移動(dòng)通信技術(shù)chv電波傳播與干擾

1、移動(dòng)通信技術(shù)辦公電話：603E-mail: sailsmoon1移動(dòng)通信的電波傳播與干擾移動(dòng)通信的電波傳播分集技術(shù)噪聲干擾2本章思考手機(jī)有天線嗎？天線尺寸和什么有關(guān)？不同的業(yè)余波段如何利用？你了解無(wú)線電愛(ài)好者嗎？全國(guó)鐵路大提速后，部分地區(qū)GSM網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了鐵路覆蓋區(qū)域掉話率大幅度上升及話音質(zhì)量嚴(yán)重下降現(xiàn)象，極大地影響了中國(guó)移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和業(yè)務(wù)質(zhì)量。這是為什么？說(shuō)明中國(guó)電信發(fā)展中移動(dòng)通信的制式與頻段選擇關(guān)系3地波方式天波方式空間波方式(直射波，反射波)視距方式繞射方式對(duì)流層散射方式電波的傳播方式繞射區(qū)空間波4實(shí)際無(wú)線移動(dòng)信道中的電波傳播實(shí)際的移動(dòng)通信中,無(wú)線電波主要以空間波形式傳播,主要考慮直

2、達(dá)波和反射波傳播，以及繞射傳播.一般情況下,對(duì)電波反射按平面波處理,電波在反射點(diǎn)的入射角等于反射角.接收到的信號(hào)是由直達(dá)波和多個(gè)反射波的合成.5不同頻段電波的傳播方式視距6移動(dòng)通信使用的主要頻段的傳播特點(diǎn)7移動(dòng)通信使用的主要頻段的傳播特點(diǎn)8電波的傳播特性電波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播能量的擴(kuò)散與吸收反射與折射電波的干涉電波的繞射9電波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播球面波均勻平面波在均勻媒質(zhì)中,電波的各射線的傳播速度相同,傳播過(guò)程各射線相互平行,直線傳播10能量的擴(kuò)散與吸收離開(kāi)天線距離越遠(yuǎn),空間電磁場(chǎng)越弱假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間中,若此天線無(wú)方向性,輻射功率為PT瓦,則距輻射天線d米處的電場(chǎng)強(qiáng)度E0為: E

3、0 =30 PT /d (v/m)實(shí)際情況下,電磁波會(huì)遇到各種有損耗的介質(zhì),導(dǎo)體,因而會(huì)損耗一部分能量.此現(xiàn)象叫電磁波能量吸收.11反射當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時(shí),如果界面尺寸比電波大的多,就會(huì)發(fā)生鏡面反射.由于大地和大氣是不同的介質(zhì),因此入射波會(huì)在界面上產(chǎn)生反射.12電波的干涉由同一波源產(chǎn)生的電磁波,經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)某接收點(diǎn),該接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)由不同路徑來(lái)的電波合成.這種現(xiàn)象叫電波的干涉,也稱(chēng)多徑效應(yīng).13電波的干涉直射波與地面反射波合成場(chǎng)強(qiáng)隨路徑差變化而變化,有時(shí)同相相加,有時(shí)反相抵消,造成合成波的衰落現(xiàn)象.14折射1實(shí)際移動(dòng)信道中,電波在底層大氣傳播.由于底層大氣不是均勻介質(zhì),因

4、而發(fā)生折射現(xiàn)象.在VHF,UHF波段尤為突出,直接影響視距傳播的極限距離.介質(zhì)折射率為n地球等效半徑Re,地球?qū)嶋H半徑R0大氣折射率的垂直梯度為dn/dh地球等效半徑系數(shù)k=Re/R0=1/(1+R0dn/dh)15折射2例:在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下, dn/dh-4108（1/m),地球?qū)嶋H半徑R0=6370km那么，等效地球半徑系數(shù)k=4/3,等效地球半徑Re =8500km16折射3-視線傳播極限距離d1 2 Reht,d2 2 Re hrd = d1 +d2 = 2Re (ht + hr)標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下, Re=8500km結(jié)論:大氣折射有利于超視距傳播.17電波的繞射電波傳播過(guò)程中有

