1、1第第2章章 無(wú)線通信原理無(wú)線通信原理w 天線；天線；w 無(wú)線信號(hào)的傳播方式；無(wú)線信號(hào)的傳播方式；w 直線傳播；直線傳播；w 移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰減。移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰減。22.1 天線天線q天線可看作一條電子導(dǎo)線或?qū)Ь€系統(tǒng)。用于傳輸信號(hào)時(shí)，天線可看作一條電子導(dǎo)線或?qū)Ь€系統(tǒng)。用于傳輸信號(hào)時(shí)，該導(dǎo)線系統(tǒng)有效地將傳輸線送來(lái)的來(lái)自轉(zhuǎn)發(fā)器的高頻傳導(dǎo)該導(dǎo)線系統(tǒng)有效地將傳輸線送來(lái)的來(lái)自轉(zhuǎn)發(fā)器的高頻傳導(dǎo)電流所攜帶的無(wú)線電頻率電能轉(zhuǎn)變成電磁能，并輻射到周電流所攜帶的無(wú)線電頻率電能轉(zhuǎn)變成電磁能，并輻射到周圍環(huán)境中（如大氣、太空、水等等），形成空間的電磁波。圍環(huán)境中（如大氣、太空、水等等），形成空間的電磁波。用于接

2、收信號(hào)時(shí)，它將撞擊到天線上的電磁能轉(zhuǎn)變成傳輸用于接收信號(hào)時(shí)，它將撞擊到天線上的電磁能轉(zhuǎn)變成傳輸線中的信號(hào)功率（即無(wú)線電頻率電能），并合成到接收器線中的信號(hào)功率（即無(wú)線電頻率電能），并合成到接收器中。中。q對(duì)于簡(jiǎn)單的便攜式移動(dòng)通信設(shè)備，天線往往直接和收發(fā)信對(duì)于簡(jiǎn)單的便攜式移動(dòng)通信設(shè)備，天線往往直接和收發(fā)信設(shè)備裝在一起。設(shè)備裝在一起。32.1 天線天線q在雙向通信中，同一天線既可用于發(fā)送也可用于接收。天在雙向通信中，同一天線既可用于發(fā)送也可用于接收。天線的性能可以用許多參數(shù)來(lái)衡量。根據(jù)互易定理，即天線線的性能可以用許多參數(shù)來(lái)衡量。根據(jù)互易定理，即天線用作發(fā)射和接收時(shí)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的可逆性，它們的

3、參用作發(fā)射和接收時(shí)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的可逆性，它們的參數(shù)在發(fā)射和在接收時(shí)保持不變。因此在研究天線性能時(shí)，數(shù)在發(fā)射和在接收時(shí)保持不變。因此在研究天線性能時(shí)，有些參數(shù)不必指明是發(fā)射天線還是接收天線，但有些參數(shù)，有些參數(shù)不必指明是發(fā)射天線還是接收天線，但有些參數(shù)，對(duì)發(fā)射或接收分別有意義。對(duì)發(fā)射或接收分別有意義。q電磁場(chǎng)理論是天線理論的基礎(chǔ)，麥克斯韋方程組用來(lái)描述電磁場(chǎng)理論是天線理論的基礎(chǔ)，麥克斯韋方程組用來(lái)描述空間電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系。第一個(gè)方程確定了當(dāng)電荷運(yùn)空間電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系。第一個(gè)方程確定了當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)和電場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，即用全電流定律表示電流與動(dòng)和電場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，即用全電流定律表示

4、電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系式。第二個(gè)方程式是在法拉第電磁感應(yīng)定磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系式。第二個(gè)方程式是在法拉第電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，它說(shuō)明當(dāng)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，在律的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，它說(shuō)明當(dāng)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，在同一空間將引起電場(chǎng)的變化。同一空間將引起電場(chǎng)的變化。 42.1 天線天線q一個(gè)發(fā)射天線輻射出的功率是全方位的，但并非在所有方一個(gè)發(fā)射天線輻射出的功率是全方位的，但并非在所有方向上的輻射功率均等。輻射模式以圖形化描述天線的性能向上的輻射功率均等。輻射模式以圖形化描述天線的性能特性。特性。q全向天線：最簡(jiǎn)單的理想化天線輻射模式是各向同性天線，全向天線：最簡(jiǎn)單的理想化天線輻射模式是各向同性天線，也

5、稱全向天線也稱全向天線 (Isotropic Antenna)。全向天線是沿所有方。全向天線是沿所有方向等功率向外輻射的空中的一個(gè)向等功率向外輻射的空中的一個(gè) “點(diǎn)點(diǎn)”，輻射模式是以天，輻射模式是以天線為中心的一個(gè)球體，通常采用其三維模式的一個(gè)二維剖線為中心的一個(gè)球體，通常采用其三維模式的一個(gè)二維剖面來(lái)描述。面來(lái)描述。 52.1 天線天線q圖示：全向天線和有向天線輻射模式的二維剖面圖。圖示：全向天線和有向天線輻射模式的二維剖面圖。62.1 天線天線q描述輻射模式的圖形大小可以是任意的，重要的是圖形的描述輻射模式的圖形大小可以是任意的，重要的是圖形的形狀，即圖中每一方向上與天線位置的相對(duì)距離。該

