移动通信电波传播与干扰优秀文档.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第4章 移动通信的电波传播与干扰,【本章内容简介】本章首先介绍了无线电波的基本概念及其传播特性、信道的结构组成及信道的类型，然后详细阐述了噪声的产生原因和干扰的形成及解决办法。通过对信道及噪声与干扰的基本概念的了解，为学习后续课程作好准备。【学习重点与要求】本章重点掌握无线电波的传播特性，包括移动通信中的快衰落和慢衰落，了解无线电波的传播方式，了解信道的组成及抗干扰的措施。,4.1 无线电波的传播,4.1.1 无线电波,研究任何无线通信系统必须弄清电波传播的特性，下面先介绍电波的基本概念。在中学阶段学习物理时我们就已经知道，通有交流电流的导体的周围，会产生变化的磁场，变化的磁场又引起变化的电场，变化的电场又在它周围更远的地方引起变化的磁场。磁场、电场不断的互相交替产生，向四周空间传播的电磁场，叫电磁波。无线电波是电磁波的一种。人耳能听到的声音频率在20Hz20KHz之间，称之为,音频,，声音的传播速度为340m/s，受环境影响较大，衰减很快，所以不能传送到很远的地方。电磁波频率高，传播速度与光速一样，可达3108/s，具有较强的辐射力和较长的传播距离，但人耳却听不到。,4.1.1 无线电波,如果将声音通过话筒转换成电信号，装载到具有强辐射力、波长短、频率很高的电磁振荡波上，然后借助天线发射出去。经这样装载的声音就可以传播得很远。一般我们把音频信号叫做,调制信号,。将发射机中的振荡电路产生频率很高的电磁振荡，称为,载波,。音频信号加到“载波”的过程叫做,调制,，经过调制后的高频振荡信号叫,已调信号,。已调信号是装载有信息的无线电波，通过天线辐射出去，这种传播信息的方式称为,无线电通信,。无线电通信就是不用导线的通信。,电磁波,是无线通信的载体。,4.1.2 无线电波的波段划分,无线电波的频率从几十KHz到几万MHz。为了便于应用，习惯上将无线电频率范围划分为若干区域，叫做频段或波段。不同频段的无线电波，其传播方式、主要用途和特点也不相同。表4-1列出了按波长划分的波段名称、相应波长范围和它们的主要用途。,表4-1 无线电频段划分,波段名称,波长范围,频率范围,频段名称,传播媒质,用途,长波,103104M,30 300kHz,LF低频,地面波,电报 导航 长距离通信,中波,2102103M,3001500kHz,MF中频,天波、地面波,无线电波广播、导航、海上移动通信、地对空通信,中短波,502102M,166MHz,IF,天波为主,广播中长距离通信,短波,1050M,6 30MHz,HF高频,电离层反射波,无线电广播通信、中长距离通信,超短波,110M,30300 MHz,VHF甚高频,天波,雷达、电视、短距离通信,分米波,110dm,3003000 MHz,UHF超高频,天波、空间波,短距离通信、电视通信,厘米波,110cm,330GHz,SHF特高频,天波、外球层传播,中继通信、无线电通信,毫米波,110mm30,300GHzEHF,极高频,雷达通信,亚毫米波,1mm以下,300GHz以上,超极高频,光纤,光通信,4.1.3 无线电波的传播方式,在无线通信中，是利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的。电磁波在传播过程中，电场矢量和磁场矢量的振幅总维持特定方向，这种现象称为,极化,。,无线电广播采用,垂直极化波,（电场方向垂直地面）；电视采用,水平极化波,（电场方向与地面平行）；卫星通信采用平面,圆极化波,（电场振幅不随时间变化，方向以等角速度旋转）。在移动通信中，发射天线采用的是垂直极化。,4.1.3 无线电波的传播方式,无线电波传播的机理是多种多样的，发射机天线发出的无线电波，通过不同的路径到达接收机。由于电波通过各个途径的距离不同，因而到达的时间也不同，相位也不同。总体上可以归结为反射、绕射和散射三种。当频率f30MHz时，典型的,传播通路,如图4-1所示。沿路径从发射天线直接到达接收天线的电波称之为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿路径的电波经过地面反射到达接收机的电波称之为地面反射波；沿路径的电波沿地球表面传播的电波，称之为地表面波，由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大，传播距离迅速减小，因此，在VHF和UHF频段的地表面波的传播可以忽略不计。在蜂窝移动通信系统中，电波遇到各种障碍物时会产生反射和散射现象，它对直射波会引起干涉，即产生多径衰落现象。