无线通信基础

2019/8/151无线技术基础本部分重点:熟悉并掌握无线电波的基本知识熟悉并掌握天线的基本知识第一部分基本概念基本概念电磁波的概念电磁波的传播什么叫无线电波？无线电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，同时这两者又都垂直于传播方向。基本概念电磁波的概念电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效地传递能量和动量。基本概念电磁波的概念无线电波的极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒质中的传播速度为：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。无线电波在传播时电波会减弱因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。基本概念电磁波的概念传输介质传输介质（通信介质）：计算机用以收发电子/光子信号的物理路径。分类如下：引导性介质（线缆介质）电磁波沿着一个固态介质传播。例如：金属导体、玻璃。非引导性介质（无线介质）提供了传输电磁信号的手段，但不加以引导。例如：大气层、外层空间。无线传输的电磁频谱无线频谱的分配频率统一分配（FCC/ITU_R/各个国家）根据信息类型分配频谱（AM/FM无线电台、TV、蜂窝电话…）工业科学医学频段（ISM）可自由使用但限制功率专用于非许可的商业用途救护车、出租车、无线遥控玩具、无线电家用设备等工业科学医学频段全向传播与定向传播全向传播（Omnidirectional）信号沿所有方向传播可被所有的天线接收发射设备和接收设备不必在物理上对准定向传播（directional）天线把所有的能量集中于一小束电磁波无线电波的传播方式基本概念电磁波的概念直射直射是无线电波在自由空间传播的方式。反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物数目非常巨大时，就会发生散射。反射（reflection）反射：当信号遇到表面大于信号波长的障碍物（地球表面、高建筑物、大型墙面）导致信号的相位发生漂移衍射（Diffraction）衍射：当信号遇到大于波长的不可穿透物的边缘（如无线电波中途遇到的尖锐不规则的边缘物），即使没有来自发送器的视线信号，也可接收到信号。散射（Scattering）散射：当信号遇到波长更小的物体（树叶、街牌、灯柱）就发散成几个弱的出境信号散射（Scattering）散射还与障碍物表面的粗糙度有关。表面越粗糙，越容易引起散射。例如，在户外，树木和路标都会导致移动电话信号的散射。在室内，椅子、书籍和计算机都会导致无线Lan信号的散射。反射、衍射和散射衰落特性基本概念电磁波的概念衰落一般分为快衰落与慢衰落两种慢衰落慢衰落是由接收点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若MS在没有任何障碍物的环境下移动，则某点信号电平与该点和发射机的距离有关。快衰落快衰落是叠加在慢衰落的信号上的，这个衰落的速度很快，每秒钟可达到几十次，除与地形地物有关，还与MS的速度和信号的波长有关，并且幅度可达几十个dB，信号的变化呈瑞利分布，也叫瑞利衰落。信号强度慢衰落快衰落移动台路径对于移动通信的电波传播,其衰落特性由下列已知公式及图示表征---自由空间的传播衰耗：Lbs＝32.45+20lgD(km)+20lgf(MHz)(5)---准平滑地形市区路径传播衰耗中值：Ltt＝Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)(6)Am(f,d)，Hb(hb,d)，Hm(hm,f)为相应的修正因子，其中An(f,d)为基本衰耗中值，Hb(hb,d)为基站天线高度增益因子，Hm(hm,f)为移动天线高度增益因子。衰落特性基本概念电磁波的概念基本概念电磁波的概念准平滑地形高区路径传播衰耗中值基本概念电磁波的概念移动台天线高度增益因子基本概念电磁波的概念基站天线高度增益因子该关系可用式λ＝Ｖ/ｆ表示，其中Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫芝；λ为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数ε约为2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44。波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系基本概念电磁波的概念超短波的传播基本概念电磁波的概念无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段，其高端属于微波。超短波和微波的视距传播超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。超短波和微波的视距传播(续上）基本概念电磁波的概念直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知:AB＝3.57(√HT+√HR)(公里)由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离为:AB＝4.12(√HT+√HR)(公里)BARTRRO'接收天线高HR发射天线高HT电波的多径传播基本概念电磁波的概念电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。电波的多径传播基本概念电磁波的概念电波的绕射传播基本概念电磁波的概念电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为１０米，在距建筑物２００米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物１００米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是２１６～２２３兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱１６分贝，当接收６７０兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱２０分贝。如果建筑物的高度增加到５０米时，则在距建筑物１０００米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。用分集接收改善信号电平基本概念电磁波的概念Blahblahblahblah把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...收集无线电波并产生电信号天线的概念基本概念天线的概念天线的作用就是将传输线中的高频电磁能转化为自由空间的电磁波，或反之将自由空间的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。了解天线的相关性能，必须掌握自由空间中的电磁波相关知识及高频传输的相关知识。天线的作用基本概念天线的概念垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线的极化基本概念天线的概念V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)双极化天线基本概念天线的概念传输两个独立的波，两个天线为一个整体。如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量。圆极化波基本概念天线的概念当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。极化损失基本概念天线的概念隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例。1000mW(即1W)1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB（极化）隔离基本概念天线的概念导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度ｌ远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱.当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。天线辐射电磁波的原理基本概念天线的原理天线可视为一个四端网络基本概念天线的原理基本概念天线的原理同轴线变化为天线两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。波长1/2波长一个1/2波长的对称振子在800MHz约200mm长400MHz约400mm长1/4波长1/4波长1/2波长振子对称振子基本概念天线的概念基本概念天线的原理半波振子上的场分布天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.1＋ｊ42.5）欧姆。当把振子长度缩短３％～５％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。而全长约为一个波长，且折合弯成Ｕ形管形状由中间对称馈电的折合半波振子，可看成是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的四倍，即292欧（标称300欧）。天线的输入阻抗基本概念天线的概念天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。