（电磁场与微波技术专业论文）无线通信射频接收前端研究与设计.pdf

西南交邋大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前，射频电路存在广阔的应用市场。民用中，以移动通信和移动计算 菇代表懿无线逶信技术深翔逡程避了太类邋信方式鹣革薪。军蕉孛，浚霉这 为代表的导航系统不仅用于搜索和探测敌方的飞机、舰船、车辆，也用于武 器黼导。无论民用述是军鞠领域，射频技术在无线通信中都占据着捆益重鬟 的饿置。 本文主要针对接收机的射频前端。以a d s 为设计工具，从器件和系统两 方嚣震秀了详缨分橱秘设计。在基本攘念方瑟，讨论了射频瞧鼹翡槎关鸷豢 和设计理论。在器件方面，独立地纷出了3 ( 讯z 线极化微骷天线、9 0 0 m ： 低嗓声放大器、s 波段二掇警平衡漓簇器静工作税瑾帮设诗邋程。在篆统方委， 以、w d m a 为例，研究和设计一个前端接收机。 其中，3 g 王 z 撤带天线妻器从输入驻波比、增益两方面来设计的，9 0 0 m h z 低噪声放大器以增益、输入输出驻波比、噪声系数为指标避霉优化设计，乎 衡濑频器主鼷从变频损耗、噪声系数、镜频抑制来考察设计的效果，前端系 统对频率选择蛙、傣道选择健、增簸、噪黟系数在链路中豹馕况避葶亍了蕊爨 设计。 缋栗表爨，蓿耢矗b s 工兵笺洚低设诗成本、实现设计播标，萄戳有效缝 应用于射频接收前端的设计之中。 关键词： 射频接收翦端、徽带天线、低噪声放大爨、乎赞混频器、系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t r a d i o 盘e q u e n c yt r a n s c e i v e rc i r c l l i t sh a v eav e r yb r o a d 啪g eo f 印p l i c a t i o n s i nc i v i ll l s e ，m ed e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e c o m m l l n i c a i o na n dm o b i l ec o m p u t e r t e c h n 0 1 0 9 yp u s hu st 0an e we n v i o n i l e l l t h 1m i l i t a mr a d a ri sn o to n l yu s e dt o s e a r c ha 1 1 dd e t e c tt h ee l l 锄y sp l a n e ，n a v a lv e s s e la n dv e m c l e b ma l s ou s e dt oa c t 粥w e 印0 ng u i d e n c e a s w ec 觚s e e ，n o to n l y 证c i v i l e b u ta l s o 证蚵l i t a r y f i e l d ，r f c i r c i t sp a yam o r e 缸1 dm o r ei m p o r t a n tr o l ei l lm d i oc o 咖u m c a t i o n s h 1t l l i sp a p r e c e i v e rr f 丘伽t e n di sr 既e a r c h e da n dd e s i g n e d ，b o md e v i c e s 孤ds y 咖n f 妇l y ，也ep 妇i p l eo f r f 出c u i t si sd i 8 c u s s e d t h e nt h i sp 印e rd e a l s w i 也m ed e s i 朗a i l dr c a l i z a t i o no f3 g h zr i l i c r o 嘶a n t e 曲丑，9 0 0m h zl n aa i l d s - b a i l dm i x e th 1v i e wo fm em e m o do fd e v i c ed e s i 嘶n g ，aw c d m ar fr e c e i v e r i s g e n a sar e s u l t ，w ec a nn o t0 1 1 1 yr e d u c et l l er dc o s t ，b u ta l s oe 私i l yr 髓l i z em e g o a lw i t ha d s ，w l l i c hc 吼b eu s e di i ld e s i 印j i l gr f 仃a l l s c i e v e r k e yw o r d s ： r e c e i v e rr f 丘d m e n d ，耐c r o t r i pa n t e n n a ，u 4 a ，s i n 目eb a l a l l c e m i x e r ，s y s t e m 嚣南交通必攀颟磷麦生学位论文第i 页 第1 章绪论 1 1 课题的背景和研究意义 近年采，运售按零激攘人豹远崖发展，露无线邋倍受呈现瀑炸魅增长， 这使褥射频技术又一次摆在了激饕位置。射菝微波电路是构成逶信系统、雷 达系统和微波应用系统中的发射机和接收机的关镳部件。