无线电技术。,2020/10/10,33,6.2 噪声与干扰,1噪声的分类和来源 在通信系统中，除去所需要的有用信号和干扰外，其余电信号均为噪声。 由于噪声是影响通信系统性能的重要因素，所以了解各类噪声的特性、产生原因及降低噪声的方法十分重要。 噪声对信号的影响可分为两大类： 一类是叠加在信号上面传输的，因此称之为加性噪声。加性噪声与信道内传输的信号存在着相加的关系；加性噪声是独立存在的，与信道内有无信号无关；加性噪声源于人为噪声、自然噪声和内部噪声。 另一类是乘性噪声。设信道的输入信号为ui（t），输出总信号为u0（t），则。 上式中，n（t）

22、为加性噪声；k（t）表示信道特性不理想，对所传输的输入信号的乘性作用。乘性噪声与加性噪声不同，加性噪声始终存在，而乘性噪声随信号的消失而消失。人们对乘性噪声的研究很少。,2020/10/10,34,人为噪声来源于其它无关的信号源。例如，各种用途的无线电发射机和各种电气设备（如电力线、汽车点火系统、电车、电源开关、变压器和高频电炉等）。自然噪声来源于雷电、磁暴、太阳黑子和宇宙射线等。 内部噪声来源于设备本身所产生的噪声。例如，电阻等电子器件分子的热运动产生的热噪声和电子器件内部载流子的起伏变化所引起的散弹噪声等。其中，热噪声的噪声功率谱密度正比于温度、与频率无关，又称为白噪声。内部噪声波形是不规

23、则变化的，又称起伏噪声或随机噪声。随机噪声是无法避免的，其波形不能准确预测。 噪声按性质可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。 单频噪声主要指无线电干扰，这种噪声的主要特点是占有极窄的频带，可采取适当措施防止。脉冲噪声可由工业中的电火花、断续电流和闪光等引起，波形呈脉冲形式，持续时间短，强度大，随机出现。通过选择工作频段可减弱脉冲噪声的影响。起伏噪声来源于热噪声、散弹噪声和宇宙噪声，它们都是不规则的随机过程，对通信的影响是最基本的,2020/10/10,35,2 信噪比和噪声系数,噪声对信号传输的影响可用信噪比来衡量。信噪比是传输过程中同一点上信号功率与噪声功率之比 上式中，Ps为信号功率；Pn

24、为噪声功率。信噪比越大，信号质量越好。由于噪声源在传输过程中处处都存在，信号不断地有新噪声叠加上去，使得信噪比不断恶化。此时，采用放大信号功率的方法，由于噪声也被同时放大，因而不能改善信噪比。要改善信噪比只有千方百计减小噪声。例如，采用低噪声元件、低噪声放大器、做好阻抗匹配、隔离、滤波、屏蔽和接地等。 为了衡量信号和噪声通过线性网络后信噪比的变化，可引入噪声系数的概念。噪声系数NF定义为四端口网络输入端信噪比与输出端信噪比之比,2020/10/10,36,3 无线电通信的干扰,无线电干扰指在射频（9KHz3000GHz）频段内，可能对有用信号造成损坏的无用信号或电磁骚扰。它可能引起无线电通信系

25、统的接收性能下降、误码或信息丢失。当干扰危害正常开展的无线电业务时，这种干扰称为有害干扰。 无线电干扰通常按干扰的性质分为人为干扰和自然干扰。 自然干扰来源于太阳干扰、宇宙干扰和天电干扰等，是不可控制的。 人为干扰又可细分为无线电设备干扰和非无线电设备干扰. 非无线电设备干扰包括工业、科研、医疗等电器设备干扰和电力线干扰等，为防止其对无线电设备产生有害干扰，国家标准中已规定了其使用频率和辐射允许值的大小。 无线电设备干扰是无线电通信的主要干扰，下面主要介绍同频干扰和交互调干扰。,2020/10/10,37,1. 同频干扰,同频干扰类型很多，下面简单介绍三种可能存在同频干扰的情况： (1) 外来

