无线传输信道的特性

通信工程专业研究方法论无线传输信道的特性

学院：电子信息工程学院

专业：通信工程

班级：

学号：

学生：

指导教师：毕红军

2014年8月

目录

一、引言： (2)

二、无线电波传播频段及途径 (3)

2.1无线电波频段划分 (3)

2.2无线电波的极化方式 (4)

2.3传播途径 (4)

三、无线信号的传播方式 (5)

3.1直线传播及自由空间损耗 (5)

3.2 反射和透射 (6)

3.2.1斯涅尔（Snell）定律 (6)

d 功率定律 (7)

3.2.2 4

3.2.3断点模型 (8)

3.3绕射 (9)

3.3.1单屏或楔形绕射 (9)

3.3.2多屏绕射 (10)

3.4散射 (12)

四、窄带信道的统计描述 (14)

4.1不含主导分量的小尺度衰落 (14)

4.2含主导分量的小尺度衰落 (16)

4.3多普勒谱 (16)

4.4大尺度衰落 (17)

五、宽带信道的特性 (18)

5.1多径效应对宽带信道的影响 (18)

5.2多普勒频移对宽带信道的影响 (21)

六、总结 (22)

七、参考文献 (23)

一、引言：

各类无线信号从发射端发送出去以后，在到达接收端之前经历的所有路径统称为信道。如果传输的无线信号，则电磁波所经历的路径，我们称之为无线信道。信号从发射天线到接收天线的传输过程中，会经历各种复杂的传播路径，包括直射路径、反射路径、衍射路径、散射路径以及这些路径的随机结合。同时，电波在各种路径的传播过程中，有用信号会受到各种噪声的污染，因而会出现不同情形的损伤，严重时会使信号难以恢复。无线信号在传播时，不仅存在自由空间固有的传输损耗，还会受到建筑物、地形等的阻挡而引起信号功率的衰减和相位的失真，这种衰减还会由于移动台的运动和信道环

境的改变出现随机的变化。下面将讨论无线传输信道的主要特性。

二、无线电波传播频段及途径

2.1无线电波频段划分

现代的数字通信系统频谱主要集中在300KHz到5GHz之间，尤其是500KHz到2GHz之间的频段使用更密集，比如GSM系统使用的是900MHz和1800MHz，WCDMA系统使用的是1940MHz—1955MHz和2130MHz—2145MHz。

2.2无线电波的极化方式

电磁波是一种横波，其“电场矢量”、“磁场强度矢量”和“波的传播方向”三者之间“两两互相垂直”。常用“电场强度矢量”的变化来代表电磁波的变化。其中“电场强度矢量”的方向具有确定的规律，这种现象成为电磁波的极化。

线极化波：电磁波在空间传播时，如果电场矢量的空间轨迹为一条直线，始终在一个平面内传播，则称为线极化波。

圆极化波：若电场矢量在空间的轨迹为一个圆，即电场矢量围绕传播方向的轴线不断地旋转，则称为圆极化波。

2.3传播途径

无线电波的传播途径有地面传播、电离层传播、空间传播、对流层传播和外球层传播五种。

三、无线信号的传播方式

无线信号传播的最简单的情况是自由空间传播，即一个发送天线和一个接收天线存

在于自由空间中。在更为实际的情况下，还存在绝缘和导电的障碍物（相互作用体），如果这些相互作用体有光滑的表面，电磁波就会被反射，而另一部分能量则会穿透相互作用体传播；如果相互作用体表面粗糙，电磁波将发送散射。最终电磁波会在相互作用体边缘发生绕射。

3.1直线传播及自由空间损耗

假设自由空间中单发单收天线的情形，能量守恒表明，对围绕发送天线的任何一个

闭合表面上的能量积分，都应该等于发送功率。假设某一闭合表面是以发射机天线为圆心、半径为d 的球面，并且假设天线的辐射各向同性，那么该表面的能量密度为

2

()4TX

TX P P d d π=

，TX P 为发送天线能量，认为接收机天线有一个“有效面积”RX A ，可以认为撞击到该区域的所有能量都被接收天线收集到，于是接收能量为：

2

1

()4TX TX

RX P d P A d

π= (式3.1）

如果发送天线不是各向同性的，那么能量密度必须要乘以接收天线方向上的天线增

益TX G ，天线有效面积与天线增益有一个简单的关系式：

2

4=

TX RX G A π

λ

（式3.2）

将式3.2代入式3.1，得到接收功率RX P 为以自由空间距离d 为变量的函数，也成为Friis 定律：

2

()4TX TX TX RX P d P G G d λπ⎛⎫

= ⎪⎝⎭

（式3.3）

因子24d πλ⎛⎫

⎪⎝⎭

也称为“自由空间损耗因子”。

Friis 定律使用与天线远场，例如：发送天线和接收天线至少要间隔一个瑞利距离，

瑞利距离定义如下：

22a

R L d λ

=

（式3.4）

其中a L 为天线最大尺寸，并且远场要求a d L 以及d

λ。

3.2 反射和透射

3.2.1斯涅尔（Snell ）定律

电磁波在到达接收机之前通常被一个或者多个相互作用体所反射，相互作用体的

反射系数以及反射发生的方向，决定了到达接收机处的功率。为了得到一个精确的数学方程式，考虑下面的设置，让一个均匀平面波以入射角射向一个点介质半空间，绝缘物质用介电常数0=r εεε和电导率e σ来描述，此外还假设材料各向均质，相对磁导率1r μ=。介电常数和电导率能够合并成一个参数，即复介电常数：

02e

r e

j

f σδεδεπ==- （式3.5） 平面波以入射角e θ射向半空间，e θ定义为波矢量K 与垂直于电介质边界的单位矢量之间的夹角。我们必须要辨明横磁波TM 和横电波TE 的情形，对于TM 波，磁场分量平行于两个电介质的交界面，而对于TE 波，电场分量平行于该交界面，如下图所示：

根据Snell 定律可以求出反射和透射系数； 对于TM 波：

图3-1