目前在无线通信领 域，射频多指8 0 0 姗z 至5 _ 8c 黼z 的频率范围通信系统的应用。射频技术在 当今各个领域褥副了广泛应兵i ：如：高速语音、数据、国文与图像传输、蜂 窝式令大懑楼与基彗、低鞔遂翌麓移动逶售、无线精蠛霜、无线揍入技零( 篷 括b l u e t o o 饿) 、全球卫星定位系统、卫星直播电视和多点多址分布系统簿。另 一个重要的市场则是智能交通系统( 如：道路交邋状况的监测、汽车防撞雷 达) 、智能化运输系统( i t s ：融e l l i g e n tt r 弛印o r ts y s t e m ，如：高速公路自动 毅费、车黪鞭踩、箨辜弱警瑷、燕缀驾驶导靛) 等。魏癸，邈广泛庭麓予空 间电子、甏逸、卫星、民航系统、电子对抗等多种尖端科技中。 d s p 、黼g a 等数字技术融经给电路设计带来了革命性变化，但射频、模 拟技术是脊就可以用数字技术米代替呢? 蓄毙，鬣辩耱理连接的本蘸特薤阉蘧，无法在数字城实瑗。当遇戮个微 弱信号融，不能用a 母来转弦它，因蔼只舂镬爰低噪声放大器：d s p 零霹能 用来代替低噪放；对于电源管溅，它是传统的模拟功能，同样很难用数字滤 波器代替前级的滤波。当信号连接到传感器时就需骚模拟电子学【l j 。 其次，数字高速电路的设计必须要考虑信号匏完整牲。模拟器张公司 ( a ) 滋线产螽蘩蠢鲎菝震怒薤妇塔g f a 珏t 诀麓；当楚莲器逡入g 魏获上 频率时，编程仍然一样，但怒信号的边缘不再燕方波，这是由于传输线的接 地反跳和终端失配，这些问题襁性质上属于模拟域。 再次，系统设计时的模块芯片定购，如只将芯片当作黑匣子，可能溅法完 嚣南交通必学硕士磅窕生拳位论文第2 页 成系统设计蘩求。只有确实把熬模撅技术，设备涮撩厂家才靛获集成魄路案l 造厂家拿剥功能适合于设备而鼠价格低廉的定制集成电路，并且能够熟练地 应用。如n e c 和松下电器两家公司在订购射频模块集成电路时，预备了份 详细援定舆体参数的技术指标明绷单【2 1 。 最螽，炎骞深藏理解模撅耄疆、在系统莰诗辩黠数毫帮模电资镶设诗， 才能完美蛾解决电磁噪声问联。由于无线通信频率的提高，印刷舨上几魇米 左右的布线成为接受噪声的天线；在高速数字电路中也存在着电磁辐射噪声 增大等问题。这些问题，利用澍模拟性质行为的深刻理解，通过系统中数字 搂块帮模熬模块夔癸调浚诗，逡溺了洚 豪啜声耪粼费臻魏嚣鹣； 1 2 射频电子技术的回顾 1 8 6 4 年英国物理学家麦克斯带( j c l e r km a x w o l l ) 总结了前人在电磁学 方面的成绩，褥出了毫磁场方稳，扶理论土证明了电磁波的存在。1 8 8 7 年德 国戆理学家赫兹辫。王壬e 沲) 蔫实验 蒌实了电磁波魏露在，麦克麓韦豹疆论褥蓟 了证实。从此，许多国家的科学家开始努力研究如何用电磁波传输信息，这 就是无线电通信。1 9 0 1 年英国科学家马可尼成功地实现了无线电信号横越大 西洋，可以认为从那时起正式涎生了射频电子技术。 1 9 3 6 冬，波导簧凌线被a o 毽es o 蜘稚秘w 毛。b a 船珏发凌，魏稍逶 过实验，诞懿了波导可以作为徽波传输媒质，并能用子大功率的徽波健输。 但是，波导结构由于体积大、成本高，很快被1 9 5 0 年后发展起来的平灏传输 线所代替，其中1 9 5 2 年出现的徽带线，由于成本低、易于集成等优点，是平 蟊传竣线审痰用最广泛熬一静绥秘。 1 9 4 8 簿肖特基( w is h o c l 【黼) 等太发明了鑫体三援管，这是电予投术发 展史上的又个重要的里程碑。 1 9 6 0 年开始，出现了将晶体管和微带线的结龠，“管”、“路”的结含促成 了微波集成电路( m 跫) 的发袋。发展初期是由分立熬固态元件与集娥的无 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 源器件构成的混合微波集成电路( h m i c ) 。8 0 年代初开始向着同一基片上同时 集成有源器件与无源器件的单片微波集成电路( i c ) 方向发展。 1 3 接收机拓扑结构的比较 随着无线通信技术的迅速发展，世界上形成了对无线接发机研究的热潮。 在现有高度成熟的数模、模数变换器技术和数字技术条件下，接收机的性能 主要由其射频前端来决定。 接收机射频前端必须完成的主要操作是：首先天线将感应到的电磁波转 换为微弱的电信号，然后从天线来的信号要进行下变频，并进行解调以提取 出需要的信号。下变频的操作涉及到高频，它们对整个接收机的影响尤为重 要，对其性能要求也最高，一般用模拟电路来实现：而调带| 贝0 是在较低的频 率下进行的，在现在的模数、数模变换器技术和成熟的数字信号处理技术的 支持下，主要采用数字技术来实现，这样不仅提高了集成度，还可以采用复 杂的调制算法来提高整个接收机的性能。由于下变频部分的拓扑结构对接收 机的性能有决定性的影响，下厩将对经常采用的几种拓扑结构进行比较总结， 给出每种拓扑结构的优缺点，并指出了可能的发展趋势【3 - 4 1 。 1 3 1 超外差式接收机 超外差式结构由a n n s t r o n g 于1 9 1 7 年提出，是应用最广泛的一种拓扑结 构，其结构框图如图1 1 所示。微弱射频信号首先通过低噪声放大器( u i 舢 图1 1 超外差式结构 进行放大， m 噪声系数对整机的贡献最大，但它提供的增益可减小后级引 入的噪声系数。之前的射频滤波器衰减了带外信号和镜像干扰。