26、干扰频率接近或等于接收的射频频率，经混频后落入接收机中频而引起的干扰，亦称为同信道干扰。 (2) 外来干扰频率fn作用到混频器输入端，它与本振信号频率fL满足时，干扰信号进入接收机中频而引起的干扰, 亦称为邻信道干扰。 (3) 进入混频器的信号fs、本振fL、它们的各次谐波及和差频中的某些分量接近或等于接收机中频时引起的干扰, 亦称组合频率干扰。,2020/10/10,38,2. 同信道干扰,频率复用是引起同信道干扰的原因。例如，C波段卫星与地面微波站间可能存在同频干扰。蜂窝移动通信系统中，同频率组小区间存在同信道干扰。对于六边形蜂窝移动通信系统，若每个小区的大小都差不多，基站发射功率也相同，

27、则同频信号干扰比例与基站发射功率无关，而是小区半径R和相距最近的同频小区的中心距离D的函数。当路径衰减指数n=4时，信干比为 上式中，N为簇大小。当N=3、7、12时，S/I8dB、17.3dB、22.5dB。 蜂窝移动通信系统的性能主要受同信道干扰限制，为了减小同信道干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小距离。一般选N=7，即可为无线电波传播提供足够的隔离。,2020/10/10,39,3. 邻信道干扰,邻信道干扰主要分为中频干扰、镜频干扰和邻信道组合干扰。 当干扰信号频率fn=fi时，如果接收机输入回路选择性不好，该干扰信号进入变频器，并被放大产生中频干扰。对中频干扰的抑制方法主要是提高变

28、频器前面电路的选择性，增强对中频信号的抑制或设置中频陷波器。 当m=n=1时，fn=fL+fi=fs+2fi，相应的干扰电台频率等于本振频率fL与中频fi之和。如果接收机采用高中频方案，有用信号频率fs比本振频率fL低一个中频频率fi。若将fL所在位置比作一面镜子，则fn与fs分别位于fL的两侧，且距离相等，互为镜像，故称为镜频干扰。抑制镜频干扰的方法是提高变频器前面各级电路的选择性和提高中频频率fi。由于fi提高，fs与fn之间的频率间隙2fi加大，有利于对fn的抑制。,2020/10/10,40,邻信道干扰,除上述两种情况外，m1，n1出现的干扰均称为邻信道组合干扰。例如m=n=2，2fn

29、=2fLfi。因为2fn-2fL=2fn-2（fs+fi）=fi，所以，若存在如下两种频率fn1=fs+fi/2和fn2=fs+3fi/2，将可能产生邻信道组合干扰。当干扰信号进入变频器时，这些干扰信号与本振信号对应的谐波频率构成和频、差频，形成一系列干扰源。例如，fs=660KHz，fL=1125KHz时，对应的二次组合干扰频率为fn1=892.5KHz，fn2=1357.5KHz。对应的三次组合（m=n=3）干扰频率为fn1=970KHz，fn2=1280KHz，这些频率成分都可能由变频器对应的谐波转换成中频频率。,2020/10/10,41,4. 组合频率干扰,由于变频器使用的是非线性器

30、件，而且工作在非线性状态。变频管的电流中不仅含有直流分量、信号频率和本振频率成分，还含有信号和本振频率的各次谐波，以及它们的和频、差频等组合频率分量，即含有mfLnfn分量。当这些组合频率分量中的某些分量等于或接近中频时，就能进入中频放大器，经检波器输出产生对有用信号的干扰。 若fLfi，则mfL-nfsfi。例如，fL=1396KHz，fs=931KHz，fi=fL-fs=465KHz，2fs-fL=466KHz。显然，这个差频能被中频放大器放大，并与标准中频同时加入到检波器。由于检波器也是非线性元件，故有466-465=1KHz的低频信号通过低频放大器产生啸叫，干扰正常通信。减弱组合频率干

31、扰的方法有：适当选择变频电路的工作点；输入信号不能太大；选择合适的中频，使其远离在变频过程中可能产生的组合频率。,2020/10/10,42,5. 交调和互调干扰,当加在接收机输入端放大器上的电压除有用信号外，同时还伴有一个或多个干扰信号时，由于器件的非线性，将引起多个信号间的相互作用而造成干扰。,2020/10/10,43,6.3 自适应均衡技术,1.Nyquist准则和部分响应技术 2.时域均衡器 3.自适应均衡技术 若信道特性是未知的或信道响应随时间变化，则应通过自动调节抽头增益，适应信道的变化，达到均衡器性能指标最优的目的。能够自动调节抽头增益的均衡技术称自适应均衡技术。 下面简单介绍

