2. 无线信号的传播

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1、无线信号的传播1任何一个通信系统，信道是必不可少的组成部分。信道按传输媒质分为有线信道和无线信道。移动信道是一种典型的无线信道。研究无线通信系统首先要研究无线信道的电波传播特性。2现代移动通信已广泛使用150 MHz、450 MHz、 900 MHz、1800 MHz频段，电波传播方式主要是空 间波，即直射波和反射波的合成波。对于陆上移动 通信，通常移动台的天线高度仅超出地面 14米 ，电波传播受地形地物的影响较大。与固定通信相 比，移动通信的电波传播显得更为复杂。为了掌握 各种地形地物条件下的电波传播特性，通常是做大 量的传播实验，找出统计的规律，即找出各种地形 地物条件下的传播衰耗和距离、

2、频率及天线高度之 间的关系，绘出陆上移动通信的传播特性计算图表 ，从而获得准确预测接收信号强度的方法。 一、移动通信的电波传播特性 3 场强中值 衰落深度 衰落速率 衰落持续时间 1.表征衰落特性的数字特征 42. 自由空间的传播衰耗 自由空间是理想空间，是相对介电常数和导磁 率均为 1 的均匀介质所存在的空间。电波在自由 空间中沿直线传播而不被吸收，也不产生反射、折 射、绕射和散射等现象。对移动通信而言，自由空 间的路径损耗 Lbs仅与传播距离d和工作频率f有关 ，而与收、发天线增益无关。其计算公式为： Lbs32.45 + 20lg d + 20lg f 式中d代表传播距离，单位为Km；f

3、代表工作频率， 单位为 MHz。5 地形的分类和定义 地物的分类和定义 基地台、移动台天线有效高度的定义 3. 地形地物对电波传播的影响 6移动通信信道是由长期慢衰落和短期快 衰落效应来表征的。忽略热噪声时，接收机 接收的信号可以表示为 r(t) = m(t) r0（t） 式中， m（t）表示长期慢衰落，即本地平均 或对数正态衰落分量，其幅度是对数正态功 率密度函数； r0（t）表示短期快衰落，即 多径或瑞利衰落分量。两种衰落都与接收机 天线的位移有关。 二、移动通信信道的特征 7慢衰落和快衰落 8常用的几种电波传播损耗预测模型有Hata模 型、LEE模型、CCIR模型以及 COST-231-

4、walfisch -Ikegami模型（WIM）。这几种传播模型各自适用 范围不同，计算路径损耗的方法和需要的参数也 不相同。在使用时，应该根据不同预测点位置、 从发射机到预测点的地形地物特征、建筑物高度 和分布密度，以及街道宽度和方向差异等因素选 取适当的传播模型。如果传播模型选取不当，使 用不合理，将影响路径损耗预测的准确性，并影 响链路预算、干扰计算、覆盖分析和容量分析。 三、电波传播的路径损耗预测9传播模型的适用范围 10当基站和移动台之间水平距离大于 1Km 时 ，应该采用宏蜂窝模型，如Hata模型、 CCIR 模型、 LEE 宏蜂窝模型和 W IM模型。此时， 对于距离比较远的情况

5、（大于5Km ) ，一般采 用Hata 模型或CCIR 模型；距离近时（小于5Km ) ，采用WIM模型；有实测数据并得到LEE模型 中参数(lKm 处接收功率）和距离衰减因子时， 建议采用LEE模型。当基站和移动台之间水平距 离小于 1Km 时，应该采用微蜂窝模型，如LEE 微蜂窝模型和 WIM 模型。一般采用WIM模型； 有实测数据时，可采用LEE模型。 传播模型的应用方法 11在使用传播模型时，用户需要对其准确性和可靠性进行测试，或者根据地形实际校正其中的参数因子，这就涉及到传播模型的路测与校正。针对每个不同模型，输入参数相同，故有不同的校正方法。对于线性关系有多元线性回归分析方法；对于

