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1、无线通信工程无线通信工程姚彦教授姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室清华大学微波与数字通信国家重点实验室20012001年年1111月月1010日日补充补充l参考书：参考书：T.S.T.S.RappaportRappaport著，蔡涛等译：著，蔡涛等译：“无线通信原理无线通信原理与应用与应用”，电子工业出版社，电子工业出版社，19991999 姚彦等著：姚彦等著：“数字微波中继通信工程数字微波中继通信工程”，人民，人民邮电出版社，邮电出版社，19901990l讲稿：讲稿：ftp:/166.111.64.58ftp:/166.111.64.58，找找“incoming/incoming/
2、无无线通信工程线通信工程”文件夹。文件夹。第二讲第二讲系统组成及技术规范系统组成及技术规范n n系统组成系统组成n n性能指标性能指标n n技术体制技术体制n n技术规范技术规范系统组成系统组成 系统组成（1）：组成框图 发基带单元发中频单元发射频单元发天线单元收基带单元收中频单元收射频单元收天线单元无线传播信道系统组成（2）：基带单元框图 发端接口处理发端信道处理发端调制映射发端基带滤波收端接口处理收端信道处理收端解调映射收端基带滤波比特流及时钟输入比特流及时钟输出复接、分接扰码、去扰纠错、交织均衡、去干扰扩频映射二进/多进映射基带成形匹配滤波基带复矢量信号输出基带复矢量信号输入系统组成（3
3、）：中频单元框图 复数调制器中频放大滤波复数解调器中频信道处理AGC中频放大收端中频滤波发送中频信号输出接收中频信号输入基带复矢量信号输入基带复矢量信号输出发端中频本振载波时钟同步系统组成（4）：射频单元框图 上变频器射频功率放大下变频器射频信道处理射频前置放大收端射频滤波发送射频信号输出接收射频信号输入接收中频信号输出发端射频本振收端射频本振发送中频信号输入发端射频滤波频率控制系统组成（5）：天线单元框图发送射频信号输入接收射频信号输出天线收发双工FDD/TDD发射信号接收信号系统组成（6）：等效基带原理 n n发送信号：发送信号：s(t)=a(t)coss(t)=a(t)cos0 0t+t
4、+(t)(t)=Re =Re u(t)exp(ju(t)exp(j 0 0t)t)其中：其中：u(t)=a(t)exp(ju(t)=a(t)exp(j(t)=x(t)+jy(t)(t)=x(t)+jy(t)叫作等效基叫作等效基带信号，亦称复包络。带信号，亦称复包络。n n正交调制及正交解调可以等效为复数乘法器。正交调制及正交解调可以等效为复数乘法器。n n带通滤波器可以等效为复数低通滤波器。带通滤波器可以等效为复数低通滤波器。n n无线传播信道可以等效为时变的复数低通网络。无线传播信道可以等效为时变的复数低通网络。n n信道非线性（包括：调制、解调和放大器的非线性）信道非线性（包括：调制、解调
5、和放大器的非线性）也可以进行复数低通等效。也可以进行复数低通等效。n n带通噪声可以等效为复数低通噪声带通噪声可以等效为复数低通噪声系统组成（7）：调制解调的基带等效 合路costsintx(t)y(t)S(t)分路cost-sintx(t)y(t)S(t)S(t)=x(t)+j y(t)exp(jt)x(t)=Re S(t)exp(-jt)y(t)=Im S(t)exp(-jt)系统组成（8）：带通滤波的基带等效00H()HB()HB(0)=H()，0 HB(0)=H()，0 H()HB(0)HB(0)系统组成（9）：无线传输的基带等效模型调制映射解调映射HT()HR()HC()N(t)复数
