第2章天线与传播

1、1第第2章章 无线通信原理无线通信原理w 天线；天线；w 无线信号的传播方式；无线信号的传播方式；w 直线传播；直线传播；w 移动环境中的信号衰减。移动环境中的信号衰减。22.1 天线天线q天线可看作一条电子导线或导线系统。用于传输信号时，天线可看作一条电子导线或导线系统。用于传输信号时，该导线系统有效地将传输线送来的来自转发器的高频传导该导线系统有效地将传输线送来的来自转发器的高频传导电流所携带的无线电频率电能转变成电磁能，并辐射到周电流所携带的无线电频率电能转变成电磁能，并辐射到周围环境中（如大气、太空、水等等），形成空间的电磁波。围环境中（如大气、太空、水等等），形成空间的电磁波。用于接

2、收信号时，它将撞击到天线上的电磁能转变成传输用于接收信号时，它将撞击到天线上的电磁能转变成传输线中的信号功率（即无线电频率电能），并合成到接收器线中的信号功率（即无线电频率电能），并合成到接收器中。中。q对于简单的便携式移动通信设备，天线往往直接和收发信对于简单的便携式移动通信设备，天线往往直接和收发信设备装在一起。设备装在一起。32.1 天线天线q在双向通信中，同一天线既可用于发送也可用于接收。天在双向通信中，同一天线既可用于发送也可用于接收。天线的性能可以用许多参数来衡量。根据互易定理，即天线线的性能可以用许多参数来衡量。根据互易定理，即天线用作发射和接收时进行能量转换过程的可逆性，它们的

3、参用作发射和接收时进行能量转换过程的可逆性，它们的参数在发射和在接收时保持不变。因此在研究天线性能时，数在发射和在接收时保持不变。因此在研究天线性能时，有些参数不必指明是发射天线还是接收天线，但有些参数，有些参数不必指明是发射天线还是接收天线，但有些参数，对发射或接收分别有意义。对发射或接收分别有意义。q电磁场理论是天线理论的基础，麦克斯韦方程组用来描述电磁场理论是天线理论的基础，麦克斯韦方程组用来描述空间电场与磁场之间的关系。第一个方程确定了当电荷运空间电场与磁场之间的关系。第一个方程确定了当电荷运动和电场变化时产生的磁场，即用全电流定律表示电流与动和电场变化时产生的磁场，即用全电流定律表示

4、电流与磁场强度的关系式。第二个方程式是在法拉第电磁感应定磁场强度的关系式。第二个方程式是在法拉第电磁感应定律的基础上建立起来的，它说明当磁场随时间变化时，在律的基础上建立起来的，它说明当磁场随时间变化时，在同一空间将引起电场的变化。同一空间将引起电场的变化。 42.1 天线天线q一个发射天线辐射出的功率是全方位的，但并非在所有方一个发射天线辐射出的功率是全方位的，但并非在所有方向上的辐射功率均等。辐射模式以图形化描述天线的性能向上的辐射功率均等。辐射模式以图形化描述天线的性能特性。特性。q全向天线：最简单的理想化天线辐射模式是各向同性天线，全向天线：最简单的理想化天线辐射模式是各向同性天线，也

5、称全向天线也称全向天线 (Isotropic Antenna)。全向天线是沿所有方。全向天线是沿所有方向等功率向外辐射的空中的一个向等功率向外辐射的空中的一个 “点点”，辐射模式是以天，辐射模式是以天线为中心的一个球体，通常采用其三维模式的一个二维剖线为中心的一个球体，通常采用其三维模式的一个二维剖面来描述。面来描述。 52.1 天线天线q图示：全向天线和有向天线辐射模式的二维剖面图。图示：全向天线和有向天线辐射模式的二维剖面图。62.1 天线天线q描述辐射模式的图形大小可以是任意的，重要的是图形的描述辐射模式的图形大小可以是任意的，重要的是图形的形状，即图中每一方向上与天线位置的相对距离。该

