《天线分集技术》PPT课件

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1、 天 线 的 基 本 功 能 是 辐 射 和 接 收无 线 电 波 。发 射 时 ， 把 高 频 电 流 转 换 为 电磁 波 ； 接 收 时 ， 把 电 滋 波 转 换为 高 频 电 流 。 根 据 电 磁 场 理 论 ， 当 导 体 通过 高 频 电 流 时 会 在 周 围 空 间 产 生电 场 和 磁 场 。 当 导 体 长 度 足 够 大 （ 能 够与 波 长 相 比 拟 时 ） ， 就 能 使 电 磁波 有 效 辐 射 出 去 ； 电 磁 波 从 发 射 天 线 辐 射 出 来 后 ，向 四 面 传 播 出 去 形 成 电 磁 场 。在 交 变 电 磁 场 中 放 置 一 导 线 ，

2、 在电 磁 波 的 作 用 下 ， 导 线 会 产 生 感 应电 动 势 。该 导 线 与 接 收 设 备 相 连 ， 在 接 收设 备 的 输 入 端 就 会 产 生 高 频 电 流 。 发 信 天 线 和 收 信 天 线 都 属 于 能量 变 换 器 ， 具 有 “ 可 逆 性 ” ；天 线 用 作 发 信 时 的 参 数 和 收 信时 的 参 数 保 持 不 变 ， 这 就 是 天线 的 互 易 原 理 。 移 动 通 信 中 讨 论 天 线 的 性 能 主 要 关心 其 信 号 覆 盖 范 围 和 辐 射 强 度 。决 定 天 线 性 能 因 素 有 些 与 天 线 本 身无 关 ，

3、如 天 线 架 设 高 度 等 。有 些 因 素 与 天 线 的 设 计 生 产 工 艺 相关 ， 这 些 因 素 称 为 天 线 参 数 。 方 向 图 效 率增 益 输 入 阻 抗工 作 频 带 极 化 方 式 天 线 对 空 间 不 同 方 向 具 有 不 同 的 辐射 或 接 收 能 力 ， 这 就 是 天 线 的 方 向性 。在 水 平 面 上 ， 辐 射 与 接 收 无 最 大 方向 的 天 线 称 为 全 向 天 线 ， 有 一 个 或多 个 最 大 方 向 的 天 线 称 为 定 向 天 线 。 用 来 表 示 天 线 的 辐 射 或 接 收 强度 随 空 间 方 向 的 对

4、应 关 系 。 全 向 天 线 由于 其 无 方 向性 ， 所 以 常用 在 一 点 对多 点 通 信 的中 心 台 。 定 向 天 线 具 有最 大 辐 射 或 接收 方 向 ， 因 此能 量 集 中 ， 增益 相 对 较 高 ，适 合 于 远 距 离点 对 点 通 信 。 天 线 方 向 图 的 最 大 辐 射 功 率 所在 的 波 瓣 称 为 主 瓣 ， 其 余 为 副瓣 ；主 瓣 最 大 辐 射 方 向 两 侧 ， 辐 射强 度 降 低 3 dB的 两 点 间 的 夹 角定 义 为 波 瓣 宽 度 。 全 向 天 线 的 水 平 波 瓣 宽 度 为 360度 主 瓣第 一 副 瓣后 瓣

5、 基 站 定 向 天 线 的 垂 直 波 瓣 宽 度为 10度 左 右 ；对 于 同 一 种 类 的 天 线 ， 增 益 相同 时 ， 水 平 波 瓣 越 宽 ， 垂 直 波瓣 就 越 窄 ；较 窄 的 垂 直 波 瓣 会 在 基 站 近 端产 生 信 号 “ 死 区 ” 。 限 制 信 号 在 所 服 务 的 小 区范 围 内 ， 减 小 “ 死 区 ” ， 降 低对 其 它 小 区 的 干 扰 。机械下倾：小 于 10度电调下倾：角 度 可 调 ， 后 瓣 同时 下 倾 天 线 效 率 定 义 为 ： 天 线 辐 射 功 率Pr与 天 线 输 入 功 率 Pin之 比 ；天 线 辐 射 功