6、噪声二进制码流输出二进制码流输入多进制复符号多进制复符号发端响应收端响应信道响应性能指标性能指标n n多址方式多址方式n n双工方式双工方式n n调制解调方式调制解调方式n n信道编码方式信道编码方式n n信源编码方式信源编码方式n n发送频谱发送频谱n n发送功率发送功率n n信道速率信道速率n n误码门限误码门限n工作频段及频谱安排n传输距离及传输方式n传输容量n传输质量n业务方式n供电方式及耗电量n环境条件n可靠性性能指标（1）：概述性能指标（2）：工作频段及频谱安排n n工作频段：根据频谱规工作频段：根据频谱规划，划分给该项业务的划，划分给该项业务的工作频率范围。工作频率范围。n n波
7、道配置：根据频谱规波道配置：根据频谱规划，在工作频段内划分划，在工作频段内划分出若干个波道，供用户出若干个波道，供用户选用。选用。n n收发配置：根据频谱规收发配置：根据频谱规划，在工作频段内划分划，在工作频段内划分出发送和接收子频段。出发送和接收子频段。频段宽度波道间隔收发频差ffff1f1f1f2性能指标（3）：传输距离和传输方式传输距离传输距离n n地面视距传播：取决于地面视距传播：取决于天线高度、工作频段和天线高度、工作频段和地形，一般地形，一般5050公里以内。公里以内。n n地面绕射传播：一般地面绕射传播：一般2020公里以内。公里以内。n n对流层传播：一般几百对流层传播：一般几
8、百公里。公里。n n电离层传播：可达几千电离层传播：可达几千公里。公里。n n卫星传播：洲际传播卫星传播：洲际传播传输方式传输方式n n单工点对点方式。单工点对点方式。n n双工点对点方式。双工点对点方式。n n中继（或称接力）方式中继（或称接力）方式有源中继有源中继无源中继无源中继n n地面点对多点方式地面点对多点方式n n卫星点对多点方式卫星点对多点方式n n平流层气球方式平流层气球方式传输容量传输容量n n传输容量指对用户有效的传输容量指对用户有效的传输信息容量传输信息容量n n传输容量表示方法传输容量表示方法用总的电话路数来表示，如：用总的电话路数来表示，如：M16M16路，路，PCM
9、30PCM30路等路等用用PDHPDH的群路数来表示，如：的群路数来表示，如：1 1 E1E1，4 4 E1E1等等用有效传输的比特率来表示，用有效传输的比特率来表示，如：如：2Mb/s2Mb/s，8Mb/s8Mb/sn n传输容量有时还要考虑一传输容量有时还要考虑一些附加的信息些附加的信息性能指标（4）：传输容量和信道速率信道速率信道速率n n信道速率指在无线信道信道速率指在无线信道中传送的总速率，一般中传送的总速率，一般用比特率表示用比特率表示n n信道比特包括：用户信信道比特包括：用户信息比特和辅助信息比特息比特和辅助信息比特n n辅助信息比特如：辅助信息比特如：信道编码比特信道编码比特
10、勤务和监控比特勤务和监控比特帧同步比特帧同步比特性能指标（5）：传输质量和误码门限传输质量传输质量n n数字信号传输质量之一：数字信号传输质量之一：误码，包括：误码，包括：长时间统计的零星误码长时间统计的零星误码短时间统计的误码超过某短时间统计的误码超过某个值（如：个值（如：1010-3-3，1010-6-6)的时的时间百分数间百分数n n数字信号传输质量之二：数字信号传输质量之二：同步，包括：同步，包括：时钟抖动时钟抖动时钟丢失时钟丢失误码门限误码门限n n无线传输系统的重要性能无线传输系统的重要性能指标指标n n为达到一定误码率所需要为达到一定误码率所需要的最小接收电平，称为该的最小接收电
11、平，称为该系统的误码门限系统的误码门限n n误码门限计算公式：误码门限计算公式：P Pr0 r0=N=NF F kT kT0 0 f fb b E Eb b/N/N0 0 其中：其中：N NF F 为噪声系数，为噪声系数，k k为玻尔为玻尔兹曼常数，兹曼常数，T T0 0 为绝对温度，为绝对温度，f fb b 为为信道速率，信道速率，E Eb b/N/N0 0 为保证一定误为保证一定误码率所需要的归一化信噪比码率所需要的归一化信噪比性能指标（6）：双工方式n n频分双工（频分双工（FDDFDD）n n时分双工（时分双工（TDDTDD）发滤波收滤波发送信号接收信号去天线发开关收开关发送信号接收信