6、方向形狀，即圖中每一方向上與天線位置的相對(duì)距離。該方向上的相對(duì)功率由相對(duì)距離描述。因此，可以認(rèn)為某方向上上的相對(duì)功率由相對(duì)距離描述。因此，可以認(rèn)為某方向上從天線原點(diǎn)到平面曲線交點(diǎn)的矢量描繪了該方向上的輻射從天線原點(diǎn)到平面曲線交點(diǎn)的矢量描繪了該方向上的輻射功率。功率。q例如上圖中，對(duì)不同的兩個(gè)方向例如上圖中，對(duì)不同的兩個(gè)方向A和和B，全向天線產(chǎn)生在，全向天線產(chǎn)生在所有方向等強(qiáng)度的輻射模式，因而所有方向等強(qiáng)度的輻射模式，因而A向量和向量和B向量等長(zhǎng)度。向量等長(zhǎng)度。而有向天線中，而有向天線中，B向量要比向量要比A向量長(zhǎng)，說(shuō)明向量長(zhǎng)，說(shuō)明B方向上的輻射方向上的輻射功率比功率比A方向上的強(qiáng)。強(qiáng)度大小與向

7、量長(zhǎng)度大小成比例。方向上的強(qiáng)。強(qiáng)度大小與向量長(zhǎng)度大小成比例。72.1 天線天線q光束寬度光束寬度 (Beam Width)：也稱半功率帶寬，是與天線的最：也稱半功率帶寬，是與天線的最佳（最大）輻射方向的夾角，用于度量天線的方向性。小佳（最大）輻射方向的夾角，用于度量天線的方向性。小于光束帶寬方向的輻射功率至少為最佳方向功率的一半。于光束帶寬方向的輻射功率至少為最佳方向功率的一半。q當(dāng)天線用于接收時(shí)，輻射模式變?yōu)榻邮漳Ｊ剑撃Ｊ降淖町?dāng)天線用于接收時(shí)，輻射模式變?yōu)榻邮漳Ｊ剑撃Ｊ降淖铋L(zhǎng)區(qū)域指明了最佳的接收方向。長(zhǎng)區(qū)域指明了最佳的接收方向。82.1 天線天線q偶極天線偶極天線 (Dipole Ant

8、enna)w 半波偶極天線半波偶極天線 (Half-wave Dipole Antenna/Hertz Antenna)：半波偶極天線由等長(zhǎng)度的兩個(gè)在同一直線：半波偶極天線由等長(zhǎng)度的兩個(gè)在同一直線上的導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線長(zhǎng)度是可最有效傳輸波長(zhǎng)的上的導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線長(zhǎng)度是可最有效傳輸波長(zhǎng)的1/4。92.1 天線天線w 半波偶極天線半波偶極天線在一個(gè)維上具有一致的或全向的輻射模在一個(gè)維上具有一致的或全向的輻射模式。另兩個(gè)維上具有式。另兩個(gè)維上具有8字形的輻射模式。字形的輻射模式。 102.1 天線天線w 1/4波垂直天線波垂直天線 (Quarter-wave Vertical Antenna /M

9、arconi Antenna)：汽車無(wú)線和便攜無(wú)線汽車無(wú)線和便攜無(wú)線中最常見(jiàn)的天線類型。中最常見(jiàn)的天線類型。112.1 天線天線q拋物反射天線拋物反射天線 (parabolic reflective antenna)w 拋物反射天線是一種重要的天線類型，常用于地面微拋物反射天線是一種重要的天線類型，常用于地面微波和衛(wèi)星系統(tǒng)。拋物線是由到一固定直線和不在該直波和衛(wèi)星系統(tǒng)。拋物線是由到一固定直線和不在該直線上的某一固定點(diǎn)的距離相等的點(diǎn)的軌跡。固定點(diǎn)叫線上的某一固定點(diǎn)的距離相等的點(diǎn)的軌跡。固定點(diǎn)叫焦點(diǎn)焦點(diǎn) (focus)，固定直線叫準(zhǔn)線，固定直線叫準(zhǔn)線 (directrix)。122.1 天線天線1

10、32.1 天線天線w 拋物線沿其軸旋轉(zhuǎn)生成拋物面。穿過(guò)拋物面平行于軸拋物線沿其軸旋轉(zhuǎn)生成拋物面。穿過(guò)拋物面平行于軸的橫截面形成一條拋物線，與軸垂直相交的橫截面形的橫截面形成一條拋物線，與軸垂直相交的橫截面形成一個(gè)圓周。成一個(gè)圓周。w 拋物面的特性：如果將一個(gè)電磁能源置于拋物面的焦拋物面的特性：如果將一個(gè)電磁能源置于拋物面的焦點(diǎn)，且拋物面的表面可反射的話，將產(chǎn)生與軸平行的點(diǎn)，且拋物面的表面可反射的話，將產(chǎn)生與軸平行的波束。波束。w 拋物反射天線的直徑越大，波束定向性越強(qiáng)。拋物反射天線的直徑越大，波束定向性越強(qiáng)。例如：天線直徑例如：天線直徑(m) 0.51.5 5.0波束寬度波束寬度( )3.51

11、.166 0.35142.1 天線天線q天線增益天線增益 (Antenna Gain) 是天線定向性的度量。是天線定向性的度量。w天線增益是定義在一特定方向上的功率輸出，是天線增益是定義在一特定方向上的功率輸出，是天線天線與理想的全向天線在一特定方向上的功率輸出的比較。與理想的全向天線在一特定方向上的功率輸出的比較。 w在某一特定方向上增加功率是以降低其它方向功率為在某一特定方向上增加功率是以降低其它方向功率為代價(jià)的。代價(jià)的。w天線增益并不是為了獲得比輸入功率更高的輸出功率，天線增益并不是為了獲得比輸入功率更高的輸出功率，而主要目的是為了定向性。而主要目的是為了定向性。q例：某天線在一給定方向

