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移动通信原理,第三章无线移动通信信道（扩展学习重点复习及习题练习）,2,VHF、UHF频段的电波传播特性,图3-1典型的移动信道电波传播路径,3,虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。,自由空间电波传播方式,4,自由空间传播损耗公式,式中，d是距离的千米数，f是频率的兆赫数。,以dB计，得,自由空间电波传播方式,由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，Lbs将分别增加6dB。,5,多普勒频移,当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（DopplerShift），可用下式表示,6,OkumuraHata模型,Hata根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式，称为Hata模型。这种模型仍然保留了Okumura模型的风格，以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。,7,COST-231模型,COST-231工作委员会在Walfishi模型和Ikegami模型的基础上，根据实测数据加以完善而提出COST-231模型。这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗和移动台周围建筑屋顶之间的损耗。,8,无线电波的基本知识,无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向,9,电磁波的传播,电场,电场,电场,振子,电波传输方向,磁场,磁场,10,功率单位简介,绝对功率的dB表示：dBm射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为：,例如：1W等于30dBm，等于0dBW。,相对功率的dB表示：dBc射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式,11,天线传播相关单位简介,天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi,12,功率相关概念,信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR解释：很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。峰值功率即是指以某种概率出现的尖峰的瞬态功率。通常概率取为0.01%,13,噪声相关概念,噪声定义噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物噪声与接收灵敏度直接相关,14,线性相关概念,信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入,15,非线性幅度失真非线性幅度失真常用1dB压缩点、三阶交调、三阶截止点等指标衡量,线性相关概念,16,1dB压缩点例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。如下图：,线性相关概念,17,三阶交调三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。用两个相隔f，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下：,三阶交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比,线性相关概念,18,无线传输线的概念介绍,传输线的种类超短波段的传输线一般有两种：平行线传输线和同轴电缆传输线（微波传输线有波导和微带等）平行线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平衡式的传输线。这种馈线损耗大，不能用于UHF频段同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线,19,传输线相关概念,特征阻抗特征阻抗是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数特性阻抗等于无限长传输线上各点电压与电流的比值，用符号。表示同轴电缆的特性阻抗。138/r1/2log(D/d)欧姆D为同轴电缆外导体铜网内径d为其芯线外径r为导体间绝缘介质的相对介电常数目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗，一种是50欧姆系统，如军用的微波、毫米波通讯系统，雷达，我们目前开发的蜂窝通讯系统GSM、WCDMA等；另一种是75欧姆系统，这种系统相对比较少，如我们目前使用的有线电视系统,20,无线传输线的概念介绍,馈线衰减常数信号在馈线里传输，除有导体的电阻损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。损耗的大小用衰减常数表示。单位用分贝（dB）米或分贝百米表示这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局，尽量缩短馈线长度常用馈线类型：1/2”、7/8”、5/4”,21,无线传输线的概念介绍,要获得良好的电性能，阻抗必须匹配,匹配：馈线终端所接负载阻抗等于馈线特性阻抗。时，称为馈线终端是匹配连接的,22,无线传输线的概念介绍,反射系数：反射波和入射波幅度之比当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，入射波的一部分能量反射回来形成反射波反射波幅度（。）反射系数入射波幅度（。）