5、一定繞過(guò)障礙物的能力,這種現(xiàn)象叫做繞射.因此在障礙物后面有時(shí)仍能收到無(wú)線電信號(hào).電波的繞射能力和波長(zhǎng)有關(guān),波長(zhǎng)越長(zhǎng),繞射能力越強(qiáng),波長(zhǎng)越短,繞射能力越弱.繞射損耗 18研究無(wú)線信道無(wú)線信道電波的傳播環(huán)境為什么研究無(wú)線信道電波的傳播特性與無(wú)線信道關(guān)系密切;這些環(huán)境包括地貌,人工建筑,氣候特征,電磁干擾情況,通信體移動(dòng)速度,使用的頻段直接關(guān)系到無(wú)線通信使用的無(wú)線傳輸技術(shù)和通信能力,通信質(zhì)量19研究無(wú)線信道的基本方法理論分析:電磁場(chǎng)理論和統(tǒng)計(jì)理論，數(shù)學(xué)模型.計(jì)算機(jī)模擬:模擬各種移動(dòng)環(huán)境.現(xiàn)場(chǎng)電波實(shí)測(cè):驗(yàn)證和校正分析結(jié)果.上述方法的研究獲得不同移動(dòng)環(huán)境中的電波傳播特性的統(tǒng)計(jì)描述以及分類(lèi).20無(wú)線信道的

6、慢衰落和快衰落場(chǎng)強(qiáng)變化劇烈場(chǎng)強(qiáng)平均值隨距離增加而衰減場(chǎng)強(qiáng)特性曲線數(shù)值快速變化-快衰落場(chǎng)強(qiáng)特性曲線數(shù)值緩慢變化-慢衰落21衰落定義接收端信號(hào)的幅度變化接收信號(hào)強(qiáng)弱變化都是衰落表現(xiàn)嗎？是22無(wú)線信道場(chǎng)強(qiáng)特性忽略熱噪聲,接收機(jī)的接收信號(hào)為:r(t) = m(t) r0(t)m(t)長(zhǎng)期慢衰落/大尺度衰落原因：無(wú)線信道路徑上的路徑損耗和固定障礙物的陰影;平均信號(hào)衰落遵從對(duì)數(shù)正態(tài)分布特征;作用:利用不同測(cè)試環(huán)境下的無(wú)線信道長(zhǎng)期慢衰落中值計(jì)算公式,可以計(jì)算移動(dòng)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域.23無(wú)線信道場(chǎng)強(qiáng)特性忽略熱噪聲,接收機(jī)的接收信號(hào)為:r(t) = m(t) r0(t)r0(t)短期快衰落/小尺度衰落原因：

7、移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)和地點(diǎn)變化;多徑產(chǎn)生時(shí)間擴(kuò)散引起符號(hào)間干擾,不可避免;運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),引起信號(hào)頻移.衰落變化呈瑞利分布;作用:決定使用的抗衰落技術(shù).兩種衰落都與接收機(jī)天線位移有關(guān).24移動(dòng)通信環(huán)境的幾個(gè)效應(yīng)自由空間傳播損耗電磁波能量擴(kuò)散引起陰影效應(yīng)地形結(jié)構(gòu)引起,慢衰落多徑效應(yīng)由移動(dòng)臺(tái)周?chē)植可⑸潴w引起，快衰落多普勒效應(yīng)由移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度和方向引起，多徑條件下，引起多普勒頻展25自由空間無(wú)線電傳播自由空間：理想，均勻，各項(xiàng)同性的介質(zhì)電波在自由空間傳播不發(fā)生反射，折射，散射，繞射，吸收現(xiàn)象，只有電磁波能量擴(kuò)散引起的傳播損耗。接收功率為Pr Pt Gt Gr / LpPt 為發(fā)射功率Gt為發(fā)射天線增益

8、Gr為接收天線增益Lp為自由空間傳播損耗26自由空間傳播損耗Lp = (4d/)2 = (4d f / c)2 d為傳播距離為工作波長(zhǎng)c為光速f為工作電波頻率 Lp(dB)=32.45+20lgf(MHz) + 20lgd(km)結(jié)論:電波的自由空間傳播損耗與距離的平方成正比,與波長(zhǎng)平方成反比.工作頻率提高一倍，或傳播距離增加一倍時(shí)，傳播損耗增加6dB27自由空間傳播損耗-例子結(jié)論：低軌和高軌的傳播損耗相差可達(dá)30dB，顯然低軌道方案在傳播損耗上具有優(yōu)勢(shì)，可放松對(duì)天線、發(fā)射功率等的要求，方便地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與手持機(jī)之間的通信。 28陰影效應(yīng)如何產(chǎn)生陰影效應(yīng)的?由于大型建筑物和其它物體的阻擋，在電波傳

