第5章--無線傳輸基本理論

1、1,,,胡慶 教授,第5章 無線傳輸基本理論,2,內(nèi)容提要,無線電波傳播特征 無線電波傳播損耗無線信道噪聲與衰落無線通信的多址連接及工作方式,5.1 無線電波傳播特征,電磁波是一個(gè)總稱，如果按頻率和波長來劃分，除了無線電波之外，電磁波還包括紅外線、可見光、紫外線以及X射線等，并且都會產(chǎn)生電磁輻射，它們之間的區(qū)別僅僅是波的頻率不同而已。當(dāng)前，能用于通信的無線電頻率范圍已經(jīng)從大約100kHz擴(kuò)展到了約100GHz以上。電

2、磁波的傳播主要分為中長波地表波傳播、超短波及微波視距傳播、短波電離層反射、對流層散射、電離層散射等，如圖1-18所示，但它們也具有如下的共同特性。,3,5.1 無線電波傳播特征,直線傳播電磁波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播具有光似性。在均勻媒質(zhì)中，電磁波在介質(zhì)的各個(gè)位置受到的作用完全一致，或者說傳輸介質(zhì)對電磁波中各個(gè)分量都產(chǎn)生同樣的影響，各個(gè)分量的變化趨勢完全一致，不會產(chǎn)生方向的變化，即電磁場方向不變，也就是傳播方向不變，即按原先的方向直線

3、向前傳播。反射與折射當(dāng)電波由—種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時(shí)，在兩種媒質(zhì)的交界面上，傳播方向會發(fā)生改變，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。電波的反射和折射同樣遵守光學(xué)的反射和折射定律。,4,5.1 無線電波傳播特征,電波的干涉由同一電波源所產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)某接收點(diǎn)時(shí)，該接收點(diǎn)的場強(qiáng)由不同路徑的電波合成，這種現(xiàn)象叫做波的干涉，也稱為多經(jīng)效應(yīng)。合成電場強(qiáng)度與各射線電場的相位有關(guān)，當(dāng)它們同相位時(shí)，合成場強(qiáng)最大；反相時(shí)，合成場強(qiáng)最小。繞射

4、現(xiàn)象電波在傳播過程中有一定的繞道障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱為繞射。由于電波具有一定的繞射能力，所以能繞過高低不平的地面或有一定高度的障礙物，然后到達(dá)接收點(diǎn)。因而有時(shí)在障礙物后面也能收到無線電信號。,5,5.2 無線電波傳播損耗,在有線傳輸信道中，電信號將封閉在相對固定的導(dǎo)線中傳輸，其起點(diǎn)和終點(diǎn)的截面積近似相等，因此其單位面積上的功率變化僅僅受制于傳輸過程中介質(zhì)對電信號的衰減。而在無線信道中，當(dāng)電磁波離開天線后，便向四面八方擴(kuò)散，隨著傳

5、播距離增加，電磁波能量分布在越來越大的面積上，在天線輻射的總能量—定時(shí)，離開天線的距離越遠(yuǎn)，空間的電磁場就越來越弱。,6,5.2.1 能量的擴(kuò)散與吸收,假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間中，若天線無方向性，輻射功率為P（單位為W），則距離輻射天線d（單位為m）處的電場強(qiáng)度有效值E0為式（5.2）表明，電場強(qiáng)度與傳播距離成反比。這種隨著傳播距離的增加使電場強(qiáng)度逐漸減弱的現(xiàn)象，完全是出于電波在自由空間傳播時(shí)能量的擴(kuò)散而引起的。實(shí)際上，電磁波在

6、大氣中傳播，會遇到各種介質(zhì)、導(dǎo)體或半導(dǎo)體，因而會損耗一部分能量，這種現(xiàn)象叫做電磁波能量吸收。,7,,5.2,5.2.2 自由空間傳播損耗,自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間是一種抽象的空間，通常是指充滿均勻、無耗媒質(zhì)的無限大空間，無線電波在自由空間傳播不會產(chǎn)生電磁波的吸收、散射、折射和反射等現(xiàn)象，因此我們只需要考慮無線電波從源點(diǎn)到目的點(diǎn)直接純粹的因?yàn)殡姴ǖ膫鞑淼膿p耗。根據(jù)無線電波傳播的特征，電波在自由空間傳播時(shí)，其能量會因向四面八

