无线系统（EEEN3006J-Wireless Systems）复习笔记 (4)
目录
前言
Chapter 4: Radio Link Design
无线电链路设计问题：
无线链路设计主题：
1. 基本天线概念（Basic antenna concepts）
1.1 发射天线（Transmit Antenna）
1.2 天线方向图测试（Radiation Pattern）
1.3 参考天线（Reference Antenna）
1.4 天线增益（Antenna Gain）
1.5 接收天线（Receive Antenna）
1.6 互易定理（Reciprocity Theorem）
2. 基本传播概念（Basic propagation concepts）
2.1 无线电波传播（Radio Wave Propagation）
2.2 在地球上传播（Propagation on Earth）
2.3 在地球大气中的传播（Propagation in Earth’s Atmosphere）
2.4 在大气中以较低的频率传播（Propagation in Atmosphere, at Lower Frequency）
2.5 自由空间传播（Free Space Propagation）
例子：电视广播
2.6 简单反射（Simple Reflection）
2.7 菲涅耳区（Fresnel Zones）
2.8 城市或室内连接（Urban or Indoor Link）
3. • 自由空间链接的链接预算计算（Link budget calculations, for free space links）
3.1 发射功率（Transmit Power ）
3.1.1 发射功率-EIRP
3.2 自由空间传播（Free Space Propagation）
3.2.1 自由空间传播的接收功率（Received Power of free space propagation）
总结：
4. 以分贝为单位工作（Working in decibel units）
4.1 分贝（The decibel）
4.2 分贝单位的功率（Power in decibel Units）
4.3 使用分贝单位（Working with decibel Units）
4.4 设计问题（Design Questions）
5. 通信卫星示例（Communication satellite example）
5.2 EIRP计算——典型数字
5.3 接收功率（Received Power）
5.4 信噪比（Signal-to-Noise Power Ratio）
5.5 如何改善信噪比？（How to Improve S/N?）
前言
本笔记是基于北京都柏林学院2022年EEEN3006J-Wireless Systems课程课件总结出的笔记。任课教师为Dr. Declan Delaney.
Chapter 4: Radio Link Design
无线电链路设计问题：
•接收器的信号功率是多少？
–或信号功率与噪声功率之比
•我能在多远的地方收到信号？
•我需要传输多少功率？
所有这些问题都是相互关联的
–无线电链路或系统设计的所有部分称为链接预算计算
无线链路设计主题：
• 基本天线概念（Basic antenna concepts）
–稍后将在模块中详细介绍天线
• 基本传播概念（Basic propagation concepts）
–只是对这些问题的介绍
• 自由空间链接的链接预算计算（Link budget calculations, for free space links）
–举个例子，进行一些分析和设计
• 以分贝为单位工作（Working in decibel units）
–在射频领域非常常见
• 通信卫星示例（Communication satellite example）
1. 基本天线概念（Basic antenna concepts）
1.1 发射天线（Transmit Antenna）
•想要向空间内发射电磁波
–电磁波以导波的形式到达
•在馈电电缆、波导管或电路板轨道等上。
–它以非导波的形式发射到空间中
–一个实用的天线可能会有一些损耗
•并非所有功率都被辐射，效率 < 1
1.2 天线方向图测试（Radiation Pattern）
• 电磁波的功率密度
–在空间的某一点上，单位面积的功率：
• 天线的辐射方向图
–功率密度如何随角度或方向变化
–在某些应用中，需要定向天线
• 一束窄光束中的辐射
–其他应用需要更统一的模式
1.3 参考天线（Reference Antenna）
•理想的各向同性散热器
–在所有方向上均匀辐射，无损耗
•功率密度在所有角度都是相同的
–假设性概念：不存在，无法制造
•可作为参考，与实际天线进行比较
–一个实用的天线可以在一个平面上具有近似均匀的辐射方向图，但并非在所有平面上都是如此
•如图所示，水平面上的均匀辐射：
1.4 天线增益（Antenna Gain）
• 增益是相对于理想的各向同性散热器定义的:
• 在远离天线的同一空间点测量
• 两种情况下的电源输入相同
–如果未指定增益方向，则为最大辐射方向的增益
•这是聚焦增益（与放大器增益不同）
–无额外功率：总辐射功率≤ 输入功率
–增益来自将辐射聚焦在所需方向7
光学类比（Optical Analogy）
•一个简单的灯泡提供大致均匀的辐射
–但显然不是朝着目标地的方向
•添加成型反射器以获得聚焦光束
–一个方向的功率密度要高得多
–所有其他方向的功率密度都要低得多
1.5 接收天线（Receive Antenna）
•想要收集电磁波