6、方向形状，即图中每一方向上与天线位置的相对距离。该方向上的相对功率由相对距离描述。因此，可以认为某方向上上的相对功率由相对距离描述。因此，可以认为某方向上从天线原点到平面曲线交点的矢量描绘了该方向上的辐射从天线原点到平面曲线交点的矢量描绘了该方向上的辐射功率。功率。q例如上图中，对不同的两个方向例如上图中，对不同的两个方向A和和B，全向天线产生在，全向天线产生在所有方向等强度的辐射模式，因而所有方向等强度的辐射模式，因而A向量和向量和B向量等长度。向量等长度。而有向天线中，而有向天线中，B向量要比向量要比A向量长，说明向量长，说明B方向上的辐射方向上的辐射功率比功率比A方向上的强。强度大小与向

7、量长度大小成比例。方向上的强。强度大小与向量长度大小成比例。72.1 天线天线q光束宽度光束宽度 (Beam Width)：也称半功率带宽，是与天线的最：也称半功率带宽，是与天线的最佳（最大）辐射方向的夹角，用于度量天线的方向性。小佳（最大）辐射方向的夹角，用于度量天线的方向性。小于光束带宽方向的辐射功率至少为最佳方向功率的一半。于光束带宽方向的辐射功率至少为最佳方向功率的一半。q当天线用于接收时，辐射模式变为接收模式，该模式的最当天线用于接收时，辐射模式变为接收模式，该模式的最长区域指明了最佳的接收方向。长区域指明了最佳的接收方向。82.1 天线天线q偶极天线偶极天线 (Dipole Ant

8、enna)w 半波偶极天线半波偶极天线 (Half-wave Dipole Antenna/Hertz Antenna)：半波偶极天线由等长度的两个在同一直线：半波偶极天线由等长度的两个在同一直线上的导线组成，每根导线长度是可最有效传输波长的上的导线组成，每根导线长度是可最有效传输波长的1/4。92.1 天线天线w 半波偶极天线半波偶极天线在一个维上具有一致的或全向的辐射模在一个维上具有一致的或全向的辐射模式。另两个维上具有式。另两个维上具有8字形的辐射模式。字形的辐射模式。 102.1 天线天线w 1/4波垂直天线波垂直天线 (Quarter-wave Vertical Antenna /M

9、arconi Antenna)：汽车无线和便携无线汽车无线和便携无线中最常见的天线类型。中最常见的天线类型。112.1 天线天线q抛物反射天线抛物反射天线 (parabolic reflective antenna)w 抛物反射天线是一种重要的天线类型，常用于地面微抛物反射天线是一种重要的天线类型，常用于地面微波和卫星系统。抛物线是由到一固定直线和不在该直波和卫星系统。抛物线是由到一固定直线和不在该直线上的某一固定点的距离相等的点的轨迹。固定点叫线上的某一固定点的距离相等的点的轨迹。固定点叫焦点焦点 (focus)，固定直线叫准线，固定直线叫准线 (directrix)。122.1 天线天线1

10、32.1 天线天线w 抛物线沿其轴旋转生成抛物面。穿过抛物面平行于轴抛物线沿其轴旋转生成抛物面。穿过抛物面平行于轴的横截面形成一条抛物线，与轴垂直相交的横截面形的横截面形成一条抛物线，与轴垂直相交的横截面形成一个圆周。成一个圆周。w 抛物面的特性：如果将一个电磁能源置于抛物面的焦抛物面的特性：如果将一个电磁能源置于抛物面的焦点，且抛物面的表面可反射的话，将产生与轴平行的点，且抛物面的表面可反射的话，将产生与轴平行的波束。波束。w 抛物反射天线的直径越大，波束定向性越强。抛物反射天线的直径越大，波束定向性越强。例如：天线直径例如：天线直径(m) 0.51.5 5.0波束宽度波束宽度( )3.51

11、.166 0.35142.1 天线天线q天线增益天线增益 (Antenna Gain) 是天线定向性的度量。是天线定向性的度量。w天线增益是定义在一特定方向上的功率输出，是天线增益是定义在一特定方向上的功率输出，是天线天线与理想的全向天线在一特定方向上的功率输出的比较。与理想的全向天线在一特定方向上的功率输出的比较。 w在某一特定方向上增加功率是以降低其它方向功率为在某一特定方向上增加功率是以降低其它方向功率为代价的。代价的。w天线增益并不是为了获得比输入功率更高的输出功率，天线增益并不是为了获得比输入功率更高的输出功率，而主要目的是为了定向性。而主要目的是为了定向性。q例：某天线在一给定方向