7、方擴(kuò)散，當(dāng)然總能量保持不變，但是對于無線通信系統(tǒng)來說，其信號接收裝置的接收面積是有限的，只能接收其中的一部分能量，從而相對于發(fā)射端的發(fā)射能量來說，接收能量實(shí)際上減少了。,8,5.2.2 自由空間傳播損耗,由電磁場理論可知，若無方向性（也稱全向天線）天線的輻射功率為PT瓦，則距輻射源d米的接收點(diǎn)B處的單位面積上的電波平均功率（見圖5-1）為：由天線理論知道，一個(gè)各向均勻接收的天線，其有效接收面積為這樣，一個(gè)無方向性天線在B點(diǎn)收

8、到的功率為,9,,,,或,,5.2.2 自由空間傳播損耗,自由空間的傳播損耗定義為 式中，d為收、發(fā)天線的距離，f為發(fā)信頻率。 若發(fā)射天線的增益為GT，接收天線的增益為GR，則式（5.5）應(yīng)改寫為,10,,5.5,,5.6,5.2.2 自由空間傳播損耗,例5-1 某微波中繼傳輸信道，發(fā)射天線的增益為22dB，接收天線的的增益為18dB，收發(fā)距離為14500 km，載波中心頻率為5.904GHz。求：（1）該信道

9、的基本傳輸損耗為多少? （2）若發(fā)射功率為25W，接收機(jī)接收到的功率為多少?解：（1）該信道的基本傳輸損耗為：（2）接收機(jī)的接收到的功率為：,11,,,5.2.2 自由空間傳播損耗,自由空間傳播條件下收信功率的計(jì)算無線通信中如微波中繼通信，實(shí)際使用的天線均為定向天線，當(dāng)收發(fā)天線增益分別為[GR]（dB），[GT]（dB）；收發(fā)天線饋線系統(tǒng)損耗分別為[Lr]（dB），[Lt]（dB）時(shí)，則自由空間傳播條件下，接

10、收機(jī)接收功率為,12,,5.2.2 自由空間傳播損耗,例5-2 某微波中繼傳輸信道，已知發(fā)射功率PT=1W，發(fā)信頻率f =3800MHz，收發(fā)距離為45 km，[GT]=38 dB，[GR]=40 dB，饋線系統(tǒng)損耗[Lr]=1（dB），[Lt]=3（dB），求自由空間傳播條件下的收信功率。解：將PT=1W換成電平值，,13,,,,,5.2.3 自然現(xiàn)象引起的損耗,大氣吸收損耗產(chǎn)生大氣吸收損耗的氣體主要是氧氣、水蒸氣以及水

11、氣凝結(jié)物。原因有兩個(gè)：一是電波的吸收，即電波的電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；二是電波因水氣及凝結(jié)物產(chǎn)牛的散射，如圖5-2所示。,14,圖5-2 水蒸氣和氧吸收衰減,5.2.3 自然現(xiàn)象引起的損耗,由圖5-2可知，水蒸氣的最大吸收峰在? =1.3cm (f=23GHz）處；氧的最大吸收峰在? =0.5cm (f=60GHz）處。從總吸收曲線（c）可以查出，當(dāng)微波頻率為12GHz時(shí)（波長2.5cm)，水蒸氣和氧分子總的吸收衰耗約為0.015dB/k

12、m。若站距為50km，則一個(gè)中繼段的衰耗約為0.75dB。因此，微波工作頻率小于12GHz時(shí)，和自由空間傳播損耗相比，可以忽略不計(jì)。,15,5.2.3 自然現(xiàn)象引起的損耗,雨霧引起的散射損耗降雨引起的電波傳播損耗的增加稱為雨衰，雨衰是由于雨滴和霧對無線電波能量的吸收和散射產(chǎn)生的。雨霧中的小水滴能散射電磁波能量而造成散射衰耗，如圖5-3所示。,16,圖5-3 雨霧的散射損耗,5.2.3 自然現(xiàn)象引起的損耗,從圖5-3中曲線（e）