–电缆、波导管、电路板轨道等上的输出。
-可能是方向性的-对某一方向到达的波浪更敏感
•有效孔径（Effective aperture）=收集面积（collecting area）：A
–收集的功率与孔径成正比：
•在哪里是入射波的功率密度（
）
–有些天线具有明显的物理孔径
•有效孔径通常较小–孔径效率<1
1.6 互易定理（Reciprocity Theorem）
•天线可以用作发射或接收
–有时一根天线可以同时执行两个任务
–无论哪种方式，波束形状和增益都相同
–增益与有效孔径有关：
•其中G=增益，A=有效孔径，l=波长
•非常有用的结果
–发射天线的增益更容易可视化
–但增益通常也用于描述接收天线
思考题：
•有这样的反射面天线：
•如果你让他有更大的孔径和更大的有效孔径
•你会期望得到：
1.更高的增益和更宽的波束
2.更高的增益和更窄的光束
3.较低的增益和较宽的波束
4.较低的增益和较窄的光束
答案为：2
2. 基本传播概念（Basic propagation concepts）
2.1 无线电波传播（Radio Wave Propagation）
•在空旷的空间
–波浪以直线传播
–以光速：
•“自由空间传播”
–从发射天线到接收天线的一条清晰路径
–沿途无障碍物或衰减
–没有来自其他物体的反射
•在卫星通信系统中常见
–上行链路、下行链路、卫星间链路
2.2 在地球上传播（Propagation on Earth）
•地球不是平的
–半径
•从高度h处的天线到地平线的距离
–地形过于平坦（无丘陵或山谷）
所以：
–例如:
•通常假设短链路为平地
–但在链路长度为20 km时，中点处的地面高度差约为7.8 m
2.3 在地球大气中的传播（Propagation in Earth’s Atmosphere）
•频率更高
–高于~30 MHz（VHF及以上）
–与自由空间传播类似，但不完全相同
•波在对流层中传播
–地球大气层的最底层
–海平面折射率~1.0003
•随天气变化：温度、压力等。
–因此，在真空中，波的传播速度略慢于光
对流层效应：
•折射率随海拔高度变化
–通常随着海拔升高而轻微下降
•空气密度较低，也含有较少的水蒸气
–折射率的梯度会导致折射
•无线电波弯曲（轻微向下）
•增加到地平线的有效距离…
•通常使用假地球半径进行补偿（约为）
–所有这些都会随着天气发生显著变化…
•对于可靠的无线电链路，不能过分依赖于此…
2.4 在大气中以较低的频率传播（Propagation in Atmosphere, at Lower Frequency）
•频率低于~30 MHz
-电离层中的强折射
•大气电离区，从约60公里以上
–波可以回到地平线之外的地球
•但繁殖会随昼夜、季节等变化。
•频率低于~3 MHz
–垂直极化波可以沿着地球表面传播
•被称为地波传播
2.5 自由空间传播（Free Space Propagation）
•在地面（基于地球的）系统中，>1 GHz
–在高处或高耸的桅杆上需要定向天线
–天线之间的线路上没有障碍物
•被称为“视线”路径——可以从另一端看到一端
–该线附近的物体没有反射…
–距离受地球和地形（丘陵）曲线的限制
•在合适的地形下，可行驶100公里或以上
例子：电视广播
•三岩山
–地面高度450米，桅杆高度45米
–在本例子中视线清晰
这是自由空间链接吗？
•路径剖面–显示路径沿线的地形
–道路附近的山丘会引起反射
2.6 简单反射（Simple Reflection）
直接路线：
反射路线：
路径差： 其中：
相位差：
添加反射相位变化： 对于典型案例
2.7 菲涅耳区（Fresnel Zones）
• 第一菲涅耳区
–直接路径周围的椭球区域
–包含所有点，如果发生反射，则
路径长度差将是
–边界是图上的黑色椭圆
–区域的大小取决于距离和频率
•例如，对于10GHz的10km链路，中心半径约为9m
•例如，对于1 GHz的100 km链路，中心半径约为87 m
• N阶菲涅耳区
–如果发生反射，路径长度差将介于和
之间
–给出了一组围绕直接路径的同心区域
–距离处第n个菲涅耳区的半径为
–路径中心的最大半径为：
•影响
-第一菲涅耳区
•该区域边缘物体的反向反射与直达波大致同步
•该区域中心附近的反向反射与直达波相差约180°，降低了接收功率
•链接设计：（非常）粗略的设计规则
–在第一个菲涅尔区内不要瞄准任何物体
•或至少不超过20%
–为信号衰减留下良好的安全系数…
2.8 城市或室内连接（Urban or Indoor Link）
•不是自由空间传播！
•预期多径传播
–发射机和接收机之间有许多路径
•通常没有直接路径，只有反射和绕射路径
•都具有不同的路径长度和衰减
–接收器上的信号是许多分量的总和
•不同的相位和振幅，可以加或减
–带有移动发射器和/或接收器
•信号强度会随时间迅速变化。
思考题：
•哪些链路最接近自由空间传播条件？
–1：从地球到卫星的4万公里链路
–2：地球上两座山之间400公里的连接线
–3：从手机到城市街道基站的400米链路
–4：这些都没有
3. • 自由空间链接的链接预算计算（Link budget calculations, for free space links）
3.1 发射功率（Transmit Power ）
• 发射功率
–变送器电子设备的输出功率
• 见后面的示例…
–通过馈电电缆或波导管（如有）的损耗减少
–净发射功率（W）
• 在发射天线的输入端测量
• 链路预算计算的起点
3.1.1 发射功率-EIRP
• EIRP = 有效各向同性辐射功率
–使用各向同性散热器所需的发射功率，以在相关方向的相同距离上获得相同的功率密度
–考虑发射天线增益，.