影响电波传播的三种基本传播机制是反射波、绕射波和散射波。,图4-1 传播路径 图4-2 反射波与直射波,4.1.3 无线电波的传播方式,1反射波当电波传播遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面等，如图4-2所示。,2绕射波当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至存在于阻挡体的背面。绕射使得无线电信号绕地球曲线表面传播，能够传播到阻挡物后面。,3散射波当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射波。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际移动通信环境中，接收信号比单独绕射和反射的信号要强。这是因为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散布于所有方向，这就给接收机提供了额外的能量。,它们组成这一部分识别信息。,快相关控制信道（FACCH）。,它是双向的专用信道，用以携带控制和测量参数，以及用于保持MS和BTS之间无线链路必要的路由数据。,3散射波当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射波。,可以说整个宇宙空间都是产生这类噪声的根源。,沿路径的电波经过地面反射到达接收机的电波称之为地面反射波；,由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至存在于阻挡体的背面。,此外，还有发射机寄生辐射，接收机寄生灵敏度，接收机阻塞，收、发信设备内部变频，倍频器产生的组合频率干扰等，这些都要是电台本身产生的干扰。,它与SDCCH不同的是被分配和固定了时间间隙，但直到网络或用户需要时才释放它。,图4-8给出了两台发射机产生互调干扰的示意图。,（1）广播控制信道（BCCH）。,为了便于应用，习惯上将无线电频率范围划分为若干区域，叫做频段或波段。,如果互调产物不是一个，则需将各互调产物按功率叠加。,42 移动通信中电波传播特性,无线电波的传播特性与电波传播环境密切相关，这些环境包括地形地貌、人工建筑、气象条件、电磁干扰等情况，以及移动台的移动速度与使用的频段。在蜂窝移动通信系统中，接收机的接收功率随距离而减小的现象被认为是路径损耗。而多数移动通信系统工作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电波强度的衰减。如果接收天线在大于几十米或几百米距离上移动的话，使接收信号中的尺度变化被称为阴影效应。,42 移动通信中电波传播特性,由于移动通信环境具有复杂性与多样性，电波在传播时将产生,三种,不同类型的效应：（1）,阴影效应,。它是由地形结构引起的传播损耗，表现为慢衰落，或称为长期衰落。（2）,多径效应,。它是由于移动体周围的局部散射体引起的多径传播，使到达接收机输入端的信号相互叠加，其合成的信号幅度表现为快速起伏变化，即快衰落，或称为短期衰落。（3）,多普勒效应,。它是由于移动体的运动速度和方向会使接收的信号产生多普勒频移，在多径条件下，便形成多普勒频谱扩展，对信号形成随机调频的多普勒效应。下面对移动通信的传播损耗与信号衰落情况进行说明。,4.2.1 传播损耗,传播损耗是指移动通信中随着传播距离的增加，功率电平的损耗（或衰减）值，一般用dB表示。常见的传播损耗包括：,自由空间的传播损耗、反射损耗、绕射损耗、人体损耗、车内损耗、植被损耗及建筑物穿损耗,等。,直射波传播可按自由空间传播来考虑。它是指天线周围为无限大真空时的电波传播，是最理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样的情况下，电波可以视为在自由空间传播。对于移动通信系统而言，自由空间传播损耗L与传播距离d和工作频率f有关，可定义为 L=3245+20lgd+20lgf式中，d表示距离，单位为km；f表示频率，单位为MHz。,4.2.1 传播损耗,由上式我们可得出，传播距离d越远，自由空间传播损耗L越大，当传播距离d加大一倍，自由空间传播损耗L就增加6dB；工作频率f越高，自由空间传播损耗L越大，当工作频率f提高一倍，自由空间传播损耗L就增加6dB。在这种理想的自由空间中，不存在电波的吸收、反射、折射和绕射等现象，只存在因电磁波能量扩散而引起的传播损耗。实际上，电波传播总要受到实际介质或障碍物不同程度的影响。在研究电波传播问题时，通常是以自由空间为基础作为参考的标准，这样可以简化场强和传输损耗的计算。