《无线通信原理及天线设计》课件

无线通信原理及天线设计本课程是通信工程专业的核心课程，致力于培养学生对无线通信系统和天线设计的深入理解课程采用理论与实践相结合的教学方式，从基础概念出发，逐步深入到现代无线通信技术的前沿应用通过系统化的学习，学生将掌握无线信号传播原理、调制解调技术、多址接入方法以及天线设计的核心理论课程内容涵盖了从传统通信技术到、5G等新兴技术的全面解析，为学生未来从事相关领域的研究和工程实践奠定6G坚实基础课程概述课程目标与学习成果教学内容与主要章节培养学生掌握无线通信系统的课程分为九个主要部分，包括基本原理和天线设计方法，具无线通信基础理论、信号与信备分析和解决实际工程问题的道分析、调制解调技术、多址能力学生将能够独立设计简接入方法、天线基础理论、典单的无线通信系统和天线结构型天线结构、天线阵列、设计优化以及现代应用考核方式与教学资源采用理论考试、实验报告、课程设计和项目答辩相结合的综合考核方式提供丰富的仿真软件、实验设备和参考文献，支持学生的深入学习和实践探索第一部分无线通信基础无线通信发展历史现代无线通信系统概述无线通信的挑战与机遇从马可尼的无线电报实验开始，无线通当今的无线通信系统包括蜂窝移动通信、频谱资源有限、信道环境复杂、功耗限信技术经历了超过一个世纪的快速发展卫星通信、无线局域网等多种形式这制等挑战促进了技术创新同时，物联每个历史阶段都标志着技术的重大突破，些系统相互补充，构成了覆盖全球的无网、智能城市等新兴应用为无线通信技推动了人类通信方式的根本性变革线通信网络基础设施术发展提供了广阔的机遇空间无线通信发展史年马可尼无线电报实验1895意大利发明家马可尼成功进行了第一次无线电报传输实验，标志着无线通信时代的开始这一突破性成就为后续无线技术发展奠定了基础年费森登实现无线语音传输1906加拿大发明家费森登首次实现了无线语音传输，使无线通信从简单的电报信号发展到语音通信，大大扩展了无线通信的应用年代雷达技术发展1940范围第二次世界大战期间，雷达技术得到快速发展，推动了微波技术和天线设计的重大进步，为现代无线通信技术奠定了重要技年代移动通信系统出现术基础1980第一代移动通信系统投入商用，开启了个人移动通信的新时代蜂窝网络概念的引入解决了频谱复用和系统容量问题年至今技术革新20005G/6G进入世纪以来，移动通信技术经历了、、到的212G3G4G5G快速演进当前正在研发的技术将进一步革新无线通信的6G能力和应用场景现代无线通信系统蜂窝移动通信系统卫星通信系统无线局域网与个人区域网采用蜂窝网络结构，通过基利用人造卫星作为中继站，站覆盖实现大范围移动通信实现远距离和全球覆盖的通提供局部区域的高速数据传服务从到信服务包括地球同步轨道输服务，如、蓝牙等技2G GSM5G WiFi，不断提升通信速率和卫星和低轨道卫星星座系统术这些系统具有部署灵活、NR系统容量成本低廉的特点物联网无线技术专门为物联网应用设计的低功耗、低速率无线通信技术，如、等，满足LoRa NB-IoT海量设备连接需求常见无线通信技术标准5G NRNew Radio第五代移动通信技术的空中接口标准，支持增强移动宽带、超可靠低时延通信和海量机器类通信三大应用场景采用了毫米波、等先进技术Massive MIMOWiFi6/6E IEEE

802.11ax最新的无线局域网标准，相比前代技术显著提升了网络容量和效率引入了、OFDMA等关键技术，在高密度部署环境中表现优异MU-MIMO蓝牙与

5.2LoRa/NB-IoT蓝牙提供低功耗短距离通信能力，广泛应用于可穿戴设备和专门为

