第2章 无线传输技术基础

直线传输带来的各种损伤
对模拟信号来说，损伤所带来的各种随机修改降低 了信号的质量。对数字信号来说会带来差错，1变成 0或反之。这些损伤包括如下**： Attenuation and attenuation distortion---衰减和衰减失 真 Free space loss---自由空间损耗 Noise---噪声 Atmospheric absorption—大气吸收 Multipath—多径 Refraction—折射

Attenuation
信号的强度会随所跨越的任一传输媒介的距离而降低。这种强 度上的降低称为衰减，对于导向媒介通常是一个指数值，表示 为单位距离一个固定的分贝数。对非导向媒介，衰减是一个更 复杂的距离函数。 Strength of signal falls off with distance over transmission medium--与距离的关系 **衰减带来的以下三个影响因素很重要Attenuation factors for unguided media: ① 必须有足够的接收信号的强度:Received signal must have sufficient strength so that circuitry in the receiver can interpret the signal ② 相对噪声的接收信号必须足够强:Signal must maintain a level sufficiently higher than noise to be received without error ③ 高频下的衰减Attenuation is greater at higher frequencies, causing distortion 如何解决以上问题呢? 前两个因素通过对信号强度的关注并使用放大器或中继器解决 采用使跨一频带的衰减均等化的技术,有一种方法是使用放大器, 与低频部分相比更多的放大高频部分
实际的计算公式

Maximum distance between two antennas for LOS propagation:
3.57 h1 h2
h1 = height of antenna


one h2 = height of antenna two

**举例 5.2P83（无线通 信与网络）
地波(ground wave)：地波传播或多或少要沿着
地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好 地跨越可视 的地平线 天波(sky wave)：天波信号可以通过多个跳跃， 在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行 直线LOS(line of sight) ：当要传播的信号频率在 30MHz以上时，天波与地波的传播方式均无法工 作，通信必须用直线方式。
4
A
2
e

4
f A c
2
e
G = antenna gain—增益 Ae = effective area—有效面积 f = carrier frequency—载波频率 c = speed of light (» 3 ´ 108 m/s)—光束 = carrier wavelength---载波波长
2
2
Pt = signal power at transmitting antenna Pr = signal power at receiving antenna = carrier wavelength d = propagation distance between antennas c = speed of light (» 3 ´ 10 8 m/s) where d and are in the same units (e.g., meters)

2．1．4 红外线
红外线传输不能超过视线范围，距离短
红外线传输无法穿透墙体。微波系统中遇到
的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存 在。 红外线不需要频率分配许可。
2．2 天线
天线是实现无线传输最基本的设备。天线 可看作一条电子导线或导线系统，该导线系 统或用于将电磁能辐射到太空或用于将太空 中的电磁能收集起来。

2．1．1 地面微波


地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站 中继。 用于建筑物之间的点对点线路。 常见的用于传输的频率范围为2GHz～40GHz。频率越高，可能的带宽就越宽， 因此可能的数据传输速率也就越高。
地面微波

来自百度文库

无线电微波通信在数据通信中占重要地位。在100MHz以上的频段内， 无线电波几乎按直线进行传播，而且这样的电磁波可以被汇集成一束窄 窄的波束，因此它可以通过抛物线形状的天线接收。而微波的频率范围 为300MHz～300GHz，在这个范围内，它在空中主要沿直线传播，可经 电离反射到很远的地方。同时，由于微波在空中是直线传播，而地球表 面是个曲面，因此传输距离受到限制。 由于微波是按照近似直线的方式进行传播的，所以，如果两个站点间相 距太远，那么地球本身就会阻碍电磁的传输，因此在中间每隔一段距离 就需要安装一个中继器来使电磁波传输得更远。中继器间的距离大约与 站高的平方根成正比，如果站高为100m，则中继器之间的距离可以约为 80km（距离一般在50～100km之间）。这种微波接力通信可传输电话、 电报、图像、数据等信息。
直线传播的距离

Optical line of sight---没有 任何站障碍物的情况下**
d 3.57 h

Effective, or radio, line of sight**
d 3.57 h
d = distance between
antenna and horizon (km) h = antenna height (m) K = adjustment factor to account for refraction, rule of thumb K = 4/3
不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个 威胁。因此，频带的分配需要严格控制。
地面微波（续2）
频率越高衰减越大，较高的微波频率对长途
传输没有什么用处，但却非常适用于近距离 传输。 频率越高，使用的天线就越小、越便宜。
2．1．2 卫星微波
通信卫星实际上一个微波接力站，用于将两
个或多个称为地球站或地面站的地面微波发 送器/接收器连接起来。 卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上 行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在 另一个频段(下行)上将其发送出去。 卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和 个人用商业网络
无线传播类型
各种频率范围的应用
2．4 直线传输系统中的损伤




衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion) 自由空间损耗(free space loss) 噪声(noise) 大气吸收(atmospheric absorption) 多径(multi path) 折射(refraction)

Free Space Loss—自由空间损耗

任何一种无线通信中,信号都会随距离发散 信号随距离的增加会在越来越大的面积范围内散布.这种形式的衰减称为自 用空间损耗** Free space loss, ideal isotropic antenna –全向天线**
Pt 4d 4fd 2 Pr c2
典型的数字微波性能
波段/GHz 2 带宽/MHz 7 数据率/Mb/s 12
6
11
30
40
90
135
18
220
274
地面微波（续1）
微波传输的主要损耗来源于衰减。
微波(以及无线电广播频段)的损耗公式 2 微波的损耗随距离的平方而变化 损伤的另一个原因是干扰，随着微波应用的
4d L 10 lg
举例
一个直径为2M的抛物线
反射天线，工作频率是 12GHZ，有效面积和天线 增益是多少？ 根据公式：
A=πr2 Ae=0.56A 波长 λ=C/F=0.025m,G=(7A)/ λ2=35186 将G 取对数再乘10之后得到Gdb=45.46db
2．3 传播方式
由天线辐射出去的信号以三种方式传播：
2．2．3 天线增益
天线增益(antenna gain)是天线定向性的度量。与由理论的全向天线(各向同性天 线)在各个方向所产生的输出相比，天线增益定义为在一特定方向上的功率输出。 在一给定方向上增加辐射功率是以降低其它方向功率为代价的.天线增益主要是 为了定向性 2 天线增益与有效面积的关系：
G
广播无线电波是全向性的，不要求使用碟形天线， 天线也无须严格地安装到一个精确地校准位置上。 无线电波(Radio) 是笼统术语，频率范围为 3KHz~300GHz。 非正式术语广播无线电波(broadcast radio) 包括 VHF频段和部分的UHF频段：30MHz～1GHz。 广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。
第2章 无线传输技术基础
内容提要
2．1 无线传输媒体 2．2 天线 2．3 传播方式 2．4 直线传输系统中的损伤 2．5 移动环境中的衰退 2．6 多普勒效应 2．7 信号传输技术 2．8 扩频技术 2．9 差错控制技术
2．1 无线传输媒体
传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的 物理路径。 传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的 (unguided)两类。
电信用的电磁波频谱
感兴趣的3个频段
微波：1GHz~100GHz，可实现高方向性的波束， 而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。 无线电广播频段：30MHz～1GHz，适用于全向应 用。 红外线频谱段：3×1011Hz～2×1014Hz，适于本地 应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点 对点及多点应用非常有用。
2．2．1 辐射模式
一个天线辐射出去的功率是全方位的，然而并 非在所有方向上辐射出的功率都是相等的。 描述天线性能特性的常用方法是辐射模式，它 是作为空间协同函数的天线的辐射属性的图形化表 示。
理想的辐射模式
2．2．2 天线类型
偶级天线
抛物反射天线
简单（偶级）天线
偶级天线散射模式
抛物线反射天线

对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，
例如双绞线、同轴电缆和光纤。 非导向媒体的例子是大气和外层空间，它们提供了传输 电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向，这种传 输形式通常称为无线传播(wireless transmission)
无线传输媒体


数据传输的特性及传输质量取决于传输媒体的性质和传输信 号的特性 对于导向媒体，传输受到的限制主要取决媒体本身。 对非导向传输媒体，发送天线生成的信号带宽比媒体更重要。 比如天线发射的信号有一个重要属性是方向性，通常低频信 号是全向的，当频率较高时信号能被聚集成为有向波束 人耳对2000－5000HZ的频率范围感受力最强，但人说话声 音频率一般在300－700HZ之间
地面微波





地面微波接力通信的主要优点如下。 容量大 由于微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。 质量高 因为工业干扰和电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和 米波通信小得多，因而微波传输质量较高。 投资小 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。 微波接力通信的缺点如下。 容易失真 与代频的无线电传输不同的是，微波并不能很好地穿透建筑物，而且微波即使在发射器处 已经会聚，但在空气中仍然会有一些散发。所以在微波通信中，相邻站之间必须直视，不 能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线（称 为“多径衰减”），因而造成失真。 易受环境因素影响 微波的传播性能有时也会受到恶劣气候的影响，如雨水天气。因为微波只有几厘米的波长， 因而容易被水吸收。 安全性差 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。 维护难度大 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。
卫星微波（续）
卫星传输的最佳频率范围为1GHz～10GHz。
特点
卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面
站接收，约有1/4s传播延迟。在差控和流控方面， 也带来一系列问题。 卫星微波是广播设施，许多站点可以向卫星发送 信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多 站点接收。
2．1．3 广播无线电波