第5章 无线通信

（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100 w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 = 5 W。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
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
（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
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
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
• 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
• 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
• 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
• 3000 MHz 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 50 km 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
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 300 kHz 以下， 波长在 1 000 m 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 ~ 3 MHz 或波长在 100 ~ 1000 m 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
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• 散射信道基本上不受磁暴、来自离层扰动、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
• 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
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
（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
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300 000 km／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27 MHz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
• 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
（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
4. 超短波信道
• 超短波频率范围一般为30 ~ 3000 MHz ，其中 30 ~ 300 MHz 称为甚高频（VHF），300 ~ 3000 MHz 称 为特高频（UHF），有时也把 300~3000 MHz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（< 100 km）的通信手段
• 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
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
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
无线传播的基本特性
（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
• 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
（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
（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
• 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 ~ 30 MHz ，波长为10 ~ 100 m，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