13、可見，在濃霧情況下，波長大于4cm (7500MHz)、站距為50km的散射損耗約為3.3dB。一般來說，10GHz以下頻段，雨霧的散射衰耗還不太嚴(yán)重，通常兩站之間的衰耗也只有幾分貝。但是10GHz以上頻段，中繼站之間距離將主要受降雨衰耗所限制，在20GHz（波長為1.5cm）以上時(shí)，中繼站站距只好縮減到幾千米。因此，在設(shè)計(jì)微波或者衛(wèi)星等通信系統(tǒng)時(shí)，為考慮降雨引起的影響，應(yīng)事先留有2dB左右的發(fā)射功率余量。,17,5.2.3 自然現(xiàn)象

14、引起的損耗,大氣折射引起的損耗 在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度越低，對電波的折射率也隨之減小，使電磁波在大氣層中的傳播路徑出現(xiàn)彎曲。于是地球站在幾何上直線對準(zhǔn)的只是在衛(wèi)星實(shí)際位置上方的一個(gè)虛的衛(wèi)星位置。由于大氣層的不穩(wěn)定因素，如溫度的變化、云層和霧等導(dǎo)致大氣密度分布的不連續(xù)變化和起伏，使傳播路徑產(chǎn)生了隨機(jī)的、時(shí)變的彎曲，從而引起接收信號的起伏。在低仰角的情況下，由于星—地傳播路徑與地面視距微波的路徑近于平行，折射還可能形成相互

15、干擾。,18,5.2.3 自然現(xiàn)象引起的損耗,電離層、對流層閃爍引起的損耗電離層內(nèi)存在電子密度的隨機(jī)不均勻性而引起閃爍，其強(qiáng)度大致與頻率的平方成反比。因此，電離層閃爍會對較低頻段（1GHz以下）的電波產(chǎn)生明顯的散射和折射，從而引起信號的衰落。比如，對于200MHz的工作頻率，電離層閃爍使信號損耗有10％的時(shí)間大于6dB。,19,5.2.4 多經(jīng)傳播引起損耗,地面和環(huán)境設(shè)施對信號的反射，可形成信號的多經(jīng)傳播。對于天線高度低，增益小的

16、移動終端更容易出現(xiàn)這樣的情況。信號通過多經(jīng)信道到達(dá)接收端時(shí)，由于不同路徑的信號延時(shí)不一樣，接收端多經(jīng)信號可能同相疊加，合成信號增強(qiáng)；也可能各個(gè)多經(jīng)信號反相抵消，合成信號被減弱，從而形成接收信號的衰落。在多徑傳輸中，我們可以考慮地面折射這種非常普遍的現(xiàn)象來分析多徑信號帶來的影響。如圖5-4所示，接收點(diǎn)除收到直射波外，還會收到由地面反射的波（反射角等于入射角），下面推導(dǎo)一下由直射波和反射波在收信點(diǎn)產(chǎn)生的合成場強(qiáng)。,20,5.2.4 多經(jīng)

17、傳播引起損耗,設(shè)E0為自由空間傳播時(shí)，直射波到達(dá)R處的電場強(qiáng)度有效值，則直射波電場強(qiáng)度的瞬時(shí)值為：由于反射波與直射波有路程差,21,圖5-4 平坦地面的電波反射,,,=r2-r1,5.2.4 多經(jīng)傳播引起損耗,故反射波場強(qiáng)的落后瞬時(shí)值為式中，? 為反射系數(shù)的模；?ρ為反射系數(shù)的相位；（ ）為反射波與直射波之間的總相位差。 按平行四邊形法則求得在接收點(diǎn)R處的 ， 電場強(qiáng)度的

18、矢量和的有效值E為,22,,,,,,5.2.4 多經(jīng)傳播引起損耗,將合成電場強(qiáng)度有效值E與自由空間的直射波電場強(qiáng)度有效值E0之比稱為地面反射引起的衰落因子Lk，表示為一般入射角 很小， 而 （全反射），于是：考慮地面發(fā)射影響，實(shí)際的收信點(diǎn)功率電平為：[Pr](dBm)=[Pr0](dBm)+[Lk](dB) 5.14）式中，Pr0(dBm)為未考慮地面影響時(shí)的直射波收信