32、能够自动调节抽头增益的两种方案。 若在发端周期性地发射训练序列，收端利用最小峰值失真准则周期性地计算出最佳抽头增益，保证均衡器性能指标最优，则可以减少或消除码间干扰。 发端周期性地发射训练序列，降低了信道的有效性，这一问题在TDMA系统中尤其严重，克服办法是盲均衡。盲均衡主要利用发射信号的调制方式、脉冲成形函数和字符的星座图等信息，通过相关算法调节抽头增益，减少或消除码间干扰。例如，恒模算法利用通信信号包络恒定的信息；有限字符算法利用星座图上的信号空间点有限的信息；非高斯性算法利用高阶统计量估计非最小相位信道；循环平稳性算法利用以1/T采样的通信信号是广义平稳的，而时间过采样或空间过采样得到的

33、通信信号具有循环平稳性。详细讨论自适应均衡技术的各种算法可参阅相关文献。,2020/10/10,44,6.4 多用户检测技术,多用户共用无线信道传输是无线电通信的基础。FDMA用频率区分不同用户；TDMA用时隙区分不同用户；CDMA用伪随机码序列区分不同用户。 多用户检测技术能抗多址干扰和多径干扰，其核心技术是多用户检测器。 图4.13是多用户检测器的一般结构。图4.13a是传统的单用户检测接收机。它将多址干扰和多径干扰等效为加性高斯白噪声来处理，这是一种消极的处理方式；图4.13b是充分利用已知伪随机码结构信息与统计信息联合检测的多用户接收机；图4.13c和4.13d是考虑了无线信道多径特点

34、的多径多用户最佳接收机结构，在图4.13c中, 多径合并放在多用户检测之前，在图4.13d中, 多径合并放在多用户检测之后。,2020/10/10,45,a传统的单用户检测接收机 b联合检测的多用户接收机,c 、d多径多用户最佳接收机结构,2020/10/10,46,多用户检测的主要优点是：消除或减弱多址干扰的有效手段；消除或减弱多径干扰的有效手段；消除和减弱远近效应的有效手段；改善系统性能、提高系统容量和增大小区覆盖范围的有效手段。主要缺点是：增加了延时和设备复杂性。 多用户检测器分为最优检测器（最大似然MLSD检测器）和准优型多用户检测器。 准优型多用户检测器又分为线性多用户检测和非线性多

35、用户检测。 线性多用户检测器又分为非自适应型多用户检测器和自适应型多用户检测器。 非线性多用户检测器又分为干扰抵消型、序列检测、分组检测和基于神经网络的多用户检测等。 多用户检测技术的发展方向是各种组合优化技术。例如，空时二维信号处理技术、多用户检测与多载波调制相结合的技术、多用户检测与信道编码相结合的技术和多用户检测与功率控制相结合的技术等。,2020/10/10,47,6.5 无线宽带通信信号处理技术,第一代无线通信系统的技术特征是模拟通信，信号处理方式为模拟信号处理； 第二代无线通信系统的技术特征是数字通信，信号处理方式为统计信号处理，并且主要是一维时域处理； 第三代无线通信系统的技术特

36、征是二维处理，例如，3G的无线接口标准是：IMT-DS(Direct Spread) 、IMT-MC(Multi Carrier)、IMT-TD(Time-Code)、IMT-SC(Single Carrier)和IMT-FT(Frequency-Time)。CDMA、多载波、时频和频时二维处理是其主要技术特征 3G技术达到的最高传输速率是：高速运动144kb/s、步行速率384kb/s和室内环境2Mb/s。要达到更高的无线传输速率，必需采用新的无线通信信号处理技术，例如，三维处理和超宽无线电技术空时编码、时频处理、空时频三维处理和超宽无线电。,2020/10/10,48,6.2 微波技术基础

