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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,第3章,189,微波通信,鄭玉峰,第三章 微波傳播,,,,微波在自由空間的傳播,,微波傳播的描述方法,,地形對(duì)電波傳輸?shù)挠绊?,大氣對(duì)微波傳播的影響,,大氣與地面效應(yīng)造成的衰落特性,,抗衰落技術(shù),3.1 電波在自由空間的傳播,,無(wú)線電波的傳播途徑：,,（1）地波傳播,,（2）電離層傳播,,（3）地面、低空視距傳播,,（4）對(duì)流層的傳播,,（5）外球?qū)觽鞑?無(wú)線電頻譜表,,（1）,地波傳播,：地波傳播是指電磁波沿地球表面繞射傳播。當(dāng)天線很低時(shí)，電磁波距地面很近，又加之天線很長(zhǎng)，很容易被地面吸收導(dǎo)致迅速

2、衰減。這種衰減與地面的性質(zhì)（導(dǎo)電系數(shù)的大?。?、電磁波的極化方式和頻率有關(guān)。因此長(zhǎng)波一般用于地波傳播。這個(gè)波段，我國(guó)一般用于電力線載波。它的頻率一般規(guī)定為30KHz--300KHz,這個(gè)頻率稱為長(zhǎng)波。中波的頻率是500--1600KHz，也是地波傳播，我國(guó)用于調(diào)幅廣播。,,（2）,空間傳播（地面、低空視距傳播）,：也就是直發(fā)射天線和接收天線必須在視距范圍內(nèi)，這時(shí)電波為直射波，或由直射波和地面反射波組成的相干傳播（因此接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為二者之和）。這種傳播方式用于超短波和微波通信。頻率在30MHz以上的調(diào)頻廣播和電視信號(hào)發(fā)射都是空間波傳播。超短波通信從理論上講，只能在視距范圍內(nèi)進(jìn)行。,,（3）,電離層

3、傳播（天波傳播）,：由于太陽(yáng)和各種宇宙射線的輻射，引起空氣分子的電離，而形成了電離層。電離層分三層。D層（距地面高度70--90Km）、E層（100--120Km）、F1層（160--180Km）、F2層（200-900Km），中波和短波都能借助電離層的反射傳播到較遠(yuǎn)的距離，最常用于短波通信。短波頻率為（ 3MHz--30MHz,有些地方定義為1.5MHz--30MHz）。有靜音區(qū)。,,（4）,散射傳播：,,由于大氣溫度、壓力、濕度和電子密度等的不均勻性，使大氣介電系數(shù)隨高度而改變。散射波可在對(duì)流層或電離層發(fā)生，也可在流星的余跡上發(fā)生。,,（5）,外球?qū)觽鞑ィㄍ饪臻g傳播）,：離開(kāi)地面900--

4、1200Km的高度稱為外球?qū)樱?1200Km 以上就進(jìn)入星際空間。星際空間的通信可視為自由空間通信。在地面上，在某一個(gè)截止頻率以上的頻率（一般為10MHz，太陽(yáng)活動(dòng)劇烈時(shí)可至100MHz,極地夜間頻率可降至2MHz）可以利用外球?qū)舆M(jìn)行宇宙通信。衛(wèi)星通信就是這種傳播方式。,微波是一種電磁波,微波是一種電磁波,由隨時(shí)間變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成，這兩者相互依存、相互轉(zhuǎn)化。,,電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁能流之間有如下的基本關(guān)系：,,電場(chǎng)、磁場(chǎng)、能量流方向相互垂直，符合右手螺旋準(zhǔn)則，,S,=,E,×,H,（坡印亭矢量）,,,,電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小的比值是一個(gè)固定值，該值稱為媒質(zhì)的特性阻抗或波阻抗，記為,,

5、,,對(duì)真空媒質(zhì)，為,377,歐姆。,,為媒體的導(dǎo)磁率， 為媒質(zhì)的介電常數(shù)。,,電磁能流密度的大小為,,,電磁波具有一定的極化形式，指的是電磁波的電場(chǎng)矢量在空間的取向。電磁波的極化分為三種形式：水平極化、圓極化、橢圓極化。水平極化和圓極化可以看作橢圓極化的特殊形式。,,電磁波是天線向空間輻射所產(chǎn)生的，輻射后形成輻射場(chǎng)，輻射場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅隨離開(kāi)天線的距離,r,的增加而按,1/r,的因子減小，輻射場(chǎng)的等相位面是以距離,r,為半徑的球面。,3.1.3 自由空間的,傳播損耗,自由空間傳播,系指天線周圍為無(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其,能量既

6、不會(huì)被障礙物所吸收,，也,不會(huì),產(chǎn)生,反射,或,散射,。,,自由空間,是滿足下述條件的,一種理想空間,： 1. 均勻無(wú)損耗的無(wú)限大空間；2. 各項(xiàng)同性；3. 電導(dǎo)率為零。,電波經(jīng)天線輻射后，其能量向周圍空間擴(kuò)散，到達(dá)接收天線的僅是發(fā)射功率的一小部分。,,,d為收發(fā)天線間的距離。距離越遠(yuǎn)，接收天線收到的能量越小，這就是電波在自由空間傳播過(guò)程的衰減，即,自由空間的傳播損耗L,s,。,,自由空間傳播損耗L,s,是傳播損耗中最基本的損耗，接收天線接收的信號(hào)功率僅僅是發(fā)射天線輻射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向擴(kuò)散了。工作距離越遠(yuǎn)，球面積越大，接收點(diǎn)截獲的功率越小，即傳播損耗加大。電波在大氣層以外