12、上的增益为例：某天线在一给定方向上的增益为 3dB，说明该天线，说明该天线与全向天线相比在此方向上有与全向天线相比在此方向上有 3dB（或者（或者2倍）倍）的改进。的改进。152.1 天线天线q天线的有效面积天线的有效面积 (Effective area)：表征接收天线接受空间表征接收天线接受空间电磁波能力的基本参数。天线有效面积等于天线输出端的电磁波能力的基本参数。天线有效面积等于天线输出端的功率功率 W 与与入射的平面波的射电流量密度（接收点单位面入射的平面波的射电流量密度（接收点单位面积和单位频宽内接收的功率）积和单位频宽内接收的功率）S 的比值，可表示为：的比值，可表示为：eWAS它是

13、所接收电磁波的方向和频率的函数，表示接收天线在它是所接收电磁波的方向和频率的函数，表示接收天线在这个频率上吸收来自任何特定方向的辐射，并把功率送到这个频率上吸收来自任何特定方向的辐射，并把功率送到输出端的能力，也称为有效口径。天线有效面积与天线输出端的能力，也称为有效口径。天线有效面积与天线增增益益 G 有如下有如下的关系的关系 162.1 天线天线式中式中 为为所接收电磁波的波长，所接收电磁波的波长，C 为光速。全向天线和半为光速。全向天线和半波偶极天线的有效面积分别为波偶极天线的有效面积分别为q一个无损耗的天线若能无反射地吸收所有入射电磁波，则一个无损耗的天线若能无反射地吸收所有入射电磁波

14、，则实际口径面积即为其有效面积。对于抛物面天线或其他类实际口径面积即为其有效面积。对于抛物面天线或其他类型的面天线，天线的最大有效面积与实际口径面积之比，型的面天线，天线的最大有效面积与实际口径面积之比，称为天线的表面利用系数。抛物面天线的最大有效面积一称为天线的表面利用系数。抛物面天线的最大有效面积一般为实际口径面积般为实际口径面积 A 的的5060（典型地，（典型地，0.56A）。 22244eCAGGf24和和21.644172.1 天线天线q例例：一个直径为：一个直径为 2m 的抛物线反射天线，工作频率是的抛物线反射天线，工作频率是12GHz，计算其增益。，计算其增益。q解解：其口径面

15、积是：其口径面积是 20.560.56()eAAm有效面积有效面积 2221()Arm893 100.025 ( )12 10Cmf波长波长故天线增益故天线增益 22244 0.56353360.025eAG或或 GdB = 10lgG = 45.48(dB)182.2 传播方式传播方式q频带表频带表 频带频带频率范围频率范围(Hz)自由空间自由空间中的波长中的波长传播特性传播特性典型环境或应用典型环境或应用ELF3030010000km1000km地波地波电力线；家用控制系电力线；家用控制系统统VF30030001000km100km地波地波模拟电话系统模拟电话系统VLF3k30k100km

16、10km地波：低衰减；地波：低衰减； 高大气高大气噪声级噪声级长距离导航；航海通长距离导航；航海通信信LF30k300k10km1km地波：白天高衰减；中等地波：白天高衰减；中等的大气噪声级的大气噪声级长距离导航；航海通长距离导航；航海通信信MF300k3000k1000m100m地波和晚上的天波：衰减地波和晚上的天波：衰减晚上低白天高；有大晚上低白天高；有大气噪声气噪声海事无线电；定向；海事无线电；定向；AM广播广播192.2 传播方式传播方式频带频带频率范围频率范围(Hz)自由空间自由空间中的波长中的波长传播特性传播特性典型环境或应用典型环境或应用HF3M30M100m10m天波：传输质量

