无线通信基础01

本部分知识及结构参考自人民邮电出版社出版的王振世先生的《实战无线通信应知应会》

电磁波

电磁波 (Electromagnetic Wave) 是一种波. 对于一种波, 我们需要关注描述波的基本特性的参量: 幅值 A A A, 相位 θ \theta θ, 波速 v v v, 波长 λ \lambda λ, 频率 f f f 和周期 T T T. 波的参量之间存在如下关系:
f = 1 T ,      v = λ T = λ f . f = \frac{1}{T}, \ \ \ \ v = \frac{\lambda}{T} = \lambda f. f=T1,    v=Tλ=λf.

  • 麦克斯韦方程组 (Maxwell’s Equations) 描述了电场, 磁场性质及电磁互变的规律.

  • UHF 即超高频 (Ultra High Frequency), 分米波段, 是频率为 3 3 3 Hz 至 3000 3000 3000 Hz 的特高频无线电波, 被广泛应用于移动通信.

不同频段内的频率传播特性不同. 频率越小, 传播损耗越小, 覆盖距离越远, 绕射能力越强, 但是低频段频率资源紧张, 系统容量有限.

电磁波的传播

  • 直射波 (direct wave) 是由发射天线沿直线到达接收点的无线电波.
  • 反射波 (reflection wave) 是通过地面或其他障碍物反射到达接受点的无线电波.

直射波和反射波合称为空间波.

  • 绕射波 (diffraction wave). 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时, 无线电波绕过障碍物而传播的现象称为绕射. 绕射损耗是各种障碍物读电波传输所引起的损耗.
  • 散射波 (scattered wave). 当波穿行的介质中存在小于波长的物体, 且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时, 将引起波经此处后四处发散, 就是散射 散射波产生于粗糙表面, 小物体或其他不规则的物体.
  • nLOS 即非视距传输 (non line of sight), 非视距传输的路损加大.
  • 多径效应 (multipath effect) 是指不同路径的相同信号在接收端叠加会增大或减小接受信号能量的现象.
  • 时间色散 (time dispersion) 是指到达接收机的直射信号和其他多径信号由于空间传输的时间差异而带来的彼此干扰的问题. 发射信号经过远离接受天线的物体发射容易导致时间色散.
  • 多普勒效应 (doppler effect) 即由于相对关系而产生的观测值变化. 如同我们于领导相见, 该效应指的是无线电波在波源快速移向观察者时接受频率变高, 而在波源远离观察者时接受频率变低. 多普勒频偏与相对移动速度 v v v, 无线电波的波长 λ \lambda λ, 入射角 θ \theta θ 的关系为:
    Δ f = v λ cos ⁡ θ . \Delta f = \frac{v}{\lambda}\cos\theta. Δf=λvcosθ.
  • 菲涅尔区 (fresnel zone) 是一个椭球体, 其中收发天线位于该椭球的两个焦点. 在实际传播环境中, 如果该椭球体内存在阻挡物 直射波和反射波或是绕射波的路径差小于半个波长, 相位差的影响小于 π / 2 \pi/2 π/2, 这样会大大影响无线电波的传播效果. 这个椭球体的半径为第一菲尔涅半径
    R = λ d t d r d , R = \sqrt{\frac{\lambda d_{t}d_{r}}{d}}, R=dλdtdr ,
    其中, d t d_{t} dt 为反射点到发射端的距离, d r d_{r} dr 为反射点到接收端的距离, d d d 为发射机到接收机的水平距离.
  • 阴影效应 (shadowing effect). 在无线电波的传播路径上, 会遇到地形不平, 高低不等的建筑物, 高大的树木等障碍物的阻挡, 在阻挡物的背面, 会形成电磁信号唱腔较弱的阴影区域, 这一现象叫做阴影效应.

不同地物类型的阴影效应的大小不一, 密集城区一般要有较大的阴影效应.

  • 慢衰落 (slow fading) 反映的是数百波长范围内接受电平的均值变化. 主要原因有: 路径损耗和阴影效应. 一般服从对数正态分布.
  • 快衰落 (fast fading) 就是接受信号场强瞬时值的快速起伏, 快速变化. 可细分为三类: 空间选择性衰落(多径效应引起的不同地点不同传输路径的衰落特性不一样), 频率选择性衰落(多普勒频移导致的载波频率的偏移), 时间选择性衰落(两者引起的到达接受点时间不同引起的).

