通信复习大纲

无线通信复习大纲

什么是无线通信？

答：无线通信是采用电磁波作为信息承载工具的一种通信方式。由于电磁波可以在自由空间中传播，无需各种有线媒质传输的限制，所以无线通信方式一种非常便捷的通信方式，可以实现任何时间、任何地点、与任何人进行通信。随着无线通信技术的发展，通信的业务也呈现出多种方式，使得人们之间的通信彻底实现了自由的互联和互通在这中间，无线通信发挥了自由通信的作用。

第23章 传播特性与多址技术

23-1 什么是无线电波？当在不同媒质的分界面传播时，电磁波会产生哪些边界效应？

答：无线电波是一种能在自由空间传播的电磁波。无线电波是以能量的形式在空间中传播的，其传播速度与空间中的媒质有关，当在不同媒质的分界面传播时，电磁波会产生以下边界效应： （1）反射

当无线电波碰到的障碍物的几何尺寸大于其波长时，会发生反射；反射可能发生在地球表面，也可能发生在建筑物墙壁或其他大的障碍物表面。多个障碍物的多重反射会形成多条传播路径，造成多径衰落。 （2）折射

当无线电波穿过一种媒质进入另一种媒质时，由于传播速度不同，会造成路径偏转，即发生折射。 （3）绕射

当无线电波在传播过程中被障碍物的尖利边缘阻挡时会发生绕射(物理中也称为衍射)。无线电波的波长越长，绕射能力越强，但是当障碍物的尺寸远大于电波波长时，绕射就会变弱。 （4）散射

无线电波在传播过程中遇到尺寸小于其波长的障碍物且障碍物的数目又很多时，将会发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体，在实际环境中，雨点、树叶、微尘、街道路标、路灯杆等都会引起散射。散射会造成能量的散射，形成电波的损耗。

另外，由于能量的扩散与媒质的吸收，传输距离越远信号强度越小。 23-2 无线电波的传播方式主要有哪些？

答：无线电波的传播方式是指无线电波从发射点到接收点的传播路径，主要有地波传播、天波传播、空间波传播、对流层传播、外层空间传播等方式。 （1）地波传播方式

地波传播是指电磁波沿地球表面到达接收点的传播方式。电波在地球表面上传播，地面上有高低不平的山坡和房屋等障碍物，根据波的衍射特性，只有当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕过障碍物。地面上的障碍物一般不太大，长波、中波和中短波均能绕过，而短波和微波由于波长过短．在地面上不能绕射，只能按直线传播。

地波的传播比较稳定，不受昼夜变化的影响，而且能够沿着弯曲的地球表面达到地平线以外的地方。但地球是个良导体，地球表面会因地波的传播引起感应电流，地波在传播过程中有能量损失，而且频率越高，损失的能量就越

多，因此中波和中短波的传播距离不长，一般在几百千米范围内，可用于进行无线电广播。长波沿地面传播的距离要远很多，但发射长波的设备庞大、造价高，因此长波很少用于无线电广播，多用于超远程无线电通信和导航等。 （2）天波传播方式

天波传播就是自发射天线发出的电磁波进入高空被不均匀的电离层反射后到达接收端的传播方式，无线电波信号一般要经多次反射后才能到达接收端。

电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性，实验证明，波长短于10m的微波能穿过电离层，波长超过3000km的长波几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离层对它吸收越少而反射越多。因此，短波最适宜以天波的形式传播，它可以被电离层反射到几干干米以外。但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低，因此电离层在夜间对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。

（3）空间波传播方式

当发射天线和接收天线架设地较高时，在视距范围内，电磁波既可以直接从发射天线传播到接收天线，也可以经地面反射达到接收天线，因此，接收天线处的场强是直射波和反射波的合成场强，直射波不受地面影响，而反射波则要受到反射点地质、地形的影响。

空间波在大气的底层传播，传播的距离受地球曲率的影响，收、发天线之间的最大距离被限制在视距范围内，若将天线架设在高大建筑物或山顶上，则可以有效地延伸空间波的传播距离，同时还可以利用微波中继站来实现更远距离的通信。空间波在传播过程中除受地形地物影响外，还受到低空大气层（即对流层）的影响。 （4）对流层传播方式

