《无线通信工程》 (2)

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1、无线通信工程无线通信工程姚彦教授姚彦教授 清华大学微波与数字通信国家重点实验室清华大学微波与数字通信国家重点实验室20012001年年1111月月1717日日整理ppt第三讲第三讲无线通信的信道无线通信的信道n n引言引言n n自由空间传播自由空间传播n n地面视距传播地面视距传播n n地面超视距传播地面超视距传播n n移动传播移动传播整理ppt引引 言言整理ppt 引言引言1 1：无线通信信道的分类：无线通信信道的分类n n理想无线信道？非理想无线信道？理想无线信道？非理想无线信道？理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。传播。n n

2、固定无线信道？移动无线信道？固定无线信道？移动无线信道？n n视距无线信道？非视距无线信道？视距无线信道？非视距无线信道？视距，如：地面视距、卫星。视距，如：地面视距、卫星。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。n n有干扰无线信道？无干扰无线信道？有干扰无线信道？无干扰无线信道？干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。敌意干扰。整理ppt 引言引言2 2：无线通信信道的指标：无线通信信道的指标n n传播衰减传播衰减衰减的平均值衰减的平均值衰减的最大值衰减的最大值衰减的统计特

3、性衰减的统计特性n n传播延时传播延时延时的平均值延时的平均值延时的最大值延时的最大值延时的统计特性延时的统计特性n延时扩展对信道色散效应的描述n多普勒扩展对信道时变效应的描述n干扰干扰的性质干扰的强度整理ppt 引言引言3 3：无线传播信道的模型：无线传播信道的模型n n信道响应为信道响应为h(h(,t),t)，可以表示色散和时变，可以表示色散和时变n n假设：线性信道、加性干扰假设：线性信道、加性干扰h(,t)s(t)r(t)n(t)整理ppt自由空间传播自由空间传播整理ppt 自由空间传播1n n什么叫自由空间？无任何衰什么叫自由空间？无任何衰减、无任何阻挡、无任何多减、无任何阻挡、无任

4、何多径的传播空间。径的传播空间。n n无线电波在自由空间传播时，无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。为自由空间的传播损耗。n n如下图，发射功率为如下图，发射功率为PTPT，发射天线为各向均匀辐射，发射天线为各向均匀辐射，那么以发射源为中心，那么以发射源为中心，d d为为半径的球面上单位面积的功半径的球面上单位面积的功率为：率为：n nS S PT/4 PT/4 d2d2n n球面上的功率流球面上的功率流PTd整理ppt 自由空间传播2n n由于天线有方向性设发射由于天线有方向性设发射天

5、线增益为天线增益为GTGT，故在主波，故在主波束方向通过单位面积的功率束方向通过单位面积的功率为：为：n nS=GT PT/4S=GT PT/4 d2d2n n设接收天线的有效面积为设接收天线的有效面积为A A，那么接收天线所截获的功率那么接收天线所截获的功率为：为：Pr=S A=A GT PT/Pr=S A=A GT PT/4 4 d2 d2n n对于抛物面天线，假定天线对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布，口面场具有等相、等幅分布，那么天线的有效面积为：那么天线的有效面积为：n nA=Gr A=Gr 2/42/4n n其中其中GrGr为接收天线增益，为接收天线增益，为自由空间波

6、长为自由空间波长n n代入代入PrPr公式。得到：公式。得到：n n Pr=Gr GT PT(Pr=Gr GT PT(/4 4 d)2 d)2n n令：令：n n Pr /PT=Gr GT/LS Pr /PT=Gr GT/LSn n其中其中LSLS定义为自由空定义为自由空间传播损耗。间传播损耗。n n那么：那么：n n LS=(4 LS=(4 d/d/)2)2n n =(4 =(4 f d/c)2 f d/c)2n n以分贝数表示：以分贝数表示：n n LS=92.4+20 lg LS=92.4+20 lg f(GHz)f(GHz)n n+20 lg d(km)+20 lg d(km)dBdB

7、整理ppt地面视距传播地面视距传播整理ppt 简简 介介n n地面微波通信属于视地面微波通信属于视距传播。距传播。n n视距传播的主要特点视距传播的主要特点是收发天线都在视距是收发天线都在视距范围内。范围内。n n视距传播要考虑大气视距传播要考虑大气效应和地面效应。效应和地面效应。n n视距和天线高度的关系视距和天线高度的关系视距和天线高度的关系视距和天线高度的关系由于地球是一个曲面，由于地球是一个曲面，天线高度天线高度h h1 1、h h2 2和视距和视距d d之间存在以下关系：之间存在以下关系：d=3.57()d=3.57()其中其中h h1 1、h h2 2的单位是的单位是mm，d d的

8、单位是的单位是kmkm。说明说明说明说明：此公式没有考虑大：此公式没有考虑大气及地面对传播的影响，气及地面对传播的影响，所以只能用作大致的估所以只能用作大致的估计。计。整理ppt大气效应之一：吸收衰减大气效应之一：吸收衰减n n主要发生在高频段主要发生在高频段 水蒸汽的最大吸收峰水蒸汽的最大吸收峰在在23GHz(1.3cm)23GHz(1.3cm)；氧气的最大吸收峰在氧气的最大吸收峰在60GHz(5mm)60GHz(5mm)；n n对于对于12GHz(2.5cm)12GHz(2.5cm)以以下的频率，大气吸收下的频率，大气吸收衰减小于：衰减小于：0.015dB/km0.015dB/km。整理p

