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1、第9章 电磁兼容应用,9.2 无线电通信系统中的电磁兼容技术,9.1.1 频率的指配与管制,1、频率的指配,频率指配是指有权机关通过一定程序将频率（频道）指配给某一电台在规定条件下使用的行为。指配和使用频率的基本要求是：,(1)指配频率和使用频率，必须遵守国家对无线电频率划分和分配的有关规定；,(2)指配频率和使用频率，必须按规定权限进行；,(3)指配频率和使用频率，必须符合科学、经济、合理的原则，即必须使频率得到合理、充分、有效的利用。在满足完成通信任务的前提下，尽量节省频率。,2、频谱管制,频谱管制包括执法和监测两个方面，是为了支持频谱管理的整个过程，并解决干扰的问题。频谱管制通过提供测量
2、信息来支持频谱管理，测量信息可用于：,(1)通过验证发射信号的技术与操作特性，监测和识别未授权的发射机来确保同国家频谱管理的规则和法规相一致；,(2)定位干扰源并解决干扰问题；,(3)决定信道和频段的用途，包括评价信道的可用性并证实频率指配过程和频谱分析方法的有效性。,频谱的有效管理取决于频谱管理人员通过执行频谱管理条例对频谱使用进行管制的能力。这种管制主要建立在强制检查和监测的基础上。,(1)强制检查,强制检查这一职能可依靠监测的输入信息，包括以下内容：,调查干扰投诉； 调查非法操作和不符合无线电台执照规定的操作； 为诉讼案件收集信息并协助执法机构； 确保无线电台的操作者遵守国家及国际法律、
3、规则要求； 进行技术测量，如发射机的输出功率、失真等，这很难或不太可能通过监测进行。,(2) 监测,监测是同检查和标准的符合性密切相关的，能够识别和测量干扰源，核定辐射信号的正确技术与操作特性，从而监测并识别出非法发射机。,为确保适当的可用性和覆盖范围，检查和监测活动在幅员辽阔的国家需要按地区来组织进行。,1、杂散发射限值的使用与参考带宽,(1)杂散发射限值的使用 杂散发射的电平依据无线电发射机的业务特性应该用在杂散发射频率上在一个给定的参考带宽内由发射机供给天线馈线的峰值包络功率或平均功率表示。 ,无线电发射机的杂散发射是一种十分有害的干扰，规定无线电发射机的杂散发射功率电平限值，有助于确保
4、无线电发射机的质量，降低系统之间的干扰，保证组网质量。,9.1.2 无线电发射机的杂散发射功率电平限值,4、分集接收技术,分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性。它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散又如何收集起来的技术。,(1)空间分集,利用不同接收地点（空间）收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能。,空间分集的基本结构为：发端一副天线发送，收端N副天线接收，如图所示。,移动通信信道的主要特点是衰耗、慢衰落和各类多径快衰落。其中对传输性影响最大的是各类快衰落（空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落）。分集技术就是其中一种最为有效的
5、根治这些快衰落的措施和“药方”。,为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过时域、频域和空域的不同角度、不同方法与措施来加以实现。其中最基本的有：,接收天线之间的距离为d，d为相关区间，它应满足：,分集天线数N越大，分集效果越好，但不分集与分集差异较大，属质变。分集增益正比于分集的数量N，其改善是有限的，属量变，且改善程度随分集数量N的增加而减小。工程上要在性能与复杂性间折衷，通常取N24。,式中， 为波长， 为天线扩散角。,例如在城市中，扩散角一般为 ；则有：,空间分集的两类变化形式 极化分集。利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号，可呈现出不相关的衰落特性进行分集接收，即
6、在收发端天线上安装水平与垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。优点是：结构紧凑、节省空间。缺点是：由于发射功率要分配到两副天线上，有3dB的损失。 角度分集。由于地形、地貌和建筑物等接收环境的不同，使到达不同路径信号可能来自不同的方向，这样在接收端可采用方向性天线，分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。,空间分集中由于接收端有N副天线，若N副天线尺寸、增益相同，则空间分集除了可获得抗衰落的分集增益以外，还可获得每副天线3dB的设备增益。,(2)频率分集,将待发送的信息，分别调制在不同的载波上发送至信道。,即要求频率分集的载波间隔大于20
7、0kHz。,只要不同的载波之间的间隔足够大，载波间隔 大于频率相关带宽 ，即,频率分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线与相应设备的数目；缺点是要占用更多的频谱资源，并且在发送端有可能需要采用多部发射机。,式中，L为接收信号时延功率谱的宽度。 同样，在城市中800900MHz频段，典型的时延扩散值为5,(3)时间分集,对于一个随机衰落的信号，当取样时间间隔足够大时，两个样点间的衰落是互不相关的，利用这一特性构成时间分集。,时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。,根据时间选择性衰落的特性，在时域上时间间隔 应大于时域相关区间 ，即
8、,式中，B为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比。可见，时间分集对处于静止状态的移动台是无用的。,将待发送的信号每隔一定时间间隔（大于时间相关区间 ）重复发送，在接收端就可以得到N条独立的分集支路。,(4)分集合并技术,分集接收中，在接收端从不同的N个独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。具体来说，通常有3类：,选择性合并 所有的接收信号送入选择逻辑，选择逻辑从所有接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。,最大比合并 这种方法是对N路信号进行加权，再进行同相合并（输出信噪比等于各路信噪比之和）。在所有已知的线性分集合并方法中，其抗衰落性最佳