12、号去天线环行器TDD控制性能指标（7）：调制解调方式调制方式调制方式n n模拟调制及数字调制模拟调制及数字调制n n常用数字调制方式：常用数字调制方式：FSKFSK、MSKMSK、GMSKGMSK、TFMTFMBPSKBPSK、QPSKQPSK、8PSK8PSK16QAM16QAM、64QAM64QAM、256QAM256QAMn n全数字实现方法全数字实现方法任何调制都可以正交展任何调制都可以正交展开，即用复包络表示开，即用复包络表示解调方式解调方式n n模拟解调和数字解调模拟解调和数字解调n n数字解调数字解调相干解调相干解调非相干解调非相干解调n n同步问题的重要性同步问题的重要性载波同
13、步载波同步时钟同步时钟同步n n全数字解调算法全数字解调算法性能指标（8）：信道编码方式n n信道编码的目的：信道编码的目的：消除由于信道不理想消除由于信道不理想所带来的误码所带来的误码在理想信道上取得一在理想信道上取得一定的功率增益定的功率增益n n考虑原则：考虑原则：系统对信道编码的要系统对信道编码的要求求系统能提供多少冗余系统能提供多少冗余度度n n常用的信道编码：常用的信道编码：分组码分组码卷积码卷积码TurboTurbo码码n n纠错编码和交织结合纠错编码和交织结合n n纠错编码和调制结合纠错编码和调制结合n n代数译码和概率译码代数译码和概率译码性能指标（9）：信源编码方式语音压缩
14、编码语音压缩编码n n增量调制（增量调制（MM）16Kb/s16Kb/s，32Kb/s32Kb/sn n脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）64Kb/s64Kb/sn n自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制（ADPCMADPCM）32Kb/s32Kb/sn n其它中低速语音编码其它中低速语音编码1616图象压缩编码图象压缩编码n nJPEGJPEG，静止图象静止图象32,64,128 Kb/s32,64,128 Kb/sn nH.261H.261，会议电视，会议电视64,128,384,1920Kb/s64,128,384,1920Kb/sn nMPEG-1MPEG-1，存储媒体，存储媒
15、体2Mb/s2Mb/s以下以下n nMPEG-2MPEG-2，数字电视，数字电视2Mb/s2Mb/s以上以上性能指标（10）：发送频谱和发送功率发送频谱框架发送频谱框架发送功率发送功率n n为了保证有一个较好的为了保证有一个较好的电磁环境，无线通信系电磁环境，无线通信系统的发送功率有较严格统的发送功率有较严格的规定。的规定。n n发送功率的等级：发送功率的等级：无绳电话：无绳电话：毫瓦级毫瓦级移动电话：瓦级移动电话：瓦级微波通信：十瓦级微波通信：十瓦级卫星通信：百瓦级卫星通信：百瓦级f0f主瓣宽度：BB带外辐射：LLdB性能指标（11）：供电方式及耗电量供电方式供电方式n n交流供电、直流供电
16、交流供电、直流供电n n间断供电、不间断供电间断供电、不间断供电n n各种方式：各种方式：220V220V电网电网发电机发电机太阳能太阳能蓄电池蓄电池干电池干电池耗电量耗电量n n无线通信系统的重要指无线通信系统的重要指标标n n降低耗电量的方法：降低耗电量的方法：减少整个系统的传输减少整个系统的传输损耗，减少发射功率损耗，减少发射功率采用效率高的功率器采用效率高的功率器件件提高电源变换器的效提高电源变换器的效率率性能指标（12）：环境条件n n温度条件温度条件保证指标的温度范围保证指标的温度范围保证工作的温度范围保证工作的温度范围储存的温度范围储存的温度范围n n湿度条件湿度条件n n冲击及
