微波通信作业集讲解Word格式文档下载.docx
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a）微波通信特点及系统举例
简要回答微波通信有何特点，请指出微波通信系统的工作频率，即一般为多少频率以上，波长小于多少？
并举2~3个常见的微波通信系统例子。
b）蜂窝移动通信
简述蜂窝通信系统的小区制在频率复用、个人移动用户方面有何突出优点？
城市区域的小区半径一般在什么范畴？
答：
a）微波通信的特点：
（1）通信频段的频带宽,传输信息容量大。
微波频段占用的频带约300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz。
（2）通信稳定、可靠。
当通信频率高于100MHz时,工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小。
（3）通信灵活性较大。
微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境。
（4）天线增益高、方向性强。
当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平方成反比。
（5）微波通信设施建设周期短，耗费少。
对于无线通信的基站的互联具有较好的适应性，体积小、重量轻、安装容易。
（6）数字化。
对于数字微波通信系统来说，是利用微波信道传输数字信号，因为基带信号为数字信号，所以称为数字微波通信系统。
微波通信系统的工作频率1000MHz以上，波长小于30cm。
微波通信系统举例：
无线电寻呼系统，广播
b）蜂窝通信系统小区制采用频率复用技术提高了频率利用率。
在小区制中，相邻小区中使用不同的频率，而在非相邻且距离较远的小区中使用相同的载波频率。
由于相距较远，基站功率有限，使用相同的频率不会造成明显的同频干扰，这样就提高了利用率。
对个人移动用户来说，定位更加准确。
城市区域的小区半径0.1-1Km。
题目2香农公式
在通信系统中，请简述香农（shannon）信道容量公式，在加性白高斯噪声信道中的指导作用和意义。
斯白噪声干扰的信道中，计算最大信息传送速率，即信道容量
（1.2-1）
即香农公式。
B是信道带宽（Hz），S是信号功率（W），N是噪声功率（W）。
如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。
该定理还指出：
如果R>
C，则没有任何办法传递这样的信息，或者说传递这样的二进制信息的差错率为1/2。
信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。
信道上的噪声对信道容量产生负面影响。
信道容最取决于传输带宽w和信噪比s／N。
，与窄带宽、低功率的信号相比，宽带宽、高功率的信号具有更大的信道容量C。
而信道容量又反映了在一定信道条件下通信系统无差错传输信息的能力。
更具体地说，该式表明了当给定信号平均功率与噪声平均功率时，在具有一定频带宽度w的信道E，单位时间内可能传输的信息量的极限值。
可见，信道容餐实际上表明了通信系统的通信能力，而保证一定误码率条件下通信容量的能力就表明了抗干扰能力。
所以，香农公式表明了系统的通信能力和抗干扰能力与传输信息所用带宽以及信噪比之间的关系。
题目3多种调制体制误码率性能比较（使用matlab）
依据教材或者参考文献上的解调理论公式，对PSK、QPSK、FSK、MSK、GMSK、QAM等体制解调，用Matlab程序编程，绘制误码率性能和信噪比变化关系曲线。
并进行简要分析说明
提示：
不少于二种体制，附源程序。
不同调制方式下的误码率公式如下所示：
其中
为解调器输入端信号噪声功率比，误差函数定义为
（1.3-4）
误码率性能和信噪比变化关系曲线：
图1.3-1
分析说明：
对于所有的数字调制系统误码率与信噪比的关系的图表来看，所有的曲线呈减函数的下降曲线，即随着信噪比的增大，误码率降低；
解调方式一定，信噪比相同时，误码率性能从低到高依次是ASK,FSK,PSK。
题目4
a）查阅文献资料，简要描述移动通信1G\2G\3G\4G\5G简要发展历程；
b）并从其通信功能、性能、技术指标等方面描述其技术发展和演进特点；
c）并对不同Generation的通信技术方案进行简要介绍，分析其传输速率能够得以提高的原因（可选做）；
d）对不同Generation的国际标准情况进行简要介绍。
（可在b小题中结合，简要介绍其标准）
b,c,d各小题要从专业的角度说明；
各Generation的技术方案以中国采用的方案为主说明。
a）
1G：
FDMA，80年代。
模拟式通信系统，模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FM调制，将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。