常用功率单位

单位 名称 公式 意义
dBm Milliwatt decibel 毫米分贝 10 log ⁡ ( P / 1 m W ) 10\log (P/1mW) 10log(P/1mW) 功率大小的绝对值
dB decibel 分贝 10 log ⁡ ( P 1 / P 2 ) 10\log (P_{1}/P_{2}) 10log(P1/P2) 功率的相对比值
dBi decibel of isotropic 参考点源分贝
dBd decibel of dipole 参考偶极子分贝 同一增益用 dBi 比 dBd 表示大 2.15 2.15 2.15
dBc decibel of carrier 相对于载波的分贝 10 log ⁡ ( P 1 / P c ) 10\log (P_{1}/P_{c}) 10log(P1/Pc) 和载波的功率相比的信号强度的相对值

无线传播建模

  • 传播损耗 (propagation loss) 主要是随距离变化的路径损耗. 影响路损的三种最基本的传播机制为反射, 绕射和散射, 即反射损耗 (reflection loss) , 绕射损耗 (scttered loss) 和地物损耗 (clutter loss). 如果电磁波还穿过障碍物, 还需考虑穿透损耗 (penetration loss).
  • 传播模型. 主要通过两个途径研究传播模型: 一个是从无线传播理论出发, 分析发射点到接收点的所有电磁波, 包括直射, 散射, 绕射, 反射, 得出传播损耗的数学规律. 另一个是在大量测试数据的基础上统计分析出传播损耗的数学规律.
  • 自由空间 (free space) 传播模型是最简单的无线电波传播模型. 无线电波的损耗只与传播距离, 电波频率有关系:
    L = 32.45 + 20 lg ⁡ ( d k m ) + 20 lg ⁡ ( f M H z ) ( d B ) . L = 32.45 + 20\lg(d_{\rm{km}}) + 20\lg(f_{\rm{MHz}})(\rm{dB}). L=32.45+20lg(dkm)+20lg(fMHz)(dB).

在实际的无线环境, 无线信号只要在第一菲涅尔区不受阻挡, 就可以认为是在自由空间传播.

  • 射线跟踪模型 (ray tracing model) 的基本原理是: 分析某种场景下, 无线电波从发射点传播到接收点, 理论上所有可能的传播途径, 在接收点进行信号矢量叠加, 计算出接收信号场强.

Volcano 模型, WaveSight 模型以及 WinProp 模型是典型的射线追踪模型.

  • Okumura (奥村) 模型是最著名的基于测试数据统计的无线传播模型. 类似地, 还有适用于室内的 Keenan-Motley 模型.
  • SPM (standard propagation model), 标准传播模型适用于 150 150 150 MHz 至 2 2 2 GHz 的频率范围, 也适用于密集城区, 普通城区, 郊区, 农村的各种无线环境, 应用比较广泛.

L S P M = K 1 + K 2 lg ⁡ ( d ) + K 3 lg ⁡ ( H T x ) + K 4 L D i f f r a t o n + K 5 lg ⁡ ( H T x ) + K 6 lg ⁡ ( H R x ) + K C l u t t e r f ( c l u t t e r ) . L_{\rm{SPM}} = K_{1} + K_{2}\lg(d) + K_{3}\lg(H_{\rm{Tx}}) + K_{4}L_{\rm{Diffraton}} + K_{5}\lg(H_{\rm{Tx}} )+ K_{6}\lg(H_{\rm{Rx}}) + K_{\rm{Clutter}}f({clutter}). LSPM=K1+K2lg(d)+K3lg(HTx)+K4LDiffraton+K5lg(HTx)+K6lg(HRx)+KClutterf(clutter).
其中, d d d 为接收机与发射机之间距离, H T x H_{\rm{Tx}} HTx H R x H_{\rm{Rx}} HRx 分布为发射天线和接收天线的有效高度, L D i f f r a t o n L_{\rm{Diffraton}} LDiffraton 为存在障碍的路径引起的衍射损耗, f ( c l u t t e r ) f({clutter}) f(clutter) 为因地物所引起的平均加权损耗. K 1 K_{1} K1 为常数, K 2 K_{2} K2 为路损随距离变化的系数, K 3 K_{3} K3 为路损随发射天线挂高变化的系数, K 4 K_{4} K4 为散射损耗的系数, K 5 K_{5} K5 为路损随接收天线挂高和距离综合因素变化的系数, K 6 K_{6} K6 为路损随接收天线挂高变化的系数, K C l u t t e r K_{\rm{Clutter}} KClutter 为路损随地物损耗变化的系数.