6、 率 与 所 消 耗 的 功 率 Ps之 和 为 输 入 功 率 。 天 线 增 益 系 数 是 方 向 系 数 与 天 线效 率 的 乘 积 ， 方 向 图 主 瓣 越 窄 ，副 瓣 越 小 ， 增 益 就 越 高 。 在 同 等 条 件 下 ， 天 线 增 益 越 高 ，电 波 传 播 的 距 离 越 远 ， 一 般 基 地台 天 线 都 采 用 高 增 益 天 线 ， 天 线 的 输 入 阻 抗 为 输 入 端 电 压与 输 入 端 电 流 之 比 。为 使 天 线 能 获 得 最 大 的 功 率 ，应 使 天 线 输 入 阻 抗 与 馈 线 特 性阻 抗 匹 配 。 天 线 的 各 种

7、 电 性 能 参 数 不 超 过 允许 范 围 时 ， 所 对 应 的 工 作 频 率 宽度 即 为 天 线 工 作 频 带 。对 频 分 双 工 的 收 发 共 用 天 线 ， 必须 考 虑 天 线 的 工 作 频 带 宽 度 。 分 为 线 极 化 天 线 、 圆 极 化 天 线和 椭 圆 极 化 天 线 ；基 站 多 采 用 线 极 化 方 式 ， 又 分为 垂 直 极 化 和 水 平 极 化 方 式 ； 按 工 作 频 段 分 ： 短 波 、 超 短波 、 微 波按 用 途 分 ： 基 地 台 、 移 动 台按 方 向 性 分 ： 全 向 、 定 向按 结 构 分 ： 线 状 、 面

8、状 、 天线 阵 列 鞭 天 线 （ 顶 端 加 载 ）双 匝 环 天 线三 匝 环 天 线斜 天 线双 极 天 线 ， 笼 形 天 线菱 形 天 线行 波 天 线 基 地 固 定 式 通 信 设 备 天 线 ， 主 要有 全 向 天 线 和 定 向 天 线 两 种 ；受 通 信 范 围 要 求 ， 基 地 固 定 式 天线 一 般 采 取 高 架 。 半 波 偶 极 子 天 线 ： 将 半 波 振 子 垂直 排 列 组 成 ， 水 平 方 向 图 不 变 ， 垂直 方 向 性 将 增 强 ； 可 以 是 二 单 元 、四 单 元 或 六 单 元 。 直 立 鞭 天 线同 轴 偶 极 天 线布

9、 朗 天 线 用 于 扇 形 的 信 号 覆 盖 ， 在 移 动 通信 中 也 称 扇 区 天 线 ；天 线 增 益 更 高 ， 有 利 于 控 制 天 线覆 盖 范 围 ， 减 小 对 邻 近 小 区 的 影 响 。 角 反 射 天 线板 式 天 线引 向 天 线 （ 八 木 天 线 ） 用 于 隧 道 等 特 殊 环 境 的 覆 盖 要 求 ；场 强 分 布 均 匀 、 可 控 性 高 ， 工 作 频 带宽 、 兼 容 性 好 。 车 载 台 天 线 ： 吸 盘 鞭 天 线手 持 台 天 线 ： 螺 旋 鞭 天 线 、 环 形天 线 选 择 天 线 架 设 位 置 应 注 意 的 问 题

10、：1、 天 线 的 发 射 或 接 收 方 向 应 避 开 障 碍 物 （ 楼 房 、铁 塔 、 桥 梁 等 ） ；2、 天 线 架 设 地 点 应 尽 量 远 离 干 扰 源 （ 高 压 线 、航 线 、 铁 塔 、 公 路 等 ） ；3、 天 线 应 尽 量 架 设 在 附 近 的 制 高 点 ：4、 若 几 付 天 线 同 时 工 作 ， 应 特 别 注 意 左 右 和 上下 的 间 距 ， 防 止 耦 合 干 扰 。 在 发 射 机 和 天 馈 系 统 之 间 串 接 通过 式 功 率 计 ， 检 验 发 射 机 功 率 和 反射 功 率 的 大 小 ；通 过 驻 波 比 检 测 来

