无线通信基础

1、关于无线通信基础第一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月1提问平均信号强度(大尺度衰落)和小尺度衰落 大尺度衰落：反映信号的平均功率随距离增大而产生的缓慢变化，包括大尺度路径损耗和阴影衰落，主要影响通信距离或覆盖范围。 慢衰落 小尺度衰落：主要表现为多径衰落，反映数十个波长区间内信号功率的快变化，是影响接收信号质量的主要因素。快衰落1、无线信道的传播特征主要从哪两个方面加以描述的？ 2、什么是大尺度衰落？什么是小尺度衰落？对通信系统 有什么影响？第二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2地球表面波传播、天波传播和空间波传播。三个不同的区域：近场区、中间区和远场区。阴影效应； 多径效

2、应；远近效应；多普勒效应。 3、在无线通信系统中，对接收信号影响比较严重的四种 效应是什么？ 4、辐射体向空间辐射电磁场，依据其空间特性不同， 可以将其划分为哪三个不同的区域？5、依据不同的频率，无线电波在空间有哪三种基本传播 方式？提问第三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月32.2 大尺度路径损耗2.2.1 概述电磁波传播模型的研究重点： 1、预测发射机在一定距离处的平均接收信号强度(或路径损耗)； 预测平均信号强度描述的是发射机与接收机之间长距离上的信号强度变化，这种模型称为大尺度传播模型。用于估计无线信号覆盖范围的传播模型。 2、对特定位置附近信号强度变化进行分析。 无线通信系统

3、工作的地形多种多样，所以，一种单一的传播模型是无法准确描述收发机之间电波的传播特性，需要根据不同的地域环境使用几种不同的模型。第四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4为了建立比较贴合实际的大尺度损耗模型，需要将不同的地域环境根据地形起伏或地物高度、密度进行分类。1、根据地形起伏情况，分成中等起伏地形和不规则地形两大类。 中等起伏地形：指在无线传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20米，并且起伏缓慢，起伏地形最高点与最低点之间的水平距离大于它们之间的高度差。 不规则地形：如水路混合地形、孤立的山岳、丘陵地等。 通常以中等起伏地形作为研究基准，其他情况下的传播模型则通过对基准情况模型

4、进行修正得到。第五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月52、按服务区域的人口密度、建筑物密度及高度、经济发展水平及前景等情况进行分类，无线覆盖区域可以划分成如下类型：大城市、中等城市、小城镇和农村。 建筑物的密度与高度对电波传播会产生两方面的影响：1、高大密集的建筑物对电波传播会产生反射、散射、能量吸收等，这些因素综合起来会加快电波传播的大尺度损耗；2、高大建筑物还会造成电波阴影，阴影区的信号强度可能会非常弱。这些地域类型的具体描述如表2-2所示。第六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月6表2-2 无线覆盖区域类型划分第七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月73. 按照地物的

5、密集程度不同可以分为三类地区：开阔地：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，如有少量的低层房屋或小树林等市区：有较密集的建筑物和高层楼房第八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月82.2.2 自由空间传播模型 电波向周围空间扩散传播时，距离越远，单位面积上所接收的能量就越少，这种电波扩散引起的衰耗称为自由空间传播损耗。 自由空间传播模型的作用：用于预测接收机和发射机之间完全无遮挡时的视线路径接收信号强度。 自由空间传播的条件：理想的均匀介质；无阻挡、无反射、无绕射、无散射，无吸收。第九张，P

6、PT共四十七页，创作于2022年6月9通常可以把满足以下条件的空间近似视为自由空间：a) 地面上空大气层是各向同性的均匀介质b) 无损耗的无限大空间（只有传播损耗） 如卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传播。 直射波可近似按自由空间传播模型进行预测，是电磁波传播的最简单情况。 Friis公式给出了在自由空间中，距发射机d 处接收天线的接收功率。第十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月10Ptd发射天线为全向均匀辐射，发射功率为Pt ，则以发射源为中心，d为半径的球面上单位面积功率为：S Pt / 4 d2 发射天线增益：Gt发射天线在距离d处的辐射功率密度为Friis公式（1

7、）：定义信号强度随着距离的平方成反比衰减。（2-2-1）第十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月11 接收天线有效面积：Ae = Gr 2 / 4 其中：Gr为接收天线增益， 为信号波长。自由空间中距发射机d处天线的接收功率为：其中：Pt为发射功率；Gt是发射天线增益 Pr为接收功率；Gr是接收天线增益 d是T-R间距离，单位为m； 为波长，单位为m；（2-2-2）第十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月12工程上常用的dB为单位，正值表示衰减，则式(2-2-3)可写成式（2-2-4）说明，对于自由空间的电磁波传播，距离增加一倍时，传播衰减增加6 dB(20lg2dB)；传播距