5.2LoRa NB-IoT物联网应用设计，具有超低功耗和广覆盖特性UWB Ultra-Wideband超宽带技术具有极高的时间分辨率和精确定位能力，在室内定位、雷达成像等应用中具有独特优势功率谱密度低，对其他系统干扰小无线通信频段划分低频段300kHz-3MHz主要用于长波广播和导航中频段3MHz-30MHz短波通信和业余无线电频段高频段30MHz-300MHz调频广播、电视和移动通信频段超高频段300MHz-3GHz蜂窝通信和主要工作频段WiFi微波段至毫米波段3GHz-300GHz毫米波、卫星通信和雷达应用5G第二部分信号与信道信号表示与分析时域频域特征通信信道特性传播环境建模多径传播多径效应分析信道建模数学模型建立无线信号在传播过程中会受到各种环境因素的影响，包括路径损耗、多径效应、阴影效应和多普勒效应等准确理解和建模这些信道特性对于无线通信系统的设计和优化至关重要本部分将深入分析信号的数学表示方法和信道的物理特性无线信号表示频域表示时域表示通过傅里叶变换将时域信号转换为频域表示，信号随时间变化的波形特征，包括幅度、相揭示信号的频谱成分和带宽特性频域分析位和频率的时变特性时域分析有助于理解对于理解信号的频谱利用率至关重要信号的瞬时特性和动态行为复信号表示方法相位与幅度特性使用复数形式表示信号，将实部和虚部分别信号的幅度决定了信号强度，相位信息承载对应同相和正交分量复信号表示简化了调了重要的调制信息相位和幅度的精确控制制解调和信号处理的数学分析是现代数字调制技术的基础信号分析方法傅里叶变换将时域信号转换为频域表示的基础工具拉普拉斯变换分析连续时间系统的频域特性小波变换时频联合分析方法，适用于非平稳信号变换Z离散时间信号和系统的频域分析工具这些数学工具构成了现代信号处理的理论基础傅里叶变换提供了信号频谱分析的基本方法，而拉普拉斯变换和变换则分别适用于连续和离Z散系统的分析小波变换作为新兴的分析方法，在处理非平稳信号方面具有独特优势，特别适用于无线信道的时变特性分析无线信道特性多普勒效应多径效应发射机或接收机移动时产生的频率阴影效应信号通过多条路径到达接收端产生偏移现象多普勒频移会导致载波路径损耗由于地形起伏和大型障碍物遮挡造的快衰落现象多径传播导致信号频率偏移和信道的时变特性，在高信号在自由空间传播时由于距离增成的慢衰落现象阴影效应具有对的幅度和相位快速变化，可能引起速移动通信中需要特别考虑其影响加而产生的功率衰减路径损耗随数正态分布特性，影响覆盖区域的频率选择性衰落和时间弥散，严重频率和距离增加而增大，是无线链信号强度变化，是蜂窝网络规划的影响通信质量路预算的重要参数在城市环境中重要考虑因素还需考虑建筑物遮挡的额外损耗信道数学模型调制信道模型编码信道模型随机信道模型描述调制信号通过信道后的失真特性将信道抽象为离散的输入输出关系，重使用随机过程理论描述信道的统计特性模型考虑了信道的幅度响应、相位响应点关注信道的错误特性常用的模型包模型参数包括功率谱密度、自相关函数和群时延特性，用于分析调制信号的失括二进制对称信道和加性高斯白噪和概率分布函数，能够准确刻画信道的BSC真和补偿方法声信道随机变化规律AWGN调制信道模型直接反映了信道对已调信编码信道模型为信道编码技术的设计和随机信道模型是蒙特卡罗仿真和系统性号的影响，是调制解调器设计的重要依性能分析提供了理论基础，是现代数字能评估的重要工具，广泛应用于无线通据通信系统不可或缺的组成部分信系统的设计验证多径传播模型多径现象的物理本质多径信道的传输函数无线信号在传播过程中遇到建筑物、地用复数形式的传输函数描述多径信道特面、车辆等障碍物时发生反射、散射和性，包含各路径的衰减系数、相位延迟绕射，形成多条传播路径同时到达接收和到达时间信息，为信道建模提供数学端的现象基础相干带宽多径时延扩展信道传输函数保持相关性的频率范围，不同路径的传播时间差异导致信号在时与时延扩展成反比关系相干带宽决定间上的扩展，用均方根时延扩展来量化了信道的频率选择性特征，影响宽带信时延扩展是影响数字通信系统符号间干号的传输质量扰的关键参数时变信道分析ht,τΔf信道冲激响应多普勒扩展时变信道的双变量函数表示信道相干时间的倒数Tc相干时间信道保持不变的时间尺度时变信道的数学表示为，其中为时变的信道增益，为输eot=kteit+nt