1、1第第2章章 無線通信原理無線通信原理w 天線；天線；w 無線信號的傳播方式；無線信號的傳播方式；w 直線傳播；直線傳播；w 移動環境中的信號衰減。移動環境中的信號衰減。22.1 天線天線q天線可看作一條電子導線或導線系統。用于傳輸信號時，天線可看作一條電子導線或導線系統。用于傳輸信號時，該導線系統有效地將傳輸線送來的來自轉發器的高頻傳導該導線系統有效地將傳輸線送來的來自轉發器的高頻傳導電流所攜帶的無線電頻率電能轉變成電磁能，并輻射到周電流所攜帶的無線電頻率電能轉變成電磁能，并輻射到周圍環境中（如大氣、太空、水等等），形成空間的電磁波。圍環境中（如大氣、太空、水等等），形成空間的電磁波。用于接

2、收信號時，它將撞擊到天線上的電磁能轉變成傳輸用于接收信號時，它將撞擊到天線上的電磁能轉變成傳輸線中的信號功率（即無線電頻率電能），并合成到接收器線中的信號功率（即無線電頻率電能），并合成到接收器中。中。q對于簡單的便攜式移動通信設備，天線往往直接和收發信對于簡單的便攜式移動通信設備，天線往往直接和收發信設備裝在一起。設備裝在一起。32.1 天線天線q在雙向通信中，同一天線既可用于發送也可用于接收。天在雙向通信中，同一天線既可用于發送也可用于接收。天線的性能可以用許多參數來衡量。根據互易定理，即天線線的性能可以用許多參數來衡量。根據互易定理，即天線用作發射和接收時進行能量轉換過程的可逆性，它們的

3、參用作發射和接收時進行能量轉換過程的可逆性，它們的參數在發射和在接收時保持不變。因此在研究天線性能時，數在發射和在接收時保持不變。因此在研究天線性能時，有些參數不必指明是發射天線還是接收天線，但有些參數，有些參數不必指明是發射天線還是接收天線，但有些參數，對發射或接收分別有意義。對發射或接收分別有意義。q電磁場理論是天線理論的基礎，麥克斯韋方程組用來描述電磁場理論是天線理論的基礎，麥克斯韋方程組用來描述空間電場與磁場之間的關系。第一個方程確定了當電荷運空間電場與磁場之間的關系。第一個方程確定了當電荷運動和電場變化時產生的磁場，即用全電流定律表示電流與動和電場變化時產生的磁場，即用全電流定律表示

4、電流與磁場強度的關系式。第二個方程式是在法拉第電磁感應定磁場強度的關系式。第二個方程式是在法拉第電磁感應定律的基礎上建立起來的，它說明當磁場隨時間變化時，在律的基礎上建立起來的，它說明當磁場隨時間變化時，在同一空間將引起電場的變化。同一空間將引起電場的變化。 42.1 天線天線q一個發射天線輻射出的功率是全方位的，但并非在所有方一個發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：最簡單的理想化天線輻射模式是各向同性天線，全向天線：最簡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向等功率向外輻射的空中的一個 “點點”，輻射模式是以天，輻射模式是以天線為中心的一個球體，通常采用其三維模式的一個二維剖線為中心的一個球體，通常采用其三維模式的一個二維剖面來描述。面來描述。 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距離。該

6、方向形狀，即圖中每一方向上與天線位置的相對距離。該方向上的相對功率由相對距離描述。因此，可以認為某方向上上的相對功率由相對距離描述。因此，可以認為某方向上從天線原點到平面曲線交點的矢量描繪了該方向上的輻射從天線原點到平面曲線交點的矢量描繪了該方向上的輻射功率。功率。q例如上圖中，對不同的兩個方向例如上圖中，對不同的兩個方向A和和B，全向天線產生在，全向天線產生在所有方向等強度的輻射模式，因而所有方向等強度的輻射模式，因而A向量和向量和B向量等長度。向量等長度。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，說明向量長，說明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。強度大小與向