,4.2.1 传播损耗,在移动通信中，当距离很小且有直射波时，如在微小区中，或收、发在同一室内时，其传播损耗非常接近于自由空间情况。它约和距离d的平方成正比。在VHF、UHF频段的移动信道中，电波传播除了直射波和地面反射波之外，还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起的散射波。如图4-3所示，h b为基站天线高度（一般为30m），h m为移动台天线高度。直射波的传播距离为d，地面反射波的传播距离为d1，散射波的传播距离为d2。移动台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。,图4-3 移动信道的传播路径,4.2.2 信号衰落,在蜂窝移动通信过程中，由于散射体很多，所以接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化的，这种随机起伏变化称为衰落。对于这种随机量的研究通常是采用统计分析法。典型信号,衰落特性,如图4-4所示。在图中，横坐标是时间或距离（d=t,为移动速度），纵坐标是相对信号电平（以dB计），变化范围约为3040 dB。图中虚线表示的是信号局部中值，其含义是在局部时间中，信号电平大于或小于该中值的时间各为50%。由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变化造成了信号衰落。,图4-4 典型信号衰落特性,4.2.2 信号衰落,根据场强特性曲线的起伏变化情况，信号衰落又有快慢之分。场强特性曲线的瞬时值呈快速或起伏变化的称快衰落；场强特性曲线的中值呈慢速起伏变化的称慢衰落。两种衰落都与接收机天线的位移有关。快衰落是因移动台运动和地点的变化而产生的。主要是因为移动台附近的散射体（地形、地物和移动体等）所引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏，每秒钟可达几十次，除与地形地物有关外，还与移动台的速度和信号的波长有关，并且幅度可达几十个dB，信号的变化呈瑞利分布，因此也叫,瑞利衰落,。短期快衰落严重影响信号的传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。,4.2.2 信号衰落,与多径传播引起的快衰落不同，电波传播慢衰落主要由阴影效应和大气折射所引起。由于电波在传播路径上遇到起伏的地形、建筑物、树林等障碍物阻挡，在障碍物后面会形成电波的阴影区。阴影区的信号较弱，当移动台在运动中穿过阴影区时，就会造成接收信号场强中值的缓慢衰落。这种现象就是阴影效应。慢衰落的衰落速率与频率无关，主要取决于传播环境；接收信号场强中值电平变化的幅度（衰落的深度）取决于信号频率与障碍物的状况。频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率高的信号具有更好的绕射能力。长期慢衰落主要影响无线区域的覆盖，其平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征。,4.3 信道的结构,4.3.1 信道的定义,信道,，通俗地说，就是指以传输媒介（质）为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损耗。信道的作用是传输信号。信道通常又有,狭义,和,广义,之分，我们将仅指信号传输媒介的信道称之为,狭义信道,。,目前采用的传输媒介有架空明线、电缆、光导纤维（光缆）、中长波地表波传播、超短波及微波视距传播（含卫星中继）、短波电离层反射、超短波流星余迹散射、对流层散射、电离层散射、超短波超视距绕射、波导传播、光波视距传播等。,4.3.1 信道的定义,可以看出，狭义信道是指接在发端设备和收端设备中间的传输媒介（以上所列）。狭义信道定义直观，易理解。,在通信理论的分析中，从研究消息传输的观点看，我们所关心的只是通信系统中的基本问题，因而，信道的范围还可以扩大。它除包括传输媒介外，还可能包括有关的转换器，如馈线、天线、调制器、解调器等等。通常将这种扩大了范围的信道称为,广义信道,。在讨论通信的一般原理时，通常采用的是广义信道。很明显，广义信道的范围比狭义信道广泛，它不仅包含传输媒介（狭义信道），而且包含有关转换器。,4.3.2 信道的类型,由上述对信道的定义可以看出，信道被分成两类：狭义信道和广义信道。,狭义信道,通常按具体媒介的不同类型又可分为,有线信道,和,无线信道,。所谓有线信道是指传输媒介为明线、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导等一类能够看得见的媒介。