9、播的接收區(qū)域中產(chǎn)生傳播半盲區(qū)。電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，陰影不可見(jiàn)，但是接收終端(如手機(jī))與專(zhuān)用儀表可測(cè)試出來(lái)。功率對(duì)數(shù)表現(xiàn)為一個(gè)高斯或正態(tài)分布 29衰落儲(chǔ)備概念:為了防止因衰落(快慢衰落)引起的通信中斷,在信道設(shè)計(jì)中,必須使信號(hào)的電平留有足夠的余量,使中斷率R小于規(guī)定指標(biāo),這種電平余量稱(chēng)為衰落儲(chǔ)備.衰落儲(chǔ)備=正常接收電平接收機(jī)門(mén)限電平 例:f=450MHz,市區(qū)工作,要求通信可靠率T=99%,衰落儲(chǔ)備約?22.5dB30多徑衰落起因：由多條路徑來(lái)的接收電波到達(dá)時(shí)間不同。從時(shí)間域上看:接收信號(hào)的波形展寬，包絡(luò)近似為指數(shù)曲線。31如何理解頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬假設(shè)多徑傳播路徑只有2條,且到達(dá)接收點(diǎn)兩路信

10、號(hào)強(qiáng)度相同,只是到達(dá)時(shí)間上差一個(gè)時(shí)延.令發(fā)送信號(hào)為f(t),相應(yīng)的頻譜函數(shù)為F()假設(shè)兩路衰減都為K,兩條傳輸信號(hào)合成后,32如何理解頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬相應(yīng)的傅氏變換信道的傳輸函數(shù)為其幅頻特性為33如何理解頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬幅頻特性|H()|特性曲線如圖34相關(guān)性衰落與相關(guān)帶寬波形失真當(dāng)一個(gè)傳輸信號(hào)的頻譜寬于1/ 時(shí),信號(hào)的頻譜發(fā)生畸變,不同頻率分量衰落不一致，衰落信號(hào)波形失真。這種現(xiàn)象成為頻率選擇性衰落.推廣到一般多徑傳播,頻率的選擇性同樣依賴(lài)于相對(duì)時(shí)延差.多徑傳播的相對(duì)時(shí)延差通常用最大時(shí)延差來(lái)表示,設(shè)信道最大時(shí)延差為m,則相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔為f=1/ m這個(gè)頻率間隔成為

11、相關(guān)帶寬Bc，如果信號(hào)帶寬BsBc將產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落.35實(shí)際多徑時(shí)延信號(hào)強(qiáng)度由于時(shí)延擴(kuò)展，接受信號(hào)中的碼元波形會(huì)擴(kuò)展到其他碼元周期中，引起碼間干擾。為了避免碼間干擾，應(yīng)使碼元周期大于多徑效應(yīng)引起的時(shí)延擴(kuò)展。信號(hào)傳輸速度受到多徑時(shí)延的影響：碼元速率R3,分集復(fù)雜性增加,分集增益增加變的緩慢.77頻率分集信息以不同載頻發(fā)射出去,只要載頻之間間隔大于相關(guān)帶寬,在接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號(hào).優(yōu)點(diǎn):與空間分集相比,減少了天線的數(shù)目.缺點(diǎn):要占用更多的頻譜資源,在發(fā)射端需要多部發(fā)射機(jī).78極化分集天線的極化指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。 由于兩個(gè)正交極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性,所

12、以發(fā)送端和接收端可以用兩個(gè)位置很近但不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號(hào).極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省空間。79角度分集接收端利用方向性天線,分別指向不同信號(hào)到達(dá)方向.每個(gè)方向性天線接收到的多徑信號(hào)是不相關(guān)的.80時(shí)間分集時(shí)間間隔足夠遠(yuǎn)(大于相干時(shí)間)的兩個(gè)樣點(diǎn)是互不相關(guān)的.信號(hào)在時(shí)間上相差一定的間隔重復(fù)傳輸M次,只要時(shí)間大于相干時(shí)間,就可以得到M條獨(dú)立的分集支路. T1/(2fm)= 1/(2v/), fm為衰落頻率例:移動(dòng)體速度v=30km/h和工作頻率為450MHz, T40ms.若移動(dòng)臺(tái)靜止?fàn)顟B(tài),v=0,時(shí)間分集得益喪失.時(shí)間分集對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)