7、量長度大小成比例。方向上的強。強度大小與向量長度大小成比例。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當天線用于接收時，輻射模式變為接收模式，該模式的最當天線用于接收時，輻射模式變為接收模式，該模式的最長區域指明了最佳的接收方向。長區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度的兩個在同一直線：半波偶極天線由等長度的兩個在同一直線上的導線組成，每根導線長度是可最有效傳輸波長的上的導線組成，每根導線長度是可最有效傳輸波長的1/4。92.1 天線天線w 半波偶極天線半波偶極天線在一個維上具有一致的或全向的輻射模在一個維上具有一致的或全向的輻射模式。另兩個維上具有式。另兩個維上具有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)：汽車無線和便攜無線汽車無線和便攜無線中最常見的天線類型。中最常見的天線類型。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星系統。拋物線是由到一固定直線和不在該直波和衛星系統。拋物線是由到一固定直線和不在該直線上的某一固定點的距離相等的點的軌跡。固定點叫線上的某一固定點的距離相等的點的軌跡。固定點叫焦點焦點 (focus)，固定直線叫準線，固定直線叫準線 (directrix)。122.1 天線天線1

10、32.1 天線天線w 拋物線沿其軸旋轉生成拋物面。穿過拋物面平行于軸拋物線沿其軸旋轉生成拋物面。穿過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圓周。成一個圓周。w 拋物面的特性：如果將一個電磁能源置于拋物面的焦拋物面的特性：如果將一個電磁能源置于拋物面的焦點，且拋物面的表面可反射的話，將產生與軸平行的點，且拋物面的表面可反射的話，將產生與軸平行的波束。波束。w 拋物反射天線的直徑越大，波束定向性越強。拋物反射天線的直徑越大，波束定向性越強。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的。代價的。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，說明該天線，說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。的改進。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。天線有效面積等于天線輸出端的電磁波能力的基本參數。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（接收點單位面入射的平面波的射電流量密度（接收點單位面積和單位頻寬內接收的功率）積和單位頻寬內接收的功率）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，表示接收天線在它是所接收電磁波的方向和頻率的函數，表示接收天線在這個頻率上吸收來自任何特定方向的輻射，并把功率送到這個頻率上吸收來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 有如下有如下的關系的關系 162.1 天線天線式中式中 為為所接收電磁波的波長，所接收電磁波的波長，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一個無損耗的天線若能無反射地吸收所有入射電磁波，則一個無損耗的天線若能無反射地吸收所有入射電磁波

14、，則實際口徑面積即為其有效面積。對于拋物面天線或其他類實際口徑面積即為其有效面積。對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際口徑面積之比，型的面天線，天線的最大有效面積與實際口徑面積之比，稱為天線的表面利用系數。拋物面天線的最大有效面積一稱為天線的表面利用系數。拋物面天線的最大有效面積一般為實際口徑面積般為實際口徑面積 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：一個直徑為：一個直徑為 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，計算其增益。，計算其增益。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波長波長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中的波長傳播特性傳播特性典型環境或應用典型環境或應用ELF3030010000km1000km地波地波電力線；家用控制系電力線；家用控制系統統VF30030001000km100km地波地波模擬電話系統模擬電話系統VLF3k30k100km

16、10km地波：低衰減；地波：低衰減； 高大氣高大氣噪聲級噪聲級長距離導航；航海通長距離導航；航海通信信LF30k300k10km1km地波：白天高衰減；中等地波：白天高衰減；中等的大氣噪聲級的大氣噪聲級長距離導航；航海通長距離導航；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線電；定向；海事無線電；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中的波長傳播特性傳播特性典型環境或應用典型環境或應用HF3M30M100m10m天波：傳輸質量

17、隨天時、天波：傳輸質量隨天時、季節和頻率變化季節和頻率變化業余電臺；軍事通信；業余電臺；軍事通信；長距離飛機和輪船長距離飛機和輪船通信通信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；調幅飛機通信；飛調幅飛機通信；飛機導航機導航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；微波鏈路；雷達；微波鏈路；PCNSHF3G30G10cm1cm直線：大氣衰減直線：大氣衰減衛星通信；雷達；陸衛星通信；雷達；陸地微波鏈路；無線地微波鏈路；無線本地環本地環EHF30G300G10mm1

18、mm直線：大氣衰減直線：大氣衰減無線本地環無線本地環Infrared300G400G1mm770nm直線直線Ir-Lan；消費電子類應；消費電子類應用用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，可以傳播很遠的距離，跨越可視地平線。地地球的輪廓，可以傳播很遠的距離，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地球表面天線

