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1、2007-08,1,现代移动通信技术,东南大学移动通信国家重点实验室,叶芝慧,2007-08,2,教学目标和教学要求,本课程是“通信与信息系统”学科硕士研究生的选修课，计划学时40学时，2学分。 本课程教学方式为讲课、讨论、自学相结合，通过听课、讨论、撰写读书笔记、提交研究报告等形式，使学生掌握现代移动通信中的关键技术，了解最新的发展，培养创新能力。课程结束以学生提交的研究报告和（或）课程论文评定成绩。,2007-08,3,教学大纲,通信链路分析衰落信道扩频技术多路复用和多址接入现代移动通信系统原理与应用数字蜂窝移动通信主要技术原理低功率无线接入系统Ad hoc网络关键技术RFID课程总结,2
2、007-08,4,第讲通信链路分析,通信工程中的系统链路预算信道接收信号功率和噪声功率量程方程噪声系数、噪声温度和系统温度链路分析系统权衡,2007-08,5,1.1 通信工程中的链路预算,链路不仅指发射机与接收机之间的信道或者区域，它还包括整个通信路径：从信源开始，通过所有的编码和调制过程，通过发射机和信道，直到包含所有信号处理功能的接收机，最后结束于信宿。 链路预算是一种评价通信系统差错性能的评估技术。链路分析结果即是链路预算，包括对接收端获得的有用信号功率、干扰噪声功率的计算和制表。 链路预算权衡了增益和损耗，概括了发送和接收资源、噪声源和信号衰减的详细分配比例，及其对整个链路过程的影响
3、。,2007-08,6,图1.1 通信链路分析,2007-08,7,图1.2 误差概率与Eb/N0的关系曲线,1.1 通信工程中的链路预算,2007-08,8,1.1 通信工程中的链路预算,对于附加高斯噪声信道的各种调制方式而言，其Eb/N0与误差概率相关联。一旦选定调制方式，给定的误差概率对应着曲线图上的某一点。换言之，要求的误差性能规定了满足性能要求的接收机所要达到的Eb/N0值。,2007-08,9,1.1 通信工程中的链路预算,链路分析的目的是确定图实际系统工作点，并证实该点的误差概率小于或者等于系统的要求。在通信系统设计时，链路预算是一个重要的基本工具，它为系统工程师提供对系统的整体
4、了解。通过链路预算，可以知道整个系统的性能。例如链路余量说明系统是充裕地、刚好或不能满足设计需求。链路分析可以反映系统是否存在硬件限制，以及是否能在链路的其它部分弥补。链路预算经常作为分析系统权衡、配置的参考依据，并且若与其它建模技术结合有助于预测设备的重量和大小、主要功率要求、技术风险以及系统成本。链路预算对系统工程师来说至关重要，它代表了系统性能优化的“底线”。,2007-08,10,1.2 信道,信道是连接发射机和接收机的传播媒介或电磁波通道。通信信道一般包括导线、同轴电缆、光纤电缆，若是射频链路则包括波导，大气层或真空。对大多数地面通信链路来说，信道空间由大气层构成，部分与地球表面相连
5、。对卫星链路而言，信道则主要由真空构成。通常大气层容积定义在高度为20 km的范围内。因此，在同步高度（35,800 km）路径中只有很少一部分（0.05%）才是大气层。,2007-08,11,自由空间是指在射频传播中没有任何吸收、反射、辐射或衍射等干扰的信道。如果信道中有大气存在，若完全均匀且能满足上述所有要求。同时还假定地面是无穷远的，或者地面的反射系数可以忽略不计，到达接收机的RF能量只与到发射机的距离有关。自由空间信道是理想的RF传播路径。实际上在大气层和近地点的传播会有吸收、发射、衍射和散射等干扰，这些都会影响信号在自由空间的传输。,1.2 信道,自由空间,2007-08,12,1.
