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第5章无线通信本章学习无线通信目标•理解无线传播的基本特性，了解天线及无线信道的基本知识•理解无线通信中的多址技术，了解扩频技术、正交频分复用技术的应用特点•了解微波通信技术的应用与发展•了解卫星通信系统的技术与应用特点•了解无线接入技术基本概念及相关技术5.1无线通信概述无线通信系统可分为两类：•利用无线电波来解决信息传输问题，如微波传输系统、卫星传输系统；•利用无线方式作为系统接入，形成具有覆盖能力的通信网络，如陆地移动通信系统、卫星移动通信系统以及各种短距离无线通信等5.1.1无线传播的基本特性•无线通信技术是以无线电波为介质的通信技术•为避免系统间的互相干扰，所有无线通信系统使用国际（或国家）规定的频率资源，不同的无线通信系统使用不同的无线频段•无线通信与有线通信最大的区别：不同的通信目的和通信手段构成了不同的无线传播环境无线信道的基本特征如下：•带宽有限：其取决于可使用的频率资源和信道的传播特性•干扰和噪声影响大：由无线通信工作的电磁环境所决定•在移动通信中存在多径衰落：在移动环境下，接收信号起伏变化1.电波的自由空间传播•无线电波是由导体中或由若干导体组成的天线中的电子流动而产生的，并以横向电磁波（TEM）的形式在空间中传播，电场、磁场和无线电波的传播方向是垂直的。无线电波一旦被发射，就能在自由空间中及其他物质材料中传播•自由空间是指理想的电磁波传播环境。自由空间传播损耗的实质是因电波扩散损失的能量，其特点是接收电平与距离的平方及频率的平方均成反比关系•无线电波在自由空间中的传播速度与光速一样，约为300000km／s。无线电波在其他传播介质中的传播速度要低一些。空气在频率低于27MHz时损耗极小，介电常数接近于1•无线电波的传播具有覆盖的特性，容易形成面的覆盖。无线电波利用高度定向天线还具有点的特性，也可作为点对点通信的传输介质2.电波的地面传播电波的地球表面传播与自由空间传播的最明显区别：•地面传播的范围常常受到地平面的限制，信号从地球本身反射回来，而且在发射机与接收机之间存在各种各样的障碍物电波的地球表面传播示意图（1）视距传播•视距传播的实际通信距离受到地球表面曲率的限制。一般无线通信的视距距离要比可视的视距长1／3•要获得最大通信距离，需要结合使用合理的大功率发射机和高增益天线，并且使天线的位置越高越好•实际应用中并不都需要获得最大的通信距离，有时还需限制有效通信距离，例如蜂窝移动通信系统无线传播的基本特性（2）多径传播多径传播示意图•尽管视距传播使用从发射机到接收机的直接路径，但是接收机有时也能拾取反射信号，直接信号与反射信号将会相互干扰•干扰是加强型或削弱型，取决于两信号间相位关系。若两信号为同相，结果信号则加强；若两信号的相位相差180度，则会有部分抵消，其效应称为衰落•当信号从大型建筑物等大型目标物体反射回来时，将不仅存在相位的抵消，还存在显著的时间差别。目标指向直射信号方向的定向接收天线能够减小固定接收机的这种反射问题（3）移动环境•在发射机和接收机都固定的环境中，可按减小多径干扰影响的方式来安装天线。实际应用中的发射机或接收机常处于不断运动中，使电波传播条件恶化，其多径状态也处于不断变化中，移动和便携式环境由于来自建筑物和交通工具的多个反射而变得混乱•当发射机和接收机的一方或多方均处于运动中时，将会使接收信号的频率发生偏移，即多普勒效应，且移动速度越快，多普勒效应越严重3.电波的多径传播和衰落（1）长期慢衰落•长期慢衰落由传播路径上的固定障碍物的阴影引起，其信号衰落缓慢，且衰落速率与工作频率无关，仅与地形、地物分布和高度以及物体的移动速度有关（2）短期快衰落•电波具有反射、折射、绕射的特性，接收信号是发送信号经过多种传播途径的叠加信号；而反射、折射、绕射物体的位置随时间而变化，接收端接收到的多径信号在不同时刻会不同，信道条件随时间变化，即接收信号具有多径时变（短期快衰落）特性无线电波在传播中的衰落•由于无线传播环境的复杂性和特殊性，不同的无线通信系统的传输技术也各异。利用各种方法来对抗无线传输中的多径时变特性，已成为无线通信技术的一大特色•无线电波的传播环境是开放的，各种电波均有可能同时传播，因此无线通信具有易受干扰的特性，通信的安全性日益成为无线通信中的一个重要问题5.1.2天线基本知识1.