19、發出的信號，由在此頻率范圍的電磁波通過地球表面天線發出的信號，由于衍射效應被電離層（被電離的上層大氣層）反射回地球。于衍射效應被電離層（被電離的上層大氣層）反射回地球。天波信號可以通過多次跳躍實現遠距離傳播。天波信號可以通過多次跳躍實現遠距離傳播。222.2 傳播方式傳播方式q在此頻率范圍的電磁波信號只會以直線傳播，因此轉發和在此頻率范圍的電磁波信號只會以直線傳播，因此轉發和接收天線之間必須處于一個有效的直線范圍內。接收天線之間必須處于一個有效的直線范圍內。232.2 傳播方式傳播方式q由于大氣密度隨高度有所變化，折射效應使得電磁波在接由于大氣密度隨高度有所變化，折射效應使得電磁波在接近地球時

20、產生輕微彎曲，形成無線電地平線近地球時產生輕微彎曲，形成無線電地平線 (Radio Horizon)。242.2 傳播方式傳播方式q沒有障礙物的情況下，光波地平線距離可以表達為沒有障礙物的情況下，光波地平線距離可以表達為3.57dhh 為天線高度。相應的無線電地平線距離可以表達為為天線高度。相應的無線電地平線距離可以表達為k 的經驗值是的經驗值是4/3。故考慮折射因數的調節因子后，高度分。故考慮折射因數的調節因子后，高度分別為別為 h1和和 h2的兩個天線之間直線傳播的最大距離是。的兩個天線之間直線傳播的最大距離是。3.57dkh123.57()Dkhkh252.3 直線傳播的信號損失直線傳播

21、的信號損失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 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q衰減：衰減：信號的強度會隨所跨越的任一傳輸媒介的距離而降信號的強度會隨所跨越的任一傳輸媒介的距離而降低。低

22、。導向介質中信號強度的降低通常與傳輸距離成指數關導向介質中信號強度的降低通常與傳輸距離成指數關系，表示為單位距離的固定分貝數。對于非導向介質，衰系，表示為單位距離的固定分貝數。對于非導向介質，衰減是一個更為復雜的距離函數。減是一個更為復雜的距離函數。q衰減所帶來的三個影響因素：衰減所帶來的三個影響因素：w接收的信號必須有足夠的強度；接收的信號必須有足夠的強度；w與噪聲相比，信號必須維持一種足夠高的水平被無誤與噪聲相比，信號必須維持一種足夠高的水平被無誤差的接收；差的接收；w高頻下的衰減更為嚴重，會引起失真。高頻下的衰減更為嚴重，會引起失真。272.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q自由

23、空間是指相對介電常數和相對導磁率都為自由空間是指相對介電常數和相對導磁率都為1的均勻介的均勻介質所存在的空間，它是一個理想的無限大的空間，是為簡質所存在的空間，它是一個理想的無限大的空間，是為簡化問題研究而提出的一種科學抽象。考察自由空間的無線化問題研究而提出的一種科學抽象。考察自由空間的無線電波傳播時，僅考慮由能量擴散引起的損耗，即接收機和電波傳播時，僅考慮由能量擴散引起的損耗，即接收機和發射機之間是無任何阻擋的視距路徑時的傳播損耗。發射機之間是無任何阻擋的視距路徑時的傳播損耗。q自由空間的無線通信中信號功率會隨距離發散，因此具有自由空間的無線通信中信號功率會隨距離發散，因此具有固定面積的接

24、收天線距離發射天線越遠，接收到的信號功固定面積的接收天線距離發射天線越遠，接收到的信號功率就越低。信號隨著距離的增加在越來越大的面積范圍內率就越低。信號隨著距離的增加在越來越大的面積范圍內散布，這種形式的衰減稱為自由空間損耗，用發射的功率散布，這種形式的衰減稱為自由空間損耗，用發射的功率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 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q圖示的自由空間中，設在原點圖示的自由空間中，設在原點 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，為工作波長，D 為天線的方向性系數，對于各向同為天線的方向性系數，對于各向同性的天線性的天線 D=1，則接收機輸入功率，則接收機輸入功率292.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q接收機輸入功率接收機輸入功率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 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q考慮到發射天線和接收天線的增益（記為考慮到發射天線和接收天線的增益（記為Gt 和和Gr）時，）時， 22222(4)()()ttrrtretereterPddCdLG G PG GA AA A f20lg20lg10lg() 169.54dBeterLfdA AdB q上式表明，可以用天線增益對這部分損耗進行補償。上式表明，可以用天線增益對這部分損耗進行補償。312.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q噪聲分類噪聲分類w熱噪聲熱噪聲 (Thermal Noise)w互調噪聲互調噪聲 (Int