17、随天时、天波：传输质量随天时、季节和频率变化季节和频率变化业余电台；军事通信；业余电台；军事通信；长距离飞机和轮船长距离飞机和轮船通信通信VHF30M300M10m1m直线：散射；宇宙噪声直线：散射；宇宙噪声VHF电视；电视；FM广播；广播；调幅飞机通信；飞调幅飞机通信；飞机导航机导航UHF300M3000M100cm10cm直线：宇宙噪声直线：宇宙噪声UHF电视；蜂窝电话；电视；蜂窝电话；雷达；微波链路；雷达；微波链路；PCNSHF3G30G10cm1cm直线：大气衰减直线：大气衰减卫星通信；雷达；陆卫星通信；雷达；陆地微波链路；无线地微波链路；无线本地环本地环EHF30G300G10mm1

18、mm直线：大气衰减直线：大气衰减无线本地环无线本地环Infrared300G400G1mm770nm直线直线Ir-Lan；消费电子类应；消费电子类应用用Visible Light400G900G770nm330nm直线直线光通信光通信202.2 传播方式传播方式q地波也称表面波。在此频率范围的电磁波的传播基本沿着地波也称表面波。在此频率范围的电磁波的传播基本沿着地球的轮廓，可以传播很远的距离，跨越可视地平线。地地球的轮廓，可以传播很远的距离，跨越可视地平线。地波被大气散射，不能穿越上层大气层。波被大气散射，不能穿越上层大气层。 212.2 传播方式传播方式q在此频率范围的电磁波通过地球表面天线

19、发出的信号，由在此频率范围的电磁波通过地球表面天线发出的信号，由于衍射效应被电离层（被电离的上层大气层）反射回地球。于衍射效应被电离层（被电离的上层大气层）反射回地球。天波信号可以通过多次跳跃实现远距离传播。天波信号可以通过多次跳跃实现远距离传播。222.2 传播方式传播方式q在此频率范围的电磁波信号只会以直线传播，因此转发和在此频率范围的电磁波信号只会以直线传播，因此转发和接收天线之间必须处于一个有效的直线范围内。接收天线之间必须处于一个有效的直线范围内。232.2 传播方式传播方式q由于大气密度随高度有所变化，折射效应使得电磁波在接由于大气密度随高度有所变化，折射效应使得电磁波在接近地球时

20、产生轻微弯曲，形成无线电地平线近地球时产生轻微弯曲，形成无线电地平线 (Radio Horizon)。242.2 传播方式传播方式q没有障碍物的情况下，光波地平线距离可以表达为没有障碍物的情况下，光波地平线距离可以表达为3.57dhh 为天线高度。相应的无线电地平线距离可以表达为为天线高度。相应的无线电地平线距离可以表达为k 的经验值是的经验值是4/3。故考虑折射因数的调节因子后，高度分。故考虑折射因数的调节因子后，高度分别为别为 h1和和 h2的两个天线之间直线传播的最大距离是。的两个天线之间直线传播的最大距离是。3.57dkh123.57()Dkhkh252.3 直线传播的信号损失直线传播

21、的信号损失q引起直线损伤的可能因素引起直线损伤的可能因素w衰减和衰减失真衰减和衰减失真 (Attenuation and Attenuation Distortion)w自由空间损耗自由空间损耗 (Free Space Loss)w噪声噪声 (Noise) 和和热噪声热噪声 (Thermal Noise)w大气吸收大气吸收 (Atmospheric Absorption)w多径多径 (Multipath)w折射折射 (Refraction)262.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q衰减：衰减：信号的强度会随所跨越的任一传输媒介的距离而降信号的强度会随所跨越的任一传输媒介的距离而降低。低

22、。导向介质中信号强度的降低通常与传输距离成指数关导向介质中信号强度的降低通常与传输距离成指数关系，表示为单位距离的固定分贝数。对于非导向介质，衰系，表示为单位距离的固定分贝数。对于非导向介质，衰减是一个更为复杂的距离函数。减是一个更为复杂的距离函数。q衰减所带来的三个影响因素：衰减所带来的三个影响因素：w接收的信号必须有足够的强度；接收的信号必须有足够的强度；w与噪声相比，信号必须维持一种足够高的水平被无误与噪声相比，信号必须维持一种足够高的水平被无误差的接收；差的接收；w高频下的衰减更为严重，会引起失真。高频下的衰减更为严重，会引起失真。272.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q自由

