移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)-電波傳播分、集均衡與天線

移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)-電波傳播分、集均衡與天線第一頁，共185頁。移動(dòng)體(汽車)在不同位置,不同的方向接收到的合成波信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有起伏,而且相差很大,可達(dá)30dB以上。圖2所示的這種現(xiàn)象稱為衰落,它嚴(yán)重地影響著通話質(zhì)量。電波傳播引起信號(hào)變壞的例子很多,如接收差轉(zhuǎn)電視時(shí)，在接收天線的不同位置,圖像質(zhì)量會(huì)發(fā)生很大差別,有的位置圖像清晰,有的位置雪花點(diǎn)嚴(yán)重,有的位置圖像模糊不清,有的位置出現(xiàn)許多重影等等。這就是由于電波通過傳播，到室內(nèi)天線時(shí),已經(jīng)過了電波直射、折射，到家庭中時(shí),又經(jīng)過房屋四壁反射,這些不同強(qiáng)度相位波的疊加就形成了上面的多種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象我們稱之為多徑衰落。多徑衰落直接影響了電視圖像質(zhì)量,如圖3所示。第二頁，共185頁。第三頁，共185頁。第四頁，共185頁。在移動(dòng)通信中,接收信號(hào)的強(qiáng)弱值稱為場(chǎng)強(qiáng)。為了表征電波傳播的特性,特用統(tǒng)計(jì)分析的方法,采用統(tǒng)計(jì)的數(shù)字特征來描述。(1)場(chǎng)強(qiáng)中值。具有50％的概率場(chǎng)強(qiáng)值稱為場(chǎng)強(qiáng)中值,這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值,如圖7.4所示。在圖中,場(chǎng)強(qiáng)變化曲線高于規(guī)定電平值的持續(xù)時(shí)間,占統(tǒng)計(jì)時(shí)間一半時(shí),則所規(guī)定的那個(gè)電平值即為場(chǎng)強(qiáng)中值。圖中的T為統(tǒng)計(jì)時(shí)間,規(guī)定電平值為E0。在周期T內(nèi),高于E0的值的時(shí)間段有t1,t2,t3。如果統(tǒng)計(jì)時(shí)間T足夠長,則在T時(shí)間內(nèi)超過E0的概率為第五頁，共185頁。第六頁，共185頁。P(％)=用一般式表示為在上式統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi),當(dāng)超過E0值的百分比為50％時(shí),即稱E0為場(chǎng)強(qiáng)中值。依次類推,當(dāng)概率超過50％時(shí),稱80％或90％概率場(chǎng)強(qiáng)值。在實(shí)際的應(yīng)用中,場(chǎng)強(qiáng)中值恰好等于接收機(jī)的最低門限值,即通信的可通率為50％,這就是說只有50％能維持正常通信。因此,在實(shí)際應(yīng)用中要使場(chǎng)強(qiáng)中值遠(yuǎn)大于接收機(jī)門限,才能在絕大多數(shù)時(shí)間保證通信正常進(jìn)行。第七頁，共185頁。(2)衰落深度。衰落深度定義為接收的電平值與場(chǎng)強(qiáng)中值電平之差,即以場(chǎng)強(qiáng)中值電平為參考電平,表明信號(hào)起伏偏離其中值電平的幅度。這是電波衰落程度的一種量度(即數(shù)字特征),用電平表示為衰落深度/dB=20lg式中,Ei為接收電平值;E0為場(chǎng)強(qiáng)中值。(3)衰落速率。衰落速率描述接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化快慢,即衰落的頻繁程度。衰落速率與工作頻率、移動(dòng)體行進(jìn)速度及行進(jìn)方向有關(guān)。工作頻率越高衰落越快；速度越快衰落越快,其平均衰落率表示為第八頁，共185頁。N==1.85×103·v·f(Hz)(7.1.4)式中,N為衰落率;v為移動(dòng)體速度單位為km/h;λ為波長,應(yīng)與v同單位(km)；F為頻率,一般以MHz為單位。(4)衰落持續(xù)時(shí)間。衰落時(shí)間是指場(chǎng)強(qiáng)低于某一給定電平值的持續(xù)時(shí)間。在移動(dòng)通信中,常會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)收不到電臺(tái)信號(hào)或者中斷了信號(hào)的情況。這種情況是由于接收到的信號(hào)電平值低于接收機(jī)門限電平所致。第九頁，共185頁。2)在強(qiáng)干擾條件下工作移動(dòng)通信,特別是陸地移動(dòng)通信的電波在地面受到許多干擾和噪聲。噪聲主要是人為噪聲,如汽車點(diǎn)火、電火花、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等。主要的干擾是內(nèi)部的干擾,有互調(diào)干擾、同頻干擾、多路干擾、鄰道干擾等。另外，還有雷達(dá)以及其他種類的移動(dòng)信號(hào)干擾等。3)具有多卜勒頻移效應(yīng)當(dāng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定的速度,設(shè)備接收的載波頻率將會(huì)隨運(yùn)動(dòng)速度變化而產(chǎn)生頻移,這種現(xiàn)象稱為多卜勒頻移。用公式表示為第十頁，共185頁。θ為電波到達(dá)時(shí)的入射角。4)移動(dòng)用戶經(jīng)常移動(dòng)由于移動(dòng)體經(jīng)常移動(dòng),它與固定點(diǎn)無固定聯(lián)系,加之開、關(guān)的隨意性以及電池更換等原因,帶來了呼叫、接續(xù)等的復(fù)雜情況。所以在移動(dòng)通信網(wǎng)的信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素很多,因此技術(shù)復(fù)雜,也因此帶來了設(shè)備價(jià)格昂貴影響普及程度等缺點(diǎn)。第十一頁，共185頁。二、移動(dòng)通信中的電波傳播

一電波傳播圖1移動(dòng)通信系統(tǒng)中的電波傳播第十二頁，共185頁。1.電波傳播方式圖2移動(dòng)通信電波傳播方式示意圖第十三頁，共185頁。1)直射波電波傳播過程中沒有遇到任何的障礙物,直接到達(dá)接收端的電波,稱為直射波。直射波更多出現(xiàn)于理想的電波傳播環(huán)境中。2)反射波電波在傳播過程中遇到比自身的波長大得多的物體時(shí),會(huì)在物體表面發(fā)生反射,形成反射波。反射常發(fā)生于地表、建筑物的墻壁表面等。第十四頁，共185頁。3)繞射波電波在傳播過程中被尖利的邊緣阻擋時(shí),會(huì)由阻擋表面產(chǎn)生二次波,二次波能夠散布于空間,甚至到達(dá)阻擋體的背面,那些到達(dá)阻擋體背面的電波就稱為繞射波。由于地球表面的彎曲性和地表物體的密集性,使得繞射波在電波傳播過程中起到了重要作用。4)散射波電波在傳播過程中遇到障礙物表面粗糙或者體積小但數(shù)目多時(shí),會(huì)在其表面發(fā)生散射,形成散射波。散射波可能散布于許多方向,因而電波的能量也被分散于多個(gè)方向。第十五頁，共185頁。2.電波傳播現(xiàn)象圖3移動(dòng)通信電波傳播路徑損耗和多徑衰落第十六頁，共185頁。移動(dòng)通信電波傳播最具特色的現(xiàn)象是多徑衰落,或稱多徑效應(yīng)。無線電波在傳輸過程中會(huì)受到地形、地物的影響而產(chǎn)生反射、繞射、散射等,從而使電波沿著各種不同的路徑傳播,這稱為多徑傳播。由于多徑傳播使得部分電波不能到達(dá)接收端,而接收端接收到的信號(hào)也是在幅度、相位、頻率和到達(dá)時(shí)間上都不盡相同的多條路徑上信號(hào)的合成信號(hào),因而會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的頻率選擇性衰落和時(shí)延擴(kuò)展等現(xiàn)象,這些被稱為多徑衰落或多徑效應(yīng)。所謂頻率選擇性衰落是指信號(hào)中各分量的衰落狀況與頻率有關(guān),即傳輸信道對(duì)信號(hào)中不同頻率成分有不同的、隨機(jī)的響應(yīng)。由于信號(hào)中不同頻率分量衰落不一致,因此衰落信號(hào)波形將產(chǎn)生失真。第十七頁，共185頁。所謂時(shí)延擴(kuò)展是指由于電波傳播存在多條不同的路徑,路徑長度不同,且傳輸路徑隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而不斷變化,因而可能導(dǎo)致發(fā)射端一個(gè)較窄的脈沖信號(hào)s0(t)=a0δ(t)在到達(dá)接收端時(shí)變成了由許多不同時(shí)延脈沖構(gòu)成的一組信號(hào) 。時(shí)延擴(kuò)展可直觀地理解為在一串接受脈沖中,最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延的差值,即最后一個(gè)可分辨的延時(shí)信號(hào)與第一個(gè)延時(shí)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值,記為Δ。實(shí)際上,Δ就是脈沖展寬的時(shí)間。時(shí)延擴(kuò)展示意圖如圖4所示。第十八頁，共185頁。圖4時(shí)延擴(kuò)展示意圖第十九頁，共185頁。移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的強(qiáng)度隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)變化(即衰落),這種變化的周期從幾分之一秒至幾小時(shí)不等。因此移動(dòng)通信電波傳播中的衰落又常分為慢衰落和快衰落兩種。

