項(xiàng)目1：短距離無線通信基礎(chǔ)認(rèn)知 第三講

無線介質(zhì)的特性有線介質(zhì)和無線介質(zhì)的比較

有線介質(zhì)提供了一種可靠的、定向的（guided）連接，它把攜帶信息的電信號(hào)從一個(gè)固定終端傳輸?shù)搅硪粋€(gè)固定終端（雙絞線、同軸電纜、光纜）。與有線介質(zhì)相比，無線介質(zhì)是不可靠的，帶寬低并且有廣播特性。但是由于無線介質(zhì)具有無束縛的特點(diǎn)，它可以被用在無線通信中（常用的無線頻率有1GHz—蜂窩電話、2GHz—PCS和WLAN、5GHz—WLAN、28～60GHz—本地多點(diǎn)分布業(yè)務(wù)[LMDS]和點(diǎn)到點(diǎn)的基站連接以及用于光通信的IR頻率）。隨著時(shí)間的推進(jìn)，無線網(wǎng)絡(luò)在電子設(shè)備上的費(fèi)用變得越來越不重要，而進(jìn)入建筑物的穿透能力和區(qū)分需要許可證的頻段和免許可證的頻段變得十分重要。當(dāng)無線通信采用頻率為2.4GHz或5GHz等頻率時(shí)，這些頻率屬于微波頻段。中波主要沿地面?zhèn)鞑?，繞射能力強(qiáng)，適用于廣播和海上通信。短波具有較強(qiáng)的電離層發(fā)射能力，適用于環(huán)球通信。與中波、短波不同，微波的特點(diǎn)是頻率高、波長(zhǎng)短、直線傳播，在傳播方向上它幾乎繞不開障礙物。頻率與無線信號(hào)穿透能力的矛盾強(qiáng)行限制了無線通信中對(duì)合適頻率的選擇。有線介質(zhì)和無線介質(zhì)的比較如圖1.7所示，在無線通信過程中，接收點(diǎn)接收到的信號(hào)一般是直射波、反射波和地表面波的合成波。但是地表面波隨著頻率的升高衰減增大，傳播距離有限，所以分析無線通信信道時(shí)，主要考慮直射波和反射波的影響。電波傳播機(jī)制圖1.7典型移動(dòng)信道電波傳播路徑無方向性天線接收?qǐng)鰪?qiáng)的有效值與輻射功率和距離的關(guān)系為：電波傳播機(jī)制——直射波

式中，為輻射功率，單位為瓦；為距離輻射天線距離為d（單位為米）處的場(chǎng)強(qiáng)。若考慮到收發(fā)信機(jī)天線的增益GR和GT時(shí)，則距離發(fā)射天線d處的電場(chǎng)強(qiáng)度為此時(shí)接收天線上的功率為式中λ為電磁波的波長(zhǎng)。電波在自由空間的傳播損耗Lfs定義為在自由空間中，收發(fā)天線一般可以看作兩個(gè)理想的點(diǎn)源天線，故增益系數(shù)。工程上對(duì)傳播損耗常以dB表示，即故電波在自由空間的傳播損耗為（dB）

直射波傳播的最大距離由收、發(fā)天線的高度、地球的曲面半徑，以及大氣折射影響共同決定。圖1.8示出了視線傳播的極限距離。圖1.8視線傳播的極限距離設(shè)收、發(fā)信機(jī)的天線高度分別為hR和hT，通過計(jì)算可以得到視線傳播的極限距離為

將R=6370km代入，令hR和hT的單位為m，則有實(shí)際上，電波在傳播過程中會(huì)受到空氣不均勻性的影響，則直射波傳播所能到達(dá)的視線距離應(yīng)作修正，在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，R=8500km，則有（km）

（km）

可見，視線傳播的極限距離取決于收發(fā)天線架設(shè)的高度，所以在系統(tǒng)設(shè)置中，應(yīng)盡量利用地形、地物把天線適當(dāng)架高。在實(shí)際情況下，除了考慮電波在自由空間中的傳播損耗之外，還應(yīng)考慮各種障礙物對(duì)電波傳播所引起的損耗，通常把這種損耗稱之為繞射損耗。設(shè)障礙物與發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)的相對(duì)位置如圖1.9所示