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。如对称电缆（又称电话电缆）广泛应用于（市内）近程传输。无线信道的传输媒质比较多，它包括短波电离层、对流层散射等。可以这样认为，凡不属有线信道的媒质均为无线信道的媒质。在移动通信设备中，无线信道通常有语音信道（VC）和控制信道（CC）两种类型。无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠，但无线信道具有方便、灵活，通信者可移动等优点。,4.3.2 信道的类型,广义信道,通常也可分成,两种,，即,调制信道,和,编码信道,。调制信道是从研究调制与解调的基本问题出发而构成的，它的范围是从调制器输出端到解调器输入端。因为，从调制和解调的角度来看，由调制器输出端到解调器输入端的所有转换器及传输媒质，不管其中间过程如何，它们不过是把已调信号进行了某种变换而已，我们只需关心变换的最终结果，而无需关心形成这个最终结果的详细过程。因此，研究调制与解调问题时，定义一个调制信道是方便和恰当的。,4.3.2 信道的类型,调制信道常常用在模拟通信中。它具有如下主要,特性,：（1）有一对（或多对）输入端，则必然有一对（或多对）输出端；（2）绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理；（3）信号通过信道需要一定的延迟时间；（4）信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）；（5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。,4.3.2 信道的类型,根据信道对信号的,影响,可归纳为,两点,：一是,乘性干扰,的影响，它主要依赖于网络特性；二是,加性干扰,（噪声）的影响。在分析研究乘性干扰时，从相对意义上讲可把调制信道分为两大类：一类称为恒参信道，另一类称为随参信道（或叫变参信道）。一般情况下，人们认为有线信道绝大部分为恒参信道，而无线信道大部分为随参信道。,在数字移动通信系统中，如果仅着眼于,编码和译码,问题，则可得到另一种广义信道,编码信道,。编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。这是因为，从编码和译码的角度看，编码器的输出仍是某一数字序列，而译码器输入同样也是一数字序列，它们在一般情况下是相同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。调制信道和编码信道的示意图如图4-5所示。,图4-5 调制信道与编码信道示意图,4.3.2 信道的类型,另外，根据研究对象和关心问题的不同，也可以定义其它形式的广义信道。,编码信道,可进一步细分为,无记忆编码信道,和,有记忆编码信道,。有记忆编码信道是指信道中码元发生差错的事件不是独立的，即码元发生错误前后是有联系的。,至此，我们对信道已经有了一个比较全面的认识，为了方便理解掌握，现将信道归类如下：,有线信道,狭义信道,信 道 无线信道,恒参信道,调制信道 变参信道,广义信道 无记忆信道,编码信道 有记忆信道,4.3.3 信道的结构组成,在移动台（MS）和基站（BTS）之间的进行交换的信息有用户信息、信令信息、信道配置信息和接入信息等等。为了对这些不同的信息进行管理，GSM把它们定义成不同的逻辑信息。所有特殊处理的一项功能被分为一个逻辑信息并送到有关的逻辑信道。GSM定义了10个具有不同功能的逻辑信道。,1控制信道控制信道（CCH）携带系统正常运行所必需的信息。MS和BTS使用这些信道保证用户信息正确传送相互通报事件，建立起呼叫，对移动性和接入进行管理等等。除了信令信息之外，控制信道也可用于携带分组交换数据，包括有关短消息业务。在下面各段对不同的控制信道进行讨论。,4.3.3 信道的结构组成,（1）广播控制信道（BCCH）。BTS在它的小区利用该信道进行广播，它是一个单向下行信道，用以传送MS在它的小区所要使用的信息。例如，网络同步信息就是建立在该信道的信息上，MS能够决定是否通过和如何通过现行小区接入系统，该信道的信息还可以使MS识别网络，接入网络等等。广播信息可分成下面几组：给出网络和相邻小区的惟一识别信息，小区识别移动网编码（形成IMSI的部分），位置地区识别（LAI）和相邻小区广播控制信道的频率信息，等等。它们组成这一部分识别信息。描述当前控制信道结构的信息，用于小区的控制信道配置，周期位置更新计时器和其类似信息组成这部分信息。定义小区所支持的选择信息。