23、空间是指相对介电常数和相对导磁率都为自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为1的均匀介的均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为简质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为简化问题研究而提出的一种科学抽象。考察自由空间的无线化问题研究而提出的一种科学抽象。考察自由空间的无线电波传播时，仅考虑由能量扩散引起的损耗，即接收机和电波传播时，仅考虑由能量扩散引起的损耗，即接收机和发射机之间是无任何阻挡的视距路径时的传播损耗。发射机之间是无任何阻挡的视距路径时的传播损耗。q自由空间的无线通信中信号功率会随距离发散，因此具有自由空间的无线通信中信号功率会随距离发散，因此具有固定面积的接

24、收天线距离发射天线越远，接收到的信号功固定面积的接收天线距离发射天线越远，接收到的信号功率就越低。信号随着距离的增加在越来越大的面积范围内率就越低。信号随着距离的增加在越来越大的面积范围内散布，这种形式的衰减称为自由空间损耗，用发射的功率散布，这种形式的衰减称为自由空间损耗，用发射的功率Pt 与接收到的功率与接收到的功率 Pr 之比表示。之比表示。282.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q图示的自由空间中，设在原点图示的自由空间中，设在原点 O 有一辐射源，均匀地向有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为各方向辐射，辐射功率为 Pt，则距辐射源，则距辐射源 d 处的能流密度处的能流密

25、度为：为：24tPSdq若接收天线有效面积为若接收天线有效面积为 24AD式中式中 为工作波长，为工作波长，D 为天线的方向性系数，对于各向同为天线的方向性系数，对于各向同性的天线性的天线 D=1，则接收机输入功率，则接收机输入功率292.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q接收机输入功率接收机输入功率222244(4)ttrPPPSAddq因此理想全向天线的自由空间损耗因此理想全向天线的自由空间损耗或表示成或表示成2222(4)(4)trPdfdLPC10lg20lg20lg21.98 dB20lg20lg147.56tdBrPLdPfddB q上式表明，自由空间损耗随着频率的增大而增

26、大。上式表明，自由空间损耗随着频率的增大而增大。302.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q考虑到发射天线和接收天线的增益（记为考虑到发射天线和接收天线的增益（记为Gt 和和Gr）时，）时， 22222(4)()()ttrrtretereterPddCdLGG PGGA AA A f20lg20lg10lg() 169.54dBeterLfdA AdB q上式表明，可以用天线增益对这部分损耗进行补偿。上式表明，可以用天线增益对这部分损耗进行补偿。312.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q噪声分类噪声分类w热噪声热噪声 (Thermal Noise)w互调噪声互调噪声 (Inter

27、modulation Noise）w串扰串扰 (Crosstalk)w脉冲噪声脉冲噪声 (Impulse Noise) q热噪声是由于电子的热搅动而产生的，存在于所有的电子热噪声是由于电子的热搅动而产生的，存在于所有的电子设备和传输媒介中。它是温度的一个函数，在所跨过的整设备和传输媒介中。它是温度的一个函数，在所跨过的整个频段上均匀分布，常被称为白噪声个频段上均匀分布，常被称为白噪声 (White Noise)。322.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q热噪声无法被消除，在通信系统中往往有一个上界。热噪声无法被消除，在通信系统中往往有一个上界。q卫星地面站所接收到的信号较弱，因此在卫星

28、通信中热噪卫星地面站所接收到的信号较弱，因此在卫星通信中热噪声的影响特别显著。声的影响特别显著。q在任一设备或导体中在任一设备或导体中1Hz带宽的热噪声可以表示为带宽的热噪声可以表示为0 (/)NkT W HzN0 ：每：每1Hz带宽按瓦特计的噪声功率密度。带宽按瓦特计的噪声功率密度。 k ：Boltzmann 常数，常数，1.3803 10 23 J/K T ：温度，按开氏温度（绝对温标）计算：温度，按开氏温度（绝对温标）计算332.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q例例：在：在 T =17 （或（或290K）的温度下，热噪声的功率）的温度下，热噪声的功率 N0 = 1.3803 1