缺点:
保密性不强、系统容量有限以及无法传输数据等。
2G:
GSM，90年代。
从1G跨入2G的分野则是从模拟调制进入到数字调制，相比于第1代移动通信，第二代移动通信具备高度的保密性，系统的容量也在增加，支持wap上网。
主流TDMA、CDMA以及GSM。
最后GSM被广泛采用。
早在1989年欧洲就以GSM为通信系统的统一标准并正式商业化。
3G:
TD-SCDMA，二十世纪初。
国际电信联盟（ITU）发布了官方第3代移动通信（3G）标准IMT-2000（InternationalMobileTelecommunications2000，国际移动通信2000标准）。
3G存在四种标准制式，分别是CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。
4G：
OFDM。
TD—LTE，FDD－LTE。
频谱更宽，通信速度更快，智能程度更高。
三种语言解决方案：
CSFB，SGLTE，VoLTE。
5G:
5G（fifth-generation）即第五代移动电话系统，是4G移动通信技术的延伸。
目前尚未有任何一家标准制定组织或者电信公司的公开规格，也没有在任何官方文件中有所涉及，即该技术尚未有具体的标准。
b）
区域性的移动通信，容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游。
2G：
较高的通话质量，保密性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。
3G：
（1）、全球统一频段、统一标准全球无缝覆盖和漫游。
（2）、频谱利用率高。
（3）、在144kbps（最好在384kbps）能达到全覆盖和全移动性，还能提高最高塑料布大2Mbps的多媒体业务。
（4）、支持高质量话音、分组多媒体业务和多用户速率通信。
（5）、有按需分配带宽和根据不同业务设置不同服务等级的能力。
（6）、适应多用户环境，包括室内、室外、快速移动和卫星环境。
（7）、安全保密性能优良。
（8）、便于从第二代移动通信向第三代移动通信平滑过渡。
（9）、可与各种移动通信系统融合，包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等。
（1）、网络频谱更宽。
每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CMDA
3G网络的20倍。
（2）、通信速度更快。
传输速率可以达到IOM
20Mbps，最高可以达到100Mbps。
（3）、通信更加灵活。
（4）、智能性更高。
终端设计和操作具有智能化，兼容性更平滑。
5G：
通信速度大幅加快，下载速度3.6Gbps；
更加智能化。
d）
TACS:
TotalAccessCommunicationsSystem第一代全入网通信系统技术。
该技术按照英国标准而设计的模拟式移动电话系统，其频率范围为900MHz。
TACS系统也是一种模拟移动通信系统，提供了全双工、自动拨号等功能，与AMPS系统类似，
GSM:
GlobalSystemForMobileCommunications，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，GSM是全球移动通信系统（GlobalSystemforMobilecommunications）的简称。
它的空中接口采用时分多址技术。
自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。
TD-SCDMA：
该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。
该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。
WCDMA:
CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。
这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。
CDMA2000:
CDMA2000是由窄带CDMA（CDMAIS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。
这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，
TD-LTE:
TD-LTE（TimeDivisionLongTermEvolution，分时长期演进）是基于3GPP长期演进技术（LTE）的一种通讯技术与标准，属于LTE的一个分支。
