移动通信技术ch2v9-电波传播与干扰.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,移动通信技术,主讲：刘琨,办公地点：图书馆三楼信息学院办公室,办公电话：,6126732,603,E-mail:sailsmoon,2,移动通信的电波传播与干扰,移动通信的电波传播,分集技术,噪声,干扰,3,本章思考,手机有天线吗？天线尺寸和什么有关？,不同的业余波段如何利用？你了解无线电爱好者吗？,全国铁路大提速后，部分地区,GSM,网络出现了铁路覆盖区域掉话率大幅度上升及话音质量严重下降现象，极大地影响了中国移动,GSM,网络服务和业务质量。这是为什么？,说明中国电信发展中移动通信的制式与频段选择关系,4,地波方式,天波方式,空间波方式,(,直射波，反射波,),视距方式,绕射方式,对流层散射方式,电波的传播方式,绕射区,空间波,5,实际无线移动信道中的电波传播,实际的移动通信中,无线电波主要以空间波形式传播,主要考虑直达波和反射波传播，以及绕射传播,.,一般情况下,对电波反射按平面波处理,电波在反射点的入射角等于反射角,.,接收到的信号是由直达波和多个反射波的合成,.,6,不同频段电波的传播方式,视距,7,移动通信使用的主要频段的传播特点,8,移动通信使用的主要频段的传播特点,9,电波的传播特性,电波在均匀媒质中沿直线传播,能量的扩散与吸收,反射与折射,电波的干涉,电波的绕射,10,电波在均匀媒质中沿直线传播,球面波,均匀平面波,在均匀媒质中,电波的各射线的传播速度相同,传播过程各射线相互平行,直线传播,11,能量的扩散与吸收,离开天线距离越远,空间电磁场越弱,假设发射天线置于自由空间中,若此天线无方向性,辐射功率为,P,T,瓦,则距辐射天线,d,米处的电场强度,E,0,为,:,E,0,=30 P,T,/d(v/m),实际情况下,电磁波会遇到各种有损耗的介质,导体,因而会损耗一部分能量,.,此现象叫电磁波能量吸收,.,12,反射,当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时,如果界面尺寸比电波大的多,就会发生镜面反射,.,由于大地和大气是不同的介质,因此入射波会在界面上产生反射,.,13,电波的干涉,由同一波源产生的电磁波,经过不同路径到达某接收点,该接收点场强由不同路径来的电波合成,.,这种现象叫电波的干涉,也称,多径效应,.,14,电波的干涉,直射波与地面反射波合成场强随路径差变化而变化,有时同相相加,有时反相抵消,造成合成波的,衰落,现象,.,15,折射,1,实际移动信道中,电波在底层大气传播,.,由于底层大气不是均匀介质,因而发生折射现象,.,在,VHF,UHF,波段尤为突出,直接影响视距传播的极限距离,.,介质折射率为,n,地球等效半径,R,e,地球实际半径,R,0,大气折射率的垂直梯度为,dn/dh,地球等效半径系数,k=R,e,/R,0,=1/(1+R,0,dn/dh),16,折射,2,例,:,在标准大气折射情况下,dn/dh-410,8,（,1/m),地球实际半径,R,0,=6370km,那么，等效地球半径系数,k=4/3,等效地球半径,R,e,=8500km,17,折射,3-,视线传播极限距离,d,1,2 R,e,h,t,d,2,2 R,e,h,r,d=d,1,+d,2,=2R,e,(h,t,+h,r,),标准大气折射情况下,R,e,=8500km,结论,:,大气折射有利于超视距传播,.,18,电波的绕射,电波传播过程中有一定绕过障碍物的能力,这种现象叫做绕射,.,因此在障碍物后面有时仍能收到无线电信号,.,电波的绕射能力和波长有关,波长越长,绕射能力越强,波长越短,绕射能力越弱,.,绕射损耗,19,研究无线信道,无线信道,电波的传播环境,为什么研究无线信道,电波的传播特性与无线信道关系密切,;,这些环境包括地貌,人工建筑,气候特征,电磁干扰情况,通信体移动速度,使用的频段,直接关系到无线通信使用的无线传输技术和通信能力,通信质量,20,研究无线信道的基本方法,理论分析,:,电磁场理论和统计理论，数学模型,.,计算机模拟,:,模拟各种移动环境,.,现场电波实测,:,验证和校正分析结果,.,上述方法的研究获得不同移动环境中的电波传播特性的统计描述以及分类,.,21,无线信道的慢衰落和快衰落,场强变化剧烈,场强平均值随距离增加而衰减,场强特性曲线数值快速变化,-,快衰落,场强特性曲线数值缓慢变化,-,慢衰落,22,衰落,定义,接收端信号的,幅度变化,接收信号强弱变化都是衰落表现吗？