19、功率。,23,,,,,,,5.13,5.2.4 多經(jīng)傳播引起損耗,將式（5.13）的Lk～Δr關(guān)系，繪出曲線如圖5-5所示。由圖可見，隨著Δr 的變化，收信點(diǎn)點(diǎn)電場E可從零變化到2E0，E=0出現(xiàn)在Δr=λ，2λ，…時(shí)，應(yīng)盡量避免。,24,圖5-5 Lk～?r關(guān)系曲線,5.2.5 無線傳播模型,有兩種方法可以用來建立傳播模型：歸納法和演繹法。所謂歸納法就是通過收集和整理實(shí)際環(huán)境下傳播損耗與空間之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，得到一個(gè)傳播模型；而演

20、繹法就是分析無線信號傳播各種方式（直射、反射和衍射等）的效應(yīng)，疊加后得到一個(gè)傳播模型。一個(gè)有效的傳播模型能很好地預(yù)測出傳播的損耗，該損耗是距離、工作頻率和環(huán)境參數(shù)的函數(shù)。由于實(shí)際環(huán)境的影響，傳播損耗也有所變化，因此預(yù)測結(jié)果必須在實(shí)際測量工程中進(jìn)一步驗(yàn)證。我們可以按照下述各種特定傳播環(huán)境的傳播模型來估算電波的傳播損耗。,25,5.2.5 無線傳播模型,自由空間傳播模型　自由空間傳播模型應(yīng)用的頻率范圍為0~300GHz，是最簡單的幾何光

21、學(xué)模型。在某些環(huán)境中，假定有用信號只是由于在自由空間所產(chǎn)生的傳播損耗，也就是說，把大氣看成為近似真空的均勻介質(zhì)，電磁波沿直線傳播，不發(fā)生反射、折射、繞射和散射等現(xiàn)象，這時(shí)在大氣中的傳播就等效于自由空間傳播。它只與頻率f和距離d有關(guān)。,26,5.2.5 無線傳播模型,平坦大地的繞射模型　適合大于視距的傳播范圍，對有用信號的預(yù)測需要考慮地球的曲率。粗糙大地上的傳播模型適合于世界特定地區(qū)和特別粗糙大地上的傳播。Longley-Ric

22、e傳播模型 Longley-Rice模型應(yīng)用于頻率范圍為40MHz～100 GHz，不同種類的地形中點(diǎn)對點(diǎn)的通信系統(tǒng)。這個(gè)模型是統(tǒng)計(jì)模型，可用來估算地波和對流層散射的傳播衰減，使用地形地貌的路徑幾何學(xué)和對流層的繞射性，預(yù)測中值場強(qiáng)和估計(jì)信號隨時(shí)間與空間的變化。,27,5.2.5 無線傳播模型,SUI模型是斯坦福大學(xué)提出的，該模型是在Ereeg模型和COST231-Hata模型基礎(chǔ)上修改而來半確定性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，適用于WiMAX無線接入系

23、統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，適用頻率范圍3.40GHz～3.53GHz。Okumura-Hata、COST231-Hata、Walfish-Ikegami和LEE等傳播模型主要應(yīng)用于計(jì)算陸地移動通信中路徑的傳播損耗，確定無線蜂窩小區(qū)的服務(wù)覆蓋區(qū)，適用頻率范圍為1.50GHz～2.0 0GHz。,28,5.3 無線信道噪聲與衰落,信道噪聲衰落原因與分類抗衰落技術(shù),29,5.3.1 信道噪聲,按照噪聲來源來分（1）人為噪聲人為噪聲是指人類活動所

24、產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲。如各種電器開關(guān)通斷時(shí)產(chǎn)生的短脈沖、熒光燈閃爍產(chǎn)生的脈沖串、其他無線電系統(tǒng)產(chǎn)生的信號等。（2）自然噪聲自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等。（3）內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是指通信設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，它來源于通信設(shè)備的各種電子器件、傳輸線、天線等。,30,5.3.1 信道噪聲,按照噪聲性質(zhì)來分（1）單頻噪聲單頻