kteit入信号，为噪声随参信道的特性随时间快速变化，而恒参信道在一定时间内保持相nt对稳定时变信道的频谱分布呈现多普勒功率谱的特征，反映了信道衰落的频率特性相干时间和多普勒扩展是衡量信道时变特性的重要参数，直接影响系统的设计和性能大尺度路径损耗自由空间传播模型模型Okumura-Hata理想情况下信号在自由空间中的传播损耗，损耗随距离平方和适用于城市环境的经验传播模型，考虑了建筑物密度、天线高频率平方增加公式为，度等因素广泛应用于和系统的网络规划，具有较高的Lfs=

32.45+20logd+20logf2G3G是其他模型的基础预测精度模型双折点传播模型COST231模型的扩展版本，频率范围扩展到，增加了地形修考虑视距和非视距传播的分段线性模型，在不同距离范围内使Hata2GHz正因子特别适用于欧洲城市环境的传播预测，在系统规用不同的路径损耗指数更准确地反映了实际传播环境的复杂GSM划中得到广泛应用性小尺度衰落衰落类型分布特征应用场景关键参数衰落幅度服从瑞利无直射路径环平均功率Rayleigh分布境衰落幅度服从莱斯存在直射路径因子Rician K分布衰更灵活的分布各种传播环境形状参数Nakagami m落形式小尺度衰落对通信性能产生显著影响，导致接收信号强度的快速变化衰落常见于城市密集区域，衰落出现在开阔地带，而Rayleigh Rician衰落提供了更通用的建模方法Nakagami衰落会增加误码率，降低系统容量，因此需要采用分集技术、功率控制和自适应调制等技术来对抗衰落的不利影响，确保通信系统的可靠性和稳定性第三部分调制与解调数字调制技术将数字信息调制到载波上的基本技术，包括幅度、频率和相位调制方法数字调制是现代无线通信系统的核心技术多载波调制使用多个子载波并行传输数据的技术，能够有效对抗频率选择性衰落是最重要的多载波调制技术OFDM扩频通信将信号频谱展宽的调制技术，具有抗干扰和抗截获能力直接序列扩频和跳频扩频是两种主要实现方式现代调制技术高阶调制、自适应调制等先进技术，能够在保证可靠性的同时显著提高频谱效率，是等先进系统的关键技术5G基本数字调制技术幅移键控频移键控相移键控ASK FSKPSK通过改变载波幅度来通过改变载波频率来通过改变载波相位来传输数字信息的调制传输数字信息具有传输数字信息方式实现简单但抗较好的抗噪声性能，和是最常BPSK QPSK噪声性能较差，主要广泛应用于低速数据用的调制方式，PSK用于光纤通信等高信传输和物联网通信系具有优异的功率效率噪比环境统中和抗噪声性能正交幅度调制QAM同时调制载波的幅度和相位，实现高频谱效率、16QAM等高阶64QAM QAM广泛应用于现代高速数据传输系统调制原理ASK调制电路结构调制优缺点分析ASK ASK调制器主要由载波振荡器、模拟开关和低通滤波器组成优点包括调制解调电路简单、实现成本低、对载波相位不敏感ASK数字基带信号控制载波的通断，实现幅度调制电路结这些特点使在某些特定应用场景中具有优势dt StASK构简单，易于集成化实现缺点是抗噪声性能较差，容易受到幅度噪声影响，频谱效率相对调制信号的数学表达式为，其中为双极较低因此主要应用于信道条件较好的环境中st=dtcosωct dtASK性或单极性数字信号，为载波角频率ωc高级调制技术自适应调制技术根据信道条件动态选择最优调制方式和64QAM256QAM超高频谱效率的高阶调制技术和8PSK16QAM平衡频谱效率和可靠性的中阶调制π/4-QPSK改进的调制，降低包络变化QPSK高级调制技术通过增加调制阶数和优化星座图设计，显著提高了频谱效率通过星座点旋转减少了包络变化，适用于非线性放大器π/4-QPSK和在频谱效率和误码性能之间取得平衡和虽然频谱效率很高，但对信道质量要求更严格自适应调制技术能够8PSK16QAM64QAM256QAM根据实时信道状况选择最优的调制参数，最大化