1、无线通信基础知识介绍,1,无线集群 工程中心,时间 2012.4,目录,基本物理量和基本概念介绍 常用射频器件、模块介绍 移动通信概念介绍 电磁波传播损耗模型介绍,2,1、基本物理量、基本概念的介绍,3,功率/电平,功率理论上定义为做功的速率。单位为 mW、W(瓦)、kW等。 电平功率的另一种表示。单位为dBm(取1mW为基准值,以分贝表示的绝对功率电平)。 换算公式:电平(dBm)=10lg(功率mW1mW) 。如 5W10lg5000=37dBm; 10W10lg10000=40dBm.(功率增倍,电平增加3dB) 输出功率指放大器的功率输出能力。常以功率或电平表示。,4,阻抗匹配,阻抗匹
2、配使系统反射系数为零,即无反射时称为匹配。 相应的传输线有三种状态:无反射状态(行波)、全反射状态(驻波)、行驻波。,5,驻波比、回波损耗,驻波比行驻波状态时,波腹电压与波节电压之比(VSWR)。 回波损耗RL(dB) =反射信号电平(dBm)入射信号电平(dBm) 换算公式RL=20*log10(VSWR+1)/(VSWR-1),6,驻波比回波损耗对照表:,三阶互调,三阶互调若存在两个正弦信号1和2,由于非线性作用将产生许多互调分量|p 1 q 2 |,p+q称为阶。其中的2 12和2 2 1两个频率分量称为三阶互调分量。 三阶互调系数M3三阶互调分量的功率P3和信号1或2的功率P 1(2)
3、之比称为三阶互调系数M3,即M3=10lgP3/P1 (dBc)。M3越小,互调干扰就越小。,7,噪声系数(NF),噪声系数(NF)衡量电路或系统的噪声性能好坏(噪声恶化程度)的参数。定义为输入信(载)噪比与输出信(载)噪比的比值。单位为分贝(dB)。 NF(dB)=输入载噪比(dB)输出载噪比(dB) NF(dB)越小,系统噪声性能越好。理想时,NF=0dB(1)。,8,耦合度,耦合度耦合端口与输入端口的功率比。单位为dB。 耦合度(dB)=耦合端口功率(dBm)输入端口功率(dBm),9,耦合度为10dB 损耗为0.7dB,隔离度,隔离度衡量两天线之间信号隔离(不被接收)的程度的量,单位为
4、dB。 隔离度(dB)=接收天线接收功率(dBm)发射天线发射功率(dBm) 例如:天线隔离度LC指天线1的输出功率与它进入天线2输出端(末级)的功率之比。(图中L1称为转换损耗指天线2上来自天线1的功率(即干扰)与天线2产生的互调产物功率之比。),10,天线方向图(波瓣图),天线方向图表示天线各辐射方向的场强的图(或者说是天线辐射的电磁波在空间存在的范围)。由于方向图呈花瓣状,又称为波瓣图。 方向图宽度表示天线辐射能量集中的程度,又称半功率波瓣宽度。其定义为辐射功率下降到最大辐射方向的一半(或者说场强下降到最大方向的0.707倍)的两个方向的夹角(20.5)。一般是方向图越宽,增益越低;方向
5、图越窄,增益越高,向前辐射能力强。 E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图。 H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图。,11,天线波瓣图,12,天线增益(dB)、天线前后比F/B,天线增益指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。一般把天线的最大辐射方向上的场强Emax与理想多向同性天线均匀辐射场强E0相比,以功率密度增加的倍数定义为增益,即Ga=(Emax / E0)2。 天线增益Ga(dB)=10lg Ga(dB) 天线前后比F/B指最大正向增益与最大反向增益之比,用分贝(dB)表示。其值越大天线的方向性越好。,13,天线型号、波瓣图,14,ODP-085/V11-NG 小区覆盖天
6、线,单工、双工,单工有单频单工、双频单工之分。单频(同频)单工制,即收发使用同一频率,由于接收和发送使用同一个频率,所以收发不能同时进行,称为单工。适用于用户少、专业性强的移动通信系统中(如对讲机)。 双工异频双工制,即收发双方使用两个不同的频率,任何一方在发话的同时都能收到对方的讲话。但这种工作方式的缺点是发射机总是工作的,故耗电大。 准双工MS的发射机仅在发话时才工作,而接收机总是工作的,这样MS可省电。准双工与双工制兼容,在移动通信中广泛应用。,15,2、常用射频器件、模块介绍,16,放大器(Amplifier),放大器(Amp.)用于实现信号放大的电路。有低噪声放大器(LNA)和功率放
