电磁波定义、特性以及信道相关知识

前言

记录一下通信原理学习笔记，主要内容包括电磁波的概念及传播方式，以及随参信道的特性与影响、信道容量相关知识

一、电磁波的定义、特性、波谱

1、电磁波的特性

• 低频电磁波，主要束缚在有形的导电体内传递。
• 高频电磁波，即可在空间，也可在导电体内传递。
• 电磁波在空间的传播速度等于光速：

x

• 频率

和波长

是电磁波的重要特性：

• 为了有效地发射和接收电磁波，天线尺寸：

=======>

越高 -->

越短 -->

越小

2、电磁波谱的划分及用途

在这里插入图片描述

二、地球大气层的结构

• 对流层：约 0~10 km
• 平流层：约 10~60 km
• 电离层：约 60~400 km

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三、电磁波的传播方式

1、地波（ground-wave）

• 频率：< 2MHz
• 特性：有绕射能力
• 距离：数百或数千 km
• 应用：AM 广播

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2、天波（sky-wave）

• 频率：2~30 MHz
• 特性：被电离层反射
• 距离：约 4000 km（一跳）
• 用于：远程、短波通信

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3、视线传播（line-of-sight）

①、相关特性

• 频率：> 30 MHz
• 特征：直线传播、穿透电离层
• 用途：超短波和微波通信、卫星和外太空通信
• 距离：与天线高度 h 有关

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为收发天线间距离（

），

，

是地球半径

例如设收发天线的架设高度均为

，则最远通信距离为

②、增大视线传播距离的其他途径

• 微波中继（微博接力）
• 卫星中继（静止卫星、移动卫星）
• 平流层通信

<1>、微波中继

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<2>、卫星中继

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优点：通信容量大，传输质量稳定， 传输距离远，覆盖区域广 缺点：传输时延大，信号衰减大， 造价高。

四、随参信道的特性与影响

随参信道：指的是传输特性随时间随机变化的信道 如短波电离层反射、各种散射信道、移动通信信道等

1、随参信道的特性

• 衰减随时间变化
• 时延随时间变化
• 多径传播

多径传播：发端的信号经过了多条路径到达了接收端，或者说接收信号是多条路径下来的合成信号。 由于每条路径对信号的衰减和时延随机变化，因此，多径传播现象对信号会带来严重的影响

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2、多径传播对于宽带信号的影响

①、频率选择性衰落

• 传输零点位置：衰减最小
• 传输极点位置

信道对不同频率的信号成分有不同的衰减，且随时间变化

为两条路径的相对时延差

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结论①：多径传播使信号产生瑞利型衰落与频率弥散 结论②：多径传播造成频率选择性衰减

②、避免频率选择性衰落的方法

• 信道相关带宽：

——相邻传输零点的频率间隔

• 应使信道带宽

小于

，工程经验公式：

~

• 数字信号的码元宽度：

~

——>

（码元速率决定了数字信号占用的带宽）注：数字信号码元宽度

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这就意味着要限制码元速率对传输高速的数字信号时，频选衰落将会引起严重的码间串扰，但是实际中我们需要高速传输，那么高速传输必然会引起频选衰落，怎么办呢？=====>OFDM —— 减小频率选择性衰落的有效措施之一。

3、OFDM —— 减小频率选择性衰落的有效措施之一

①、定义

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），是 4G 的关键技术之一

—— 具有较强的抗多径传播和抗频率选择性衰落的能力，以及较高的频谱利用率，在高速无线通信系统中得到了广泛应用。

短 ---- 占用

大

②、思想

思想：将信道分成 N 个正交子信道，将高速数据信号经过串/并转换成 N 路并行的低速子数据流，分别调制到各子载波上并行传输。

长 ---- 占用

小 因占用带宽小，所以子信道的信号带宽 < 信道的相关带宽，所以每个子信道上可以看成是平坦型衰落，从而消除码间串扰，子信道的均衡也相对容易。

五、信道容量

1、无扰信道的容量——奈奎斯特定理

奈奎斯特证明，对于一个带宽为 B 赫兹的无扰信道，其所能承载的最大信息速率（信道容量）为：

—— 信道带宽（Hz）

—— 信号电平数（进制数）

例使用

的话音信道通过调制解调器来传输数字信息：

• 若

则

• 若

则

• 若

则

给定B，增加M ，可提高C 给定M，B加倍，则C加倍

2、有扰信道的容量——香农公式

①、定义

信息论之父——香农证明，对于加性高斯白噪声（AWGN）信道，其无差错传输的最大平均信息速率（信道容量）为：

等价式：

式中，

——信号平均功率（W）；

——信道带宽（Hz）

——噪声单边功率谱密度（W/Hz）；

——噪声功率（W）

②、结论

• 信道容量

依赖于

和

三要素。

一定，增大

或减小

( 即提高

)，可增大

若

，则

若

，则

,一定，当

时，

趋于有限定值：

信道容量极限

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• 若实际信息速率

，则总能找到一种信道编码方式，实现无差错传输，若

，则不可能实现无差错传输。

③、应用

通过

与

的互换，可保证一定的信道容量

：

• 增加

，可以换取

的降低——宇宙飞行，深空探测，CDMA

• 提高

，可以换取

的减小——有线载波电话，频带拥挤场合

3、联系

下面例题将香农公式和奈奎斯特定理两者结合的一个例子：

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评注：在香农公式给定的信道容量之下，由奈奎斯特定理确定信号信号电平数 M