无线通信基础课件chapter2

1、无线通信基础2课程内容概要无线通信概论无线信道传播机制 无线信道的统计描述宽带和方向性信道的特性 信道模型无线信道容量 数字调制解调信道编码 分集均衡 扩展频谱系统 正交频分复用 多天线系统无线信道引言道不同，不相为谋。 论语无线信道的特性与有线信道有着显著地不同，这在很大的程度上决定了无线通信采用的技术与有线通信有很大的不同。3无线信道传播机制 直射反射与透射绕射粗糙表面的散射系统的噪声和干扰系统的链路预算4无线通信的空间5电磁波的传输方式无线通信是利用电磁波可以在空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。电磁波主要有五种传输方式:直射反射绕射（衍射）透射散射直射反射散射透射反射绕射6直射

2、定义是指接收机天线与发射机的天线有视距路径(LoS：Light of Sight)，发射机发射的电磁波可以直线传播到接收机。典型例子卫星通信 微波通信 7直射发射功率、接收功率发射天线、接收天线自由空间损耗8功率发射功率(单位瓦) s(t)为发射信号。接收功率(单位瓦)r(t)为接收信号。工程上常用dBm来表示功率的大小1W=30dBm，1mW=0dBm，33dBm= W？ ，-10dBm= W？9方向图 波瓣宽度天线增益全向有效辐射功率天线方向性的主要参数10方向性图 方向性因子波瓣宽度（波束宽度）在主瓣最大辐射方向上，天线辐射信号功率密度降低一半(3dB)的任两点的夹角中，最大的夹角定义为

3、波瓣宽度(HP: Half Power beamwidth)。波瓣宽度越窄，表明方向图越尖锐，辐射的能量越集中，作用距离越远。天线方向性的主要参数注意是功率密度降低3dB，不是电场强度11天线增益（Antenna Gain）发射天线增益：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想全向辐射天线在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。接收天线增益：理想全向辐射天线发射的无线信号，在空间同一点处，实际天线与理想全向辐射天线所接收到的信号功率密度之比。一般来说，同一付天线，作为发射天线或接收天线时，其天线增益是相同的。增益的提高主要依靠减小波瓣宽度，并不是将信号放大了，这与放大器增益不同。全向天线（一般水

4、平方向全向即称之为全向天线）也可以有天线增益（因为垂直方向可以不是全向的）。全向天线有何优点，有何缺点？天线方向性的主要参数12天线方向性的主要参数全方向性天线（理想天线） 偶极子天线垂直方向图水平方向图垂直全向水平全向垂直定向水平全向13天线方向性的主要参数增益单位以全方向天线为参考单位dBi以偶极子天线为参考单位dBb增益计算功率相同全向天线增加功率抛物面天线偶极子天线：全向天线接收面积天线有效接收面积其中：偶极子天线相对全方向天线有2.15dBi增益，以dBi表示的天线增益为以dBb表示的天线增益+2.1514有效全向辐射功率(EIRP: Effective Isotropic Radi

5、ated Power) 无线通信接收机收到的信号，不仅与发射机天线的输入功率有关，而且与发射机天线增益有关。 为发射机的发射功率， 为发射天线的天线增益。EIRP可理解为：要达到此接收强度，如果采用全向天线所需的发射功率。EIRP主要用于衡量发射机发射信号强度的能力。例：一天线发射功率为13dBm，发射天线增益为4dB，则其EIRP为13+4=17dBm。天线方向性的主要参数或15福利斯(Friis)定律一般表示为对数形式（dB）自由空间损耗自由空间损耗因子Stutzman and thiele1997L用于空旷无遮挡环境EIRP16自由空间损耗福利斯(Friis)定律适用于天线远场 远场条件