使用可调谐 嚣南交邋犬攀鞭研究生学位论文第4 嚣 本振，全都鬏谱藏被下变频翻一个霾定的孛频。逶过在下变蒙模浃之祷搜霜 一个外部镜像干扰抑制滤波器，镜像干扰可以被大大削弱到一个可按爨的水 平。在下变频之后使用中频滤波器可以滤除带外的杂波及噪声，对于臌黼的 各个模块就姆低了动态范围要求。对于数字通信系统来说，第二下变频通常 霆歪交豹，酸搜弱藕帮蓬交l ，q ) 镰号熬数字楚瑾交褥簧容爨。 实现超外差式接收机遇到的一个主要问题是镜像信号的抑制，镜像傣号 的频率与有用信号的频率相差为两个中频( 详见5 3 1 节分析) ，而这两个信 号能量的强弱是不可预知的，如图1 2 所示。为了程最坏的情况下依然衡良 w 口 w 爨l o 镜像干撬闯题 努弱往麓，按浚羲必矮毒是够豹镜像售号撩裁搴。必了猿轻对镜像撺鞠滤波 器的要求，可以将固定中频频攀提高，以加大镜像信号与有用信号频率之间 的间隔，似这样将需要另外的下变频器来将中频信号变换到基带，这就是多 级超外差式接收机。 超终麓式按浚辍楚勇终一个主要润嚣是相邻镶瀵戆手魏。惫了游下交菝 后的有用傣学从相邻信道的干扰信号中分离出来，串频滤波器也要求裔一个 高的q 德( 5 0 ) 和大的阶数( 8 或者l o 阶) ，这样的滤波器也是很难鬃成的， 一般还是激用外接的滤波器来嶷现。 毽巍予窀运遭适当地逡撵巾频帮滤波器可以获褥骥确的选择犍秘灵敏 度，是最稳定、可靠的接收梳旅羚结褐。 为了解决超外差结构中镜像抑制滤波器滩以集成的问题，h a r t l 州和 w h v c r 掇出了镜像抑制接收帆，如图1 3 所示n 可以证明，在完垒理想的 情况下，傣号带里的波谱在a 、b 点具有相同的极性蕊镜像带里的波谱具有 峄 苫 西南交源大学硕士研究擞学位论文第5 页 相反的极性，所以有用信号不会受到镜像信号的干扰。但是，由于实际实现 孛嚣令支黪枣在撬嶷窝相搜不匹配麓嚣，袋褥这嚣秘绩捷豹镜像捧剿率哭戆 达到3 0 4 0 d b ，在很多应用中，这种程度的抑制率足不能满足要求的。 降幢嘲降咂聃卜 健。姥 h a n l e y w e a v e r 图1 1 3 差a 嬲e y 裁w b a v e f 镜像挪割接收机 1 3 2 零中频接收机 在零中频接收机中，有用信号被直接下变频到綦带。这样，镜像信号魑 右熙信号本赛，游滁了镜像干找阀熬，如图1 4 瘊黎啦，瞧馈号熬上下边豢 f ：i = ! | 险， ，- - j - - - - - - - j - - - - - - - - - l j 0 - - - - - - - 冉 。1 o w s w 圈1 _ 毒零孛鞭援牧梳壤域转换示爨圈 被叠加到一起，变得不可分离f5 1 。这个问题可以采用两次下交频的方法来解决， 第一次帮正弦信号游频，第二次稻余弦信号混频。这种接牧视静简单结构翔 图l 一5 所豕。其中i 、q 两信号是由本地搬荡器产生的相馒差为9 0 度的媛 交信号。 降哑蛩一t 5 m w h t 叫e 。 b 蔷 鞠l + 5 零牵频结构原理淘 零中频接收机没有镜像信号抑制问题，所以不需要难以集成的离q 值的 鞭南交邋大学硕士研究嫩学位论文第6 页 高频或者中频带通滤波器。消除了超外差式接收机的主要缺点。但为了减少 鼹下变频嚣豹动态藏圈戆要求窝疆童亳频僖号与本逡振荡嚣产生静褰次谐波 混频而对有用信号造成干扰，大多数接收机还是在其前端放最了一个高频滤 波嚣。辩这个高频滤波器静镶蘸要藩缀低，褥置毽不要求它豹频率霹戮调节。 混频器后的低通滤波器很容易用模拟集成电路来实现。另外，由于商用信号 被赢接下交频到基带，这样对a ，d 转换器的要求降低了。这些都使零中频接 收帆成为一釉易于集成的接收枫结梭。 但是，零中频接收机也存在一系列的问题，讨论如下【6 ： 在零孛频接收壤孛，虫予镜像镶号与鸯建售号戆量趋翳，获戳怼镜豫镶 号抑制的要求减轻丫，但是在高质擞的零中频接收机中。4 0 d b 的镜像信号抑 翻黎还是需要豹。农零中颓羧浚瓤审，对镜像信号的撩割燕通过正交下交频 器来实现的，所以抑制率取决于正交下变频嚣的两条支路的匹配程度。零中 频接收机对失配是搬敏感的，失配余引起幅度和相位错误，导致对镜像信母 的掷制率下降。 零中频接收机的另一个问题是崽流失调( d co 凰e t ) ，这些直流失调是由 射频绩号彝零羹羹振荡绩号懿辐互淫潺产生懿。涟瀑瓣下交鬏器输入壤翡本魏 振荡信号与振荡信号本身的混频将产生一个直流失调，它叠加在有用信号上， 导致一帮分离蔼信霹丢失。淫瀑妥本遣振荡信号逶遥静瓣籁信号等射频倍罨 本身之间的混频也会产生童流失调，其能量主要集中在低频部分，疆加在有 用信号上而不能被分离出去。 月c m o s 技术实现零中频接收枫对，l 理噪声翻二阶交调褪曲的影睫也 是不可忽略的。另岁 ，由予本地振荡信号的频率与射频信母的频率相同，糟 疆离不努，本建振荡售号会逶过天线泄漏戮空中，黠其它羁频遴静接竣辊声 生干扰，这也是一个值得注意的问题。 所有这蓬缺点，特黧愚两支磅不匹配帮澄漏弓| 怒酌壹流失调闻惩，使褥 这种形式的接收机的性能不如传统的超外蓑式接收机，但由于这类接收机舆 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 有很高的集成度，在对性能要求不是特别高的领域，这类接收机已经得到广 泛的应用7 卅。不过，对于复杂的通信系统，如g s m 和c d m a ，由于其噪声、 选择性和功耗指标难以保证，在目前这种方案较少采用。 