11、判 断 天 馈 系 统是 否 正 常 。 天 线 与 馈 电 线 主 要 是 靠 连 接 器 连接 ， 采 用 防 水 胶 泥 和 防 水 胶 带 进 行密 封馈 线 进 入 室 内 处 弯 一 个 返 水 弯 ，避 免 雨 水 沿 馈 线 进 入 室 内 。 基 站 天 线 附 近 要 装 置 避 雷 针 。 避 雷 针 在 可 能 条 件 下 应 尽 量 远 离 天 线 ， 以 免 影响 天 线 方 向 性 ； 保 护 角 应 小 于 45o； 避 雷 针 一 定 要 连 接 大 地天 馈 线 上 串 接 防 雷 器 。 分 集 接 收 是 指 接 收 端 对 它收 到 的 经 过 多 个

12、 相 互 独 立 路 径传 输 的 信 号 进 行 特 定 的 处 理 来减 小 衰 落 的 深 度 与 持 续 时 间 的方 法 。 t如 果 一 条 无 线 传 播 路 径 中 的 信 号经 历 了 深 度 衰 落 ， 而 另 一 条 相 对 独立 的 路 径 中 可 能 仍 包 含 着 较 强 的 信号 。 分 散 传 输 ： 使 接 收 端 能 获 得 多个 统 计 独 立 的 、 携 带 同 一 信 息的 衰 落 信 号 ；集 中 处 理 ： 把 收 到 的 多 个 统 计独 立 的 衰 落 信 号 进 行 合 并 以 降低 衰 落 的 影 响 。 宏 分 集 ： 减 小 大 尺 度

13、 衰 落 的 分集 技 术 ； “ 多 基 站 ” 分 集 微 分 集 ： 减 小 小 尺 度 衰 落 影 响的 分 集 技 术 。 空 间 分 集时 间 分 集频 率 分 集极 化 分 集场 分 量 分 集角 度 分 集 v空 间 分 集 的 依 据 在 于 快 衰 落 的 空 间 独 立 性 。v空 间 分 集 的 接 收 机 至 少 需 要 两 副 相 隔 距 离 为d的 天 线 ， 间 隔 距 离 d与 工 作 波 长 、 地 物 及 天线 高 度 有 关 ， 在 移 动 信 道 中 ， 通 常 取 ：市 区 d=0.5郊 区 d=0.8 天 线 切 换逻 辑或 解调 器 输 出1 G

14、 1G 1G 12m 可 变 增 益 频 率 分 集 方 式 是 指 用 两 个 或 两 个以 上 的 频 率 来 传 送 相 同 的 信 息 的方 式 。频 率 分 集 的 工 作 原 理 是 基 于 在 信道 相 干 带 宽 之 外 的 频 率 上 不 会 出现 同 样 的 衰 落 。 v基 本 工 作 原 理 ： 空 中 的 水 平 极 化和 垂 直 极 化 路 径 是 非 相 关 的 。v使 用 水 平 和 垂 直 两 个 正 交 的 分 集支 路 ， 也 称 正 交 极 化 分 集 ；v可 看 作 是 一 种 特 殊 的 空 间 分 集 方式 ， 只 使 用 两 副 天 线 ， 且

15、天 线 间 距缩 短 。 电 磁 波 的 E场 和 H 场 载 有 相 同 的 消 息 ，而 反 射 机 理 不 同 ， 是 互 不 相 关 的 ； 场 分 量 分 集 不 要 求 天 线 间 有 实 体 上 的间 隔 ， 可 用 于 较 低 工 作 频 段 ， 而 当 工作 频 率 较 高 时 ， 可 以 容 易 地 实 现 空 间分 集 。 使 电 波 通 过 几 个 不 同 路 径 ， 并 以 不 同角 度 到 达 接 收 端 ； 而 接 收 端 利 用 多 个方 向 性 尖 锐 的 接 收 天 线 分 离 出 不 同 方向 来 的 信 号 分 量 ；这 些 分 量 具 有 互 相 独

