通信系统/波传播

本页将讨论一些电磁波传播的基本原理。

电磁频谱

无线电波

麦克斯韦在 19 世纪首次预测了电磁波的存在。他通过仔细研究描述电磁现象的方程得出了这一结论。赫兹创造了这些波，而马可尼利用了它们。

尽管经过了一百年的研究，无线电波究竟是什么以及它们为何存在，仍然是一个谜。

自由空间中的电磁波，或称 TEM 波，由电场和磁场组成，每个场都与另一个场和传播方向成直角。

波长和频率之间的关系由下式给出

$c=\lambda f$

其中 c 是光速（真空中大约为 300,000 m/s），f 是波的频率，λ 是波的波长。

无线电波可以像光一样反射和折射。它们受到地面地形、大气和其他物体的影響。

麦克斯韦方程指出，时变磁场产生电场，时变电场产生磁场。这有点像鸡和蛋的问题。

无线电波从天线以光速向外传播。这些波的精确性质取决于传输介质。在自由空间中，它们以直线传播，而在大气中，它们通常以弯曲的路径传播。在受限或导向介质中，无线电波不会以 TEM 模式传播，而是以 TE 或 TM 模式传播。

无线电波与物体以三种主要方式相互作用

反射 - 无线电波从大于其波长的物体上反射回来。

衍射 - 波绕过物体弯曲。

散射 - 无线电波从小于其波长的物体上反射回来。

由于这些复杂的相互作用，无线电波传播通常在三个不同的区域进行研究，以简化分析

地波（或地面波）位于地球表面附近。

空间波出现在低层大气（对流层）中。

天波出现在高层大气（电离层）中。

这些区域之间的边界是模糊的。在许多情况下，不可能不考虑空间波而研究地波。

常见的射频频段标识

频段名称	频率	波长
ELF - 极低频	3 – 30 Hz	100000 – 10000 km
SLF - 超低频	30 – 300 Hz	10000 – 1000 km
ULF - 超低频	300 – 3000 Hz	1000 – 100 km
VLF - 极低频	3 – 30 kHz	100 – 10 km
LF - 低频	30 – 300 kHz	10 – 1 km
MF - 中频	300 – 3000 kHz	1000 – 100 m
HF - 高频	3 – 30 MHz	100 – 10 m
VHF - 极高频	30 – 300 MHz	10 – 1 m
UHF - 超高频	300 – 3000 MHz	1000 – 100 mm
SHF - 超高频	3 – 30 GHz	100 – 10 mm
EHF - 极高频	30 – 300 GHz	10 – 1 mm
THF - 超高频	300 – 3000 GHz	1 – 0.1 mm

地波

这些是 AM、FM 和电视广播中使用的主要波。建筑物、山丘、地面电导率等物体对其强度有很大影响。地波通常是垂直极化的，电场线与地球接触。

折射

由于折射，无线电视界比光学视界大约 4/3。典型的最大直射波传输距离（以公里计）取决于发射天线和接收天线的高度（以米计）

$d_{\max }\approx {\sqrt {17h_{t}}}+{\sqrt {17h_{r}}}\quad {\rm {km}}$

但是，大气条件会对折射量产生重大影响。

超折射

在超折射中，射线弯曲幅度超过正常情况，从而缩短了无线电视界。这种现象发生在温度升高而湿度随着高度降低时。矛盾的是，在某些情况下，无线电波可以传播到极其远的距离。它可以被地球反射，重新广播并再次超折射。

次折射

在次折射中，射线弯曲幅度小于正常情况。这种现象发生在温度降低而湿度随着高度升高时。在极端情况下，无线电信号可能会被折射到太空中。

空间波

这些波发生在大气层下 20 公里以内，由直射波和反射波组成。频率较高的无线电波基本上称为空间波。这些波能够穿过大气层，从发射天线传播到接收天线。这些波可以直线传播，也可以在地球表面反射到地球对流层后传播。因此，它也被称为对流层传播。在中波传播图中，c 表示空间波传播。基本上，空间波传播技术被用于频率非常高的频段，例如 VHF 频段、UHF 频段等。在如此高的频率下，其他波传播技术，例如天波传播、地波传播，无法工作。只有空间波传播可以处理较高频率的频率波。空间波传播的另一个名称是视距传播。空间波传播有一些限制。

