射频集成电路设计基础10

《射频集成电路设计基础》讲义

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无线通信系统

引言

无线通信的发展 问题和挑战 频率重用和蜂窝结构 无线信道的一般特性

多径传输与信道模型 调制方式

与射频工程师的关系 参考文献

引言

• 什么是无线通信

– 以电磁波为载体、无需物理媒质的通信方式

• 个人无线通信迅猛发展的原因

– 技术因素：通信与网络理论、DSP、VLSI (微电子)和射频技术

– 政府方面：无线通信频段的划分和管理

– 市场因素：人们的“迁移率”越来越高，对移动通信的需求也越来越大• 对射频技术的要求

– 高频、宽带、高灵敏度、大动态范围、低功耗的接收机

– 高效率、高线性度的发射机

– 小体积、低成本

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无线通信的发展

• 移动电话/通信首次出现在1946年，用于救护车、警车、出租车等的调度，大功率、大体积、大范围、低话质

• 随着固态电路技术的成熟，移动电话趋向于小型化，模拟蜂窝系统形成– 寻呼机(Pager)

– 1983年AMPS1在美国获FCC2批准

– 类似的系统也开始在欧洲和日本提供服务

– 80年代中期无绳电话(Cordless Phone)出现

• Pager和AMPS的成功刺激了对个人无线通信的需求，80年代中期随着集成电路技术和通信理论的迅速发展，数字蜂窝(DC)系统逐步成为主流，主要代表有GSM、CDMA(IS-95)、PHS、CT-2等

1.American Mobile Phone Systems or Advanced Mobile Phone Service

2.Federal Communication Commission

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• 个人通信系统1(PCS)将频段拓展至1800 MHz和1900 MHz，并与Digital Cellular统称为第二代个人无线通信系统

– 蜂窝结构：更全面的覆盖范围

– 手机：小巧、便宜、低功耗、个人化

– 服务：除语音外更多样的服务种类和较低廉的收费

• “二代半”(2G+)系统

– GPRS (General Packet Radio Service，通用包无线业务)，多时隙工作

– EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution，GSM演进的增强型数据率)，使用较宽的频带和高效的调制方式

• 3G

• Bluetooth、无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)

1.这里的个人通信系统是一个狭义的概念，与工作在800-900 MHz的数字蜂窝电话系统相区别

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问题和挑战

• 有限的频带宽度

– 有限频谱资源的共享、频谱利用率的提高

• 噪声和干扰的普遍存在

– 热噪声(Thermal Noise)以及各种环境噪声

– 同信道干扰(Co-channel Interference)

– 相邻信道干扰(Adjacent Channel Interference)

– 来自其它系统的干扰和阻塞(Blocking / Jamming)

• 无线信道的特性(不理想性)

– 路径损耗(Path Loss)

– 遮蔽效应(Shadowing Effect)

– 多径衰落(Multi-path Fading)

– 时变性(Time-varying)

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• 有限的天线尺寸

– 难以达到最佳的收发效果

• 有限的电池电量

– 低功耗设计至关重要

• 移动带来的管理问题

– 小区(Cell)之间的切换(Hand-off)

– 地区之间的漫游(Roaming)

• 这些问题的解决必须以保证通信质量为基础

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频率重用和蜂窝结构

• 蜂窝(Cellular)的概念始于五、六十年代

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7小区重用方案

简单的蜂窝系统

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• 混合小区重用方案

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无线信道的一般特性

• 电磁波的传播

– 反射(Reflection)：障碍物远大于信号波长

– 绕射(Diffraction)：障碍物具有尖锐边角的物体

– 散射(Scattering)：障碍物为许多细小(与波长相比)的物体，如雨点

• 路径损耗(Path Loss)

– 在自由空间，天线所接收到的信号功率为

(1)

其中P t , G t , G r 分别为发射功率、发射天线增益和接收天线增益，c , d , λ和f c

分别为光速、传输距离、载波波长和频率；用对数形式表示

(2)

P r P t G t G r 4πd λ⁄()[]2----------------------------c 2P t G t G r 16π2----------------------1d 2----1

f c

2---⋅⋅==P r dBm ,10P t log C 20f c log –20d

log –+=

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C 为常数；路径损耗可定义为

(3)

– 这里的损耗和衰减指数(path loss exponent)为2，表示距离每增加一倍信号衰减6 dB ；在拥挤的城市或建筑物内可以达到4以上

• 遮蔽效应(Shadowing Effect)

– 信号随距离的衰减并不是平滑的，当信号穿越各种障碍物(如建筑物、山丘、树林等)，或被反射时，会使损失能量，许多次的损失之和如果用对数表示服从高斯(Gaussian)分布，其平均值即为对应的路径损耗

Table 1: 电磁波在不同环境中的衰减指数(path loss exponent)

Free space 2Urban area cellular 2.7 to 3.5Shadowed urban area 3 to 5In building line-of-sight 1.6 to 1.8Obstructed in building

4 to 6

PL dB P t dBm ,P r dBm ,–C –20f c log 20d

log ++==