  • 李氏准则 (Lee’s criteria) 由 William Lee 博士于 1985 年发表的关于无线信号场强采样的论文提出. 具体内容为: 在 40 40 40 个波长内采样 36 36 36 50 50 50 个点.
  • CW 测试 (continuous wave test) 即连续波测试, 是获取无线电波传播规律的测试数据的重要步骤. 该测试获取的数据是不同位置的接收电平强度, 可以作为模型校正的数据源. 另外, 根据测试场景不同, 可分为路测 (DT, driver test) 和步测 (walking test).

射频(注: 这一部分属于未知领域)

  • 射频 (radio frequency) 就是比较容易发射出去的高频交变电波, 频率范围是 300 300 300 kHz 至 30 30 30 GHz.
  • 射频电路一般由接收机射频处理单元, 发射机射频处理单元和频率合成单元组成.
  • 峰均比 (peak-to-average ratio, PAR), 峰值因子 (crest factor, CF). 抑制过大的峰均比是在设计和使用射频器件时必须考虑的.

噪声

噪声是指在无线电波的信号处理和传播过程中遇到的无法确切预测但有概率统计规律的电磁波干扰信号. 这种信号不同于特定频率的无线电波之间的相互干扰, 在很宽的频带范围内存在.

噪声分为内部噪声和外部噪声, 内部噪声往往是固有噪声, 我们经常考虑的是外部噪声.

  • 白噪声 (white noise) 是指功率谱密度为常数, 能量在整个频域内均匀分布的随机信号或随机过程.
  • 高斯白噪声 (Gaussian white noise) 是指幅度分布服从高斯分布, 功率谱密度是均匀分布的噪声.
  • 噪声谱密度 (noise spectral density) 指单位带宽内分布的噪声功率.
  • 系统的热噪声功率与绝对温度的大小, 系统贷款的大小有直接联系:
    P = 10 lg ⁡ ( K T B ) , P = 10\lg(KTB), P=10lg(KTB),
    其中 K K K 为玻尔兹曼常数 ( 1.38 × 1 0 − 23 J / K 1.38 \times 10^{-23} \rm{J/K} 1.38×1023J/K, T T T 为开氏温度, B B B 为信号带宽.
  • 在常温下, 任何用电系统每赫兹的热噪声功率是 − 174 -174 174 dBm.
  • 相位噪声 (phase noise) 是指系统 (如各种射频器件) 在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化. 我们使用在频偏中心频率一定范围内单位带宽内的功率与总功率的比去描述相位噪声的大小, 单位是 dBc/Hz.

相位噪声的大小可以反映出射频器件的优劣. 相位噪声越小, 射频器件越好.

  • 信噪比 (signals to noise ratio, SNR) 就是有用信号和噪声 (主要是加性噪声) 的功率比.
  • 在不考虑成本的前提下, 信噪比越大越好;
  • 增加有用信号强度, 控制干扰和噪声可以提高信噪比;
  • 在极少数的应用场合以电压比表示信噪比, 且从量级上以功率表示的信噪比被近似认为是以电压比是信噪比的平方.
  • 噪声系数 (noise factor) 是指输入端信噪比与输出端信噪比之比.

基站的噪声系数一般为 3 ∼ 5 3 \sim 5 35 dB, 而用户移动台的噪声系数一般是 7 ∼ 9 7 \sim 9 79 dB.