12、上的增益為例：某天線在一給定方向上的增益為 3dB，說(shuō)明該天線，說(shuō)明該天線與全向天線相比在此方向上有與全向天線相比在此方向上有 3dB（或者（或者2倍）倍）的改進(jìn)。的改進(jìn)。152.1 天線天線q天線的有效面積天線的有效面積 (Effective area)：表征接收天線接受空間表征接收天線接受空間電磁波能力的基本參數(shù)。天線有效面積等于天線輸出端的電磁波能力的基本參數(shù)。天線有效面積等于天線輸出端的功率功率 W 與與入射的平面波的射電流量密度（接收點(diǎn)單位面入射的平面波的射電流量密度（接收點(diǎn)單位面積和單位頻寬內(nèi)接收的功率）積和單位頻寬內(nèi)接收的功率）S 的比值，可表示為：的比值，可表示為：eWAS它是

13、所接收電磁波的方向和頻率的函數(shù)，表示接收天線在它是所接收電磁波的方向和頻率的函數(shù)，表示接收天線在這個(gè)頻率上吸收來(lái)自任何特定方向的輻射，并把功率送到這個(gè)頻率上吸收來(lái)自任何特定方向的輻射，并把功率送到輸出端的能力，也稱為有效口徑。天線有效面積與天線輸出端的能力，也稱為有效口徑。天線有效面積與天線增增益益 G 有如下有如下的關(guān)系的關(guān)系 162.1 天線天線式中式中 為為所接收電磁波的波長(zhǎng)，所接收電磁波的波長(zhǎng)，C 為光速。全向天線和半為光速。全向天線和半波偶極天線的有效面積分別為波偶極天線的有效面積分別為q一個(gè)無(wú)損耗的天線若能無(wú)反射地吸收所有入射電磁波，則一個(gè)無(wú)損耗的天線若能無(wú)反射地吸收所有入射電磁波

14、，則實(shí)際口徑面積即為其有效面積。對(duì)于拋物面天線或其他類實(shí)際口徑面積即為其有效面積。對(duì)于拋物面天線或其他類型的面天線，天線的最大有效面積與實(shí)際口徑面積之比，型的面天線，天線的最大有效面積與實(shí)際口徑面積之比，稱為天線的表面利用系數(shù)。拋物面天線的最大有效面積一稱為天線的表面利用系數(shù)。拋物面天線的最大有效面積一般為實(shí)際口徑面積般為實(shí)際口徑面積 A 的的5060（典型地，（典型地，0.56A）。 22244eCAGGf24和和21.644172.1 天線天線q例例：一個(gè)直徑為：一個(gè)直徑為 2m 的拋物線反射天線，工作頻率是的拋物線反射天線，工作頻率是12GHz，計(jì)算其增益。，計(jì)算其增益。q解解：其口徑面

15、積是：其口徑面積是 20.560.56()eAAm有效面積有效面積 2221()Arm893 100.025 ( )12 10Cmf波長(zhǎng)波長(zhǎng)故天線增益故天線增益 22244 0.56353360.025eAG或或 GdB = 10lgG = 45.48(dB)182.2 傳播方式傳播方式q頻帶表頻帶表 頻帶頻帶頻率范圍頻率范圍(Hz)自由空間自由空間中的波長(zhǎng)中的波長(zhǎng)傳播特性傳播特性典型環(huán)境或應(yīng)用典型環(huán)境或應(yīng)用ELF3030010000km1000km地波地波電力線；家用控制系電力線；家用控制系統(tǒng)統(tǒng)VF30030001000km100km地波地波模擬電話系統(tǒng)模擬電話系統(tǒng)VLF3k30k100km

16、10km地波：低衰減；地波：低衰減； 高大氣高大氣噪聲級(jí)噪聲級(jí)長(zhǎng)距離導(dǎo)航；航海通長(zhǎng)距離導(dǎo)航；航海通信信LF30k300k10km1km地波：白天高衰減；中等地波：白天高衰減；中等的大氣噪聲級(jí)的大氣噪聲級(jí)長(zhǎng)距離導(dǎo)航；航海通長(zhǎng)距離導(dǎo)航；航海通信信MF300k3000k1000m100m地波和晚上的天波：衰減地波和晚上的天波：衰減晚上低白天高；有大晚上低白天高；有大氣噪聲氣噪聲海事無(wú)線電；定向；海事無(wú)線電；定向；AM廣播廣播192.2 傳播方式傳播方式頻帶頻帶頻率范圍頻率范圍(Hz)自由空間自由空間中的波長(zhǎng)中的波長(zhǎng)傳播特性傳播特性典型環(huán)境或應(yīng)用典型環(huán)境或應(yīng)用HF3M30M100m10m天波：傳輸質(zhì)量

17、隨天時(shí)、天波：傳輸質(zhì)量隨天時(shí)、季節(jié)和頻率變化季節(jié)和頻率變化業(yè)余電臺(tái)；軍事通信；業(yè)余電臺(tái)；軍事通信；長(zhǎng)距離飛機(jī)和輪船長(zhǎng)距離飛機(jī)和輪船通信通信VHF30M300M10m1m直線：散射；宇宙噪聲直線：散射；宇宙噪聲VHF電視；電視；FM廣播；廣播；調(diào)幅飛機(jī)通信；飛調(diào)幅飛機(jī)通信；飛機(jī)導(dǎo)航機(jī)導(dǎo)航UHF300M3000M100cm10cm直線：宇宙噪聲直線：宇宙噪聲UHF電視；蜂窩電話；電視；蜂窩電話；雷達(dá)；微波鏈路；雷達(dá)；微波鏈路；PCNSHF3G30G10cm1cm直線：大氣衰減直線：大氣衰減衛(wèi)星通信；雷達(dá)；陸衛(wèi)星通信；雷達(dá)；陸地微波鏈路；無(wú)線地微波鏈路；無(wú)線本地環(huán)本地環(huán)EHF30G300G10mm1