29、0 23 290 = 4 10 21 (W/Hz) = 204 (dB W/Hz) 分贝瓦分贝瓦/赫兹赫兹q热噪声被认为与频率无关。因此在热噪声被认为与频率无关。因此在 B 赫兹的带宽上以瓦赫兹的带宽上以瓦特计的热噪声可以表示为：特计的热噪声可以表示为： ()NkTB Watt或或10lg10lg10lg ()228.6 10lg10lg ()dBNkTB dB WattTB dB Watt 342.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q例例：一个接收器的有效噪声温度：一个接收器的有效噪声温度 T=294K，带宽，带宽10MHz，则接收器的热噪声输出功率则接收器的热噪声输出功率 7228.

30、6 10lg294 10lg10 ()133.9 ()dBNdB WattdB Watt q当不同频率的信号共享相同的传送介质时当不同频率的信号共享相同的传送介质时,就会产生互调噪就会产生互调噪声。互调噪声会产生某种合成频率的信号，这个合成频率声。互调噪声会产生某种合成频率的信号，这个合成频率是原来的多个频率的加和或差。显然由互调噪声合成的频是原来的多个频率的加和或差。显然由互调噪声合成的频率信号会对原来处于该频率上的信号产生干扰。率信号会对原来处于该频率上的信号产生干扰。q收发器和传输系统间存在的非线性关系可能导致互调噪声收发器和传输系统间存在的非线性关系可能导致互调噪声352.3 直线传播

31、的信号损失直线传播的信号损失q串扰由于多个信号的互相耦合形成。串扰由于多个信号的互相耦合形成。q串扰与热噪声具有同等数量级的干扰作用。在未被正式分串扰与热噪声具有同等数量级的干扰作用。在未被正式分配的配的ISM频带上，串扰通常占主要地位。频带上，串扰通常占主要地位。q脉冲噪声是一种不规则的脉冲或短时间的噪声尖峰和相当脉冲噪声是一种不规则的脉冲或短时间的噪声尖峰和相当高的振幅组成。如闪电等外部电磁干扰会形成脉冲噪声。高的振幅组成。如闪电等外部电磁干扰会形成脉冲噪声。w脉冲噪声对模拟数据传输影响较小。比如会对话音传脉冲噪声对模拟数据传输影响较小。比如会对话音传输产生干扰，但不会丢失可理解性。输产生

32、干扰，但不会丢失可理解性。w脉冲噪声在数字数据传输中，是一个主要的错误源。脉冲噪声在数字数据传输中，是一个主要的错误源。362.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失qEb/N0 是每比特信号能量与每赫兹噪声功率密度（即噪声是每比特信号能量与每赫兹噪声功率密度（即噪声功率谱密度）的比值，也称功率利用率，是表征数字通信功率谱密度）的比值，也称功率利用率，是表征数字通信系统性能的一个标准质量计量值。系统性能的一个标准质量计量值。q设有一个功率设有一个功率 S(watt, j/s)的信号，以比特率的信号，以比特率 R(bit/s)传输二传输二进制数字数据。故信号中每比特能量为进制数字数据。故信号中

33、每比特能量为 S/R。00/bES RSNNkTR或或010lg10lg10lg10lg228.6 10lg ()bdB WdBdB WESRkTNSRTdB Watt372.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q在数字通信系统中数字数据的比特差错率是在数字通信系统中数字数据的比特差错率是 Eb/N0 的递减的递减函数。要保持一个确定的比特差错率，就需要维持一个确函数。要保持一个确定的比特差错率，就需要维持一个确定的定的 Eb/N0。从表达式可见，此时如果想提高数据传输率，。从表达式可见，此时如果想提高数据传输率，则必须增加信号功率。同理，在信号功率和噪声强度不变则必须增加信号功率。同理，

34、在信号功率和噪声强度不变的情况下，数据率的增加会导致差错率的增加。的情况下，数据率的增加会导致差错率的增加。q与信噪比与信噪比 SNR 的形式相比，的形式相比， Eb/N0 直接给出了与数字带直接给出了与数字带宽的依赖关系。宽的依赖关系。010lg228.6 10lg ()bdB WdBESRTdB WattN382.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q例例：信号编码要求一个比特差错率为：信号编码要求一个比特差错率为 10 4 的通信的的通信的 Eb/N0=8.4dB。设有效噪声温度。设有效噪声温度 T =290K，数据传输率，数据传输率2400b/s。要克服热噪声，问接收器需要多大的接

