第一章：無線通信基礎
1、無線電通信概述
1.1 無線電通信的定義（了解）P1
無線電：是一種利用空間作為信道，以電磁波的形式傳播信息的通信方式。
1.2 電磁波和電磁波譜、波段劃分/頻段劃分（掌握）P1
無線電：是一種利用空間作為信道，以電磁波的形式傳播信息的通信方式。
電磁波：是電磁場的一種運行形態。變化的電磁場在空間傳播形成電磁波。
a. 電磁波的磁場、電場及其行進方向三者相互垂直。
b. 電磁波的強度與距離的平方成反比。
c. 電磁波為橫波，波動以光速（3*10^8m/s）。
d. 電磁波傳播不需要介質，波長、頻率和速度滿足公式：c=λf。
為了更好理解電磁波的歷史，整理了一些額外的科普知識：
1831年，英國法拉第發現電磁感應現象；
1864年，英國科學家麥克斯韋完成電磁波論；
1887年，德國科學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在；
1898年，馬可尼證明了光是一種電磁波，而且還有很多種電磁波，本質相同，只是頻率和波長存在差異。
電磁波譜：按照波長或頻率的順序把電磁波排列起來，就是電磁波譜。把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，分別是：無線電波（分為長波、中波、短波、微波）、紅外線、可見光、紫外線、X射線及γ射線。
無線電波：是電磁波的一種，頻率範圍在3Hz-300GHz。根據波段或頻段可以劃分：超長波（甚低）、長波（低頻）、中波（中頻）、短波（高頻）、超短波（甚高頻）、分米波/微波（特高頻）、釐米波（超高頻）、毫米波（極高頻）。
知識對比：
在綜合能力中，我們學習了微波與衛星通信，其中也有對頻段的介紹，我們再回顧一下。微波也是一種電磁波，頻率範圍在300M-300GHz。根據微波傳播特點，可視為平面波。 利用微波作為載體的通信稱為微波通信。a. 米波（300M-3GHz）：用於通信和廣播電視； b. 釐米波（3G-30GHz）：用於雷達、衛星通信、無線電導航； c. 毫米波（30G-300GHz）：用於衛星通信。 （補充：在移動通信領域，通常把24GHz-100GHz稱為5G毫米波。）
2、無線電波的傳播特性
2.1 無線電波的傳播模式及機制（掌握）P3
傳播模式：地表波、天波和空間波。其中：
a. 地表波：沿地球表面進行傳播，因波長越短，越容易被地表吸收，所以長波、中波採用這種傳播方式，天線直接架設在地面。
b. 天波：經過空中電離層的反射、折射和散射後返回地面的無線電波叫天波。短波（即高頻）是利用電離層反射傳播的最佳波段。
c. 空間波：直射波和地面反射波統稱為空間波，其傳播情形主要取決於對流層和地面。長途微波傳輸和移動通信採用這種視距通信方式。
傳播機制：直射傳播、反射傳播、折射傳播、繞射傳播、散射傳播。其中：
a. 直射傳播：又稱為視距傳播，其極限距離和發射、接收天線的高度有關。考慮到空氣不均勻對傳播的影響，調整後的極限距離要比理論的大。
b. 反射傳播：電磁波在傳播路徑遇到某個物體，且物體尺寸遠大於電磁波自身波長，就會出現反射現象。通常發生在地面、水面。反射的信號經過多路信號矢量相加，有可能信號電平變大，也可能變小。
c. 折射傳播：電磁波遇到兩種介質的交界處，進入到另外一種介質中，產生折射。因在不同的介質電磁波傳播速度不同，從而會導致傳播方向發生變化。兩種介質，兩個角度之間關係為：
反比關係。
d. 繞射傳播：電磁波傳播過程中遇到不規則的障礙物，會產生繞射（衍射現象）。應用概念為「費涅爾區」，每個費涅爾區可用費涅爾半徑來描述，和電磁波頻率、發射機的距離有關。
e. 散射傳播：傳播路徑存在大量的物理尺寸比電磁波波長相對較小，或大的表面粗糙的物體，發生散射，表現為亂反射，對主波束影響較小。
2.2 電波傳播的衰落特性（掌握）P6
電波傳播衰落特性：