18、mm直線：大氣衰減直線：大氣衰減無(wú)線本地環(huán)無(wú)線本地環(huán)Infrared300G400G1mm770nm直線直線Ir-Lan；消費(fèi)電子類應(yīng)；消費(fèi)電子類應(yīng)用用Visible Light400G900G770nm330nm直線直線光通信光通信202.2 傳播方式傳播方式q地波也稱表面波。在此頻率范圍的電磁波的傳播基本沿著地波也稱表面波。在此頻率范圍的電磁波的傳播基本沿著地球的輪廓，可以傳播很遠(yuǎn)的距離，跨越可視地平線。地地球的輪廓，可以傳播很遠(yuǎn)的距離，跨越可視地平線。地波被大氣散射，不能穿越上層大氣層。波被大氣散射，不能穿越上層大氣層。 212.2 傳播方式傳播方式q在此頻率范圍的電磁波通過(guò)地球表面天線

19、發(fā)出的信號(hào)，由在此頻率范圍的電磁波通過(guò)地球表面天線發(fā)出的信號(hào)，由于衍射效應(yīng)被電離層（被電離的上層大氣層）反射回地球。于衍射效應(yīng)被電離層（被電離的上層大氣層）反射回地球。天波信號(hào)可以通過(guò)多次跳躍實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播。天波信號(hào)可以通過(guò)多次跳躍實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播。222.2 傳播方式傳播方式q在此頻率范圍的電磁波信號(hào)只會(huì)以直線傳播，因此轉(zhuǎn)發(fā)和在此頻率范圍的電磁波信號(hào)只會(huì)以直線傳播，因此轉(zhuǎn)發(fā)和接收天線之間必須處于一個(gè)有效的直線范圍內(nèi)。接收天線之間必須處于一個(gè)有效的直線范圍內(nèi)。232.2 傳播方式傳播方式q由于大氣密度隨高度有所變化，折射效應(yīng)使得電磁波在接由于大氣密度隨高度有所變化，折射效應(yīng)使得電磁波在接近地球時(shí)

20、產(chǎn)生輕微彎曲，形成無(wú)線電地平線近地球時(shí)產(chǎn)生輕微彎曲，形成無(wú)線電地平線 (Radio Horizon)。242.2 傳播方式傳播方式q沒(méi)有障礙物的情況下，光波地平線距離可以表達(dá)為沒(méi)有障礙物的情況下，光波地平線距離可以表達(dá)為3.57dhh 為天線高度。相應(yīng)的無(wú)線電地平線距離可以表達(dá)為為天線高度。相應(yīng)的無(wú)線電地平線距離可以表達(dá)為k 的經(jīng)驗(yàn)值是的經(jīng)驗(yàn)值是4/3。故考慮折射因數(shù)的調(diào)節(jié)因子后，高度分。故考慮折射因數(shù)的調(diào)節(jié)因子后，高度分別為別為 h1和和 h2的兩個(gè)天線之間直線傳播的最大距離是。的兩個(gè)天線之間直線傳播的最大距離是。3.57dkh123.57()Dkhkh252.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播

21、的信號(hào)損失q引起直線損傷的可能因素引起直線損傷的可能因素w衰減和衰減失真衰減和衰減失真 (Attenuation and Attenuation Distortion)w自由空間損耗自由空間損耗 (Free Space Loss)w噪聲噪聲 (Noise) 和和熱噪聲熱噪聲 (Thermal Noise)w大氣吸收大氣吸收 (Atmospheric Absorption)w多徑多徑 (Multipath)w折射折射 (Refraction)262.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q衰減：衰減：信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨所跨越的任一傳輸媒介的距離而降信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨所跨越的任一傳輸媒介的距離而降低。低

22、。導(dǎo)向介質(zhì)中信號(hào)強(qiáng)度的降低通常與傳輸距離成指數(shù)關(guān)導(dǎo)向介質(zhì)中信號(hào)強(qiáng)度的降低通常與傳輸距離成指數(shù)關(guān)系，表示為單位距離的固定分貝數(shù)。對(duì)于非導(dǎo)向介質(zhì)，衰系，表示為單位距離的固定分貝數(shù)。對(duì)于非導(dǎo)向介質(zhì)，衰減是一個(gè)更為復(fù)雜的距離函數(shù)。減是一個(gè)更為復(fù)雜的距離函數(shù)。q衰減所帶來(lái)的三個(gè)影響因素：衰減所帶來(lái)的三個(gè)影響因素：w接收的信號(hào)必須有足夠的強(qiáng)度；接收的信號(hào)必須有足夠的強(qiáng)度；w與噪聲相比，信號(hào)必須維持一種足夠高的水平被無(wú)誤與噪聲相比，信號(hào)必須維持一種足夠高的水平被無(wú)誤差的接收；差的接收；w高頻下的衰減更為嚴(yán)重，會(huì)引起失真。高頻下的衰減更為嚴(yán)重，會(huì)引起失真。272.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q自由