慢衰落(也稱長期衰落)指的是接收信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)變化緩慢,具有十幾分鐘或幾小時(shí)的長衰落周期。慢衰落主要是由電波傳播中的陰影效應(yīng)以及能量擴(kuò)散所引起的,具有對(duì)數(shù)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)特性。

快衰落(也稱短期衰落或多徑衰落)指的是接收信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)變化較快,具有幾秒鐘或幾分鐘的短衰落周期?？焖ヂ渲饕怯呻姴▊鞑ブ械亩鄰叫?yīng)所引起的,具有萊斯分布或瑞利分布的統(tǒng)計(jì)特性。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間有視距路徑時(shí)一般服從萊斯分布,無視距路徑時(shí)一般服從瑞利分布。第二十頁，共185頁。路徑損耗是上述現(xiàn)象的一個(gè)綜合結(jié)果,指的是信號(hào)從發(fā)射天線經(jīng)無線路徑傳播到接收天線時(shí)的功率損耗,可以用發(fā)射天線的絕對(duì)功率電平與接收天線的絕對(duì)功率電平之差值來表示。路徑損耗的一個(gè)主要原因是電波會(huì)隨著距離而擴(kuò)散,從而使接收機(jī)的接收功率隨著傳輸距離的增加而減小;路徑損耗的另一個(gè)原因是地表以及地表上的各種障礙物的影響。因而,影響路徑損耗的幾點(diǎn)要素是:傳輸距離、天線高度和頻率間隙等。例如,發(fā)射機(jī)的功率電平是10dB,若路徑損耗為50dB,則接收機(jī)的接收功率電平是-40dB。第二十一頁，共185頁。

3.電波傳播的分類當(dāng)電波頻率、移動(dòng)體和電波傳播環(huán)境不同時(shí),電波傳播特性也不相同。在對(duì)電波傳播特性進(jìn)行研究時(shí),可以根據(jù)電波的頻率分為甚低頻(VLF)、低頻(LF)、中頻(MF)、高頻(HF)、甚高頻(VHF)、特高頻(UHF)和更高頻(超高頻、極高頻等)幾種情況。其中甚高頻和特高頻是目前移動(dòng)通信電波傳播研究工作應(yīng)側(cè)重的頻段。電波傳播也可以根據(jù)移動(dòng)通信系統(tǒng)的類型,分為陸地移動(dòng)通信的電波傳播、海上移動(dòng)通信的電波傳播、空中移動(dòng)通信的電波傳播和衛(wèi)星移動(dòng)通信的電波傳播等。而陸地移動(dòng)通信的電波傳播又可分為自由空間電波傳播、建筑物內(nèi)電波傳播、隧道內(nèi)電波傳播、小區(qū)(微小區(qū)、微微小區(qū))電波傳播等。第二十二頁，共185頁。圖5不同途徑的電波傳播示意圖(a)沿地球表面?zhèn)鞑サ牡夭?(b)沿空間直射或經(jīng)地表反射傳播的空間波;(c)沿空間經(jīng)電離層反射或折射傳播的空間波第二十三頁，共185頁。1)地形的分類與定義各種各樣的地形可歸結(jié)為兩大類:準(zhǔn)平坦地形和不規(guī)則地形。所謂準(zhǔn)平坦地形是指在電波傳播路徑上,地面起伏平緩,起伏高度不超過20m,峰點(diǎn)與谷點(diǎn)之間的水平距離大于起伏高度的地形。當(dāng)然,平坦地形也包括在這一類中。所謂不規(guī)則地形是指除準(zhǔn)平坦地形之外的所有地形,如丘陵、孤立山岳、傾斜地帶和水陸混合地形等。第二十四頁，共185頁。2)地物的分類與定義(1)開闊地。呈開闊狀地面,在電波傳播的路徑上無高大樹木或建筑物,或在400m內(nèi)沒有任何阻擋物的場(chǎng)地,如荒野、廣場(chǎng)、沙漠和戈壁灘等。在這種情況下,到達(dá)接收端的大都是直射波,相當(dāng)于電波在自由空間中傳播的情況。(2)郊區(qū)。在電波傳播的路徑上有些高度較低且分布稀疏的障礙物,如果木林,郊區(qū)公路網(wǎng)和樹木、房屋稀少的田園地帶等。(3)市區(qū)。有密集的建筑物和較多的高層樓房區(qū)域,如城市市區(qū)和茂盛林區(qū)等。第二十五頁，共185頁。4.典型電波傳播的分析1)自由空間電波傳播自由空間是指相對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)磁率為1的均勻介質(zhì)所存在的空間,該空間具有各向同性、電導(dǎo)率為零的特點(diǎn),它是一種理想的傳播環(huán)境。電波在自由空間傳播時(shí)與在真空中傳播一樣,只有直線傳播的擴(kuò)散損耗。對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)而言,其自由空間路徑損耗Lbs僅與傳輸距離d和電波頻率f有關(guān),而與收、發(fā)天線增益無關(guān)?？捎孟率絹肀硎?Lbs=32.44+20lgd+20lgf

