wireless material-physical layer

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。wireless material-physical layer地波、天波、自由空間傳播地波、天波、自由空間傳播無(wú)線信道中有中、長(zhǎng)地表面波傳播（其損耗隨頻率升高而急劇增大，傳播距離迅速減小，因此在VHF和UHF頻段地表面波的傳播可以忽略不計(jì)），短波電離層反射傳播，超短波和微波直射傳播以及各種散射傳播。在VLF、LF和MF波段，無(wú)線電波沿著地面?zhèn)鬏?，傳輸距離較遠(yuǎn)，稱(chēng)為地波。在HF、VHF波段，地面波會(huì)被地球吸收。然而，到達(dá)電離層的波可以被電離層反射回來(lái)，再送回到地球上。在某些特定的大氣條件下，信號(hào)可以被反

2、彈多次，稱(chēng)為天波。自由空間傳播指天線周?chē)鸀闊o(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。實(shí)際情況下，只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，傳播路徑上沒(méi)有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，這樣的情況下，電波可視作在自由空間傳播。天線短波通信是指波長(zhǎng)米（頻率為）的電磁波進(jìn)行的無(wú)線電通信。短波通信傳輸信道具有變參特性，電離層易受環(huán)境影響，處于不斷變化當(dāng)中，因此，其通信質(zhì)量不如其它通信方式如衛(wèi)星、微波、光纖好。短波通信系統(tǒng)的效果好壞，主要取決于所使用電臺(tái)性能的好壞和天線的帶寬、增益、駐波比、方向性等因素。近年來(lái)短波電臺(tái)隨著新技術(shù)提高發(fā)展很快，實(shí)現(xiàn)了

3、數(shù)字化、固態(tài)化、小型化，但天線技術(shù)的發(fā)展卻較為滯后。由于短波比超短波、衛(wèi)星、微波的波長(zhǎng)長(zhǎng)，所以，短波天線體積較大。在短波通信中，選用一個(gè)性能良好的天線對(duì)于改善通信效果極為重要。下面簡(jiǎn)單介紹短波天線如何選型和幾種常用的天線性能。一、 衡量天線的性能因素 天線是無(wú)線通信系統(tǒng)最基本部件，決定了通信系統(tǒng)的特性。不同的天線有不同的輻射類(lèi)型、極性、增益以及阻抗。輻射類(lèi)型：決定了輻射能量的分配，是天線所有特性中最重要的因素，它包括全向型和方向型。極性：極性定義了天線最大輻射方向電氣矢量的方向。垂直或單極性天線（鞭天線）具有垂直極性，水平天線具有水平極性。增益：天線的增益是天線的基本屬性，可以衡量天線的優(yōu)劣。

4、增益是指定方向上的最大輻射強(qiáng)度與天線最大輻射強(qiáng)度的比值，通常使用半波雙極天線作為參考天線，其它類(lèi)型天線最大方向上的輻射強(qiáng)度可以與參考天線進(jìn)行比較，得出天線增益。一般高增益天線的帶寬較窄。阻抗和駐波比（）：天線系統(tǒng)的輸入阻抗直接影響天線發(fā)射效率。當(dāng)駐波比（）：時(shí)沒(méi)有反射波，電壓反射比為。當(dāng)大于時(shí)，反射功率也隨之增加。發(fā)射天線給出的駐波比值是最大允許值。例如：為：時(shí)意味著，反射功率消耗總發(fā)射功率的，信號(hào)損失。為：時(shí)，損失功率，信號(hào)降低。二、 常用短波天線性能  方向性天線、簡(jiǎn)單的雙極天線適用于短距離通信，但短波遠(yuǎn)距離通信信號(hào)微弱，甚至被各種噪音淹沒(méi)時(shí)，天線就需要選擇比雙極天線增益更高的天

5、線。理想方向性天線在工作方向上具有很高增益而無(wú)用方向上增益為。三、 不同環(huán)境下天線選型 固定站間遠(yuǎn)近距離通訊 由于固定站間通訊方向是固定不變的，所以一般采用高增益，方向性強(qiáng)的短波天線。通信距離在公里，可使用高增益，低仰角對(duì)數(shù)周期天線（），但天線價(jià)格昂貴。在實(shí)踐中短波自適應(yīng)電臺(tái)配這種天線，可基本實(shí)現(xiàn)北京至昆明，烏魯木齊甚至拉薩全天候通信。如果通信質(zhì)量要求不是太高也可使用價(jià)格相對(duì)便宜的天線如八木天線、長(zhǎng)線天線，但長(zhǎng)線天線需用天調(diào)。距離在以?xún)?nèi)時(shí)采用水平雙極天線可取得較好效果，但水平雙極天線占地較大，中心站電臺(tái)較多不適合布天線陣。 固定站與移動(dòng)站間通訊 由于移動(dòng)