例如，是否允许不连续发送（DTX）；小区重新选择的滞后；MS在接入控制信道时可使用的最大发射功率级；MS允许接入系统所需要的最小接收信号级别；是否支持半速编解码或者支持扩展的GSM频率，等等。它们组成了这部分信息。控制接入的信息。最多的试呼次数，试呼的平均隔小区是否禁止接入，小区是否允许重建，是否允许紧急呼叫等，组成了这部分接入控制信息部分。,在电台密集的地方，若频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。,在移动通信中，产生的互调干扰主要有三种：发射机互调、接收机互调及外部效应引起的互调。,常见的传播损耗包括：自由空间的传播损耗、反射损耗、绕射损耗、人体损耗、车内损耗、植被损耗及建筑物穿损耗等。,这种变化造成了信号衰落。,它来源于各种用途的无线电发射机。,该信道用来在MS和BTS之间传送信令信息，它是双向的专用信道。,它与SDCCH不同的是被分配和固定了时间间隙，但直到网络或用户需要时才释放它。,图4-10（a）是4台发射机采用3 dB定向耦合器构成的天线共用器。,二是加性干扰（噪声）的影响。,为了减小邻道干扰，必须提高接收机的频率稳定度和准确度，同时还要求发射机的瞬时频偏不超过最大允许值（如5kHz）。,一种最小化的方法是MS只监视PCH中寻呼的部分，而不是整个PCH，GSM通过允许寻呼子信道来支持这一点。,在移动通信设备中，无线信道通常有语音信道（VC）和控制信道（CC）两种类型。,3001500kHz,狭义信道,FCCH提供MS系统的参考频率。,3 无线电波的传播方式,4.3.3 信道的结构组成,（2）频率校正信道（FCCH）。FCCH提供MS系统的参考频率。MS使用FCCH来纠正它内部的时钟基准，使其容易获得另外信道的突发时隙，该信道同时也给MS提供一个指示的同步信道（SCH）。因为一个SCH总跟着FCCH同样频率的8个时隙。（3）同步信道（SCH）。该信道提供MS有关MS接收接另外信道突发时隙必须训练序列。因为训练序列MS和BTS预先都知道。MS可以调整它的内部定时方案，并正确进行解码，此外，该信道提供有关BS使用训练序列的信息码，国家色码和TDMA帧码。,4.3.3 信道的结构组成,（4）公共控制信道（CCCH）。该信道支持MS和BTS之间专用通信路径（专用信道）的建立。有三种类型的CCCH，它们是随机接入信道（RACH）、寻呼信道（PCH）和接入许可信道（AGCH）。随机接入信道（RACH）。该信道由MS用于呼叫发起时从网络中申请一个专用信道。它是一个被所有试图接入网络工作MS所共享的单向上行信道。因RACH只存在信道请求信息，它有8bit长。它有一个建立的起因和一个随机参数。建立的起因给试图接入网络的原因提供一个指示，使它允许网络合理分配资源。有些呼叫包括紧急呼叫、对寻呼的应答、位置更新、发起语音呼叫和发起数据呼叫等，它们对资源的要求不尽相同。随机参考是一个由MS随机选择的数，用来与来自BTS请求下的响应相关。,4.3.3 信道的结构组成,呼叫信道（PCH）。该信道由BTS用来寻呼小区中的移动台，它是单向下行信道，由小区中所有移动台所共享。GSM允许多至四个MS在一次寻呼信息中被呼叫。可以用MS的临时移动用户识别码TMSI或国际移动用户识别码IMSI来寻呼它们。为了延长电池寿命，GSM还支持有关不连续接收（DRX），使MS在空闲状态（即等待寻呼信号状态）解码所需的信息量最小。一种最小化的方法是MS只监视PCH中寻呼的部分，而不是整个PCH，GSM通过允许寻呼子信道来支持这一点。对一个特殊MS的寻呼只在它的寻呼子信道中进行。这使得MS只对它子信道的寻呼进行解码而不是整个PCH，这样可以节省功耗。MS通过用户IMSI的最后三位来预先确定呼叫子信道。,4.3.3 信道的结构组成,接入许可信道（AGCH）。对MS在PACH信道请求的响应在AGCH送出，这是一个小区中的所有MS共享的单向下行信道。成功的响应，包括有关指示专用信道数的信息，为保证信息不在BTS溢出的MS需要的定时信息及在其信道请求信息中MS发送的随机参考数。,4.3.3 信道的结构组成,（5）专用控制信道（DCCH）。这些信道传送网络和MS之间的非用户信息，如信道管理移动收费管理和无线资源管理。典型的发送信息包括：如MS请求由网络分配的附加专用信道，加密的开始和结束，MS信息请求，切换信息等等。有三种专用控制信道：独立的专用控制信道（SDCCH），慢相关控制信道（SACCH）和快相关控制信道（FACCH）。独立专用控制信道（SDCCH）。该信道用来在MS和BTS之间传送信令信息，它是双向的专用信道。比较典型地用在位置更新及在语音和数据呼叫中，在使用业务信道前使用。,4.3.3 信道的结构组成,慢相关控制信道（SACCH）。