,是,23,无线信道场强特性,忽略热噪声,接收机的接收信号为,:,r(t)=m(t)r,0,(t),m(t),长期慢衰落,/,大尺度衰落,原因：无线信道路径上的路径损耗和固定障碍物的阴影,;,平均信号衰落遵从对数正态分布特征,;,作用,:,利用不同测试环境下的无线信道长期慢衰落中值计算公式,可以计算移动通信系统的业务覆盖区域,.,24,无线信道场强特性,忽略热噪声,接收机的接收信号为,:,r(t)=m(t)r,0,(t),r,0,(t),短期快衰落,/,小尺度衰落,原因：移动台运动和地点变化,;,多径产生时间扩散引起符号间干扰,不可避免,;,运动产生多普勒效应,引起信号频移,.,衰落变化呈瑞利分布,;,作用,:,决定使用的抗衰落技术,.,两种衰落都与接收机天线位移有关,.,25,移动通信环境的几个效应,自由空间传播损耗,电磁波能量扩散引起,阴影效应,地形结构引起,慢衰落,多径效应由移动台周围局部散射体引起，快衰落,多普勒效应,由移动台移动速度和方向引起，多径条件下，引起多普勒频展,26,自由空间无线电传播,自由空间：理想，均匀，各项同性的介质,电波在自由空间传播不发生反射，折射，散射，绕射，吸收现象，只有电磁波能量扩散引起的传播损耗。,接收功率为,P,r,P,t,G,t,G,r,/L,p,P,t,为发射功率,G,t,为发射天线增益,G,r,为接收天线增益,L,p,为自由空间传播损耗,27,自由空间传播损耗,L,p,=(4d/),2,=(4d f/c),2,d,为传播距离,为工作波长,c,为光速,f,为工作电波频率,L,p,(dB)=32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km),结论,:,电波的自由空间传播损耗与距离的平方成正比,与波长平方成反比,.,工作频率提高一倍，或传播距离增加一倍时，传播损耗增加,6dB,28,自由空间传播损耗,-,例子,结论：,低轨和高轨的传播损耗相差可达,30dB,，显然低轨道方案在传播损耗上具有优势，可放松对天线、发射功率等的要求，方便地实现卫星与手持机之间的通信。,29,阴影效应,如何产生阴影效应的,?,由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。,电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端,(,如手机,),与专用仪表可测试出来。,功率对数表现为一个高斯或正态分布,30,衰落储备,概念,:,为了防止因衰落,(,快慢衰落,),引起的通信中断,在信道设计中,必须使信号的电平留有足够的余量,使中断率,R,小于规定指标,这种电平余量称为衰落储备,.,衰落储备,=,正常接收电平接收机门限电平,例,:f=450MHz,市区工作,要求通信可靠率,T=99%,衰落储备约,?,22.5dB,31,多径衰落,起因：,由多条路径来的接收电波到达时间不同。,从时间域上看,:,接收信号的波形展宽，包络近似为指数曲线。,32,如何理解频率选择性衰落与相关带宽,假设多径传播路径只有,2,条,且到达接收点两路信号强度相同,只是到达时间上差一个时延,.,令发送信号为,f(t),相应的频谱函数为,F(),假设两路衰减都为,K,两条传输信号合成后,33,如何理解频率选择性衰落与相关带宽,相应的傅氏变换,信道的传输函数为,其幅频特性为,34,如何理解频率选择性衰落与相关带宽,幅频特性,|H()|,特性曲线如图,35,相关性衰落与相关带宽,波形失真,当一个传输信号的频谱宽于,1/,时,信号的频谱发生畸变,不同频率分量衰落不一致，衰落信号波形失真。