《无线信号的传播》PPT课件.ppt

无线信号的传播 任何一个通信系统 信道是必不可少的组成部分 信道按传输媒质分为有线信道和无线信道 移动信道是一种典型的无线信道 研究无线通信系统首先要研究无线信道的电波传播特性 现代移动通信已广泛使用150MHz 450MHz 900MHz 1800MHz频段 电波传播方式主要是空间波 即直射波和反射波的合成波 对于陆上移动通信 通常移动台的天线高度仅超出地面1 4米 电波传播受地形地物的影响较大 与固定通信相比 移动通信的电波传播显得更为复杂 为了掌握各种地形地物条件下的电波传播特性 通常是做大量的传播实验 找出统计的规律 即找出各种地形地物条件下的传播衰耗和距离 频率及天线高度之间的关系 绘出陆上移动通信的传播特性计算图表 从而获得准确预测接收信号强度的方法 一 移动通信的电波传播特性 场强中值衰落深度衰落速率衰落持续时间 1 表征衰落特性的数字特征 2 自由空间的传播衰耗 自由空间是理想空间 是相对介电常数和导磁率均为1的均匀介质所存在的空间 电波在自由空间中沿直线传播而不被吸收 也不产生反射 折射 绕射和散射等现象 对移动通信而言 自由空间的路径损耗Lbs仅与传播距离d和工作频率f有关 而与收 发天线增益无关 其计算公式为 Lbs 32 45 20lgd 20lgf式中d代表传播距离 单位为Km f代表工作频率 单位为MHz 地形的分类和定义地物的分类和定义基地台 移动台天线有效高度的定义 3 地形地物对电波传播的影响 移动通信信道是由长期慢衰落和短期快衰落效应来表征的 忽略热噪声时 接收机接收的信号可以表示为r t m t r0 t 式中 m t 表示长期慢衰落 即本地平均或对数正态衰落分量 其幅度是对数正态功率密度函数 r0 t 表示短期快衰落 即多径或瑞利衰落分量 两种衰落都与接收机天线的位移有关 二 移动通信信道的特征 慢衰落和快衰落 常用的几种电波传播损耗预测模型有Hata模型 LEE模型 CCIR模型以及COST 231 walfisch Ikegami模型 WIM 这几种传播模型各自适用范围不同 计算路径损耗的方法和需要的参数也不相同 在使用时 应该根据不同预测点位置 从发射机到预测点的地形地物特征 建筑物高度和分布密度 以及街道宽度和方向差异等因素选取适当的传播模型 如果传播模型选取不当 使用不合理 将影响路径损耗预测的准确性 并影响链路预算 干扰计算 覆盖分析和容量分析 三 电波传播的路径损耗预测 传播模型的适用范围 当基站和移动台之间水平距离大于1Km时 应该采用宏蜂窝模型 如Hata模型 CCIR模型 LEE宏蜂窝模型和WIM模型 此时 对于距离比较远的情况 大于5Km 一般采用Hata模型或CCIR模型 距离近时 小于5Km 采用WIM模型 有实测数据并得到LEE模型中参数 lKm处接收功率 和距离衰减因子时 建议采用LEE模型 当基站和移动台之间水平距离小于1Km时 应该采用微蜂窝模型 如LEE微蜂窝模型和WIM模型 一般采用WIM模型 有实测数据时 可采用LEE模型 传播模型的应用方法 在使用传播模型时 用户需要对其准确性和可靠性进行测试 或者根据地形实际校正其中的参数因子 这就涉及到传播模型的路测与校正 针对每个不同模型 输入参数相同 故有不同的校正方法 对于线性关系有多元线性回归分析方法 对于非线性关系有数形式整体校正方法 传播模型预测与校正 外部噪声和干扰是影响通信性能的重要因素 接收机能杏正常工作 不仅取决于输入信号的大小 而且也取决于噪声和干扰的大小 因此 研究各种噪声和干扰 对移动通信的设计来说 具有十分重要的实际意义 四 噪声与干扰 外部噪声包括自然噪声和人为噪声 自然噪声主要有大气噪声 太阳噪声和银河噪声 人为噪声主要是指电气设备的噪声 如电力线噪声 工业电气噪声 汽车或其他发动机的点火噪声等 这些噪声来源不同 频谱范围及强度也不同 因此 必须根据移动通信所使用的频段 分析具体情况下的主要噪声来源 在移动通信使用的频率范围内 由于自然噪声通常低于接收机的固有噪声 故可忽略不计 因此 仅需考虑人为噪声 1 噪声 2 干扰 在移动通信中 存在着各种各样的干扰 如互调干扰 邻道干扰 同频干扰 组合频率干扰和副波道干扰 阻塞和倒易混频 发射机寄生辐射 接收机寄生灵敏度等 对于后几种干扰 在引进相关设备时 只要按要求满足指标即可 而互调干扰 邻道干扰和同频干扰 是组网中应考虑的主要干扰 互调干扰 两个或多个干扰信号作用于非线性器件 产生与有用信号频率相接近的组合频率 从而对接收机造成的干扰即为互调干扰 在移动通信中 由于发射机末级和接收机前端电路的非线性 造成了发射机互调和接收机互调 此外 在发射机强射频场的作用下 金属接触不良等非线性因素也会产生互调 称为外部互调 互调干扰的一般形式 若晶体管的转移特性用幂级数表示 即i a0 a1u a2u2 a3u3 式中 a0 a1 a2 