25、噪聲主要是無線電干擾，頻譜特性可能是單一頻率，也可能是窄帶譜。單頻噪聲的特點(diǎn)是一種連續(xù)波干擾。（2）脈沖噪聲脈沖噪聲是在時(shí)間上無規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點(diǎn)火噪聲、 雷電等（3）起伏噪聲 起伏噪聲是一種連續(xù)波隨機(jī)噪聲，包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。對其特性的表征可以采用隨機(jī)過程的分析方法。,31,5.3.1 信道噪聲,熱噪聲熱噪聲是由傳導(dǎo)媒質(zhì)中電子的隨機(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生的，這種在原子能量級上的隨機(jī)運(yùn)動是物質(zhì)

26、的普遍特性。在傳輸（通信）系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲以及接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲均可以等效成熱噪聲。熱噪聲均勻分布在0～1012Hz的頻率范圍內(nèi)，其電壓有效值為式中，波茲曼常數(shù)k = 1.38 ? 10-23（J/K），T為熱力學(xué)溫度（ºK），阻值R（?），帶寬B（Hz）。,32,,5.3.1 信道噪聲,功率譜密度為式中，h=6.6254×10-34(J/s)為普朗克常數(shù)，頻率f。功率譜密度曲線如

27、圖5-6所示?？梢钥闯?，在頻率f＜0.2(kT/h)范圍內(nèi)，功率譜密度Pn(f )基本上是平坦的。,33,,圖5-6 熱噪聲的功率譜密度,5.3.2 衰落原因與分類,當(dāng)電波傳播空間的參數(shù)變化時(shí)，收信端的收信電平會偏離設(shè)計(jì)值，稱為傳播衰落。引起衰落的原因是多方面的，大體上可以歸為兩大類：第一類是由氣象條件的不平穩(wěn)變化引起的，如大氣折射的慢變化，雨霧衰減以及大氣中不均勻體的散射等引起的衰落；第二類是由多徑傳播引起的衰落。對衰落沒有統(tǒng)一

28、的分類方法。比較普遍的方法是按衰落周期的時(shí)間快慢，分為快衰落與慢衰落，如圖5-7所示。下面先按這種方法來說明形成這兩類衰落的原因及其互相關(guān)系。,34,5.3.2 衰落原因與分類,,35,圖5-7 衰落示意圖,5.3.2 衰落原因與分類,慢衰落大量統(tǒng)計(jì)測試表明：慢衰落是隨時(shí)間變化接收機(jī)接收的場強(qiáng)中值呈現(xiàn)較慢變動，其衰落周期以秒計(jì)算，往往是慢慢形成，慢慢消失。它常由大氣折射的緩慢變化引起。因?yàn)樵谝粋€(gè)較大的范圍內(nèi)(例如一段中繼線路)大

29、氣折射條件的變化和恢復(fù)不是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，所以形成了慢衰落。如繞射衰落就是屬于這一類型。快衰落大量統(tǒng)計(jì)測試表明：快衰落是隨時(shí)間變化接收機(jī)接收的場強(qiáng)中值呈現(xiàn)快速起伏變動，其衰落速度約30~40次/秒。它與大氣中存在的波導(dǎo)、薄層以及湍流等引起的多徑傳播有關(guān)。在微波范圍內(nèi)只要每條射線的路徑稍有變動，它們的合成信號就會產(chǎn)生明顯的起伏。,36,5.3.2 衰落原因與分類,工程應(yīng)用中常按快衰落產(chǎn)生的機(jī)制分為以下幾種類型（1）K型衰落。

30、這是一種由地面反射的多徑干涉所形成，常發(fā)生在水面和開闊平面地上的電波中。（2）波導(dǎo)型衰落。波導(dǎo)型衰落是由于各種氣象條件的影響，如地面被太陽曬熱，夜間地面的冷卻，以及海面和高氣壓地區(qū)，都會形成大氣層中的不均勻結(jié)構(gòu)。閃爍衰落。閃爍衰落是由于對流層中的大氣無規(guī)則的漩渦運(yùn)動，而形成的一些不均勻氣團(tuán)所引起的散射衰落。（4）散射型衰落。散射型衰落由傳播路徑上的大氣層中不均勻體的散射所引起，其典型的衰落圖形如圖5-8（d）所示。（5）大氣雨霧