9、pt大气效应之二：雨雾衰减大气效应之二：雨雾衰减n n在在10GHz10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几有几dBdB。n n在在10GHz10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，到达几以上频段，雨雾衰减大大增加，到达几dB/kmdB/km。n n下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。整理ppt大气效应之三：大气折射大气效应之三：大气折射n n引入等效地球半径的概念：引入等效地球半径的概念：整理ppt地面效应之一：地面效应之一：费涅尔半径和余隙费涅尔半径和余隙n n利用波动光学的惠更利用波动光学的惠更斯

10、费涅尔原理，在斯费涅尔原理，在遇到障碍物时将产生遇到障碍物时将产生附加损耗。附加损耗。n n障碍物到障碍物到T T，R R连线的连线的垂直距离为垂直距离为h hc c，称为称为余隙。一阶余隙。一阶费涅尔半费涅尔半径为径为h h1 1，定义定义h hc c/h/h1 1为为相对余隙。就可以从相对余隙。就可以从右图求出附加损耗。右图求出附加损耗。整理ppt地面效应之二：地面效应之二：地面反射地面反射n n这是产生电平衰落的主这是产生电平衰落的主要原因之一。要原因之一。n n设：反射系数为设：反射系数为mm，反反射相位为射相位为1801800 0，自由空自由空间衰减系数为间衰减系数为，就可以，就可以

11、求出接收点的场强：求出接收点的场强：整理ppt平衰落平衰落n n当衰落较严重时，接当衰落较严重时，接收点的场强接近瑞利收点的场强接近瑞利分布分布n n接收点场强小于某个接收点场强小于某个值的概率值的概率n通用公式n例：B1 C3.5 A=1.4108 Q=1整理ppt频率选择性衰落频率选择性衰落n n根据根据W.D.RummlerW.D.Rummler提出的伪三径模型，得到频率选择性衰提出的伪三径模型，得到频率选择性衰落的频率响应函数，如以下图所示。落的频率响应函数，如以下图所示。整理ppt地面超视距传播地面超视距传播整理ppt对流层散射传播对流层散射传播n n在地球外表在地球外表101012

12、 12 kmkm处为对流层，存在处为对流层，存在大量随机运动的不均大量随机运动的不均匀介质，能对电波产匀介质，能对电波产生折射、散射和反射。生折射、散射和反射。n n散射通信是利用局部散射通信是利用局部散射体内介质的前向散射体内介质的前向散射信号。这是典型散射信号。这是典型的多径信道。的多径信道。n n通信距离可达几百通信距离可达几百上千公里。上千公里。n散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。n根据测试结果，接收电平小于其均方根值10dB,20dB,30dB的概率分别为10，1，0.1%。n快衰落服从瑞利分布。n慢衰落服从对数正态分布。n克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技

13、术。整理ppt电离层反射传播电离层反射传播n n在地球上空在地球上空60km60km以上是电离层，可以分为以上是电离层，可以分为D D层、层、E E层、层、F F层。层。D D层能吸收电波，层能吸收电波，E E层能反射电波，然而在晚上都会消失。层能反射电波，然而在晚上都会消失。对电波起良好反射作用的是对电波起良好反射作用的是F F层，并且能够在昼夜都保持层，并且能够在昼夜都保持一定的通信功能。一定的通信功能。整理ppt电离层反射传播续电离层反射传播续n n存在严重的多径效应，最存在严重的多径效应，最大传播延时差可达毫秒量大传播延时差可达毫秒量级。级。n n存在严重的时变性，电离存在严重的时变性

14、，电离层的特性随时变化，并且层的特性随时变化，并且很难准确预测很难准确预测n n存在最高可用频率，为了存在最高可用频率，为了实现较好的传输质量，工实现较好的传输质量，工作频率应尽可能接近最高作频率应尽可能接近最高可用频率。这些频率都在可用频率。这些频率都在短波波段短波波段2 230MHz30MHz。n存在多种附加损耗。如：吸收损耗625dB，地面反射损耗20dB，系统额外损耗1518dBn存在严重的干扰，这是短波通信的一大特点。包括：大气噪声、工业干扰、天电干扰、其它电台的干扰。n技术措施：自适应均衡、自动线路建立、分集。整理ppt流星余迹传播流星余迹传播n n据统计，每昼夜有数百据统计，每昼

15、夜有数百亿的流星进入大气层，亿的流星进入大气层，和空气碰撞产生电离。和空气碰撞产生电离。在地面在地面8080120km120km处形处形成电离气体带，这就是成电离气体带，这就是流星余迹。流星余迹。n n利用流星余迹的散射和利用流星余迹的散射和反射进行通信。反射进行通信。n n工作频率工作频率303080MHz80MHz，传输距离传输距离20020020002000kmkm，传输速率低，用于突传输速率低，用于突发通信。发通信。整理ppt卫星传播卫星传播n n静止卫星静止卫星静止卫星静止卫星n n信道稳定，可以按照信道稳定，可以按照自由空间传播损耗计自由空间传播损耗计算算n n长延时，要考虑对话长

16、延时，要考虑对话音质量和通信协议的音质量和通信协议的影响影响n移动卫星移动卫星n要考虑地面的影响，包括多径和遮蔽n接收信号电平服从莱斯分布n要考虑多普勒频移整理ppt移动传播移动传播整理ppt说说 明明n n移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。境。n n首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。绕射、反射、散射。n n其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。化，引起接收场强的快速波动。n n为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。整理ppt四种传播机制四种传播机制n n直射：自由空间传播直射：自由空间传播n n反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球外表、建筑物和墙壁外生反射。反射发生在地球外表、建筑物和墙壁外表。表。n n绕