该技术由上海贝尔、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动、高通、ST-Ericsson等业者共同开发。
FDD-LTE：
FDD（频分双工）是该LTE技术的双工模式之一，应用FDD（频分双工）式的LTE即为FDD-LTE。
FDD模式的特点是在分离（上下行频率间隔190MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保证频段来分离接收和传送信道。
FDD模式的优点是采用包交换等技术，可突破二代发展的瓶颈，实现高速数据业务，并可提高频谱利用率，增加系统容量。
第二次作业
题目5FFT函数绘制方波时域波形与频谱并分析
用Matlab程序编程，用FFT函数绘制出方波时域波形和对应的频域频谱。
（提示：
先要进行时域波形的函数表述，并用傅里叶变换表述出变换结果（建模）；
再用软件绘制时域和频域曲线；
频域曲线的坐标单位要转换成Hz；
并将不同宽度方波（建议3倍）变换结果进行比对和分析说明，附源程序）
一个周期内方波时域表示
（2.5-1）
方波信号的傅立叶级数展开为
（2.5-2）
方波信号的傅立叶变换为
（2.5-3）
频率f=100Hz的方波信号及其频谱函数如图2.5-1所示：
图2.5-1
频率f=300Hz的方波信号及其频谱函数如图2.5-2所示：
图2.5-2
由上述内容分析，周期方波信号的频谱是非周期性离散的线状频谱，成为谱线，连接个谱线顶点的曲线为频谱的包络线，它反映了各频率分量的幅度随频率的变化情况。
周期信号的幅值频谱是收敛的。
即谐波的频率越高，其幅值越小，再整个信号中所占的比重也就越小。
题目6PSK调制matlab分析
用Matlab程序编程，对PSK调制体制，绘制输入调制码元（基带信号）、载波频率、已调PSK信号的时域波形；
用FFT函数绘制出输入调制码元（基带信号）、已调PSK信号的频谱，并对二者的频谱关系进行分析说明。
附源程序）
当码元宽度Tb为载波周期Tc的整数倍时，2PSK信号的典型波形如图2-61所示：
图2-61
2PSK已调信号的时域表达式为
（2-61）
s（t）是双极性数字基带信号，即
（2-62）
（2-63）
（2-64）
图2.6-1给出了基带信号、载波信号及调制信号的波形图
图2.6-1
第三次作业
S为信号功率，单位为瓦特W或J/s,Rb为信道传信率（bit/s）,Eb为信号比特能量（J/bit）有S=Eb*Rb;
N为噪声功率（W），no为噪声功率谱密度（W/Hz），
传输带宽B（Hz），有N=noB,
题目8
a）调制方式性能优良的标准
衡量某种调制方式性能较优良的主要标准是什么，并用示意图进行说明。
（1）误码率Pe：
衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。
误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。
相同信噪比情况下，误码率越大，对应调制性能越差。
（如图1.3-1）
（2）传输速率（传信率）
（3）频带利用率：
数字通信传输系统的频带利用率定义为：
所传输的信息速率（或符号速率）与系统带宽之比值，其单位为bit/s/HZ（或为Baud/Hz）.其他条件相同时，多进制调制可以增大频带利用率，调制性能较好。
b）PSK、MSK、QPSK分析比较
传输符号时宽为Tb（s）的信号时，当采用PSK调制，其功率谱密度双边带带宽为多少？
当传输同样符号时宽信号时，分别采用MSK、QPSK调制，其功率谱密度双边带带宽各自为多少？
试将PSK、MSK、QPSK等时宽符号传输时的功率谱密度绘制在同一图表上，并分析说明这三者之间的调制谱特性。
PSK、MSK、QPSK调制功率谱密度双边带带宽见式3.8-1
（3.8-1a）
（3.8-1b）
（3.8-1c）
三种调制方式的功率谱密度表达式如下，其中Tb为输入数据流的比特宽度。
PSK功率谱密度：
（3.8-2a）
MSK信号的归一化单边功率谱密度表达式如下：
（3.8-2b）
QPSK功率谱密度：
（3.8-2c）
题目9接收机参数计算
图3.9-1所示为接收机RF前端构成框图，天线接收到信号的功率电平Pr=-113dBm（A点），中频滤波器带宽Br=10MHz。
a）计算接收机的等效噪声系数NF；
b）计算接收机的等效噪声温度Te；
c）计算解调器输入端（B点）的信噪比S/N。
G2=-5dB
A点
B点
Pr=-113dBm
G1=10dB
NF1=3dB
G3=-1dB
NF3=2dB
G4=25dB
NF4=5dB
图3.9-1接收机RF前端部件参数及构成框图
解：
（a）求接收机等效噪声系数NF
各部分增益以及噪声系数如下:
[G1]=10dB=10;