这种现象成为,频率选择性衰落,.,推广到一般多径传播,频率的选择性同样依赖于相对时延差,.,多径传播的相对时延差通常用最大时延差来表示,设信道最大时延差为,m,则相邻两个零点之间的频率间隔为,f=1/,m,这个频率间隔成为,相关带宽,Bc,，如果信号带宽,BsBc,将产生明显的频率选择性衰落,.,36,实际多径时延信号强度,由于时延扩展，接受信号中的码元波形会扩展到其他码元周期中，引起码间干扰。,为了避免码间干扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展,。,信号传输速度受到多径时延的影响：,码元速率,R3,分集复杂性增加,分集增益增加变的缓慢,.,78,频率分集,信息以不同载频发射出去,只要载频之间间隔大于相关带宽,在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号,.,优点,:,与空间分集相比,减少了天线的数目,.,缺点,:,要占用更多的频谱资源,在发射端需要多部发射机,.,79,极化分集,天线的极化指天线辐射时形成的电场强度方向。,由于两个正交极化的电磁波具有独立的衰落特性,所以发送端和接收端可以用两个位置很近但不同极化的天线分别发送和接收信号,.,极化分集增益约为,5dB,，比单极化天线提高约,2dB,。,优点,:,结构紧凑,节省空间。,80,角度分集,接收端利用方向性天线,分别指向不同信号到达方向,.,每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的,.,81,时间分集,时间间隔足够远,(,大于相干时间,),的两个样点是互不相关的,.,信号在时间上相差一定的间隔重复传输,M,次,只要时间大于相干时间,就可以得到,M,条独立的分集支路,.,T1/(2f,m,)=1/(2v/),f,m,为衰落频率,例,:,移动体速度,v=30km/h,和工作频率为,450MHz,T40ms.,若移动台静止状态,v=0,时间分集得益丧失,.,时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落,.,82,分集信号的合并技术,M,个输入信号电压,r,1,(t),r,2,(t),r,3,(t)r,M,(t),合并器输出电压,r(t)=a,1,r,1,(t)+a,2,r,2,(t)+a,3,r,3,(t)+a,M,r,M,(t),=a,k,r,k,(t),a,k,为第,k,个信号的加权系数,.,合并方式：,选择式合并,最大比合并,等增益合并,83,选择式合并,M,个接收机的输出信号送入选择逻辑,选择逻辑从,M,个接收信号中选择最高基带信噪比,(SNR),的基带信号作为输出,.,选择式合并的平均输出信噪比,=1/k,，,：每个支路的平均信噪比。,每增加一路分集支路,对输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍,.,合并增益,Gs=/=1/k,84,最大比合并,M,个分集支路经过相位调整后,按适当的增益系数同相相加合并,.,最大比合并的平均输出信噪比,=M,合并增益为,Gs=/=M,与,M,成线性关系,.,85,等增益合并,a,i,实时改变是比较困难的,通常希望,a,i,为常量,取,a,i,=1,就是等增益合并,.,等增益合并的平均输出信噪比,=1+(M-1)/4,合并增益为,Gs=/=1+(M-1)/4,当,M,较大时,等增益合并仅比最大比合并差,1.05dB.,86,分集合并性能的比较,相同分集重数,(M,相同,),情况下,以最大比值合并方式改善信噪比最多,等增益合并次之,;,分集重数,M,较小时,等增益合并信噪比改善接近最大比值合并,.,