23、空間是指相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)導(dǎo)磁率都為自由空間是指相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)導(dǎo)磁率都為1的均勻介的均勻介質(zhì)所存在的空間，它是一個(gè)理想的無(wú)限大的空間，是為簡(jiǎn)質(zhì)所存在的空間，它是一個(gè)理想的無(wú)限大的空間，是為簡(jiǎn)化問(wèn)題研究而提出的一種科學(xué)抽象?？疾熳杂煽臻g的無(wú)線化問(wèn)題研究而提出的一種科學(xué)抽象?？疾熳杂煽臻g的無(wú)線電波傳播時(shí)，僅考慮由能量擴(kuò)散引起的損耗，即接收機(jī)和電波傳播時(shí)，僅考慮由能量擴(kuò)散引起的損耗，即接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是無(wú)任何阻擋的視距路徑時(shí)的傳播損耗。發(fā)射機(jī)之間是無(wú)任何阻擋的視距路徑時(shí)的傳播損耗。q自由空間的無(wú)線通信中信號(hào)功率會(huì)隨距離發(fā)散，因此具有自由空間的無(wú)線通信中信號(hào)功率會(huì)隨距離發(fā)散，因此具有固定面積的接

24、收天線距離發(fā)射天線越遠(yuǎn)，接收到的信號(hào)功固定面積的接收天線距離發(fā)射天線越遠(yuǎn)，接收到的信號(hào)功率就越低。信號(hào)隨著距離的增加在越來(lái)越大的面積范圍內(nèi)率就越低。信號(hào)隨著距離的增加在越來(lái)越大的面積范圍內(nèi)散布，這種形式的衰減稱為自由空間損耗，用發(fā)射的功率散布，這種形式的衰減稱為自由空間損耗，用發(fā)射的功率Pt 與接收到的功率與接收到的功率 Pr 之比表示。之比表示。282.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q圖示的自由空間中，設(shè)在原點(diǎn)圖示的自由空間中，設(shè)在原點(diǎn) O 有一輻射源，均勻地向有一輻射源，均勻地向各方向輻射，輻射功率為各方向輻射，輻射功率為 Pt，則距輻射源，則距輻射源 d 處的能流密度處的能流密

25、度為：為：24tPSdq若接收天線有效面積為若接收天線有效面積為 24AD式中式中 為工作波長(zhǎng)，為工作波長(zhǎng)，D 為天線的方向性系數(shù)，對(duì)于各向同為天線的方向性系數(shù)，對(duì)于各向同性的天線性的天線 D=1，則接收機(jī)輸入功率，則接收機(jī)輸入功率292.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q接收機(jī)輸入功率接收機(jī)輸入功率222244(4)ttrPPPSAddq因此理想全向天線的自由空間損耗因此理想全向天線的自由空間損耗或表示成或表示成2222(4)(4)trPdfdLPC10lg20lg20lg21.98 dB20lg20lg147.56tdBrPLdPfddB q上式表明，自由空間損耗隨著頻率的增大而增

26、大。上式表明，自由空間損耗隨著頻率的增大而增大。302.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q考慮到發(fā)射天線和接收天線的增益（記為考慮到發(fā)射天線和接收天線的增益（記為Gt 和和Gr）時(shí)，）時(shí)， 22222(4)()()ttrrtretereterPddCdLG G PG GA AA A f20lg20lg10lg() 169.54dBeterLfdA AdB q上式表明，可以用天線增益對(duì)這部分損耗進(jìn)行補(bǔ)償。上式表明，可以用天線增益對(duì)這部分損耗進(jìn)行補(bǔ)償。312.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q噪聲分類噪聲分類w熱噪聲熱噪聲 (Thermal Noise)w互調(diào)噪聲互調(diào)噪聲 (Int

27、ermodulation Noise）w串?dāng)_串?dāng)_ (Crosstalk)w脈沖噪聲脈沖噪聲 (Impulse Noise) q熱噪聲是由于電子的熱攪動(dòng)而產(chǎn)生的，存在于所有的電子熱噪聲是由于電子的熱攪動(dòng)而產(chǎn)生的，存在于所有的電子設(shè)備和傳輸媒介中。它是溫度的一個(gè)函數(shù)，在所跨過(guò)的整設(shè)備和傳輸媒介中。它是溫度的一個(gè)函數(shù)，在所跨過(guò)的整個(gè)頻段上均勻分布，常被稱為白噪聲個(gè)頻段上均勻分布，常被稱為白噪聲 (White Noise)。322.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q熱噪聲無(wú)法被消除，在通信系統(tǒng)中往往有一個(gè)上界。熱噪聲無(wú)法被消除，在通信系統(tǒng)中往往有一個(gè)上界。q衛(wèi)星地面站所接收到的信號(hào)較弱，因此在

28、衛(wèi)星通信中熱噪衛(wèi)星地面站所接收到的信號(hào)較弱，因此在衛(wèi)星通信中熱噪聲的影響特別顯著。聲的影響特別顯著。q在任一設(shè)備或?qū)w中在任一設(shè)備或?qū)w中1Hz帶寬的熱噪聲可以表示為帶寬的熱噪聲可以表示為0 (/)NkT W HzN0 ：每：每1Hz帶寬按瓦特計(jì)的噪聲功率密度。帶寬按瓦特計(jì)的噪聲功率密度。 k ：Boltzmann 常數(shù)，常數(shù)，1.3803 10 23 J/K T ：溫度，按開(kāi)氏溫度（絕對(duì)溫標(biāo)）計(jì)算：溫度，按開(kāi)氏溫度（絕對(duì)溫標(biāo)）計(jì)算332.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q例例：在：在 T =17 （或（或290K）的溫度下，熱噪聲的功率）的溫度下，熱噪聲的功率 N0 = 1.3803