7、的空間傳播時(shí)，可以近似看成在自由空間傳播。,關(guān)于天線的幾個(gè)概念,,天線的口徑面積A,p,：天線物理口徑的面積；,,天線的有效面積A,e,：表征接收天線接收空間電磁波能力的基本參數(shù)；天線的負(fù)載檢測(cè)到的功率與入射到天線的功率密度之比,,天線的口徑效率,：為天線的負(fù)載檢測(cè)到的功率與入射到天線的功率密度之比； A,e,/ A,p,,天線的增益G,：天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元（一般為點(diǎn)源，有時(shí)指偶極子）在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。,,對(duì)無(wú)方向性的全向天線，其有效面積,,,，,λ,為所傳電波的波長(zhǎng),,B,點(diǎn)的無(wú)方

8、向性天線收到的,,功率為,,,自由空間的衰減系數(shù),,,取對(duì)數(shù)為,,,當(dāng)d的單位為km，f的單位為GHz，c為自由空間的速度即3,╳10,5,km/s時(shí)，,,例3-1 設(shè)某兩個(gè)微波站的距離為60km，頻率為4GHz，計(jì)算自由空間的傳播衰減。,,解：代入上式，可得,解：代入上式，可得,自由空間傳播條件下收信電平的計(jì)算,某天線的三維波瓣圖,用于微波通信的天線，一般都不是向周圍空間均勻輻射的全向天線，而是有很強(qiáng)的方向性。,,,發(fā)射天線的增益G,t,，通過(guò)主射束方向的單位面積功率為,,接收天線的增益G,r,，接受天線的有效面積,,,接收天線的輸出功率為,,,,分貝表示為,,實(shí)際通信系統(tǒng)中，除傳播損耗與天

9、線的增益外，饋線、收發(fā)分路器均有損耗。收發(fā)兩端的饋線系統(tǒng)損耗分別表示為L(zhǎng),fr,、L,ft,，收發(fā)兩端的分路系統(tǒng)損耗分別為L(zhǎng),br,、L,bt,。,,則在自由空間條件下最后接收機(jī)的收信功率電平為,,例3-2 有一微波收通信機(jī)，發(fā)射機(jī)的功率為P,t,=1W，工作頻率f=3.8GHz，兩站相距45km，收發(fā)天線的增益G,r,=G,t,=39dB，收發(fā)饋線系統(tǒng)的損耗為L(zhǎng),fr,=L,ft,=2dB，收發(fā)兩端分路器損耗為1dB。求在自由空間條件下，接收機(jī)的輸入電平和輸入功率是多少？,,解：由已知條件，在自由空間的傳播損耗為,,L,s,=92.4+20lgd+20lgf,,=92.4+20lg45+20

10、lg3.8,,=92.4+33.06+11.6,≈137 dB,,發(fā)送信號(hào)的電平P,t,=10lg1000=30 dBm,,接收機(jī)的輸入電平,,,,接收機(jī)的輸入功率為,3.2 微波傳播的描述方法,惠更斯-菲涅耳原理（Huggens-Fresnel）,,微波是一種電磁波，它是以波動(dòng)的形式傳播的。既然是波動(dòng)傳播，當(dāng)其在傳播路徑上移動(dòng)時(shí)，必然需要一定的空間。,,波動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種形式。它可看成空間各點(diǎn)直接或間接受波源影響的強(qiáng)迫振動(dòng)的集體表現(xiàn)，是相互干涉的結(jié)果。,電波的干涉,惠更斯——,菲,涅耳原理,光和電磁波都是一種振動(dòng)，一個(gè)點(diǎn)源的振動(dòng)傳遞給鄰近的質(zhì)點(diǎn)后，就形成了二次波源、三次波源等等。,,如果點(diǎn)

11、源發(fā)出的波是球面波，那么由點(diǎn)源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次,...,波前面也是球面波。,,在微波通信中，當(dāng)發(fā)信天線的尺寸遠(yuǎn)小于微波中繼距離時(shí)，可將發(fā)射天線看成是一個(gè)點(diǎn)源。,,惠更斯—菲涅耳原理,惠更斯-菲涅耳原理認(rèn)為：在波的傳播過(guò)程中，波面上的每一個(gè)點(diǎn)都可以看成是一個(gè)能進(jìn)行二次輻射的球面波波源，而下一個(gè)波面就是前一個(gè)波面上無(wú)數(shù)個(gè)二次輻射波面的包絡(luò)面。,,菲涅耳對(duì)這個(gè)原理進(jìn)行了擴(kuò)展。他認(rèn)為,在波的傳動(dòng)過(guò)程中，空間上任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)，是包圍波源的任意封閉曲面上各點(diǎn)的二次波源發(fā)出的波在該點(diǎn)相互干涉的結(jié)果,。也就是說(shuō)，在空間某點(diǎn)的振動(dòng)，是由某個(gè)包圍波源的封閉曲面上的二次波源在該點(diǎn)的振動(dòng)的相互疊

12、加。,,這樣，如果我們求波源Q產(chǎn)生的場(chǎng)在P點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，可用Q產(chǎn)生的在封閉曲面上的二次波源，通過(guò)面積分疊加，來(lái)求得P點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)。但這樣的計(jì)算很復(fù)雜。但有一個(gè)近似算法，可使問(wèn)題簡(jiǎn)化。,菲,涅耳橢球面,假定有一個(gè)微波中繼段發(fā)信點(diǎn)為,T,，收信點(diǎn)為,R,，站間距為,d,，平面上一個(gè)動(dòng)點(diǎn),P,到兩個(gè)定點(diǎn)（,T,、,R,）的距離若為一個(gè)常數(shù)，則此點(diǎn)的軌跡為一個(gè)橢圓。在空間此動(dòng)點(diǎn)的軌跡是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面。,,對(duì)于電波傳播，這個(gè)常數(shù)當(dāng)為,d+λ/2,時(shí)，得到的橢球面稱為第一,菲,涅耳橢球面；常數(shù)為,d+2λ/2,時(shí)，得到的橢球面稱為第二,菲,涅耳橢球面,......,常數(shù)為,d+Nλ/2,時(shí)，得到的橢球面稱為第,N,

