现代通信概论第八章课件.ppt

1、现代通信概论现代通信概论电子信息工程学院电子信息工程学院霍炎霍炎2第第8章章 无线通信系统无线通信系统 8.1 无线无线通信概述通信概述 8.2 无线信道的传播机制无线信道的传播机制 8.3 无线信道的描述无线信道的描述 8.4 分集与合并分集与合并 8.5 扩频扩频系统系统38.1 无线通信概述无线通信概述无线通信是利用无线通信是利用电磁波电磁波信号可以在信号可以在空中传播的特性空中传播的特性进行信息交进行信息交换的一种换的一种通信通信方式。方式。利用利用无线通信方式无线通信方式把信息从一地传送到另一地所用的所有设备把信息从一地传送到另一地所用的所有设备的总和称为无线通信系统。的总和称为无线

2、通信系统。8.1.1 无线通信的频谱无线通信的频谱458.1.2 无线通信的链路无线通信的链路68.1.3 无线通信发展历程无线通信发展历程1820年，丹麦物理学家奥斯特发现，金属导线中有电流通过时，年，丹麦物理学家奥斯特发现，金属导线中有电流通过时，附近的磁针便会发生偏转。学徒出身的英国物理学家法拉第指附近的磁针便会发生偏转。学徒出身的英国物理学家法拉第指出，奥斯特的实验证明了出，奥斯特的实验证明了“电能生磁电能生磁”。1864年，麦克斯韦预言电磁波存在，建立了麦克斯韦方程组。年，麦克斯韦预言电磁波存在，建立了麦克斯韦方程组。1887年，德国人赫兹透过闪炼的水花，第一次证实电磁波的存年，德国

3、人赫兹透过闪炼的水花，第一次证实电磁波的存在，设计出了世界上第一副无线电天线。在，设计出了世界上第一副无线电天线。1895年年5月月7日，波波夫发明的无线电接收机。联政府把日，波波夫发明的无线电接收机。联政府把5月月7日日定为定为“无线电发明日无线电发明日”。1896年年6月，月，21岁的意大利青年马可尼发明无线电收报机，并在岁的意大利青年马可尼发明无线电收报机，并在英国取得专利。当时通信距离只有英国取得专利。当时通信距离只有30米。米。78.1.3 无线通信发展历程无线通信发展历程(续续)1920年，调幅无线电广播年，调幅无线电广播1924年，移动无线电话年，移动无线电话1931年，世界上第

4、一条微波线路年，世界上第一条微波线路1936年，调频无线电广播年，调频无线电广播1938年，电视广播年，电视广播1948年，香农提出信息论，建立了通信统计理论年，香农提出信息论，建立了通信统计理论1955年，世界第一条对流层散射通信线路，全长年，世界第一条对流层散射通信线路，全长2600公里公里1968年，年，150 兆赫移动通信频段上首先开通模拟寻呼系统兆赫移动通信频段上首先开通模拟寻呼系统1969年，阿波罗年，阿波罗11号登月，用无线电话与地球通信，并成功地号登月，用无线电话与地球通信，并成功地实现了月面电视中继实现了月面电视中继88.1.3 无线通信发展历程无线通信发展历程(续续)197

5、1年，夏威夷大学，无线分组网络年，夏威夷大学，无线分组网络ALOHA NET1983年，贝尔试验室研制成功模拟蜂窝系统年，贝尔试验室研制成功模拟蜂窝系统-先进移动电话系统先进移动电话系统(AMPS)在芝加哥出现在芝加哥出现1989年，美国发射了第一颗全球定位系统年，美国发射了第一颗全球定位系统(GPS)工作卫星工作卫星1991年年7 月，泛欧数字移动通信网月，泛欧数字移动通信网(GSM)开始投入商用开始投入商用1995年年9 月，世界上第一个商用月，世界上第一个商用CDMA系统在香港投入使用系统在香港投入使用2001年年10月，日本月，日本NTT、DoCoMo推出宽带码分多址推出宽带码分多址(

6、WCDMA)商用移动网络商用移动网络2008年年4 月中国月中国TD-SCDMA在北京等在北京等8个城市，正式启动社会化个城市，正式启动社会化业务测试和试商用工作业务测试和试商用工作98.1.4 无线通信分类无线通信分类BluetoothS-UMTSSatelliteBroadbandSDHDVB-TDABGSMGPRS/EDGEDECTIRUMTSSatellite/HAPSBroadcastingCellular mobileIndoorDVB-SWireless Local LoopBody LANsPersonalArea NetworksUMTS+Local Area Network