a. 慢衰落：服從正態分布，產生原因是陰影效應（位置變化）和大氣折射（時間變化）。
b. 快衰落：產生原因是多徑衰落（多徑效應產生的衰落）。
多徑傳輸使接收到的信號呈現：幅度衰落和頻率選擇性衰落，都屬於快衰落。
a. 幅度衰落：由多徑造成，可以服從瑞利分布（都是小弟）和萊斯分布（有老大）。
b. 頻率選擇性衰落：經過多徑傳播，不同頻率的信號產生增益和相移，導致波形失真，產生碼間幹擾（ISI），在時域上的體現就是時延擴展。
2.3 陸地無線信道的傳播損耗（了解）P8
傳播損耗（場強中值）取決於：傳播的距離d、工作頻率f、基站天線高度h、移動臺天線高度ha等。需要了解兩個公式：
2.4 電波傳播特點（掌握）P14
傳播特點：
a. 電波傳播是直射波和反射波的矢量合成，傳輸損耗與距離的平方成正比，與信號頻率的平方成正比。
b. 電波傳輸會有衰落，分為快衰落（在運動中，與移動的速度和頻率有關）和慢衰落（衰落深度與地形、頻率有關）
c. 移動臺高速移動中，產生都卜勒頻移。速度越快，頻率越大，頻移的影響越大。
幾種效應：
多徑效應：同一信號的各自傳播路徑不同，在接收天線處相互幹擾，這種現象為多徑效應，產生的衰落是多徑衰落（快衰落）。快衰落又分為：頻率、時間和空間選擇性衰落。
陰影效應：電波傳播空間中存在阻擋物，形成的陰影區。陰影效應的衰落速度與頻率無關，主要取決於傳播環境（障礙物的尺寸、移動臺的移動速度等）。
遠近效應：即近端對遠端的幹擾。克服這種效應的方法有：
a. 頻率分配時，提高隔離度
b. 採用擴頻技術，提高抗幹擾能力
c. 功率控制
d. 提高接收端的帶外抑制能力
都卜勒效應：移動用戶高速運動而引起的傳播頻率的變化，變化程度與移動用戶的運動速度成正比。
3、無線收發信機
3.1 無線收發信機的組成（了解）P18
無線收發信機：是實現無線電信號發射和接收的通信設備。
振蕩器：產生正弦波；
調製器：完成基帶信號對載波的調製，生成已調信號/帶通信號；
中放：對調製到中頻的信號進行放大；
上變頻：將帶通信號搬移到所需頻段，頻譜結構不變，頻率變大，反之下變頻亦然；
高功放：放大到足夠的功率並發射。
備註：強調一下調製的作用：
1）便於無線發射，減少天線尺寸；
2）頻分復用，提高通信容量；
3）提高信號抗幹擾能力。
4、天線與饋線
4.1 天饋系統的功能和特性（掌握）P19
天線的作用：用來發射和接收電磁波的部件。
a. 天線是無源器件，起轉化作用，不能放大信號，所以發射天線的功率要比進入天線的功率小。
b. 天線是互易的（具有可逆性），同一天線既可作發射，也可做接收。
天線的特性：由機械特性和電氣特性來描述。
a. 機械特性（外在美）：天線的形狀、尺寸、材料、重量、可靠性等；
b. 電氣特性（內在美）：天線的方向性、增益、極化方式、輸入阻抗和工作帶寬等。
天線方向性：可由方向角來描述方向性的強弱。定義場強減小到最大值的一半（半功率點，-3dB）處的偏離角度為天線的半功率角。半功率角越小，方向性越強。
天線增益：用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力。增益越大，電波向正前方傳播的距離越遠。
a. 參考天線是全向天線，增益單位為dBi；
b. 參考天線是對稱陣子天線，增益單位為dBd。
c. 兩者關係：同一個增益，用dBi表示的值比用dBd表示的值要大2.15，即0dBd=2.15dBi，或dBi=dBd+2.15。
前後比（補充）：方向圖中，前後瓣最大電平之比為前後比。以dB表示前後比=10lg(前向功率/反向功率)。
天線帶寬：有效的工作頻率範圍，和天線的型式、結構、材料有關，如天線振子所用管線越粗，帶寬越寬；天線增益越高，帶寬越窄。
極化方式：天線輻射的電磁場的電場方向，就是天線的極化方向。水平極化、垂直極化和圓計劃。
天線傾角：天線主瓣方向與水平面的夾角