6、：抛物面天线偶极子天线17自由空间损耗例：题4.3要求设计一工作于1GHz，相距90m，直径15m的抛物面天线，Friis定律能够用来计算接收功率吗？解：答：不可以一般情况下远场条件都可以满足，但Friis定律仅适合空旷无遮挡的场合。18自由空间损耗（Friis定律）公式是理想情况下计算路径损耗的公式，一般可用于卫星通信，微波中继，或作为路径损耗的参考值使用。例：某通信卫星，其信号频率为2GHz，在距地面1000km时，其路径损耗为自由空间损耗注意单位非常重要注意应用场合19无线信道传播机制 直射反射与透射绕射粗糙表面的散射系统的噪声和干扰系统的链路预算20反射与透射反射定义：发射机发射的电磁

7、波，照射到比波长大的平面物体，发生发射。应用短波通信（电离层反射，可全球覆盖）流星余迹远距离传输透射定义：空气中的电磁波照射到某一物体时，一部分能量的信号经反射、绕射或散射后在空气中传播，另一部分能量的信号会直接穿透该物体，在该物体的背面中传播。室内接收流星余迹电离层反射21反射与透射斯涅尔(Snell)定律入射角反射角透射角复介电常数介电常数电导率复介电常数入射角=反射角透射波的角度反射与折射定理22反射与透射横向电性(TE)波和横向磁性(TM)波23反射与透射TE波TM波的反射系数在入射角趋近90时变为-1(幅度为1,相移180)反射系数:复介电常数透射系数:24反射与透射分层电解质结构总

8、透射系数总反射系数其中电气长度25反射与透射d-4功率定律 (见附录4A)双线模型直射波+一个地面的反射波一般表示为dB形式与自由空间损耗明显不同接收功率与频率无关，但与天线高度有关接收功率与距离4次方成反比（自由空间为2次方）适用场合L26反射与透射接收功率与距离传播断点并不是 n=2与n=4的明显分界，是平均值n=1.55.5,有时更大注意自由空间传播27无线信道传播机制 直射反射与透射绕射粗糙表面的散射系统的噪声和干扰系统的链路预算28绕射（衍射）定义电磁波照射到物体的不规则突出表面的边缘(如：房顶的边缘、窗户的四角等)，形成若干新的次波源，然后再进行传播。应用广播频率越高，绕射现象越弱

9、29绕射单屏多屏30单屏绕射惠更斯(Huygen)原理绕射角：菲涅尔参数：接收电场：菲涅尔积分：入射场31例(题4.4):发送端位于离一垛58米高的砖墙( )的20米远处，而接收端位于墙的另一侧，离墙60米远。墙厚10厘米，并且认为无损，令两者的天线均为1.4米且中心频率为900MHz。1、考虑TE波，确定经墙传输引起的在接收端的场强Ethrough2、墙可以看作半无限薄屏，确定由墙绕射引起的在接收端的场强Ediff3、确定两场度大小的比率解：参数20m60m58m1.4m1.4m0.1m32例(题4.4):1、砖墙无损 ， 对TE波，从空气到墙砖的反射系数从墙砖到空气的反射系数相应的透射系数

10、1，幅度比值，并不违背能量守恒33例(题4.4):总透射系数当 总透射系数透射场强E0是没有砖墙时该点的接收场强。34例(题4.4):2、绕射场强 绕射角 菲涅尔参数 菲涅尔积分 则绕射场强单位：弧度查图，查表计算公式35例(题4.4):3、比率 透射场强远大于绕射场强思考题：当信号的频率降低为9MHz，其他条件不变时，将此时绕射场强与900M时相比，结果说明了什么？36菲涅尔环带费涅尔椭球面费涅尔区37菲涅尔环带费涅尔区半径从费涅尔球面上一点到TR的垂直距离当垂线交于TR中点时（即d1=d2)，得到最大费涅尔区半径F1费涅尔区半径38菲涅尔环带利用费涅尔区分析电波传播能量集中程度第一费涅尔区