  • 加性噪声 (additive noise) 是指通过功率直接叠加的方式作用于信号. 一般通信中将其视为系统的背景噪声.
  • 乘性噪声 (multiplicative noise) 是由于无线环境不理想或者射频器件的非线性, 伴随这无线信号的接收和传送过程而产生的噪声.

失真

所谓失真 (distortion) 就是指信号经过射频收发通道时, 由于有加性噪声和乘性噪声的引入, 或多或少会对所传信号有一定程度的歪曲. 无线信号的失真可分为线性失真 (linearization distortion) 和非线性失真 (nonlinear distoration).

  • 线性失真就是射频器件输出的幅值变化特性和相位偏移特性对不同频率的输入有很多的不同. 主要是由滤波器等无源器件产生的.

线性失真时, 输出信号中不会有输入信号中所没有的新的频率分量, 各个频率的输出波形也不会有变化. 由于是射频器件对不同频率的信号处理结果上的偏差, 又叫频率失真.

  • 非线性失真是指在超出器件线性工作范围后, 随着输入的增加, 输出信号幅值或相位的变化产生严重扭曲, 即输出波形不再能反映输入波形的变化, 发生了非线性失真, 或叫波形失真, 非线性畸变. 该失真主要是由一些放大器, 混频器等有源器件产生的.

非线性失真可以分为非线性幅度失真和非线性相位失真. 非线性失真产生了新的谐波成分, 改变了原来的信号频谱.

  • 常用的衡量非线性幅度失真的指标有 1 1 1 dB 压缩点, 三阶交调和三阶截止点等.

收发射频指标

  • 邻道泄漏比 (adjacent channel leakage ratio, ACLR)
  • 杂散辐射 (spurious emission)
  • 底噪 (background noise)
  • 接收灵敏度 (receiver sensitivity)
  • 杂散响应 (spurious response)

传输线相关

  • 行波 (travelling wave) 驻波 (standing wave) 行驻波 (travelling and standing wave)
  • 传输线 (transmission line) 馈线 (feeder)
  • 特性阻抗 (characteristic impedance)

目前通信系统中射频器件主要有两种特性阻抗: 一种是 50 Ω 50 \Omega 50Ω, 用于军用微波, GSM, WCDMA 等系统; 另一种是 75 Ω 75 \Omega 75Ω, 用于有线电视系统.

  • 阻抗匹配 (impedance matching) 及其衡量参量: 反射系数 (reflection coefficient), 驻波比 (voltage standing wave ratio), 行波系数 (travelling wave ration) 和回波损耗 (return loss).
  • 衰减系数 (attenuation coefficient) 即单位长度产生的损耗大小.
  • 传播常数 (propagation constant) 是指行波每经过单位长度的传输线, 振幅和相位的变化.

干扰 (interference)

  • 杂散干扰 (spurious emission interference) 是一个系统频段外的杂散辐射落入到另一个系统的接收频段内造成的干扰. 它直接影响了系统的接收灵敏度, 若要减弱影响, 要不在发射机上过滤干扰, 要不远离干扰.
  • 阻塞干扰 (barrage jamming) 是指接收机接收到带外的强干扰信号后, 突然进入饱和区导致信号严重失真. 想要克服该干扰, 需要增加接收机对工作频率范围外信号的抑制能力(即增加带外抑制制度).
  • 接收互调干扰 (receiver intermodulation interference) 就是频率不同的两个或多个干扰信号同时进入接收机, 由于接收机自身的非线性而产生的互调产物, 正好落在了接收机的工作频带范围内, 对系统造成的干扰.
  • 发射互调干扰 (transmitter intermodulation interference) 是指由发射端产生的互调信号正好落在接收机的工作频带内, 对接收机的性能造成影响.
  • 隔离度 (isolation degree) 就是抑制干扰的程度.
  • 杂散抑制 (spurious suppression) 阻塞抑制(barrage suppression) 互调抑制(intermodulation suppression)

射频系统

射频系统由射频接收和射频发散两部分组成, 射频接收包含调制, 变频, 功率放大, 接收部分包括滤波, 功率放大和解调. 这两部分之间由合路器和天线连接.

