无线通信基础PPT课件.ppt

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1、1.1 引言引言无线通信技术发展大事记：1885年，俄国人波波夫和意大利人马可尼分别发明了无线电报机。1897年，马可尼进行横跨海峡的无线电通信试验取得成功。1906年，美国人佛雷斯特发明了电子管，为无线电通信奠定了基础。1921年，美国底特律和密执安警察厅开始使用车载无线电台，是最早的无线语音通信。1946年，美国在圣路易丝城建立了世界上第一个公用汽车电话系统。1947年，美国贝尔实验室提出了蜂窝通信的概念，可采用多小区制构成蜂窝移动通信系统。1948年，晶体管问世；香农提出信息论，并成为信息论的奠基人，半个多世纪以来无人超越。20世纪60年代初，集成电路问世。1962年，世界上第一颗商业同

2、步卫星晨鸟上天，标志同步卫星通信进入实用阶段，美国成功研制了脉码调制设备，应用于电话的多路化通信。20世纪80年代，超大规模集成电路出现，商用移动通信迅速发展。无线通信技术的发展 宽带、数字、复用、高速、覆盖广、终端小、大容量无线通信发展趋势 宽带、高速、多媒体业务、移动网络、智能化、个性化。1.2 无线通信系统的基本构成无线通信系统的基本构成1.2.1无线通信系统的组成 根据传输介质的不同，可以分为有线通信和无线通信。有线通信利用导线（传输线路）来传递信息。无线通信系统，是利用空间电磁波作为传输介质在空中传递信号。原始的信息如语音、数据、图像等都是频率比较低的信号，例如音频信号在300Hz3

3、4KHz，视频信号不超过6MHz。这样的信号不利于天线的辐射和电磁波的传播。因此发信设备要将低频信息加到高频载波信号上，这个过程叫调制；频率变换器进一步将信号变换成发射电波所需要的频率（如短波频率、微波频率），经过功率放大，再通过天线辐射出去进行传输。在接收设备中也要经过信号放大，频率变换，最后通过解调的过程再将原始信息恢复出来，从而完成无线通信的过程。1.2.2 无线通信系统特点 无线通信系统具有独特的特点 省去铺设线缆的费用；很容易跨越水域，克服山脉峡谷等造成的传输障碍，利用自由空间进行通信使它具有了不可替代的灵活性；比较容易获得较远的通信距离。开放的信道易受外界因素的影响。1.2.3

4、单工与双工通信 半双工系统 允许双向通信，但发送和接收都使用相同的无线信道，在同一时间，用户只能发送或接受信息。双工通信 是指通信双方可同时进行发送和接收的工作方式，是通过提供两条同样的但相互独立的信道(FDD)，或一条无线信道上相邻的时隙(TDD)进行发送和接收。频分双工(FDD)方式，在基站使用独立的发送和接收天线来容纳两个独立的信道。但是在用户单元只有一根天线用来和基站之间进行发送和接收，用户单元内部使用双工器来使一根天线能同时进行发送和接收。时分双工(TDD)方式，在时间上分享同一信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。同频单工方式 双频双工

5、方式1.2.4 无线通信网络1.3 无线电波的传输特性无线电波的传输特性 无线电波是一种电磁波，与光波一样在自由空间中以直线方式传播，传播速度为3108 m/s，同时也具有折射、反射、绕射和干涉等波的特性。无线电波是以横向电磁波（TEM）形式在空间中传播的，其中电场磁场跟无线电波的传播方向是相互垂直的。1.3.1 电磁波的极化1.3.2 无线电波的传播方式 1.地波传播 地波是沿地球表面传播的一种电磁波，属于绕射波。地波传播的频率一般限制在2MHZ以下。地波传播的优点：若提供足够大的功率，则可以在世界上任何两地之间进行长距离通信，而且，大气条件的改变基本不影响地波传播。其缺点是需要很大的发射功

6、率，传输信号的频率受限。2.空间波传播 电磁波在靠近地面的低空大气层中传播，由直射波和地面反射波相叠加，因此接收点的场强为二者之和。这种传播方式用于超短波和微波通信。频率在30MHZ以上的调频广播和电视信号发射都是空间波传播。3.天波传播 天波传播的优点是损耗小，传播距离远。一次或数次反射可达近10000km。但是电离层状态容易变化，会随着昼夜或季节的变化而变动，使天波传播不够稳定。4.对流层传播 从地面上升到离开地面大约10Km的范围称为对流层。1.3.3 传播路径损耗模型 1.自由空间传播模型 距离增加，则传输损耗增加；频率越高，损耗越大。实际中，由于移动通信系统分布于很不规则的地区，电磁

7、波的传输环境非常复杂，在估算传播路径损耗时，必须对不同的频段使用不同的电波传播模型，室内和室外电波传输环境也有很大的不同，因此选用的模型也有很大差异。1.4 无线信道特性无线信道特性 电磁波传播所经过的路径，就称为无线信道 恒参信道是指表征其传输特性的参数变化极微，且变化速度极慢，在相当长的时间内可以把它们看成是基本不变的，例如有线信道以及无线信道中地表波的传播。变参信道是指传输特性随时间变化比较快速或急剧，信号在传输中的衰减值不稳定，存在衰落、传输时延、多径传输效应等。移动信道是典型的变参信道。1.4.1 无线信道的特点 传播的开放性，不确定因素多 接收地理环境的复杂性和多样性 某些通信用户