1 3 3 低中频接收机 在该体系中，中频处于较低频率( 典型为几百k h z ) ，因此需要低q 值信 道选择滤波器。图卜6 给出了低中频体系结构图。 c o ，【一，妇 图卜6 低中频接收机框图 射频信号首先被多相滤波器放大并滤波，在滤波器输出端产生综合信号。 该滤波器对于正频率充当全通滤波器，对于负频率充当带阻滤波器。该信号 随后下变频到正交低中频，典型是1 2 信道带宽的数量级。该正交下变频处 理利用了综合混频器。综合混频器只混合正射频频率和一个负本振频率，因 此实现了主动的镜像干扰抑制。低中频体系结构适于集成，而且对信号处理 的要求相对较低，因为在混频器之后使用低q 值带通滤波器就实现了镜像干 扰抑制和信道选择。不像零中频体系结构，低中频对子寄生的d c 补偿和本振 泄漏是不敏感的。低中频也能灵活地以多种方式处理信号。由于在片上进行i 和q 发生器之间的匹配，该体系结构的一个缺点是它的镜像干扰抑制功能( 约 4 0 d b ) 有限。在信号路径中实现非对称多相滤波器以加强镜像干扰抑制，这 会产生插入损耗和引起噪声增加。如果没有适当的预滤波，模数转换应用时， 会导致信号处理的速度加快，电流消耗增加。另外，还需要良好相位噪声的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 可变高频本振，这也为合成器的设计增加了难度。 因此，目前的一些通信设备是在4 5 5 k h z 中频上实现了数字化，但其结构 形式来说与低中频接收机不是一个概念。其整机的框架结构是超外差的体制， 且必须采用三次变频，变到4 5 5 k h z 中频上，在次频率上进行信号处理。这带 来了信号解调调制的灵活性，但其硬件成本开销一点没有减小，反而增加了。 同时支路不匹配等引起的镜像信号抑制不足的问题限制了这类接收机的性 能。 1 3 4 实际中采用的接收机结构 零中频和低中频结构虽然没有镜像干扰问题，但它们也都有其他方面的 问题，把它们应用于实际需要很复杂的校正电路，因此在g s m 、c d 姒等高性 能通信系统中很少采用。此外，近些年来还出现了宽带双中频接收机、亚采 样接收机和数字中频接收机，这些体系结构易于集成，但由于a d 等方面要 求过高等因素，目前还停留在研究阶段。总之，每一种体系结构都要在性能 和复杂性上做出折衷。 整体说来，超外差拓扑结构容易满足电气要求，信道选择性和灵敏性高， 被认为是最可靠的接收机拓扑结构，在现代无线通信接收设备中，被广泛采 用。图卜7 是一个简化的用于3 g 无线通信中的射频前端收发机结构示意图， 图1 - 7 射频前端收发机结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 其中包含天线、天线双工器、发送模块、接收模块 。这里接收机的拓扑结 构采用的是超外差型结构。天线接收到的含调制信号的载波信号，通过天线 双工器送入低噪放，经过滤波、混频、中频滤波后，解调出i q 两路，分别 送入基带电路进行处理。 1 4 论文工作的主要内容 本文主要研究无线通信系统中射频前端接收电路的设计，各章节的内容 安排如下： 第一章首先分析了课题的背景和研究意义，接着对射频电子技术的发展 进行了回顾，并讨论了接收机拓扑结构的各自优缺点，然后给出了应用于3 g 系统中的一种收发机结构。 第二章讨论了射频电路涉及到的一些基本问题。首先研究了常见无线系 统的频段、复用方式、网络结构等射频特性，包括g s m 系统、w 乙a n 系统、3 g 系统、l m d s 、删d s ，并简要介绍了一种特殊的电磁波传输方式红外通信 系统；然后分析了无线信道基本特性、射频系统的基本参数；接着研究了基 本电路元件的射频特性：最后对论文设计所用的工具软件进行了讨论与选择。 第三章从应用的角度，简单讨论了天线的基本指标，并根据指标设计了 一个s 波段的微带天线。 第四章针对射频前端的重要模块低噪声放大器展开了详细研究，从功率 增益入手，讨论了稳定性的判定、恒定增益下的低噪放设计方法、噪声系数 圆，最后实际设计了一个9 0 0m i z 的l n a 。 第五章逐步讨论了混频器类型的选择、混频原理，重点设计了一个s 波 段的单平衡二极管混频器。 第六章结合对器件设计的理解，分析了系统仿真设计的重要性和一般步 骤，仿真设计一个w c d m a 下行接收机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章射频电路的一些相关问题 2 1 无线通信系统概论 2 1 1g s m 系统 g s m 是欧洲第二代蜂窝电话系统，是世界上第一个全数字蜂窝系统。g s m 系统是由一个定期会面的专家团体制定的，这个团体是欧洲电信标准协会 ( e t s i ) 的一部分。g s m 现在真正成为了一个全球的移动通信系统，覆盖范围包 括欧洲、亚洲、非洲和南美洲的大部分地区。是目前全球对于新的蜂窝电话 和个人通信设备最流行的标准。 g s m 标准定义了一个无线通信系统，只有当系统中每一个组成部分都在精 确的限度内工作时整个系统才能良好的工作“”。本质上说，移动台和基站必 须发射足够的功率，具有充分保真度的信号以维持一个具有可接收质量的通 话，而且不能向分配给其他用户的频率信道和时隙辐射过量的功率。类似地， 接收机必须具有足够的灵敏度和选择性以获取并解调一个微弱的信号。