选择式合并所得到的信噪比改善量最少,.,选择式合并所得到信噪比改善量最少,合并器输出只利用了最强一路信号,而其他支路都没有被利用,.,87,移动通信的电波传播与干扰,移动通信的电波传播,分集技术,噪声,干扰,88,噪声,移动信道的噪声分为,根据噪声的来源不同分为,内部噪声,:,热噪声,散弹噪声,自然噪声,人为噪声,根据噪声特征分为,脉冲噪声,起伏噪声,外部噪声,随机噪声,89,各种噪声功率与频率的关系,90,人为噪声,人为噪声：电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，如各种电火花形成的电磁辐射。,移动信道中，人为噪声主要是车辆的点火噪声。,91,噪声对话音质量的影响,话音质量评定,恶化量,:,车辆行进时的动态条件下,为了达到静态条件下一样的话音质量所需要接受的电平增加量,.,92,移动台接收机性能的恶化量,频率升高时,恶化量减小,.,对频率在,400MHz,以上的接收机,性能恶化量基本与频率无关,.,93,移动通信的电波传播与干扰,移动通信的电波传播,分集技术,噪声,干扰,94,干扰,主要有,:,邻道干扰,同频干扰,互调干扰,95,邻道干扰,1,概念,:,相邻的或者邻近频道的信号相互干扰,以单音频调频波进行分析,:,S(t)=cos(,0,t+sint),=f/F,m,:,调频指数,;:,调制信号角频率,;,0,:,载波角频率,;,展开成级数得,:,S(t)=J,0,()sin,0,t,+J,1,()sin(,0,+)t -J,1,()sin(,0,-)t(,第一对边频,),+J,2,()sin(,0,+2)t +J,2,()sin(,0,-2)t(,第二对边频,),+J,3,()sin(,0,+3)t -J,3,()sin(,0,-3)t(,第三对边频,),+,+J,n,()sin(,0,+n)t +(-1),n,J,n,()sin(,0,-n)t(,第,n,对边频,),+,J,n,(),为边频幅度,;,调频信号含有无数对边频分量,落入邻道接收机的通道内,就会产生邻道干扰,.,96,邻道干扰,2,图中给出第一频道,(No.1),发送的调频信号落入邻道,(No.2),示意,.,n,L,为落入邻道最低边频的次数,;,在最坏情况下,落入邻道接收机的最低边频次数为,:,n,L,=(B,r,0.5 B,I,-f,TR,)/F,m,得,n,L,后,就能求出相应的贝赛尔函数,J,nL,(),J,nL+1,(),值,从而求出落入邻道的边带功率,.,减少邻道干扰的办法：,提高收发信机的频率稳定度和准确度,限制发射信号带宽,发射机的瞬时频偏不超过最大允许值,.,97,邻道干扰,2,已知频道间隔,25kHz,接收机中频带宽,B,I,为,16kHz,频偏为,5kHz,收发信机频差,f,TR,=2kHz,最高调制频率,F,m,=3kHz.,落入邻道接收机的最低边频次数是多少,?,如果某移动台辐射功率为,10w,该移动台到另一移动台的邻道接收机传输损耗为,100dB,求落入邻道接收机的调制边带功率,.,n,L,=(25-8-2)/3=5,=f/F,m,=5/3 1.7,J,5,(1.7)=3.3997*10,-3,第,5,边频相对于载波功率：,20lg3.3997*10,-3,-50dB,落入邻道边带功率约为,P=10-50-100=-140(dBW),98,同频干扰,同频道再用,移动通信系统中,相隔一定距离后,要重复使用相同频道,.,产生原因,:,凡是与有用信号具有相同频率的无用信号或者与有用信号频差不大能进入同一接收机通带的无用信号都能产生同频干扰,.,产生同频干扰的频率范围,:,f,0,B,I,/2.,解决,:,使接收机输入端的有用信号与同频干扰电平之比大于某个数值,(,射频防护比,),不同信号的干扰射频防护比不同,.,99,同频道再用距离,概念,:,相同频道之间的最小距离为同频再用的最小安全距离,所谓”安全”,:,接收机输入端有用信号与同频干扰比值大于射频防护比,同频再用距离