13、菲,涅耳橢球面,.,,d,1,d,2,d,d,1,+,d,2,- d =,l,/2,第一,菲涅耳橢球面:,菲涅耳橢球面,菲涅耳區(qū)定義,如果前述定義的一系列菲涅耳橢球面，與我們從,T,或,R,點(diǎn)出發(fā)認(rèn)定的某一波前面相交割，在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中心是一個(gè)圓，稱為第一菲涅耳區(qū)。,,其外的圓環(huán)（外圓減內(nèi)圓得到的圓環(huán)）稱為第二個(gè)菲涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三菲涅耳區(qū)、第四菲涅耳區(qū),......,第,N,菲涅耳區(qū)。,,這些圓和環(huán)我們可以把它們近似地看成，都為在垂直于地面且垂直與,T,與,R,間射線的平面區(qū)域圖形。,菲涅耳區(qū)定義,,直射線,第一,菲涅耳區(qū),,+,第二菲涅耳區(qū),,-,第

14、三,菲涅耳區(qū),,+,菲涅耳區(qū)定義,微波能量在直射線周圍的空間中分布傳播,,不同菲涅爾區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)總場(chǎng)強(qiáng)的貢獻(xiàn)不同,,,經(jīng)有關(guān)研究知道：在電波的傳播空間中，由第一非涅耳區(qū)在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng),接近于全部有貢獻(xiàn)的非涅區(qū)在接收點(diǎn)的自由空間場(chǎng)強(qiáng)的2倍;,,相鄰菲涅耳區(qū)在收信點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的相位相反；,,若以第一菲涅耳區(qū)為參考,則奇數(shù)區(qū)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)是使接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng),偶數(shù)區(qū)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)是使接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)減弱。,,在接收點(diǎn)接收到的是各個(gè)菲涅耳區(qū)的合成場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)菲涅耳區(qū)號(hào)趨近于無(wú)限多時(shí)，就接近于自由空間場(chǎng)強(qiáng)；,非涅耳區(qū)的能量分布:,菲涅耳半徑,The Fresnel Radius:,,我們把菲涅區(qū)邊界上的任意一點(diǎn)到R-T

15、連線的距離稱為菲涅耳區(qū)半徑，用F 表示。,,當(dāng)這一點(diǎn)為第一菲涅耳區(qū),邊界,上的點(diǎn)時(shí)，此半徑稱為第一菲涅耳區(qū)半徑,F,1,,。,,當(dāng)這一點(diǎn)為第二菲涅耳區(qū)邊界上的點(diǎn)時(shí)，此半徑稱為第二菲涅耳區(qū)半徑,F,2,。,,...,,第N 個(gè)菲涅耳區(qū)半徑表達(dá)式：,F,n,= (n),1/2,F,1,,,上式中：F,1,為第一菲涅耳半徑。,第一菲涅耳半徑的計(jì)算,,,d,1,d,2,d,,300 d,1,,x,,d,2,f,x,d,F,1,= = =,F,1,：米,d, d,1,, d,2,：,千米,f ： GHz,r,F,C

16、,,x,d,1,,x,,d,2,f,x,d,菲涅耳半徑,,,x,λx,,d,1,,x,,d,2,d,,從Q點(diǎn)到P點(diǎn)的電磁能量基本上是通過(guò)以Q和P為焦點(diǎn)的一些,菲涅爾區(qū)來(lái)傳播的。所以，為了獲得自由空間傳播，只要保證一定的菲涅爾區(qū),,不受障礙就可以了。,,這個(gè)區(qū)域是電波在,,自由空間傳播時(shí)起主要,,作用的空間區(qū)域，它被,S,0,,平面所截的面積是對(duì)接收?qǐng)鰪?qiáng)起主要作用的二次源分布面積。,得到推論：,波長(zhǎng)愈短，距離,d,愈短，,菲涅爾區(qū)半徑越??；,,波長(zhǎng)和距離一定時(shí)，,F,n,與,S,0,的位置有關(guān)，如在中點(diǎn)，則菲涅爾區(qū)半徑最大，此時(shí),d,1,=d,2,=d/2,，,,例3-3 設(shè)f=6GHz，d=5

17、0km，若天線的半功率波束寬度為1.5,° ，,求第一菲涅爾半徑和中點(diǎn)處包含多少菲涅爾區(qū)？,,解：,,,中點(diǎn)處這個(gè)波束寬度的尺寸為,,這個(gè)里面包含很多,菲涅爾區(qū)。根據(jù),,,,,可以計(jì)算，里面包含近170個(gè)菲涅爾區(qū)。,最小,菲涅爾區(qū),假設(shè),S,0,是一個(gè)電磁波不能穿透平面，圍繞著直射線開(kāi)圓孔，先開(kāi)一個(gè)孔與第一,菲涅爾區(qū)半徑一樣大，則接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是自由空間值的兩倍。也就是說(shuō)要得到自由空間場(chǎng)強(qiáng)，我們需要的傳播空間比,第一,菲涅爾區(qū)還要小，我們把這個(gè)半徑稱為最小菲涅爾區(qū)半徑F,0,。,,,最小菲涅爾區(qū)半徑F,0,的大小為,,,最小菲涅爾區(qū)半徑和第一菲涅爾區(qū)半徑是微波電路勘探設(shè)計(jì)中重要的兩個(gè)物理量。,3