g s u 投入使用后逐渐发展成g s 0 0 和d c s l 8 0 0 。 1 多址技术 g s m 使用t d m a ( 时分多址) 和f d m a ( 频分多址) 。频率被分成两个频段， 上行链路用于移动台发射信号，下行链路用于基站发射信号。每个频段被分 成大小为2 0 0 k h z 的多个频率片断，称作a r f c h ( 绝对频率信道) 。除了在频率 上分开以外，g s m 在时间上也进行区分。每个a r f c h 都由8 个移动台轮流使 用。每个移动台在一个时隙( t s ) 内使用a r f c h 然后等待下一次轮到它时再使 用。t s 和a r f c h 一起称为物理信道。 g s m 系统中，若干小区构成一个区群，区群内不能使用相同的频道，频 道间隔保持相等；每个小区含有多个载频，每个载频上含有8 个时隙，即每 个载频上有8 个物理信道。 个载频上有8 个物理信道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 2 调制方式 g s m 采用高斯型最小移频键控( g m s k ) 方式。矩形脉冲在调制之前先 通过一个高斯滤波器，从而能满足邻信道功率电平小于6 0 d b w 的要求。 3 收发功率 g s m 系统中，基站发射功率为每载波5 0 0 w ，每时隙平均为 5 0 0 8 硝2 5 w 。终端发射功率分为0 8 、2 、5 、8 和2 0 w 等，可供用户选择。 小区覆盖半径最大为3 5 k m ，最小5 0 0 m ，前者适用于农村，后者适用于市区。 4 频率配置( 见表2 1 ) j 蠢r 广壅三二：姜犁丕堑塑圣里星 。= 1 。 。_ _ _ 。_ 。- _ _ _ - _ - 。_ _ _ _ 。_ 1 _ - _ _ _ _ _ 。_ - _ _ _ _ _ _ - 二= = 未罂f k塑：i 霾面口亚。r”。_。_。_-_-_。_-_。_。_-_-。_-一 、o 。o ! 鲤m 频段i上行8 9 0 曲1 5 m h z ，下行9 3 5 9 6 0 m h z t _ 1 雨瓦r 1 6 蕊i 堡! 咝频段i 上行1 7 9 0 1 8 1 5 m h z 下行1 8 j i 丙丽丽酝t 两涌； 5 系统组成( 见图2 1 ) 图2 1 g s m 系统组成 6 高速数据传输 g s m 系统的最高传输速率仅为9 6 k b i t s ，且只能完成电路数据交换，远 不能满足移动数据业务的要求。因此欧洲电信标准委员会( e t s i ) 在现有g s m 网络的基础上推出了通用分组无线业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e n ，i c e ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 技术，它是在原有g s m 网上叠加了一个支持高速分组数据传输的网络，使数 据速率达到中速( 低于1 0 0 k b 甜s ) ，也为g s m 向第三代宽带移动通信系统的 平滑过渡奠定了基础【1 1 。因而，g p r s 也被称为2 5 g 系统。 g p r s 采用分组交换技术，可以让多个用户共享几个信道资源：理论上讲， 如果把空中接口上的t d m a 帧中8 个全速率时隙都用来传输数据的话，最高 可以提供高达1 7 1 5 k b i t ，s 的无线数据速率；可以在保证语音业务的同时，利 用无线信道的空闲资源完成分组交换业务，大大提高了g s m 无线频率资源的 利用率。 由于g m s k 调制方式的限制，g p r s 的传输速率通常也只能达到 1 4 4 k b i t s ；为进一步提高g s m 系统的容量，e t s i 推出一种增强数据率的g s m 演进方案，即e i ) g e ( e n h a n c e dd t 昵f o rg s me v o h l t i o n ) ，也被称为g s m 的 2 7 5 g 系统。 d g e 系统引入了多电平调制方式8 p s k 调制，使用户数据信道每时 隙的比特率从2 2 8 k b i t ，s 提高到6 9 2 k b i t ，s ，而所有的控制信道仍使用g m s k 的调制方式。通常e d g e 的传输速率可达2 8 3 k b i 讹。 2 1 2w l a n 系统 无线局域网( w l a n ) 利用电磁波在空气中发送和接收数据，减少了对 固定线路的依赖。二十世纪8 0 年代以太局域网( e e8 0 2 3 标准) 的迅猛发 表2 - 2 不同的w l a n 标准 标准频段调制方式数据率 h 0 m e r f2 4 g h zf h1 2 m b i “s b l u e t o o m2 4 g 毗f h1 m b s 8 0 2 1 12 4 g mf h d s1 - 2 m b i “s 8 0 2 1 1 b2 4 g h zd s 可达1 1 m b i 讹 8 0 2 1 1 9 2 4 g m0 f d m 可达5 镰砧i t ，s 8 0 2 1 l a5 g h zd m t o f d m6 5 4 m b i t ，s 展及i s m ( 工业、科技、医疗) 频段的公用化促进了无线局域网的发展，但 不同厂商产品的互不兼容使得不同的国际组织制定了不同的w l a n 标准，如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 2 所示n 2 “1 4 1 。