6、站在運(yùn)動(dòng)中，通訊方向不固定，所以中心站的天線應(yīng)選用全向天線，例如，多膜短波寬帶天線或配有天線調(diào)諧器的鞭狀天線。多膜天線雖然價(jià)格較貴，但是一個(gè)天線竿上可以繞三副天線（倆副高仰角天線，一副低仰角天線）遠(yuǎn)、近距離通信均可兼顧。中心站也可用鞭狀天線，鞭狀天線的仰角低，近距（-公里）通信困難，遠(yuǎn)距離（-公里）只要頻率合適，通信效果較好。移動(dòng)站天線由于安裝面的限制，多采用鞭狀天線，國(guó)內(nèi)有時(shí)用柵網(wǎng)、雙環(huán)、三環(huán)天線。遠(yuǎn)距離通信時(shí)，鞭狀天線豎直，近距離通信則可以放置為倒“”型，這樣使用增加了天線的垂直輻射面，可以提高發(fā)射效率。只要天線的發(fā)射角、電臺(tái)的工作頻率合適，可以克服短波盲區(qū)（-公里）的通信困難。 

7、;補(bǔ)充一點(diǎn)：關(guān)于天線增益的描述（dBd和dBi）天線增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來(lái)理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)，如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20（倍） 的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需 100 /

8、60;20 = 5W。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G = 2.15 dBi；4個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子 沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi  ( dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。如果以半波對(duì)稱(chēng)振子作比較對(duì)象，則增益的單位是dBd .半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G = 0 dBd （

9、因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得零值。） ； 垂直四元陣，其增益約為G = 8.15  2.15 = 6 dBd ?；緜鞑C(jī)制（反射、繞射、散射）當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)發(fā)生反射，反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無(wú)線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)發(fā)生繞射。由阻擋表面產(chǎn)生的二次波散布于空間，甚至于阻擋體的背面。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間不存在視距途徑，圍繞阻擋體也產(chǎn)生波的彎曲。在高頻波段，繞射和反射一樣，依賴(lài)于物體的形狀，以及繞射點(diǎn)入射波的振幅、相位和極化情況。當(dāng)波穿

10、行的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大的時(shí)，發(fā)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，樹(shù)葉、街道標(biāo)志和燈柱等會(huì)產(chǎn)生散射。慢衰落接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)中值在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的緩慢變化成為慢衰落，一種典型的慢衰落就是陰影衰落。這是由于電波在傳播路徑上遇到障礙物就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影區(qū)，當(dāng)移動(dòng)用戶(hù)通過(guò)不同的陰影區(qū)時(shí)，就會(huì)引起中值變化。在相同的收發(fā)距離情況下，不同位置的周?chē)h(huán)境差別非常大，由于陰影效應(yīng)，導(dǎo)致路徑損耗為隨機(jī)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布（lognormal distribution）。可見(jiàn)，陰影衰落是隨位置的較大變化（數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)波長(zhǎng)以上的變化，而非數(shù)個(gè)波長(zhǎng)以?xún)?nèi)

11、的位置變化）而造成的緩慢衰落，亦稱(chēng)地形衰落或位置衰落。快衰落移動(dòng)臺(tái)在移動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)除了其場(chǎng)強(qiáng)中值隨位置發(fā)生慢衰落外，信號(hào)的振幅在數(shù)個(gè)波長(zhǎng)以?xún)?nèi)還有著迅速的隨機(jī)變化，其變化范圍可以達(dá)到數(shù)十分貝，這就是快衰落。這是由于電波在沿地表傳播中會(huì)受到各種阻礙物的反射、散射和吸收，實(shí)際到達(dá)接收天線處的電波除了來(lái)自發(fā)射天線的直射波外，還存在來(lái)自各種物體（包括地面）的反射波和散射波，反射波和散射波在接收天線處形成干涉場(chǎng)。此外，在無(wú)線通信中，還存在因移動(dòng)臺(tái)的快速移動(dòng)而劃過(guò)電波的波節(jié)和波腹的駐波現(xiàn)象及由于多普勒效應(yīng)而造成的相移。凡此種種原因，就使得實(shí)際移動(dòng)臺(tái)接收到的場(chǎng)強(qiáng)在振幅和相位上均隨時(shí)隨地在急驟變化，使信號(hào)很不

12、穩(wěn)定，這就是天線電波的衰落現(xiàn)象，其中隨時(shí)間急驟變化的部分（以毫秒計(jì)）稱(chēng)為“快衰落”和短期衰落。在實(shí)際移動(dòng)信道中，散射體很多，所以接受信號(hào)是由多個(gè)電波合成的。直射波、反射波或散射波在接收地點(diǎn)形成干涉場(chǎng)，使信號(hào)產(chǎn)生深度且快速的衰落。產(chǎn)生快衰落的原因有兩個(gè)，多徑效應(yīng)和多普勒頻移。在沒(méi)有直達(dá)路徑的情況下，快衰落服從瑞利分布。仔細(xì)劃分這一快衰落又可分為：空間選擇性快衰落、頻率選擇性快衰落與時(shí)間選擇性快衰落。多徑效應(yīng)由移動(dòng)體周?chē)木植可⑸潴w引起的多徑傳播效應(yīng)稱(chēng)為多徑效應(yīng)。發(fā)射端的信號(hào)到達(dá)接收端的路徑并非一條，由于經(jīng)歷不同的傳播損耗和衰落，各徑信號(hào)均不相同。從空間角度來(lái)看，沿移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)方向，接收信號(hào)的幅度隨

