无线通信 - 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。天线是一种电导体或导体系统，它向空间辐射/收集(发送或接收)电磁能量。理想化的各向同性天线在所有方向上均匀辐射。

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
• 视线传播

地波传播沿着地球轮廓传播，而天波传播则利用地球和电离层的反射。

视线传播要求发射和接收天线在彼此的视线范围内。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有AM 广播和国际广播，例如 BBC。 30 MHz 以上，地波和天波传播均不起作用，通信是通过视线进行的。

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距离的增加而下降。衰减程度取决于距离、传输介质以及底层传输的频率。

失真

由于不同频率的信号衰减程度不同，因此由一定频率范围内的分量组成的信号会发生失真，即接收信号的形状会发生变化。

解决此问题(并恢复原始形状)的标准方法是放大更高的频率，从而均衡频带上的衰减。

色散

色散是电磁能量突发在传播过程中扩散的现象。由于色散，快速连续发送的数据突发往往会合并。

噪声

最常见的噪声形式是热噪声，通常使用加性高斯模型进行建模。热噪声是由于电子的热扰动而产生的，并且均匀分布在频谱上。

其他形式的噪声包括 −

• 互调噪声(由载波频率之和或之差的频率产生的信号引起)

• 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高能量不规则脉冲)。

虽然脉冲噪声可能不会对模拟数据产生重大影响，但它对数字数据有明显的影响，导致突发错误。

上图清晰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/距离的变化，在无线传输中普遍存在。无线环境中衰落的最常见原因是多径传播和移动性(物体以及通信设备的移动性)。

多径传播

在无线介质中，信号使用三种原理传播，即反射、散射和衍射。

• 反射发生在信号遇到大型固体表面时，其尺寸远大于信号的波长，例如固体墙壁。

• 衍射发生在信号遇到边缘或角落时，其尺寸大于信号的波长，例如墙壁的边缘。

• 散射发生在信号遇到小于信号波长的小物体时。

多径传播的一个后果是多个信号沿多条不同路径传播的副本会在不同时间到达任意一点。因此，在某一点接收到的信号不仅会受到信道中固有噪声、失真、衰减和色散的影响，还会受到沿多条路径传播的信号相互作用的影响。

延迟扩展

假设我们从某个位置发射探测脉冲，并测量接收位置处接收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。

延迟扩展由延迟随时间扩展的密度函数决定。 平均延迟扩展和均方根延迟扩展是两个可以计算的参数。

多普勒扩展

这是由移动无线电信道的变化率引起的频谱扩展的度量。它是由移动设备和基站之间的相对运动或信道中物体的移动引起的。

当移动设备的速度很高时，多普勒扩展也很高，并且由此产生的信道变化比基带信号的变化更快，这被称为快速衰落。当信道变化比基带信号变化慢时，由此产生的衰落被称为慢衰落。