  • 功率 (power) 和电平 (electrical level) 二者是同一个事物, 但使用场合不一样. 功率的表述常用于日常电路域, 电平常用于无线电通信领域. 电平就是射频电路中电量的水平, 常用的电平是指功率的对数, 单位是 dBm.
  • 功放增益 (power amplifier gain) 是表征放大器信号放大能力的一种参数, 就是输入信号与输出信号功率之比:
    G = 10 lg ⁡ ( P o P i ) . G = 10\lg(\frac{P_{o}}{P_{i}}). G=10lg(PiPo).
  • 低噪放 (low noise amplifier, LNA)
  • 混频器 (mixer) 变频器 (converter)滤波器 (filter) 振荡器(oscillator) 鉴相器 (phase detector) 锁相环 (phase loop, PLL)
  • 插损 (insertion loss) 是指当电路中接入某一无源射频器件后所引起的功率损耗, 或者叫做功率衰减.
  • 合路器 (combiner, multiplex) 功分器 (power splitter) 耦合器 (coupler) 衰减器 (attenuator)

天线

  • 天线 (antenna)增益是指在相同的输入功率条件下, 天线在最大辐射方向上某一点所产生的功率密度, 与理想点源天线在同一点所产生的功率密度比值. 一般来说, 天线增益越高, 波瓣宽度越窄, 天线发出的能量也越集中.
  • 极化方向 (polarization direction) 方向图(radiation pattern)
  • 波瓣宽度 (beam width) 前后比(front to back ratio) 旁瓣抑制(sidelobe suppression)

无线通信基本模型(参见通信原理课本)

  1. 双工技术 (duplex technology) 包括时分双工(time division duplex, TDD) 与频分双工 (frequency division duplex, FDD).

时分双工可以看作是多人过独木桥问题, 频分双工可看作是交响乐队.

  1. 多址方式 (multiple access method) 包括时分多址 (TDMA), 频分多址 (FDMA), 码分多址 (CDMA), 空分多址 (SDMA).

时分多址就是同一件会议室安排不同时间的不同会议, 频分多址就是男女二重唱, 码分多址就是用不同的语言交流, 空分多址就算是每个班级区不同的脚上.

  1. 信源编码 (source coding) 与信道编码 (channel coding)
  2. 扩频 (spreading) 与加扰 (scrambling)
  3. 调制 (modulation)
  4. 信道 (channel) 就是信息传递的通道. 空口 (air interface) 即空中接口或无线接口, 指无线信号传送和接收过程中与物理层有关的协议接口.
  • UMTS 制式的空口一般分为三层, 即无线资源控制层 (radio resource control, RRC), 媒体接入控制层 (media access control), 物理层 (physic layer).
  • 评估指标通常为 BLER (误块率, 量级为 1 0 − 2 10^{-2} 102), BER (误比特率, 量级为 1 0 − 4 10^{-4} 104).
  1. 分集技术 (diversity technology) 包括分集发射技术和分集接收技术.
分集方式 名称 互不相关的信号 实现途径
空间分集 space diversity 天线的空间距离大雨 10 10 10 倍波长的几路信号 主分集天线或更多天线
频率分集 frequency diversity 载波频差超过信道相关带宽的多路信号 多个载波传送同一信息或扩频
角度分集 angle diversity 天线的不同波束指向收发的几路信号 赋形天线
时间分集 time diversity 时间间隔超过信道相干时间的几路信号 几路信号的时间间隔大雨信道相干时间, 交织深度大雨信道相干时间
极化分集 polarization diversity 垂直极化的无线信号和水平极化的无线信号或 + 4 5 ∘ +45^{\circ} +45 极化和 − 4 5 ∘ -45^{\circ} 45 极化的无线信号 天线不同的极化方向收发同一信号
  1. 分集合并技术就是把来自同一信源的不同衰落特性的几路信号接收下来, 合起来进行分析处理, 尽量把信源信息恢复出来的过程. 主要有最大比合并 (maximal ratio combining, MRC), 等增益合并 (equal gain combinaing, EGG) 和选择性合并 (selection combining).
  2. 在无线通信领域, 接收机的解调门限 (demodulation threshold) 都是用无线信号的最低信噪比要求来定义的,

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