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搞懂无线通信从搞懂这20个专业名词开始

已有 1181 次阅读2018-12-23 13:40 |个人分类:射频

详细说明

香农定理
类比：城市道路上的汽车的车速和什么有关系？和道路的宽度有关系，和自己车的动力有关系，也其他干扰因素有关系（如：车量的多少和红灯的数量）。
香农定理是所有通信制式最基本的原理。 C=Blog2(1＋S/N)：其中C是可得到的链路速度，B是链路的带宽，S是平均信号功率,N是平均噪声功率，S/N即信噪比。香农定理给出了链路速度上限(比特每秒（bps）)和链路信噪比及带宽的关系。香农定理可以解释3G各种制式由于带宽不同，所支持的单载波最大吞吐量的不同。

趋肤效应
类比：下大雨后，农村的土路上中间积满了水，大家只好沿着路边排队通过。路的有效通过面积由于积水而减少，影响了人们的出行效率。
由于导体内部的感抗对交流电的阻碍作用比表面更大，交流电通过导体时,各部分的电流密度不均匀,导体表面电流密度大（减少了截面积，增大了损耗）,这种现象称为趋肤效应.交流电的频率越高,趋肤效应越显著,频率高到一定程度,可以认为电流完全从导体表面流过.实际应用：空心导线代替实心导线，节约材料；在高频电路中使用多股相互绝缘细导线编织成束来削弱趋肤效应。

相干时间
类比：穿着相同、长相相似的双胞胎兄弟同一时间并排出现，一般人难以区分。如果他们肩并肩同一动作照相，好像一个人照得有重影，看的人以为自己眼花了。
相干时间就是信道保持恒定的最大时间差范围，发射端的同一信号在相干时间之内到达接收端，信号的衰落特性完全相似，接收端认为是一个信号。如果该信号的自相关性不好，还可能引入干扰，类似照相照出重影让人眼花缭乱。从发射分集的角度来理解：时间分集要求两次发射的时间要大于信道的相干时间，即如果发射时间小于信道的相干时间，则两次发射的信号会经历相同的衰落，分集抗衰落的作用就不存在了。TD-SCDMA每个chip为时间长度为0.78us，也就是码片之间的相干时间是0.78us，同一信号通过不同路径到达接收端的码片超过这个时间，就有多径分集的效果；否则，形成自干扰。

相干带宽（1/相干时间）
类比：在城市繁忙的交通干线上，有一段路的一半正在整修。由于道路由宽变细，来往车辆的速度就需要慢下来，有的车被挤到了自行车道上，还有的车索性绕道。
相干带宽是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。在无线通信系统中，如果信号的带宽小于信道的相干带宽，则接收信号会经历平坦衰落过程，此时发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。如果信号的带宽大于信道的相干带宽，则接收信号会经历频率选择性衰落，此时接收信号的某些频率比其他分量获得了更大的增益，使接收信号产生了失真，从而引起符号间干扰。

功率控制
类比：当想把走在你前面的朋友张华叫住，你喊一声他的名字：“喂，张华！”发现他没听着，你还会再提高嗓门喊他的名字。如果张华已经听到你的声音，他告诉你：“你小声点，把别人吓着。”，你就会降低声音和他说话。
功率控制能保证每个用户所发射功率到达基站础保持最小，既能符合最低的通信要求，同时又避免对其他用户信号产生不必要的干扰，使系统容量最大化。当手机在小区内移动时，它的发射功率需要进行变化.当它离基站较近时，需要降低发射功率，减少对其它用户的干扰，当它离基站较远时，就应该增加功率，克服增加了的路径衰耗.

麦克斯韦方程组
趣闻：麦克斯韦后期的生活充满了烦恼。他的学说没有人理解，妻子又久病不愈。这双重的不幸，压得他精疲力尽。为了看护妻子，他曾经整整三个星期没有在床上睡过觉。尽管这样，他的讲演，他的实验室工作，却从来没有中断过。1879年是麦克斯韦生命的最后一年，他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。这时，他的讲座只有两个听众。一个是美国来的研究生，另一个就是后来发明电子管的弗莱明。空旷的阶梯教室里，只在头排坐着两个学生。麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台，他面孔消瘦，表情严肃而庄重。仿佛他不是在向两个听众，而是在向全世界解释自己的理论。1879年11月5日，麦克斯韦患癌症去世，终年只有49岁。他的功绩，在他活着的时候却没有得到人们重视。在赫兹证明了电磁波存在以后才公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。
麦克斯韦方程组Maxwell's equations描述电场与磁场的四个基本方程，其中：
No.1 方程：描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。
No.2 方程：描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。
No.3 方程：描述了变化的磁场激发电场的规律。
No.4 方程：描述了变化的电场激发磁场的规律。