SACCH结合业务信道TCH或SDCCH进行分配。它是双向的专用信道，用以携带控制和测量参数，以及用于保持MS和BTS之间无线链路必要的路由数据。现主要用于短信，传送手机测量下行信道的测量参数和功率控制信息等等。快相关控制信道（FACCH）。FACCH是一个需要时才出现的信道。在该信道所能携带的信息与SDCCH一样。它与SDCCH不同的是被分配和固定了时间间隙，但直到网络或用户需要时才释放它。在另一方面，一个FACCH通过从TCH窃得时隙使用TCH。当MS和网络需要交换关键定时信息时才采用。FACCH主要用于切换、短信及通知手机测试哪些邻区等场合。,4.3.3 信道的结构组成,2业务信道（TCH）业务信道是传输用户信息如语音或数据的信道。它们是单个MS和BTS之间的双向专用信道。它主要有两种形式：业务信道/全速（TCH/F）和业务信道/半速（TCH/H）。全速对应于全速语音编解码器，半速对应于半速语音编解码器；TCH/F的信息速率是13kbit/s，TCH/H的信息速率为65kbit/s。,4.4 信道内的噪声与干扰,信号在信道内传输的过程中，除了损耗和误落之外，另一个重要影响因素就是噪声和干扰。其中噪声又可分为内部噪声和外部噪声。外部噪声包括自然噪声和人为噪声。干扰是指无线电台之间的相互干扰，包括电台本身产生的干扰，如邻道干扰、同频道干扰、互调干扰以及因远近效应引起的近端对远端信号的干扰等。4.4.1 噪声,蜂窝移动通信中噪声的来源是多方面的。这里，我们把噪声看成是通信系统中对信号有影响的所有干扰的集合，根据它们的来源不同，可以粗略地分为四类，即,4.4.1 噪声,（1）无线电噪声。它来源于各种用途的无线电发射机。这类噪声的频率范围很宽广，从甚低频到特高频都可能有无线电干扰存在，并且干扰的强度有时很大。但它有个特点，就是干扰频率是固定的，因此可以预先设法防止。特别是在加强了无线电频率的管理工作后，无论在频率的稳定性、准确性以及谐波辐射等方面都有严格的规定，使得信道内信号受它的影响可减少到最小程度。,（2）工业噪声。它来源于各种电气设备，如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁道、高频电炉等。这类干扰来源分布很广泛。无论是城市还是农村，内地还是边疆，各地都有工业干扰存在。尤其是在现代化社会里，各种电气设备越来越多，因此这类干扰的强度也越来越大。但它也有个特点就是干扰频谱集中于较低的频率范围，例如几十兆赫兹以内。因此，选择高于这个频段工作的信道就可防止受到它的干扰。另外，我们也可以在干扰源方面设法消除或减小干扰的产生，例如加强屏蔽和滤波措施，防止接触不良和消除波形失真。,4.4.1 噪声,（3）天电噪声。它来源于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生这类噪声的根源。因此它的存在是客观的。由于这类自然现象和发生的时间、季节、地区等很有关系，因此受天电干扰的影响也是大小不同的。例如，夏季比冬季严重，赤道比两极严重，在太阳黑子发生变动的年份天电干扰更为加剧。这类干扰所占的频谱范围也很宽，并且不像无线电干扰那样频率是固定的，因此对它的干扰影响就很难防止。,（4）内部噪声。它来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。例如，电阻及各种导体都会在分子热运动的影响下产生热噪声，电子管或晶体管等电子器件会由于电子发射不均匀等产生器件噪声。这类干扰的特点是由无数个自由电子作不规则运动所形成的，因此它的波形也是不规则变化的，在示波器上观察就像一堆杂乱无章的茅草一样，通常称之为起伏噪声。由于在数学上可以用随机过程来描述这类干扰，因此又可称为随机噪声，或者简称为噪声。以上是从噪声的来源进行分类的，所以比较直观。,4.4.2 信道内的干扰,在蜂窝移动通信系统中，应考虑的几种主要干扰有：同道干扰、邻道干扰及互调干扰等，这些都是在组网过程中产生的干扰。此外，还有发射机寄生辐射，接收机寄生灵敏度，接收机阻塞，收、发信设备内部变频，倍频器产生的组合频率干扰等，这些都要是电台本身产生的干扰。下面主要介绍同道干扰和邻道干扰。,移动通信系统中，存在着各种各样的干扰，其中最主要的就是互调干扰。它是由传输信道中的非线性电路产生的。它指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。,4.4.2 信道内的干扰,1同信道干扰同信道干扰即同道干扰，亦称同频干扰，是指相同载频电台之间的干扰。在电台密集的地方，若频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。