传播损耗
天线和波传播在无线通信网络中起着至关重要的作用。天线是一种导电体或导电体系统,它向空间辐射/收集(发射或接收)电磁能量。理想的各向同性天线在所有方向上都均匀辐射。
传播机制
无线传输以三种模式传播。它们是:
- 地波传播
- 天波传播
- 视距传播
地波传播沿着地球的轮廓传播,而天波传播利用地球和电离层进行反射。
视距传播要求发射天线和接收天线彼此之间保持视距。根据底层信号的频率,遵循特定的传播模式。
地波和天波通信的例子是AM广播和国际广播,例如BBC。在30MHz以上,地波和天波传播均不工作,通信通过视距进行。
传输限制
在本节中,我们将讨论影响电磁波传输的各种限制。让我们从衰减开始。
衰减
信号强度随着传输介质中距离的增加而下降。衰减程度是距离、传输介质以及底层传输频率的函数。
失真
由于不同频率的信号衰减程度不同,因此包含一定频率范围内的分量的信号会发生失真,即接收信号的形状发生变化。
解决这个问题(并恢复原始形状)的一种标准方法是放大高频,从而均衡一段频率范围内的衰减。
色散
色散是电磁能量在传播过程中扩散的现象。由于色散,快速连续发送的数据脉冲往往会合并。
噪声
最普遍的噪声形式是热噪声,它通常使用加性高斯模型建模。热噪声是由电子的热运动引起的,并且在整个频谱中均匀分布。
其他形式的噪声包括:
互调噪声(由在载波频率之和或差产生的信号引起)
串扰(两个信号之间的干扰)
脉冲噪声(由外部电磁干扰引起的能量高的不规则脉冲)。
虽然脉冲噪声可能对模拟数据没有显著影响,但它对数字数据有明显的影响,会导致突发错误。
上图清楚地说明了噪声信号如何与原始信号重叠并试图改变其特性。
衰落
衰落是指信号强度随时间/距离变化的情况,在无线传输中非常普遍。无线环境中衰落最常见的原因是多径传播和移动性(物体以及通信设备的移动)。
多径传播
在无线媒体中,信号使用反射、散射和衍射三个原理传播。
反射发生在信号遇到尺寸远大于信号波长的巨大固体表面时,例如实体墙。
衍射发生在信号遇到尺寸大于信号波长的边缘或角落时,例如墙的边缘。
散射发生在信号遇到尺寸小于信号波长的较小物体会时。
多径传播的一个结果是,沿多条不同路径传播的信号的多个副本在不同时间到达任何一点。因此,在某一点接收到的信号不仅受信道中固有的噪声、失真、衰减和色散的影响,而且还受沿多条路径传播的信号相互作用的影响。
延迟扩展
假设我们从一个位置发送一个探测脉冲,并测量接收位置接收到的信号随时间的变化。由于多径传播,接收信号的信号功率会随时间扩展。
延迟扩展由由此产生的延迟随时间的扩展的密度函数决定。平均延迟扩展和均方根延迟扩展是可以计算的两个参数。
多普勒扩展
这是由移动无线信道变化率引起的频谱展宽的度量。它是由移动台和基站之间的相对运动或信道中物体的运动引起的。
当移动台的速度很高时,多普勒扩展很高,由此产生的信道变化比基带信号快,这被称为快衰落。当信道变化比基带信号变化慢时,则由此产生的衰落被称为慢衰落。