6、非线性关系有数形式整体校正方法。 传播模型预测与校正 12外部噪声和干扰是影响通信性能的重要因素，接收机能杏正常工作，不仅取决于输入信号的大小，而且也取决于噪声和干扰的大小。因此，研究各种噪声和干扰，对移动通信的设计来说，具有十分重要的实际意义。四、噪声与干扰 13外部噪声包括自然噪声和人为噪声。自然噪声主要有大气噪声、太阳噪声和银河 噪声；人为噪声主要是指电气设备的噪声，如电 力线噪声、工业电气噪声、汽车或其他发动机的 点火噪声等。这些噪声来源不同，频谱范围及强 度也不同。因此，必须根据移动通信所使用的频 段，分析具体情况下的主要噪声来源。在移动通 信使用的频率范围内，由于自然噪声通常低于接

7、 收机的固有噪声，故可忽略不计。因此，仅需考 虑人为噪声。1. 噪声142. 干扰在移动通信中，存在着各种各样的干扰， 如互调干扰、邻道干扰、同频干扰、组合频率 干扰和副波道干扰、阻塞和倒易混频、发射机 寄生辐射、接收机寄生灵敏度等。对于后几种 干扰，在引进相关设备时，只要按要求满足指 标即可。而互调干扰、邻道干扰和同频干扰， 是组网中应考虑的主要干扰。 15互调干扰两个或多个干扰信号作用于非线性器件，产 生与有用信号频率相接近的组合频率，从而对接收机造成的干扰即为互调干扰。在移动通信中，由于发射机末级和接收机前 端电路的非线性，造成了发射机互调和接收机互 调。此外，在发射机强射频场的作用下，

8、金属接 触不良等非线性因素也会产生互调，称为外部互 调。16互调干扰的一般形式若晶体管的转移特性用幂级数表示，即ia0 a1u a2u2 a3u3 式中，a0、a1、a2、a3 是由晶体管特性决定的系 数，随着幂次的升高，系数逐渐减小。设有用信号的 频率为0 ，而三个干扰信号频率分别为A、B、 C，幅度分别为A、B、C。它们相组合进入到非线性 器件，即u = AcosAtBcosBtCcosCt代入到式 中 ，展开整理后，可知电流i是由许多频率成分构成 。若用mA+sBkC( m、s、k是整数）表示所产生 的组合频率，当|m| + |s| + |k|n时即称 n 次干扰 。 17三阶互调的两种

9、类型若取n = 3 ，则产生的组合频率有： A、B、C； 2AB、2CA； 2A、2B、2C； 2BA、2BC； 3A、3B、3C； 2AC、2CB A+B+C、 A+B-C、 A-BC；可见，互调将产生很多互调产物。但是，就三次 相而言，只有2A-B和A+B-C 型式的三阶产 物落在A、B、C的附近，难于用选择性电路滤除 ，构成互调干扰；而其他互调产物和A、B、C频 距较大，容易滤除。因此，三阶互调有两种类型，即 二信号三阶互调（三阶一型）和三信号三阶（三阶二 型）互调，表达式为： 2A-B =0 （三阶一型互调）A+B-C = 0 （三阶二型互调）18多信道系统的三阶互调 实际的移动通信系

10、统采用多信道同时工作， 相邻无线信道以等间隔（25KHz）分布，其值与信 道载频（900MHz）相比很小。因此在这种情况下 ，产生三阶互调的频率源，是网内的多信道频率 。根据上面的推导，多信道系统的三阶互调的表 达式为:fx = fi fj fk（i j k）fx = 2fi fj（i j） 式中，fx 、fi、fj、fk分别为x、 i 、 j 、 k 信道的载频。 19无三阶互调信道组的判别 移动通信系统是等间隔的多信道系统，若用f1表 示n条等间隔信道，用1n表示所对应的信道序号， F为信道间隔，起始频率f1，则序号为m的信道所对 应的频率fm:fm = f1 F（Cm1） 将此式代入到前

