第二章 2 无线通信信道 电磁波的传播损耗
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① ② ③ ④ 方向图 波瓣宽度 天线增益 全向有效辐射功率
z
2006-9-1
7/26
天线的方向性—方向图
z
天线方向图是描述天线空间辐射特性的三维图形， 可以用天线的方向性 f (θ ,ϕ ) 因子来描述：
E (θ ,ϕ ) f (θ ,ϕ ) = Emax
z
其中 E (θ ,ϕ ) 表示不同方向上的场强值， Emax 表示场 强最强方向的最大场强值。显然：
9 由于无线通信接收机的随机性，当它移动或布置到某些 位置上时，无线通信发射机发射的信号，可能通过多次 反射、散射、绕射、穿透后才到达无线通信接收机。
2006-9-1
22/26
非自由空间中电磁波的传播损耗
z
无直射路径信道
9 无线通信接收机天线看不到发射机天线的环境，称为无 直射路径(NLOS: Non-Line Of Sight)环境，或称无直 射路径信道。 无线通信系统所遇到的NLOS环境，是一种十分恶劣的信 道。
天线增益定义为：
9 发射天线：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想 全向辐射天线在空间同一点处所产生的信号的功率密度 之比。 接收天线：理想全向辐射天线发射的无线信号，在空间 同一点处，实际天线与理想全向辐射天线所接收到的信 号功率之比。
9
z
一般来说，同一付天线，作为发射天线或接收天线 时，其天线增益是相同的。
9
2006-9-1
23/26
非自由空间中电磁波的传播损耗
z
非自由空间中的电磁波传播损耗
λ 2 PT GT GR 1 × αN , 2 (4π ) d PR = ( h h ) 2 P G G × 1 , T R T T R d αF d < db d ≥ db
αN
发射机
αF
2
2006-9-1
20/26
目录
1. 2. 3. 4.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗 非自由空间中电磁波的传播损耗
2006-9-1
21/26
非自由空间中电磁波的传播损耗
z z z
自由空间中的电磁波传播，它是一种较理想的信道。 无线通信中的非自由空间是指存在反射物或障碍物 的空间。 在非自由空间中，由于现实的无线通信发生位置的 随机性，无线通信信道均比自由空间信道复杂。
0 ≤ f (θ ,ϕ ) ≤ 1
2006-9-1
8/26
天线的方向性—方向图
z
3dB 主瓣
Emax
HP
副瓣 副瓣
ϕ θ
x
y
2006-9-1 9/26
天线的方向性—波瓣宽度
z
天线的方向图通常都有两个或多个指向或多个瓣， 其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副 瓣或旁瓣。 在主瓣最大辐射方向上，天线辐射信号功率密度降 低一半(3dB)的任两点间的夹角中，最大的夹角定义 为波瓣宽度(HP: Half Power beamwidth)。
Ae d
面
积
d
发射机
2006-9-1
16/26
自由空间中电磁波的传播损耗
z
接收机接收到的发射机全向天线发射的无线信号功 率：
Ae P = P 2 T 4π d
e R
发射天线增益为 GT
Ae PR = PG 2 T T 4π d
2006-9-1
17/26
自由空间中电磁波的传播损耗
z
天线的有效面积与天线的口径的关系为：
2006-9源自文库1
3/26
功率的定义
z
无线通信发射机发射的信号，通过无线信道后，到 达接收机天线：
1 T PR = lim ∫ 2T r 2 (t )dt T →∞ T − 2
其中r (t ) 为接收机接收信号。 PR 的单位为瓦(Watts， 本文其余部分简称为W)。
2006-9-1
4/26
功率的定义
z
工程常用dBm来表示功率的大小：
PR × 1000 PR (dBm) = 10log 1mW
1w = 30dBm
2006-9-1
5/26
目录
1. 2.
功率的定义 天线的方向性
2006-9-1
6/26
天线的方向性
z
天线的方向性是无线通信系统中的一项重要技术指 标，影响无线电磁波的传播损耗。 天线的方向性的主要参数有：
45 40 35 30 25
GT
20 15 10 fc=3GHz fc=2GHz fc=1GHz
0.2
0.7
1.2
1.7
D
2.2
2.7
3.2
3.7
4.2
2006-9-1
19/26
自由空间中电磁波的传播损耗
z
接收机接收到无线信号的功率与其它参数的关系：
λ PR = PG G 2 T T R (4π d )
2006-9-1
12/26
天线的方向性—天线增益
z z
天线增益定量的描述了一个发射天线辐射出的功率 的集中程度，或定量的描述了一个接收天线接收空 间信号的能力。 天线增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣 越窄，副瓣越小，天线增益越高。
2006-9-1
13/26
天线的方向性—全向有效辐射功率
z z z
2006-9-1
26/26
End & Thanks!