17、振动条件冲击及振动条件n n电磁干扰条件电磁干扰条件n n腐蚀条件腐蚀条件n n特种条件特种条件温度条件举例温度条件举例n n民品：民品：5 5 40400 0C C 保证指标保证指标 0 0 45450 0C C 保证工作保证工作n n军品军品1010 45450 0C C 保证指标保证指标2020 50500 0C C 保证工作保证工作性能指标（13）：可靠性可靠性基本关系可靠性基本关系n n失效率失效率：在单位时间内：在单位时间内从正常转为失效的概率从正常转为失效的概率n n平均无故障工作时间平均无故障工作时间T T。T T 1/1/n n可靠度可靠度p p：无故障工作的无故障工作的概率
18、。概率。p=exp(-p=exp(-t)t)n n可用率可用率P P。P P t t工作工作 /(t/(t工作工作+t+t中断中断)无线通信的可靠性无线通信的可靠性n n包括：设备可靠性和传播包括：设备可靠性和传播可靠性。可靠性。n n为提高设备可靠性：为提高设备可靠性：采用高可靠性的元件采用高可靠性的元件采用设备的备份措施采用设备的备份措施n n为提高传播可靠性：为提高传播可靠性：在传播能力上留有余量在传播能力上留有余量采用抗信道衰落技术采用抗信道衰落技术采用波道的备份措施采用波道的备份措施技术体制技术体制技术体制（1）：考虑原则l l有效性：在给定的频率、功率和空间条件下实现有效性：在给定
19、的频率、功率和空间条件下实现最大的传输容量。最大的传输容量。l l可靠性：在给定的信道衰落和干扰条件下实现最可靠性：在给定的信道衰落和干扰条件下实现最好的业务质量。好的业务质量。l l灵活性：为固定及移动用户提供最灵活的无线接灵活性：为固定及移动用户提供最灵活的无线接入手段。入手段。l l实用性：成本、体积、重量、耗电等。实用性：成本、体积、重量、耗电等。技术体制（2）：关于有效性n n信源编码技术：信源编码技术：采用有采用有效的信源编码技术，在效的信源编码技术，在保证原始消息质量的条保证原始消息质量的条件下，尽可能压缩传输件下，尽可能压缩传输所需的比特率。所需的比特率。n n调制技术：调制技
20、术：采用高效率采用高效率的调制技术（包括频谱的调制技术（包括频谱成形技术），尽可能压成形技术），尽可能压缩传输给定比特率所需缩传输给定比特率所需的带宽。的带宽。n n蜂窝技术：控制发射机蜂窝技术：控制发射机的功率，在通信区域内的功率，在通信区域内划分出许多蜂窝状小区，划分出许多蜂窝状小区，从而提高无线频谱的利从而提高无线频谱的利用率。用率。n n智能天线技术：利用天智能天线技术：利用天线的自动定向或扇区划线的自动定向或扇区划分，在通信区域内形成分，在通信区域内形成许多定向的小区，从而许多定向的小区，从而提高无线频谱利用率。提高无线频谱利用率。技术体制（3）：关于可靠性n n冗余度技术：冗余度技
21、术：纠错编码，比特上的纠错编码，比特上的冗余度；冗余度；扩频与跳频，频率上扩频与跳频，频率上的冗余度；的冗余度；电平储备，功率上的电平储备，功率上的冗余度；冗余度；备份切换，设备上的备份切换，设备上的冗余度。冗余度。n n抵销技术抵销技术均衡，用频域或时域均衡，用频域或时域的方法校正信道的传递的方法校正信道的传递函数；函数；分集，用多重频率、分集，用多重频率、时间或天线接收的信号时间或天线接收的信号抵销多径效应；抵销多径效应；多用户检测；多用户检测；自适应干扰抵销。自适应干扰抵销。技术体制（4）：关于灵活性无线多路无线多路n n无线多路是无线通信灵无线多路是无线通信灵活性的表现之一。活性的表现