27、ermodulation Noise）w串擾串擾 (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而產生的，存在于所有的電子熱噪聲是由于電子的熱攪動而產生的，存在于所有的電子設備和傳輸媒介中。它是溫度的一個函數，在所跨過的整設備和傳輸媒介中。它是溫度的一個函數，在所跨過的整個頻段上均勻分布，常被稱為白噪聲個頻段上均勻分布，常被稱為白噪聲 (White Noise)。322.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q熱噪聲無法被消除，在通信系統中往往有一個上界。熱噪聲無法被消除，在通信系統中往往有一個上界。q衛星地面站所接收到的信號較弱，因此在

28、衛星通信中熱噪衛星地面站所接收到的信號較弱，因此在衛星通信中熱噪聲的影響特別顯著。聲的影響特別顯著。q在任一設備或導體中在任一設備或導體中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帶寬按瓦特計的噪聲功率密度。帶寬按瓦特計的噪聲功率密度。 k ：Boltzmann 常數，常數，1.3803 10 23 J/K T ：溫度，按開氏溫度（絕對溫標）計算：溫度，按開氏溫度（絕對溫標）計算332.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失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熱噪聲被認為與頻率無關。因此在熱噪聲被認為與頻率無關。因此在 B 赫茲的帶寬上以瓦赫茲的帶寬上以瓦特計的熱噪聲可以表示為：特計的熱噪聲可以表示為： ()NkTB Watt或或10lg10lg10lg ()228.6 10lg10lg ()dBNkTB dB WattTB dB Watt 342.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q例例：一個接收器的有效噪聲溫度：一個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當不同頻率的信號共享相同的傳送介質時當不同頻率的信號共享相同的傳送介質時,就會產生互調噪就會產生互調噪聲。互調噪聲會產生某種合成頻率的信號，這個合成頻率聲。互調噪聲會產生某種合成頻率的信號，這個合成頻率是原來的多個頻率的加和或差。顯然由互調噪聲合成的頻是原來的多個頻率的加和或差。顯然由互調噪聲合成的頻率信號會對原來處于該頻率上的信號產生干擾。率信號會對原來處于該頻率上的信號產生干擾。q收發器和傳輸系統間存在的非線性關系可能導致互調噪聲收發器和傳輸系統間存在的非線性關系可能導致互調噪聲352.3 直線

31、傳播的信號損失直線傳播的信號損失q串擾由于多個信號的互相耦合形成。串擾由于多個信號的互相耦合形成。q串擾與熱噪聲具有同等數量級的干擾作用。在未被正式分串擾與熱噪聲具有同等數量級的干擾作用。在未被正式分配的配的ISM頻帶上，串擾通常占主要地位。頻帶上，串擾通常占主要地位。q脈沖噪聲是一種不規則的脈沖或短時間的噪聲尖峰和相當脈沖噪聲是一種不規則的脈沖或短時間的噪聲尖峰和相當高的振幅組成。如閃電等外部電磁干擾會形成脈沖噪聲。高的振幅組成。如閃電等外部電磁干擾會形成脈沖噪聲。w脈沖噪聲對模擬數據傳輸影響較小。比如會對話音傳脈沖噪聲對模擬數據傳輸影響較小。比如會對話音傳輸產生干擾，但不會丟失可理解性。輸

32、產生干擾，但不會丟失可理解性。w脈沖噪聲在數字數據傳輸中，是一個主要的錯誤源。脈沖噪聲在數字數據傳輸中，是一個主要的錯誤源。362.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失qEb/N0 是每比特信號能量與每赫茲噪聲功率密度（即噪聲是每比特信號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，是表征數字通信功率譜密度）的比值，也稱功率利用率，是表征數字通信系統性能的一個標準質量計量值。系統性能的一個標準質量計量值。q設有一個功率設有一個功率 S(watt, j/s)的信號，以比特率的信號，以比特率 R(bit/s)傳輸二傳輸二進制數字數據。故信號中每比特能量為進制數字數據。故信