11、是能量最集中的区域，如阻挡将产生严重损耗 F1d1d2d39菲涅尔环带第一菲涅尔区完全没有被遮挡 传播衰减除了自由空间损耗外，主要考虑地面反射波导致的衰减（双线模型）第一菲涅尔区被部分遮挡 地面反射波的第一菲涅尔区被遮挡的情况肯定更严重，这时传播衰减除了自由空间损耗外，主要考虑直射波的绕射衰减。第一菲涅尔区被完全遮挡 这种情况一般是因为天线架设高度不够高，或通信距离较远，接收机落到了阴影区里。这时传播主要以绕射为主，具体计算很复杂，地形对其影响还要根据具体情况进行分析。Huygen定律使用菲涅尔区来描述绕射衰减，当建筑物遮挡在第一菲涅尔区内时，第一菲涅尔区场强接近全部场强的1/2。 40多屏绕

12、射布林顿(Bullington)方法用等价单屏替代多屏（简单但过于乐观）TX与屏切线最陡者， RX与屏切线最陡者的焦点易普斯丁-彼得森(Epstein-Petersen)方法在屏处放置虚拟的接收机和发射机计算每一屏的绕射衰减最后相加两屏相距很近时计算误差较大41Deygout方法（举例说明）例4.4:有三个屏，相距20m，高度分别为30m，40m和25m，第一屏距发射机30m，最后一屏距接收机100m，发射机高度1.5m，接收机高度30m，求900MHz时绕射损耗。解：1）首先计算某一个屏单独存在时的绕射损耗屏1多屏绕射42同理，可得屏2和屏3单独存在时的绕射损耗L2=33.59dB和L3=2

13、6.54dB。显然，屏2的损耗最大，为主屏。发射机到屏2之间只有一个屏（屏1），因此屏1为次主屏，可得屏2到接收机之间只有一个屏（屏3），因此屏3为次主屏，可得对应损耗L3=0.17dB总损耗为：L=L2+L1+L3=54.77dB多屏绕射如信号频率为100MHz，重新计算总损耗，这说明了什么？43多屏绕射经验模型由ITU-R提出(除自由空间衰落之外的损耗)其中每个单独的屏的绕射损耗Li et al.改进44无线信道传播机制 直射反射与透射绕射粗糙表面的散射系统的噪声和干扰系统的链路预算45散射定义散射:发射机发射的电磁波，照射到比载波波长小的物体上(如：路灯、树叶、交通标志等)，反射出多路不

14、同的较弱的电磁波，再传播到无线通信接收机的天线处。应用超短波通信46粗糙表面的散射散射与反射47散射Kirchhoff理论高度的概率密度函数微扰理论推广了Kirchhoff理论考虑空间相关反射系数光滑表面的反射系数高度分布的标准方差入射角:定义为波矢量与平面之间的的夹角其中：空间相关函数：48无线信道传播机制 直射反射与透射绕射粗糙表面的散射系统的噪声和干扰系统的链路预算49系统噪声和干扰定义无线通信信道中的噪声干扰，是指信道中无意或有意产生、随机性很强、影响无线通信接收准确性的信号。分类50内部噪声（热噪声）定义：是由导体中的电子热震动产生的噪声，它存在于所有电子器件和传输介质中。特性主要由

15、温度决定，只要接收机不是绝对零度，就一定存在内部噪声在整个频谱上具有相同的功率谱密度（白），又称白噪声，不能够消除，是通信系统性能的上限。分类天线噪声馈线噪声收发开关噪声前端低噪声放大器噪声前端其它放大器噪声51噪声功率热噪声功率为： Pn= kBTeB 其中：kB为玻尔兹曼常数， kB=1.381023 J/K； Te为绝对温度，单位为开尔文(K)； B 为接收机带宽，单位为Hz。噪声功率谱密度: N0= kBTe 1K时，采用对数单位的 N0=198.6dBm/Hz 常温 (300K)下，采用对数单位的 N0 =174dBm/Hz带宽B 的噪声功率为: -198.6+10lg(Te)+10