[NF1]=3dB=1.96;
[G2]=-5dB=0.316;
[NF2]=[L2]=1/0.316=3.16;
L2为混频器的插入损耗;
[G3]=-1dB=0.794;
[NF3]=2dB=1.585;
[G4]=25dB=316.23;
[NF4]=5dB=3.16;
由噪声系数级联公式得等效噪声系数为
=3.222，则[NF]=5.1dB;
（b）接收机等效噪声温度Te；
=2.222X290K=644.4K
（c）解调器输入端信噪比，即接收机前端输出信噪比；
系统总增益[G]=[G1]+[G2]+[G3]+[G4]=29dB;
B点输出信号功率[SO]=[Pr]+[G]=-84dBm;
B点输出噪声功率[No]=[kToB]+[NF]+[G]=-70dBm；
解调器输出端信噪比[SO/No]=-13.9dBm;
题目10多径效应对通信系统的影响分析
要求：
简述多径效应产生机理，分析对通信系统的影响。
用图形和公式表明，并用眼图定性描述影响。
通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。
这些不同路径到达的电磁波时间与相位也都不一样且具有时变性，导致接收信号呈衰落状态；
这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。
多径会导致信号的衰落和相移，除了能量的衰落，即使信号加强，也会产生信号的时域的混叠，使解调判决产生误码（眼图杂乱）；
在接收方收到的信号为N个不同路径传播的信号之和，即：
式中：
为第i条路径的衰减系数；
为第i条路径的相对延时差。
在短波通信中，为保证电路在多径传输中的最大时延与最小时延差不大于某个规定值，工作频率要求不低于电路最高可用频率的某个百分数。
这个百分数称为多径缩减因子。
下面给出多径缩减因子与路径距离的关系曲线:
图3.10-1
眼图参数如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、“1”电平，“0”电平，消光比，Q因子，平均功率等如图3.10-2所示：
图3.10-2
多径效应增大了码间串扰，反映在眼图上就是波形失真，码元不完全重合，眼图的迹线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。
若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启变小，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。
第四次作业
题目11、功率密度
若在某频率f0时，发射机功率Pt=30W，采用全向天线辐射传输到R0=10km距离时，计算：
a）其电场强度E0为多少？
磁场强度H0为多少？
单位面积上的功率密度S为多少？
b）若采用增益Gt=13dB的天线，其功率密度S又为多少？
a）由于采用全向天线，故发射机增益Gt=1,由电场强度E0和发射功率Pt的关系得：
电场强度
磁场强度
单位面积上功率密度
b）采用增益Gt=13dB的天线，其功率密度
题目12、自由空间损耗
a）对工作频率为5GHz的电磁波，用MATLAB编程计算传播距离为0.1km、至150km的自由空间损耗，绘制出自由空间传播损耗曲线；
标注出0.1km、10km、20km、40km、100km、150km等距离点上的损耗数值。
【单位使用dB】
b）若发射机功率Pt=10W，发射机天线增益Gt=20dB，接收机天线增益Gt=6dB，用MATLAB编程计算传播距离为0.1km、至150km的自由空间损耗，绘制出接收机（输入端口）在不同距离点上接收到的信号功率曲线；
标注出0.1km、10km、20km、40km、100km、150km等距离点上的功率值。
【单位使用dBm】
c）若发射天线高度ht=3m，要保证150km的通视距离，计算接收天线hr高度至少应为多少（精确到m）？
a）已知工作频率f=5GHz,自由空间损耗
，故有
自由空间传播损耗曲线如图4.12-1所示，由曲线可以看出，自由空间损耗随着
传播距离的增大而增加，距离较近时影响较大，但随着传播距离远到一定程度对
自由空间损耗的影响趋于平缓。
图4.12-1
b）接收机接收到的功率为：
接收机接收到的信号功率与传播距离的关系曲线如图4.12-2所示，由曲线可以
看出，接收机接收到的信号功率随着传播距离的增大而减小，距离较近时影响较
大，但随着传播距离远到一定程度对接收机接收到的信号功率的影响减弱。
图4.12-2
c）由标准大气压下通视距离公式
得
接收天线高度为：
带入数据得hr=1202m
题目13、接收机灵敏度
若要求误码率Pe=10-5,接收机噪声系数NF=2dB，依据PSK相干解调的门限要求，计算接收机灵敏度Prmin为多少dBm?