–
–单位为W，因为天线增益是无量纲比率
3.2 自由空间传播（Free Space Propagation）
• 使用各向同性散热器进行传输
–发射功率在的3维空间中中均匀分布
•想象一个灯泡照亮球体的内表面
–距离r时，球体的表面积为
–所以距离r处的功率密度为
• 使用带增益的天线进行传输
–所需方向上的功率密度更高,所以
3.2.1 自由空间传播的接收功率（Received Power of free space propagation）
•接收天线距离d处的功率密度，
-随着距离的平方下降
•接收功率，
–接收天线有效孔径处的功率密度：
–给出了基本方程：
–注意与频率无关（但可能不是）
•该分析在发射天线附近无效
–仅在远场区域有效，其中
总结：
示例：有效孔径
•天线有一个直径为0.3米的圆形开口
–因此物理面积或孔径为0.0707
–但光圈效率约为60%
•有效孔径与物理孔径之比
•到达天线输出端口的功率分数
–因此，有效孔径为0.0707 x 0.6=0.0424
示例：路径损耗法
• 仅使用天线增益，天线增益为
–G=增益，A=有效孔径，l=波长
–制造商通常指定增益，而不是孔径
• 等式变为：
•定义路径损耗：通常用于自由空间。
– 无量纲比率，通常 >>>1
–不同传播条件下的其他表达式
•简单计算：
示例：使用路径损耗
示例：设计
• 如果接收功率不够高怎么办？
–接收器输出的错误概率太高
• 方程式显示了如何增加接收功率
–增加发射功率？（法律限制？）
–使用一个或多个更大的天线？（成本、空间……）
• 更大的有效孔径，更高的增益
–将接收器移近发射器？（不太可能）
• 还应考虑提高接收器灵敏度
–更低的带宽或更简单的调制（更低的比特率）
–或更好的接收器电子设备（见下文…）
•操纵方程式，找到你想要的任何东西
–然后使用已知值进行计算
• 避免中间结果四舍五入-存储在计算器中
示例：需要什么发射功率？
使用 ,其中
是接收器灵敏度，允许衰落裕度
示例：最大距离或范围是多少？
使用 ,其中
是接收器灵敏度
4. 以分贝为单位工作（Working in decibel units）
4.1 分贝（The decibel）
• 创建分贝是为了表示功率比
–放大器增益-无量纲比率
–使用分贝单位，
• 也非常常用于天线增益
–功率密度的无量纲比率…
–这些单位有时被写成 dBi
•强调增益与各向同性散热器有关
示例：
•以分贝为单位进行加法或减法运算
–对应于乘以或除以比率
–例如，17分贝=20分贝–3分贝，或比率100/2=50
•合并收益（或损失）
–放大器增益13 dB（比率~20）
–然后是损耗为1.5 dB的滤波器（增益为-1.5 dB）
•输出功率比输入功率小约0.707倍
–总增益11.5 dB（比率~14.1）
4.2 分贝单位的功率（Power in decibel Units）
• 表示相对于参考功率的功率
–单位dBW是指相对于1W的功率
–单位dBm是指相对于1 mW的功率
•在射频领域非常常用
–频谱分析仪、功率计、信号发生器
•通常以dBm为单位显示功率（或dBW为高功率）
–放大器、衰减器：以dB为单位指定增益或损耗
–电缆：在频率下，以单位长度的dB为单位指定损耗。
4.3 使用分贝单位（Working with decibel Units）
•分贝单位：放大器增益
–测量输入功率为-10 dBm（或0.1 mW）
–测量输出功率为+13 dBm（~20 mW）
–计算增益为23 dB（比率约为200）
• 注意：以dBm为单位减去两个值，结果为dB！！
• 实际上，以mW为单位划分两次幂，结果是无量纲的
• 同样，如果输入功率测量为+5 dBm
–已知放大器增益为23 dB
–预期输出功率为28 dBm（注意不同的单位）
以分贝为单位的精度:
• 1 dB的变化对应于~1.259的比率