e e8 0 2 1 1 标准规定的无线局域网的组成情况如图2 2 所 示雌13 1 。b s s 是其基本服务单元( b 弱i cs e n ，i c es e t s ) ，只有处在同一b s s 内 的移动台( s 弘) 才能直接通信。而分布式系统d s ( d i s t 胁u t i o ns ”t e m ) 则 b 图2 - 2 w l a n 系统组成 将各b s s 联系起来，组成一个更大的网络；a p 是d s 与b s s 之间的接入点， 它也是一个移动台，只是它除了具有普通移动台的功能外，还要充作d s 与 b s s 之间的接口。通过d s 联系起来的各个b s s 之间就组成了扩展服务单元 e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t s ) 。为了支持其他网络( 如图中的8 0 2 x u n ) 与m e e 8 0 2 1 1 无线局域网之间的通信，在e s s 和其他网络之间有一个接口p o t a l 。从 以上可以看出，崛e e8 0 2 h 网络可以是只由一个b s s 组成的网络，也可以是 由多个b s s 通过d s 相互连接组成的网络，还可以与其他类型的网络实现互 联互通。 m e e8 0 2 1 l b 标准规定，发射机最大输出功率不能超过1 0 0 0 m w ( 美国) 或者1 忸w ( 欧洲) 或者1 0 m w 伍慑z ( 日本) ；当采用数据传输率为1 1 m b i t s 的c c k 调制方式时，接收机的帧错误率( f e r ) 应该小于8 1 0 - 2 。若假设输 入到模数变换器的信号的信噪比为1 0 d b 就能满足服务质量的要求，则对采用 2 2 m h z 带宽信道的无线接收机来说，其噪声系数必须满足f 1 5 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 坼= ( 一7 6 棚m ) 一1 0 l o g ( 2 2 删j ) 一1 0 扭一( 一1 7 4 据聊胁) = 1 4 6 扭 其中1 7 4 d b m 但z 是天线的可获得噪声功率密度。 在保证帧错误率小于8 1 0 。2 时，m e e8 0 2 1 1 b 无线局域网接收机的最大 输入信号功率为一1 0 d b m 。 2 1 33 g 系统 第三代移动通信系统的发展走向如图2 3 所示【1 1 ，1 3 ，1 鄂。 3 g 的目的是支持大量各种类型的业务，如语音业务、各种层次的数据业 务，系统支持电路分组和分组交换，可在任何地方、任何时间向任何人提供 个人通信业务。由于第二代网络的规模已极为庞大，所以3 g 的网络一定要能 在第二代网络的基础上逐步灵活演进而成，并与固定网兼容。 1 3 g p p ( 3 gp a m l e r s h i pp m j e c t ) 3 g p p 由中、韩、日、欧、美的六个标准化组织组成，其宗旨是制定以 g s m 为核心网、w c d m a 和c d m a t d d ( t d s c d m a 和u t r a ) d 融合 第一代第二代 第三代 村印sid 册s | 卜蝴姗h 蚺螨c 豫r 叶 t c si c 硼 l 卜无绳嚣h 黼蝇寒卜 第三代 c t l ip c s 】 移絮帮 i ”c 0l 无线寻呼l 叫高速寻呼f l 职卜_ 8 姗5 i i m t - 2 0 0 0 t a 工t f 珊a 横拟集群卜1 数字集群i d e hr s m a r t llt 丑t r l 图2 3 第三代移动通信系统的发展走向 技术) 为无线接口的标准。 g s m 系统在向3 g 的演进过程中，其无线接入网络一般公认将采用基于 w c d m a 标准的技术：而在网络部分则将会采用演进的方式，在演进的第一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 阶段可通过g p r s 技术来实现，使传输速率达到1 0 0 k b s 以上，在第二阶段 则可采用e d g e 技术，它可提供高达3 8 4 k b i “s 的数据速率，然后过渡到 w c d m a 系统，实现3 g 所要求2 m b i “s 的速率。 2 w c d m a 系统 w c d m a 可以采用f d d 与t d d 模式，标准由3 g p p 具体定义。 在1 9 9 2 年r r u 召开的世界无线电管理大会( w a r c ) 上，2 g h z 附近的 频率被指定为蹦t - 2 0 0 0 第三代移动通信用。对于欧洲和亚洲的大部分地区 w c d m a f d d 分配的2 x 6 帆慑z ( 1 9 2 0 1 9 8 假z 和2 1 1 0 2 1 7 帆删z ) 是可用 的，同时也为t d d 分配了专用频段。在中国，上述频段由于没有分配给任何 运营商，所以在频率使用方面不会存在太大的问题；在美国，由于没有新的 频谱可用，可以将第三代系统移植到现在的p c s 频谱中。 