1. 这些波受地球曲率的限制。
2. 这些波具有视距传播，意味着它们的传播沿着视距传播。

视距传播是指发送天线和接收天线彼此可见的精确距离。因此，从上面可以清楚地看出，如果要增加传输距离，可以通过简单地增加发送天线和接收天线的高度来实现。这种传播方式主要用于雷达和电视通信。

电视信号的频率范围约为 80 到 200 MHz。这些波不会被地球电离层反射。这些波也缺少遵循地球曲率的特性。因此，为了传播电视信号，使用地球同步卫星。卫星完成了将电视信号反射回地球的任务。如果需要更大的传输距离，就必须建造非常高的天线。

直射波

这通常是视距传播，但是，由于大气折射，传播范围略微超过地平线。

地面反射波

无线电波可能会撞击地球，然后弹回。反射强度取决于当地条件。如果直射波和反射波以相同的相对强度到达，并且彼此之间相位差为 180 度，则接收到的无线电信号可能会抵消。

水平极化波以几乎相同的强度反射，但相位反转 180 度。

垂直极化波的反射能量通常不到入射能量的一半。如果入射角大于 10 度，相位角几乎没有变化。

天波

这些波向太空传播，但会被电离层反射或折射回。电离层的高度范围为 50 到 1000 公里。

无线电波被太阳辐射产生的电离气体折射。电离程度取决于一天中的时间、季节和 11 年太阳黑子周期的位置。折射的特定无线电频率是电子密度和发射角的函数。

可以通过在地球表面和高层大气中多次反射，建立一条长达数千公里的通信通道。这种电离层传播主要发生在 HF 频段。

电离层由几层组成，这些层会根据一天中的时间而变化。每一层都有不同的传播特性。

D 层 - 该层仅在白天出现在 60 到 90 公里的高度。在高达 7 MHz 的频率下会发生高吸收。

E 层 - 该层出现在 100 到 125 公里的高度。在夏季，密集的电离云会在短时间内形成。这些被称为“散射 E”的云能够折射 VHF 频谱中的无线电信号。这种现象使业余无线电爱好者能够进行远距离通信。

F 层 - 这个单一的夜间层在白天分裂成两层（F1 和 F2）。F1 层形成在约 200 公里处，F2 层形成在约 400 公里处。F2 层传播大多数 HF 短波传输。

由于无线电信号可以采取多种路径到达接收器，因此可能发生多径衰落。如果信号同相到达，则会产生更强的信号。如果它们异相到达，则它们会相互抵消。

当太阳耀斑增加 D 层的电离时，可能会发生持续数分钟到数小时的深度衰落，并且覆盖广泛的频率范围。

有用的传输频段范围介于 LUF（最低可用频率）和 MUF（最高可用频率）之间。高于 MUF 的频率会被折射到太空中。低于 LUF，无线电频率会遭受严重的吸收。如果信号接近这两个极端中的任何一个，它可能会受到衰落的影響。

流星会产生电离尾迹，反射无线电波。尽管这些尾迹只存在几秒钟，但它们已成功用于跨越 1500 公里的通信系统。

北极光或北极光会在 3 到 5 MHz 区域引起随机反射。极光会导致信号在 100 Hz 到 2000 Hz 之间发生抖动，从而使语音传输变得不可能。

衰落和干扰

无线电信号的强度可能会因多种原因而发生变化。

平坦地球反射（水平极化）

当天线靠近地球时，无线电波至少可以通过两种路径传播：直射路径和反射路径。这两种信号以非常复杂的方式相互作用。但是，忽略极化并假设平坦的地球可以产生一些有趣的数学描述。

p₁ = 直射波路径长度

p₂ = 反射波路径长度

$\Delta$p = p₂ - p₁ 路径长度差

d = 距离

从几何图形中我们可以观察到

$p_{1}^{2}=\left({h_{r}-h_{t}}\right)^{2}+d^{2}$

$p_{2}^{2}=\left({h_{r}+h_{t}}\right)^{2}+d^{2}$

$p_{2}^{2}-p_{1}^{2}=\left({h_{r}-h_{t}}\right)^{2}+d^{2}-\left({h_{r}+h_{t}}\right)^{2}-d^{2}=4h_{r}h_{t}$

$\left({p_{2}-p_{1}}\right)\left({p_{2}+p_{1}}\right)=4h_{r}h_{t}$

但$\Delta p=\left({p_{2}-p_{1}}\right)$ 且 $d\approx p_{1}\approx p_{2}$

$\Delta p2d\approx 4h_{r}h_{t}$ 因此 $\Delta p\approx {\frac {2h_{r}h_{t}}{d}}$

如果两条路径的差值 $\Delta$p，是 1/2 $\lambda$ 长，则两个信号倾向于抵消。如果 $\Delta$p 等于 $\lambda$，则两个信号倾向于增强。路径差 $\Delta$p 因此对应于相位角变化