2006-9-1
27/26
EIRP = PT GT
其中 PT 为发射机的发射功率， GT 为发射天线的天线 增益。
2006-9-1 14/26
目录
1. 2. 3.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗
2006-9-1
15/26
自由空间中电磁波的传播损耗
z
自由空间中电磁波的传播损耗有什么特点?
接收机天 线等 效
α N 代表在传播断点内的衰减因子，一般取2； α F 代 表在传播断点外的衰减因子，不同的信道环境取值 不同，一般取3~5，对应于不同的信道特性； d b 为 传播断点(break point)： 1 d b = 4π hT hR λ
2006-9-1 25/26
目录
1. 2. 3. 4. 5.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗 非自由空间中电磁波的传播损耗 小结
GR = 4π Ae
λ2
其中 λ 为天线辐射信号的载波中心频率波长 。 如果天线是圆形的，则：
4 其中 D 为圆形天线的直径。天线的直径与增益的关 2 系为： π D GR = λ
2006-9-1 18/26
Ae =
π D2
自由空间中电磁波的传播损耗
z
天线增益与天线直径的关系
z
2006-9-1
10/26
天线的方向性—波瓣宽度
z
天线的波瓣宽度又称波束宽度、主瓣宽度、或半功 率角。 波瓣宽度越窄，表明方向图越尖锐，辐射的能量越 集中，作用距离越远，能力越强。 窄的波瓣宽度，在某种意义上等效于增加了发射机 的发射功率。
z
z
2006-9-1
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天线的方向性—天线增益
z
无线通信接收机收到的信号，不仅与发射机天线的 输入功率有关，而且与发射机天线增益有关。 从纯数学的角度来看，提高天线增益与增加发射机 发射功率等价。 在无线通信工程中，为了衡量干扰的强度，以及发 射机发射强信号的能力，有必要定义一个名词: 全向 有效辐射功率(EIRP: Effective Isotropic Radiated Power)：
传播断点 接收机
db
d
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非自由空间中电磁波的传播损耗
z
非自由空间中的电磁波传播损耗
λ 2 PT GT GR 1 × αN , 2 (4π ) d PR = ( h h ) 2 P G G × 1 , T R T T R d αF d < db d ≥ db
目录
1. 2. 3. 4. 5.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗 非自由空间中电磁波的传播损耗 小结
2006-9-1
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引言
z
无线信道在无线通信中的位置：
发基带 单元 发射中 频单元 发射频 单元 发天线 单元 无线传播 信道 收天线 单元
收基带 单元
接收中 频单元
收射频 单元
z
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天线的方向性—方向图
z
天线方向图是描述天线空间辐射特性的三维图形， 可以用天线的方向性 f (θ ,ϕ ) 因子来描述：
E (θ ,ϕ ) f (θ ,ϕ ) = Emax
z
其中 E (θ ,ϕ ) 表示不同方向上的场强值， Emax 表示场 强最强方向的最大场强值。显然：
9 由于无线通信接收机的随机性，当它移动或布置到某些 位置上时，无线通信发射机发射的信号，可能通过多次 反射、散射、绕射、穿透后才到达无线通信接收机。
2006-9-1
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非自由空间中电磁波的传播损耗
z
无直射路径信道
9 无线通信接收机天线看不到发射机天线的环境，称为无 直射路径(NLOS: Non-Line Of Sight)环境，或称无直 射路径信道。 无线通信系统所遇到的NLOS环境，是一种十分恶劣的信 道。
天线增益定义为：
9 发射天线：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想 全向辐射天线在空间同一点处所产生的信号的功率密度 之比。 接收天线：理想全向辐射天线发射的无线信号，在空间 同一点处，实际天线与理想全向辐射天线所接收到的信 号功率之比。
9
z
一般来说，同一付天线，作为发射天线或接收天线 时，其天线增益是相同的。
9
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非自由空间中电磁波的传播损耗
z
非自由空间中的电磁波传播损耗
λ 2 PT GT GR 1 × αN , 2 (4π ) d PR = ( h h ) 2 P G G × 1 , T R T T R d αF d < db d ≥ db
αN
发射机
αF
2
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1. 2. 3. 4.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗 非自由空间中电磁波的传播损耗
2006-9-1
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非自由空间中电磁波的传播损耗
z z z
自由空间中的电磁波传播，它是一种较理想的信道。 无线通信中的非自由空间是指存在反射物或障碍物 的空间。 在非自由空间中，由于现实的无线通信发生位置的 随机性，无线通信信道均比自由空间信道复杂。
0 ≤ f (θ ,ϕ ) ≤ 1
2006-9-1
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天线的方向性—方向图
z
3dB 主瓣
Emax
HP
副瓣 副瓣
ϕ θ
x
y
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天线的方向性—波瓣宽度
z
天线的方向图通常都有两个或多个指向或多个瓣， 其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副 瓣或旁瓣。 在主瓣最大辐射方向上，天线辐射信号功率密度降 低一半(3dB)的任两点间的夹角中，最大的夹角定义 为波瓣宽度(HP: Half Power beamwidth)。
Ae d
面
积
d
发射机
2006-9-1
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自由空间中电磁波的传播损耗
z
接收机接收到的发射机全向天线发射的无线信号功 率：
Ae P = P 2 T 4π d
e R
发射天线增益为 GT
Ae PR = PG 2 T T 4π d
2006-9-1
17/26
自由空间中电磁波的传播损耗
z
天线的有效面积与天线的口径的关系为：
2006-9源自文库1
3/26
功率的定义
z
无线通信发射机发射的信号，通过无线信道后，到 达接收机天线：
1 T PR = lim ∫ 2T r 2 (t )dt T →∞ T − 2
其中r (t ) 为接收机接收信号。 PR 的单位为瓦(Watts， 本文其余部分简称为W)。
2006-9-1
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功率的定义
z
工程常用dBm来表示功率的大小：
PR × 1000 PR (dBm) = 10log 1mW
1w = 30dBm
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目录
1. 2.
