第2章无线通信基础-1祥解.ppt

无线通信是利用电磁波在自由空间传播的特性进行信息传输与交换的通信方式。 电磁波从发射天线到达接收天线有多种传播方式，如地球表面波传播、空间波传播、对流层反射和电离层反射等。不同的传播方式传播特性会有很大的差别。　电磁波的传播环境非常复杂，从发射机到达接收机一般要经过多条路径，多径传播现象普遍存在，而且高层建筑物引起的绕射损耗也非常大。 图2-1给出了城市无线多径传播环境示意图。 　　在不同传播环境下，我们主要关心电磁波的以下两个传播特性：平均信号强度和小尺度衰落现象1、平均信号强度：指在距发射机一定的距离处，接收机可以接收到的平均信号强度。描述的是发射机与接收机之间长距离(几百米到几千米)上的信号强度变化，所以称为大尺度路径损耗。其主要取决于接收机与发射机之间的距离。 大尺度路径损耗是无线网络规划设计中的一个基本参数。其反映了无线电波传播过程中的路径损耗特性。 此外，还有阴影衰落、雨衰等。 电磁波在传播路径上遇到高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物时会形成电磁场的阴影，产生阴影衰落。 即阴影效应 气象因素的变化也会引起信号传播的衰减特性（雨衰）。 这些因阴影效应或气象因素产生的电平起伏现象，一般随距离的变化比较缓慢，因此称为慢衰落或大尺度衰落。 结论：在实际情况下，距离发射机相同距离处的实测接收信号的平均强度也是不相同的。 　　2、小尺度衰落：在距发射源一定距离处，接收机不移动，或只在很短的距离上或时间内移动时，接收的信号电平在平均接收信号电平附近发生瞬时快速起伏变化的现象称为小尺度衰落。这主要是多径传播造成，其反映小范围接收电平平均值的起伏变化趋势。 小尺度衰落(或称为多径衰落)产生的原因：电磁波经多条路径传播后，到达接收天线时会存在相位差，在天线上合成的信号强度会出现比较大的起伏，往往达到几十个dB。即便是接收机位置不动，信号强度也会产生非常大的变化。 　　多径传播的影响1、使接收信号产生多径衰落，接收信号电平急剧起伏，严重影响通信效果，甚至造成通信中断。2、会产生时间色散现象，造成码间干扰。 传播模型 建立无线信道模型的重要性： 决定发射机的覆盖范围 确定发射功率 确定电池工作时间 寻找能够改进通信质量的调制和编码方法 确定信道的最大容量 2.1.1 电磁波的基本知识 1、什么叫电磁波(无线电波）？ 电磁波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又和其传播方向垂直。电场和磁场的振幅作周期性交替变化，如图2-4所示。 电磁波的波长和频率定义波长λ：在传播方向上，电场（或磁场）强度相位相同 的相邻两点之间的距离。频率 f：电场（或磁场）强度方向每秒钟变化的次数。传播速度、波长、频率三者之间的关系满足 其中，c为光速，单位为米/秒；f 为频率，单位为赫兹；λ为波长，单位为米。 　　根据电磁场理论，这种基本的辐射体向空间辐射电磁场。依据其空间特性不同，可以将其划分为三个不同的区域：　　一是感应场成分占主导的发射天线近场区。在该区域中，电磁场的分布形式与静电场相似，没有能量向外辐射。  二是以辐射场成分为主的远场区。在该区域中，电磁场强度随距离的增加而成反比衰减，电磁场表现出向外辐射的特性。　　三是在近场区与远场区之间的过渡区，称为中间区。中间区的感应场和辐射场相差不大。　　我们要研究电波的传播问题，因此只需考虑天线辐射的远场区。 　电振子是一段长为l的线性辐射体，辐射体长度lλ，将这样的线性辐射体沿z轴放置，并且中心置于坐标原点，如图2-3所示。 　　在远场区，电磁场以辐射成分为主，并且辐射电磁场只有电场的θ分量和磁场的φ分量，其余的场分量均等于0。远场区d处的辐射电磁场强度表达式为式中, c为光速; ω0为角频率; sinθ表示线性辐射体在不同的方向上辐射强度不同，因此线性辐射体的电磁辐射是有方向性的。 　　按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来，就是电磁波频谱。把每个波段的频率由低至高依次排列，它们是工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、 X射线及γ射线等。电磁波频谱如图2-5所示。 　依据不同的频率，无线电波在空间有三种基本传播方式：地球表面波传播、天波传播和空间波传播。　　1. 地球表面波传播　　地球表面波也叫地波，是沿地球表面附近传播的无线电波，如图2-6所示。 　　地波传播的传输损耗随无线电波频率的升高而迅速增大，