29、 10 23 290 = 4 10 21 (W/Hz) = 204 (dB W/Hz) 分貝瓦分貝瓦/赫茲赫茲q熱噪聲被認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)。因此在熱噪聲被認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)。因此在 B 赫茲的帶寬上以瓦赫茲的帶寬上以瓦特計(jì)的熱噪聲可以表示為：特計(jì)的熱噪聲可以表示為： ()NkTB Watt或或10lg10lg10lg ()228.6 10lg10lg ()dBNkTB dB WattTB dB Watt 342.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q例例：一個(gè)接收器的有效噪聲溫度：一個(gè)接收器的有效噪聲溫度 T=294K，帶寬，帶寬10MHz，則接收器的熱噪聲輸出功率則接收器的熱噪聲輸出功率 722

30、8.6 10lg294 10lg10 ()133.9 ()dBNdB WattdB Watt q當(dāng)不同頻率的信號(hào)共享相同的傳送介質(zhì)時(shí)當(dāng)不同頻率的信號(hào)共享相同的傳送介質(zhì)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生互調(diào)噪就會(huì)產(chǎn)生互調(diào)噪聲?；フ{(diào)噪聲會(huì)產(chǎn)生某種合成頻率的信號(hào)，這個(gè)合成頻率聲。互調(diào)噪聲會(huì)產(chǎn)生某種合成頻率的信號(hào)，這個(gè)合成頻率是原來(lái)的多個(gè)頻率的加和或差。顯然由互調(diào)噪聲合成的頻是原來(lái)的多個(gè)頻率的加和或差。顯然由互調(diào)噪聲合成的頻率信號(hào)會(huì)對(duì)原來(lái)處于該頻率上的信號(hào)產(chǎn)生干擾。率信號(hào)會(huì)對(duì)原來(lái)處于該頻率上的信號(hào)產(chǎn)生干擾。q收發(fā)器和傳輸系統(tǒng)間存在的非線性關(guān)系可能導(dǎo)致互調(diào)噪聲收發(fā)器和傳輸系統(tǒng)間存在的非線性關(guān)系可能導(dǎo)致互調(diào)噪聲352.3 直線

31、傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q串?dāng)_由于多個(gè)信號(hào)的互相耦合形成。串?dāng)_由于多個(gè)信號(hào)的互相耦合形成。q串?dāng)_與熱噪聲具有同等數(shù)量級(jí)的干擾作用。在未被正式分串?dāng)_與熱噪聲具有同等數(shù)量級(jí)的干擾作用。在未被正式分配的配的ISM頻帶上，串?dāng)_通常占主要地位。頻帶上，串?dāng)_通常占主要地位。q脈沖噪聲是一種不規(guī)則的脈沖或短時(shí)間的噪聲尖峰和相當(dāng)脈沖噪聲是一種不規(guī)則的脈沖或短時(shí)間的噪聲尖峰和相當(dāng)高的振幅組成。如閃電等外部電磁干擾會(huì)形成脈沖噪聲。高的振幅組成。如閃電等外部電磁干擾會(huì)形成脈沖噪聲。w脈沖噪聲對(duì)模擬數(shù)據(jù)傳輸影響較小。比如會(huì)對(duì)話音傳脈沖噪聲對(duì)模擬數(shù)據(jù)傳輸影響較小。比如會(huì)對(duì)話音傳輸產(chǎn)生干擾，但不會(huì)丟失可理解性。輸

32、產(chǎn)生干擾，但不會(huì)丟失可理解性。w脈沖噪聲在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸中，是一個(gè)主要的錯(cuò)誤源。脈沖噪聲在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸中，是一個(gè)主要的錯(cuò)誤源。362.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失qEb/N0 是每比特信號(hào)能量與每赫茲噪聲功率密度（即噪聲是每比特信號(hào)能量與每赫茲噪聲功率密度（即噪聲功率譜密度）的比值，也稱功率利用率，是表征數(shù)字通信功率譜密度）的比值，也稱功率利用率，是表征數(shù)字通信系統(tǒng)性能的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計(jì)量值。系統(tǒng)性能的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計(jì)量值。q設(shè)有一個(gè)功率設(shè)有一個(gè)功率 S(watt, j/s)的信號(hào)，以比特率的信號(hào)，以比特率 R(bit/s)傳輸二傳輸二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。故信號(hào)中每比特能量為進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。故信

33、號(hào)中每比特能量為 S/R。00/bES RSNNkTR或或010lg10lg10lg10lg228.6 10lg ()bdB WdBdB WESRkTNSRTdB Watt372.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q在數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的比特差錯(cuò)率是在數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的比特差錯(cuò)率是 Eb/N0 的遞減的遞減函數(shù)。要保持一個(gè)確定的比特差錯(cuò)率，就需要維持一個(gè)確函數(shù)。要保持一個(gè)確定的比特差錯(cuò)率，就需要維持一個(gè)確定的定的 Eb/N0。從表達(dá)式可見(jiàn)，此時(shí)如果想提高數(shù)據(jù)傳輸率，。從表達(dá)式可見(jiàn)，此時(shí)如果想提高數(shù)據(jù)傳輸率，則必須增加信號(hào)功率。同理，在信號(hào)功率和噪聲強(qiáng)度不變則必須增加信號(hào)功率。同

34、理，在信號(hào)功率和噪聲強(qiáng)度不變的情況下，數(shù)據(jù)率的增加會(huì)導(dǎo)致差錯(cuò)率的增加。的情況下，數(shù)據(jù)率的增加會(huì)導(dǎo)致差錯(cuò)率的增加。q與信噪比與信噪比 SNR 的形式相比，的形式相比， Eb/N0 直接給出了與數(shù)字帶直接給出了與數(shù)字帶寬的依賴關(guān)系。寬的依賴關(guān)系。010lg228.6 10lg ()bdB WdBESRTdB WattN382.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q例例：信號(hào)編碼要求一個(gè)比特差錯(cuò)率為：信號(hào)編碼要求一個(gè)比特差錯(cuò)率為 10 4 的通信的的通信的 Eb/N0=8.4dB。設(shè)有效噪聲溫度。設(shè)有效噪聲溫度 T =290K，數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)傳輸率2400b/s。要克服熱噪聲，問(wèn)接收器需要多大