37、,6.2.1 微波传感器 6.2.2 微波化学 6.2.3 微波加热 6.2.4 现代微波工程,2020/10/10,49,微波是波长很短（1m1mm）、频率很高 (300MHz300GHz)的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。 微波具有以下特点： (1)定向辐射的装置容易制造； (2)遇到各种障碍物易于反射； (3)绕射能力较差； (4)传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等的影响很小； (5)介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。,微波特点,2020/10/10,50,6.2.1 微波传感器,微波传感器是利用微波特性来检测一些物理

38、量的器件。 原理： 由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。 分类：1）反射式 ；2）遮断式 组成：主要是微波振荡器和微波天线。 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高(300MHz300GHz) ，要求振荡回路非常小的电感和电容，因此，不能用普通晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。小型微波振荡器也可以采用体效应管。,2020/10/10,51,由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10cm 以

39、上可用同轴线)传输，并通过天线发射出去，为了使发射 的微波信号具有一致的方向性，天线应具有特殊的结构和形 状。常用的天线有喇叭形天线和抛物面天线等。图6-1示 出几种形式的微波天线。,微波天线,图6-1 微波天线,2020/10/10,52,1反射式传感器 这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。 2遮断式传感器 这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等。,微波传感器分类,2020/10/10,53,2020/10/10,54,1微波液位计 图6-2为微波液位检测示意图，相距为S的发射

40、天线和 接收天线间构成一定的角度。波长为入的微波从被测液位反 射后进人接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的 高低不同而异。,微波传感器的应用,图6-2 微波液位计示意图,2020/10/10,55,接收天线接收的功率Pr，可表示为 （6.2-1） 式中，d两天线与被测液面间的垂直距离；Pi、 Gi发射天线发射的功率和增益；Gr接收天线的 增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测 得接收功率Pr，就可获得被测液面的高度d。,1微波液位计,2020/10/10,56,图6-3为微波开关式物位计示意图。当被测物位较低 时，发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大 器、比较器后发出正

41、常工作信号。当被测物位升高到天线所 在的高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接 收到的功率相应减弱，经放 大器、比较器就可给出被测 物位高出设定物位的信号。,2微波物位计,图6-3 微波开关式物位计示意图,2020/10/10,57,当被测物低于设定物位时，接收天线接收到的功率P0为 (6.2-2) 被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率Pr 为 (6.2-3) 式中，由被测物形状、材料性质、电磁性能及高度所决 定的系数。,微波物位计,2020/10/10,58,水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分 布在物质中。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当 微波场中

42、有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断 从电场中得到能量(储能)，又不断释放能量(放能)，前者表 现为微波信号的相移，后者表现为微波的衰减。这种特性可 用水分子自身的介电常数来表征，即 （6.2-4） 式中，储能的度量；衰减的度量；常数。 与不仅与材料有关，还与测试信号频率有关，所有极 性分子均有此特性，一般干燥的物体，如木材、皮革、谷 物、纸张、塑料等，其在15范围内，而水的则高达64。,3微波湿度(水份)传感器,2020/10/10,59,图6-4是测量酒精含水量的仪器框图，其中MS产生的 微波功率经分功器分成二路，再经衰减器A1、A2分别注入 到两个完全相同的转换器T1、T2中。其

43、中T1放置无水酒 精，T2放置被测酒精样品。相位与衰减测定仪(PT、AT)分 别反复接通两路(T1、T2)输出，自动记录和显示它们之间的 相位差与衰减差，从而确定出样品酒精的含水量。,微波湿度(水份)传感器,图6-4 洒精含水量测量仪框图,2020/10/10,60,微波测厚度原理如图6-5所示。这种测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。,4微波测厚仪,图6-5 微波测厚仪原理图,2020/10/10,61,采用微波自动平衡电桥法。微波传输行程作为测量臂， 而完全模拟测量臂微波行程设置一参考臂(图13-15右部) ， 利用补偿位移去平

44、衡被测金属片的厚度。补偿短路器的位移 与被测物厚度增加量之间的关系为 S=LB(LALA)=LB(LAh)= h （6.2-4） 式中，LA电桥平衡时测量臂行程长度；LB电桥平衡时 参考臂行程长度；LA被测物厚度变化h后引起测量臂 行程变化值；h被测物厚度变化值；S补偿短路 器位移值。 由上式可知，补偿短路器位移值S即为被测物厚度变化 值h。,微波测厚度原理,2020/10/10,62,6.2.2 微波化学,分析化学中的微波制样技术 一 微波制样技术概述 二 微波加热制样的基础理论 三 微波消解法的应用,2020/10/10,63,溶样是分析化学中最普通的操作步骤之一 ，因为大多数的分析技术需