8、具有随机的移动性 呈现出无线信道的多样性和复杂性 1.4.3 短波信道分析 1.短波信道模型 短波信道利用电离层对电波的反射来传送信息，由于电离层是不均匀（分层、且各层内电子密度不均匀）、各向异性、随机变化的传输介质，因此将形成复杂的多径传播，引起接收信号的衰落、时延扩展和频谱扩散。信道中还存在两种加性噪声：高斯噪声和信道干扰（在短波通信系统中，出现同频道干扰并不罕见）。可将短波多径效应分为粗多径效应和细多径效应。粗多径效应是电波通过不同的反射点所形成的多条传输路径；而细多径效应是由电波反射点(区域)介质的非均匀性和随机性行程得多径传播。3.短波信道特性及其对系统性能的影响1）多径时延差 发端

9、发射的电波可能通过多条路径传播到收端。不同路径的信号到达收端的时间也各不相同，最长和最短路径的时延之差称为多径时延差。2）衰落 由于多径信号在接收段可以形成叠加（干涉），使接收信号强度随机起伏，称为衰落。3）多普勒频移和时延扩展 时变多径信道会对所传输的信号造成频谱上的扩展和时间上的扩展，前者称为多普勒频移，后者称为时延扩展。1.5 无线电频谱无线电频谱 电磁波频谱图 1.5.1 频谱资源的划分与管理 无线电频率的频段划分及业务名称 频段 频率/波长范围 传播特性 主要业务 VLF甚低频 超长波 3kHz 30 kHz10km100km 空间波为主 海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航LF低

10、频 长波 30kHz 300kHz1km10km 天波与地波 越洋距离；中距离通信；地下岩层通信MF中频 中波 300kHz3M Hz100m1000m 天波与地波 船用通信；业余无线电通信；移动通信；商业广播HF高频 短波 30M H 300M H1m10m 天波与地波远距离短波通信；国际定点通信VHF甚高频 米波 30M H 300M H1m10m 空间波 电离层散射；人造电离层通信；对空间飞行体通信SHF超高频 分米波 300M H 3GHz1dm10dm 空间波 小容量微波中继通信；对流层散射通信；商业广播UHF特高频 厘米波 3GHz 30GHz1cm10cm 空间波 大容量微波中继

11、通信；数字通信；卫星通信EHF极高频 毫米波 30GHz 300GHz1mm10mm 空间波 再入大气层时的通信；波导通信2000MHz频段地面无线电业务使用的频率划分业务名称工作频段 业务名称工作频段 蜂窝移动通信 (一)(17101755)MHz(18001850)MHz 蜂窝移动通信 (二)(18651880)MHz(19451960)MHz无线接入(频分双工FDD方式)(18001990)MHz(19601980)MHz 无线接入(时分 双工TDD方式)(19001920)MHz 扩频数据通信(24002483.5)MHz 多路微波有线电 视传输系(MMDS)(25332599)MHz

12、 无线电定位(23002690)MHz 微波接力通信(23002690)MHz工业、科学、医疗设备无线电磁波辐射频段(24002500)MHz 1.6 天线天线 1.6.1 基本概念 天线是一种辐射和接收电磁波的金属导体系统。发射机输出的高频电能信号通过传输线耦合到发射天线，转换为电磁能量以波的形式向空中辐射；接收天线将空中的电磁能量转换为电能由传输线送到接收机的输入端。1.6.2 天线的主要技术指标 天线的极化方式 辐射方向图 天线的增益 接收天线的有效面积 辐射阻抗1.6.3 常用天线的主要类型 1.简单的天线单元单极天线、盘锥天线、螺旋天线和片状天线 2.天线阵列由两个或两个以上的天线单

13、元排列组合构成，使总的辐射在指定的某些方向上加强或减弱，获得更大的增益和更好的定向特性。3.抛物面反射器天线在简单天线与天线阵的基础上增加反射表面，提高性能。4.智能天线 是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列，利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，最终充分、高效的利用信号并删除或抑制干扰信号。智能天线技术是第三代移动通信的关键技术之一，能识别不同入射方向的直射波和反射波，具有较强的抗多径衰落和同频干扰的能力；也可以利用智能天线实时监测用户的电磁环境情况来提高网络的管理能力；它可以提高系统的容量，增大基站的覆盖区域，并有助于

14、实现移动台的定位等。线性调制器的一般模型（载波项）（DSB信号项）特点:AM波的包络正比于 传输带宽为基带信号最高频率的两倍 含载波分量特点:DSB信号的包络不与 成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调 DSB信号虽节省了载波发射功率，但仍具有两个边带，频带宽度与AM信号相同。由于这两个边带所携带的信息相同，传输其中一个边带即可，这种方式是单边带调制。综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。