31、的吸收衰落。由大氣和雨霧的吸收所引起的衰落稱為吸收衰落，它的特點(diǎn)是直射波被衰減，所以信號電平總是低于而不會高出自由空間電平。,37,5.3.2 衰落原因與分類,,38,圖5-8 幾種典型的衰落示意圖,5.3.2 衰落原因與分類,,39,圖5-9 大氣波導(dǎo)形成的反射波,圖5-10 閃爍衰落,5.3.3 抗衰落技術(shù),分集技術(shù)分集技術(shù)是指將同一個(gè)信號在發(fā)端分散發(fā)送、收端集中接收的技術(shù)。最常用的分集方法是空間分集和頻率分集?？臻g

32、分集分為空間分集發(fā)射和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)，下面以空間分集接收為例說明這種技術(shù)。在不同的空間位置設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收同一個(gè)發(fā)射天線的微波信號，然后合成或選擇其中較強(qiáng)的信號，這種工作方式稱為空間分集接收。有幾副接收天線就稱為幾重分集。在微波傳輸系統(tǒng)中最常用的是二重垂直空間分集接收，如圖5-11所示。,40,5.3.3 抗衰落技術(shù),頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信號，然后進(jìn)行合成或選擇，以減輕

33、衰落影響，這種工作方式叫做頻率分集接收。當(dāng)采用兩個(gè)微波頻率時(shí)，稱為二重頻率分集。,41,圖5-11 二重垂直空間分集接收,5.3.3 抗衰落技術(shù),頻率分集有同頻段分集和跨頻段分集兩種類型。 所謂同頻段分集是指發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號頻率f1和f2位于同一微波頻段之中，其分集系統(tǒng)的示意圖如圖5-12所示。,42,圖5-12 同頻段分集系統(tǒng),5.3.3 抗衰落技術(shù),跨頻段分集是指發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號頻率f1、f2分別處于

34、不同的微波頻段之中，其分集系統(tǒng)的示意圖如圖5-13所示。,43,圖5-13 跨頻段分集系統(tǒng),5.3.3 抗衰落技術(shù),自適應(yīng)均衡技術(shù)頻域自適應(yīng)均衡器是在模擬微波通信系統(tǒng)中，為了改善信道的群時(shí)延和微分增益特性，所使用的均衡器，但是該均衡器僅作為靜態(tài)特性的補(bǔ)償。而數(shù)字微波通信系統(tǒng)，因傳輸帶寬較寬，當(dāng)發(fā)生多徑傳播衰落時(shí)，其通帶內(nèi)的振幅特性是隨時(shí)間而變化的，這就必須使用能適應(yīng)時(shí)間變化的自適應(yīng)均衡器。圖5-14（a）所示為一個(gè)工作在中頻的頻

35、域自適應(yīng)均衡器，它是一個(gè)諧振頻率fr和回路Q值可變的中頻諧振電路。該中頻諧振電路產(chǎn)生的與多徑衰落造成的幅頻特性相反的特性，可以抵消帶內(nèi)振幅偏差。,44,5.3.3 抗衰落技術(shù),,45,圖5-14 中頻可變調(diào)諧的自適應(yīng)均衡器,5.3.3 抗衰落技術(shù),圖5-14（b）是這種頻域均衡器的原理電路，均衡器電路用分布參數(shù)和變?nèi)荻O管構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，當(dāng)改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容時(shí)，可改變電路的中心諧振頻率。在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)誤碼率

36、的主要原因是在收端取樣判決點(diǎn)處其前后信號對取樣判決樣值的干擾，稱為碼間干擾。故通常采用時(shí)域自適應(yīng)均衡器以消除（減小）取樣判決點(diǎn)處的碼間干擾。時(shí)域自適應(yīng)均衡器的方案很多，下面例舉的是一種應(yīng)用較廣、加在基帶系統(tǒng)的由橫向?yàn)V波器構(gòu)成的自適應(yīng)均衡器，其結(jié)構(gòu)如圖5-15所示。,46,5.3.3 抗衰落技術(shù),自適應(yīng)均衡器由2N階的橫向?yàn)V波器和權(quán)系數(shù)調(diào)整控制電路構(gòu)成，橫向?yàn)V波器由2N級延遲單元T和可調(diào)的加權(quán)系數(shù)Ci（-N≤i≤N）組成，每級延遲一比特

