[培训-无线通信基础-2]：无线电磁波传播机制（传播衰减链路预算）

Posted 2021-08-10 文火冰糖的硅基工坊

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引言：

既然无线通信是通过无线电磁波的宏观特性（而不是微观）来承载信息（二进制、模拟），那么就有必要先研究一下无线电磁波的传播特性。

所谓宏观特性，实际上就是电磁波的时域信号的特性：频率、幅度、相位。

备注：

本文主要探讨的是电磁波在空间中不同的传播形式，以及不同传播形式对电磁波的衰减情况。

正是因为电磁波在传输过程中有衰减，因此为了保障接收端能够有足够的能量接收电磁波，为了确保基站的一定的覆盖范围，就需要基站的发送信号有足够的功率，这就是链路预算。

第1章电磁波的直射传播（无遮挡）

在上图中的无线传输链路中，假设

发射天线的功率为Pt,发射天线增益为Gt,

接收天线增益为Gr,接收功率为Pr，

工作波长为λ，两天线相距为R。

从上述公式可以看出，在发送功率确定的情况下，接收功率：

与传输距离的平方成反比，传输距离越远，衰减越大，接收功率越小
与波长的平方成正比。频率越高，波长越短，衰减越大，接收功率越小。

备注：

信号的功率P与信号的幅度之间是平方关系，而不是线性关系。

天线的增益：是指定向天线在某个空间的实际发送功率与理论上的全向天线在该点上的发射功率比值，通常情况下，在总功率相同的情况下，在特定的方向，定向天线比全向天线的发射功率要大，因此产生了天线增益。

备注：

弗里斯传输公式是最重要的天线理论公式。

它将传输功率、天线增益、传输距离、波长与接收功率联系起来。

弗里斯公式是用来计算从一个天线到第二个天线的接收功率。

电磁波在自由空间的衰耗与波长的平方成正比：

频率越高，波长越短，衰减越大。
频率越低，波长越长，衰减越小。

这就是为什么，在同等的发射功率的情况下，5G的毫米波的传输距离远小于4G的厘米波。

备注：

射频载波越高，小区的覆盖半径越小，基站的部署越密集。

天线的长度必须大于电磁波1/4波长, 也就是说，电磁波的频率越高，天线的长度越小。

备注：天线的长度

超远程距离传输：千米（公里）级别
中波无线电广播：百米级别
AM无线电广播：10米级别。
FM无线电广播、电视、导航：米级。
1G, 2G：分米级。
3G, 4G：厘米级。
5G, 6G：毫米级。

第2章反射与投射（有遮挡）

备注：

长波和短波通信，就是利用电离层的反射，使得电磁波能够绕着球形的地球表面进行远距离传输。

没有电离层的反射，电磁波就会向太空、远离地球的表面进行辐射。

备注：

光波是一种电磁波，因此电磁波的反射、投射、折射符合光波穿透透明物理的规律。

备注：

通过上述公式，可以精确的计算电磁波穿透物理时，被吸收了多少能量，被透传或反射了多少能量。

但上述计算过于复杂，在实际工程中，不需要精确的数学计算，只需要工程估计即可，如下图所示：

上图展示了不同物体对电磁波的反射或投射之后的能量的损失。

接收端的能量 = 直射损失后能量 + 反射损失后能量，接收端能量与如下的参数相关：

Ptx * Gtx * Grx =》发射端功率、发送天线的增益、接收天线的增益
Htx、Hrx =》发射天线、接收天线离地面的高度，与此高度的平方成正比，因此，天线越高，接收端信号强度越强。
d =》发送与接收天线的距离，与距离的4次方成反比。距离越远，强度越弱，损耗越大。

备注：

当发送天线与接收天线距离比较近时，还没有地面反射路径，此时衰减符合Friis定理。

当发送天线与接收天线距离比较远时，出现地面反射路径，此时的衰减符合d^4定理。

第3章绕射与散射

备注：

在工程中，由于散射的电磁波的强度相对于其它途径传送的电磁波的能量而言，比较弱，因此通常可以忽略。

第4章噪声与干扰

备注：

所谓噪声，即为随机频率的电磁波信号，这些信号对用于发送信息的电磁波信号在时域上（电磁波宏观特性）进行叠加，造成有用信号的变形。

讨论噪声和干扰的原因是噪声会导致发送端发送的信息，在传输到接收端时，出现变形，导致接收端在解析信号时，出现解码错误，得到一个与发送端的意图不一致的、错误的信息。

正是因为噪声和干扰的存在，才需要后续的物理层信道的编码。

（1）正是因为噪声和干扰的存在，物理信道的最大容量不仅仅与带宽相关，还与信噪比相关，这就是香农定理：

C=W*log₂（1+S/N) （bit/s)；其中W为信号带宽，S/N为信噪比，C为无线信道在特定信噪比情形下，理论上可以得到的最大容量（最大传输速率）。

（2）如果无线信道，没有噪声，则信道容量只与带宽有关，则就是奈奎斯特定理：

Cmax=W*log₂V) ; V为调制阶数，W为信道带宽。

备注：

也就是说，热噪声的能量，除了波尔滋蔓常数外，主要取决于接收信号的带宽和环境温度。

温度越高，热噪声的能量越大，信号的带宽越大，引入的热噪声的能量越大（这就说明，热噪声是随机的等概率的分布在所有频谱上的）

备注：

200KHz是GSM的频分复用的基础带宽。
为了衡量某一线性电路(如放大器)或一系统(如接收机)的噪声特性，通常需要引入一个衡量电路或系统内部噪声大小的量度。有了这种量度就可以比较不同电路噪声性能的好坏，也可以据此进行测量。广泛使用的一个噪声量度称作噪声系数。
噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。
放大电路不仅把输入端的噪声放大，而且放大电路本身也存在噪声。所以，其输出端的信噪比必小于输入端信噪比。在放大器中，内部噪声与外部噪声愈小愈好。放大电路本身噪声越大，它的输出端信噪比越小于输入端信噪比，NF就越大。
LogF > 0，表明输入端的信噪比/输出端的信噪比 > 1 , 表明接收器的放大器抑制了噪声，经过放大器后，信噪比增加了。
LogF < 0，表明输入端的信噪比/输出端的信噪比 > 1 , 表明接收器的放大器叠加了内部噪声，经过放大器后，信噪比下降了。