18、.3 地形對(duì)電波傳播的影響,地形對(duì)大氣中電波傳播的影響表現(xiàn)在三個(gè)方面：,反射,、,繞射,和,散射,。這三種情況在一般條件下都存在，只不過(guò)在不同條件下有主次之分：,,天線高架，地面平滑，反射為主；,,地面粗糙起伏較大，散射為主；,,天線低架，或障礙物尺寸較小，繞射為主。,3.3.1 在平滑地面上的傳播,這里所述的平坦地形是指不考慮地球曲率的影響。下面所研究的環(huán)境己不再是自由空間，而是在真實(shí)大氣中地面對(duì)電波的反射。,,為了討論問(wèn)題的方便，對(duì)問(wèn)題簡(jiǎn)化：不考慮地面媒質(zhì)對(duì)電波的吸收，即地面對(duì)電波為全反射。,,,從A點(diǎn)發(fā)出到達(dá)B點(diǎn)的波有兩條途徑，其間有行程差和相位移。,,,行程差：,,,在三角形

19、 和 中，,,,故,,一般情況下， ，所以,,,因此，,,,,故行程差為,,行程差引起相位差，經(jīng)過(guò)途徑ABC的反射引起相位滯后,,,設(shè)直射波的場(chǎng)強(qiáng)為,,設(shè)反射系數(shù)為R，反射時(shí)還會(huì)引起,π,的相移，故反射場(chǎng)強(qiáng)為,,合成場(chǎng)強(qiáng)為,,,,,可得到衰減因子,,,可以看到，,衰減因子,與直射波和反射波的,行程差,和,地面反射系數(shù),有密切的關(guān)系。,,當(dāng)?shù)孛鏌o(wú)吸收，即出現(xiàn)最大反射，R=1時(shí),,,衰減因子與行程差的關(guān)系表明：,,接收點(diǎn)接收的場(chǎng)強(qiáng)隨行程差的變化而呈周期性的變化，變化周期為一個(gè)波長(zhǎng)周期；,,衰減因子的變化范圍為,0~2,。,,考慮地面反射后，

20、接收機(jī)的實(shí)際接收電平可由下式求出：,,,式中， 為自由空間的收信電平，,,3.3.2 電波在球形地面的傳播,地球是圓形的。當(dāng)通信距離遠(yuǎn)時(shí)，必須考慮地面的弧度，對(duì)前面的結(jié)果進(jìn)行修正。先來(lái)看看,直視距離,。,,a代,表地球的半徑，則,,,,,因?yàn)?α,很小， ，且a+h,1,≈a,,故,,,故,直視距離,為,,,將地球半徑a=6370km代入，則,,,式中，d,0,的單位是km，h,1,和h,2,的單位是米。,,當(dāng)h,1,和h,2,一定的條件下，實(shí)際的通信距離最大不能超過(guò)d,0,。,,比較實(shí)際距離d和直視距離d,0,的關(guān)系，可得：,,如果d

21、處于,照明區(qū),；,,如果d>d,0,，稱接收點(diǎn)處于,陰影區(qū),；,,如果d,≈,d,0,，稱接收點(diǎn)處于,半陰影區(qū),。,在球面條件下公式的修正,若地面上的反射區(qū)域不可看成是平面而必須看成球面時(shí)，必須對(duì)前面的電波反射公式作修改。修改主要有兩個(gè)方面：,,修正天線的高度；,,修正地面的反射系數(shù)。,,衰減因子,,,,,衰減因子,與直射波和反射波的,行程差,和,地面反射系數(shù),有密切的關(guān)系。,修正天線的高度,通過(guò)反射點(diǎn)作切面，則實(shí)際的天線高度h,1,和h,2,應(yīng)修改為自切平面算起的等效高度h,1,′,和h,2,′。,,與前面的計(jì)算相同，可以得到：,,,,,,故天線的等效高度為:,修正地面的反射系數(shù),球形地面對(duì)

22、電波的擴(kuò)散作用，類似于凸面鏡對(duì)光線的發(fā)散，故對(duì)以相同角度、相同距離的入射波束，其反射波的接收強(qiáng)度要弱一些。,,S,平面,S,球面,,球面反射的反射系數(shù)要在平面反射的基礎(chǔ)上乘以一個(gè),擴(kuò)散因子,,,,D,f,的計(jì)算公式為,,,,,r,1,r,2,波束的邊緣到球面，a是地球的直徑，,θ,波束的中間到球面的距離。,,與傳輸距離d相比，天線的高度一般很小，這時(shí),,,遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，,,這樣，代入D,f,的表達(dá)式,,,從上面的公式，可以得到：,,對(duì)光滑的地面，,D,f,接近于,1,（約等于,1,）；,,對(duì)起伏不平的復(fù)雜地面，反射點(diǎn)的曲率半徑不為,a,，而是小于地球半徑。曲率半徑越小，,D,f,就越小。所以在

23、選擇地形時(shí)，希望選擇起伏不平的山區(qū)而盡可能避免大的開(kāi)闊地帶和湖泊。,,下表是不同地面實(shí)測(cè)的反射系數(shù),R,的范圍。,,地面實(shí)測(cè)的反射系數(shù)1,,頻率,水 面,,稻 面,,田 野,,城市、森林、山地,,,反射系數(shù),損耗dB,反射系數(shù),損耗dB,反射系數(shù),損耗dB,反射系數(shù),損耗dB,2 GHz,1.0,0,0.8,2,0.6,4,0.3,10,4 GHz,1.0,0,0.8,2,0.5,6,0.2,14,8 GHz,1.0,0,0.8,2,0.5,6,0.2,14,11 GHz,1.0,0,0.8,2,0.4,8,0.16,16,,地面實(shí)測(cè)的反射系數(shù)2,,地面類型,反射系數(shù),頻率 GHz,樹(shù)林（1-