22、之一。n n无线多路一般遵循多路无线多路一般遵循多路电话的标准，如：电话的标准，如：PDHPDH的的基群、二次群等，基群、二次群等，SDHSDH的的STM-1STM-1等。采用等。采用TDMTDM体制。体制。n n无线通信还能提供灵活无线通信还能提供灵活的旁路业务。的旁路业务。无线多址无线多址n n无线多址接入是无线通无线多址接入是无线通信灵活性的表现之二。信灵活性的表现之二。n n采用采用FDMAFDMA、TDMATDMA、CDMACDMA、SDMASDMA等多址接入技术。等多址接入技术。n n既能固定接入，也能移既能固定接入，也能移动接入。动接入。n n在蜂窝移动系统中，越在蜂窝移动系统中
23、，越区和漫游技术的重要性。区和漫游技术的重要性。技术体制（5）：关于实用性便携性便携性n n便于携带，是无线通信便于携带，是无线通信作为个人通信物理层基作为个人通信物理层基础的重要特点。础的重要特点。n n为了满足便携性，对个为了满足便携性，对个人便携终端（如：手机）人便携终端（如：手机）的体积、重量、功耗都的体积、重量、功耗都提出了很高的要求。提出了很高的要求。n n为解决此问题需要综合为解决此问题需要综合的技术。的技术。经济性经济性n n随着个人通信的发展，随着个人通信的发展，无线通信已从传统的投无线通信已从传统的投资类产品转化为市场巨资类产品转化为市场巨大的消费类产品。大的消费类产品。n
24、 n在市场竞争的推动下，在市场竞争的推动下，无线通信产品的成本价无线通信产品的成本价格必须大幅度下降。格必须大幅度下降。n n降低成本的关键：采用降低成本的关键：采用系统集成技术和批量生系统集成技术和批量生产技术。产技术。技术规范技术规范技术规范（1）：概述n n无线通信技术规范的重要性无线通信技术规范的重要性无线频谱的合理使用无线频谱的合理使用无线系统的干扰协调无线系统的干扰协调无线用户的入网接口无线用户的入网接口无线设备的跨域漫游无线设备的跨域漫游n n无线通信技术规范的核心无线通信技术规范的核心无线传输技术（空中接口技术）无线传输技术（空中接口技术）无线入网技术无线入网技术技术规范（2）
25、：标准系列n n国际电联的标准：国际电联的标准：CCIRCCIR、CCITTCCITT、ITUITUn n世界各国的地区性标准世界各国的地区性标准欧洲标准欧洲标准北美标准北美标准日本标准日本标准n n我国标准我国标准国家标准国家标准部门标准部门标准技术规范（3）：无线法规n n由国家无线电管理委员会制定无线电法规，作为国家行由国家无线电管理委员会制定无线电法规，作为国家行政法规颁布。政法规颁布。n n各种无线产品必须符合无线法规制定的入网标准。各种无线产品必须符合无线法规制定的入网标准。n n各种无线产品的研制、生产、引进、使用都必须向主管各种无线产品的研制、生产、引进、使用都必须向主管部门（
26、各级无委会）申报，特别是无线发射机。部门（各级无委会）申报，特别是无线发射机。n n各项无线通信工程的设计、施工和运营都必须向主管部各项无线通信工程的设计、施工和运营都必须向主管部门（各级无委会）申报，特别是使用频率。门（各级无委会）申报，特别是使用频率。n n违反国家无线法规的行为都属于违法行为。违反国家无线法规的行为都属于违法行为。技术规范（4）：频谱规划n n无线频谱的使用由国家无委会统一规划，并实行许可无线频谱的使用由国家无委会统一规划，并实行许可证制度。证制度。n n频谱规划种类：广播电视、射电天文、雷达定位、民频谱规划种类：广播电视、射电天文、雷达定位、民用通信、军用通信等。用通信
27、、军用通信等。n n民用通信举例：微波通信、卫星通信、移动通信、无民用通信举例：微波通信、卫星通信、移动通信、无线寻呼、无绳电话、无线数据等。线寻呼、无绳电话、无线数据等。n n频谱规划中允许不同业务共享某个频段，但在技术上频谱规划中允许不同业务共享某个频段，但在技术上和管理上要做好协调。和管理上要做好协调。技术规范（5）：数字微波技术规范 n工作频段：2GHz，4GHz，6GHz，8GHz，11GHz等n传输容量：小容量 2Mb/s，8Mb/s中容量 34Mb/s，68Mb/s大容量 140Mb/s，155Mb/sn传输质量：高误码，误码率超过1103的时间百分数低误码，误码率超过1106的