35、收信号。要克服热噪声，问接收器需要多大的接收信号级（信号功率）？级（信号功率）？q解解：代入公式：代入公式解得解得 SdB W = 161.8 dB W010lg228.6 10lg ()bdB WdBESRTdB WattN8.410lg2400228.6 10lg290dB WS即：即：392.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q进一步的讨论进一步的讨论：考虑到：考虑到 N0 描述了噪声功率密度，则具有描述了噪声功率密度，则具有带宽带宽 BT 的一个信号内的噪声功率的一个信号内的噪声功率 N = N0 BT ，或，或N0 = N/BT 代入表达式得代入表达式得00/bTEBS RSN

36、NNRq上式描述了表达式上式描述了表达式 Eb/N0 和信噪比和信噪比 S/N 之间的关系。之间的关系。402.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q进一步的讨论进一步的讨论：由香农公式：由香农公式C = Blog2(1+S/N)得得S/N = (2C/B 1)用用 B 与与 C 分别替换分别替换 BT与与R，得到：，得到： /0(21)C BbTEBSBNN RCq上式描述了表达式上式描述了表达式 Eb/N0 和频谱效率和频谱效率 C/B之间的关系。之间的关系。412.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q水蒸气和氧气是产生大气吸收衰减的主要因素。水蒸气在水蒸气和氧气是产生大气吸收衰

37、减的主要因素。水蒸气在22GHz 附近形成吸收峰值，低于附近形成吸收峰值，低于 22GHz 后衰减会减弱。后衰减会减弱。氧气在氧气在 60GHz 附近形成吸收峰值，低于附近形成吸收峰值，低于 30GHz 后衰减会后衰减会减弱。减弱。q雨和雾会引起无线电波的散射。雨和雾会引起无线电波的散射。422.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q固定微波中，除了直接的直线传播外，在穿越大气时，由固定微波中，除了直接的直线传播外，在穿越大气时，由于折射现象，会产生一条弯曲的路径；还有可能被地面反于折射现象，会产生一条弯曲的路径；还有可能被地面反射。射。432.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q移

38、动通信中，建筑物和地形的特征决定了反射表面也会有移动通信中，建筑物和地形的特征决定了反射表面也会有所不同。所不同。442.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q产生多径传播的三种机制：反射、散射和衍射。产生多径传播的三种机制：反射、散射和衍射。452.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q反射：电磁信号遇到相对该信号的波长更大的表面时会发反射：电磁信号遇到相对该信号的波长更大的表面时会发生反射生反射 (Reflection)。反射发生于地球表面、建筑物和墙。反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面等光滑界面处。如地面发射波会产生壁表面等光滑界面处。如地面发射波会产生180度度的相移，的相移

39、，在在LOS传播中造成较高的信号损耗。传播中造成较高的信号损耗。q散射：障碍物的尺寸大约等于信号的波长或更小一些时，散射：障碍物的尺寸大约等于信号的波长或更小一些时，会发生散射会发生散射 (Scattering)。散射波产生于粗糙表面、小物。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。此时一个入信号会被散射成标志和灯柱等都会引发散射。此时一个入信号会被散射成为几个弱的出信号，影响难以预料。为几个弱的出信号，影响难以预料。462.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q衍射：或绕射。在一

40、个难以穿透的比信号波长大的物体的衍射：或绕射。在一个难以穿透的比信号波长大的物体的边界处会产生信号衍射边界处会产生信号衍射 (Diffraction)。 此时无线电波以此此时无线电波以此边界为源向不同的方向传播。即使收发天线间不存在边界为源向不同的方向传播。即使收发天线间不存在LOS路径，接收天线仍然可以接收到电磁信号。路径，接收天线仍然可以接收到电磁信号。 472.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失多径传播多径传播482.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失q多径传播的影响多径传播的影响w 相位叠加：一个信号的多个副本在不同的相位抵达，可相位叠加：一个信号的多个副本在不同的相位抵达