24、3米高）,,菜地、雜草,,草地,0.05-0.2,,0.05-0.2,,0.05-0.6,3,草地（10mm高）,,中等粗糙地面,,非常粗糙地面,0.3-0.8,,0.1-0.5,,0.2-0.4,5,濃密森林,,再生林,,長(zhǎng)草,,棉花地、不平海面、淺草,,平滑海面、鹽灘,0-0.1,,0.1-0.4,,0.5-0.7,,0.7-0.8,,〉0.9,未注明頻率,3.3.3 電波在復(fù)雜地面的傳播,電波傳播要在一定的空間內(nèi)進(jìn)行，要求在傳播路徑中要有一相當(dāng)尺寸的截面，否則就有可能使接收的場(chǎng)強(qiáng)大大下降。如果在傳播的路徑中有障礙物的存在，就會(huì)擋著直射波傳播而影響接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)抬高接受點(diǎn)

25、R和發(fā)送點(diǎn)T連線的位置。,,1. 地球的凸起高度,將地球看作規(guī)則的球形。在地面上兩點(diǎn)TR之間的某一點(diǎn)C處的地球凸起高度為H,b,，它為C點(diǎn)至弦TR的垂直距離CO，O點(diǎn)與T點(diǎn)的距離為d,1,，與,R點(diǎn)的距離為d,2,。,,由相交弦定理，有,,,整理后得到,,實(shí)際上,TR之間的距離對(duì)地球的周長(zhǎng)來(lái)說(shuō)很小, 也就是地面上的距離，而DO與地球的直徑相等,即2a。這樣，,,,例如，如果d=50km，求中點(diǎn)處地球的凸起高度，將 代入，可得,,,在此情況下，如果收、發(fā)天線的高度也是50m，是不行的，因?yàn)榇藭r(shí)視線剛好擦過(guò)地球表面，最小菲涅爾區(qū)都是受阻的。

26、這時(shí)，又產(chǎn)生了,傳播余隙,的概念。,2. 傳播余隙,傳播余隙H,c,指的是在微波傳輸路徑中，,地形起伏最高點(diǎn)與收發(fā)二點(diǎn)連線的距離,。,,H,c,：傳播余隙,,H,s,：障礙物海拔高度,,H,b,：地球凸起高度,,由上圖的關(guān)系，不難得到,,,應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念，可把傳播電路分為三種類型：,,H,c,≥F,0,時(shí)，稱為,開(kāi)電路,；,,0<,H,c,

27、離層、超離導(dǎo)以及逸散層。,,對(duì)流層是指自地面向上大約10km范圍的低空大氣層，集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的四分之三。,,對(duì)流層對(duì)微波傳播的影響，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。,,（1）由于氣體分子諧振引起對(duì)電磁波能量的,吸收,。,,（2）由雨、霧、雪引起對(duì)電磁波能量的,吸收,。,,（3）由于氣象因素等影響，使對(duì)流層也會(huì)形成云、霧之類的“水氣囊”，形成了大氣中的不均勻結(jié)構(gòu)，對(duì)微波的,散射和折射,。,3.4.1 大氣對(duì)微波的吸收,微波通過(guò)晴朗的大氣時(shí)的衰減主要是由水蒸氣(包括云、霧、雨、雪)和氧氣的吸收引起的。任何物質(zhì)都是由帶電的粒子構(gòu)成的，這些粒子有固定的諧振頻率，如果通過(guò)這些物質(zhì)的電磁波頻率接近其固有的諧振頻率

28、，這些物質(zhì)就會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收作用。,,,大氣中的氧分子具有固定的磁偶極矩，水分子具有固定的電偶極矩，都能從電磁波中吸收能量，導(dǎo)致吸收衰減。,,微波頻段，大氣存在三個(gè)明顯的吸收峰（,22.5GH,z,（,H,2,O,）,,、（,O,2,）,60GH,z,（,O,2,） 、,118.8GH,z,（,H,2,O,）,,）。這些吸收與,大氣壓力,、,溫度,和,濕度,密切相關(guān)。,,總的趨勢(shì)：頻率越高，衰減越嚴(yán)重。,大氣吸收衰減,,頻率,GHz,10,50,100,1000,500,1000,100,10,1,0.1,0.01,H,2,O,O,2,O,2,H,2,O,H,2,O,15,°,C,

29、,H,2,O 7,5 g/m,3,,1013 hPa,25 g/m,3,3.4.2 雨霧引起的衰減,水凝物是大氣中水蒸氣凝聚物的統(tǒng)稱，可以引起顯著的衰減，這是由水凝物對(duì)微波的,吸收,和,散射,造成的。,,吸收,：水凝物內(nèi)部分子之間或離子之間的相互作用而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，使一部分電波功率轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉。,,散射,：電波遇到水凝物粒子時(shí)，粒子內(nèi)部的自由電子和束縛電荷將受到外界電場(chǎng)力的作用而做受迫運(yùn)動(dòng)。這些粒子可看成等效的電偶極子，將隨外場(chǎng)頻率震蕩產(chǎn)生二次輻射，從而將一部分功率散射出去。,,對(duì)于水凝物引起的衰減來(lái)說(shuō)，與水凝物的形狀、復(fù)折射指數(shù)、尺寸、溫度、下落速度等是有關(guān)系的。其中降雨引起的衰減最為

30、嚴(yán)重。,,各地的,氣候條件不同，水凝物導(dǎo)致的衰減差別很大,。了解每個(gè)地區(qū)的氣候特性，對(duì)微波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。,雨霧衰減,微波頻率,(GHz),暴雨,大雨,中雨,小雨,毛毛雨,0.4,1,2,4,10,20,30,50,100,150,雨霧瞬時(shí)強(qiáng)度( (mm/h),0.01,0.1,1,10,50,雨霧吸收系數(shù) (dB/km),5,10,20,50,100,?,2.4,dB/km,7,GHz,38,GHz,?,5.9,dB/km,?,37,dB/km,38,GHz,各種衰落及抗衰落技術(shù),一般對(duì)6GHZ以上的微波作用明顯，低于此頻率的可不考慮。,,在10GHZ頻段以下，雨霧損耗并不顯得特