13、無(wú)助于減小此種衰落.81分集信號(hào)的合并技術(shù)M個(gè)輸入信號(hào)電壓r1(t), r2(t), r3(t) rM(t),合并器輸出電壓r(t)=a1r1(t)+ a2r2(t) + a3r3(t) + +aMrM(t), = akrk(t), ak為第k個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù).合并方式：選擇式合并最大比合并等增益合并82選擇式合并M個(gè)接收機(jī)的輸出信號(hào)送入選擇邏輯,選擇邏輯從M個(gè)接收信號(hào)中選擇最高基帶信噪比(SNR)的基帶信號(hào)作為輸出.選擇式合并的平均輸出信噪比=1/k， ：每個(gè)支路的平均信噪比。每增加一路分集支路,對(duì)輸出信噪比的貢獻(xiàn)僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍.合并增益Gs = / =1/k83最大比合并M個(gè)分集

14、支路經(jīng)過(guò)相位調(diào)整后,按適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)同相相加合并.最大比合并的平均輸出信噪比=M 合并增益為Gs = / =M與M成線性關(guān)系.84等增益合并ai實(shí)時(shí)改變是比較困難的,通常希望ai為常量,取ai =1就是等增益合并.等增益合并的平均輸出信噪比=1+(M-1)/4合并增益為Gs = / = 1+(M-1)/4當(dāng)M較大時(shí),等增益合并僅比最大比合并差1.05dB.85分集合并性能的比較相同分集重?cái)?shù)(M相同)情況下,以最大比值合并方式改善信噪比最多,等增益合并次之;分集重?cái)?shù)M較小時(shí),等增益合并信噪比改善接近最大比值合并.選擇式合并所得到的信噪比改善量最少.選擇式合并所得到信噪比改善量最少,合并器輸出只利

15、用了最強(qiáng)一路信號(hào),而其他支路都沒(méi)有被利用.86移動(dòng)通信的電波傳播與干擾移動(dòng)通信的電波傳播分集技術(shù)噪聲干擾87噪聲移動(dòng)信道的噪聲分為根據(jù)噪聲的來(lái)源不同分為內(nèi)部噪聲:熱噪聲,散彈噪聲自然噪聲人為噪聲根據(jù)噪聲特征分為脈沖噪聲起伏噪聲外部噪聲隨機(jī)噪聲88各種噪聲功率與頻率的關(guān)系89人為噪聲人為噪聲：電氣裝置中電流或電壓發(fā)生急劇變化而形成的電磁輻射，如各種電火花形成的電磁輻射。移動(dòng)信道中，人為噪聲主要是車(chē)輛的點(diǎn)火噪聲。90噪聲對(duì)話音質(zhì)量的影響話音質(zhì)量評(píng)定惡化量:車(chē)輛行進(jìn)時(shí)的動(dòng)態(tài)條件下,為了達(dá)到靜態(tài)條件下一樣的話音質(zhì)量所需要接受的電平增加量.91移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)性能的惡化量頻率升高時(shí),惡化量減小.對(duì)頻率在40

16、0MHz以上的接收機(jī),性能惡化量基本與頻率無(wú)關(guān).92移動(dòng)通信的電波傳播與干擾移動(dòng)通信的電波傳播分集技術(shù)噪聲干擾93干擾主要有:鄰道干擾同頻干擾互調(diào)干擾94鄰道干擾1概念:相鄰的或者鄰近頻道的信號(hào)相互干擾以單音頻調(diào)頻波進(jìn)行分析:S(t) = cos(0t + sint)=f/Fm:調(diào)頻指數(shù); :調(diào)制信號(hào)角頻率; 0:載波角頻率;展開(kāi)成級(jí)數(shù)得:S(t) = J0()sin0t+J1() sin(0+)t - J1() sin(0-)t (第一對(duì)邊頻)+J2() sin(0+2)t + J2() sin(0-2)t (第二對(duì)邊頻)+J3() sin(0+3)t - J3() sin(0-3)t (第

17、三對(duì)邊頻)+Jn() sin(0+n)t + (-1)nJn() sin(0-n)t (第n對(duì)邊頻)+Jn()為邊頻幅度;調(diào)頻信號(hào)含有無(wú)數(shù)對(duì)邊頻分量,落入鄰道接收機(jī)的通道內(nèi),就會(huì)產(chǎn)生鄰道干擾.95鄰道干擾2圖中給出第一頻道(No.1)發(fā)送的調(diào)頻信號(hào)落入鄰道(No.2)示意.nL為落入鄰道最低邊頻的次數(shù); 在最壞情況下,落入鄰道接收機(jī)的最低邊頻次數(shù)為:nL = (Br 0.5 BI - fTR)/ Fm得nL后,就能求出相應(yīng)的貝賽爾函數(shù)JnL (), JnL+1 ()值,從而求出落入鄰道的邊帶功率.減少鄰道干擾的辦法：提高收發(fā)信機(jī)的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度限制發(fā)射信號(hào)帶寬發(fā)射機(jī)的瞬時(shí)頻偏不超過(guò)最大允許