电磁波Electromagnetic wave（应该是第一个讲的无线词汇）
趣闻：英国曾有2400万只“家养”麻雀。这些麻雀都在房屋阁楼处做窝，每天在各家花园内嬉戏，成为英国一道风景线。然而，近年来，英国麻雀数量突然急剧减少。英国科学家对此百思不得其解。有人认为是猫吃了麻雀，有人认为是无铅汽油影响了虫子的生存，而麻雀就靠这种虫子喂养小麻雀，还有人认为是建筑阁楼被封闭，使得麻雀无法做窝。最近，英国的科学家和动物学家指出，手机发出的电磁波是造成麻雀失踪的罪魁祸首。英国人从1994年开始大量使用手机。正是在这些年中，英国麻雀开始大量减少。研究表明，电磁波影响麻雀的方向感。麻雀依靠地球磁场来辨别方向。而电磁波会干扰麻雀找路的能力，从而使其迷失方向。研究还表明，电磁波还可影响动物的精子数量和排卵功能。
电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。除光波外，人们看不见无处不在的电磁波

多普勒效应（Doppler effect）
实例：当警车的警报声、赛车的发动机以一定的速度接近我们的时候,声音会比平常更刺耳.离我们远去的时候，声音会缓和一些；同样的道理，你可以在火车经过时听出刺耳声的变化，说明了多普勒效应的存在。
多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。天文学家哈勃应用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。医学上应用多普勒效应来对血液循环过程中供氧情况，血管粥样硬化的等情况作出判断。

多径效应
类比：大家小时候都玩过泥土，在一个小土堆的顶端倒水，水从四处流开，很多水都渗在土里或者流到不同方向损失掉了，有部分水流通过不同路径、不同时间汇到一个低洼的地方。
无线电波的多径效应是指信号从发射端到接收端常有许多时延不同、损耗各异的传输路径，可以是直射、反射或是绕射，不同路径的相同信号在接受端叠加就会增大或减小接收信号的能量的现象

白噪声
类比：当旧的用电设备如收音机打开后，可能听到“嗡嗡”的声音。
白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的“咝”声。白噪声是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。此信号在各个频段上的功率是一样的，理想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的，但这让我们在数学分析上更加方便。一般，只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。热噪声可以认为是白噪声。

高斯白噪声（及瑞利分布）
类比：热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。
高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。幅度服从高斯分布就是其幅度概率密度分布以均值为轴对称，在均值处最大，在一个方差处为曲线拐点。高斯噪声的线性组合仍是高斯噪声。对独立的噪声源产生的噪声求和时, 可按功率直接相加。

赫兹
插曲：比赫兹实验早七年，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未与重视，使发现被埋没了。
赫兹，德国物理学家，赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。1888年1月，赫兹将自己的研究成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。为了纪念赫兹，国际单位制中频率的单位定义为赫兹，它是每秒中的周期性变动重复次数的计量。

绕射
类比：见“直射波”
当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，无线电波绕过障碍物而传播的现象称为绕射。绕射时，波的路径发生了改变或弯曲。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。绕射损耗是各种障碍物对无线电波传输所引起的损耗。

直射波（Direct Wave）
类比：在台球这项运动中，很多规律很像电磁波的规律。假若直接撞击球中心打出去的时候假使没有任何阻挡，球将沿直线运行；如果打出的球碰到的台边，它就按照反射角等入射角的规律运行；假若母球和另一个球相切，根据力度和方向，它可以绕过视距内球，很像绕射；假设在一个范围内的很多球的彼此间距不超过一个球，当母球打到这些球中间，会激起很多球向不同方向运动，很像散射。
感悟：大自然的很多事情最根本的规律是相通的。这就是道可道的原因。但我们道出来的规律又总感觉有些欠缺，又是“非常道”。最根本的道只能去悟。
由发射天线沿直线到达接收点的无线电波，被称为直射波。自由空间电波传播是电波在真空中的传播，是一种理想传播条件。电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物吸收，也不会产生反射或散射。

反射波（Reflection wave）
类比：见“直射波”
应用：在高速铁路无线覆盖选站的时候，要关注无线电波的入射角问题。备选站址不能太远，否则入射角太大，进入车厢内的折射能力就减少。一般都选取离铁路100米左右的站址（还需考虑其他因素，以后说）。
无线信号是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，称为反射波。反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。反射波是在两种密度不同的传播媒介的分界面中才会发生，分界面媒质密度差越大，波的反射量越大，折射量越小。波的入射角越小，反射量越小，折射量越大。直射波和反射波合称为空间波。