距离地面大约10km以内的大气层称为对流层。由于对流层中大气温度、压力和湿度的变化使得大气介电常数随高度而改变，当电波通过这些不均匀的大气层时就会经过反射、折射和散射到达接收天线。对流层传播较之电离层传播的应用更为广泛，超短波和微波均可采用对流层传播方式实现远距离传播。 （5）外层空间传播方式

外层空间传播是指电磁波在对流层、电离层以外的外层空间进行传播的一种方式，主要用于卫星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索、定位、跟踪等。由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行，而宇宙空间又近似于真空状态，因此电波在其中传播时，传输性能比较稳定。在外层空间传播的电磁波又称直达波，沿直线传播。 23-3 试述长波、中波、短波、超短波和微波的传播特点。

答：根据无线电波的波长可将其分为长波、中波、短波、超短波和微波，它们具有一下传播特点： （1）长波

长波的波长很长，地面的起伏和其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略。在通信距离小于300km时，到达接收点的电波基本上是地波。长波穿入电离层的深度很浅，受电离层变化的影响很小，电离层对长波的吸收也很小，因此长波的传播比较稳定。虽然长波通信在接收端场强非常稳定，但存在着对其他无线电台干扰严重以及受雷电影响比较严重的两个缺点。 （2）中波

中波能以地波或天波的形式传播。中波由于频率较长波高，故需要在比较深入的电离层处才能发生反射。 （3）短波

与长、中波一样，短波可以靠地波和天波传播。由于短波频率较高，地面吸收效强，用地面波传播时衰减很快，一般情况下，短波的地波传播距离只有几十千米，不适合用于远距离通信和广播。与地波相反，天波在电离层中的损耗却随着频率的增高而城小，因此可利用电离层对天波的一次或多次反射进行远距离无线电通信。 （4）超短波和微波

超短波和微波的频率很高，地波衰减很大，电波穿入电离层很深，甚至不能反射回来，因此超短波和微波一般不用地波和天波的传播方式，而只能用空间波、外层空间等传播方式。超短波和微波由于频带很宽，因此应用很广泛。超短波广泛用于电视、调频广播、雷达等方面。利用微波通信时，可以同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰。

超短波和微波在传播特点上有一些差别，但基本上是相同的，主要是可在低空大气层进行视距传播，因此，为了增大通信距离，通常需要把天线架高。

23-4无线电波在传播过程中的无线信号存在哪些衰耗？

答：无线电波在传播过程中的无线信号存在路径衰耗、慢衰落和快衰落的损耗三种衰耗。 （1）路径衰耗

路径衰耗是指电磁波直线传播的损耗，包括在自由空间中传播时与距离的幂次方成反比的固有衰耗以及散射和吸收等导致的衰耗等。 （2）慢衰落 无线电波在传播路径上遇到起伏的地形、建筑物和高大的树木等障碍物时，会在障碍物的后面形成电波的阴影。接收机在移动过程中通过不同的障碍物和阴影区时．接收天线接收到的信号强度会发生变化，造成信号衰落，这种衰落称为阴影衰落，由阴影引起的衰落是缓慢的，因此又称为慢衰落。慢衰落反映了百米波长量级内接收电平的均值变化而产生的损耗，一般服从对数正态分布。慢衰落的衰落速率与工作频率无关，只与周围地形、地物的分布、高度和物体的移动速度有关。 （3）快衰落损耗

快衰落主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，它们引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化。快衰落反映了十米级波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，因此称为快衰落。

23-5电磁波在传播时，对接收端而言，无线信号将产生几种效应？

答：电磁波在无线信道上传播时，对接收端而言，无线信号将产生以下几种效应：

（1）阴影效应

在移动通信中，移动台运动过程中，由于大型建筑物和其他物体对无线电波传播路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收端场强的起伏变化称为阴影效应，

阴影效应是产生慢衰落的主要原因。 （2）多径效应

多径效应是指由多条路径传播引起的干涉延时效应。由于各条传播路径会随时间发生变化，因此参与干涉的各分量场之间的相互关系也会随时间而变化，从而引起合成波场强随机变化的现象，从而造成总的接收场强的衰落。因此多径效应是衰落的重要成因，对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。 （3）远近效应

在移动通信中，由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机的变化，若各用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。由于CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率．因此“远近效应”问题更加突出。