31、別嚴(yán)重，對(duì)一個(gè)中繼段可能會(huì)引入幾個(gè)分貝。,,在10GHZ以上頻段，中繼間隔主要受降雨損耗的限制，如對(duì)13GHZ以上頻段，100mm/小時(shí)的降雨會(huì)引起5dB/km的損耗，所以在13GHZ，15GHZ頻段，一般最大中繼距離在10km左右,,在20GHZ以上頻段，由于降雨損耗影響，中繼間距只能有幾公里,越高頻段雨衰越厲害??！,,高頻段可以做用戶級(jí)傳輸,雨霧雪的衰減與微波的頻率關(guān)系密切,3.4.3 大氣對(duì)微波的折射,1. 大氣的折射率與折射指數(shù),,地球周圍的大氣并不是一種均勻介質(zhì)，其密度、溫度和濕度都隨高度而變化。這樣，它的,折射率n（ ）也隨高度的變化,而變化，由低空的大于1而逐漸趨近

32、于1。這個(gè)值與1相差很小，一般為10,-4,~10,-6,，為了方便，我們定義,折射指數(shù),,N=(n -1),╳,10,6,,折射指數(shù)隨高度的增加而下降，寒帶地區(qū)比熱帶地區(qū)的下降速率要大一些；,,溫帶地區(qū)緊貼地面的大氣折射指數(shù)一般為,310-320 N,單位，平均為,315 N,單位。,,標(biāo)準(zhǔn)大氣的折射指數(shù)梯度為,,,電波在標(biāo)準(zhǔn)大氣中或在混合的比較均勻的大氣中傳播，稱為,正常傳播,。,2. 大氣對(duì)電波的折射,大氣的折射率隨高度變化，電波在其中傳輸時(shí)，就會(huì)穿過(guò)不同的高度，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)了一個(gè)折射率漸變的透鏡，就會(huì)發(fā)生折射，從而使傳播線路呈現(xiàn)一條弧線。,,,哇！微波是彎著走的,,大氣折射對(duì)傳播軌跡的影

33、響,n,n,n,n,n,n,n大,n大,n小,n小,,根據(jù)折射定律，可以求出傳播弧線的曲率半徑為,,,這說(shuō)明：,,在低空傳播的電波，其傳播路線的曲率不是由折射率的大小，而是折射梯度所確定的。當(dāng)大氣折射率隨高度線性變化時(shí)，即,dn,/dh,為常數(shù)，,ρ,也是常數(shù)。,,當(dāng)大氣折射率隨高度減小時(shí)，,ρ,是正數(shù)，使傳播軌跡向下彎曲。,,在標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，折射率梯度,,,因此,,標(biāo)準(zhǔn)大氣的曲率半徑近似為地球半徑的4倍。,,注意：考慮實(shí)際情況，大氣的折射率和折射梯度不是恒定的，隨氣候變化而變化，因此實(shí)際的傳播軌跡即使在同一線路下不同時(shí)間也會(huì)有所差異。,,3. 地球的等效半徑,在大氣中電波是沿著曲線傳播的。

34、這樣在考慮折射的情況下，會(huì)對(duì)微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。為此引入,等效地球半徑,a,e,的概念。,,為了保證等效后的情況和實(shí)際是等效的，必須使等效地面上的直線軌跡上任一點(diǎn)到等效地面上與實(shí)際傳播路線到實(shí)際地面的距離相等。事實(shí)上，如果兩組曲線的曲率差相等，則它們的距離相等，即,,,故,,,稱為,等效地球半徑因子,，表示的是等效地球半徑與實(shí)際地球半徑之比。,,當(dāng) ，K>1;,,當(dāng) ，K<1;,,一般來(lái)說(shuō)，溫帶地區(qū)K的平均值在4/3左右，并把K=4/3的大氣折射稱為,標(biāo)準(zhǔn)折射。,k =,￥,,4/3,1,2/3,地球半徑,(a),地平面,2/3,

35、4/3,1,k =,￥,等效地球半徑,(,k,a),等效地球,在溫帶地區(qū)，一般,K=4/3,，這時(shí)的折射稱為標(biāo)準(zhǔn)折射，此時(shí)的大氣稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣,,a,e,=4a/3,稱為標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑,,在考慮大氣折射的情況下，只要把電波在均勻大氣中傳播時(shí)所得到的一系列計(jì)算公式中，所有的地球半徑用等效地球半徑Ka來(lái)代替，則電波就好象在無(wú)折射的大氣中一樣，沿直線傳播。,,例如，在均勻大氣中，視距傳播的距離為,,,考慮大氣的折射，地球半徑用等效地球半徑代替,,,結(jié)果表明：,,在K>1時(shí)，傳播軌跡向下彎曲，視線距離增長(zhǎng)，原來(lái)處于陰影區(qū)的接收天線，可能處于照明區(qū)而延長(zhǎng)了傳播距離；,,K<1時(shí)，傳播軌跡向上彎曲，視線距

36、離縮短，原來(lái)處于照明區(qū)的接收天線，可能處于陰影區(qū)而接受不到信號(hào)；,4. 大氣折射對(duì)電波傳播的影響,對(duì)折射的實(shí)際情況，根據(jù)等效地球半徑因子，可分為三類：,,正折射；,,無(wú)折射；,,負(fù)折射,正折射,電波射線向下彎曲，射線彎曲方向與地球表面相同，可使傳播距離變遠(yuǎn)。又有三種特殊情況：,,dN,/dh=-39N/km,時(shí)，,K=4/3,，稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣折射；,,dN,/dh=-157N/km,時(shí)，,,K=,無(wú)窮，,a,e,=a,，稱為臨界折射,,,微波傳播路線與地面平行,,,能傳輸無(wú)限遠(yuǎn)；,,dN,/dh<-157N/km,時(shí)，,,K<0,，,a,e,