的相关因素,:,调制制度,电波传播特性,基站覆盖范围,(,小区半径,),要求的可靠通信概率,100,同频再用距离和射频防护比的关系,D,I,/D,s,=10,S/I/40,若射频防护比为,8dB,D,I,/D,s,=10,8/40,=1.6,D=2.6r,0,若考虑快慢衰落,射频防护比约,25dB,D=5.2r,0,101,互调干扰,产生原因,:,由传输信道中的非线性电路产生,.,多个频率不同的信号作用于任何一个非线性电路都会产生多组频率的信号,.,一般非线性器件的输出电流,i,c,与输入电压,u,的关系为,i,c,=a,0,+a,1,u+a,2,u,2,+a,3,u,3,+,a,k,为非线性器件的特性系数,a,0,a,1,a,2,设两个信号同时作用于非线性器件,u=Acos,A,t+Bcos,B,t,失真项为,:a,n,(Acos,A,t+Bcos,B,t),n,102,互调干扰,在三阶,(n=3),失真项中,会出现,2,A,-,B,2,B,-,A,2,A,+,B,2,B,+,A,等组合频率,因为,:,A,和,B,都接近,0,(,接收机接收接近调谐频率的信号,),所以,2,A,-,B,0,2,B,-,A,0,这两种组合频率的干扰成为三阶互调干扰,.,同理,在五阶,(n=5),失真项中,具有危害的是,3,A,-2,B,3,B,-2,A,成为五阶互调干扰,.,103,无三阶互调的频道组,三阶互调干扰比五阶互调干扰大的多,所以一般主要考虑三阶互调干扰的影响,.,产生三阶互调干扰的频率是,:,f,x,=f,i,+f,j,-f,k,f,x,=2 f,i,-f,j,f,k,f,i,f,j,是频率集合,f,1,f,2,f,n,中任意三个频率,.,也是频率集合中的一个频率,.,常用频道序号来表征频率,:,104,无三阶互调的频道组,利用频道序号差值表示互调关系式方便判别一组频道中是否存在互调干扰,.,判别某个无线区所选择的频道组有无三阶互调干扰,只要判别各频道序号的差值有无相同,.,利用,频道序号差值阵列法,来判断频道组那是否存在三阶互调干扰,105,判断无三阶互调的频道组的方法,图中频率,158.000258.300MHz,共分,12,个频道,频道间隔,B,是,25kHz,相应频率序号为,112.,假设初始频率为,f,0,(=f,1,-B),则任一频道的频率可以写成,f,x,=f,0,+BC,x,C,x,为频率序号,f,i,=f,0,+BC,i,f,j,=f,0,+BC,j,f,k,=f,0,+BC,k,f,x,=f,i,+f,j,f,k ,f,x,=2 f,i,-f,j,则,C,x,=C,i,+C,j,-C,k,C,x,=2C,i,-C,k,因此,:,三阶互调关系是用频道序号的差值表示为,d,i,x,=d,k,j,判别某个无线区所选择的频道组有无三阶互调干扰,只要判别,各频道序号的差值有无相同,.,106,例题,:,在下图所示,12,个频道中,若等间隔的选其中,5,个频道,如,1,3,5,7,9,号作为无线区使用频道,判别无线区是否存在三阶互调干扰,.,107,无三阶互调频道组,注意,:,选用无三阶互调频道组,三阶互调产物依然存在,只是不落在本系统的工作频道而已,.,表中列出的频道的序号,.,108,无三阶互调,无邻道干扰频道差值序列,注意,:,表中列出的是频道序号,差值,d,的取值,.,109,本章总结,移动通信频段电磁波的传播特性,移动通信信道的慢衰落、快衰落,4,个效应：特别是多径效应,常见的传播损耗模型,分集技术定义，分类，分集合并,噪声和频率的关系,3,个干扰,110,本章思考,手机有天线吗？天线尺寸和什么因素有关？,不同的业余波段如何利用,？,你了解无线电爱好者吗？,基站辐射对人体健康有什么影响？,2007,年全国铁路第六次大提速后，部分地区,GSM,网络出现了铁路覆盖区域掉话率大幅度上升及话音质量严重下降现象，极大地影响了中国移动,GSM,网络服务和业务质量。这是为什么？,说明中国电信发展中移动通信的制式与频段选择关系,