式中,傳輸距離d的單位為km,電波頻率f的單位為MHz，Lbs單位為dB。第二十六頁，共185頁。從上式可看出,傳播距離d越遠(yuǎn),自由空間路徑損耗Lbs越大,當(dāng)傳播距離d加大一倍時(shí),自由空間路徑損耗Lbs就增加6dB;電波頻率f越高,自由空間路徑損耗Lbs就越大,當(dāng)電波頻率f提高一倍時(shí),自由空間傳播損耗Lbs就增加6dB。在無線電傳播中,自由空間傳播是最簡(jiǎn)單的形式。當(dāng)討論其他傳播方式時(shí),常用自由空間傳播作為參考。第二十七頁，共185頁。2)由建筑物外部向內(nèi)部的穿透?jìng)鞑グl(fā)射機(jī)在建筑物外部時(shí),電磁波可能會(huì)在穿透建筑物后繼續(xù)傳播,稱為穿透?jìng)鞑?。穿透?jìng)鞑?huì)造成穿透損耗。穿透損耗可定義為建筑物室外場(chǎng)強(qiáng)與室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)之比(用dB表示)。影響穿透損耗的幾點(diǎn)要素有建筑物結(jié)構(gòu)(磚石、鋼筋混凝土、土等)和建筑物厚度、電波頻率、樓層高度、進(jìn)入室內(nèi)的深度等。簡(jiǎn)單來說,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穿透損耗大于磚石或土結(jié)構(gòu)的穿透損耗;建筑物厚度大的穿透損耗比厚度小的低;電波頻率越高,穿透能力越強(qiáng),越容易通過門窗到達(dá)室內(nèi),越有利于在建筑物內(nèi)部傳播;樓層越高,穿透損耗越小;建筑物內(nèi)的損耗隨電波穿透深度(即進(jìn)入室內(nèi)的深度)而增大。第二十八頁，共185頁。5.電波傳播的估算對(duì)移動(dòng)環(huán)境中電波傳播特性的研究,可以采用兩種方法:理論分析方法和實(shí)測(cè)分析方法。理論分析方法通常用射線表示電磁波束的傳播,在確定收發(fā)天線的高度、位置和周圍環(huán)境的具體特征后,可根據(jù)直射、折射、反射、散射、透射等波動(dòng)現(xiàn)象,用電磁波理論計(jì)算電波傳播路徑損耗及有關(guān)信道參數(shù)。實(shí)測(cè)分析方法是在典型的傳輸環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,并用計(jì)算機(jī)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。這兩種方法最終都要建立有普遍適用性的數(shù)學(xué)模型,以進(jìn)行傳播預(yù)測(cè)。在實(shí)際工作中,人們往往把二者結(jié)合起來,從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電波傳播特性更準(zhǔn)確的估算。第二十九頁，共185頁。移動(dòng)通信的電波傳播估算1VHF、UHF頻段的電波傳播特性2電波傳播特性的估算（工程計(jì)算）第三十頁，共185頁。一、VHF、UHF頻段的電波傳播特性圖1典型的移動(dòng)信道電波傳播路徑第三十一頁，共185頁。1.1直射波在自由空間中,電波沿直線傳播而不被吸收,也不發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象而直接到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為直射波傳播。直射波傳播損耗可看成自由空間的電波傳播損耗Lbs,Lbs的表示式為式中,d為距離(km),f為工作頻率(MHz)。第三十二頁，共185頁。1.2視距傳播的極限距離圖2視距傳播的極限距離第三十三頁，共185頁。已知地球半徑為R=6370km,設(shè)發(fā)射天線和接收天線高度分別為hT和hR(單位為m),理論上可得視距傳播的極限距離d0為由此可見,視距決定于收、發(fā)天線的高度。天線架設(shè)越高,視線距離越遠(yuǎn)。實(shí)際上，當(dāng)考慮了空氣的不均勻性對(duì)電波傳播軌跡的影響后,在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，等效地球半徑R=8500km,可得修正后的視距傳播的極限距離d0為第三十四頁，共185頁。1.3繞射損耗圖3菲涅爾余隙（a）負(fù)余隙;（b）正余隙第三十五頁，共185頁。根據(jù)菲涅爾繞射理論，可得到障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系如圖4所示。圖中,橫坐標(biāo)為x/x1，x1稱菲涅爾半徑（第一菲涅爾半徑），且有由圖4可見，當(dāng)橫坐標(biāo)x/x1>0.5時(shí)，則障礙物對(duì)直射波的傳播基本上沒有影響。當(dāng)x=0時(shí)，TR直射線從障礙物頂點(diǎn)擦過時(shí)，繞射損耗約為6dB；當(dāng)x<0時(shí)，TR直射線低于障礙物頂點(diǎn)，損耗急劇增加。第三十六頁，共185頁。圖4繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關(guān)系第三十七頁，共185頁。1.4反射波圖5反射波和直射波第三十八頁，共185頁。反射波與直射波的行距差為由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此兩路信號(hào)到達(dá)接收天線的時(shí)間差換算成相位差Δφ0為再加上地面反射時(shí)大都要發(fā)生一次反相，實(shí)際的兩路電波相位差Δφ為第三十九頁，共185頁。1.5多徑效應(yīng)與瑞利型(衰落特性)設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)Acosωct后,接收機(jī)接收端收到的合成信號(hào)為式中:Ri(t)為第i條路徑的接收信號(hào)；τi(t)為第i條路徑的傳輸時(shí)間；φi(t)為第i條路徑的相位滯后，φi(t)=-ωcτi(t)。經(jīng)大量觀察表明，Ri(t)和φi(t)隨時(shí)間的變化與發(fā)射信號(hào)的載頻周期相比，通常要緩慢得多，所以，Ri(t)和φi(t)可以認(rèn)為是緩慢變化的隨機(jī)過程，故上式可以寫成第四十頁，共185頁。設(shè):則上式可寫成式中:U(t)為合成波R(t)的包絡(luò)；φ(t)為合成波R(t)的相位。第四十一頁，共185頁。由于Ri(t)和φi(t)隨時(shí)間的變化與發(fā)射信號(hào)的載頻周期相比，是緩慢變化的，因此xc（t）、xs（t）及包絡(luò)U(t)、相位φ(t)也是緩慢變化的。通常，U(t)滿足瑞利分布，相位φ(t)滿足均勻分布，R(t)可視為一個(gè)窄帶過程。假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，σ為噪聲方差，r為接收信號(hào)的損失幅度，則包絡(luò)概率密度函數(shù)p(r)和相位概率密度函數(shù)p(θ)分別為：第四十二頁，共185頁。0≤r≤+∞0≤θ≤2π均值方差第四十三頁，共185頁。1.6萊斯（Riceam）衰落分布在移動(dòng)通信中，如果存在一個(gè)起支配作用的直達(dá)波（未受衰落影響），這時(shí)，接收端接收信號(hào)的包絡(luò)為萊斯（Riceam）分布。包絡(luò)的概率密度函數(shù)p(r)為A≥0,r≥0r<0式中,A為直達(dá)波振幅，r為接收信號(hào)的瞬時(shí)幅度，σ為噪聲方差，I0（·）為第一類0階Bessel函數(shù)。設(shè)第四十四頁，共185頁。2電波傳播特性的估算（工程計(jì)算）2.1EgliJohnJ.場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式在實(shí)際中，由于移動(dòng)通信的移動(dòng)臺(tái)在不停地運(yùn)動(dòng)。計(jì)算繞射損耗中的x、x1的數(shù)值處于變化中，因而使用公式計(jì)算不平坦地區(qū)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)遇到較大的麻煩。EgliJohnJ.提出一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒏鶕?jù)此模型提出經(jīng)驗(yàn)修正公式，認(rèn)為不平坦地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)等于平面大地反射公式算出的場(chǎng)強(qiáng)加上一個(gè)修正值，其修正值為式中,f為工作頻率，以MHz為單位。第四十五頁，共185頁。這樣，不平坦地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)公式為或者說，不平坦地帶傳播衰減如果hT、hR采用米(m)表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示，則不平坦地區(qū)的傳播衰耗LA為第四十六頁，共185頁。2.2奧村(Okumura)模型OM模型適用的范圍：頻率為150～1500MHz，基地站天線高度為30～200m，移動(dòng)臺(tái)天線高度為1～10m，傳播距離為1～20km。第四十七頁，共185頁。1.市區(qū)傳播衰耗中值(3-18)圖6表明了基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)與工作頻率、通信距離的關(guān)系。可以看出隨著工作頻率的升高或通信距離的增大，傳播衰耗都會(huì)增加。圖中，縱坐標(biāo)以分貝計(jì)量，這是在基地站天線有效高度hb=200m，移動(dòng)臺(tái)天線高度hm=3m，以自由空間傳播衰耗為基準(zhǔn)(0dB)，求得的衰耗中值的修正值A(chǔ)m(f,d)。換言之，由曲線上查得的基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)加上自由空間的傳播衰耗Lbs才是實(shí)際路徑衰耗LT，即第四十八頁，共185頁。圖6大城市準(zhǔn)平滑地形基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)第四十九頁，共185頁。

例1當(dāng)d=10km,hb=200m,hm=3m,f=900MHz時(shí)，由式（３-１）可求得自由空間的傳播衰耗中值Lbs為查圖3-6可求得Am(f,d)，即利用式(3-18)就可以計(jì)算出城市街道地區(qū)準(zhǔn)平滑地形的傳播衰耗中值為第五十頁，共185頁。圖7基地站天線高度增益因子Hb(hb,d)第五十一頁，共185頁。圖8移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子Hm(hm,f)第五十二頁，共185頁。在考慮基站天線高度因子與移動(dòng)臺(tái)天線高度因子的情況下，式（3-18）所示市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的路徑傳播衰耗中值應(yīng)為例2在前面計(jì)算城市地區(qū)準(zhǔn)平滑地形的路徑衰耗中值的例子中，當(dāng)hb=200m,hm=3m,d=10km,f=900MHz時(shí)，計(jì)算得LT=141.5dB。;若將基地站天線高度改為hb=50m,移動(dòng)臺(tái)天線高度改為hm=2m,利用圖3-7、圖3-8可以對(duì)路徑傳播衰耗中值重新進(jìn)行修正。第五十三頁，共185頁。查圖7得查圖8得修正后的路徑衰耗中值LT為第五十四頁，共185頁。2.郊區(qū)和開闊區(qū)的傳播衰耗中值圖9郊區(qū)修正因子Kmr

第五十五頁，共185頁。圖10開闊區(qū)、準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子（Qo，Qr）第五十六頁，共185頁。3.不規(guī)則地形上的傳播衰耗中值(1)丘陵地的修正因子。丘陵地的地形參數(shù)可用“地形起伏”高度Δh表示。其定義是：自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10km范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%處的高度差，如圖11所示。第五十七頁，共185頁。圖11丘陵地形的修正因子Kh