41、，可能造成信噪比下降。能造成信噪比下降。w 码间干扰码间干扰 (Intersymbol interference, ISI)：对数字传输影：对数字传输影响较大的一个现象。此时脉冲的一个或多个延时副本可响较大的一个现象。此时脉冲的一个或多个延时副本可能会与主脉冲同时到达，这些延时的脉冲对于后来的主能会与主脉冲同时到达，这些延时的脉冲对于后来的主脉冲来说就像是一种噪声。随着天线的移动，次要脉冲脉冲来说就像是一种噪声。随着天线的移动，次要脉冲的数目、量值和经历的时间也会发生变化。的数目、量值和经历的时间也会发生变化。492.3 直线传播的信号损失直线传播的信号损失码间干扰码间干扰502.4 移动环境

42、中的信号衰落移动环境中的信号衰落q衰落衰落 (Fading) 指因传输媒介或传输路径的改变而引起接指因传输媒介或传输路径的改变而引起接收信号功率随时间变化的现象。收信号功率随时间变化的现象。移动环境中的信号衰落的移动环境中的信号衰落的处理是一个技术难题。收发天线之间相对移动，障碍物的处理是一个技术难题。收发天线之间相对移动，障碍物的相对位置也在随时间改变，由此产生复杂的传输效果。相对位置也在随时间改变，由此产生复杂的传输效果。q衰落的类型：衰落的类型：w快速衰落快速衰落 (Fast fading)：由多径传播和移动台运动引由多径传播和移动台运动引起的，所以也称多径衰落。起的，所以也称多径衰落。

43、 512.4 移动环境中的信号衰落移动环境中的信号衰落w 瑞利衰落瑞利衰落 (Rayleigh fading)：在多径传播中，假设有：在多径传播中，假设有 N 个多径信道，它们彼此相互独立且没有一个信道的信号个多径信道，它们彼此相互独立且没有一个信道的信号占支配地位，即没有占支配地位，即没有 LOS 信号，仅有许多反射波信号。信号，仅有许多反射波信号。接收到的信号包络的衰落变化服从瑞利分布。其概率密接收到的信号包络的衰落变化服从瑞利分布。其概率密度函数为：度函数为：222exp()(0)2( )0(0)rrrp rr 其中，其中，r 和和 分别是包络检波之前所接收的电压信号分别是包络检波之前所

44、接收的电压信号的幅度和均方值。的幅度和均方值。522.4 移动环境中的信号衰落移动环境中的信号衰落瑞利分布的概率密度函数瑞利分布的概率密度函数532.4 移动环境中的信号衰落移动环境中的信号衰落w 多普勒频移多普勒频移 (Doppler Shift) ：当运动的物体达到一定速当运动的物体达到一定速度时（如超音速飞机），固定点接收到的从运动体发来度时（如超音速飞机），固定点接收到的从运动体发来的载波频率将随其运动速度的不同，产生不同的频移，的载波频率将随其运动速度的不同，产生不同的频移，通常把这种现象称为多普勒频移。它可表示为：通常把这种现象称为多普勒频移。它可表示为：cosdvf式中，式中，v

45、 为运动速度，为运动速度， 为波长，为波长， 为入射波与运动方为入射波与运动方向的夹角，若朝向入射波方向运动，则向的夹角，若朝向入射波方向运动，则 fd 为正，使接为正，使接收频率上升；若背向入射波方向运动，则收频率上升；若背向入射波方向运动，则 fd 为负，使为负，使接收频率下降。接收频率下降。 542.4 移动环境中的信号衰落移动环境中的信号衰落w慢速衰落慢速衰落 (Slow fading)：电波在传播路径上遇到地形电波在传播路径上遇到地形起伏、建筑物及其它障碍物的阻挡会形成电磁场的阴起伏、建筑物及其它障碍物的阻挡会形成电磁场的阴影，从而产生阴影效应。当移动台通过不同障碍物的影，从而产生阴影效应。当移动台通过不同障碍物的阴影时，就造成接收场强中值的变化。这种由于阴影阴影时，就造成接收场强中值的变化。这种由于阴影效应导致接收场强中值随地理位置改变，而出现的