第3章無線通信系統(tǒng)基本知識

1、第第3章章無線通信系統(tǒng)基本知識無線通信系統(tǒng)基本知識 無線通信系統(tǒng)是指利用電磁波在空間傳無線通信系統(tǒng)是指利用電磁波在空間傳播完成信息傳輸?shù)南到y(tǒng)。播完成信息傳輸?shù)南到y(tǒng)。 最基本的無線通信系統(tǒng)由發(fā)射器、接收最基本的無線通信系統(tǒng)由發(fā)射器、接收器和無線信道組成，如圖器和無線信道組成，如圖3-1所示。所示。圖圖3-1 無線通信系統(tǒng)組成無線通信系統(tǒng)組成 在發(fā)射器中完成信息的調(diào)制，即將基帶在發(fā)射器中完成信息的調(diào)制，即將基帶信號搬移到射頻上并放大到足夠的功率，信號搬移到射頻上并放大到足夠的功率，射頻信號通過發(fā)射天線變成電磁波在無線射頻信號通過發(fā)射天線變成電磁波在無線信道上傳輸；在接收端，空間傳播的電磁信道上傳輸

2、；在接收端，空間傳播的電磁波通過接收天線轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號進(jìn)入接收波通過接收天線轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號進(jìn)入接收器，接收器對信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始器，接收器對信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始信息。信息。 信息有時也叫做情報、調(diào)制信號或基帶信息有時也叫做情報、調(diào)制信號或基帶信號。信號。 理想的通信系統(tǒng)應(yīng)能夠在接收器中準(zhǔn)確理想的通信系統(tǒng)應(yīng)能夠在接收器中準(zhǔn)確地恢復(fù)出信息，但由于傳輸過程中無線信地恢復(fù)出信息，但由于傳輸過程中無線信道會引起信號的失真，同時會引入噪聲的道會引起信號的失真，同時會引入噪聲的影響，因此在接收解調(diào)過程中需要有相應(yīng)影響，因此在接收解調(diào)過程中需要有相應(yīng)的措施保證信息的正確性。的措施保證信息的正確性。無

3、線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.13.1天線基礎(chǔ)知識天線基礎(chǔ)知識3.23.2發(fā)射系統(tǒng)組成發(fā)射系統(tǒng)組成3.33.3接收系統(tǒng)組成接收系統(tǒng)組成3.43.4本章小結(jié)本章小結(jié)3.53.5 當(dāng)無線用戶之間可以直接進(jìn)行通信時，我當(dāng)無線用戶之間可以直接進(jìn)行通信時，我們稱這種方式為點對點通信方式，根據(jù)用戶們稱這種方式為點對點通信方式，根據(jù)用戶之間信息傳送的方向，可以分為單工通信與之間信息傳送的方向，可以分為單工通信與雙工通信。雙工通信。 若無線用戶之間由于距離或其他原因，若無線用戶之間由于距離或其他原因，不能直接進(jìn)行信息傳輸而必須通過中繼方不能直接進(jìn)行信息傳輸而必須通過中繼方式進(jìn)行時，我們稱為無線網(wǎng)絡(luò)通信方式

4、。式進(jìn)行時，我們稱為無線網(wǎng)絡(luò)通信方式。 單工通信系統(tǒng)，通信只有從發(fā)射器到接單工通信系統(tǒng)，通信只有從發(fā)射器到接收器一個方向，即消息只能單方向傳輸。收器一個方向，即消息只能單方向傳輸。 通常所說的通信系統(tǒng)多數(shù)是雙向通信，通常所說的通信系統(tǒng)多數(shù)是雙向通信，即消息可以在兩個方向上進(jìn)行傳輸，稱雙即消息可以在兩個方向上進(jìn)行傳輸，稱雙工通信。工通信。 雙工通信又可分為全雙工通信與半雙工雙工通信又可分為全雙工通信與半雙工通信。通信。圖圖3- 2 全雙工通信系統(tǒng)組成全雙工通信系統(tǒng)組成圖圖3-3 半雙工通信系統(tǒng)組成半雙工通信系統(tǒng)組成 目前存在的無線網(wǎng)絡(luò)有兩種：第一種是目前存在的無線網(wǎng)絡(luò)有兩種：第一種是基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

5、設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)的典基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用為移動通信網(wǎng)。型應(yīng)用為移動通信網(wǎng)。 圖圖3- 4 星狀網(wǎng)絡(luò)星狀網(wǎng)絡(luò) 第二種為無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，一般第二種為無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，一般稱之為自組織網(wǎng)（稱之為自組織網(wǎng)（Ad hoc）。）。 3.2.1 概述概述1天線增益天線增益 天線是將傳輸線中的電磁能轉(zhuǎn)化成自由天線是將傳輸線中的電磁能轉(zhuǎn)化成自由空間的電磁波或?qū)⒖臻g電磁波轉(zhuǎn)化成傳輸空間的電磁波或?qū)⒖臻g電磁波轉(zhuǎn)化成傳輸線中的電磁能的設(shè)備。線中的電磁能的設(shè)備。 圖圖3-5 全向天線的輻射方向圖全向天線的輻射方向圖圖圖3-6 理想點源（無耗均勻輻射器）的輻射方向圖理想點源（無耗均勻輻