,23,传输线相关概念,驻波比解释：驻波系数式衡量负载匹配程度的一个指标，它在数值上等于：,由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是01，而驻波系数的取值范围是1正无穷大。射频很多接口的驻波系数指标规定小于1.5驻波比恶化意味着信号反射比较厉害，也就是说负载和传输线的匹配效果比较差。所以在一个系统中，如果驻波比很差，可能会使信号传输效果变差，通道增益下降。一个比较典型的例子就是灵敏度问题,24,下行通道射频指标,邻道泄漏（ACLR）：来自噪声、失真和数字调制邻道泄漏指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图：,射机的领道泄漏必然回对其他小区造成干扰，为了减小这种干扰，领道泄漏必须尽可能的小，WCDMA的要求是：第一邻道（偏离载频5MHz）的ACLR45dBC；第二邻道（偏离载频10MHz）的ACLR50dBC,25,上行通道射频指标,接收灵敏度用功率表示Smin=10log（KTB）+Ft+（S/N），单位：dBmK是波尔兹曼常数，单位：J/K(焦耳/K)T表示绝对温度，单位：KB表示信号带宽，单位：HzFt表示系统的噪声系数，单位：dB（S/N）表示解调所需信噪比，单位：dB当B1Hz时，10log（KTB）-174dBm/Hz,26,GSM系统接收灵敏度B200KHz，Ft3dB，S/N9dBSmin10log（KTB）+Ft+（S/N）174dBm10log（200K）39109dBmWCDMA系统接收灵敏度B5MHz，Ft3dB，S/N15dB21dBSmin10log（KTB）+Ft+（S/N）174dBm10log（5M）3（18）122dBm,上行通道射频指标,27,同轴线变化为天线,28,对称振子上的场分布,29,天线的方向性和增益,天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力增益是天线的主要指标之一，它是方向性系数与效率的乘积，表示天线集中波束能量的能力。以dBd、dBi表示,30,天线方向图,31,天线的功能:控制辐射能量的去向,在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的,32,高增益天线的实现,对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”,在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd,33,利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd,高增益天线的实现,34,dBd和dBi的区别,35,前后比：前后瓣最大电平之比,36,半功率波束宽度半功率角(HPBW),37,全向天线增益与垂直波瓣宽度,38,举例：9dBd全向天线,39,举例：15dBd定向天线,40,天线波束的下倾,用于：控制覆盖、减小交调两种方法：机械下倾、电下倾,41,机械下倾情况下的波束覆盖,42,电下倾情况下的波束覆盖,43,可变电下倾：相控阵（智能天线）,44,天线的极化,天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向,45,双极化天线,两个天线为一个整体，传输两个独立的波,46,天线其他指标,零点填充如果天线零深比主波束小26dB，则可能需要采用零点填充技术高增益天线尤其需要采取零点填充技术来有效改善近处覆盖端口隔离多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大于30dB功率容量指平均功率容量，天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，承受功率有限天线尺寸和重量与频段有关。满足电气指标情况下，尺寸尽可能小，重量尽可能轻风载荷天线在36m/s（8级）时正常工作，在55m/s（10级）时不被破坏工作温度、湿度，三防能力-40+65；相对湿度0100%；防潮、防盐雾、防霉菌,47,1、噪声如何分类，它们分别有哪些特性？2、移动通信组网中可能产生的干扰有哪几种？3、什么是邻道干扰？减小邻道干扰应从哪两个方面来考虑？4、什么是同频干扰，同频干扰表现在哪些方面？减小同频干扰有哪些措施？5、接收机的灵敏度由哪几个因素决定？6、OkumuraHata模型与COST-231模型分别适用于哪些系统？7、什么是极化方式？8、目前流行的射频器件适用的特征阻抗为多少？9、一般来说，射频接口的驻波比系数要小于多少？,思考与练习题,48,10、简要解释“1dB压缩点”。11、天线增益的定义？12、通过何种技术来解决“塔下黑”现象，多端口天线的端口隔离度是怎么定义的，天线的“三防”能力是什么？13、计算：已知某蜂窝系统N=4、r015km，计算同频小区距离和同频复用比。14、计算：已知某地区移动用户数量为10000人，平均每用户的忙时话务量为108秒，在呼损率为2的情况下需要多少信道来提供通信服务？15、计算：已知某基站（全向）的发射功率为5W，系统工作频率为1000MHz，试根据自由空间链路损耗公式计算要求最小接收功率分别为80dBm及90dBm时的覆盖半径。,思考与练习题,49,16、计算当v=200km/h，f=900MHz的最大多普勒频移。17、已知某种特征阻抗为50欧的同轴传输线在频率为1000MHz时的损耗为4.3dB/100m，请问？dB/30m?18、已知接收灵敏度的计算公式为：Smin=10log（KTB）+Ft+（S/N），单位：dBm，当B1Hz时，10log（KTB）-174dBm/Hz，请计算WCDMA系统的接收灵敏度。（已知WCDMA系统的信道带宽为3.84MHz,设备噪声系数为3dB，要求最低信噪比为15dB）19、已知由一个半波振子组成的天线增益为2.15dBi，那么由四个半波振子组成的天线带来的增益为多少？另外请说明dBi与dBd的关系。,思考与练习题,50,谢谢！,