電波傳播機(jī)制——繞射損耗

費(fèi)涅爾余隙：圖中x表示障礙物頂點(diǎn)P至直線TR之間的垂直距離，在傳播理論中，x稱為費(fèi)涅爾余隙。費(fèi)涅爾半徑：費(fèi)涅爾半徑x1可以表示為根據(jù)費(fèi)涅爾繞射理論，可得到障礙物引起的繞射損耗與費(fèi)涅爾余隙之間的關(guān)系如圖1.10所示（a）負(fù)余隙（b）正余隙圖1.9費(fèi)涅爾余隙由圖1.10可見，當(dāng)x/x1>0.5時(shí)，則障礙物對(duì)直射波的傳播基本上沒有影響；當(dāng)x=0時(shí)，即TR直射線從障礙物頂點(diǎn)擦過時(shí)，繞射損耗約為6dB；當(dāng)x<0時(shí)，即直射線低于障礙物頂點(diǎn)時(shí)，損耗急劇增加。圖1.10繞射損耗與余隙的關(guān)系電波在傳播過程中，遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象。因此，從發(fā)射天線到接收天線的電波包含有直射波和反射波，如圖1.11所示。電波傳播機(jī)制——反射波

由圖可知，反射路徑a+b要比直射路徑c長(zhǎng)，它們的差值Δd經(jīng)過計(jì)算和近似可以寫為圖1.11反射波與直射波式中d=d1+d2由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此兩路信號(hào)到達(dá)接收天線的時(shí)間差Δt可換算為相位差由于地面反射時(shí)大都要發(fā)生一次反相，所以實(shí)際的兩路電波相位差為式中，稱為相移常數(shù)，決定于電磁波的波長(zhǎng)。傳播性能的指標(biāo)表示傳播性能的指標(biāo)主要是發(fā)射機(jī)的發(fā)射能量（單位為瓦或者毫瓦）和接收機(jī)的靈敏度。系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)所發(fā)射的能量的要求是自相矛盾的。靈敏性是指在信道中滿足規(guī)定的通信質(zhì)量的前提下可以被接收機(jī)接受的最弱信號(hào)。這個(gè)數(shù)值意味著接收機(jī)的性能好壞，該數(shù)值越低，接收機(jī)越靈敏（絕對(duì)性能愈高）。例：已知一個(gè)100mW的系統(tǒng)，若有-80dB的靈敏度，求①該系統(tǒng)的發(fā)射功率（單位是dBm）；②該系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間信號(hào)功率最大可能的衰減值。它的發(fā)射功率是系統(tǒng)的最大衰減值解：1.6噪聲無線電通信所受干擾和噪聲的分類按性質(zhì)分

周期性的（如電臺(tái)干擾）非周期性的

脈沖干擾

起伏干擾（平滑干擾）

脈沖干擾的電壓波形是相互間隔較長(zhǎng)的短脈沖，這種干擾的頻譜能量主要集中在f<1/τ（τ為脈沖寬度）范圍內(nèi)。脈沖干擾的主要來源之一是各種工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的電脈沖，如電焊火花、汽車、飛機(jī)啟動(dòng)和行駛中的打火，各種醫(yī)療、電氣設(shè)備產(chǎn)生的火花等。

起伏干擾的波形是雜亂的，沒有一定的變化規(guī)律，但它們的最大值和最小值之間差別很小，這種干擾可認(rèn)為是許多脈沖干擾銜接組成的。按來源分

接收機(jī)內(nèi)部噪聲

天電噪聲宇宙噪聲

人為噪聲無線電臺(tái)干擾

外部噪聲干擾對(duì)工作在VHF和UHF頻段的無線通信系統(tǒng)來說，影響較大人為噪聲是指各種電氣裝置中發(fā)生的電流或電壓急劇變化而形成的電磁輻射，如馬達(dá)、電焊機(jī)、高頻電器裝置、醫(yī)療X光機(jī)、電器開關(guān)等所產(chǎn)生的火花放電就伴有電磁場(chǎng)的輻射。這類噪聲電磁波除直接輻射外，還可以通過電力線傳播，并由電力線與接收機(jī)天線間的電容耦合而進(jìn)入接收機(jī)，直接輻射距離不超過100～200m，而電力線傳播可達(dá)幾公里。例：已知工作頻率為400MHz，k=1.38×10-23J/K，T0為參考絕對(duì)溫度（290K），接收機(jī)帶寬Br=16kHz，求接收機(jī)輸入端