現(xiàn)代通信概論第八章課件

1、現(xiàn)代通信概論電子信息工程學(xué)院霍炎現(xiàn)代通信概論電子信息工程學(xué)院2第8章 無線通信系統(tǒng)8.1 無線通信概述8.2 無線信道的傳播機(jī)制8.3 無線信道的描述8.4 分集與合并8.5 擴(kuò)頻系統(tǒng)2第8章 無線通信系統(tǒng)8.1 無線通信概述38.1 無線通信概述無線通信是利用電磁波信號可以在空中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。利用無線通信方式把信息從一地傳送到另一地所用的所有設(shè)備的總和稱為無線通信系統(tǒng)。38.1 無線通信概述無線通信是利用電磁波信號可以在空中傳播8.1.1 無線通信的頻譜48.1.1 無線通信的頻譜458.1.2 無線通信的鏈路58.1.2 無線通信的鏈路68.1.3 無線通信發(fā)展歷程

2、1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)，金屬導(dǎo)線中有電流通過時，附近的磁針便會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。學(xué)徒出身的英國物理學(xué)家法拉第指出，奧斯特的實(shí)驗(yàn)證明了“電能生磁”。1864年，麥克斯韋預(yù)言電磁波存在，建立了麥克斯韋方程組。1887年，德國人赫茲透過閃煉的水花，第一次證實(shí)電磁波的存在，設(shè)計出了世界上第一副無線電天線。1895年5月7日，波波夫發(fā)明的無線電接收機(jī)。聯(lián)政府把5月7日定為“ 無線電發(fā)明日”。1896年6月，21歲的意大利青年馬可尼發(fā)明無線電收報機(jī)，并在英國取得專利。當(dāng)時通信距離只有30米。68.1.3 無線通信發(fā)展歷程1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特78.1.3 無線通信發(fā)展歷程 (續(xù))1920年，調(diào)

3、幅無線電廣播1924年，移動無線電話1931年，世界上第一條微波線路1936年，調(diào)頻無線電廣播1938年，電視廣播1948年，香農(nóng)提出信息論，建立了通信統(tǒng)計理論1955年，世界第一條對流層散射通信線路，全長2600公里1968年，150 兆赫移動通信頻段上首先開通模擬尋呼系統(tǒng)1969年，阿波羅11號登月，用無線電話與地球通信，并成功地實(shí)現(xiàn)了月面電視中繼78.1.3 無線通信發(fā)展歷程 (續(xù))1920年，調(diào)幅無線電88.1.3 無線通信發(fā)展歷程 (續(xù))1971年，夏威夷大學(xué)，無線分組網(wǎng)絡(luò)ALOHA NET1983年，貝爾試驗(yàn)室研制成功模擬蜂窩系統(tǒng)-先進(jìn)移動電話系統(tǒng)(AMPS) 在芝加哥出現(xiàn)1989

4、年，美國發(fā)射了第一顆全球定位系統(tǒng)(GPS)工作衛(wèi)星1991年7 月，泛歐數(shù)字移動通信網(wǎng)(GSM)開始投入商用1995年9 月，世界上第一個商用CDMA系統(tǒng)在香港投入使用2001年10月，日本NTT、DoCoMo推出寬帶碼分多址(WCDMA) 商用移動網(wǎng)絡(luò)2008年4 月中國TD-SCDMA在北京等8個城市，正式啟動社會化業(yè)務(wù)測試和試商用工作88.1.3 無線通信發(fā)展歷程 (續(xù))1971年，夏威夷大學(xué)98.1.4 無線通信分類BluetoothS-UMTSSatelliteBroadbandSDHDVB-TDABGSMGPRS/EDGEDECTIRUMTSSatellite/HAPSBroadc

5、astingCellular mobileIndoorDVB-SWireless Local LoopBody LANsPersonalArea NetworksUMTS +Local Area NetworksRFIDUWBMicrowaveDVB-HBroadbandW-LANCDMAGSM-RxMDSTETRAZigbee98.1.4 無線通信分類BluetoothS-UMTSSa108.1.4 無線通信分類108.1.4 無線通信分類118.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn)更高的傳輸速率Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速多媒體綜合業(yè)務(wù)增加118.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn)更高的傳輸速率128.1.

6、5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))惡劣的傳輸環(huán)境128.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))惡劣的傳輸環(huán)境138.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))有限的頻譜資源光纖通信的帶寬幾乎是無限的：每根光纖達(dá)幾十Tbps可供無線通信的頻帶寬度有限：全部帶寬小于1THz無線作為接入手段與有線網(wǎng)有很大的差距138.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))有限的頻譜資源148.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))覆蓋和頻率的關(guān)系自由空間損耗148.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))覆蓋和頻率的關(guān)系158.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))低發(fā)射功率下一代無線通信系統(tǒng)的要求信息速率高達(dá)100Mbps1Gbps工作頻率提高到

7、5GHz 或更高傳統(tǒng)傳輸方式無法滿足2GHz 、2MbpsGSM 基站43dbm(19-20w)，手機(jī)2wCDMA 基站38dbm(6-7w) ，手機(jī)0.2w5GHz 、100Mbps基站30W？158.1.5 無線通信面臨的挑戰(zhàn) (續(xù))低發(fā)射功率168.2 無線信道的傳播機(jī)制直射 反射 透射 繞射 散射168.2 無線信道的傳播機(jī)制直射 17直射定義：電磁波的直射傳播( 又稱視距傳播) 是指發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波直接傳播到無線通信接收機(jī)。自由空間傳播損耗 應(yīng)用衛(wèi)星通信微波通信移動通信17直射定義：電磁波的直射傳播( 又稱視距傳播) 是指發(fā)射18反射與透射定義反射：發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波，入射到比載波