7、大器(PA)。 主要指标增益、饱和功率(ALC电平)。,17,滤波器(Filter)、双工滤波器(Duplex),滤波器通过有用频率信号而抑制无用频率信号的电路、器件或模块。有有源滤波器和无源滤波器之分。 主要指标选频宽度(带宽BW)、选择性、插损、带外衰减。 双工滤波器简称双工器。可把两路不同频段的信号合成一路,或把一条传输线中两路不同频段的信号分成两路。 主要指标插损、隔离度。,18,环行器、双工环行器,环行器使信号单方向传输的器件。 双工环行器即双工环行滤波器,是一种能使信号实现单方向传输的双工滤波器。根据信号走向来完成分路、合路的功能。,19,衰减器(Attenuator),衰减器在相
8、当宽的频段范围内一种相移为零、其衰减和特性阻抗均为与频率无关的常数的、由电阻元件组成的四端网络。其主要用途是调整电路中信号大小、改善阻抗匹配。衰减的单位为dB。衰减器有功率容量的要求。 主要用途衰减器主要用于放大器输出功率测试,为测试配件(先衰减,再进频谱仪)。可变衰减器用于主机输入信号的调整,多用于室内直放站。,20,例如,21,LNA,PA,ATT,ATT,监控单元,Note Book,DT,MT,232接口,无线直放站R-9110AC系统原理图,合路器,22,GSM/CDMA双频合路单元,FD-U900D1850B200NNOO双频合路单元,RM-NKC1/RM-NKC2基站合路单元,耦
9、合器(Coupler),耦合器实现从主干通道中提取出部分信号的器件。 分类按耦合度的大小分为5、10、15、20、dB不同规格;从基站提取信号时可用大功率耦合器(300W),其耦合度可从6065dB中选用。耦合器的接头多采用N头。,23,耦合度为10dB 损耗为0.7dB,耦合器,24,宽频带耦合器(8002500MHz) RC-5NK-06F 插损1.8dB RC-5NK-20F 插损0.7dB,900MHz耦合器 RC-5NK/NK/NK-05C插损2.2dB RC-5NK/NK/NK-30C插损0.4dB,宽频带耦合器(8002300MHz) RC-5NK/NK/NK-06F1插损1.8
10、dB RC-5NK/NK/NK-20F1插损0.7dB,功分器(Power splitter),功分器进行功率分配的器件。有二功分器、三功分器、四功分器等;接头类型分N头(50)、SMA头(50 )、和F头(75 )三种,我们公司常用的是N头和SMA头。 主要指标插损、隔离度,25,功分器,26,900MHz功分器 RD-52N/NP-C0插损3.5dB RD-53N/NP-C0插损5.2dB RD-54N/NP-C0插损6.5dB,宽频带功分器(800 2400MHz) RD-52N/NP-F1插损3.5dB RD-53N/NP-F1插损5.2dB RD-54N/NP-F1插损6.5dB,负
11、载、转接头,负载终端在某一电路(如放大器)或电器输出端口,接收电功率的元器件、部件、或装置,统称为负载。 对其要求阻抗匹配和所能承受的功率。 转接头把不同类型的线缆接头连接在一起的器件。 接头类型SMA/N/BNC/TNC/F/DIN ,接头分公型(J)和母型(K)。,27,接头、转接头,28,接头:N-J8C 配8D馈线NJ-1/2C (针头) NK-1/2C (孔头)配1/2馈线NJ-7/8C (针头) NK-7/8C (孔头)配7/8馈线,转接头:N-50KK 用于N-J与N-J接头的连接N-50JJ 用于N-K与N-K接头的连接N/SMK-JK,天线、馈线,天线(Antenna)是将高
12、频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去,或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流的一种设备。 馈线是传输高频电流的传输线,通常是同轴电缆。指标为线损(dB/m)。,29,天线,30,ODP-030/V18-NG定向板状天线,ODP-090/V14-NG定向板状天线,天线,31,ORA-008-V21-NG抛物面天线 (口径1.8米),ORA-010-V18-NG抛物面天线 (口径1.2米),ORA-010-V25-NG抛物面天线 (口径 2.4米),天线,32,IXD-360/V03-NW室内吸顶天线,IWH-085/V09-NG室内壁挂天线,IWH-090/V08-NG室内壁挂