37、為超折射。這是一種不穩(wěn)定狀態(tài),無(wú)折射,dN/dh=0時(shí)，K=1，大氣折射指數(shù)不隨高度變化，大氣為一均勻介質(zhì)，微波在大氣中為直線傳播。,,負(fù)折射,dN/dh>0時(shí)，K<1，這時(shí)曲率半徑為負(fù)值，微波在大氣中傳播軌跡向上彎曲，比直線傳播的距離要近。,,一般情況下K>1,這對(duì)建設(shè)一條微波線路是有利的。但在特殊情況下，有可能發(fā)生負(fù)折射或超折射的情況。,,相距,50 km,直線傳播,微波實(shí)際傳播路線,正折射能延長(zhǎng)微波站距,,在均勻大氣中，視距傳播的距離為,,,考慮大氣的折射，在標(biāo)準(zhǔn)折射情況下，,,3.4.4 影響傳播余隙的因素,,大氣折射對(duì)傳播余隙的影響,,考慮大氣折射的影響時(shí)，利用等效地球半徑代替地球半

38、徑，可得到等效后的地球凸起高度：,,,凸起變化：,,凸起變化導(dǎo)致余隙的變化，對(duì)確定的傳播距離線路，中間余隙的變化為：,折射引起余隙的變化,2.站距長(zhǎng)度的影響,考慮大氣折射后，傳播余隙,,,若K不變， 不變，則站距越長(zhǎng)余隙變化量越大。為保證余隙的變化量不太大，通常在平原地段的微波線路站距為30~40km，山區(qū)為50~ 60km。,,3. 反射點(diǎn)位置的變化,在反射存在的地表傳輸中，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是由直射波和反射波迭加的結(jié)果。直射波和反射波的行程差嚴(yán)重影響到接收效果。K的值隨著氣候條件的變化而變化，其變化影響到收發(fā)兩點(diǎn)間的傳播途徑從而影響到行程差。這樣，在具體的兩站之間，必須考慮隨K的變化影響

39、到 的接收效果。,,4. 傳播余隙的選擇,大氣折射的主要影響是通過(guò)等效地球半徑因子的改變而引起地球凸起高度。當(dāng)K減小，地球凸起高度增大，余隙減小。在微波線路設(shè)計(jì)時(shí)，要注意工作區(qū)域K的變化，尤其是最小值和出現(xiàn)的時(shí)間。,,,余隙的大小決定了允許通過(guò)的菲涅爾區(qū)的數(shù)目。,,在一般情況下，我們決定到達(dá)與自由空間傳播場(chǎng)強(qiáng)相等的最小余隙。也即最小菲涅爾區(qū)半徑,,確定傳播余隙的一條原則,：,,在一個(gè)傳播段上，相應(yīng)于最小K值的傳播余隙應(yīng)在0.6F,1,左右。,第三章 微波傳播,,,,微波在自由空間的傳播,,微波傳播的描述方法,,地形對(duì)電波傳輸?shù)挠绊?,大氣對(duì)微波傳播的影響,,大氣與地面效應(yīng)造成的衰落特性,,抗衰

40、落技術(shù),3.5 大氣與地面效應(yīng)造成的衰落特性,微波,在空間傳輸中將,受到大氣效應(yīng)和地面效應(yīng)的影響,，,導(dǎo)致接收機(jī)接收的電平隨著時(shí)間的變化而不斷起伏變化,，我們把這種現(xiàn)象稱為,衰落,。,,衰落影響信號(hào)傳播的穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性。,3.5.1 衰落特性,快衰落和慢衰落,,(,按持續(xù)時(shí)間劃分,):,,慢衰落,：持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的叫慢衰落，其持續(xù)時(shí)間一般長(zhǎng)達(dá)數(shù)分種到幾小時(shí)。,,快衰落,：持續(xù)時(shí)間短的叫快衰落，一般發(fā)生在幾秒到幾分鐘之間。,,上衰落和下衰落,,(,按接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的高低劃分,):,,上衰落,：高于自由空間電平值的叫上衰落,,下衰落,：低于自由空間的電平值的叫下衰落,,慢衰落和下衰落對(duì)微波通信有很大的

41、影響。,,衰落的發(fā)生是隨機(jī)的,無(wú)法預(yù)知某一時(shí)間信號(hào)的具體規(guī)律,只能掌握統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,,波長(zhǎng)短，距離長(zhǎng)，衰落嚴(yán)重,,跨水面，平原，衰落嚴(yán)重,,夏秋季衰落頻繁,,晝夜交替時(shí)，午夜容易出現(xiàn)深衰落,,雨過(guò)天晴及霧散容易出現(xiàn)快衰落,衰落的分類,從衰落的物理因素來(lái)看，可以分成以下幾種類型：,,閃爍衰落,,K,型衰落,,波導(dǎo)型衰落,,閃爍衰落,。對(duì)流層中的大氣常發(fā)生的體積大小不等，無(wú)規(guī)則的漩渦運(yùn)動(dòng)，這些稱為大氣湍流。大氣湍流形成的不均勻的塊式層狀物使介電系數(shù),ε,與周圍的不同。當(dāng)微波射線射到不均勻的塊式層狀物上來(lái)時(shí)，將使電波向周圍輻射，形成對(duì)流層散射。此時(shí)接收點(diǎn)也可以接收到多徑傳來(lái)的這種散射波，它們的振幅和相

42、位是隨機(jī)的，這就使接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)的振幅發(fā)生變化，形成快衰落。由于這種衰落是由于多徑產(chǎn)生的，且衰落持續(xù)時(shí)間短，電平變化小，因此稱之為閃爍衰落。一般不會(huì)造成通信的中斷。,,K,型衰落（多徑衰落）,。這是由于,多徑傳輸,產(chǎn)生的干涉型衰落，它是由直射波和反射波在到達(dá)接收端時(shí)，由于行程差，使它們的相位不一樣，在疊加時(shí)產(chǎn)生的電波衰落。由于這種衰落與行程差,Δr,有關(guān)，而,Δr,是隨大氣的折射參數(shù),K,值的變化而變化的，故稱為,K,型衰落。這種衰落在水面，湖泊，平滑的地面時(shí)顯得特別嚴(yán)重。除了地面的反射以外，大氣中有時(shí)出現(xiàn)的突變層也能對(duì)電磁波產(chǎn)生反射和散射，也可以造成電波的多徑傳輸，在接收點(diǎn)產(chǎn)生干涉型衰落。,(