[即接收机输入端口的最小信号功率]。
若采用50Ω特性阻抗系统，计算接收机输入端口感应的电压有效值为多少？
PSK相干解调时，由Pe=10-5对应的解调门限rth=9.5dB。
由
可得
接下来求噪声功率
取接收机带宽Br=1MHz,则带入数据后知
故接收机灵敏度
若采用50欧特性阻抗系统，由
得U有效=1.68
题目14、归一化信噪比
对于码元速率Rb=500（kb/s），中频带宽Br=1.2MHZ的接收系统，对信噪比S/N=13dB的信号，请计算其归一化信噪比Eb/n0应为多少？
由题目7推导结果
归一化信噪比
题目15、中频镜像现象及其抑制
查阅技术文献，对接收机中频镜像现象简述，有那些方法可实现镜像抑制？
当接收机接收频率为
的信号时，本振频率
、工作频率
与中频
有关系
.若加到混频器输入端的是频率为
的干扰信号，则混频器件输出电流中将出现众多组合频率分量
，若p,q的值满足
，考虑到关系
，
p=0,q=1时，
称为中频干扰，对于这种干扰信号，混频器起到了中频放大器的作用，具有比有用信号更强的传输能力；
p=1,q=1时，
称为镜像频率干扰，
为
关于
的镜像。
如图4.15-1
所示：
图4.15-1镜像频率干扰示意图
镜像抑制的方法：
1、高中频方案：
将中频选在高于接收频段的范围内，由于中频很高，镜像频率干扰的频率远高于有用信号频率，混频前的滤波电路很容易抑制镜频。
2、采用二次混频结构。
（如图4.15-2所示）第一中频选得很高240MHz，可以在第一混频器前有效地将镜频滤除。
第二中频选得低为10.7MHz，中频放大器容易实现高增益和高选择性。
图4.15-2二次混频接收机组成方框图
题目16、三阶交调
查阅技术文献，简述形成三阶交调（互调）的基本原因，分析对接收机性能的影响。
三阶互调成因：
当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号混频后所产生的寄生信号。
比如f1的二次谐波是2f1，他与f2产生了寄生信号2f1-f2和2f2-f1。
由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），所以称之为三阶互调。
影响：
接收机天线接收的众多干扰信号强度往往大于有用信号，三阶互调干扰信号频率十分接近有用信号，将全部加到混频器输入端，产生三阶互调失真。
造成接收信号质量下降、信号丢失（载波干扰比低于一定数值无法接通）、虚假信道繁忙、系统容量受限等影响。
题目17、技术文献查阅
1）调研国际上主要无线通信系统芯片厂家资料，并对各厂家在这一领域的基本情况进行简述；
2）重点对一个厂家的资料进行阅读，列举其主要的无线通信系统芯片；
3）对某一个无线通信系统芯片认真研读后，进行功能、性能分析、指标描述，并作简单设计说明。
1）高通（Qualcomm）是一家美国的无线电通信技术研发公司，成立于1985年7月，在以技术创新推动无线通讯向前发展方面扮演着重要的角色，以在CDMA技术方面处于领先地位而闻名，而LTE技术已成为世界上发展最快的无线技术。
已经向100多位制造商提供技术使用授权，涉及了世界上所有电信设备和消费电子设备的品牌。
美国高通公司正积极倡导全球快速部署3G、4G网络、手机的应用。
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