,在蜂窝移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这称为同信道复用。也就是说，可以将相同的频率（或频率组）分配给彼此相隔一定距离的两个或多个无线小区使用。显然，在同频环境中，当有两条或多条同频波道在同时进行通信时，带来的问题就是同道干扰。复用距离越远，同道干扰就越小，但频率复用次数也随之降低，即频率利用率降低。因此，在进行无线区群的频率分配时，两者要兼顾考虑。,4.4.2 信道内的干扰,为了避免同频干扰和保证接收质量，必须选择适当的复用信道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离，简称同频道再用距离或共道再用距离。所谓“安全”系指接收机输入端的信号电平与同频干扰电平之比大于等于,射频防护比,。射频防护比是指达到主观上限定的接收质量，所需的射频信号与干扰信号的比值。当然，射频防护比不仅取决于通信距离，而且和调制方式、电波传播特性、通信可靠度、无线小区半径r、选用的工作方式等因素有关。图4-6给出了同频道再用距离的示意图。假设基站A和基站B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台M处于小区的边缘时，最易受到基地站B发射的同频道干扰。,图4-6 同频道再用距离,4.4.2 信道内的干扰,若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰之比等于射频防护比，则A，B两基站之间的距离即为同频道再用距离，记作D。被干扰接收机至干扰发射机的距离为DI，发射台的有用信号的传播距离为DS，即为小区半径r0。它们之间的关系为 D=DS+DI=r0+DI因此，同频道复用系数为,应该指出，以上的估算，是在仅考虑一个同频干扰源情况下进行的。当同频干扰源不只一个时（在小区制移动通信中是存在的），干扰信号电平应以功率叠加方式获得。采用别的办法也可以避免产生同频干扰，如使用定向天线、降低天线高度、斜置天线波束、选择适当的天线场址等，都可以降低同频干扰。,4.4.2 信道内的干扰,相邻信道干扰 邻道干扰是指相邻的或邻近频道之间的干扰。因此，移动通信系统的信道必须有一定宽度的频率间隔。目前，移动通信系统广泛使用的VHF、UHF电台，频道间隔是25kHz。由于调频信号的频谱很宽，理论上有无穷边频分量，因此，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内时，就会造成邻道干扰。,在多信道工作的移动通信系统中，如果用户A占用了K信道，用户B占用了（K+1）或（K-1）信道，那么，就称这两个用户在相邻信道上工作。理论上说，它们之间不存在干扰问题，但是，当一个距基地站较近（如用户B），另一个距基地站较远（如用户A）时，就会使基地站收到K信道接收到的有用信号较弱，与它相隔25kHz的（K+1）信道接收机收到的信号却很强。这是由于移动台B距基地站近的缘故。因此，当移动台B的发射机存在调制边带扩展和边带噪声辐射时，就会有部分（K+1）信道的成分落入K信道，并且与有用信号强度相差不多，这时就会对K信道接收机形成干扰。我们把这种现象称为相邻信道干扰。,4.4.2 信道内的干扰,图4-7给出了第一频道（No1）发送的调频信号落入邻道（No2）示意图。其中，nL为落入邻近频道的最低边频次数，Fm为调制信号的最高频率，Br为频道间隔，BI表示接收机的中频带宽。再考虑到收发信机由于频率不稳定而造成的频率偏差为fTR,在最坏情况下，落入邻道接收机通带内的最低边频次数为,n=,4.4.2 信道内的干扰,一般来说，产生干扰的移动台距基地站愈近，路径传播损耗越小，则邻道干扰也就愈严重。相反，基地站发射机对移动台接收机的邻道干扰却不大。这是因为有信道滤波器，所以，此时移动台接收到的有用信号功率远远大于邻道干扰功率。至于在基地站的收、发信机之间，因收、发双工频距足够大，所以发射机的调制边带扩展和边带噪声辐射不致对接收机产生严重干扰。在移动台相互靠近时，同样由于收、发双工频距很大，不会产生严重干扰。为了减小邻道干扰，必须提高接收机的频率稳定度和准确度，同时还要求发射机的瞬时频偏不超过最大允许值（如5kHz）。为了保证调制后的信号频偏不超过该值，必须对调制信号的幅度加以限制。,4.4.2 信道内的干扰,互调干扰 在蜂窝移动通信系统中，存在着各种各样的干扰，其中最主要的就是,互调干扰,。互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的。