45、要样品以液体状态进行。 尽管样品溶解既重要又广泛应用，但大多数常用的样品消解方法不仅时间长而且劳动强度大，且在这些方法中，多数要采用象高氯酸那些对实验室工作人员有潜在危险的酸消解方法。 而微波制样技术则是更加先进和现代化的制样技术，它的优点包括以下几个方面 1 可获得在密闭容器内的高温，高压导致的更快的反应速度 2 能消除样品中存在的或在溶样过程中形成的挥发性分子组 分中难以控制的痕量元素的损失 3 可以得到相对开口烧杯溶样较低的空白值。,2020/10/10,64,微波是电磁能，微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能，但分子结构不变。微波最常用的频率是2450MHz，

46、这是大多数家用微波炉的应用频率。 用微波加热样品的加热方式部分的取决于样品的介质耗散因子。耗散因子是样品的介质损失与样品的介电常数的比值；介电常数是样品阻止微波能通过的能力的量度，损失因子是样品耗散微波能量的量度。当微波能进入样品时，样品的耗散因子决定了样品吸收能量的速率。 在分析样品用量较少时，微波能可以完全穿透样品加热所有的样品液体，从而溶液能很快达到沸点。,2020/10/10,65,微波消解用开口回流容器植物，生物和食品样品的元素分析 微波消解法在药物工业方面的应用 生物样品的微波消解用电热原子吸收光谱法进行硒的分析 微波消解法在测定凯氏氮中的应用,2020/10/10,66,凯氏定氮

47、法是最常用来测定氮含量的一种方法，其主要包括以下三步： 1 用浓硫酸和添加物（氧化剂，催化剂及盐类的不同组合）消解使有机氮转变成铵盐。 2 在碱性溶液中使铵盐分解成可以定量蒸出和回收的NH3。 3 用标准酸滴定法测定NH3。 消解的困难来自氧化过程的两个相反目标：一定要将碳氧化成其最高价态，二氧化碳；同时，氮一定要以氮的最低价态铵离子形式保留下来。,2020/10/10,67,常规凯氏消解法 传统凯氏消解法需要把样品，催化剂，盐和硫酸一起加到反应容器里，然后加热60120min。多数情况下，凯氏消解的成功取决于消解期间溶液的温度，一般而言，主要含杂环或芳香氨的样品要比主要含脂肪族氨的样品需要更

48、高的消解温度。 浓硫酸在约330。C沸腾，所以为了达到高于此的温度，需要把盐（通常为硫酸钾）加到酸中提高酸的沸点。消解期间达到的温度依赖于酸与盐的比例（酸指数）。酸指数越低，消解混合物的最终温度越高。因此，由于酸被挥发，酸指数降低所导致的温度超过400 。C，将会使氮的损失和回收率降低。,2020/10/10,68,微波凯氏消解法 微波能以光速传播，并可透过玻璃和石英容器壁，因而迅速被整个酸样品混合物所吸收。硫酸吸收微波能的能力很强，所以可迅速的被加热。在微波加热期间，消解混合物的温度可在2min内上升到360 。C，在总共4min内达到400 。C。由于冷却速率恒定，所以微波消解期间酸会稍稍

49、过热，一旦温度达到400 。C，微波电源即被切断。这里不存在可把热转移到样品上的热质，因此加热会马上停止而温度也就不会超过400 。C。 相比较而言，用微波加热法制样，可非常快的达到最佳消解温度，并保持足够长的时间以达到完全消解，且溶液可以立刻冷却以避免氮损失。 此外还有一些不单单是速度方面的优势。通过温度反馈装置控制消解温度，便会改进消解精密度；而把微波加热和微处理控制的卡罗酸加入结合起来以完成凯氏消解，便可以不用催化剂，从而避免使用催化剂而形成有害的废料。,2020/10/10,69,6.2.3 微波加热,1、微波加热原理 微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在300300 000MHz