28、时间百分数零星误码不超过1109n传输距离：2500Km，1000Km，300Km技术规范（6）：扩频微波技术规范 n工作频段：2.4-2.4835 GHz,5.725-5.85 GHzn无需许可证频段n传输容量：不小于250 kbits/sn扩谱方式：直接序列扩谱（DSSS），扩频比为11跳频扩谱（FHSS），n发射功率：不大于 100 mWn峰值功率密度：不大于10 dBW/100KHz（跳频）不大于20dBW/1MHz（直扩）技术规范（7）：移动通信技术规范n n模拟蜂窝模拟蜂窝TACSTACS频率频率 900MHz 900MHz间隔间隔 25KHz 25KHz调制调制 话音话音FMFM
29、，信令，信令FSKFSK多址多址 FDMA FDMA双工双工 FDD FDDn n数字蜂窝数字蜂窝GSMGSM频率频率 900MHz 900MHz间隔间隔 200KHz 200KHz调制调制 GMSK GMSK多址多址 TDMA/FDMA TDMA/FDMA双工双工 FDD FDD n n数字蜂窝数字蜂窝Q-CDMA(IS-95)Q-CDMA(IS-95)频率频率 800MHz 800MHzMHzMHz调制调制 扩频扩频 QPSK QPSK多址多址 CDMA CDMA双工双工 FDD FDDn n数字蜂窝数字蜂窝D-AMPS(IS-54)D-AMPS(IS-54)频率频率 800MHz 800
30、MHz间隔间隔 30KHz 30KHz调制调制 /4 DQPSK/4 DQPSK多址多址 TDMA/FDMA TDMA/FDMA双工双工 FDD FDD技术规范（8）：军用电台频率规范军用电台频率规划表军用电台频率规划表军用电台频率规划表军用电台频率规划表 频率范围频率范围频率范围频率范围 波段波段波段波段 系统（设备）名称系统（设备）名称系统（设备）名称系统（设备）名称200200500KHz 500KHz 中长波中长波 陆军电台陆军电台 1.6 1.630MHz30MHz 短波短波 海陆空电台海陆空电台303088MHz88MHz VHF VHF 陆军、海军陆军、海军108108174MH
31、z VHF174MHz VHF 海军、空军海军、空军225225400MHz UHF400MHz UHF 空军空军技术规范（9）：某军用电台技术规范n n背景背景s s未来的数字化战场，特别未来的数字化战场，特别未来的数字化战场，特别未来的数字化战场，特别是电子对抗。是电子对抗。是电子对抗。是电子对抗。s s未来的综合业务，如：话未来的综合业务，如：话未来的综合业务，如：话未来的综合业务，如：话音、数据、传真、图象。音、数据、传真、图象。音、数据、传真、图象。音、数据、传真、图象。n n用途用途s s取代原有的多制式、多品取代原有的多制式、多品取代原有的多制式、多品取代原有的多制式、多品种的短
32、波、超短波战术电种的短波、超短波战术电种的短波、超短波战术电种的短波、超短波战术电台。台。台。台。s s配备到陆军师、团、营、配备到陆军师、团、营、配备到陆军师、团、营、配备到陆军师、团、营、连、排各级。连、排各级。连、排各级。连、排各级。n n主要指标主要指标s s工作频段：工作频段：2 2180MHz180MHz，兼兼容陆军现有的短波、超短波容陆军现有的短波、超短波频段和陆军航空兵的地空指频段和陆军航空兵的地空指挥导航频段。挥导航频段。s s可兼容现有的可兼容现有的AMAM、FMFM体制。体制。s s保密数字话：保密数字话：16Kb/s16Kb/s的的的的CELPCELP。s s数据通信：数据通信：50509600b/s9600b/s，TCP/IPTCP/IP协议。协议。