第五十八頁，共185頁。圖12丘陵地形微小修正值Khf

第五十九頁，共185頁。(2)孤立山岳地形的修正因子。當(dāng)電波傳播路徑上有近似刃形的單獨(dú)山岳時(shí)，若求山背后的場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，則應(yīng)考慮繞射衰耗、陰影效應(yīng)、屏蔽吸收等附加衰耗。這時(shí)可用孤立山岳修正因子Kjs加以修正，其曲線如圖3-13所示。它表示在使用450MHz，900MHz頻段，山岳高度H=110~350m時(shí)，基本衰耗中值與實(shí)測(cè)的衰耗中值的差值，并歸一化為H=200m時(shí)的值，即孤立山岳修正因子Kjs。顯然，Kjs亦為增益因子。當(dāng)山岳高度不等于200m時(shí)，查得的Kjs值還需乘以一個(gè)系數(shù)第六十頁，共185頁。圖13孤立山岳地形的修正因子Kjs

第六十一頁，共185頁。(3)斜坡地形的修正因子。圖14斜坡地形修正因子Ksp第六十二頁，共185頁。(4)水陸混合地形的修正因子。圖15水陸混合地形的修正因子Ks

第六十三頁，共185頁。4.任意地形的信號(hào)中值預(yù)測(cè)(1)計(jì)算自由空間的傳播衰耗。自由空間的傳播衰耗Lbs為(2)市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的信號(hào)中值。如果發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率為PT，則市區(qū)準(zhǔn)平滑地形接收功率中值PP為第六十四頁，共185頁。(3)任意地形地物情況下的信號(hào)中值。任意地形地物情況下的傳播信號(hào)中值LA為式中：LT為準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的傳播衰耗中值；KT為地形地物修正因子。KT由如下項(xiàng)目構(gòu)成：第六十五頁，共185頁。根據(jù)實(shí)際的地形地物情況，KT因子可能只有其中的某幾項(xiàng)或?yàn)榱?。例如，傳播路徑是開闊區(qū)、斜坡地形，則其余各項(xiàng)為零。其他情況可以類推。任意地形地物情況下接收信號(hào)的功率中值PPC是以市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的接收功率中值PP為基礎(chǔ)，加上地形地物修正因子KT，即第六十六頁，共185頁。

例3某一移動(dòng)電話系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，基站天線高度為70m，移動(dòng)臺(tái)天線高度為1.5m，在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平滑地形，通信距離為20km，求傳播路徑的衰耗中值。解

(1)自由空間的傳播衰耗Lbs。第六十七頁，共185頁。(2)市區(qū)準(zhǔn)平滑地形的衰耗中值。由圖6查得由圖7查得由圖8查得第六十八頁，共185頁。所以，準(zhǔn)平滑地形市區(qū)衰耗中值為(3)任意地形地物情況下的衰耗中值。根據(jù)已知條件可知：因?yàn)镵T=0;所以LA=LT-KT=LT=155dB第六十九頁，共185頁。例4若上題改為在郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且θm=15mrad，其他條件不變，再求傳播路徑的衰耗中值。解根據(jù)已知條件，由圖9查得由圖14查得所以地形地物修正因子KT為因此傳播路徑衰耗中值LA為第七十頁，共185頁。5.其他因素的影響(1)街道走向的影響。圖16市區(qū)街道走向修正值第七十一頁，共185頁。(2)建筑物的穿透衰耗Lp。各個(gè)頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的。一般來說，波長越短，穿透能力越強(qiáng)。同時(shí)，各個(gè)建筑物對(duì)電波的吸收也是不同的。不同的材料、結(jié)構(gòu)和樓房層數(shù)，其吸收衰耗的數(shù)據(jù)都不一樣。例如，磚石的吸收較小，鋼筋混凝土的大些，鋼結(jié)構(gòu)的最大。一般介紹的經(jīng)驗(yàn)傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設(shè)條件，故如果移動(dòng)臺(tái)要在室內(nèi)使用，在計(jì)算傳播衰耗和場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，需要把建筑物的穿透衰耗也計(jì)算進(jìn)去，才能保持良好的可通率。即有第七十二頁，共185頁。表1建筑物的穿透衰耗(地面層)頻率/MHz150250450800平均穿透衰耗/dB22221817一般情況下，Lp不是一個(gè)固定的數(shù)值，而是一個(gè)0~30dB的范圍，需根據(jù)具體情況而定,參見表1。此外，穿透衰耗還隨不同的樓層高度而變化，衰耗中值隨樓層的增高而近似線性下降，大致為-2dB/層，如圖17所示。此外，在建筑物內(nèi)從建筑物的入口沿著走廊向建筑物中央每進(jìn)入1米，穿透衰耗將增加1~2dB。第七十三頁，共185頁。圖17信號(hào)衰耗與樓層高度第七十四頁，共185頁。(3)植被衰耗Lz圖18森林地帶的附加衰耗第七十五頁，共185頁。(4)隧道中的傳播衰減Lsd。圖19電波在隧道中的傳播衰耗第七十六頁，共185頁。2.3Okumura-Hata方法為了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),使Okumura預(yù)測(cè)方法能采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)，Hata對(duì)Okumura提出的基本中值場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行了公式化處理，所得基本傳輸損耗的計(jì)算公式如下：第七十七頁，共185頁。式中：d為收發(fā)天線之間的距離，km；hb為基站天線有效高度，m；α（hm）為移動(dòng)臺(tái)天線高度校正因子，hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度（m）。α（hm）由下式計(jì)算：中、小城市大城市大城市這套公式的適用范圍為：150MHz≤f≤1500MHz，30m≤hb≤200m，1m≤hm≤10m，1km≤d≤20km，準(zhǔn)平坦地形。第七十八頁，共185頁。2.4微蜂窩系統(tǒng)的覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)模式圖20環(huán)境參數(shù)的定義(a)環(huán)境參數(shù)；(b)街道方向第七十九頁，共185頁。市區(qū)環(huán)境的特性用下列參數(shù)表示（這些參數(shù)的定義見圖20(a)和(b)）：建筑物高度：hRoof；街道寬度：w；建筑物間隔：b；相對(duì)于街道平面的直射波方向：φ。以上參數(shù)適用于市區(qū)地形為平滑地形。第八十頁，共185頁。微蜂窩覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)計(jì)算模式分為兩部分：（1）視線傳播?；緜鞑p耗采用下式計(jì)算：式中，d為基站至移動(dòng)臺(tái)之間的距離，限于d≥20m。第八十一頁，共185頁。（2）非視線傳播。即在街道峽谷內(nèi)有高建筑物阻擋視線，基本傳輸損耗Lb由以下三項(xiàng)組成：式中，①L0——自由空間傳播損耗：②Lrts——屋頂至街道的繞射及散射損耗：用于hRoof＞hm

用于Lrts<0第八十二頁，共185頁。決定Lrts的各項(xiàng)參數(shù)如下：0°≤φ＜35°35°≤φ＜55°55°≤φ＜90°Δhm=hRoof-hmΔhb=hb-hRoofω為街道寬度（m）；f為計(jì)算頻率（MHz）；Δhm的單位用m；φ的單位用度。第八十三頁，共185頁。③Lmsd——多重屏障的繞射損耗：用于Lmsd＜0決定Lmsd的各項(xiàng)參數(shù)如下：

hb＞hRoofhb≤hRoof

第八十四頁，共185頁。hb>hRoofd≥0.5km及hb≤hRoof

d＜0.5km及hb≤hRoof

用于中等城市及具有中等密度的樹的郊區(qū)中心用于大城市中心第八十五頁，共185頁。式中：Δhb、hRoof的單位用m，f的單位用MHz，d的單位用km。COST-231-Walfish-Ikegami計(jì)算模式應(yīng)用于hb<<hRoof時(shí)，計(jì)算結(jié)果誤差較大。在同一條件下，f=1800MHz的傳輸損耗可用900MHz的損耗值求得，即L1800=L900+10dB以上微蜂窩覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)計(jì)算的適用條件為f：800~2000MHz；hBase：4~50m；hMobile：1~3m；d：0.02~5km。第八十六頁，共185頁。多址技術(shù)頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址、時(shí)分/頻分多址、碼分/頻分多址等。1、頻分多址（FDMA）：將通信系統(tǒng)的總頻段劃分為若干個(gè)等間隔的頻道分配給不同的用戶使用，這些頻道互不交疊。頻分多址以頻率來區(qū)分信道，因此，頻道就是信道。早期的模擬蜂窩移動(dòng)通信采用這種多址方式。第八十七頁，共185頁。2、時(shí)分多址（TDMA）：將時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（幀或時(shí)隙都互不交疊）,然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)按指定的時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而互不混擾。時(shí)分多址以時(shí)隙（時(shí)間間隔）來區(qū)分信道，因此，時(shí)隙就是信道。這種方式只能傳送數(shù)字信息。第八十八頁，共185頁。3、碼分多址（CDMA）：基于碼型來分割信道，不同用戶傳輸信息所用的信號(hào)用各不相同的編碼序列來區(qū)分。此時(shí)，碼型就是信道。實(shí)現(xiàn)條件：（1）要有數(shù)量足夠多、相關(guān)性能足夠好的地址碼；（2）必須用地址碼對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制；（3）在接收端，必須具有與發(fā)送端完全一致的本地地址碼。實(shí)際應(yīng)用中常采用碼分多址與直擴(kuò)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)CDMA移動(dòng)通信。第八十九頁，共185頁。多址技術(shù)第九十頁，共185頁。抗衰落技術(shù)分集技術(shù)交織編碼技術(shù)RAKE接收技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)第九十一頁，共185頁。三、編碼技術(shù)