（4）多普勒效应

无线电波收、发终端之间存在沿它们二者径向相对运动时，就会产生接收端收到的信号频率相对于发送端发生变化的现象，这种现象称为多普勒效应。由多普勒效应产生的附加频率变化量，称为多普勒频移，

23-6 什么是码分多址？直接序列扩频技术的理论依据是什么？

答：CDMA是以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入的方式。其原理是基于扩频技术的，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码与接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA是利用地址码的正交性来实现多址通信的，但通常可根据扩频的不同实现方法将CDMA分为直接扩频、跳频、跳时及混合扩频技术等。 直接序列扩频是依据香农定理的理论发展起来的，即在信号平均功率受限的白噪声信道中，系统信息传输速率的极限C(bit/s)与信道带宽B(Hz)、信噪比S/N间存在一些关系

该式表明在所需最高传输速率C不变的情况下，通过码调制来展宽带宽B，就可以在信噪比很低的情况下实现可靠通信。

23-7 随机接入多址技术主要有哪些技术？试述其基本原理。

答：采用无线通信进行数据的传输和交换时，大多采用采用随机接入多址技术，以适应数据业务的非实时性、分组性和突发性的业务特点。在随机接入多址方式中，每个用户可以随意发送信息，如果发生碰撞，则采用相应的退避算法重发,直至发送成功。

随机接入多址方式有纯ALOHA(P-ALOHA)、时隙ALOHA(S-ALOHA)、预约ALOHA(R-ALOHA)方式等。 （1）P-ALOHA

P-ALOHA方式又称为“经典ALOHA”方式，是一种完全随机的多址方式，不需要定时和同步，用户根据其需要向公用信道发送信息，若发生信息碰撞，则

退避随机时间后再重新发送。ALOHA的信道利用率不是很高，其最大信道利用率为18.4%，并且会出现不稳定的现象，因此需要进一步改进和提高。 （2）S-ALOHA

S-ALOHA是一种同步的随机多址方式，将时间分成许多等间隔的时隙，将各站点对应一个时隙，所发送的信息放在各自的时隙里发送。时隙的定时由系统时钟来决定，各站点的发送控制设备必须与该时钟同步。由于S-ALOHA方式不是随机发送信息，因此减小了相互之间的碰撞，提高了信道的利用率，使信道最大利用率提高到了36.8%。该方式需要全网定时和同步，增加了系统的复杂性。

（3）R-ALOHA R-ALOHA是在S-ALOHA的基础上考虑到系统内各站点业务量不均匀而提出的，其目的是为了解决长、短报文的兼容。R-ALOHA的基本原理是对于发送数据量较大的站点，在它提出预约申请后，将用较长的分组在预约的对隙进行发送。对于短报文，则仍然使用非预约的S-ALOHA方式传输。这样既解决了长报文时延长的问题，又保留了S-ALOHA传输短报文时信道利用率高的优点。 23-8 分集技术主要有哪些？其基本思想是什么？

答：分集技术是充分利用多径信号的能量来改善传输性能的技术。基本思想是利用多条具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的路径传输相同的信号，在接收端对这些信号进行处理，以降低多径衰落引起的接收电平的起伏波动影响，从而提高传输的可靠性。

分集技术分为两部分内容，即分离技术和接收合并技术。通过分离与合并来提高接收端的信噪比，从而获得分集增益。

为了在接收端得到相互独立的路径，可以通过空域、时域和频域等方法来实现，具体的实现方法有以下几种： （1）空间分集

空间分集也称天线分集，是移动通信中应用较多的分集形式。其原理是采用多副接收天线来接收信号，然后进行合并。为了保证接收信号的衰落特性不相关，要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长的一半即可。 （2）时间分集

将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，就可以得到多条衰落特性独立的分集支路。时间分集利用位于不同时间区间的信号经衰落信道后在统计上的互不相关特性，来实现抗时间选择性衰落功能。 （3）频率分集

采用2个或2个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信号，然后进行合成或选择。频率分集利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，来实现抗频率选择性衰落功能。 （4）极化分集

在移动环境下，两副在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现不相关的衰落特性，利用这一特点，在发射端和接收端各装两副天线，即水平极化天线和垂直极化天线，这样就可以得到两路衰落特性不相关的信号。 （5）角度分集

由于地形、地貌、接收环境的不同，使得到达接收端的不同路径的信号可能来自不同的方向，这样在接收端可以采用方向性天线，分别指向不同的到达

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