35、的接收信號(hào)。要克服熱噪聲，問(wèn)接收器需要多大的接收信號(hào)級(jí)（信號(hào)功率）？級(jí)（信號(hào)功率）？q解解：代入公式：代入公式解得解得 SdB W = 161.8 dB W010lg228.6 10lg ()bdBWdBESRTdB WattN8.410lg2400228.6 10lg290dB WS即：即：392.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q進(jìn)一步的討論進(jìn)一步的討論：考慮到：考慮到 N0 描述了噪聲功率密度，則具有描述了噪聲功率密度，則具有帶寬帶寬 BT 的一個(gè)信號(hào)內(nèi)的噪聲功率的一個(gè)信號(hào)內(nèi)的噪聲功率 N = N0 BT ，或，或N0 = N/BT 代入表達(dá)式得代入表達(dá)式得00/bTEBS RS

36、NNNRq上式描述了表達(dá)式上式描述了表達(dá)式 Eb/N0 和信噪比和信噪比 S/N 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。402.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q進(jìn)一步的討論進(jìn)一步的討論：由香農(nóng)公式：由香農(nóng)公式C = Blog2(1+S/N)得得S/N = (2C/B 1)用用 B 與與 C 分別替換分別替換 BT與與R，得到：，得到： /0(21)C BbTEBSBNN RCq上式描述了表達(dá)式上式描述了表達(dá)式 Eb/N0 和頻譜效率和頻譜效率 C/B之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。412.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q水蒸氣和氧氣是產(chǎn)生大氣吸收衰減的主要因素。水蒸氣在水蒸氣和氧氣是產(chǎn)生大氣吸收

37、衰減的主要因素。水蒸氣在22GHz 附近形成吸收峰值，低于附近形成吸收峰值，低于 22GHz 后衰減會(huì)減弱。后衰減會(huì)減弱。氧氣在氧氣在 60GHz 附近形成吸收峰值，低于附近形成吸收峰值，低于 30GHz 后衰減會(huì)后衰減會(huì)減弱。減弱。q雨和霧會(huì)引起無(wú)線電波的散射。雨和霧會(huì)引起無(wú)線電波的散射。422.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q固定微波中，除了直接的直線傳播外，在穿越大氣時(shí)，由固定微波中，除了直接的直線傳播外，在穿越大氣時(shí)，由于折射現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生一條彎曲的路徑；還有可能被地面反于折射現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生一條彎曲的路徑；還有可能被地面反射。射。432.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q

38、移動(dòng)通信中，建筑物和地形的特征決定了反射表面也會(huì)有移動(dòng)通信中，建筑物和地形的特征決定了反射表面也會(huì)有所不同。所不同。442.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q產(chǎn)生多徑傳播的三種機(jī)制：反射、散射和衍射。產(chǎn)生多徑傳播的三種機(jī)制：反射、散射和衍射。452.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q反射：電磁信號(hào)遇到相對(duì)該信號(hào)的波長(zhǎng)更大的表面時(shí)會(huì)發(fā)反射：電磁信號(hào)遇到相對(duì)該信號(hào)的波長(zhǎng)更大的表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射生反射 (Reflection)。反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻。反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面等光滑界面處。如地面發(fā)射波會(huì)產(chǎn)生壁表面等光滑界面處。如地面發(fā)射波會(huì)產(chǎn)生180度度的相移，的相

39、移，在在LOS傳播中造成較高的信號(hào)損耗。傳播中造成較高的信號(hào)損耗。q散射：障礙物的尺寸大約等于信號(hào)的波長(zhǎng)或更小一些時(shí)，散射：障礙物的尺寸大約等于信號(hào)的波長(zhǎng)或更小一些時(shí)，會(huì)發(fā)生散射會(huì)發(fā)生散射 (Scattering)。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，樹葉、街道體或其他不規(guī)則物體。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等都會(huì)引發(fā)散射。此時(shí)一個(gè)入信號(hào)會(huì)被散射成標(biāo)志和燈柱等都會(huì)引發(fā)散射。此時(shí)一個(gè)入信號(hào)會(huì)被散射成為幾個(gè)弱的出信號(hào)，影響難以預(yù)料。為幾個(gè)弱的出信號(hào)，影響難以預(yù)料。462.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q衍射：或繞射。在

40、一個(gè)難以穿透的比信號(hào)波長(zhǎng)大的物體的衍射：或繞射。在一個(gè)難以穿透的比信號(hào)波長(zhǎng)大的物體的邊界處會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衍射邊界處會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衍射 (Diffraction)。 此時(shí)無(wú)線電波以此此時(shí)無(wú)線電波以此邊界為源向不同的方向傳播。即使收發(fā)天線間不存在邊界為源向不同的方向傳播。即使收發(fā)天線間不存在LOS路徑，接收天線仍然可以接收到電磁信號(hào)。路徑，接收天線仍然可以接收到電磁信號(hào)。 472.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失多徑傳播多徑傳播482.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失q多徑傳播的影響多徑傳播的影響w 相位疊加：一個(gè)信號(hào)的多個(gè)副本在不同的相位抵達(dá)，可相位疊加：一個(gè)信號(hào)的多個(gè)副本在不同的相位抵