系统吞吐量多载波调制技术循环前缀设计子载波正交性在每个符号前添加循环前OFDM系统框图OFDM相邻子载波在符号周期内互相正交，缀，长度大于信道最大时延扩展原理OFDM发射端包括串并转换、变换、消除了载波间干扰正交性条件要循环前缀将线性卷积转换为循环卷IFFT正交频分复用将高速数据流分配到循环前缀插入和数模转换接收端求子载波频率间隔等于符号速率的积，简化了接收端的均衡处理，有多个正交的子载波上并行传输每进行相反操作，包括模数转换、循倒数，这是系统高频谱效效对抗多径干扰OFDM个子载波的数据速率较低，符号周环前缀移除、变换和并串转换，率的关键FFT期较长，能够有效对抗多径干扰和实现数据恢复频率选择性衰落扩频通信跳频扩频FHSS直接序列扩频DSSS载波频率按照伪随机序列快速跳变，信号在使用高速伪随机序列直接调制信息信号，将频域内跳跃传输能够有效对抗窄带干扰和信号频谱展宽处理增益等于扩频比，具有多径衰落，适用于军用和抗干扰通信优异的抗干扰和抗多径能力扩频码设计扩频系统优势扩频码的选择直接影响系统性能理想的扩除了抗干扰能力外，扩频通信还具有低截获频码应具有良好的自相关和互相关特性，常概率、多址接入能力和精确测距功能，广泛用的包括序列、序列和码m GoldWalsh应用于军用通信和卫星导航系统解调技术相干解调需要本地载波与发射载波同频同相的解调方式虽然电路复杂度较高，但能够获得最优的误码性能，广泛应用于高质量通信系统中相干解调需要载波恢复电路非相干解调不需要载波相位信息的解调方式，电路实现相对简单包括包络检波和鉴频器等技术，误码性能略差于相干解调，但在某些应用中具有成本优势差分解调利用相邻符号间的相位差携带信息，避免了载波相位恢复的复杂性差分相移键控DPSK是典型的差分调制解调技术，在移动通信中得到广泛应用软判决与硬判决硬判决直接输出数字比特，软判决输出可靠性信息软判决为后续的信道译码提供更多信息，能够显著改善系统的纠错能力和整体性能第四部分多址接入技术FDMA频分多址为不同用户分配不同频率资源，用户间通过频率隔离避免干扰实现简单但频谱效率相对较低TDMA时分多址为不同用户分配不同时隙，用户轮流使用相同频率需要精确的时间同步，广泛应用于系统2GCDMA码分多址为不同用户分配不同扩频码，用户可同时使用相同时频资源具有软容量特性和优异的抗干扰能力OFDMA正交频分多址将子载波分配给不同用户，实现灵活的资OFDM源调度是系统采用的关键技术4G LTENOMA非正交多址接入允许用户在功率域内共享资源，通过功率分配和串行干扰消除实现多用户接入，是的候选技术5G第五部分天线基础理论天线参数方向图、增益、效率等关键参数定义和测量方法辐射机理电磁波辐射的物理原理和数学描述阻抗匹配天线与馈线的阻抗匹配技术和设计方法测量方法天线参数的测量技术和标准方法天线是无线通信系统中实现电磁波辐射和接收的关键器件深入理解天线的基础理论对于设计高性能无线通信系统至关重要本部分将系统介绍天线的基本参数、工作原理、设计方法和测量技术天线的基本参数方向图增益辐射效率极化特性描述天线在空间各方向上辐射相对于理想各向同性天线的辐天线辐射功率与输入功率的比描述电磁波电场矢量的取向特功率分布的图形表示包括主射功率比值，通常用表示值，反映天线将电功率转换为性包括线极化、圆极化和椭dBi瓣、旁瓣和后瓣，是评价天线增益越高，天线的方向性越强，电磁波的能力效率越高，天圆极化，影响天线间的能量传方向性能的重要指标传输距离越远线性能越好输效率输入阻抗带宽天线输入端的复阻抗，影响天天线性能满足要求的工作频率线与馈线的匹配效果良好的范围宽带天线能够在较大频阻抗匹配能够最大化功率传输率范围内保持良好的电性能，效率适用于多频段应用天线方向图方向图测量方法远场测量和近场变换技术的应用三维方向图表示球面坐标系下的完整空间辐射特性前后比主瓣方向与后瓣方向辐射功率的比值半功率波束宽度功率下降对应的角度范围3dB主瓣