无线射频专题《射频信号，射频的传输行为，吸收，放射，散射，折射，衍射，损耗，增益，多径现象》_信号散射损耗

当射频信号在空中或其他媒介中传输时，会用不同的行为方式，射频传播方式包括吸收、反射、散射、折射、衍射自由空间路径损耗、多径现象、衰减和增益，作为无线局域网工程师，想要确保无线接入点部署在合适的位置、正确进行天线选型并对无线网络健康进行监控，理解射频传输行为至关重要。

吸收

最常见的射频行为之一就是吸收(Absorption)，如果射频信号没有从物体上反弹，没有绕开或者穿透物体，那么信号就被100%吸收了。大部分物质都会吸收射频信号，但吸收程度不同。砖墙和混凝土墙会显著地吸收信号，而石膏板墙只会吸收很小部分的信号。水是另外种能吸收很大程度信号的媒介（说过很多次，不要去海边测信号强度，不要去海边测最大通信距离）。吸收是导致衰减的主要原因，实际上那些含水率较高的物体(如纸张、硬纸板、金鱼缸等)都会吸收信号。

反射

反射是最重要的射频传播行为之一，当波撞击到一个比波自身更大的光滑物体时，波可能会往另一个方向传递。这种行为就是反射(Reflection)，打个比方，小孩在人行道拍球，球反弹到路面后会改变方向。反射的一种场景，射在镜子上的激光会根据镜子角度的变化被反射到不同的方向。射频信号反射与此类似，但遇到不同的物体和材质，情况会有所不同。有两种主要的反射类型：天波反射和微波反射，天波反射要求信号频率低于1GHz，即波长很长，该信号可在地球大气层中电离层的带电粒子表面进行反弹。这也是为什么在一个時朗的夜晚，可以在美国北卡罗来纳州的夏洛特听到来自芝加哥的WLA-AM的调幅电台节目。而微波信号的工作频率为1GHz~300GHz，相对高频信号来说，其信号的波长要小很多，所以又称之为微波(microwave)，微波可以在更小物体上反弹，例如金属门。在无线局域网环境中我们要非常关注微波反射。在室外，微波会在一些大且光滑的物体表面反射，例如建筑物、道路、水体甚至地球表面。在室内，微波会被光滑表面反射，例如门、墙和文件柜等，由金属构成的任何物体都会导致反射。

散射

你知道天空呈现蓝色的原因吗，这是因为光的波长小于大气分子。天空泛蓝的大气现象也被称为瑞利散射(Rayligh Sattering)，波长较短的蓝色光被大气中的气体吸收并在所有方向辐射。这是另一种被称为散射(Scattering)的射频传播行为。散射很容易被描述成多路反射。当电磁信号的波长大于信号将要通过的媒介时，多路反射就会发生。有两种类型的散射，第一类散射对信号的质量和强度影响不大，当射频信号在穿过媒介时，个别电磁波被媒介中的微小颗粒反射。例如大气中的烟雾和沙漠中的尘暴会导致这种类型的散射。当射频信号入射到某些粗糙不平的表面时，将被反射到多个方向，这种现象属于第二类散射。铁丝网围栏、树叶以及岩石地形通常会引起这种形式的散射。入射到粗糙表面的主信号被分解为多路反射信号，这将导致主信号的质量下降，甚至破坏接收信号。

折射

射频信号除了可能被吸收或者反弹(通过反射或散射)外，在特定条件下，射频信号还会发生弯曲，即折射(Refraction)，折射的直接定义就是射频信号在穿越不同密度媒介时发生弯曲，致使波传播方向发生变化。由于大气影响的结果，射频折射现象经常发生。水蒸气、空气温度变化和空气压力变化是三个最重要的折射产生原因。在室外，射频信号通常会轻微向地球表面折射，然而大气的变化也可能导致信号远离地球。在长距离的室外无线桥接项目中，折射现象可能是需要重点关注的方面。另外，室内的玻璃和其他室内材料也可能使射频信号产生折射。