8、波長大的平面上，反射出來的電磁波再被無線通信接收機(jī)的天線接收。 透射：電磁波入射到某一物體時，一部分能量的信號經(jīng)反射、繞射或散射后在空氣中傳播，另一部分能量的信號進(jìn)入該物體中傳播。地面反射模型 (多徑的接收疊加場強(qiáng))應(yīng)用短波通信流星余際遠(yuǎn)距離傳輸室內(nèi)接收18反射與透射定義19繞射定義：無線通信發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波，照射到物體的不規(guī)則突出表面的邊緣 (如：房頂?shù)倪吘?、窗戶的四角?，再傳播到無線通信接收機(jī)的天線處。單屏繞射與多屏繞射菲涅爾環(huán)帶與布林頓方法應(yīng)用廣播通信19繞射定義：無線通信發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波，照射到物體的不規(guī)則20散射定義：發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波，照射到比載波波長小的物體上(如：路燈、樹

9、葉、交通標(biāo)志等)，反射出多路不同的較弱的電磁波，再傳播到無線通信接收機(jī)的天線處。Kirchhoff理論 與 微擾理論應(yīng)用散射通信20散射定義：發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波，照射到比載波波長小的物體上218.3 無線信道的描述大尺度衰落與小尺度衰落慢衰落與快衰落平衰落與選擇性衰落無線電波的傳播損耗傳播失真多徑傳播與多徑效應(yīng)多普勒譜218.3 無線信道的描述大尺度衰落與小尺度衰落22大尺度衰落與小尺度衰落信號傳播可能經(jīng)歷反射、衍射和散射等，接收信號通常是多徑信號。隨著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)距離的增大，接收信號的損耗是十分明顯的。這種信號損失表現(xiàn)為在某一小區(qū)域內(nèi)接收信號平均值的下降。預(yù)測這種信號平均值下降的模型叫做L

10、arge-Scale 模型(大尺度衰落)。由于多徑信號相干疊加引起的衰落稱為小尺度衰落，預(yù)測模型稱為Small-Scale模型。22大尺度衰落與小尺度衰落信號傳播可能經(jīng)歷反射、衍射和散射等23大尺度衰落與小尺度衰落 (續(xù))23大尺度衰落與小尺度衰落 (續(xù))24影響小尺度衰落的因素多徑傳播：MS收到的信號是來自很多途徑信號的疊加。多徑信號具有隨機(jī)分布的幅度、相位和入射角度。多徑信號在接收天線處合并，相位抵消會產(chǎn)生衰落。移動臺的運(yùn)動速度：MS高速移動情況下或多徑環(huán)境迅速變化時， 產(chǎn)生Doppler效應(yīng)。環(huán)境物體的運(yùn)動速度：環(huán)境物體以大于移動臺的速度運(yùn)動，該運(yùn)動對小尺度衰落起決定性作用。信號的傳輸帶

11、寬：無線信號的傳輸帶寬大于多徑信道帶寬時，接收信號失真，但是接收信號的強(qiáng)度不會衰落很多。24影響小尺度衰落的因素多徑傳播：MS收到的信號是來自很多途25慢衰落與快衰落慢衰落是指接收信號的場強(qiáng)局部中值在長時間內(nèi)緩慢變化?？焖ヂ涫侵附邮招盘栯娖娇焖匐S機(jī)變化，其變化范圍可達(dá)到數(shù)十dB。實(shí)際上，信號的快衰落與慢衰落兼而有之，快衰落往往疊加在慢衰落之上。在短時間內(nèi)觀測時，慢衰落不易被察覺，而快衰落則表現(xiàn)明顯。25慢衰落與快衰落慢衰落是指接收信號的場強(qiáng)局部中值在長時間內(nèi)26平衰落與選擇性衰落平衰落是指發(fā)射信號的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)仍能保持不變的衰落。選擇性衰落是指發(fā)射信號的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)發(fā)生了畸變的衰落

12、26平衰落與選擇性衰落平衰落是指發(fā)射信號的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)27無線電波的傳播損耗無線信道發(fā)射天線輸入功率為pt，接收天線輸出功率為pr，在滿足匹配條件下，二者之比即為該電路的傳播損耗L。傳播損耗反映了在公里量級的空間距離內(nèi)，信號電平的衰減。若用dB表示為其中：d為傳播距離(m)，為自由空間內(nèi)電波的波長(m)，A為電磁場的衰減因子，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益。27無線電波的傳播損耗無線信道發(fā)射天線輸入功率為pt，接收天28傳播失真?zhèn)鬏斝盘柕臒o線電波的各個不同的頻率分量，以不同的相速度和不同的衰減常數(shù)傳播，會使其各不同頻率分量的幅、相關(guān)系隨傳播距離的增加而連續(xù)變化這種變化對模擬信號而言是信號波形的畸變，對數(shù)字信號而言是誤碼率的上升。28傳播失真?zhèn)鬏斝盘柕臒o線電波的各個不同的頻率分量，以不同的29多徑傳播與多徑效應(yīng)到達(dá)移動臺的信號來自不同傳播路徑的信號之和，不同相位的多個信號在接收端迭加，有時迭加而加強(qiáng)(相位相同)，有時迭加而減弱(相位相反)。接收信號的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由多徑傳播引起的，所以稱為多徑衰落。29多徑傳播與多徑效應(yīng)到達(dá)移動臺的信號來自不同傳播路徑的信號30多徑傳播的影響短距離或短時間內(nèi)信號強(qiáng)度的快速變換；多徑傳播造成時延擴(kuò)展；各多徑信號具有不同的