与旁瓣最大辐射方向和次要辐射方向的特征天线方向图是天线最重要的特性参数之一，它直观地显示了天线在空间各个方向上的辐射强度分布主瓣指向期望的通信方向，而旁瓣会造成干扰和功率浪费半功率波束宽度反映了天线的聚束能力，前后比表征了天线的方向性现代天线设计通过优化结构参数来获得理想的方向图特性天线极化特性线性极化电场矢量在固定平面内振荡，包括水平极化和垂直极化两种基本形式线性极化天线结构简单，制造成本低，广泛应用于各种通信系统中极化方向的选择影响传播特性和系统兼容性圆极化电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内画圆，分为左旋圆极化和右旋圆极化圆极化天线能够减少极化损失，对于移动通信和卫星通信具有重要意义椭圆极化电场矢量端点轨迹为椭圆的极化形式，是线极化和圆极化的一般情况椭圆的轴比定义了极化的椭圆度，轴比为时为圆极化，轴比为无穷大时为线极化1交叉极化与双极化交叉极化是指天线在非期望极化方向上的辐射，会降低系统性能双极化天线能够同时支持两个正交的极化状态，有效提高频谱利用率和抗衰落能力双极化天线原理圆极化形成机制正交极化实现当两个正交极化分量的幅度相等且相位差为°时，合成电场形成圆极化通过调节馈90双极化天线同时存在水平和垂直两个正交的电网络的幅度和相位关系，可以实现左旋或极化分量，通过两个独立的馈电端口分别激右旋圆极化辐射励这种设计实现了空间的极化复用，显著提高了通信容量信道容量增强双极化天线能够在相同的频率资源上传输两路独立的数据流，理论上可以将信道容量提高一倍这是技术实现的重要MIMO基础系统应用UHF RFID在系统中，双极化天线能够读取多径衰落对抗UHF RFID任意方向的标签，解决了标签取向敏感性问不同极化状态的信号经历相对独立的衰落过题圆极化特性使得系统对标签和读取器的程，双极化分集能够有效减小多径衰落的影相对位置不敏感响，提高通信链路的可靠性和稳定性天线阻抗匹配阻抗匹配的重要性良好的阻抗匹配能够最大化功率传输效率，减少反射损耗当天线阻抗与传输线特性阻抗匹配时，驻波比最小，系统效率最高阻抗失配会导致功率反射和效率下降史密斯圆图应用史密斯圆图是分析和设计阻抗匹配网络的重要工具通过圆图可以直观地观察阻抗变换过程，简化匹配网络的设计计算圆图上的每个点对应一个复阻抗值匹配网络设计常用的匹配网络包括型、型和型网络设计时需要考虑工作频率、带宽要求和元LπT件损耗集总参数和分布参数匹配网络各有优缺点，适用于不同的应用场合宽带匹配技术宽带匹配需要在较大频率范围内保持良好的匹配特性常用技术包括多节匹配、渐变过渡和实频技术宽带匹配设计更加复杂，但能够支持多频段和宽带应用第六部分典型天线结构线天线面天线口径天线包括偶极子、单极子、环形和螺旋天线以平面结构为特征的天线类型，如微带利用电磁波在口径面上的分布实现定向等这类天线以线状导体为主要辐射元贴片天线、槽天线等面天线具有低剖辐射，包括喇叭天线、反射面天线等件，结构相对简单，理论分析较为成熟面、易集成的优点，广泛应用于现代通口径天线通常具有高增益和良好的方向偶极子天线是最基本的线天线形式信设备中性，适用于点对点通信微带天线是面天线的典型代表，通过印反射面天线通过抛物面反射器聚焦电磁线天线的辐射机理基于电流分布产生的刷电路工艺制造，成本低廉且便于批量能量，广泛应用于卫星通信和雷达系统电磁场，通过优化几何参数可以获得期生产，是移动终端的首选天线类型中，能够实现极高的增益和精确的波束望的辐射特性指向线型天线线型天线是最基础和重要的天线类型，其中偶极子天线是理论分析的基础，单极子天线利用地面作为镜像实现高效辐射环形天线产生磁偶极子辐射，螺旋天线能够产生圆极化波天线通过多个寄生元素实现高增益和强方向性，广泛应用于电视接收和业余无线电通信每种线型天线都有其特定的应用场景和性能特点，选择时需要综Yagi-Uda合考虑增益、方向性、极化和带宽等因素。