信源編碼及信道編碼技術(shù)是移動(dòng)通信中的兩個(gè)重要的技術(shù)領(lǐng)域。語音編碼技術(shù)屬于信源編碼，可提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量；信道編碼技術(shù)可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證良好的通話質(zhì)量。第九十二頁，共185頁。語音編碼是為了把模擬語音轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便在信道中傳輸，語音編碼技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中與調(diào)制技術(shù)直接決定了系統(tǒng)的頻譜利用率。在移動(dòng)通信中，節(jié)省頻譜是至關(guān)重要的，移動(dòng)通信中對(duì)語音編碼技術(shù)的研究目的是在保證一定的語音質(zhì)量的前提下，盡可能地降低語音編碼的比特率。

信源編碼的目的是為了提高系統(tǒng)的有效性。

第九十三頁，共185頁。移動(dòng)通信對(duì)數(shù)字語音編碼的要求如下:·速率較低,純編碼速率應(yīng)低于16kb/s;·在一定編碼速率下的音質(zhì)應(yīng)盡可能高;·編碼時(shí)延要短,要控制在幾十毫秒之內(nèi);·編碼算法應(yīng)具有較好的抗誤碼性能,計(jì)算量小,性能穩(wěn)定;·編碼器應(yīng)便于大規(guī)模集成。第九十四頁，共185頁。

語音編碼技術(shù)通常分為三類：波形編碼、參量編碼和混合編碼。第九十五頁，共185頁。

1．波形編碼

波形編碼是將隨時(shí)間變化的信號(hào)直接變換為數(shù)字代碼，盡量使重建的語音波形保持原語音信號(hào)的波形形狀。其基本原理是對(duì)模擬語音波形信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼而形成的數(shù)字語音信號(hào)。解碼是與其相反的過程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)過解碼和濾波恢復(fù)成模擬信號(hào)。

第九十六頁，共185頁。

為了保證數(shù)字語音信號(hào)解碼后的高保真度，波形編碼需要較高的編碼速率，一般為16～64kb/s。通信原理中講過的脈沖編碼調(diào)制(PCM)、增量調(diào)制(ΔM)以及它們的各種改進(jìn)形式—自適應(yīng)增量調(diào)制(ADM)、自適應(yīng)差分編碼調(diào)制(ADPCM)等都屬于波形編碼技術(shù)。

波形編碼有比較好的語音質(zhì)量和成熟的實(shí)現(xiàn)方法，但其所用的編碼速率比較高，占用的帶寬比較寬，因此波形編碼多用于有線通信中。第九十七頁，共185頁。

2．參量編碼

參量編碼是基于人類語言的發(fā)聲機(jī)理，找出表征語音的特征參量，對(duì)特征參量進(jìn)行編碼的一種方法，因此也稱之為聲碼器編碼。參量編碼由于只傳送語音的特征參量，因此可實(shí)現(xiàn)低速率的語音編碼，其編碼速率一般為1.2～4.8kb/s。線性預(yù)測(cè)編碼(LPC)及其變形均屬于參量編碼。參量編碼的語音可懂度較好，但有明顯的失真，不能滿足商用語音通信的要求。第九十八頁，共185頁。

3．混合編碼

混合編碼是基于參量編碼和波形編碼發(fā)展的一類新的編碼技術(shù)，它將波形編碼和參量編碼結(jié)合起來，力圖保持波形編碼語音的高質(zhì)量與參量編碼的低速率。在混合編碼信號(hào)中，既包括若干語音特征參量，也包括部分波形編碼信息。其比特率一般為4～16kb/s，語音質(zhì)量可達(dá)到商用語音通信的要求。因此，混合編碼技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。使用較多的編碼方案是規(guī)則脈沖激勵(lì)長期預(yù)測(cè)編/解碼器(RPE-LTP)和碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼器(CELP)。第九十九頁，共185頁。常用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)語音編碼類型第一百頁，共185頁。

信道編碼技術(shù)信道編碼能夠檢查和糾正接收信息流中的差錯(cuò)。信道編碼定理指出:在編碼速率小于信道容量的條件下,通過編碼可以使譯碼錯(cuò)誤概率任意小,從而達(dá)到可靠通信。該定理證明:確實(shí)存在一種編碼方式,其誤碼率隨著碼長n的增長趨于任意小。這說明信道編碼屬于冗余編碼,而且冗余度與誤碼率存在一定的反比關(guān)系。需要指出的是冗余度越高,誤碼率就越小,系統(tǒng)的可靠性就越高;但同時(shí),編碼位數(shù)就越多,需要的傳輸速率就越高,占用的信道帶寬就越寬。因此,必須研究編碼技術(shù),在保證系統(tǒng)可靠性的前提下,盡量降低傳輸速率,減小信道帶寬。第一百零一頁，共185頁。

信道編碼的基本思想是按一定規(guī)則給數(shù)字序列m(稱為信息碼元)增加一些多余的碼元(稱為監(jiān)督碼元),使不具有規(guī)律性的信息序列m變換為具有某種規(guī)律性的數(shù)碼序列C;數(shù)碼序列中C的信息序列碼元m與多余碼元之間是相關(guān)的。接收端的譯碼器利用這種預(yù)知的編碼規(guī)則進(jìn)行譯碼,檢驗(yàn)接收到的數(shù)字序列R是否符合既定的規(guī)則,從而發(fā)現(xiàn)R中是否有錯(cuò)，甚至糾正其中的差錯(cuò)。根據(jù)相關(guān)性來發(fā)現(xiàn)和糾正傳輸過程中產(chǎn)生的差錯(cuò)就是信道編碼的基本思想。第一百零二頁，共185頁。

糾錯(cuò)編碼是應(yīng)用最廣泛的編碼,又可分為如下幾類:(1)按照糾正差錯(cuò)的類型可分為糾正隨機(jī)錯(cuò)誤的編碼和糾正突發(fā)錯(cuò)誤的編碼兩種。隨機(jī)錯(cuò)誤是指碼元間的錯(cuò)誤互相獨(dú)立,即每個(gè)碼元的錯(cuò)誤概率與它前后碼元的錯(cuò)誤與否無關(guān);突發(fā)錯(cuò)誤是指一個(gè)碼元的錯(cuò)誤往往影響其前后碼元的錯(cuò)誤概率,換句話說,一個(gè)碼元產(chǎn)生錯(cuò)誤,則后面幾個(gè)碼元都可能發(fā)生錯(cuò)誤。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,既要糾正隨機(jī)錯(cuò)誤,又要糾正突發(fā)錯(cuò)誤第一百零三頁，共185頁。(2)按照信息碼元和監(jiān)督碼元之間的約束方式不同可分為分組碼和卷積碼兩種。分組碼是指編碼的規(guī)則僅局限于本碼組之內(nèi),本碼組的監(jiān)督碼元僅和本碼組的信息碼元相關(guān);卷積碼是指本碼組的監(jiān)督碼元不僅和本碼組的信息碼元相關(guān),還與本碼組相鄰的前n-1個(gè)碼組的信息碼元相關(guān)。

第一百零四頁，共185頁。

(3)按照信息碼元和附加的監(jiān)督碼元之間的檢驗(yàn)關(guān)系可分為線性碼和非線性碼兩種。線性碼是指信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系為線性關(guān)系,即監(jiān)督碼元是線性碼元的線性組合,編碼規(guī)則可用線性方程來表示;非線性碼的信息碼元與監(jiān)督碼元之間不存在線性關(guān)系第一百零五頁，共185頁。