50、(相应的波长为10001cm)在300MHz至300GHz之间它具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性 微波量子的能量为1 99l0 -25 19910-22j它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。,2020/10/10,70,1、微波加热原理,微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。 微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。 生物体的非热特性生物效应是微波的重要特性之一，它已成为医学、细胞学等方面研究的

51、一个重要方面，同时它也能为微波理疗或微波手术等方面提供理论依据 随着人们对微波加热技术认识的深入，它已引起了许多科学工作者的关注，并在一些方面进行了深入而广泛的研究。,2020/10/10,71,2、微波的特性,1. 选择性加热 物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。 物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比

52、水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。 2. 穿透性 微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。 3. 热惯性小 微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。,2020/10/10,72,3、微波的生物效应

53、机制,当微波作用于生物体时，在生物控制系统的作用和调节下，生物体必然要建立新的平衡状态以适应外界电磁环境条件的变化，因此也就必然产生某些生物效应 微波的生物效应主要是由微波的热效应，其次是非热效应所引起的 。,2020/10/10,73,3.1 微波的热效应,微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响 热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加 如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量(热

54、量)散发至全身或体外 如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等,2020/10/10,74,微波的加热优点,微波自身的特性决定了微波具有以下优点: (1)加热迅速，均匀。不需热传导过程，且具有自动热平稳性能，避免过热。 (2)加热质量高，营养破坏少，能最大限度的保持食物的色、香，味，减少食物中维生素的破坏。 (3)安全卫生无污染，对食品的杀菌能力强.因为微波能是控制在金属制成的加热室内和波导管中工作，所以

55、微波泄露被有效的抑制，没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染。既不污染食物，也不污染环境。微波杀菌除了热效应之外还有生物效应，许多病菌在微波加热不到100时就全部被杀死。,2020/10/10,75,微波的加热优点,(4)节能高效。由于含有水分的物质极易直接吸收微波而发热，没有经过其他中间转换环节，因此除少量的传输损耗外几乎无其他损耗。比一般常规加热省电约30%-50%。 (5)具有快速解冻功能。在微波场中，冻结食品在从内到外同时吸收微波能量，使冻结食品整体发热，容易形成整体均一的解冻，缩短解冻时间，迅速越过一50C - 0这个易发生蛋白质变性、食品变色变味的温度带，以保持食品的品

56、质不致下降。,2020/10/10,76,3.2 微波的非热效应,微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化学效应等 在微波电磁场的作用下，生物体内的一些分子将会产生变形和振动，使细胞膜功能受到影响，使细胞膜内外液体的电状况发生变化，引起生物作用的改变，进而可影响中枢神经系统等 微波干扰生物电(如心电、脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等)的节律，会导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活动等一系列障碍 对微波的非热效应，人们还了解的不很多当生物体受强功率微波照射时，热效应是主要的(一般认为，功率密度在在10mWcm2者多产生微热效应且频率越高产生热效应的阈强度越低)；长期

57、的低功率密度(1 m Wcm2 以下)微波辐射主要引起非热效应,2020/10/10,77,4. 微波炉,一、微波炉加热原理 什么是微波：微波是波长很短（1mm1000mm) 的电磁波,是由交变的电场和磁场组成。 微波炉产生的微波频率为：2450MHZ 。 微波特性： （1）能被金属材料反射。 （2）可以透射绝缘体。 （3）能被有极分子吸收。如：水、酸等。 微波加热原理： 微波的辐射，会引起食物内部有极分子高 速摆动和剧烈的相互摩擦，产生热量 使食物在很短的时间内被热熟 。,2020/10/10,78,二、微波炉结构示意图,三、微波炉主要部件作用,2020/10/10,79,1.磁控管：磁控管是微波炉的心脏，用于产生和发射微波,2020/10/10,80,2.电源变压器：把220V电压改变成各 部件所需要的电压,2020/10/10,81,3.倍压电容器和倍压整流二极管,倍压电容： 1F/2100V 倍压整流二极管： 1A/4700V,2020/10/10,82,4 .炉门：炉门中间的玻璃观察窗中间夹有层金属网可防止微波泄漏。炉门上还装有双门钩，是控制电源通断的联动开关,2020/10/10,83,5.定时器：定时器可控制微波