它指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。,在移动通信中，产生的互调干扰主要有,三种,：发射机互调、接收机互调及外部效应引起的互调。最后一种是由于发信机高频滤波器及天线馈线等接插件的接触不良，或发信机拉杆天线及天线螺栓等金属构件的锈蚀产生的非线性作用，而出现的互调现象。这种现象只要保证插接部位接触良好，并用良好的涂料防止金属构件锈蚀，便可以避免。,4.4.2 信道内的干扰,（1）发射机互调干扰通常，为了提高发射机效率，其末级多工作于非线性状态。当有两个或两个以上的信号作用于发射机的末级时，将产生很多的组合频率成分（即互调产物）。当它们通过天线幅射出去后，如果有些互调产物落入接收机信道之内，就会对接收的正常信号产生干扰。这种因发射机非线性而构成的对接收机的干扰，称为发射机互调干扰。,图4-8给出了两台发射机产生互调干扰的示意图。发射机1的频率f1通过空间耦合将会进入发射机2，由于发射机2的末级工作于非线性状态，因此将产生三阶互调产物2f2一f1。同理，当f2进入发射机1的末级时，也将产生三阶互调产物2f1-f2。这两个互调产物都将到达接收机输入端，如果它们正好落于接收机通带之内，则必将造成干扰。,由图4-8可以看出，从发射机1到被干扰的接收机，互调产物受到的全部损耗为 L=LC+LI+LP式中，LC为耦合损耗；LI为互调转换损耗；LP为传输损耗。耦合损耗LC又称天线隔离度，是指发射机1的输出功率与它进入发射机2输出端（末级）的功率之比。互调转换损耗LI是指发射机2输出端上，来自发射机1的功率（即干扰功率）与发射机2产生的互调产物功率之比。LI取决于发射机2末级的非线性特性和输出回路的选择性。对于一般晶体管丙类放大器来说，其三阶互调转换损耗为520dB（典型值），端到被干扰的接收机输入端之间，存在互调干扰信号的传输损耗。,为了对这些不同的信息进行管理，GSM把它们定义成不同的逻辑信息。,这两个互调产物都将到达接收机输入端，如果它们正好落于接收机通带之内，则必将造成干扰。,总体上可以归结为反射、绕射和散射三种。,它来源于各种电气设备，如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁道、高频电炉等。,图4-8给出了两台发射机产生互调干扰的示意图。,它是由传输信道中的非线性电路产生的。,（1）发射机互调干扰通常，为了提高发射机效率，其末级多工作于非线性状态。,当两个移动台接近基地站，且同时发起呼叫时，在两个强信号作用下，由于基地站接收机前端电路的非线性，将产生互调干扰。,典型的发送信息包括：如MS请求由网络分配的附加专用信道，加密的开始和结束，MS信息请求，切换信息等等。,传播损耗是指移动通信中随着传播距离的增加，功率电平的损耗（或衰减）值，一般用dB表示。,图4-5 调制信道与编码信道示意图,在多信道工作的移动通信系统中，如果用户A占用了K信道，用户B占用了（K+1）或（K-1）信道，那么，就称这两个用户在相邻信道上工作。,典型的发送信息包括：如MS请求由网络分配的附加专用信道，加密的开始和结束，MS信息请求，切换信息等等。,由于移动通信环境具有复杂性与多样性，电波在传播时将产生三种不同类型的效应：（1）阴影效应。,减小无线小区半径，降低最大接收电平。,表4-1列出了按波长划分的波段名称、相应波长范围和它们的主要用途。,阴影区的信号较弱，当移动台在运动中穿过阴影区时，就会造成接收信号场强中值的缓慢衰落。,图4-8 两台发射机之间互调干扰示意图,4.4.2 信道内的干扰,发射机互调干扰的大小，如用相对电平表示，则主要取决于前两个损耗LC和LI的大小。这是因为有用信号也具有传输损耗LP，所以计算互调大小时，相对于有用信号电平来说，与LP无关。又因为LI局限在520dB之内，所以欲防止产生三阶互调干扰，只有增大耦合损耗LC了。多台发射机同时工作时，三阶互调产物的数量将增多。,减小发射机互调的措施包括：加大发射机天线之间的间距。半波偶极天线的隔离度LC与天线间距的关系如图4-9所示。例如，在150MHz频段，为了满足LC=50 dB的指标，垂直放置的天线间隔需要6m，如图4-9（a）所示；水平放置的天线间隔需要80 m，如图4-9（b）所示。,图4-9 天线间的耦合损耗与天线间距的关系,4.4.2 信道内的干扰,采用单向隔离器件。考虑到经济上、技术上或场地上的问题，在移动通信中广泛使用天线共用器，即几台发射机或收、发信机共用一副天线。这种情况下，为了减小各发射机之间的互调干扰，在各发射机之间多采用单向隔离器件，如单向环行器、3 dB定向耦合器等，如图4-10所示。3 dB定向耦合器是一种四端口器件，如图4-10(b)所示。其基本特性是：若从1端输入射频