6、射器）的輻射方向圖 圖圖3-7 全向天線與理想點源的輻射方向圖對比全向天線與理想點源的輻射方向圖對比 天線的極化就是指天線輻射時形成的電天線的極化就是指天線輻射時形成的電場強(qiáng)度（圖中箭頭）方向。場強(qiáng)度（圖中箭頭）方向。 圖圖3-8 垂直極化（垂直極化（Vertical） 圖圖3-9 水平極化（水平極化（Horizontal）圖圖3-10 導(dǎo)線間距與輻射強(qiáng)度的示意圖導(dǎo)線間距與輻射強(qiáng)度的示意圖圖圖3-11 半波對稱振子示意圖半波對稱振子示意圖 天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效，這個調(diào)諧頻率為中心的一段頻帶上有效，這個調(diào)諧頻率稱為諧振頻率

7、。頻率稱為諧振頻率。 天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍。天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍。 天線阻抗是指天線對交流電所產(chǎn)生的阻天線阻抗是指天線對交流電所產(chǎn)生的阻礙，單位為歐姆（礙，單位為歐姆（）。）。 在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低低3dB時（功率密度降低一半）的兩點間時（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。主瓣寬度或半功率角）。 圖圖3-12 水平波瓣寬度水平波瓣寬度 圖圖3-13 垂直波瓣寬度垂直波瓣寬度 天線傾角是指天線主瓣方向與水平面的天線傾角是指天線主瓣方向

8、與水平面的夾角，是指輻射電波的傾角，而并不是天夾角，是指輻射電波的傾角，而并不是天線振子本身機(jī)械上的傾角。線振子本身機(jī)械上的傾角。 駐波比全稱為電壓駐波比（駐波比全稱為電壓駐波比（VSWR），是），是表示天饋線與基站匹配程度的指標(biāo)。表示天饋線與基站匹配程度的指標(biāo)。 天線陣列是指由多個簡單的天線元組合天線陣列是指由多個簡單的天線元組合起來構(gòu)成的天線。起來構(gòu)成的天線。 圖圖3-14 垂射和端射天線陣列垂射和端射天線陣列 圖圖3-15所示的是垂射陣列中的一種類型，所示的是垂射陣列中的一種類型，它使用的是半波偶極天線。它使用的是半波偶極天線。 由于各天線元的軸都沿著同一條直線放由于各天線元的軸都沿著同

9、一條直線放置，因此它叫做置，因此它叫做“直排陣列直排陣列”。 圖圖3-15 直排陣列直排陣列圖圖3-16 垂射陣列垂射陣列圖圖3-17 直排陣列與垂射陣列輻射圖的比較直排陣列與垂射陣列輻射圖的比較圖圖3-18 端射陣列端射陣列圖圖3-19 對數(shù)周期偶極天線陣列對數(shù)周期偶極天線陣列 發(fā)射系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生具有足夠功率和合發(fā)射系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生具有足夠功率和合 適頻率的調(diào)制后的信號，并且將該信號耦合適頻率的調(diào)制后的信號，并且將該信號耦合到天線發(fā)射出去。到天線發(fā)射出去。圖圖3-20 外差式發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)圖外差式發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖圖3-21 超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖 本章介紹了無線通信系統(tǒng)的基

10、本概念與本章介紹了無線通信系統(tǒng)的基本概念與系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)通信雙方的應(yīng)用需求和環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)通信雙方的應(yīng)用需求和環(huán)境因素可以選擇直接或間接的傳輸方式，境因素可以選擇直接或間接的傳輸方式，采用中繼方式的通信需要通信網(wǎng)絡(luò)。采用中繼方式的通信需要通信網(wǎng)絡(luò)。 天線是通信收發(fā)端的重要部件，主要完天線是通信收發(fā)端的重要部件，主要完成傳輸線中的電磁能與空間傳播的電磁波成傳輸線中的電磁能與空間傳播的電磁波之間的轉(zhuǎn)換。之間的轉(zhuǎn)換。 天線是無源器件，發(fā)射天線所輻射的功天線是無源器件，發(fā)射天線所輻射的功率不可能比發(fā)射機(jī)進(jìn)入天線的功率更大。率不可能比發(fā)射機(jī)進(jìn)入天線的功率更大。 天線是互易器件，同一天線可以用作發(fā)天線是

11、互易器件，同一天線可以用作發(fā)射天線或用作接收天線，性能一樣，并且射天線或用作接收天線，性能一樣，并且具有相同的增益。具有相同的增益。 衡量天線性能的參數(shù)有：天線增益、天衡量天線性能的參數(shù)有：天線增益、天線線 極化、諧振頻率、天線帶寬、天線阻抗、極化、諧振頻率、天線帶寬、天線阻抗、波瓣寬度、天線傾角和駐波比等。波瓣寬度、天線傾角和駐波比等。 將簡單的天線元組合起來構(gòu)成天線陣列，將簡單的天線元組合起來構(gòu)成天線陣列，可以獲得更大的增益和更好的定向特性。可以獲得更大的增益和更好的定向特性。 發(fā)射系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生具有足夠功率和合發(fā)射系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生具有足夠功率和合適頻率的調(diào)制后信號，并且將該信號耦合到適頻率的調(diào)制后信號，并且將該信號耦合到天線發(fā)射出去。天線發(fā)射出去。 通常包括載波振蕩器、混頻器、調(diào)制器、通常包括載波振蕩器、混頻器、調(diào)制器