41、達(dá)，可能造成信噪比下降。能造成信噪比下降。w 碼間干擾碼間干擾 (Intersymbol interference, ISI)：對(duì)數(shù)字傳輸影：對(duì)數(shù)字傳輸影響較大的一個(gè)現(xiàn)象。此時(shí)脈沖的一個(gè)或多個(gè)延時(shí)副本可響較大的一個(gè)現(xiàn)象。此時(shí)脈沖的一個(gè)或多個(gè)延時(shí)副本可能會(huì)與主脈沖同時(shí)到達(dá)，這些延時(shí)的脈沖對(duì)于后來(lái)的主能會(huì)與主脈沖同時(shí)到達(dá)，這些延時(shí)的脈沖對(duì)于后來(lái)的主脈沖來(lái)說(shuō)就像是一種噪聲。隨著天線的移動(dòng)，次要脈沖脈沖來(lái)說(shuō)就像是一種噪聲。隨著天線的移動(dòng)，次要脈沖的數(shù)目、量值和經(jīng)歷的時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化。的數(shù)目、量值和經(jīng)歷的時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化。492.3 直線傳播的信號(hào)損失直線傳播的信號(hào)損失碼間干擾碼間干擾502.4 移動(dòng)環(huán)

42、境中的信號(hào)衰落移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落q衰落衰落 (Fading) 指因傳輸媒介或傳輸路徑的改變而引起接指因傳輸媒介或傳輸路徑的改變而引起接收信號(hào)功率隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。收信號(hào)功率隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落的移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落的處理是一個(gè)技術(shù)難題。收發(fā)天線之間相對(duì)移動(dòng)，障礙物的處理是一個(gè)技術(shù)難題。收發(fā)天線之間相對(duì)移動(dòng)，障礙物的相對(duì)位置也在隨時(shí)間改變，由此產(chǎn)生復(fù)雜的傳輸效果。相對(duì)位置也在隨時(shí)間改變，由此產(chǎn)生復(fù)雜的傳輸效果。q衰落的類型：衰落的類型：w快速衰落快速衰落 (Fast fading)：由多徑傳播和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)引由多徑傳播和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的，所以也稱多徑衰落。起的，所以也稱多徑衰落

43、。 512.4 移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落w 瑞利衰落瑞利衰落 (Rayleigh fading)：在多徑傳播中，假設(shè)有：在多徑傳播中，假設(shè)有 N 個(gè)多徑信道，它們彼此相互獨(dú)立且沒(méi)有一個(gè)信道的信號(hào)個(gè)多徑信道，它們彼此相互獨(dú)立且沒(méi)有一個(gè)信道的信號(hào)占支配地位，即沒(méi)有占支配地位，即沒(méi)有 LOS 信號(hào)，僅有許多反射波信號(hào)。信號(hào)，僅有許多反射波信號(hào)。接收到的信號(hào)包絡(luò)的衰落變化服從瑞利分布。其概率密接收到的信號(hào)包絡(luò)的衰落變化服從瑞利分布。其概率密度函數(shù)為：度函數(shù)為：222exp()(0)2( )0(0)rrrp rr 其中，其中，r 和和 分別是包絡(luò)檢波之前所接收的電壓信號(hào)分別是包絡(luò)檢波之前

44、所接收的電壓信號(hào)的幅度和均方值。的幅度和均方值。522.4 移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落瑞利分布的概率密度函數(shù)瑞利分布的概率密度函數(shù)532.4 移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落w 多普勒頻移多普勒頻移 (Doppler Shift) ：當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體達(dá)到一定速當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體達(dá)到一定速度時(shí)（如超音速飛機(jī)），固定點(diǎn)接收到的從運(yùn)動(dòng)體發(fā)來(lái)度時(shí)（如超音速飛機(jī)），固定點(diǎn)接收到的從運(yùn)動(dòng)體發(fā)來(lái)的載波頻率將隨其運(yùn)動(dòng)速度的不同，產(chǎn)生不同的頻移，的載波頻率將隨其運(yùn)動(dòng)速度的不同，產(chǎn)生不同的頻移，通常把這種現(xiàn)象稱為多普勒頻移。它可表示為：通常把這種現(xiàn)象稱為多普勒頻移。它可表示為：cosdvf式中，式中，

45、v 為運(yùn)動(dòng)速度，為運(yùn)動(dòng)速度， 為波長(zhǎng)，為波長(zhǎng)， 為入射波與運(yùn)動(dòng)方為入射波與運(yùn)動(dòng)方向的夾角，若朝向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則向的夾角，若朝向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則 fd 為正，使接為正，使接收頻率上升；若背向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則收頻率上升；若背向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則 fd 為負(fù)，使為負(fù)，使接收頻率下降。接收頻率下降。 542.4 移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落移動(dòng)環(huán)境中的信號(hào)衰落w慢速衰落慢速衰落 (Slow fading)：電波在傳播路徑上遇到地形電波在傳播路徑上遇到地形起伏、建筑物及其它障礙物的阻擋會(huì)形成電磁場(chǎng)的陰起伏、建筑物及其它障礙物的阻擋會(huì)形成電磁場(chǎng)的陰影，從而產(chǎn)生陰影效應(yīng)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過(guò)不同障礙物的影，從而產(chǎn)生陰影效應(yīng)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過(guò)不同障礙物的陰影時(shí)，就造成接收?qǐng)鰪?qiáng)中值的變化。這種由于陰影陰影時(shí)，就造成接收?qǐng)鰪?qiáng)中值的變化。這種由于陰影效應(yīng)導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)中值隨地理位置改變，而出現(xiàn)的