16、立 的 衰 落 特 性 ，因 而 可 以 实 现 角 度 分 集 。 以 超 过 信 道 相 干 时 间 的 间 隔 重 复 发 送相 同 的 信 号 的 分 集 方 式 。工 作 原 理 ： 在 相 干 时 间 之 外 的 信 号 不会 出 现 同 样 的 衰 落 ， 也 就 是 说 各 次 发送 信 号 所 出 现 的 衰 落 将 是 彼 此 独 立 的 ；有 利 于 克 服 移 动 信 道 中 因 多 普 勒 效 应引 起 的 衰 落 现 象 。 对 接 收 到 的 多 个 分 集 信 号 ， 进 行合 并 处 理 ， 减 小 衰 落 对 信 号 传 输的 影 响 ；一 般 都 使 用

17、线 性 合 并 器 ， 其 通 用合 并 信 号 表 达 式 为 ： Mk kkMM tratratratratr 12211 )()()()()( 检 测 所 有 分 集 支 路 的 信 号 ， 选择 其 中 信 噪 比 最 高 的 那 一 个 支路 的 信 号 作 为 合 并 器 的 输 出 。信 号 表 达 式 中 的 加 权 系 数 只 有一 项 为 1， 其 余 均 为 0。 接 收 机 1 接 收 机 2 是 最 佳 合 并 方 式 ；每 一 支 路 的 加 权 系 数 ak与 信 号 包 络 rk成正 比 而 与 噪 声 功 率 Nk成 反 比 ， 即 为 ： kbk Nra M

18、k kkMk kkR Nrrar 1 21输出信号包络为 接 收 机 1 接 收 机 1 M k 1 Nk rk2 a 2 a 1 无 需 对 信 号 加 权 ， 各 支 路 的 信 号 等增 益 相 加 ， 输 出 的 信 号 包 络 为 ： Mk kE rr 1 接 收 机 1 接 收 机 1 M k=1 rk 在 相 同 分 集 重 数 情 况 下 ， 最 大 比 值 合 并 方式 改 善 信 噪 比 最 多 ， 等 增 益 合 并 方 式 次 之 ；在 分 集 重 数 较 小 时 ， 等 增 益 合 并 的 信 噪 比改 善 接 近 最 大 比 值 合 并 ， 是 一 种 较 实 用

19、的合 并 方 式 ；选 择 式 合 并 只 利 用 了 最 强 的 一 路 信 号 ， 而其 它 各 支 路 信 号 都 没 有 被 利 用 ， 所 得 到 的信 噪 比 改 善 量 最 少 。 利 用 信 号 设 计 技 术 ， 将 分 集 作 用 隐含 在 被 传 输 的 信 号 中 ， 称 为隐分集；常 见 的 隐 分 集 方 式 ： 交 织 编 码 Rake接 收 技 术 ： 多 径 分 集 （ 码 分 集 ） 基 于 多 径 信 号 的 时 间 延 迟 扩 展 ；若 接 收 的 多 径 信 号 可 以 分 离 ， 将 其 分别 接 收 后 再 合 并 起 来 ， 可 以 增 加 有

20、用信 号 的 能 量 ， 减 小 码 间 串 扰 ；只 有 特 定 的 信 号 才 能 够 实 现 多 径 信 号的 分 离 。扩频信号分离方法：相关接收 在 扩 频 通 信 中 ， 利 用 伪 随 机 码 的相 关 特 性 ， 对 接 收 信 号 中 可 分 辨的 多 径 分 量 分 别 进 行 跟 踪 、 接 收 ，对 输 出 基 带 信 号 进 行 合 并 ， 这 种接 收 方 式 称 为 Rake接 收 。 对 多 径 信 号 检 测 获 得 的 多 个 相 互 独 立 的信 号 进 行 采 样 ， 并 以 适 当 的 方 式 合 并 这些 采 样 值 。常 用 的 合 并 准 则 ：最大信噪比准则自适应合并准则最强路径准则等增益合并准则 信 号 搜 寻A/D 相 关 器 1相 关 器 2相 关 器 3 合 并IF信 号 去 交 织 利 用 线 性 系 统 的 互 易 原 理 ， 将 基站 的 分 集 接 收 等 效 地 搬 至 发 送 端 实现 ， 改 善 移 动 台 的 接 收 性 能 。移 动 信 道 是 一 个 复 杂 的 非 线 性 系统 ， 但 一 般 也 可 看 作 近 似 的 线 性 时变 系 统 。