(4)按照碼字的結(jié)構(gòu)不同,可分為系統(tǒng)碼和非系統(tǒng)碼兩種。系統(tǒng)碼是指前k個(gè)碼元與信息碼組一致的編碼;非系統(tǒng)碼不具有系統(tǒng)碼的特性。(5)按照碼字中每個(gè)碼元的取值可分為二進(jìn)制碼和多進(jìn)制碼。二進(jìn)制碼的碼元有0和1兩個(gè)取值,M進(jìn)制碼的碼元有M個(gè)取值。二進(jìn)制碼是應(yīng)用最廣泛的編碼制式。第一百零六頁，共185頁。

根據(jù)發(fā)送端信道編碼的特性,接收端在解碼后采取的差錯(cuò)控制方式有:·前向糾錯(cuò)(FEC)。發(fā)送端的信道編碼器將信息碼組編成具有一定糾錯(cuò)能力的碼。接收端信道譯碼器對(duì)接收碼字進(jìn)行譯碼,若傳輸中產(chǎn)生的差錯(cuò)數(shù)目在碼的糾錯(cuò)能力之內(nèi)時(shí),譯碼器對(duì)差錯(cuò)進(jìn)行定位并加以糾正。·自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(ARQ)。用于檢測(cè)的糾錯(cuò)碼在譯碼器輸出端只給出當(dāng)前碼字傳輸是否可能出錯(cuò)的指示,當(dāng)有錯(cuò)時(shí)按某種協(xié)議通過一個(gè)反向信道請(qǐng)求發(fā)送端重傳已發(fā)送碼字的全部或部分。第一百零七頁，共185頁。·混合糾錯(cuò)(HEC)是FEC與ARQ方式的結(jié)合。發(fā)端發(fā)送同時(shí)具有自動(dòng)糾錯(cuò)和檢測(cè)能力的碼組,收端收到碼組后,檢查差錯(cuò)情況,如果差錯(cuò)在碼的糾錯(cuò)能力以內(nèi),則自動(dòng)進(jìn)行糾正。如果信道干擾很嚴(yán)重,錯(cuò)誤很多,超過了碼的糾錯(cuò)能力,但能檢測(cè)出來,則經(jīng)反饋信道請(qǐng)求發(fā)端重發(fā)這組數(shù)據(jù)?！ば畔⒎答?IRQ)也稱回程校驗(yàn)方式。收端把收到的數(shù)據(jù),原封不動(dòng)地通過反饋信道送回到發(fā)端,發(fā)端比較發(fā)的數(shù)據(jù)與反饋來的數(shù)據(jù),從而發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,并且把錯(cuò)誤的消息再次傳送,直到發(fā)端沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤為止。

第一百零八頁，共185頁。四、調(diào)制與解調(diào)技術(shù)4/17/2023第一百零九頁，共185頁。無線通信系統(tǒng)框圖：信源電信號(hào)調(diào)制接收機(jī)解調(diào)發(fā)射機(jī)電信號(hào)信宿無線信道噪聲和干擾消息模擬或數(shù)字信號(hào)第一百一十頁，共185頁。調(diào)制：把要傳輸?shù)男盘?hào)變換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)的過程。調(diào)制信號(hào)：調(diào)制器的輸入信號(hào)（調(diào)制前）。已調(diào)信號(hào)（調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相信號(hào)）：調(diào)制器的輸出信號(hào)（調(diào)制后）。模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制按調(diào)制信號(hào)形式劃分調(diào)幅(AM)：載波振幅調(diào)頻(FM)：載波頻率調(diào)相(PM)：載波相位隨調(diào)制信號(hào)變化參數(shù)的調(diào)制方式第一百一十一頁，共185頁。移動(dòng)通信信道的基本特征：帶寬有限。干擾和噪聲影響大。存在多徑衰落。對(duì)調(diào)制的要求：已調(diào)信號(hào)所占的帶寬要窄。經(jīng)調(diào)制解調(diào)后的輸出信噪比(S/N)較大或誤碼率較低。第一百一十二頁，共185頁。數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo)

數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo)通常通過功率有效性p和帶寬有效性B來反映。1.功率有效性p是反映調(diào)制技術(shù)在低功率電平情況下保證系統(tǒng)誤碼性能的能力，可表述成每比特的信號(hào)能量與噪聲功率譜密度之比：第一百一十三頁，共185頁。數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo)

2.帶寬有效性B是反映調(diào)制技術(shù)在一定的頻帶內(nèi)數(shù)字有效性的能力，可表述成在給定帶寬條件下每赫茲的數(shù)據(jù)通過率：式中，R為數(shù)據(jù)速率（bit/s），B為調(diào)制射頻RF信號(hào)占用帶寬。

第一百一十四頁，共185頁。第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)采用模擬調(diào)頻（FM）傳輸模擬語音，其信令系統(tǒng)采用2FSK數(shù)字調(diào)制。第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)傳送的語音都是經(jīng)過語音編碼和信道編碼后的數(shù)字信號(hào)。GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制；IS-54系統(tǒng)和PDC系統(tǒng)采用/4DQPSK調(diào)制；IS-95CDMA系統(tǒng)的下行信道采用QPSK調(diào)制，其上行信道采用OQPSK調(diào)制。第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)將采用MQAM、QPSK或8PSK調(diào)制。第一百一十五頁，共185頁。1.高斯最小頻移鍵控(GMSK)

最小頻移鍵控(MSK)調(diào)制是調(diào)制指數(shù)()為0.5的二元數(shù)字頻率調(diào)制,其調(diào)頻帶寬較窄,且具有恒定的包絡(luò),因而可以在接收端采用相干檢測(cè)法進(jìn)行解調(diào)。但是對(duì)于數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng),對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格,如帶外衰減要求在70~80dB以上,再采用MSK就不能滿足要求了。這時(shí),可采用MSK的改進(jìn)型——GMSK作為替代的調(diào)制方法。第一百一十六頁，共185頁。高斯最小頻移鍵控(GMSK)以高斯低通濾波器的歸一化3dB帶寬BbTs為參變量(Ts為碼元寬度,T=1/fb),以歸一化頻差(f-fc)·Ts為橫坐標(biāo)(fc為載波功率)的功率譜特性曲線如圖所示。由圖可知,BbTs越小,功率譜越集中，當(dāng)BbTs=0.2時(shí),GMSK的頻譜與平滑調(diào)頻(TFM)的頻譜幾乎相同;當(dāng)BbTs=∞時(shí),GMSK就蛻變?yōu)镸SK。第一百一十七頁，共185頁。高斯最小頻移鍵控(GMSK)

第一百一十八頁，共185頁。高斯最小頻移鍵控(GMSK)

需要指出的是,GMSK信號(hào)的頻譜特性的改善是通過降低誤碼率性能換來的。前置濾波器的帶寬越窄,輸出功率譜就越緊湊,但誤碼率性能就變得越差。GMSK信號(hào)的解調(diào)可采用正交相干解調(diào),也可采用鑒相器或差分檢測(cè)器。GMSK在移動(dòng)通信中有著廣泛的應(yīng)用,如GSM系統(tǒng)就采用這種方法。GSM的信道傳輸速率1/Ts=1625/6kb/s,BbTs=0.3。研究證明,當(dāng)BbTs=0.3時(shí),GMSK的功率譜完全滿足GSM標(biāo)準(zhǔn)的要求。

第一百一十九頁，共185頁。2.四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調(diào)制器的原理框圖如圖所示。它可以看成由兩個(gè)BPSK調(diào)制器構(gòu)成,輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串/并變換,分成兩路速率減半的序列,電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性電平信號(hào)I(t)和Q(t),然后分別對(duì)Acosωct和Asinωct進(jìn)行調(diào)制,相加后即得QPSK信號(hào)。第一百二十頁，共185頁。四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調(diào)制器原理框圖第一百二十一頁，共185頁。四相相移鍵控(QPSK)

信號(hào)波形圖

第一百二十二頁，共185頁。3.交錯(cuò)正交四相相移鍵控(OQPSK)