8、离增加到10倍时，衰减增加20 dB。（2-2-4）（2-2-3）自由空间的传播衰减为接收功率衰减与距离的关系为20dB/十倍程第十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月13Friis公式（2）：适用范围Friis自由空间传播模型仅适用于天线远场区。【定义】远场区为接收天线与发射天线的距离df 满足下列条件的区域： df D 和 df 远场距离df 计算公式：（D为天线的最大物理线性尺寸）第十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月14参考距离 T-R以距离d0作为接收功率的参考点。得到距离为d处的接收功率Pr与距离为d0的接收功率Pr(d0)的关系：d0必须满足远场区条件。 Pr(

9、d0)可以用式（2-2-2）预测得到（2-2-5）第十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月15以dBm为单位表示时，式（2-2-5）变为式中，Pr（d0）的单位为mW。（2-2-6）在实际常用的移动通信系统中（频率在12 GHz附近），室内环境参考距离典型值取1 m，室外环境取100 m或1 km。这样选取参考距离后，式（2-2-5）和式（2-2-6）中的分子就是10的倍数，这使得以dB为单位的传播损耗计算很容易。第十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月16明确几个常用单位：单位dB：dBW表示大于或小于1瓦的分贝数：dBmW（dBm）表示大于或小于1毫瓦的分贝数：0dBm =

10、 10lg(1mW)0dBW =10lg(1W)(是个相对值，表示两个量的相对大小关系)(表示功率绝对值的单位)0dBW =10lg(1W)= 10lg(1000mW)=30dBm30dBm-0dBm=30dB第十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月17例子1 假设发射机和接收机为单位增益天线，发射机的发射功率 为50W。 A) 将其换算成dBm；B) 将其换算成dBW；C) 如果d0=100m的接收功率为0.0035mW，请问 10km处的接收功率是多少？第十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月18解A) Pt (W) =50W. Pt (dBm) = 10lgPt (mW)

11、/1mW)Pt (dBm) = 10lg(50*1000)Pt (dBm) = 47 dBmB)Pt (dBW) = 10lgPt (W)/1W)Pt (dBW) = 10lg(50)Pt (dBW) = 17 dBW第十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月19C)Pr(d) = Pr(d0)(d0/d)2将已知量代入公式可得： Pr(10km) = Pr(100m) *(100m/10km)2Pr(10km) = 0.0035mW *(10-4)Pr(10km) = 3.5x10-10WPr(10km) dBm = 10lg(3.5x10-10W/1mW) = 10lg(3.5x10

12、-7) = -64.5dBm第二十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月20 例题2：发射机和接收机均为单位增益天线，发射机的功率为50W，载频为900MHz。 求自由空间中距离天线100m和10Km处的接收功率为多少dBm？第二十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月21 例题2：发射机和接收机均为单位增益天线，发射机的功率为50W，载频为900MHz。 求自由空间中距离天线100m和10Km处的接收功率为多少dBm？解：100m处的接收功率为10km处的接收功率为第二十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月22例2-2 一个发射机通过天线发射出去的功率为1 W，载波频率为2

13、.4 GHz，如果收发天线的增益均为1.6，收发天线之间的距离为1.6 km。请问：（1） 接收天线的接收功率是多少（dBm）？（2） 路径损耗为多少？（3） 传播时延为多少？解：已知Pt=1 W， Gt=Gr=1.6， f=2.4 GHz， d=1.6 km。（1） 以dBm表示发射功率为第二十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月23取参考距离为100 m，利用式（2-2-4）求得参考点的功率为根据式（2-2-6），接收天线在1.6 km处的接收功率为电磁波波长为第二十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月24（2） 以dBm为单位时，根据式（2-2-4），路径损耗为 （3）

14、传播时延为也可直接计算第二十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月252.2.3 辐射电场与功率的关系1、辐射电场与接收功率的关系远区辐射场的电场与磁场方向相互垂直，电场幅度与磁场幅度之比称为电磁波的波阻抗。用表示:为自由空间固有阻抗 磁导率 介电常数 第二十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月26则自由空间中的能流密度为(即天线在该点处的辐射功率密度)则距离发射天线d处的接收天线的接收功率为 式（2-2-8）就把接收点的辐射电强与接收功率联系起来了。能流密度指单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量。 （2-2-7）(W/m2)（2-2-8）(W)第二十七张，PPT共四十七