6、2 信道,差错性能的降低,差错性能降低的两个主要原因:首先是信噪比的损失，其次是码间串扰（ISI）导致的信号失真。均衡技术是为了补偿由于ISI引起的性能降低。重点关注信号功率、噪声功率的增益和损耗。ISI不属于链路预算的范围，这是因为信号功率的增加不总能减少ISI引起的性能降低。,2007-08,13,1.2 信道,差错性能,数字通信中误差性能依赖于接收端的Eb/N0，它是归一化的信噪比（S/N或SNR）。SNR指平均信号功率与平均噪声功率之比。SNR降低的原因：降低有用信号的功率，称损耗；增大噪声功率或者干扰信号功率，称为噪声（或干扰）。信号的一部分在传播过程中被吸收、转向、分散或反射时就产
7、生了损耗，结果使得部分发射能量不能到达接收端。电磁噪声和干扰的来源很多，如热噪声，银河系噪声，大气噪声，瞬时切换，互调制噪声以及其他信号源的干扰信号等。,2007-08,14,图1.3 卫星通信链路信号损耗和噪声来源,2007-08,15,图1.4 从指定高度到大气顶端的理论单向衰减,2007-08,16,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,导致SNR降低的21个主要来源1. 带限损耗。所有的系统在发射机中都使用滤波器，以确保发射能量集中在指定频带内，从而避免对其他信道和用户的干扰，并达到管理部门的要求。这些滤波降低了发射能量，造成了信号的损耗。2. 码间串扰。系统中所有的滤波（包括在发射机、接
8、收机和信道的滤波）都会产生ISI。接收脉冲互相叠加，产生的拖尾占据相邻码元的间隔，从而干扰检测过程。即使没有热噪声，不良滤波，系统带宽限制和信道衰落也会产生ISI导致信噪比降低。3. 本地振荡相位噪声。如果在信号混合中使用LO，相位变化或抖动将会引入相位噪声。若在接收端的相关器中用该信号作为参考信号，相位跳变会导致检测器性能的降低，从而增加信号损耗。在发射端，相位跳变可能产生信号的带宽扩展，因此需要将扩展的部分滤除，从而造成信号的损耗。,2007-08,17,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,4. AM/PM 转换。在行波管（TWT）等非线性设备中AM到PM的转换就是一种相位噪声。信号幅度的波
9、动（调幅）产生相位变化，这也给进行相干检测的信号带来了相位噪声。AM到PM的转换还能产生导致信号噪声的额外边带。5. 限幅器损耗或增益。硬限幅器可以加强两个信号中较大的一个，抑制较小的一个，从而造成了信号损耗或者信号增益。6. 多载波互调制产物。若几个具有不同载波频率的信号同时通过非线性设备（如TWT），则会导致不同载波频率间的多重交互作用，产生所有频率的和差组合的信号。这些伪信号（互调或IM产物）的能量就是损耗的信号能量。此外，如果这些互调产物出现在信号频带内，则产生了这些信号的附加噪声。,2007-08,18,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,7. 调制损耗。链路预算计算接收的有用功率（或
10、能量）。只有携带信息的信号功率才是有用的。任何用于发射载波而不是调制信号的功率都属于调制损耗（但是，载波能量对同步是有用的）。8. 天线效率。天线是将电信号与电磁信号互相转换的转换器，也用于将电磁能量汇集于指定的方向。天线口径（面积）越大，指定方向上的信号功率密度也越大。天线效率可以用有效口径和物理口径之比来描述。造成效率降低的因素有幅度的衰减、口径拥塞、散射、再辐射、溢出、边缘衍射和耗散损失。由于这些因素的共同作用，导致典型的效率范围是50-80%。9. 天线屏蔽器的损耗和噪声。天线屏蔽器是某些天线上为了防御气候影响而设置的保护层。信号传输路径中的天线屏蔽器会辐射、吸收部分信号能量，从而产生
11、信号损耗。根据物理学基本原理，任何能吸收能量的物体也能辐射能量（温度在以上）。部分能量落在接收机带宽范围内而导致了注入噪声。,2007-08,19,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,10. 定向损耗。指发射天线或接收天线不正确定向时所产生的损耗。11. 偏振损耗。电磁偏振域是指磁力线所指方向的区域，天线的偏振则指其辐射域的偏振。在发射天线与接收天线之间，任何偏振不匹配都会产生信号损耗。12. 大气损耗和噪声。大气会造成信号损耗，引进有害的噪声。大气的容积在大约20 km高度范围之内；在相对较短的信道中，大气会造成主要的损耗和噪声。大气还给链路带来噪声能量。在天线屏蔽器中，吸收能量的微粒也能辐射