天线的作用•天线是发射和接收电磁波的一个重要设备，没有天线也就没有无线电通信•无线通信是利用无线电波进行通信。无线电发射机输出的射频信号功率通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅接收很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机•利用无线电波可以形成点到点的通信系统，或利用多址方式形成多点到多点的通信系统典型天线示意图2.天线的特性（1）天线方向性•发射天线有两种基本功能•把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去•将大部分能量向所需的方向辐射天线根据其方向性可分为•全向天线•方向性（或定向）天线（2）天线增益•天线增益——在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的球型辐射单元在空间同一点处所产生信号的功率密度之比，定量描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。其物理含义为：在相同距离上某点产生相同大小信号所需发送信号的功率比【例】天线增益计算•若用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100w输入功率，而用增益为20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100／20=5W。与无方向性的理想点源相比（指其最大辐射方向上的辐射效果），某天线的增益是把输入功率放大的倍数（3）天线的极化•天线的极化——天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直（或平行）于地面时，此电波称为垂直（或水平）极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时将在大地表面产生极化电流•极化电流因受大地阻抗影响产生热能，而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号有效传播5.1.3无线通信的频率资源1.长波信道•长波信道所使用的频率是在300kHz以下，波长在1000m以上。长波沿着地面（尤其是沿海平面）的传播损耗较小，并具有较好的对海水渗透性•长波方式传输信息一般只用于航海导航和对潜通信系统2.中波信道•中波信道频率在0.3~3MHz或波长在100~1000m范围内。该中频频段内的电磁波，是以地面波为主要传播方式，传播损耗比长波稍大，传播距离较远•无线电中波广播工作于中波信道3.短波信道•短波频段为3~30MHz，波长为10~100m，也称为高频信道。该频段的地面传播损耗较大，地面传播距离较短；但借助地球上空的电离层反射，可进行远距离通信，这种传播方式通常称为天波•短波信道具有机动灵活、廉价和架设方便的特点，在现代通信中得到广泛应用，特别是大功率短波电台作为远距离通信手段的补充和备用，是现代通信网中较为重要的通信信道4.超短波信道•超短波频率范围一般为30~3000MHz，其中30~300MHz称为甚高频（VHF），300~3000MHz称为特高频（UHF），有时也把300~3000MHz划入微波信道。在该频段中，由于频率高而电离层不能反射，地面损耗又较大，因此传播的主要方式是空间直射波和地面反射波的合成。该频段一般作为近距离（100km）的通信手段•移动通信系统大多数借助于超短波信道的部分频带来传输信息5.微波信道•3000MHz以上的波段，通常泛称为微波•微波频段中波长很短，天线方向性相当强；在自由空间传播时，能量沿一定方向发射，传输效率较高，容许调制的频带较宽，适用于大容量的信息传输•微波频段主要工作方式是中继线路，每隔约50km设一个中继站，连续接力可构成长距离大容量的微波干线；另外，车载无线接力设备具有机动性，也是构成现代通信网节点和节点连接的主要信道6.卫星信道•卫星信道是微波中的数GHz到数十GHz的频段•卫星信道是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行通信的信息传输信道。