7、sRFIDUWBMicrowaveDVB-HBroadbandW-LANCDMAGSM-RxMDSTETRAZigbee108.1.4 无线通信分类无线通信分类118.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战更高的传输速率更高的传输速率Internet网络发展迅速多媒体综合业务增加128.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战(续续)恶劣的传输环境恶劣的传输环境138.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战(续续)有限的频谱资源有限的频谱资源光纤通信的带宽几乎是无限的：每根光纤达几十光纤通信的带宽几乎是无限的：每根光纤达几十Tbps可供无线通信的频带宽度有限：全部带宽小于可供无

8、线通信的频带宽度有限：全部带宽小于1THz无线作为接入手段与有线网有很大的差距无线作为接入手段与有线网有很大的差距148.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战(续续)覆盖和频率的关系覆盖和频率的关系自由空间损耗自由空间损耗)()(MHzlg20kmlg2032.44Losfd158.1.5 无线通信面临的挑战无线通信面临的挑战(续续)p低发射功率低发射功率n 下一代无线通信系统的要求下一代无线通信系统的要求p 信息速率高达信息速率高达100Mbps1Gbpsp 工作频率提高到工作频率提高到5GHz 或更高或更高n 传统传输方式无法满足传统传输方式无法满足p 2GHz、2MbpsGSM

9、基站基站43dbm(19-20w)，手机手机2wCDMA 基站基站38dbm(6-7w)，手机手机0.2wp 5GHz、100Mbps基站基站30W？168.2 无线信道的传播机制无线信道的传播机制直射直射 反射反射 透射透射 绕射绕射 散射散射17直射直射定义：电磁波的直射传播定义：电磁波的直射传播(又称视距传播又称视距传播)是指发射机发射的电是指发射机发射的电磁波直接传播到无线通信接收机。磁波直接传播到无线通信接收机。自由空间传播损耗自由空间传播损耗 应用应用18反射与透射反射与透射定义定义地面反射模型地面反射模型(多径的接收叠加场强多径的接收叠加场强)应用应用19绕射绕射定义：无线通信发

10、射机发射的电磁波，定义：无线通信发射机发射的电磁波，照射到物体的不规则突出表面的边缘照射到物体的不规则突出表面的边缘(如：房顶的边缘、窗户的四角等如：房顶的边缘、窗户的四角等)，再传播到无线通信接收机的天线处。再传播到无线通信接收机的天线处。单屏绕射与多屏绕射单屏绕射与多屏绕射菲涅尔环带与布林顿方法菲涅尔环带与布林顿方法应用应用20散射散射定义：发射机发射的电磁波，照射到比载波波长小的物体上定义：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、交通标志等如：路灯、树叶、交通标志等)，反射出多路不同的较弱的电，反射出多路不同的较弱的电磁波，再传播到无线通信接收机的天线处。磁波，再

11、传播到无线通信接收机的天线处。Kirchhoff理论理论 与与 微扰理论微扰理论应用应用218.3 无线信道的描述无线信道的描述大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落慢衰落与快衰落慢衰落与快衰落平衰落与选择性衰落平衰落与选择性衰落无线电波的传播损耗无线电波的传播损耗传播失真传播失真多径传播与多径效应多径传播与多径效应多普勒谱多普勒谱22大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落信号传播可能经历反射、衍射和散射等，接收信号通信号传播可能经历反射、衍射和散射等，接收信号通常是多径信号。随着发射机和接收机距离的增大，接常是多径信号。随着发射机和接收机距离的增大，接收信号的损耗是十分明显的。这

12、种信号损失表现为在收信号的损耗是十分明显的。这种信号损失表现为在某一小区域内接收信号平均值的下降。某一小区域内接收信号平均值的下降。预测这种信号平均值下降的模型叫做预测这种信号平均值下降的模型叫做Large-Scale 模型模型(大尺度衰落大尺度衰落)。由于多径信号相干叠加引起的衰落称为小尺度衰落，由于多径信号相干叠加引起的衰落称为小尺度衰落，预测模型称为预测模型称为Small-Scale模型。模型。23大尺度衰落与小尺度衰落大尺度衰落与小尺度衰落(续续)24影响小尺度衰落的因素影响小尺度衰落的因素多径传播：多径传播：MS收到的信号是来自很多途径信号的叠加。多收到的信号是来自很多途径信号的叠加