37、，在中間（中心抽頭）脈沖S0的前后各有N個(gè)脈沖，一共有2N+1個(gè)脈沖。,47,圖5-15 橫向?yàn)V波器式均衡器結(jié)構(gòu),5.3.3 抗衰落技術(shù),,48,圖5-16 橫向?yàn)V波器式均衡器原理框圖,5.4 無線通信的多址連接及工作方式,信號傳輸?shù)囊粋€(gè)很重要的問題就是如何充分地利用信道。在兩點(diǎn)之間的同一條信道上同時(shí)傳送不同的多個(gè)信號而不互相干擾，這是信道的“多路復(fù)用”。多路復(fù)用技術(shù)在地面微波中繼通信中已經(jīng)普遍應(yīng)用，目前常用的多路復(fù)用方式有頻分

38、多路復(fù)用（FDM）、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）、碼分多路復(fù)用（CDM）、空分多路復(fù)用（SDM）等方式。在多點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)互不干擾和影響的多邊通信稱為“多址通信”或“多址連接”。它們的共同理論根據(jù)，就是信號分割的原理。,49,5.4.1 頻分多址（FDMA）方式,頻分多址（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）是使用較早也是使用較多的一種多址接入方式，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動通信、一點(diǎn)多址微波通信系統(tǒng)

39、中。FDMA的技術(shù)核心是把傳輸頻帶劃分為較窄的且互不重疊的多個(gè)子頻帶，每個(gè)用戶都被分配到一個(gè)獨(dú)立的子頻帶中；各用戶采用濾波器，分別按分配的子頻帶從信道上提取信號，實(shí)現(xiàn)多址通信。,50,圖5-17 頻分多址方式的原理示意圖,5.4.1 頻分多址（FDMA）方式,頻分多址方式可以根據(jù)多路復(fù)用和調(diào)制方式的不同，分成如下幾種方式：① FDM／FM／FDMA方式是先把要傳送的電波信號進(jìn)行頻分多路復(fù)用處理，即FDM；再對載波進(jìn)行調(diào)頻，即FM；

40、然后按照載波頻率的不同來區(qū)分為是哪個(gè)地球站址，即FDMA。② SCPC／FDMA方式中，SCPC方式的含意是每一個(gè)話路使用一個(gè)載波。這種多址方式中的調(diào)制方法可以是PCM／PSK的，或增量調(diào)制（AM）／PSK的，也可以是比較簡單的FM的。SCPC多址方式是預(yù)分配的，如果采用按需分配，就叫做SPADE方式。③ PCM／TDM／PSK／FDMA方式是先把話音信號進(jìn)行PCM，即脈碼調(diào)制，經(jīng)過TDM，即時(shí)分多路復(fù)用；然后再對載波進(jìn)行PSK、即

41、相移鍵控；最后FDMA，并根據(jù)載波頻率不同來區(qū)分站址。,51,5.4.2 時(shí)分多址（TDMA）方式,時(shí)分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）是在給定頻帶的最高數(shù)據(jù)傳輸速率的條件下，把傳遞時(shí)間劃分為若干時(shí)間間隙即時(shí)隙，各用戶按照分配的時(shí)隙，以突發(fā)脈沖序列方式接收和發(fā)送信號。,52,圖5-18 TDMA方式工作原理示意圖,5.4.3碼分多址（CDMA）方式,碼分多址（CDMA，Code Divis

42、ion Multiple Access）是一種利用信號結(jié)構(gòu)的正文性來鑒別有用信號的多址方式。在碼分多址（CDMA）系統(tǒng)中，站址的劃分是根據(jù)各站的碼型結(jié)構(gòu)不同來實(shí)現(xiàn)的。各地球站可以使用相同的載波頻率，占用同樣的射頻帶寬，在任意時(shí)間內(nèi)發(fā)射信號。一般選擇偽隨機(jī)（PN）碼作地址碼。一個(gè)地球站發(fā)出的信號，只能用與它相關(guān)的接收機(jī)才能檢測出來。CDMA實(shí)際是一種擴(kuò)頻系統(tǒng)。衛(wèi)星通信中較適用的擴(kuò)頻系統(tǒng)有兩種基本類型：直接序列碼分多址（DS/CDMA）系