散射波（Scattered Wave）
类比：不久前看到一起车祸，很多车辆在行驶，彼此间距不足以再穿过一个车。可是后面有个车没有任何减速的从后面冲到众多车辆中间，现况惨不忍睹。
当无线电波穿行的介质中存在小于波长的物体，且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射；散射波产生于粗糙表面，小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。

非视距传输（nLOS,Non Line of Sight）
趣事：在工科大学读书的时候，女生很少，大家对女性的生活感到非常神秘。幸运的是，和我们男生宿舍楼成直角的就是一个女生宿舍楼，而且水房就在靠近男生楼这一端。夏天的时候，只能听到水声，却看不到。一个同学说：“哎，可惜是非视距传输。”过了不多久，就发现该同学很创意般的在不远的墙上装了一个反射镜，此君用望远镜每天看半小时。最终被女生发现。
无线信号从发射点到接收端有障碍物阻挡，不能沿直线进行传播，叫做非视距传输。非视距传输的无线传播损耗比视距传输要增加很多。

菲涅尔区（Fresnel Zone）
类比：有时候，我感觉人的眼睛的最有效的视力范围也是一个椭球体。椭球体之外的东西虽然也能看到，但是已经不是特别的清晰。一个训练有素的射击运动员，他的有效视力范围一定集中在他和目标的半径非常小的椭球体内。
应用：在无线站址勘测的时候，一定要注意覆盖范围是否有大于菲涅尔半径的阻挡物。尤其是大的广告牌，高楼等障碍物。
菲涅尔区是一个椭球体，收发天线位于椭球的两个焦点上。这个椭球体的半径就是第一菲涅尔半径。在自由空间，从发射点辐射到接收点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件。为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的20％，否则电磁波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。

自由空间传播模型（Free space propagation Model）
感悟：老子说过：天下难事必作于易；天下大事必作于细。在很多物理学现象的研究建模过程中，我们先考虑繁杂现象中最本质最简单的规律，然后再考虑一些非本质的影响因素。
应用：在实际无线环境中，无线信号只要在第一菲涅尔区不受阻挡，就可以认为在自由空间传播。这样在传播损耗估算的时候，就可以非常简单。
趣闻：我和一个同事在北京的街道上走着，他和我开玩笑说：“做无线久了，我能感觉到我走的这个地方的TD信号有多大。这里的信号是-78dBm”。我们看了一下测试手机上的信号大小，是-77.5dBm。我说：“你都快成测试手机了！”
电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收。但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。
自由空间传播损耗就是发射点的无线信号在整个球面内均匀的向外扩散，扩散到接收天线处，落在天线的有效接收面积上的能量与发射的总能量的比。
最后推导出的自由空间传播公式为：
L=32.45+20log(dkm)+20log(fMHz)(dB)
当f=2000MHz的时候，公式可以简化为：L=38.45+20log(dm)。
自由空间传播模型是无线电波传播的最简单的模型，无线电波的损耗只和传播距离和电波频率有关系；在给定信号的频率的时候，只和距离有关系。在实际传播环境中，还要考虑环境因子n，则公式简化为L=38.45+10*n*log(dm)。n一般根据环境可取2~5之间。前面那位弟兄知道天线口的功率，利用上述简化的传播模型，估计他离TD天线的距离有100米，然后把所在位置的电波强度口算出来。
理解2000MHz时的电波传播的简化公式时要注意：
1、在1米处的损耗为38.45dB，在10米处的损耗为58.45dB；
2、距离增加一倍，损耗增加的是6dB（很多学生错认为是3dB）；
3、自由空间中的损耗不是随距离线性增加，而是指数级增加。（有的学生问每百米自由空间传播损耗是多少。这个问题本身是错误的。因为无线信号走过的第一个百米和第二个百米损耗是不一样的。

超高频 UHF（Ultra High Frequency）
超高频：分米波段，指频率为300~3000MHz的特高频无线电波。
无线电波分布在3Hz到3000GHz之间，在这个频谱内划分为12个带。在不同频段内的频率传播特性不相同。频率越小，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力越强。但低频段频率资源紧张，系统容量有限。高频段频率资源丰富，系统容量大；但频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越小，绕射能力越弱，实现的技术难度越大，系统的成本也相应提高。
移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖效果和容量。UHF频段与其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，被广泛应用于移动通信领域。
参考：长波通信，波长为10000～1000米（频率为30～300千赫）的无线电通信。长波通信主要用于军事上，如潜艇通信、地下通信及导航等。在一定范围内，长波通信以地波传播为主，当通信距离大于地波的最大传播距离时，则靠天波来传播信号。长波通信的优点是：通信距离远，能透过山体、海水一定的深度，通信比较稳定可靠。其缺点是：由于波长超长，收发信设备及天线系统庞大,造价高；通频带窄,不适于多路和快速通信；易受天电干扰。。

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