12、能量。氧气和水蒸气微粒在整个RF频谱中辐射噪声。落在给定通信系统带宽内的噪声部分会降低SNR。大气造成信号损耗、引进噪声的主要因素是降雨。降雨越稠密，被吸收的信号能量就越多。降雨时由于雨水接触天线束而对系统接收机造成的大气噪声辐射，远远大于晴天时的情况。,2007-08,20,图1.4 从指定高度到大气顶端的理论垂直单路衰减,2007-08,21,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,13. 空间损耗。由于距离的作用，电磁场强度降低，信号强度（功率密度或流量密度）随之降低。卫星通信链路中，空间损耗是系统最大的损耗。从某种意义上说，没有汇聚到接收天线的所有能量都是损耗。14. 邻道干扰。这种干扰产生
13、的原因是其他频率信道信号的溢出，而导致的有害信号或者能量的插入。哪一个邻近的信道会落在频域内，由调制的频谱滚降、带宽和主瓣形状决定。15. 同道干扰。这种干扰指信号带宽内的干扰波形引起的性能降低。造成同道干扰的原因有很多，例如意外发射，高度和宽度不足的偏振识别，或天线旁瓣（主天线束周围的低能量束）的辐射溢出等等。这种干扰也可能由同频谱的其他授权用户造成。,2007-08,22,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,16. 互调制噪声。由于非线性设备中多载波信号相互作用会产生IM产物。该IM产物有时也称为能动互调，它会造成信号能量损耗，或者向链路引入噪声。这里讨论被动互调，这是由于多载波发射信号与发
14、射机输出端的非线性设备相互作用而产生的。这些非线性主要产生于波导耦合连接处、被腐蚀的表面以及弱电的表面。当大的电磁波投射在具有二极管传输函数的表面时，将产生大量的噪声。如果这些噪声辐射到附近的接收天线，将严重降低接收性能。17. 银河系或宇宙、恒星以及地面噪声。所有天体如恒星、行星等都会辐射能量。这些噪声能量作用在天线工作范围内就会降低SNR。18. 馈线损耗。接收天线和接收机前端之间的波导和电缆（馈线）都会造成信号衰减和热噪声。,2007-08,23,19. 接收机噪声。即接收机中产生的热噪声20. 实施损耗。这种性能损耗是理论检测性能和实际性能的差值。实际运用中的种种缺陷，例如定时错误、频
15、率偏移、波形的上升下降次数以及有限值的运算等，都会造成与理论值的偏差。21. 不良的同步参考。若能正确产生载波相位、子载波相位和信号定时参考，误差概率将与理论推导的Eb/N0一致。但通常情况下这些对象并不能完全正确地产生，从而导致系统损耗。,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,2007-08,24,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,链路预算的目的是检测通信系统能否按计划运行，即误差性能能否达到指定要求。链路预算分析出从发射机到接收机的全过程中传输信号的“升”和“降”（增益和损耗）。综合计算接收Eb/N0的大小，满足需求的盈余。计算处理过程由量程方程开始，因为量程方程建立了接收功率与收发之
16、间距离的函数关系。对发射机和接收机之间基本的功率关系的研究，通常以全方向RF源的假设（在4球面角度上均匀发射）为基础。此理想源称为各向同性辐射器。,2007-08,25,图1.5 量程方程（用距离描述接收功率）,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,2007-08,26,假定球体上功率密度p(d) 与发射功率Pt的关系为,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,球面面积为4d2。从接收天线提取的功率为,其中参数Ae是接收天线的有效面积，定义为,Ae =,总提取功率瞬时功率流量密度,（1.1）,（1.2）,（1.3）,2007-08,27,表示天线输出（输入）功率与各向同性辐射器功率之间关系的参数（纯几何比）称为天线方向性或方向增益，即,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,G =,最大功率密度球面的平均功率密度,（1.4）,天线增益可以认为是将RF流量集中在某个比4球面小的限定区域内而产生的结果。,
