在无线通信中,一个很重要的组成部分就是无线电波的传播部分,即从发射天线到接收天线,亦即所谓的“无线信道”部分。电磁波在实际媒介空间的传播从理论分析上,可以视为自由传播加上传输媒介的影响。
1.自由空间中的传播
设发射天线的输入功率为Pi,天线增益系数为Gi,则离天线r处的场强功率谱密度E0为
若接收天线的增益系数GR,有效接收面积为Ae,则距离发射天线r处实际理论上能接收到的功率为
式中,λ为无线电波之波长。于是我们可以得到自由空间基本传输损耗(输入功率与接收功率之比)为
上式表明,电磁波在自由空间的传播损耗是由于球面波随距离增大,能量自然扩散而引起的。
2.传输媒介对电波传播的影响
(1)传输损耗(无线信道损耗)。电波在实际媒质中的传播是有能量损耗的。这种能量的损耗主要是由于媒介对电波的吸收、散射引起的,也可能是由于障碍物的绕射而引起的。我们将这种损耗定义为信道衰减因子,用A表示:
式中,|E|为接收点的实际场强,PR为实际接收到的功率。另外,由于媒介电磁特性的不稳定,它对电波传播还有其他一些影响。
(2)衰落现象。接收到的信号随时间随机起伏称为衰落现象。
①吸收性衰落:由传输媒质的介电参数的变化引起。因变化较慢,故也称为慢衰落。此外,地球大气的吸收衰落还与通信频率有很大关系,如图1.1所示。
图1.1 地球大气的吸收衰落特性(www.daowen.com)
②干涉性衰落:由随机多径干涉现象引起。因变化较快,故也称为快衰落。快衰落通常具有频率选择性,故通常也称为选择性衰落。快衰落在移动通信中表现最为明显。实验表明,当频率差值大于400 Hz时,信道的干涉性衰落特性的相关性已经很小,可以不予考虑。
③其他衰落,例如极化衰落、相位起伏等:极化衰落是信号在通过媒介(主要是反射)后,极化方式发生变化而导致的衰落。而相位起伏也称为多普勒频移,它是由媒介(如电离层)或通信物体的快速移动导致的。
(3)传输失真。接收信号的振幅失真和相位失真是由媒介的色散效应与随机多径传输效应导致的。
①色散效应:不同频率电磁信号在媒介中的衰落和传播速率不同而引起的失真。信号带宽越宽,色散效应越明显。
②多径效应:若收、发信机之间存在多个传输途径(直射、折射、反射),则接收到的信号为多个途径的综合叠加,从而导致失真。环境越复杂(如城市楼群中),多径效应越明显。
(4)电磁波的传播方式。不同频率的电磁波在相同的媒介环境中的传播方式有所不同,同一频率的电磁波在不同的媒介环境中的传播方式也有所不同。但总体来说,传播方式大致可以分为以下几种:视距传播、天波传播、地波传播。
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