13、。多径信号具有随机分布的幅度、相位和入射角度。多径信号径信号具有随机分布的幅度、相位和入射角度。多径信号在接收天线处合并，相位抵消会产生衰落。在接收天线处合并，相位抵消会产生衰落。移动台的运动速度：移动台的运动速度：MS高速移动情况下或多径环境迅速变高速移动情况下或多径环境迅速变化时，化时，产生产生Doppler效应。效应。环境物体的运动速度：环境物体以大于移动台的速度运动，环境物体的运动速度：环境物体以大于移动台的速度运动，该运动对小尺度衰落起决定性作用。该运动对小尺度衰落起决定性作用。信号的传输带宽：无线信号的传输带宽大于多径信道带宽信号的传输带宽：无线信号的传输带宽大于多径信道带宽时，接

14、收信号失真，但是接收信号的强度不会衰落很多。时，接收信号失真，但是接收信号的强度不会衰落很多。25慢衰落与快衰落慢衰落与快衰落慢衰落是指接收信号的场强局部中值在长时间内缓慢慢衰落是指接收信号的场强局部中值在长时间内缓慢变化。变化。快衰落是指接收信号电平快速随机变化，其变化范围快衰落是指接收信号电平快速随机变化，其变化范围可达到数十可达到数十dB。实际上，信号的快衰落与慢衰落兼而有之，快衰落往实际上，信号的快衰落与慢衰落兼而有之，快衰落往往叠加在慢衰落之上。往叠加在慢衰落之上。在短时间内观测时，慢衰落不易被察觉，而快衰落则在短时间内观测时，慢衰落不易被察觉，而快衰落则表现明显。表现明显。26平衰

15、落与选择性衰落平衰落与选择性衰落平衰落是指发射信号的频谱特性在接收机内仍能保持不平衰落是指发射信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变的衰落。变的衰落。选择性衰落是指发射信号的频谱特性在接收机内发生了选择性衰落是指发射信号的频谱特性在接收机内发生了畸变的衰落畸变的衰落27无线电波的传播损耗无线电波的传播损耗无线信道发射天线输入功率无线信道发射天线输入功率为为pt，接收天线输出功率为，接收天线输出功率为pr，在满足匹配条件下，二者之比即为该电路的传播损耗在满足匹配条件下，二者之比即为该电路的传播损耗L。传播损耗反映了在公里量级的空间距离内，信号电平的传播损耗反映了在公里量级的空间距离内，信号电平的衰

16、减。若用衰减。若用dB表示为表示为其中：其中：d为传播距离为传播距离(m)，为自由空间内电波的波长为自由空间内电波的波长(m)，A为电磁场的衰减因子，为电磁场的衰减因子，Gt为发射天线增益，为发射天线增益，Gr为接收天为接收天线增益。线增益。2ttr2rtr41410lg10lg20lg(dB)(dB)(dB)PddLAGGPAGG28传播失真传播失真传输信号的无线电波的各个不同的频率分量，以不同的传输信号的无线电波的各个不同的频率分量，以不同的相速度和不同的衰减常数传播，会使其各不同频率分量相速度和不同的衰减常数传播，会使其各不同频率分量的幅、相关系随传播距离的增加而连续变化的幅、相关系随传

17、播距离的增加而连续变化这种变化对模拟信号而言是信号波形的畸变，对数字信这种变化对模拟信号而言是信号波形的畸变，对数字信号而言是误码率的上升。号而言是误码率的上升。29多径传播与多径效应多径传播与多径效应到达移动台的信号来自不同传播路径的信号之和，不同相位的到达移动台的信号来自不同传播路径的信号之和，不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强(相位相同相位相同)，有时迭加，有时迭加而减弱而减弱(相位相反相位相反)。接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径传播引起的，所以称为多径衰落。这种衰落是由多径传播引起的，所以称为多径衰落。30多径传播的影响多径传播的影响 短距离或短时间内信号强度的快速变换；短距离或短时间内信号强度的快速变换；多径传播造成时延扩展；多径传播造成时延扩展；各多径信号具有不同的多普勒频移，造成随机各多径信号具有不同的多普勒频移，造成随机调频；调频；31多普勒谱多普勒谱 多普勒频移：接收机以速度V同电波传播方向(频率为fc)呈 角移动 接收信号的频率 其中多普勒频移 最大多普勒频移 cffv0cos()cVvfcmax0cVvfc32多普勒谱多普勒谱(续续)来自不同角度的波来自不同角度的波假定强度相同若发信号频率为f0时接收机收到的频率