9、。,等增益合并 即把各支路信号进行同相后再相加，加权时各路的加权因子相等。其性能比最大比合并差，但比选择性分集好。,(5)发射分集,为了改善下行传输条件，能否利用线性系统的互易原理，将体积严重受限的移动台的接收端分集技术等效地搬至发送端来实现，这就是所谓的发送分集技术。 非线性系统 近似的线性系统。,发射分集的优点是能实现同一发射信号使多个移动台获得发射增益，而其他技术的发射增益只是针对一个移动台。,5、RAKE接收技术,由于多径信号中含有可利用的信息，所以，CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。RAKE接收机就是通过多个相关检测器接收多径信号中各路信号，并把它们合并在一起
10、，以提供优于单路信号的接收信噪比。CDMA系统中的RAKE接收机如图所示。,在接收端将N条相互独立的支路信号进行合并后，可以得到分集增益。根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前合并技术和检测后合并技术，分集的合并如图所示。,对于具体的合并技术来说，通常有3类，即选择式合并、最大比合并和等增益合并。,6、交织技术,信道交织技术被用于多径干扰引起的时间选择性衰落，交织可以再不附加任何开销的情况下，使数字通信系统获得时间分集。,交织器的作用，就是将信源比特分散到不同的时间段中，以便出现深衰落或突发干扰时，来自信源比特中某一块的最重要的码位不会被同时干扰。,交织编码设计思想是通过交织将一个
11、有记忆的突发差错信道，改造为基本上是无记忆的随机独立差错的信道，然后再用纠随机独立差错的纠错码来纠错。交织码的实现框图如图所示。,此技术是一种很好的降低多址干扰的方法。CDMA通信系统是一个多用户同时接入的通信环境。因为多址干扰与信道中的噪声具有不同的统计特性，最重要的是，多址干扰具有可估计、可再生的特性，因此，可以综合各个用户的有用信息，采用一定的信号处理手段去降低接收信号中的多址干扰直至为零，这也是多用户检测要实现的目标。,7、多用户检测技术,(1)多用户检测器的一般结构,从原理上，首先要分清单个用户检测接收与多个用户检测接收之间的区别：,多用户检测接收机。充分利用有用伪码多址的已知结构信
12、息与统计信息联合检测的多用户接收机。,传统的单用户检测接收机。它是将多址干扰、多径干扰当作等效加性高斯白噪声来处理，这是一种消极处理方式。,多用户最佳检测接收机结构。包括多径合并放在多用户检测之前与多径合并放在多用户检测之后两种。它既可以抗多址干扰也可以抗多径干扰，还可以减少“远近效应”（近距离强信号压制远地弱信号的现象）的影响。,(2)多用户检测器的主要优缺点,主要优点 是消除或减弱多址干扰的有效手段； 是消除或减弱多径干扰的有效手段； 是消除或减弱远近效应的有效手段； 简化功率控制，降低功率控制精度； 弥补正交扩频码互相关性不理想所带来的消极影响； 改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖
13、范围。,主要缺点 大大增加系统设备的复杂度； 增加系统时延，特别是当采用自适应算法并对于扩频码较长的系统更是如此； 多用户检测一般需要知道用户扩频码的主要特征参量，这对于实际的多径时变信道则不是一件容易的事，它需要通过不停的信道估计来实现，而且估值的精度将直接影响多用户检测器的性能。,8、正交频分复用（OFDM）技术,OFDM是一种多载波技术 ，抗多径传播与频率选择性衰落能力很强。由于OFDM系统把信息分散到许多载波上，大大降低了各子载波的信号速率，从而能减弱多径传播的影响，若再通过采用保护间隔（在每一路OFDM符号中插入保护区间Tg）的方法，甚至可以完全消除符号间干扰（ISI）。,用于基站的
14、智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线。智能天线实现了发信设备和传播环境、用户和基站间的最佳空间匹配通信。,(1)智能天线的特点,它通过调节各阵列单元的加权幅度和相位来改变阵列天线的方向，从而抑制干扰，提高信噪比。,9、智能天线技术,它自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户走。,它可以提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减少用户设备的体积；或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。,它可以提高通信性能，降低发射功率，减少电波对人体的负面影响。,它是一种不受建筑物阻挡的定位手段，可以为用户提供新的服务，如导航、紧急救助。,(2)智能天线的分类,自适应方向图
15、智能天线,它采用自适应算法，其方向图没有固定形状，随着信号及干扰而变化。其优点是算法较为简单，可得到最大的信号干扰比。,它在空间上选择有用信号，抑制干扰信号，也被称为空间滤波器。它避开了天线方向图分析与综合的数学困难，应用信号处理的理论和方法、自动控制的技术，解决天线权集优化问题。,固定形状方向图智能天线,按照采用的天线方向图形状，分为两类。,固定形状方向图形状基本不变，通过测向确定用户信号的到达方向（DOA），然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高信噪比。此天线无需迭代、响应速度快，鲁棒性好。（所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下
16、，维持某些性能的特性。）,用于基站的智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线。智能天线实现了发信设备和传播环境、用户和基站间的最佳空间匹配通信。,(1)智能天线的特点,它通过调节各阵列单元的加权幅度和相位来改变阵列天线的方向，从而抑制干扰，提高信噪比。,9、智能天线技术,它自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户走。,它可以提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减少用户设备的体积；或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。,它可以提高通信性能，降低发射功率，减少电波对人体的负面影响。,它是一种不受建筑物阻挡的定位手段，可以为用户提供新的服务，如导航、紧急救助。,6、交织技术,信道交织技术被用于多径干扰引起的时间选择性衰落，交织可以再不附加任何开销的情况下，,(1)通过验证发射信号的技术与操作特性，监测和识别未授权的发射机来确保同国家频谱管理的规则和法规相一致；,(2)定位干扰源并解决干扰问题；,(3)决定信道和频段的用途，包括评