16、lg(B) dBm不要用这个公式计算记住这个数52噪声功率例:GSM系统带宽为200kHz，温度为300K (273.15+27) ，则接收机前端无源器件热噪声（基础热噪声）功率:也就是说，200 kHz 带宽的接收机，常温下其基础热噪声的功率为121dBm。如果放到液氮中（77K），Pn为多少？如果带宽为5MHz，Pn为多少？为什么相同发射功率，带宽越宽的系统传输距离较短？53外部噪声定义是指在无线通信中由接收机外部产生并进入接收机的噪声。包括近地噪声太阳系噪声宇宙噪声54近地噪声定义在地面与卫星、航天器间的无线通信中，无线电波在穿过地球大气层中与大气层中对流层、平流层、中间层、电离层、散逸

17、层中的氧、水蒸气、雨等相互作用，从而产生的噪声。55近地噪声大气(实线)、宇宙(虚线)对地球地面与卫星、航天器间无线通信的影响，其中仰角表示的是天线仰角。A是指向热空的(指向银河中心称为指向热空)B是指向冷空的56近地噪声雨、云雾、氧气、水蒸气，对地球对流层内任两点间的无线通信也有影响。57太阳系噪声太阳系中太阳、各行星以及月亮辐射的电磁干扰而形成的噪声，其中太阳是最大的热辐射源只要天线不对准太阳，在静寂期太阳噪声对天线噪声贡献不大其它行星和月亮，当没有高增益天线直接指向时，对天线噪声贡献也不大在某些应用环境（如卫星通信、深空通信中），当发射机、接收机所构成的直线的延长线，刚好指向太阳时，无线

18、通信系统就会受严重干扰，甚至造成中断当太阳黑子活动强烈时，对无线通信的干扰较大。卫星日凌太阳黑子58宇宙噪声外空间星体及分布在星际空间的物质所形成的噪声，在银河系中心的指向上达到最大值(通常称为指向热空)，在天空其它某些部分的指向上是很低的(称为冷空)。宇宙噪声与频率的三次方成反比，在1GHz以下时，它是天线噪声的主要成分。微波背景辐射被认为是宇宙大爆炸理论的三个强有力证据之一，另两个是哈勃红移和原初轻元素丰度。宇宙微波背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，噪声温度2.725K（约为3K），也称3K背景辐射。宇宙大爆炸理论认为宇宙微波背景辐射是150亿年前宇宙诞生时残留的余热。“普

19、朗克”天文望远镜完成首张全天域宇宙微波背景辐射59宇宙噪声60人为噪声源定义：人类的工业活动产生的噪声，其它的无线电台泄漏的无线电信号电源开关产生的无线电信号点火线圈产生的电磁辐射信号电力线干扰荧光灯干扰61噪声系数信号经过网络时，不仅信号本身携带的噪声会经过网络，而且网络本身也产生热噪声，因此输出端的热噪声变多了。 噪声系数定义:对线性系统而言为输入信噪比除以输出信噪比(一般指等效到基带)考虑网络增益网络本身热噪声在输入端的等效噪声输入噪声噪声系数大于1，噪声系数越大，表明网络引入的噪声越多。62将网络内部产生的噪声在输入端等效成一个具有一定温度的热噪声，然后假定网络无噪。该等效温度即为等效

20、噪声温度（简称为噪声温度）。噪声温度与噪声系数的关系等效噪声温度等效噪声温度室温无噪声噪声系数F-1，表明是网络新引入的噪声63例:噪声温度为290K，求噪声系数等效噪声温度64噪声系数天线的噪声功率谱密度噪声系数例:天线的噪声温度为1600K，求天线的噪声系数和噪声功率谱密度噪声温度1600K无噪声天线65噪声系数多个噪声系数折算为噪声功率谱密度无噪声无噪声无噪声F1F266噪声系数无噪声馈线噪声系数=衰减值馈线衰减折算为噪声系数馈线没有引入额外噪声，也没有放大噪声，但有用信号发生了衰减67噪声系数有放大和衰减时衰减放大反过来看，加入一个放大器，后端的噪声系数折合到前端会减小到1/G内部无噪