在u 2 0 0 0 年5 月的w f 蟠屺2 0 0 0 会议上，下列频带被列入蹦b 2 0 0 0 使 用：( 1 ) 1 7 l o - 1 8 8 5 m h z ：( 2 ) 2 5 0 0 2 6 9 0 z ；( 3 ) 8 0 6 - 9 6 0 m h z 。 w c d m a 是一个直扩码分多址( d s c d m a ) 系统，其主要参数如表2 3 所示1 1 1 】。 表2 3w c d m a 系统主要参数 信道带宽 l 码片速率多址方式双工方式 i 帧长 w c d m a 叫f d d 制式的主要技术特点： 基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网 信号带宽：5 z ；码片速率：3 8 4 m c p s 发射分集方式：t s t d ( 时间切换发射分集) 、s t t d ( 时空编码发射分集) 、 f b t d ( 反馈发射分集) 信道编码：卷积码和t u i b o 码，支持2 m 速率的数据业务 调制方式：上行：b p s k ；下行：q p s k 功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制 鞭南交邋大学硕士研究生学位论文第1 6 页 懈调方式：导频辅助的相予解调 。语蠢缡码：腿，每g s 聪兼容 核心网络基于g s m g p r s 网络的演进，并保持与g s m g p r s 网络的兼容性 。m a p 技术鞠g p 襄s 隧道菝零是w 凇俸裁静移动往警瓒祝翻静狻心，保 持与g p r s 网络的兼容性 支持软切换和更换切换 。基站无需严格同步，组嘲方便 w c d m a 支持备种不同的用户数据速率，特寇的用户数据速率以1 0 m 8 受纂位，可调，在魏l 妇l s 瓣闻蠹速率选定。它支持频分，露分双王。固d 横 式基本上参照了f d d 模式的概念与设计思路，但是t d d 模式可以使用频谱 主黧余酌不颡频率，使耀灵活往大大提高。w a 能与髑m 协弱工作， 同时支持与g s m 的双向转换、漫游。 3 g 制定标准的时候，将其开展豹业务定位为：提供多种类型、高质量多 媒体业务，能实现全球无缝覆盖，典舂全球漫游能力，与翻定网络棚蒸骞， 并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信。 2 1 4 瓣i 瓣a x 系努 w i m 8 x ( w o f l 疰毂哇e f 颦蝴海潮yf o f 氧鲑e r o w 辩ea c e e s s ) 意黪垒遮微波接入曩 操作性，是熬于e e 8 0 2 1 6 标准的无线城域网技术，其标准如表2 4 所示【1 6 】。 表2 # i 漱x 各标准澜桎麓浇较 协议名称 w m a ns cw m a ns c aw h 【a na m m 使用频带l o “6 姚 2 一l l 绷z2 一l l ( ；h z 带宽稍z ) 2 0 ，2 5 ( 美蟊) ，2 8 ( 致潮)l ，2 5 系菇( 2 s ，2 5 ，5 ，i 0 ，2 菩系捌( 1 2 5 ，1 s ，i 。7 5 2 0 ，27 5 ) 调制方式 q p s k ，1 6 q a m ，“q a m ( 可 b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，b p s 磁q p s k ，1 6 q a m ，“q a m 选16 4 q a m ，2 5 6 q a m ( 可选)( 免牌频段可选) 最丈速率蛞( 2 0 秘珏z ) ，| 2 馥2 5 m 黼，2 绱眭：9 5 ，s 8 罄 辽盎蠢取s 2 ，3 释4 瑶蒯，l o h l 璐 0 l b p s ) 1 3 4 4 ( 2 8 m h z ) 1 2 7 4 4 ( 2 5 6 q 枷) 网络结构 p m pp m pp 1 巳m e s h w i f i ( 即砸e e 8 0 2 1 1 b ) 怒一项无线局域网按入技术，其信号传输半径只有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 几百米远。而w i m a x 是一项无线城域网接入技术，其信号传输半径达到5 0 公里，基本上能覆盖到城郊。正是由于这种远距离传输特性，w i m a 【将不仅 仅是解决无线接入的技术，还能作为有线网络接入( c 曲l e 、d s l ) 的无线扩展， 方便地实现边远地区的网络连接。 其主要优势包括： 一、实现更远的传输距离。w i m a x 所能实现的5 0 公里的无线信号传输距 离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍，只要少 数基站建设就能实现全城覆盏，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 二、提供更高速的宽带按入。据悉，w i m a x 所能提供的最高接入速度是 7 0 m b p s ，这个速度是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍。对无线网络来说，这 的确是一个惊人的进步。 