33、號中每比特能量為 S/R。00/bES RSNNkTR或或010lg10lg10lg10lg228.6 10lg ()bdB WdBdB WESRkTNSRTdB Watt372.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q在數字通信系統中數字數據的比特差錯率是在數字通信系統中數字數據的比特差錯率是 Eb/N0 的遞減的遞減函數。要保持一個確定的比特差錯率，就需要維持一個確函數。要保持一個確定的比特差錯率，就需要維持一個確定的定的 Eb/N0。從表達式可見，此時如果想提高數據傳輸率，。從表達式可見，此時如果想提高數據傳輸率，則必須增加信號功率。同理，在信號功率和噪聲強度不變則必須增加信號功率。同

34、理，在信號功率和噪聲強度不變的情況下，數據率的增加會導致差錯率的增加。的情況下，數據率的增加會導致差錯率的增加。q與信噪比與信噪比 SNR 的形式相比，的形式相比， Eb/N0 直接給出了與數字帶直接給出了與數字帶寬的依賴關系。寬的依賴關系。010lg228.6 10lg ()bdB WdBESRTdB WattN382.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q例例：信號編碼要求一個比特差錯率為：信號編碼要求一個比特差錯率為 10 4 的通信的的通信的 Eb/N0=8.4dB。設有效噪聲溫度。設有效噪聲溫度 T =290K，數據傳輸率，數據傳輸率2400b/s。要克服熱噪聲，問接收器需要多大

35、的接收信號。要克服熱噪聲，問接收器需要多大的接收信號級（信號功率）？級（信號功率）？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 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q進一步的討論進一步的討論：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 的一個信號內的噪聲功率的一個信號內的噪聲功率 N = N0 BT ，或，或N0 = N/BT 代入表達式得代入表達式得00/bTEBS RS

36、NNNRq上式描述了表達式上式描述了表達式 Eb/N0 和信噪比和信噪比 S/N 之間的關系。之間的關系。402.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q進一步的討論進一步的討論：由香農公式：由香農公式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上式描述了表達式上式描述了表達式 Eb/N0 和頻譜效率和頻譜效率 C/B之間的關系。之間的關系。412.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q水蒸氣和氧氣是產生大氣吸收衰減的主要因素。水蒸氣在水蒸氣和氧氣是產生大氣吸收

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 后衰減會減弱。后衰減會減弱。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 后衰減會后衰減會減弱。減弱。q雨和霧會引起無線電波的散射。雨和霧會引起無線電波的散射。422.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q固定微波中，除了直接的直線傳播外，在穿越大氣時，由固定微波中，除了直接的直線傳播外，在穿越大氣時，由于折射現象，會產生一條彎曲的路徑；還有可能被地面反于折射現象，會產生一條彎曲的路徑；還有可能被地面反射。射。432.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q

38、移動通信中，建筑物和地形的特征決定了反射表面也會有移動通信中，建筑物和地形的特征決定了反射表面也會有所不同。所不同。442.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q產生多徑傳播的三種機制：反射、散射和衍射。產生多徑傳播的三種機制：反射、散射和衍射。452.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q反射：電磁信號遇到相對該信號的波長更大的表面時會發反射：電磁信號遇到相對該信號的波長更大的表面時會發生反射生反射 (Reflection)。反射發生于地球表面、建筑物和墻。反射發生于地球表面、建筑物和墻壁表面等光滑界面處。如地面發射波會產生壁表面等光滑界面處。如地面發射波會產生180度度的相移，的相

39、移，在在LOS傳播中造成較高的信號損耗。傳播中造成較高的信號損耗。q散射：障礙物的尺寸大約等于信號的波長或更小一些時，散射：障礙物的尺寸大約等于信號的波長或更小一些時，會發生散射會發生散射 (Scattering)。散射波產生于粗糙表面、小物。散射波產生于粗糙表面、小物體或其他不規則物體。在實際的通信系統中，樹葉、街道體或其他不規則物體。在實際的通信系統中，樹葉、街道標志和燈柱等都會引發散射。此時一個入信號會被散射成標志和燈柱等都會引發散射。此時一個入信號會被散射成為幾個弱的出信號，影響難以預料。為幾個弱的出信號，影響難以預料。462.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失q衍射：或繞射。在

