深入浅出通信原理知识点8

第八章 天线技术

8.1天线功能

在发射端通过天线将射频电信号转换成电磁波在自由空间中进行传输，相应地在接收端通过接收天线将电磁波转换回射频电信号

8.2电磁波辐射原理

1.辐射能力与导线形状的关系

如果两个导线平行而且距离很近，电场会被束缚在两个导线之间，辐射很弱；如果将两导线张开，电场就会被散播到周围空间，因而辐射增加

2.辐射能力与导线长度的关系

当导线长度L远小于波长时，辐射很微弱；当导线长度L增大到与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而能形成较强的辐射。

8.3 半波对称阵振子

指两臂均为1/4波长，全长为1/2的振子

从其垂直方向来看，在振子的轴线方向上辐射为0，最大辐射方向在水平方向；从其水平方向图来看，各个方向上幅度相同

（左边为垂直，右边为水平）

8.4全向天线

有以下特点：

• 在水平方向图上表现为360度都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。
• 在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。

8.5定向天线

有以下特点：

• 在水平方向图上表现为有一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性。（在全向天线的基础上增加一个反射板）
• 在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。

8.6多天线技术

1.分集技术

所谓分集接收就是“分开传输，集中处理”，发射机将同一个信号分成多路进行传输，到了接收机再集中进行合并。分集技术可以在不增加发射功率和带宽的前提下，改善无线信道的传输质量。常用的合并算法包括：选择合并、最大比合并、等增益合并等。

2.MIMO

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）：多入多出系统（入和出是相对于发射天线和接收天线系统来讲的）

SISO（Single-Input Single-Output）：单入单出系统（系统信息传输速率受限于香农公式）

为啥MIMO技术能够提高传输速率？

假设发射端和接收端是直接通过射频电缆直接相连，且互不干扰，并且并行传送数据，那么发射机和接收机之间的信道容量整整提高一倍。

所以类比起来当TX1和TX2距离足够远，而且RX1和RX2距离足够远，二者直接通信互不干扰。容量就提升一倍

求能够传输多路信号：

输入和输出基带数据构成输入矩阵S和输出矩阵Y，信道增益构成信道矩阵H：Y=HS。

hmn：信道增益，下标中m是接收天线的序号，n是发射天线的序号。

sm：发送的基带数据，一般为用复数表示的IQ数据。

yn：接收的基带数据，一般为用复数表示的IQ数据。

再找出方程组中有效的方程个数，就可以知道MIMO系统可以并行传送几路数据了

我们也可以对信道矩阵H进行线性变换，将可以用其他行的线性运算得到的那些行变换为零，剩下的非零行数就是有效方程的个数，也就是MIMO系统可以并行传送的数据路数。（求H矩阵的秩）

矩阵的秩就等于构成矩阵的行向量组的秩，也就是构成矩阵的行向量组的最大线性无关向量组所含的向量个数。

另外，信道矩阵的秩也不可能超过信道矩阵的列数Nt，这是因为：信道矩阵的列数Nt反映了方程组中未知数的个数，信道矩阵的行数Nr反映了方程组中方程的个数，当方程的个数超过未知数的个数时，其中一定有（Nr−Nt）个方程是可以表示为其他方程的线性组合，换句话说信道矩阵H中一定有（Nr−Nt）个行向量可以表示为其他行向量的线性组合，线性无关的行向量个数最多只有Nt个。

对于具有Nt根发射天线、Nr根接收天线的MIMO系统，信道矩阵的秩最大为：r=min{Nt，Nr}，最多可以并行传送r路数据。

空间复用和发送分集

1）空间复用（SM）

如果无线信道比较好，并且信道矩阵的秩大于1，并行发送多路不同的数据。可以提高数据传输的吞吐量，这就是空间复用。

2）发送分集（TD）

接收机只有一根天线，发射机并行发送多路相同的数据，可以提高数据传输的可靠性

波形赋形

利用波束赋形技术将天线方向图的主瓣对准目标，改善无线覆盖和无线信道传输质量，提高频谱利用率。

顾名思义就是赋予波束一定的形状，让波束的主瓣方向对准目标。

基本原理——通过控制各发射天线发出的射频信号的延时，使得各射频信号达到接收天线时相位相同，叠加之后信号得以增强。（光的干涉原理）