21、声68复合噪声系数由于放大器增益，复合噪声以第一级引入的噪声为主，所以第一级噪声系数尽量小后级产生的噪声随前级增益的增加而降低接收机一般采用多级放大，前端为较低增益（增益与噪声系数往往很难兼顾）的低噪声放大器（LNA）噪声系数各级噪声系数F1，F2，都以第一级的输入噪声为参考，即,线性值，不是dB值69噪声的特性白噪声功率谱密度在整个频域内保持不变（常数）的噪声称为白噪声“白” 类似于光学中包括全部可见光频率的光称为白光。白噪声以外的噪声称为有色噪声。一般来说，只要噪声的频谱宽度远远超过通信系统频率范围，且在带宽内其功率谱密度近似不变，即可把该噪声信号视为白噪声。热噪声在很宽频率范围内具有不变

22、的功率谱密度，通常可以认为是白噪声。严格地说，白噪声只是一种理想化的模型，因为实际噪声的功率谱密度不可能具有无限宽的带宽，否则它的平均功率将是无限大，是物理上不可实现的。然而，白噪声在数学处理上比较方便，因此得到广泛应用。70噪声的特性中心极限定理若一随机变量可表示为大量独立随机变量之和，其中每一个随机变量具有有限的数学期望和方差，则可认为其近似服从高斯分布(Gaussian Distribution)，又称正态分布(Normal Distribution) 。在实际无线通信信道中，噪声信号在信号空间各个方向上的投影可以认为是很多独立的子噪声/干扰之和。因此，可以认为其服从高斯分布（正态分布）

23、。而且噪声的功率谱密度函数是常数，因此称其高斯白噪声。高斯白噪声在无线信道中广泛存在。由于白噪声均值等于零，容易证明，高斯白噪声的平均功率等于高斯噪声的方差（证一个试试）。71噪声的特性一个维度上的噪声72白噪声的双边功率谱密度函数定义为白噪声的单边功率谱密度函数定义为白噪声信号的自相关函数(完全的时域不相关）白噪声信号的均值为零白噪声的特性冲激函数73加性高斯白噪声的仿真加性高斯白噪声方法1sigma=1/sqrt(2*(10(snr(i)/10);x=randint(1,N);%Sources=x*2-1; L=length(s);n=sigma*randn(1,L);r=s+nor mu

24、nications p50-51离散化Eb/N0与SNR的关系注意信噪比的定义方式74无线信道传播机制 直射反射与透射绕射粗糙表面的散射系统的噪声和干扰系统的链路预算75系统的链路预算（重要）链路预算是确定发射功率最清楚、最直观的方式，广泛用于网络规划。衰落余量无线信道随空间和时间均在变化，即使接收机与发射机的距离d不变，接收功率也可能随着时间或移动台的所处位置而发生变化。根据前文方法计算得到的路径损耗（接收功率）只是平均值，即只有约50%时间和位置上的接收功率可以超过平均值因此，必须追加一个衰落余量，以确保接收功率以较高概率（例如95%和99%）超过这一值（门限）。衰落余量的数值依赖于衰落幅度的统计分布。中断概率76系统的链路预算有效各向同性辐射功率(EIRP)链路断点模型（重要）77系统的链路预算例3.1: GSM下行链路，载波频率950MHz，接收灵敏度-102dBm，发射机输出功率30W,发射天线增益为10dB，连接器/合并器等损耗5dB，衰落余量为12dB，断点在距离100m处，那么覆盖的距离是多少？TX: 发射功率: 30W 45dBm连接器/合路