衍射

衍射(Diffraction)是另一种会使射频信号产生弯曲的射频传播行为，但不要与折射混淆。衍是射频信号在物体周边发生的弯曲现象(而折射是信号穿过媒介产生的弯曲)，衍射是当射步号遇到障碍物时出现的弯曲和扩展情形。发生衍射的条件完全取决于障碍物的材质、形状、小以及射频信号的特性，如极化、相位和振幅。衍射通常是由于射频信号被局部阻碍所致，例如射频发射机与接收机之间有座小山或建物。遇到阻碍的射频波会沿着障碍物弯曲并绕过障碍物，此时的射频波会采用一条不同且更长的路径进行传输。没有遇到阻碍的射频波不会弯曲，仍然保持原来的较短的路径传输。2-14描述的是河流中间有一块岩石，河流中的大部分水流保持不变，而那些遇到岩石的才部分将会产生反射现象，有一些会利用衍射绕过岩石。

位于障碍物正后方的区域称为射频阴影（RF shadow），根据衍射信号方向的变化，射频阴影可能成为覆盖死角或在此只能收到微弱信号，了解射频阴影的概念有助于正确选择天线的安装位置，固定在柱子或墙体上的接入点可能会导致虚拟的射频盲点。

损耗（衰减）

损耗，也称为衰减(Attenuation)，被描述成信号强度或振幅下降。信号在线缆或空气中传播时强度会下降。在通信的有线部分(射频电缆)，由于同轴电缆的阻抗或其他组件(如连接器)的影响，交流信号强度会下降。衰减通常是我们极力避免的，然而在极少数情况下，射频工程师可能会在射频系统的有线侧增加硬件衰减设备以满足功率规定或达到容量设计的目的。射频信号通过天线辐射到空气中后，其强度会因为吸收、传播距离和多径现象的负面影响产生衰减。你已经知道射频信号穿过不同的媒介会被吸收，从而导致衰减。不同的材质通常会产生不同的衰减结果。2.4GHz信号在穿透石膏板墙后的信号会下降3dB，也就是说振幅会下降一倍。如果2.4GHz信号穿透砖墙后的信号会下降12dB，也就是说振幅比原始振幅低16倍。正如之前讨论，水和包括煤渣砖之类在内的致密物质是射频吸收的主要原因，所有这些都会导致衰减。

自由空间路径损耗

按照物理学规律，电磁信号除了因为障碍物、吸收、反射、衍射等等造成的衰减外，还会因为传播导致衰减。自由空间路径损耗(FSPL)是指射频波因自然扩展(通常也称波束发散，beam divergence)导致信号强度下降。射频信号能量离开天线被分散到更大的区域后，信号强度将减弱。信号强度减弱程度并非呈线性，按对数函数下降的。因此振幅在第二个等距段下降的程度比第一段下降的小。例如，2.4GHz的信号在头一个100米会下降80dB，而在第二个100米只会下降6dB。

多径现象

多径(Multipath)是一种传播现象，指两路或多路信号同时或相隔极短时间到达接收天线。由于波的自然扩展，在不同环境下反射、扩散、衍射和折射等传播行为也会有区别地发生。信号可能发生的反射、散射、折射、衍射等RF传播行为都可能导致同一信号发生多径现象。在室内环境中，反射信号或回波可能由长走廊、墙体、桌子、地板、文件柜和许多其他的障碍引起。有着大量金属表面的室内环境，如钢架结构的机场、仓库和厂房也是众所周知多径现象比较严重的环境。反射是诱发多径现象的主要原因。在室外平坦的公路、大型水体、建筑物或大气条件也会导致多径现象。信号会因为弯曲和反弹在许多不同的方向传播。主然可以到达接收天线，但那些反弹或弯曲的信号可能按照不同的路径到达接收天线，即射频信号会沿多条路径到达接收方。