13、著距離變動(dòng)而衰減，幅度的變化反映了地形起伏所引起的衰落以及空間擴(kuò)散的損耗。從時(shí)域角度來(lái)看，各個(gè)路徑的長(zhǎng)度不同，因而信號(hào)到達(dá)的時(shí)間就不同，即如果從基站發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，則接收信號(hào)中不僅包含該脈沖，而且還包含它的各個(gè)時(shí)延信號(hào)。時(shí)延擴(kuò)展將引起碼間串?dāng)_，嚴(yán)重影響數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量。四種主要效應(yīng) 陰影效應(yīng)：由大型建筑物和其它物體的阻擋，在電波傳播的接收區(qū)域中產(chǎn)生傳播半盲區(qū)。它類(lèi)似于太陽(yáng)光受阻擋后可產(chǎn)生的陰影，光波的波長(zhǎng)較短，因此陰影可見(jiàn)，電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，陰影不可見(jiàn)，但是接收終端(如手機(jī))與專(zhuān)用儀表可以測(cè)試出來(lái)。 遠(yuǎn)近效應(yīng)：由于接收用戶(hù)的隨機(jī)移動(dòng)性，移動(dòng)用戶(hù)與基站之間的距離也是在隨機(jī)變化，若各移動(dòng)用戶(hù)發(fā)射

14、信號(hào)功率一樣，那么到達(dá)基站時(shí)信號(hào)的強(qiáng)弱將不同，離基站近者信號(hào)強(qiáng)，離基站遠(yuǎn)者信號(hào)弱。通信系統(tǒng)中的非線性將進(jìn)一步加重信號(hào)強(qiáng)弱的不平衡性，甚至出現(xiàn)了以強(qiáng)壓弱的現(xiàn)象，并使弱者，即離基站較遠(yuǎn)的用戶(hù)產(chǎn)生掉話(通信中斷)現(xiàn)象，通常稱(chēng)這一現(xiàn)象為遠(yuǎn)近效應(yīng)。   多徑效應(yīng)：由于接收者所處地理環(huán)境的復(fù)雜性、使得接收到的信號(hào)不僅有直射波的主徑信號(hào)，還有從不同建筑物反射過(guò)來(lái)以及繞射過(guò)來(lái)的多條不同路徑信號(hào)。而且它們到達(dá)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，到達(dá)時(shí)間以及到達(dá)時(shí)的載波相位都是不一樣的。所接收到的信號(hào)是上述各路徑信號(hào)的矢量和，也就是說(shuō)各徑之間可能產(chǎn)生自干擾，稱(chēng)這類(lèi)自干擾為多徑干擾或多徑效應(yīng)。這類(lèi)多徑干擾是非常復(fù)雜的

15、，有時(shí)根本收不到主徑直射波，收到的是一些連續(xù)反射波等等。   多普勒效應(yīng)：它是由于接收用戶(hù)處于高速移動(dòng)中比如車(chē)載通信時(shí)傳播頻率的擴(kuò)散而引起的，其擴(kuò)散程度與用戶(hù)運(yùn)動(dòng)速度成正比。這一現(xiàn)象只產(chǎn)生在高速(70km/h)車(chē)載通信時(shí)，而對(duì)于通常慢速移動(dòng)的步行和準(zhǔn)靜態(tài)的室內(nèi)通信，則不予考慮。在實(shí)際的移動(dòng)通信中，3類(lèi)選擇性的衰落都存在，根據(jù)其產(chǎn)生的條件大致分為以下三類(lèi)：   第一類(lèi)多徑干擾：是由于快速移動(dòng)用戶(hù)附近的物體的反射而形成的干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是由于用戶(hù)的快速移動(dòng)因此在信號(hào)的頻域上產(chǎn)生了多普勒(Doppler)頻移擴(kuò)散，而引起信號(hào)在時(shí)域上時(shí)間選擇性衰落   第二類(lèi)多徑干擾：用戶(hù)信號(hào)由于遠(yuǎn)處的高大建筑物與山丘的反射而形成的干擾信號(hào)。其特點(diǎn)是傳送的信號(hào)在空間與時(shí)間上產(chǎn)生了擴(kuò)散。空域上波束角度的擴(kuò)散將引起接收點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生空間選擇性衰落，時(shí)域上的擴(kuò)散將引起接收點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。    第三類(lèi)多徑干