43、統(tǒng)，又叫做偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻多址方式（SSMA）；跳頻碼分多址（FH/CDMA）系統(tǒng)。,53,5.4.3碼分多址（CDMA）方式,直接序列碼分多址（DS／CDMA）系統(tǒng),54,圖5-19 DS/CDMA系統(tǒng),5.4.3碼分多址（CDMA）方式,跳頻碼分多址（FH/CDMA）系統(tǒng)與DS/CDMA相比，其主要差別是發(fā)射頻譜的產(chǎn)生方式不同，如圖5-20所示。在發(fā)端，利用PN碼去控制頻率合成器，使之在一個(gè)寬范圍內(nèi)的規(guī)定頻率上偽隨機(jī)地跳動，然后再與

44、信碼調(diào)制過的中頻混頻，從而達(dá)到擴(kuò)展頻譜的目的。跳頻圖案和跳頻速率分別由PN序列及其速率決定。在接收端，本地PN碼產(chǎn)生器提供一個(gè)和發(fā)端相同的PN碼，驅(qū)動本地頻率合成器產(chǎn)生同樣規(guī)律的頻率跳變，和接收信號混頻后獲得固定中頻的已調(diào)信號，通過解調(diào)器還原出原始信號。,55,5.4.3碼分多址（CDMA）方式,,56,圖5-20 FH/CDMA系統(tǒng)方框圖,5.4.3碼分多址（CDMA）方式,CDMA方式的優(yōu)點(diǎn)是：在擴(kuò)頻碼相關(guān)特性較理想且擴(kuò)頻增益較高

45、時(shí)，對干擾有很強(qiáng)的抑制能力。信號掩沒在干擾之中，不易被發(fā)現(xiàn)，而且采用特殊的擴(kuò)頻碼相當(dāng)于一次加密，保密性能較好。實(shí)現(xiàn)多址通信容易，各站設(shè)備都相同，只需變更地址碼，使用比較靈活。CDMA方式的缺點(diǎn)是：要占用很寬的頻帶，頻帶利用率較低；選擇數(shù)量足夠的地址碼組有一定困難；接收時(shí)，對地址碼的捕獲與同步需要一定時(shí)間。,57,5.4.4 空分多址（SDMA）方式,空分多址SDMA的基本特征是衛(wèi)星天線有多個(gè)窄波束（又稱點(diǎn)波束），它們分別指向不同的區(qū)

46、域地球站，利用波束在空間指向的差異來區(qū)分不同地球站，如圖5-21所示。,58,圖5-21 SDMA方式示意圖,5.4.4 空分多址（SDMA）方式,采用SDMA方式時(shí)，各地球站發(fā)出的射頻信號在使用頻率和工作時(shí)間上都可以相同，但它們在向同一個(gè)衛(wèi)星發(fā)射的信號不會被混淆，因?yàn)楦髡咎幵谛l(wèi)星天線的不同波束覆蓋范圍內(nèi)，由不同的天線接收。在衛(wèi)星上，應(yīng)能根據(jù)各站所要發(fā)往的方向，及時(shí)地將它們的信號分別轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的衛(wèi)星發(fā)射天線，送至指定的地球站。在這種

47、空分系統(tǒng)中，衛(wèi)星具有稱為空中交換（Space Switch）機(jī)的自動交換作用。為此，空分多址一般不單獨(dú)使用，通常是和其他三種多址方式結(jié)合起來使用，其中與TDMA結(jié)合得較多，稱為SS／TDMA（衛(wèi)星交換／時(shí)分多址）方式。,59,5.4.5 無線通信系統(tǒng)的工作方式,無線通信的工作方式分為單工（單向）通信方式和雙工通信方式兩大類。雙工通信方式按資源（包括頻率和時(shí)間）又分為頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD），如圖5-22示。,60,圖5-