一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地球表面区域内的各种地球站，都可通过卫星中继和转发信号来进行通信•卫星通信是地面微波中继通信的发展，是微波中继通信的一种特殊方式7.散射信道•利用对流层和电离层的不均匀性或流星余迹，对于一定仰角的电磁波射束在上层空间中，部分电磁波能量可回到地面而被接收到的散射现象，构成散射信道；实际使用的频段可以是超短波或微波•散射通信方式的优点是不用地面中继，一次可跳跃几百公里，但信道衰落快、多径效应影响大和信号很弱，通常需要采用分集接收和大功率发射•散射信道基本上不受磁暴、电离层扰动、太阳活动和雷电的影响5.2无线通信的关键技术•在无线通信中，为了充分利用信道，在多点之间实现相互间互不干扰的多边通信，常采用不同的多址技术，如频分多址、时分多址、码分多址、空分多址等•无线通信还采用了多类先进的调制技术：如具有抗干扰能力强和信号隐蔽等突出特点的扩频技术；具有无线环境高速传输特征的正交频分复用（OFDM）技术等5.2.1多址技术•无线通信系统以信道来区分通信对象，充分利用信道则要同时传送更多的用户信号。在两点之间的信道上同时传送互不干扰的、多个相互独立的用户信号是信道的“复用”问题；在多点之间实现相互间互不干扰的多边通信称为“多址通信”•在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题•解决多址接入的方法称为多址接入技术1.多址接入概述•多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理•信道分割的概念为：赋予各个信号不同的特征，根据各个信号特征之间的差异来区分，实现互不干扰的通信•无线电信号可表达为时间、频率和码型的函数。当分别以传输信号的载波频率不同、存在的时间不同和码型不同来区分信道建立多址接入时，则分别称为频分多址（FDMA）方式、时分多址（TDMA）方式和码分多址（CDMA）方式多址接入示意图2.频分多址（FDMA）技术（1）FDMA系统原理•FDMA系统基于频率划分信道，为每一个用户指定特定信道，该信道按要求分配给请求服务的用户；在呼叫过程中，其他用户不能共享这一频段•FDMA原理：将给定频谱资源按频率划分，把传输频带划分为若干较窄且互不重叠的子频带（或称信道），每个用户分配到一个固定子频带，按频带区分用户；将信号调制到该子频带内，各用户信号同时传送；接收时分别按频带提取，实现多址通信（2）FDMA系统应用•在模拟蜂窝移动通信系统中，采用频分多址方式是唯一的选择；在数字蜂窝移动通信系统中，则很少采用纯频分的方式•FDMA是使用最早的一种多址方式，技术较为成熟，应用较广泛，其目前仍在卫星通信、移动通信、一点多址微波通信等系统中应用3.时分多址（TDMA）技术（1）TDMA系统原理•TDMA在给定传输频带的条件下，把传递时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（帧或时隙均互不重叠）。各用户在同一频带中传送，用户收发各使用一个指定的时隙，时间上互不重叠•经过数字化后的用户信号被安插到指定的时隙中，多个用户依序分别占用时隙；经过信道传输，各用户接收并解调后分别提取相应时隙的信息，并按时间区分用户，从而实现多址通信（2）TDMA系统应用•TDMA系统的收发双工可采用以下方式：•频分双工（FDD）方式：上行链路和下行链路的帧结构既可相同也可不同•时分双工（TDD）方式：通常收发工作在相同频率上；在一帧中，一半的时隙用于移动台发送，另一半的时隙用于移动台接收。因为收发处于不同时隙，由高速开关在不同时间把接收机或发射机接到天线上即可，故采用TDD方式时无需使用双工器4.码分多址（CDMA）技术（1）CDMA系统原理•当以不同的互相正交的码序列来区分用户并建立多址接入时，称为码分多址（CDMA）方式•CDMA系统中，各用户使用相同的载波频率，占用相同频带，发射时间任意；各用户的频率和时间可相互重叠，用户划分利用不同地址码序列实现•在每一用户信息码元时隙中填入了一定长度的用户码序列，信息子码宽度远小于码元时隙宽度，因而传输信号的宽度将远远大于用户信号的原始宽度•C