天線阻抗：單位為Ω，電波穿行於天線系統不同部分時會遇到阻抗差異，如果每個接口處阻抗不匹配，電波的部分能量會反射回源端，在饋線上形成一定的駐波。
駐波比（VSWR）：表徵和測量天線系統中的駐波程度，也就是入射波和反射波的相對情況，引入這個概念。VSWR≥1，一般要求駐波比＜1.5。
5、無線信道中的噪聲與幹擾
5.1 噪聲與幹擾（了解）P26
信道的傳輸質量不僅取決於信號的功率，也受到信道中的噪聲和幹擾影響。噪聲都是沒有用的信號幹擾。
噪聲的分類：內部噪聲和外部噪聲（產生的原因）；人為噪聲和自然噪聲（產生的來源）。
熱噪聲也屬於自然噪聲，來自一切電阻性元器件中電子的熱運動（和溫度有關），特性服從高斯分布，又稱為高斯白噪聲。
可參見「通信綜合能力（通信系統概述+信道）」的練習題。
幹擾的分類：交調幹擾、互調幹擾、鄰道幹擾、同頻幹擾和鏡像幹擾。
a. 交調幹擾：特點是有用信號和幹擾信號同時存在，當接收有用信號，可以同時聽到信號臺和幹擾臺的聲音。
b. 互調幹擾：兩個或多個幹擾信號同時加到接收機，三階互調最嚴重。解決互調幹擾最有力的方法就是拉開發射機和發射機之間的距離。
（總結：交調和互調的區分：交調幹擾可能造成串話；互調幹擾可能造成質差。）
測驗題
1. Multipath causes multipath interference including constructive and destructive interference, and phase shifting of the signal. Destructive interference causes fading. Where the magnitudes of the signals arriving by the various paths have a distribution known as ______ .
A Rayleigh fading
B Rician fading
C Shadow fading
D Radio fading
2. 有關接收機靈敏度描述正確的有哪些？（）
A 假設解調帶寬為10kHz，噪聲係數取10dB，解調信噪比12dB，則可以算得接收機靈敏度為-112dBm
B 能夠接收到的並且還能正常工作的最低電平強度
C 接收機靈敏度跟很多東西有關，如噪聲係數、信號帶寬、解調信噪比等
D 靈敏度一般來說數值越低，說明其接收微弱信號的能力越強，但也帶來容易被幹擾
3. 關於天線增益的單位，以下說法中正確的是（）
A dBi和dBd都可以用作天線增益的單位
B dB也可以作為天線增益的單位
C 假設天線增益為10dBi，可以表達為12.15dBd
D 假設天線增益為10dBd，可以表達為12.15dBi
答案：
1. A 2. ABCD 3. AD
解析：
1、多徑效應引起的衰落為快衰落，服從瑞利分布（無主導強信號）和萊斯分布（有）。所以本題選A。
Where one component dominates, a Rician distribution provides a more accurate model, and this is known as Rician fading.
2、接收機靈敏度定義：接收機能夠接收到的並且還能正常工作的最低電平強度。接收機的靈敏度和噪聲係數、信號帶寬（Hz）以及信噪比(dB)有關。選項A的112dbm=-174+10+40+12得出。其中-174為固定係數。
3、本題考查了天線增益的單位dBi和dBd，兩者都是相對值，但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線；dBd的參考基準為偶極子。一般認為dBi和dBd表示同一個增益，用dBi表示的值比用dBd表示的值要大2.15。（即 dBi=dBd+2.15）。db是個比值不能用于衡量天線的增益。部分內容參見教材P20。
以上為紅松教育原創內容。