a3 是由晶体管特性决定的系数 随着幂次的升高 系数逐渐减小 设有用信号的频率为 0 而三个干扰信号频率分别为 A B C 幅度分别为A B C 它们相组合进入到非线性器件 即u Acos At Bcos Bt Ccos Ct代入到式中 展开整理后 可知电流i是由许多频率成分构成 若用m A s B k C m s k是整数 表示所产生的组合频率 当 m s k n时即称n次干扰 三阶互调的两种类型 若取n 3 则产生的组合频率有 A B C 2 A B 2 C A 2 A 2 B 2 C 2 B A 2 B C 3 A 3 B 3 C 2 A C 2 C B A B C A B C A B C 可见 互调将产生很多互调产物 但是 就三次相而言 只有2 A B和 A B C型式的三阶产物落在 A B C的附近 难于用选择性电路滤除 构成互调干扰 而其他互调产物和 A B C频距较大 容易滤除 因此 三阶互调有两种类型 即二信号三阶互调 三阶一型 和三信号三阶 三阶二型 互调 表达式为 2 A B 0 三阶一型互调 A B C 0 三阶二型互调 多信道系统的三阶互调 实际的移动通信系统采用多信道同时工作 相邻无线信道以等间隔 25KHz 分布 其值与信道载频 900MHz 相比很小 因此在这种情况下 产生三阶互调的频率源 是网内的多信道频率 根据上面的推导 多信道系统的三阶互调的表达式为 fx fi fj fk i j k fx 2fi fj i j 式中 fx fi fj fk分别为x i j k信道的载频 无三阶互调信道组的判别 移动通信系统是等间隔的多信道系统 若用f1表示n条等间隔信道 用1 n表示所对应的信道序号 F为信道间隔 起始频率f1 则序号为m的信道所对应的频率fm fm f1 F Cm 1 将此式代入到前面两式即可得到用信道序号表示的三阶互调的公式 Cx Ci Cj一CkCx 2Ci一Cj用信道序号表示三阶互调 可以使问题简便化 同时也是各种图表计算法和计算机编程计算的基础 比较两式就可看出 它们只是下标不同 而i j k又是任意的 故可用下面的通式来表示 Cx Ci Cj一Ck 差值阵列法 判别信道组是否存在三阶互调时 应首先将给定的信道序号依次排列 然后计算任意两信道序号之差 构成差值数字三角形 即差值阵列 最后再检查差值阵列 不包括序号 中是否有相等的数字 若所有数字均不重复 则此信道组为无三阶互调信道组 发射机互调 为了提高效率 发射机的末级通常工作于C类非线性状态 当两个或多个干扰信号进入到发射机的输出端 就会产生很多互调产物 并通过天线发射出去 从而对工作于互调产物频率的接收机产生干扰 接收机互调 通常接收机前端射频通带较宽 如有两个或多个干扰信号同时进人高放或混频器 通过它们自身的非线性作用 各干扰信号就会彼此混频产生互调产物 若互调产物落人接收机频带内 就会造成对接收机的互调干扰 邻道干扰 邻道干扰是指相邻或相近信道之间的干扰 邻道干扰有两种类型 发射机调制边带扩展干扰发射机边带辐射 同频干扰 同频干扰是指相同载频电台之间的干扰 在电台密集的地方 若频率管理或系统设计不当 就会造成同频干扰 在移动通信中 为了提高频率利用率 采用同频复用的技术 将相同的频率分配给相隔一定距离的两个或多个小区使用 显然 同频小区的距离越远 它们之间的空间隔离度就越大 同频干扰就越小 但频率复用次数随之降低 即频率利用率降低 因此 两者要兼顾考虑 在进行无线小区的频率分配时 应先满足通信质量的要求 并以此确定进行同频复用的最小距离一同频复用距离 可见 在实际应用中 同频干扰和同频复用距离是密切相关的 五 为什么要使用dB和dBm 今天我们试想像一套发射设备由初级振荡的能量以至最后级的输出功率之间的增益 假设在初级振荡时的功率是2mW 注意是假设 真的当然会远低于此数 而在最后的LINEARAmp 输出是2kW 现在试算一算它们之间的倍数差别 2kW就是2000Watts亦即2 000 000mW 用2 000 000mW除以2mW便得出倍数 即1 000 000倍了 大家或许已经明白在各类电子及无线电电路中 尤其是接收方面 这类倍数之差别比比皆是 比如一部发射机的抗干扰能力是优于一百万倍就标示成betterthan60dB 如果每次都要在各个层面 例如说明书 规格表 内都标示出数百万以至千万甚至亿倍的数字将会是何等的不方便啊 dB dB是比值的单位 表示一个相对值 当计算A的功率相比于B大或小多少个dB时 可按公式10lgA B计算 例如 A功率比B功率大一倍 那么10lgA B 10lg2 3dB 也就是说 A的功率比B的功率大3dB dBm dBm是一个表示功率绝对值的单位计算公式 dBm 10lg 功率值 1mw 例如 如果发射功率为1mW 按dBm单位进行折算后的值应为 10lg1mW 1mW 0dBm 如果发射功率为40W 则10lg 40W