功率的定义 天线的方向性
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天线的方向性
z
天线的方向性是无线通信系统中的一项重要技术指 标，影响无线电磁波的传播损耗。 天线的方向性的主要参数有：
45 40 35 30 25
GT
20 15 10 fc=3GHz fc=2GHz fc=1GHz
0.2
0.7
1.2
1.7
D
2.2
2.7
3.2
3.7
4.2
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自由空间中电磁波的传播损耗
z
接收机接收到无线信号的功率与其它参数的关系：
λ PR = PG G 2 T T R (4π d )
2006-9-1
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天线的方向性—天线增益
z z
天线增益定量的描述了一个发射天线辐射出的功率 的集中程度，或定量的描述了一个接收天线接收空 间信号的能力。 天线增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣 越窄，副瓣越小，天线增益越高。
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天线的方向性—全向有效辐射功率
z z z
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End & Thanks!
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EIRP = PT GT
其中 PT 为发射机的发射功率， GT 为发射天线的天线 增益。
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1. 2. 3.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗
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自由空间中电磁波的传播损耗
z
自由空间中电磁波的传播损耗有什么特点?
接收机天 线等 效
α N 代表在传播断点内的衰减因子，一般取2； α F 代 表在传播断点外的衰减因子，不同的信道环境取值 不同，一般取3~5，对应于不同的信道特性； d b 为 传播断点(break point)： 1 d b = 4π hT hR λ
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1. 2. 3. 4. 5.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗 非自由空间中电磁波的传播损耗 小结
GR = 4π Ae
λ2
其中 λ 为天线辐射信号的载波中心频率波长 。 如果天线是圆形的，则：
4 其中 D 为圆形天线的直径。天线的直径与增益的关 2 系为： π D GR = λ
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Ae =
π D2
自由空间中电磁波的传播损耗
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天线增益与天线直径的关系
z
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天线的方向性—波瓣宽度
z
天线的波瓣宽度又称波束宽度、主瓣宽度、或半功 率角。 波瓣宽度越窄，表明方向图越尖锐，辐射的能量越 集中，作用距离越远，能力越强。 窄的波瓣宽度，在某种意义上等效于增加了发射机 的发射功率。
z
z
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天线的方向性—天线增益
z
无线通信接收机收到的信号，不仅与发射机天线的 输入功率有关，而且与发射机天线增益有关。 从纯数学的角度来看，提高天线增益与增加发射机 发射功率等价。 在无线通信工程中，为了衡量干扰的强度，以及发 射机发射强信号的能力，有必要定义一个名词: 全向 有效辐射功率(EIRP: Effective Isotropic Radiated Power)：
传播断点 接收机
db
d
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非自由空间中电磁波的传播损耗
z
非自由空间中的电磁波传播损耗
λ 2 PT GT GR 1 × αN , 2 (4π ) d PR = ( h h ) 2 P G G × 1 , T R T T R d αF d < db d ≥ db
目录
1. 2. 3. 4. 5.
功率的定义 天线的方向性 自由空间中电磁波的传播损耗 非自由空间中电磁波的传播损耗 小结
2006-9-1
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引言
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无线信道在无线通信中的位置：
发基带 单元 发射中 频单元 发射频 单元 发天线 单元 无线传播 信道 收天线 单元
收基带 单元
接收中 频单元
收射频 单元