第2章无线通信基础-2

第2章无线通信基础【1】提问1、无线信道的传播特征主要从哪两个层面加以描述的？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？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？第2章无线通信基础【2】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2章无线通信基础【3】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2章无线通信基础【4】2.2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2章无线通信基础【5】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进行修正得到。第2章无线通信基础【6】2、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2章无线通信基础【7】表2-2无线覆盖区域类型划分第2章无线通信基础【8】3.按照地物的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2章无线通信基础【9】2.2.2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2章无线通信基础【10】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2章无线通信基础【11】Ptd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）：定义2ttπ4dGPPd信号强度随着距离的平方成反比衰减。（2-2-1）第2章无线通信基础【12】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：2244ttrettrPGPAPGGdd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2章无线通信基础【13】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6dB(20lg2dB)；传播距离增加到10倍时，衰减增加20dB。（2-2-4）π4lg20lg10lg20)π4(lg10lg10)dB(PLet22rtrtAGddGGPP2（2-2-3）222rttr)π4(dGGPP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2章无线通信基础【14】Friis公式（2）：适用范围I.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：dfD和dfλ远场距离df计算公式：22Ddf（D为天线的最大物理线性尺寸）第2章无线通信基础【15】II.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：fddd0222tt00rr0220(4π)rPGGddP(d)P(d)dddd0必须满足远场区条件。Pr(d0)可以用式（2-2-2）预测得到（2-2-5）第2章无线通信基础【16】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）dddPdP00rrlg20)(lg10)dBm)((在实际常用的移动通信系统中（频率在1～2GHz附近），室内环境参考距离典型值取1m，室外环境取100m或1km。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2章无线通信基础【17】明确几个常用单位：单位dB：10logdBW表示大于或小于1瓦的分贝数：10log1WdBmW（dBm）表示大于或小于1毫瓦的分贝数：10log1mW0dBm=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2章无线通信基础【18】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2章无线通信基础【19】解A)Pt(W)=50W.Pt(dBm)=10lg[Pt(mW)/1mW)]Pt(dBm)=10lg(50*1000)Pt(dBm)=47dBmB)Pt(dBW)=10lg[Pt(W)/1W)]Pt(dBW)=10lg(50)Pt(dBW)=17dBW第2章无线通信基础【20】C)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(3.5x10-7)=-64.5dBm第2章无线通信基础【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？第2章无线通信基础【22】22(100)222633(100m)(dBm)(100)mWmW0.3350(4)(43.14100)3.510W3.510mW.10lg10lg(3.510/1)24.5dBmtrrmtrrmGGPPWdPP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：88310033m910c.f20(10km)(100m)(100m)(dBm)100()20lg64.5dBm.10000rrrdPPPd100m处的接收功率为10km处的接收功率为第2章无线通信基础【23】例2-2一个发射机通过天线发射出去的功率为1W，载波频率为2.4GHz，如果收发天线的增益均为1.6，收发天线之间的距离为1.6km。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=1W，Gt=Gr=1.6，f=2.4GHz，d=1.6km。（1）以dBm表示发射功率为t1W1W10101030dBm1mW0001lg(P)lglg.第2章无线通信基础【24】取参考距离为100m，利用式（2-2-4）求得参考点的功率为22trr(100m)t222216160125P101030104π4π1003075964596dBmGG...lg(P)lglg()d()..根据式（2-2-6），接收天线在1.6km处的接收功率为0r(1.6km)45962045962417006dBmdP.lg...d电磁波波长为m125.0104.210398fc第2章无线通信基础【25】（2）以dBm为单位时，根据式（2-2-4），路径损耗为（3）传播时延为dB06.100)06.70(30)lg(10)lg(10lg10PL(dB)rtrtPPPPμs33.5m/s103m160082trr(1.6km)t222226P10104π1616012530107006dBm4π1610GGlg(P)lg()d...lg.().也可直接计算第2章无线通信基础【26】2.2.3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η表示:00120πΩ377ΩEEHH为自由空间固有阻抗120πΩ磁导率介电常数第2章无线通信基础【27】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）2ttd24πPGEPEHd(W/m2)（2-2-8）22r2e2edrπ480π120)(GEAEAPdP(W)E其中，表示远场电场辐射部分的幅度第2章无线通信基础【28】2、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）222antantinrinantant24(V/)VVP(d)RRR当接