–0.1 dB对应于~1.023的比率
–0.01 dB对应于~1.0023的比率
–0.001 dB对应于1.00023的比率
• 或0.023%的变化
• 大多数测量都没有那么精确！
–根据测量结果计算的结果相同
–所以通常只使用分贝单位的小数点后一位
–有时使用两位小数是明智的
–但小数点后不得超过两位！
示例链接–使用分贝单位
•制造商规定发射功率为17 dBm
•指定接收器灵敏度为-74 dBm
–与以前一样，适用于28 MHz带宽、64-QAM
•天线增益（发射和接收）各30 dB
•计算EIRP()
–可以表示为47 dBm或17 dBW
•计算接收功率？
–可以将功率转换为W，并将增益转换为比率
–然后使用前面推导的方程式…
备选方案：使用分贝单位
只有路径损耗不以分贝为单位
–无量纲比率，因此可以用dB表示
–在我们的示例中，，或140.7 dB
•将方程式转换为分贝单位
–
-17 dBm+ 30 dB+ 30 dB- 140.7 dB=-63.7 dBm
–与-74 dBm的灵敏度相比
•衰落的安全裕度为10.3 dB（比率约为10.6）
4.4 设计问题（Design Questions）
•易于操作方程式
– 是接收机灵敏度+衰减裕度（dB）
–对于范围计算，首先计算最大路径损耗
• 然后转换成一个比率，并计算最大d
• 示例：最大范围（自由空间）是多少？
–17.2 GHz的发射机，输出功率10 dBm
–链路两端的天线增益为33 dB
–接收器灵敏度-77 dBm
–允许15 dB的衰减余量
答案： 11公里
•练习：
–17.2 GHz的发射机，输出功率10 dBm
–链路两端的天线增益为33 dB
–接收器灵敏度-77 dBm
–允许15 dB的衰减余量
• 最大路径损耗是多少，单位为dB？
–答案：
1:105分贝
2:138分贝
3:153分贝
4:168分贝
5. 通信卫星示例（Communication satellite example）
5.1 典型通信卫星（Typical Communication Satellite）
• 在地球静止轨道上
–在赤道上方约36000公里处
• 因此，从地球上看，卫星似乎是静止的
• 易于将定向天线对准卫星
• 可以覆盖地球表面的很大一部分
• 但路径很长：路径损耗大，延迟时间长
• 卫星携带许多应答器
–太阳能电池板的所有电能
• 简单的应答器——常用
–接收来自地球的信号–上行
• 在某些特定带宽上–例如36 MHz
–放大，切换到新频率，再次放大
–传回地球–下行链路
5.2 EIRP计算——典型数字
•指向损失——接收器不在波束中心
–接收器方向的天线增益降低
5.3 接收功率（Received Power）
–接收到的信号功率非常低
–为了简单起见，数值已四舍五入…
5.4 信噪比（Signal-to-Noise Power Ratio）
•低信噪比
–对于简单的数字调制方案（例如QPSK），可以
•不适用于之前使用的64-QAM！
–没有太多退步余地…
5.5 如何改善信噪比？（How to Improve S/N?）
•使用更高的发射功率？
–需要向应答器输入更多电力
–更大的太阳能电池板，或更少的转发器…
•使用更高增益的发射天线？
–提供更窄的波束宽度，从而减少覆盖面积
–天线的物理尺寸将更大（在相同频率下）
•因此成本更高，尤其是在发射后必须展开的情况下
•使用增益更高的接收天线？
–更大的有效孔径，物理上也更大
•成本增加、风荷载增加…
•例如，直径3米，增益48.5分贝——将信噪比提高6.5分贝
•降低接收器中的噪声功率？
–因此可以在相同信号功率下获得更高的信噪比
–改进接收器电子设备，减少噪音…
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