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

41、達，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)：對數字傳輸影：對數字傳輸影響較大的一個現象。此時脈沖的一個或多個延時副本可響較大的一個現象。此時脈沖的一個或多個延時副本可能會與主脈沖同時到達，這些延時的脈沖對于后來的主能會與主脈沖同時到達，這些延時的脈沖對于后來的主脈沖來說就像是一種噪聲。隨著天線的移動，次要脈沖脈沖來說就像是一種噪聲。隨著天線的移動，次要脈沖的數目、量值和經歷的時間也會發生變化。的數目、量值和經歷的時間也會發生變化。492.3 直線傳播的信號損失直線傳播的信號損失碼間干擾碼間干擾502.4 移動環

42、境中的信號衰落移動環境中的信號衰落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功率隨時間變化的現象。收信號功率隨時間變化的現象。移動環境中的信號衰落的移動環境中的信號衰落的處理是一個技術難題。收發天線之間相對移動，障礙物的處理是一個技術難題。收發天線之間相對移動，障礙物的相對位置也在隨時間改變，由此產生復雜的傳輸效果。相對位置也在隨時間改變，由此產生復雜的傳輸效果。q衰落的類型：衰落的類型：w快速衰落快速衰落 (Fast fading)：由多徑傳播和移動臺運動引由多徑傳播和移動臺運動引起的，所以也稱多徑衰落。起的，所以也稱多徑衰落

43、。 512.4 移動環境中的信號衰落移動環境中的信號衰落w 瑞利衰落瑞利衰落 (Rayleigh fading)：在多徑傳播中，假設有：在多徑傳播中，假設有 N 個多徑信道，它們彼此相互獨立且沒有一個信道的信號個多徑信道，它們彼此相互獨立且沒有一個信道的信號占支配地位，即沒有占支配地位，即沒有 LOS 信號，僅有許多反射波信號。信號，僅有許多反射波信號。接收到的信號包絡的衰落變化服從瑞利分布。其概率密接收到的信號包絡的衰落變化服從瑞利分布。其概率密度函數為：度函數為：222exp()(0)2( )0(0)rrrp rr 其中，其中，r 和和 分別是包絡檢波之前所接收的電壓信號分別是包絡檢波之前

44、所接收的電壓信號的幅度和均方值。的幅度和均方值。522.4 移動環境中的信號衰落移動環境中的信號衰落瑞利分布的概率密度函數瑞利分布的概率密度函數532.4 移動環境中的信號衰落移動環境中的信號衰落w 多普勒頻移多普勒頻移 (Doppler Shift) ：當運動的物體達到一定速當運動的物體達到一定速度時（如超音速飛機），固定點接收到的從運動體發來度時（如超音速飛機），固定點接收到的從運動體發來的載波頻率將隨其運動速度的不同，產生不同的頻移，的載波頻率將隨其運動速度的不同，產生不同的頻移，通常把這種現象稱為多普勒頻移。它可表示為：通常把這種現象稱為多普勒頻移。它可表示為：cosdvf式中，式中，

45、v 為運動速度，為運動速度， 為波長，為波長， 為入射波與運動方為入射波與運動方向的夾角，若朝向入射波方向運動，則向的夾角，若朝向入射波方向運動，則 fd 為正，使接為正，使接收頻率上升；若背向入射波方向運動，則收頻率上升；若背向入射波方向運動，則 fd 為負，使為負，使接收頻率下降。接收頻率下降。 542.4 移動環境中的信號衰落移動環境中的信號衰落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形成電磁場的陰起伏、建筑物及其它障礙物的阻擋會形成電磁場的陰影，從而產生陰影效應。當移動臺通過不同障礙物的影，從而產生陰影效應。當移動臺通過不同障礙物的陰影時，就造成接收場強中值的變化。這種由于陰影陰影時，就造成接收場強中值的變化。這種由于陰影效應導致接收場強中值隨地理位置改變，而出現的