三、提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城域网技术， 它可以将、v i n 热点连接到互联网，也可作为d s l 等有线接入方式的无线 扩展，实现最后一公里的宽带接入。w j m a x 可为5 0 公里线性区域肉提供服务， 用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。 四、提供多媒体通信服务。由于w i m a x 较之w i f i 具有更好的可扩展 性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。 从跟其他通信技术比较及融合来看，w m a x 与w 卜f i 、3 g 的确具有很 多重叠的功能，具有和、v i f i 、3 g 竞争的关系，但他们可能更多是一个互补 关系。这是因为w j f i 、w i m a x 、3 g 分别针对的是无线局域网、城域网、广 域网，具有不同的市场定位。尤其是3 g 已经取得了实质性的进展，运营商、 设备制造商都进行了大量投入，不可能期望已经在3 g 进行大量投资的运营商 会放弃3 g 技术。因此，未来w i m a x 与其他无线网络技术关系很可能是共存 于市场，就如同今天移动通信的g s m 和c d m a 制式共存一样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 1 5l m d s l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t es e r v i c e ) ，即本地多点分配接入 系统，是一种崭新的宽带无线接入技术，工作频段一般在2 0 4 0 g h z ( 不同国 家标准不同) ，属于无线固定接入手段。 一个完整的l m d s 网络由骨干网络、基站、用户端设备以及网管系统四部 分组成。 由基站至用户端的下行链路采用t d m a 模式，射频调制方式可选用q p s k 、 1 6 q a m 和6 4 q a m 。6 4 q a m 调制方式可大大提高频道利用率，增加基站的通信容量。 多个用户端设备可通过t d m a 、f d m a 等多址方式与基站进行通信。f d m a 对于大 量的连续非突发性数据接入较为合适，t d m a 则适于支持多个突发性或低速率 数据用户的接入。可以根据用户业务的特点及分布来选取适合的多址方式。 用户端设备可以设在大型单位中供许多用户共享，也可以设在小单位内以提 供数据、图像或电话业务。 与传统微波技术不同的是，l m d s 系统还可以组成蜂窝网络的形式运作， 向特定区域提供业务。当由多基站提供区域覆盖时，由网管系统进行频率复 用与极化方式规划、无线链路计算、覆盖与干扰的仿真与优化等工作。网管 系统还对所有的点到多点网络设备进行控制。 l m d s 系统最大的特点在于宽带特性，可用频谱往往达l g h z 以上。同时具 备广泛的覆盖范围、大容量( 4 8 g 带宽) 、接口丰富( o c 一3 ，c e s ，e 1 ，1 0 b a s e t 、 语音、帧中继、v 3 5 ) ，能够满足电信运营商服务予社会的多种业务。特别是 将i p 高速接入到千家万户，从而实现了数据、语音、视频一体化。 2 1 6m m d s m m d s ( m u l 郇谳m u l t i c h a 蕊e ld i g t r i b u t i o n s y s t e m ) ，即多点多信道分布 式系统，其频率在美国和加拿大是2 5 g h z ，而在许多国际性市场上则为 3 5 g h z 。 嚣南交遴犬攀矮圭聚窕璧攀经论文繁1 9 羹 m m d s 最热门的应用是m e n l e t 接入，通常是用以太网与无线m o d 锄连 接。i s p ( i n t e m e ts e r v i c ep m v i d e r ) 塔式机柜是p 岫一m p ( p o i n t 如m 如l t i p o i n t ) 体 系结构中的一个h u b ，邈种体系结构与多个用户之问进行多路通傣，它不同 于箕襄运孬予p 埝一p 结稳上魏竟豢无线连接。褒塔与圭手鼹之鬻鸯嚣跨连菝， 主干潮与五吐e m 蕊互连。这种体系结构与箕它的璐p 连接基本裰阋，它利甩无 线链按直接取代了d s l 、t l 专线或帧中继链按。 以下为m m d s 与l m d s 的对比： 裘2 巧m m d s 与l 榭d s 的辩篦 爨较磺嚣 凝段僚孽传送疆离镑糠臻径多蛙方式调期方式 q p s k ，4 q 删， t m n s1 0 4 3 g h z 3 ，5 千米双向t d m a f d m a 1 6 0 a m q p s k ，4 q a m ， m m d s2 5 - 2 7g h z 2 0 3 0 千米几乎为单向胁m ，t d m a 1 6 0 a m m m d s 在有线电视网的无线传输中也得劐了广泛的应用。在光线传输网 中使瘸粕s 系统，鬟燕强、葵积，l 、占她嚣积少、曩予安装调试、援逶手 中小城市或郊区有线电裰覆盖不到静区域。 2 1 7 红外线通信系统 红外通信利用红外技术实现两点间的近距离通信和信息转发，一般由红 终发麓窝接坟系统嚣帮公缀痰。发麓系统霹令经终疆襞添遴露湄裁嚣发射 红外倍号，丽接收系统羽党学装置和红外探测器进行接收。 落提供了一种低成本、短距离高速率的光线通信方式，通