OQPSK是在QPSK調(diào)制基礎(chǔ)上演變而來的，是QPSK的改進(jìn)型，它將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)分路器分成奇偶兩路，并使其在時(shí)間上相互錯(cuò)開一個(gè)碼元間隔，然后再對(duì)兩個(gè)正交的載波進(jìn)行BPSK調(diào)制，疊加成為OQPSK信號(hào)。這樣兩個(gè)信道上的數(shù)據(jù)流，每次只有其中一個(gè)可能發(fā)生極性轉(zhuǎn)換，因此最大相位跳變?yōu)棣?2，這樣就可以避免頻譜加寬的現(xiàn)象。第一百二十三頁，共185頁。4.π/4-QPSK

π/4-QPSK也是QPSK的改進(jìn)型,改進(jìn)之一是將QPSK的最大相位跳變由±π降為±3/4π,從而減小了信號(hào)的包絡(luò)起伏,改善了頻譜特性。第一百二十四頁，共185頁。π/4-QPSK

具體來看,π/4-QPSK可以看成是在QPSK的基礎(chǔ)上,每個(gè)碼元周期內(nèi)其相位旋轉(zhuǎn)π/4而形成的。QPSK共有四個(gè)狀態(tài),由其中一個(gè)狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換為其他三個(gè)狀態(tài)中的任何一個(gè),因而存在180°的相位變化(即相位遷移通過原點(diǎn))。π/4-QPSK共有八個(gè)狀態(tài),分為兩組,相位相差45°,在圖中分別以白點(diǎn)和黑點(diǎn)表示。π/4-QPSK矢量轉(zhuǎn)換,只能在這兩組之間進(jìn)行.第一百二十五頁，共185頁。π/4-QPSK

也就是說,如果現(xiàn)在的碼元周期內(nèi),相位狀態(tài)是白點(diǎn)中的一個(gè),在下一個(gè)碼元周期內(nèi)相位狀態(tài)只能是黑點(diǎn)中的某一個(gè)?？梢姦?4-QPSK中可能出現(xiàn)的最大相位變化是135°。因此,π/4-QPSK已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)起伏比原型QPSK要小,經(jīng)非線性放大后的頻譜特性也優(yōu)于原型QPSK。第一百二十六頁，共185頁。

π/4-QPSKπ/4QPSK星座圖和相位轉(zhuǎn)移圖第一百二十七頁，共185頁。

π/4-QPSK對(duì)QPSK的改進(jìn)之二是解調(diào)方式。QPSK只能采用相干解調(diào),而π/4-QPSK既可以采用相干解調(diào),也可以采用非相干解調(diào),如差分檢測(cè)和鑒頻器檢測(cè)等。π/4-QPSK相位調(diào)制技術(shù)是近幾年來移動(dòng)通信中使用較多的一種調(diào)制方式,美國的IS-136數(shù)字蜂窩系統(tǒng)、日本的個(gè)人數(shù)字蜂窩系統(tǒng)(PDC)和美國的個(gè)人接入通信系統(tǒng)(PACS)都采用這種調(diào)制技術(shù)。

第一百二十八頁，共185頁。5.正交振幅調(diào)制(QAM)

正交振幅調(diào)制是二進(jìn)制PSK和四進(jìn)制QPSK調(diào)制的進(jìn)一步推廣,通過相位和振幅的聯(lián)合控制,可以得到更高頻譜效率的調(diào)制方式,從而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為Y(t)＝Amcosωt+Bmsinωt,0＜t＜Ts上式由兩個(gè)相互正交的載波構(gòu)成,每個(gè)載波被一組離散的振幅{Am}、{Bm}所調(diào)制,故稱這種調(diào)制方式為正交振幅調(diào)制。式中,Ts為碼元寬度,m＝1,2,…M;而M為Am和Bm的電平數(shù)。第一百二十九頁，共185頁。正交振幅調(diào)制(QAM)QAM調(diào)制和相干解調(diào)的原理框圖第一百三十頁，共185頁。正交振幅調(diào)制(QAM)

經(jīng)分析可知,QAM具有更高的頻譜效率,這是由于它具有更大的符號(hào)數(shù)。對(duì)于給定的系統(tǒng),所需要的電平數(shù)為2n,這里n是每個(gè)電平的比特?cái)?shù)。每個(gè)電平包含的比特(基本信息單位)越多,效率就越高。如16QAM在25kHz信道中可實(shí)現(xiàn)64kb/s的傳輸速率,其頻譜利用率高達(dá)2.56b/s·Hz;而64QAM的頻帶利用率可達(dá)5b/s·Hz。但需要指出的是,QAM的高頻帶利用率是以犧牲其抗干擾性來獲得的,電平數(shù)越大,信號(hào)星座點(diǎn)數(shù)越多,其抗干擾性能就越差。因?yàn)殡S著電平數(shù)的增加,電平間的間隔減小,噪聲容限減小,同樣噪聲條件下誤碼也就增加。

第一百三十一頁，共185頁。

五、均衡與分集接收技術(shù)

為了克服信道中的碼間干擾，可在接收端抽樣判決之前附加一個(gè)可調(diào)濾波器，來校正或補(bǔ)償信號(hào)傳輸中產(chǎn)生的線性失真。這種對(duì)系統(tǒng)中的線性失真進(jìn)行校正的過程就叫做均衡，而實(shí)現(xiàn)均衡的濾波器就是均衡濾波器。均衡技術(shù)就是用來克服信道中碼

間干擾的一種技術(shù)。

第一百三十二頁，共185頁。

分集技術(shù)就是研究如何利用多徑信號(hào)來改善系統(tǒng)的性能。它利用多條具有近似相等的平均信號(hào)強(qiáng)度和相互獨(dú)立衰落特性的信號(hào)路徑來傳輸相同信息，并在接收端對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，以便大大降低多徑衰落的影響，從而改善傳輸?shù)男阅堋?/p>

下面分別介紹均衡技術(shù)和分集接收技術(shù)的工作原理。第一百三十三頁，共185頁。均衡技術(shù)

均衡分為頻域均衡和時(shí)域均衡兩類。

（1）頻域均衡是指使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件。

（2）時(shí)域均衡是指直接從時(shí)間響應(yīng)的角度去考慮，使均衡器與實(shí)際傳輸系統(tǒng)總和的沖擊響應(yīng)接近無碼間干擾的條件。第一百三十四頁，共185頁。

頻域均衡比較直觀且易于理解，常用于模擬通信系統(tǒng)中，而數(shù)字通信系統(tǒng)中常用的是時(shí)域均衡。因此，本節(jié)只介紹時(shí)域均衡的原理。

時(shí)域均衡的基本原理可通過圖來說明。它利用波形補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)失真波形直接加以校正，這可以通過觀察波形的方法直接進(jìn)行調(diào)節(jié)。第一百三十五頁，共185頁。圖2-6時(shí)域均衡的原理第一百三十六頁，共185頁。

圖(a)所示為單個(gè)脈沖的發(fā)送波形，圖(b)所示為經(jīng)過信道和接收濾波器后輸出的信號(hào)波形。由于信道特性的不理想和干擾造成了波形的失真，附加了一個(gè)“拖尾”。這個(gè)尾巴將在t0－2Tb、t0－Tb、t0+Tb、t0+2Tb各抽樣點(diǎn)上對(duì)其他碼元信號(hào)的抽樣判決造成干擾。如果設(shè)法加上一個(gè)與拖尾波形大小相等、極性相反的補(bǔ)償波形(如圖(c)所示)，那么這個(gè)波形恰好就把原失真波形中多余的“尾巴”抵消掉。這樣，校正后的波形就不再有“拖尾”了，如圖(d)所示，這樣就消除了該碼元對(duì)其他碼元信號(hào)的干擾，達(dá)到了均衡的目的。第一百三十七頁，共185頁。

接下來的問題就是如何得到補(bǔ)償波形及如何實(shí)現(xiàn)時(shí)域均衡。時(shí)域均衡所需要的補(bǔ)償波形可以由接收到的波形經(jīng)過延遲加權(quán)后得到，所以均衡濾波器實(shí)際上由一抽頭延遲線加上一些可變?cè)鲆娴姆糯笃鹘M成，如圖(a)所示。第一百三十八頁，共185頁。圖2-7均衡濾波器第一百三十九頁，共185頁。它共有2N節(jié)延遲線，每節(jié)的延遲時(shí)間都等于碼元寬度Tb，在各節(jié)延遲線之間引出抽頭共(2N+1)個(gè)。每個(gè)抽頭的輸出經(jīng)可變?cè)鲆?增益可正可負(fù))放大器加權(quán)后輸出。因此，當(dāng)輸入有失真的波形x(t)時(shí)，只要適當(dāng)選擇各個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆鍯i?(i=