反射信号因为传播的路径较长通常会比主信号花费更长的时间到达接收天线。信号之间的时间差可以用纳秒(nanosecond)来测量。按多条路径传播的时间差被称为时延扩展(delayspread)，多径问题到底会导致什么发生？在电视信号传输时，多径现象会产生一种“叠影效应”(ghost effect)效果，主信号的右侧会出现一幅较弱的重复图像。多径现象可能导致射频信号出现建设性或破坏性的影响，但大部分都是破坏性的。由于多条路径的相位差，信号混合通常导致衰减、放大或遭到破坏。这种现象有时称为瑞利衰落(rayleigh fading)，名称源于一位英国物理学家洛德·瑞利(Lord Rayleigh)。

多径会产生下面4种可能的结果

• 信号增强(Upfade)， 当多路射频信号同时到达接收方且与主波同相或局部异相时，结果会导致信号强度(振幅)增加。介于0°和120°之间较小的相位差会导致信号增强。然而，由于自由空间路径损耗，最终的接收信号不会比原始发送信号强。
• 信号减弱(Downfade) ，当多路射频信号同时到达接收方且与主波异相，结果会导致信号强度(振幅)下降。相位差在121°和179°之间会导致信号减弱。振幅下降是多径现象导致的破坏性现象。
• 信号消失(Nulling)，当多路射频信号同时到达接收方且与主波呈180"相位差，结果可能会导致信号消失，信号消失很明显也是破坏性的多径现象。
• 数据损坏(Data Corruption) ，因为同时存在多条反射信号的事实和时延扩展的影响(主信号与反射信号存在时间差)，接收方在解调射频信号的时候会有麻烦。时延扩展的时间差可能导致比特互相重叠，最终结果就是导致数据损坏。如图2-16所示。这种类型的多径干扰又称码间干扰(ISI)，数据损坏是最常见的破坏性多径现象事件。

坏消息是高多径环境通常都会因时延扩展导致码间干扰，再导致数据损坏。好消息是接收方都会通过802.11定义的循环冗余校验(CRC)检测到错误，因为此时校验和不能正确计算。802.11标准要求大部分单播帧在接收方用确认帧(ACK)确认，否则发送方将不得不重传。接收方不会确认CRC校验失败的数据帧。因此帧必须被重传，然而重传也比误判数据要好。多径现象对无线局域网性能和吞吐量具有负面影响，因为码间干扰导致的最直接后果就是第二层重传。第二层重传会影响到802.11无线局域网的整体吞吐量，同时也会影响到对延迟敏感的应用(如VolP等)。多径现象是导致第二层重传并影响传统802.11a/b/g无线局域网吞吐量和延迟的主要原因之一。

那么不走运的工程师应该怎么处理这些破坏性的多径问题呢？多径对于传统的802.11a/b/g设备网来说是一个严重的问题。使用定向天线通常可以减少反射，分集天线也可以抵消多径的负面影响。有时候在保证足够信号给远程接入端的前提下，降低发射功率或使用低增益天线也能解决这个问题（对于使用了MIMO天线分集和最大比混合(MRC)的802.11n传输来说，多径现象实际上会有建设性的结果）

增益

增益也被称为放大，对其最好的描述就是振幅增加或信号增强。有两种类型的增益：有源增益和无源增益。信号的振幅可以通过外部设备增大。

• 有源增益(ativegain)，通常是在发射器和天线之间安装一个放大器。发射器具备按不同功率传输的能力，发射功率越高，信号振幅越大。放大器通常是双向起效的，这意味它会同时放大接收和发送的信号强度，有源增益设备要求使用外部电源。
• 无源增益(passive gain)，用天线把射频信号集中。天线是无源设备，无需外部电源，天线可以使信号更集中在某一个方向。

 

提醒，射频测试工具，用频谱分析仪来测试频域信号，示波器来测试时域信号：