18、值.96鄰道干擾2已知頻道間隔25kHz,接收機(jī)中頻帶寬BI為16kHz,頻偏為5kHz,收發(fā)信機(jī)頻差fTR =2kHz,最高調(diào)制頻率Fm=3kHz.落入鄰道接收機(jī)的最低邊頻次數(shù)是多少?如果某移動(dòng)臺(tái)輻射功率為10w,該移動(dòng)臺(tái)到另一移動(dòng)臺(tái)的鄰道接收機(jī)傳輸損耗為100dB,求落入鄰道接收機(jī)的調(diào)制邊帶功率.nL=(25-8-2)/3=5 = f / Fm= 5/3 1.7J5(1.7)=3.3997*10-3第5邊頻相對(duì)于載波功率：20lg3.3997*10-3 -50dB落入鄰道邊帶功率約為P=10-50-100=-140(dBW)97同頻干擾同頻道再用移動(dòng)通信系統(tǒng)中,相隔一定距離后,要重復(fù)使用相

19、同頻道.產(chǎn)生原因:凡是與有用信號(hào)具有相同頻率的無(wú)用信號(hào)或者與有用信號(hào)頻差不大能進(jìn)入同一接收機(jī)通帶的無(wú)用信號(hào)都能產(chǎn)生同頻干擾.產(chǎn)生同頻干擾的頻率范圍:f0 BI /2.解決:使接收機(jī)輸入端的有用信號(hào)與同頻干擾電平之比大于某個(gè)數(shù)值(射頻防護(hù)比)不同信號(hào)的干擾射頻防護(hù)比不同.98同頻道再用距離概念:相同頻道之間的最小距離為同頻再用的最小安全距離所謂”安全”:接收機(jī)輸入端有用信號(hào)與同頻干擾比值大于射頻防護(hù)比同頻再用距離的相關(guān)因素:調(diào)制制度電波傳播特性基站覆蓋范圍(小區(qū)半徑)要求的可靠通信概率99同頻再用距離和射頻防護(hù)比的關(guān)系DI / Ds = 10 S/I/40若射頻防護(hù)比為8dB, DI / Ds

20、=10 8/40= 1.6, D = 2.6r0若考慮快慢衰落,射頻防護(hù)比約25dB, D = 5.2r0100互調(diào)干擾產(chǎn)生原因:由傳輸信道中的非線性電路產(chǎn)生.多個(gè)頻率不同的信號(hào)作用于任何一個(gè)非線性電路都會(huì)產(chǎn)生多組頻率的信號(hào).一般非線性器件的輸出電流ic與輸入電壓u的關(guān)系為 ic = a0 + a1u + a2u2 + a3u3+, ak為非線性器件的特性系數(shù), a0 a1 a2設(shè)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)作用于非線性器件u = AcosA t+ BcosB t失真項(xiàng)為: an (AcosA t+ BcosB t)n101互調(diào)干擾在三階(n=3)失真項(xiàng)中,會(huì)出現(xiàn)2A-B, 2B-A ,2A+B , 2B+A

21、等組合頻率因?yàn)?A和B都接近0(接收機(jī)接收接近調(diào)諧頻率的信號(hào))所以,2A-B 0, 2B-A 0,這兩種組合頻率的干擾成為三階互調(diào)干擾.同理,在五階(n=5)失真項(xiàng)中,具有危害的是3A-2B ,3B-2A,成為五階互調(diào)干擾.102無(wú)三階互調(diào)的頻道組三階互調(diào)干擾比五階互調(diào)干擾大的多,所以一般主要考慮三階互調(diào)干擾的影響.產(chǎn)生三階互調(diào)干擾的頻率是:fx = fi + fj - fkfx =2 fi - fjfk, fi, fj是頻率集合f1, f2, fn中任意三個(gè)頻率.也是頻率集合中的一個(gè)頻率.常用頻道序號(hào)來(lái)表征頻率:103無(wú)三階互調(diào)的頻道組利用頻道序號(hào)差值表示互調(diào)關(guān)系式方便判別一組頻道中是否存在互調(diào)干擾.判別某個(gè)無(wú)線區(qū)所選擇的頻道組有無(wú)三階互調(diào)干擾,只要判別各頻道序號(hào)的差值有無(wú)相同.利用頻道序號(hào)差值陣列法來(lái)判斷頻道組那是否存在三階互調(diào)干擾104判斷無(wú)三階互調(diào)的