－N，－N+1，…，0，…，N)，就可以使相加器輸出的信號(hào)y(t)對(duì)其他碼元波形造成的串?dāng)_最小。圖(b)、(c)分別為存在碼間干擾的信號(hào)x(t)和經(jīng)過均衡后在判決時(shí)刻不存在碼間干擾的信號(hào)y(t)的波形。第一百四十頁，共185頁。

理論上，拖尾只有當(dāng)t→∞時(shí)才會(huì)為0，故必須用無限長的均衡濾波器才能對(duì)失真波形進(jìn)行完全校正，但事實(shí)上拖尾的幅度小于一定值時(shí)就完全可以忽略其影響了，即一般信道只需要考慮一個(gè)碼元脈沖對(duì)其臨近的有限幾個(gè)碼元產(chǎn)生串?dāng)_的情況就足夠了，故在實(shí)際中只要采用有限個(gè)抽頭的濾波器就可以了。

均衡器在實(shí)際使用過程中，通常都用示波器來觀察均衡濾波器的輸出信號(hào)的眼圖，通過反復(fù)調(diào)整各個(gè)增益放大器的增益Ci，使眼圖的眼睛達(dá)到最大且最清晰為止。第一百四十一頁，共185頁。2.分集接收技術(shù)

（1）分集接收的概念

所謂分集接收，是指接收端對(duì)它收到的多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立(攜帶同一個(gè)信息數(shù)據(jù)流)的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低信號(hào)電平起伏的方法。其基本思想是：將接收到的多徑信號(hào)分離成獨(dú)立的多路信號(hào)，然后將這些多路分離信號(hào)的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號(hào)能量最大，數(shù)字信號(hào)誤碼率最小。

第一百四十二頁，共185頁。

分集有兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并，以降低衰落的影響。第一百四十三頁，共185頁。(2)分集技術(shù)的分類

a.按分集的目的分類

宏觀分集：抗慢衰落；

微觀分集：抗快衰落；

b.按信號(hào)傳輸?shù)姆绞椒诸?/p>

顯分集：比較明顯的分集信號(hào)的傳輸方式

隱分集：分集作用隱含在傳輸信號(hào)之中的方式第一百四十四頁，共185頁。(3)常用的顯分集及其合并技術(shù)

顯分集技術(shù)的種類有很多種，可以分為時(shí)間分集、頻率分集、空間分集和極化分集等。下面分別加以介紹。第一百四十五頁，共185頁。

1)時(shí)間分集

對(duì)于一個(gè)隨機(jī)衰落的信道來說，若對(duì)其振幅進(jìn)行順序取樣，那么在時(shí)間上間隔足夠遠(yuǎn)(大于相干時(shí)間)的2個(gè)樣點(diǎn)是互不相關(guān)的。這就提供了實(shí)現(xiàn)分集的一種方法——時(shí)間分集，即發(fā)射機(jī)將給定的信號(hào)在相隔一定的時(shí)間上重復(fù)傳輸M次，只要時(shí)間間隔大于相干時(shí)間，接收機(jī)就可以得到M條獨(dú)立的分集支路，接收機(jī)再將這一重復(fù)收到的多路同一信號(hào)進(jìn)行合并，就能減小衰落的影響。第一百四十六頁，共185頁。

時(shí)間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號(hào)，這有利于克服移動(dòng)信道中因多普勒效應(yīng)而引起的信號(hào)衰落現(xiàn)象。由于它的衰落速率與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度及工作波長有關(guān)，為了使重復(fù)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)具有獨(dú)立的特性，必須保證數(shù)字信號(hào)的重發(fā)時(shí)間間隔滿足以下關(guān)系：第一百四十七頁，共185頁。ΔT≥式中：fm為衰落速率；v為移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；λ為工作波長。若移動(dòng)臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，即v=0，由式(2-1)可知，要求ΔT為無窮大，表明時(shí)間分集對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)無助于減小此種衰落。時(shí)間分集只需使用一部接收機(jī)和一副天線。第一百四十八頁，共185頁。

2)頻率分集

由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個(gè)信號(hào)所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個(gè)以上不同的頻率傳輸同一信息，以實(shí)現(xiàn)頻率分集。第一百四十九頁，共185頁。

根據(jù)相關(guān)帶寬的定義有Bc=1/(2πΔ)，其中Δ為延時(shí)擴(kuò)展。例如，市區(qū)中，Δ=3μs，Bc約為53kHz，這樣頻率分集需要兩部發(fā)射機(jī)(頻率相隔

53kHz以上)同時(shí)發(fā)送同一信號(hào)，并用兩部獨(dú)立的接收機(jī)來接收信號(hào)。另外，在移動(dòng)通信中，可采用信號(hào)載波頻率跳變(調(diào)頻)技術(shù)來達(dá)到頻率分集的目的，只是要求頻率跳變的間隔應(yīng)大于信道的相關(guān)帶寬。第一百五十頁，共185頁。

3)空間分集

空間分集是利用場(chǎng)強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的。在移動(dòng)通信中，空間的任何變化都可能引發(fā)場(chǎng)強(qiáng)的變化。一般兩副天線間的間距越大，多徑傳播的差異也越大，接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小，因此衰落也就很難同時(shí)發(fā)生。換句話說，利用兩副天線的空間間隔可以使接收信號(hào)的衰落降低到最小。

第一百五十一頁，共185頁。空間分集

第一百五十二頁，共185頁。

移動(dòng)通信中空間分集的基本做法是在基站的接收端使用兩副相隔一定距離的天線對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行接收，這兩幅天線分別稱為接收天線和分集接收天線。這兩副接收天線的距離相隔為d，d與工作波長λ、地物及天線高度有關(guān)，在移動(dòng)信道中，通常取：

市區(qū)d=0.5λ

郊區(qū)d=0.8λ

在滿足上述條件時(shí)，兩信號(hào)的衰落相關(guān)性已很弱；d越大，相關(guān)性就越弱。

第一百五十三頁，共185頁。

在900MHz的頻段工作時(shí)，兩副天線的間隔也只需0.27m，在小汽車的頂部安裝這樣兩副天線并不困難，因此空間分集不僅適用于基站(取d為幾個(gè)波長)，也可用于移動(dòng)臺(tái)。第一百五十四頁，共185頁。

4)極化分集

移動(dòng)環(huán)境下，兩個(gè)在同一地點(diǎn)，極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)具有不相關(guān)的特性。利用這一點(diǎn)，在發(fā)送端同一地點(diǎn)分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可得到兩路衰落特性互不相關(guān)的信號(hào)。極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有兩路。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省時(shí)間；缺點(diǎn)是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，因此信號(hào)功率要損失3dB。

目前，可以將這種分集天線集成于一副發(fā)射天線和一副接收天線。若采用雙工器，則只需一副收/發(fā)合一的天線，但對(duì)天線要求較高。第一百五十五頁，共185頁。

5)分集合并方式

接收端收到M(M≥2)個(gè)分集信號(hào)后，如何利用這些信號(hào)以減小衰落的影響，這就是合并問題。第一百五十六頁，共185頁。一般均使用線性合并器，把輸入的M個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)相加后合并輸出。

假設(shè)M個(gè)輸入信號(hào)電壓為r1(t)，r2(t)，…，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為式中，ak為第k個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。第一百五十七頁，共185頁。

選擇不同的加權(quán)系數(shù)ak，就可以構(gòu)成不同的合并方式。常用的合并方式有如下3種。

(1)

選擇式合并：它檢測(cè)所有分集支路的信號(hào)，以選擇其中信噪比最高的那一條支路的信號(hào)作為合并器的輸出。圖所示為二重分集選擇式合并的示意圖。兩個(gè)支路的高頻信號(hào)分別經(jīng)過解調(diào)，然后進(jìn)行信噪比比較，將其中有較高信噪比的支路接到接收機(jī)的共用部分。選擇式合并又稱開關(guān)式相加。這種方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。但由于未被選擇的支路信號(hào)棄之不用，因此抗衰落效果不好。第一百五十八頁，共185頁。圖2-8二重分集選擇式合并第一百五十九頁，共185頁。

(2)最大比值合并：它是一種最佳的合并方式，其方框圖如圖所示。每一支路信號(hào)包絡(luò)為rk，每一支路的加權(quán)系數(shù)ak與包絡(luò)rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即由此可得，最大比值合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)為式中，下標(biāo)R表征最大比值合并方式。第一百六十頁