11、面两式即可得到用信道序号表示的三 阶互调的公式：Cx = Ci + Cj 一 Ck Cx = 2Ci 一 Cj 用信道序号表示三阶互调，可以使问题简便化，同时 也是各种图表计算法和计算机编程计算的基础。 比较两式就可看出，它们只是下标不同，而i、j、k 又是任意的，故可用下面的通式来表示：Cx Ci = Cj 一 Ck 20差值阵列法 判别信道组是否存在三阶互调时，应首先将 给定的信道序号依次排列；然后计算任意两信道 序号之差，构成差值数字三角形，即差值阵列； 最后再检查差值阵列（不包括序号）中是否有相 等的数字，若所有数字均不重复，则此信道组为 无三阶互调信道组。 21发射机互调 为了提高效

12、率，发射机的末级通常工作于C 类 非线性状态。当两个或多个干扰信号进入到发射机 的输出端，就会产生很多互调产物，并通过天线发 射出去，从而对工作于互调产物频率的接收机产生 干扰。 22接收机互调 通常接收机前端射频通带较宽，如有两个或多 个干扰信号同时进人高放或混频器，通过它们自身 的非线性作用，各干扰信号就会彼此混频产生互调 产物。若互调产物落人接收机频带内，就会造成对 接收机的互调干扰。 23邻道干扰 邻道干扰是指相邻或相近信道之间的干扰。邻道干扰有两种类型：发射机调制边带扩展干扰发射机边带辐射。 24同频干扰 同频干扰是指相同载频电台之间的干扰。在电 台密集的地方，若频率管理或系统设计不

13、当，就会 造成同频干扰。在移动通信中，为了提高频率利用率，采用同 频复用的技术，将相同的频率分配给相隔一定距离 的两个或多个小区使用。显然，同频小区的距离越 远，它们之间的空间隔离度就越大，同频干扰就越 小，但频率复用次数随之降低，即频率利用率降低 。因此，两者要兼顾考虑。在进行无线小区的频率 分配时，应先满足通信质量的要求，并以此确定进 行同频复用的最小距离一同频复用距离。可见，在 实际应用中，同频干扰和同频复用距离是密切相关 的。25五、为什么要使用dB和dBmn今天我们试想像一套发射设备由初级振荡的能 量以至最后级的输出功率之间的增益，假设 在初级振荡时的功率是2mW（注意是假设， 真的

14、当然会远低于此数）而在最后的LINEAR Amp.输出是2kW。现在试算一算它们之间的 倍数差别，2kW就是2000Watts亦即 2,000,000mW，用2,000,000mW除以2mW便 得出倍数，即1,000,000倍了。 26n大家或许已经明白在各类电子及无线电电路中 （尤其是接收方面），这类倍数之差别比比皆 是（比如一部发射机的抗干扰能力是优于一百 万倍就标示成better than 60dB）。如果每次 都要在各个层面（例如说明书，规格表）内都 标示出数百万以至千万甚至亿倍的数字将会是 何等的不方便啊！ 27dBndB是比值的单位，表示一个相对值。n当计算A的功率相比于B大或小多

15、少个dB时， 可按公式10 lg A/B计算。n例如：A功率比B功率大一倍，那么10 lg A/B = 10 lg 2 = 3dB。也就是说，A的功率比B的功 率大3dB。28dBm dBm是一个表示功率绝对值的单位计算公式： dBm= 10lg（功率值/1mw） 例如：如果发射功率为1mW，按dBm单位进行 折算后的值应为：10 lg 1mW/1mW = 0dBm； 如果发射功率为40W,则 10lg(40W/1mW)=46dBm29n例3甲功率30dBm,减少10dB后，功率为多少 dBm？30dBm- 10dB= 10lg1000-10lg10=10lg100 =20dBm 思考：如果增加10dB后，功率为多少dBm？注意： 一般来讲，在工程中，dB和dB之间只有加减， 没有乘除。而用得最多的是减法：dBm 减 dBm 实际上是两个功率相除。 30总 结1. 意义： 便于表示极大和极小数 便于运算2. 场合：dB是一个比值，代表相对值； dBm也是一个比值，实际代表绝对值 。31