13、天线,馈线,33,电缆馈线:8D馈线(细)、1/2馈线(中)、7/8馈线(粗) 损 耗:14dB/百米、 8dB/百米、 4.5dB/百米、,3、移动通信概念介绍,34,35,TETRA发展,TErrestrial Trunked Radio TETRA陆地集群无线电通信系统,欧洲电信标准协会 1995年正式确定的开放性标准用以替代以往的专业移动通信系统PMR和公共接入移动通信系统PAMR的唯一标准与GSM系统类似,成为事实上的全球标准,36,*系统组成图,*主要特点,37,1、移动无线通信 2、电波传播环境恶劣 阴影效应(慢衰落) 分集接收技术 多径效应(快衰落) 分集接收技术 远近效应(相
14、互干扰)自动功率控制技术 多径时延(码间串扰)均衡技术 3、噪声和强干扰 噪声自然界、工业噪声;发动机点火。 互调干扰选择性 邻道干扰自动功率控制技术 同频干扰组网时注意,*主要特点,38,4、多谱勒效应 多谱勒频移(f= v cos / )锁相技术(PLL) 5、用户经常移动跟踪交换技术 位置登记、越区切换、漫游访问等 6、频率资源有限各种提高频谱利用率的技术 多址技术、调制技术、智能天线技术、话音编码技术等,*主要技术,39,1、多址技术 FDMA频分多址模拟系统; TDMA时分多址欧GSM、美DAMPS、日PDC系统; CDMA码分多址IMT-2000 3G标准; SDMA空分多址(智能
15、天线技术)3G系统。 2、调制技术 线性调制技术QPSK正交移相键控、/4-QPSK(美日使用); 恒定包络调制技术MSK最小移频键控、GMSK高斯滤波MSK(欧GSM使用)。,*主要技术,40,3、话音编码技术 波形编码如PCM、M编码,16-64kbps话音质量好,16kbps以下质量下降; 声源编码即参量编码,2-4.8 kbps。如线性预测编码LPC,话音质量只能中等; 混合编码方向是高质量、低速率, 8-16kbps。如规则码激励长期预测编码RPE-LPT ,13bps, GSM使用,良好的话音质量,使用最多。码激励线性预测编码CELP ,8bps,美日使用。 4、自适应均衡与分集接
16、收技术克服码间串扰、衰落现象等。 5、跟踪交换技术位置登记技术、一齐呼叫功能、信道切换技术、信道控制技术等。,4、电磁波传播损耗模型介绍,41,室外电磁波传播损耗模型,自由空间损耗模型 Cost/Walfish/Ikegami可视路径损耗模型 Okumura-hata模型,42,A、自由空间损耗模型,43,公式模型: Lb=32.4+20log(d)+20log(f) (dB) 式中:d 距离,单位 km f 频率,单位MHz 例如:900MHz时 Lb=91.5+20log(d) (dB) 适用场合:可视空旷的自由空间 结论:频率越高,衰减越大;距离越远, 衰减越大。,B、Cost-231/
17、Walfish/Ikegami可视路径损耗模型,44,公式模型1: Lb=42.6+26log(d)+20log(f) (dB) 式中:d 距离,单位 km(1km范围内准确性较高)f 频率,单位MHz 适用场合:f = 8002000MHz, d = 0.025km;基站天线高度hb=450m;移动天线高度hm=110m;适用于城市微小区覆盖设计,视线通畅的情况。,Cost-231/Walfish/Ikegami可视路径损耗模型,45,公式模型2: Lb=Lo+Lrts +Lmsd (dB) 式中:Lo自由空间传输损耗Lrts屋顶至街道的绕射及散射损耗Lmsd多重屏障的绕射损耗 适用场合:
18、视线不通畅的情况。,C、Okumura-hata模型(OM),46,公式模型1: Lb(城区)=69.55+26.16log(f)-13.82log(hb)-a(hm)+44.9-6.55log(hb)log(d) 式中:d 距离,单位 km(120km范围内准确性较高);f 频率,单位MHz; a(hm)修正因子,中小城市取0。 公式模型2: Lb(农村)= Lb(城区)-2log(f/28)2-5.4,Okumura-hata模型(OM),47,公式模型3: Lb(开阔地)= Lb(城区)-4.78(logf)2+18.33logf-40.94 适用场合:GSM900MHz, d=120k
19、m;基站天线高度hb=30200m;移动天线高度hm=110m;适用于准平坦地形城区、郊区、开阔地、丘陵、山地、水域等。平均建筑高度不太高的城市大蜂窝覆盖设计;城镇、乡镇覆盖设计。,室外电磁波传播损耗类型,损耗与距离的关系:在120km以内,大致为40dB/dec;距离增大时,5060dB/dec。 自由空间损耗 绕射损耗 反射损耗 建筑物贯穿损耗 人体损耗:3dB左右 车内损耗:810dB左右 植被损耗:树林内部0.2dB/m(900MHz)、0.3dB/m(1800MHz);部分穿过树林或绕射20dB/dec;接收机周围有树林10dB。 大气吸收、雨雾吸收损耗,48,室内电磁波传播损耗模型
20、,室内路径损耗因子模型 室内自由空间路径损耗附加因子模型 室内路径损耗估算,49,A、室内路径损耗因子模型,50,公式模型:PL(d) = PL(do)+10nSFlog(d/do)+FAF (dB) 式中: PL(do)表示近地参考距离( do=310),自由空间损耗;nSF表示同层损耗因子(1.63.3);FAF表示不同层路径损耗附加值(1020 dB )。 例如:计算同层d=15米距离损耗(GSM900MHz)do设定为1米,则 PL(do)= PL(1m)=91.5+20log(0.001)=31.5 dBnSF取2.8, FAF=0dB故 PL(15m) = PL(1m)+102.8
21、log(15/1)+0 =31.5+32.9= 64.4 (dB) 注:计算损耗时需预留10 dB的衰减储备,B、室内自由空间路径损耗附加因子模型,51,公式模型:PL(d) = PL(do)+20log(d/do)+d (dB) 式中: PL(do)表示近地参考距离( do=310),自由空间损耗;为路径损耗因子(-0.21.6dB/m)。 例如:计算同层d=15米距离损耗(GSM900MHz)do设定为1米,则 PL(do)= PL(1m)=91.5+20log(0.001)=31.5 dB取0.6dB/m故 PL(15m) = PL(1m)+20log(15/1)+0.615=31.5+
22、23.5+9= 64 (dB) 注:计算损耗时需预留10 dB的衰减储备,C、室内路径损耗估算方法,52,估算公式:损耗 = 自由空间损耗 + 阻挡损耗+多径衰落 式中:自由空间损耗Lb=32.4+20log(d)+20log(f) =91.5+ 20log(d) (900MHz)阻挡损耗:波长越短,对阻挡物的穿透力越强。墙体的阻挡(520dB)楼层的阻挡(20dB以上)家具等其它障碍物的阻挡(215dB)电梯损耗(3040dB)多路径衰落:10dB左右损耗储备710dB,室内损耗举例 15米同层损耗(GSM900),公式A:PL(15m) = PL(1m)+102.8log(15/1)+0
23、=31.5+32.9= 64.4 (dB) 公式B:PL(15m) = PL(1m)+20log(15/1)+0.615=31.5+23.5+9= 64 (dB) 公式C: PL(15m) =91.5+20log(0.015)+10(多径衰落) =55+10=65 (dB)设天线馈入功率为5dBm,天线增益为2.1dBi,则离天线口15米处的信号场强为:5dBm + 2.1dBi - 64dB - 10dB(衰减储备)=-66.9dBm,53,符号标识,54,无源设备: 天线 ANT n-mF 功分器 PS n-mF 耦合器 T n-mF 合路器 CB n-mF 负载 LD n-mF 衰减器 AT n-mF 有源设备: 主机 HUB n-mF 干放 RP n-mF,符号标识,55,光纤分布设备: 主机单元 HS n-mF 远端单元 RS n-mF 光功分器 OPS n-mF 馈线: 起始端 FROM设备编号 终止端 TO设备编号,谢 谢,56,