15、页，创作于2022年6月272、接收机输入电压与接收功率之间的关系 Vant天线的感应电势Rant接收天线的等效内阻Rin接收机的输入电阻Vin接收机的输入电压显然， Vin Vant图2-12 接收机的等效电路（2-2-9）当接收机与天线匹配连接时， Rin=Rant，接收机功率最大 式（2-2-9）给出了接收机输入电压与天线接收功率之间的关系注意：无负载时， Vin =Vant第二十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月28例2-3 假设发射机在自由空间以50 W功率发射，载频为900 MHz，Gt=1, Gr=2，接收天线阻抗为50 的纯电阻。假设无线通信系统处于最佳接收状态，并且

16、接收机与接收天线理想匹配。试求：（1） 10km处接收机收到的功率；（2） 接收天线的感应电场幅度；（3） 接收机的输入电压。第二十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月29解：已知Pt=50 W, fc=900 MHz, Gt=1, Gr=2，接收天线的50 纯实数阻抗与接收机匹配。（1） 先计算电磁波的波长：所以10 km处的接收功率为用dBW或dBm为单位表示则有：Pr(d)=10 lg(7.0361010)91.5 dBW=61.5 dBm第三十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月30(2) 用式（2-2-8）计算接收电场幅度: (3) 用式（2-2-9）计算接收机输入电压

17、为:（2-2-8）(W)（2-2-9）第三十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月31作业： 有一室内无线局域网，载波频率900MHz，小区半径10m，使用单位增益天线。在自由空间路径损耗模型下，若要求小区内所有终端的最小接收功率为10W，则发射功率应该是多大？若工作频率换为5GHz，相应的所需发射功率又为多少？ P73-74 2-7、2-8第三十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月322.2.4 电磁波基本传播机制 自由空间传播是电磁波传播的最简单情况。 实际情况下，电磁波传播路径上一般存在不同的障碍物，发生反射、透射、绕射（也叫衍射）和散射等。第三十三张，PPT共四十七页，创

18、作于2022年6月331. 电磁波的反射和透射反射的条件：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面的尺寸远大于电波的波长时，产生反射。 假设平面波入射到两种电介质的交界面，会发生反射和透射： a)若第二介质为理想导体，则仅有反射，无透射，无损耗；b)若是非理想电介质，则有能量损耗。 反射波与传输波的电场强度取决于反射系数R和透射系数；反射系数与介质的属性有关，并且与电波的极化方式、入射角、频率有关。第三十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月342. 地面反射和传播环境对功率衰减的影响（地面反射双线模型） 在移动无线信道中，MS和BS之间很少存在单一LOS传播，所以只考虑了直射

19、波的自由空间模型在很多情况下不能正确地预测大尺度衰减情况。 在存在直射波的情况下，无线通信的双线模型能够准确地预测几千米通信范围的大尺度信号衰落。适用于农村和城郊等比较平坦、开阔的传播环境，并且对城区微蜂窝环境下的LOS链路也比较准确。 该模型以几何光学为基础，考虑了直射、反射路径。并且认为地面发生全反射，反射前后信号相位相差180，反射系数R=-1。第三十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月35假设发射机和接收机均处于地平线上，其中间是平坦的地面。电磁波的传播路径有两条：1、与自由空间传播相同的LOS（视线路径），2、经地面反射后到达接收机的路径。 这两条路径的传播距离是不相同的，使

20、得同时到达接收机的两路信号之间存在相位差，从而对传播衰减产生影响。图2-14 无线传播环境下的双线模型第三十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月36直线传播距离：反射路径传播距离： 双线模型第三十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月37则d1与d2的路径差d为（2-2-16）第三十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月38并参考式（2-2-5）中引入参考点距离d0的思想，可以导出经直射路径到达接收机的信号电场强度为 式中，k=2/，为自由空间波数； E0为距发射机参考距离d0处的电场强度。（2-1-1）远场区辐射电场表达式第三十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月39则经反射路径到达接收机的信号电场强度可以表示为 由于反射系数R=1，因此接收信号总的场强为（2-2-14）在全反射的情况下，由于d1和d2相差不大，和的差别对信号幅度的影响就可以忽略，可以认为 但是，对于处在相位项上的d1和d2可能产生对信号幅度有很大影响的相位差 ，故其距离差不能忽略。第四十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月40将d2=d1+d代入式（2-2-14）得