$\varphi _{p}={\frac {2\pi }{\lambda }}\Delta p={\frac {4\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d}}$

接收到的合成信号是两个分量的总和。不幸的是，反射波在反射点处的相位完整性无法保持，这使得情况更加复杂。

如果我们将对反射波的检查限制在水平极化的情况下，我们将得到以下几何形状

将余弦定理应用于此图，我们得到一个合成信号

$E_{r}=E_{1}{\sqrt {2\left({1-\cos \varphi _{p}}\right)}}=2E_{1}\sin \left({\frac {\varphi _{p}}{2}}\right)$

直射波的信号强度是单位距离值除以距离： $E_{r}={\frac {E_{0}}{d}}$ 因此，接收到的信号可以写成

$E_{r}={\frac {2E_{0}}{d}}\sin \left({\frac {2\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d}}\right)$

对于小角度，可以用以下公式近似

$E_{r}\approx {\frac {2E_{0}}{d}}{\frac {2\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d}}=E_{0}{\frac {4\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d^{2}}}$

多径衰落

接收到的信号通常是许多信号的组合，每个信号都来自不同的路径。每个分量的相位和幅度都与路径的性质有关。这些信号以非常复杂的方式组合。一些多径衰落效应的特点是延迟扩展、瑞利衰落和莱斯衰落、多普勒频移等。衰落是造成信号退化的最显著现象。衰落有几种不同的类别

• 平坦衰落：整个感兴趣的通带受到相同的影响（也称为窄带或幅度变化信道）。
• 频率选择性衰落：某些频率分量受到的影响大于其他分量（也称为宽带信道）。这种现象往往会引入符号间干扰。
• 慢衰落：信道特性变化速率小于波特率。
• 快衰落：信道特性变化速率快于波特率。

时间色散

当信号在不同的时间到达时，就会发生时间色散。以光速传播的信号在 1 纳秒内移动大约 1 英尺。这种扩展往往会限制射频链路的比特率。

瑞利衰落

瑞利分布可以用来描述平坦衰落信道的统计变化。通常，接收信号的强度随着发射机和接收机之间距离的平方反比而衰减。然而，在蜂窝系统中，天线略微向下倾斜，信号衰减得更快。

莱斯衰落

莱斯分布用于描述具有强直接或视线分量和许多较弱反射分量的信号的统计变化。这可能发生在任何多径环境中，例如建筑物内部或城市中心。

接收到的信号通常包含多个信号，每个信号都走着略微不同的路径。由于某些信号可能同相相加，而另一些信号可能反相相加，因此如果接收机即使移动很短的距离，总信号强度也会发生 40 dB 或更大的变化。

多普勒频移

频移是由发射机和接收机的相对运动或任何反射/折射信号的物体引起的。这种运动会产生随机的频率调制。多普勒频移根据发射机是朝向接收机移动还是远离接收机移动而为正或为负。

多普勒频移由下式给出

$f_{d}={\frac {v_{m}}{c}}f_{c}$

v_m 是发射机相对于接收机的相对运动，c 是光速，f_c 是发射频率。在多径环境中，每条路径的相对运动通常不同。因此，信号分布在一段频率范围内。这就是所谓的多普勒扩展。

大气衍射

无线电波不能穿透大多数物体太深。因此，在物体（如建筑物、山丘等）后面通常会有阴影区。

由于球面扩展（也称为惠更斯原理），无线电阴影区没有非常明显的截止点。波前的每个点都像一个点源一样沿传播路径辐射。总波前是所有点源或子波的矢量和。子波的幅度与$1+\cos \theta$ 成正比，其中$\theta$ 是从传播方向测量的。幅度在传播方向上最大，而在反方向上为零。

反射

反射通常是由于地球表面或建筑物和山丘引起的，这些物体的尺寸相对于传播波的波长很大。反射波改变了入射角。

反射与光被导电介质反射之间存在相似之处。在这两种情况下，反射角都等于入射角。反射角和入射角的相等遵循光的反射定律。

衍射

当光束或波通过狭缝时，它们会散开，这就是衍射。当波通过的狭缝等于波的波长时，衍射最大。衍射会导致相长干涉和相消干涉。