43、,一般是慢衰落,),,波導(dǎo)型衰落,。由于氣象的影響，大氣層中會(huì)形成不均勻的結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波通過(guò)這些不均勻?qū)訒r(shí)將產(chǎn)生超折射現(xiàn)象，稱為大氣波導(dǎo)傳播。若微波射線通過(guò)大氣波導(dǎo)，而收、發(fā)兩點(diǎn)在波導(dǎo)層外，如下圖所示，則接收點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度除了有直線波和地面反射波以外，還有“波導(dǎo)層”以外的反射波，形成嚴(yán)重的干擾型衰落，造成通信的中斷。,大氣波導(dǎo)傳播,3.5.2 平衰落及其瑞利分布特性,衰落對(duì)視距傳播的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是信號(hào)的,接收電平下降,，二是由于衰落的頻率選擇性作用而引起,傳輸波形的失真,。,,在多徑傳播的條件下，這兩種情況同時(shí)存在。一定條件下，可以忽略頻率選擇性影響，而認(rèn)為信號(hào)傳輸帶寬內(nèi)具有相同的衰落

44、電平，這種衰落稱為,平衰落,。,,衰落特性的表示方法,,從微波的傳輸可靠性考慮，我們要研究,衰落深度與衰落持續(xù)時(shí)間的概率分布,情況。,,衰落深度給出了電波傳輸?shù)?中斷電平,，衰落持續(xù)時(shí)間決定了,中斷時(shí)間,。,,多徑傳播的相位干涉是引起傳播深衰落的主要原因,。,,由于信號(hào)進(jìn)行多徑傳播達(dá)到接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)自不同傳播的路徑，各條路徑延時(shí)時(shí)間是不同的，而各個(gè)方向分量波的疊加，產(chǎn)生了接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，從而形成信號(hào)衰落快而且深，我們把這種衰落稱為,瑞利衰落,。,在微波通信條件下，并考慮電波傳播的具體條件，瑞利衰落的概率的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,,,,K：環(huán)境條件因子；Q：地形條件因子,,d：站距；f：頻率,,W:實(shí)際的接

45、收功率,,W,0,:自由空間傳播時(shí)的接收功率,,P,r,是接收功率小于或等于W時(shí)的概率。,,衰落不僅與接收功率有關(guān)，還與當(dāng)?shù)氐臍庀?、季?jié)、地理環(huán)境等因素有關(guān)，表現(xiàn)在公式里的常數(shù)因子不同。故不同國(guó)家和地區(qū)的計(jì)算公式也不一樣。,,在收信電平等于自由空間條件下的收信電平時(shí)，我國(guó)的計(jì)算公式：,,衰落深度的計(jì)算,衰落深度,又稱為,衰落儲(chǔ)備,、,衰落容限,，是指為了保證某個(gè)限定的誤碼率指標(biāo)，一個(gè)中繼段（或設(shè)備）具有的抗衰落的,儲(chǔ)備量,，或者說(shuō)能夠忍受的衰落深度。,,,這個(gè)值與 有關(guān)。,衰落深度的計(jì)算,衰落深度,又稱為,衰落儲(chǔ)備,、,衰落容限,，是指為了保證某個(gè)限定的誤碼率指標(biāo)，一個(gè)中繼段（或設(shè)

46、備）具有的抗衰落的,儲(chǔ)備量,，或者說(shuō)能夠忍受的衰落深度。,,這個(gè)值與 有關(guān)。,,數(shù)字微波的衰落深度是從衰落概率的角度進(jìn)行計(jì)算的，定義式為：,,,,已知衰落深度為F,d,時(shí)，深衰落發(fā)生的概率為,,例3-4 某平原地區(qū)的數(shù)字微波通信線路，用于數(shù)據(jù)傳輸，線路長(zhǎng)度為1000km，通信頻率為7GHz，全線路誤碼率為10,-6,時(shí)的中斷概率為0.01%，該中繼段站距為40km，求衰落深度。,解：該中繼段衰落的瑞利分布概率為：,,,平原地段，KQ=10,-9,，f=7GHz，d=40km，代入上式,,,40km的中繼段分到的允許中斷概率為,,,故衰落深度為,,例3-5 某數(shù)字微波電路跨越湖面，工

47、作頻率為8GHz，站距為38km，發(fā)射天線高度為90m，接收天線高度為60m，地勢(shì)海拔為0，假定衰落深度為32dB，求衰落概率。,,解：水面的KQ值為,,,中斷概率為,,3.5.3 頻率選擇性衰落,,當(dāng)發(fā)送的信號(hào)是具有一定頻帶寬度的信號(hào)時(shí)，多徑傳播會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。,,,,,Frequency (MHz),接收功率電平,(dBm),平衰落,頻率選擇性衰落,,下面假定多徑傳播的路徑只有兩條的情況進(jìn)行分析。,,令發(fā)送信號(hào)為,f,(,t,)，其頻譜函數(shù)為,F,(,w,)。則到達(dá)接收點(diǎn)的兩路信號(hào)，具有相同的衰減，這樣它們可分別表示為：,,時(shí)延與路徑差有線性關(guān)系。,,當(dāng)這兩條傳輸路徑的信號(hào)合成后得,

48、：,,,相應(yīng)于它的傅氏變換對(duì)為,,,,因此，信道的傳遞函數(shù)為,,,,其幅頻特性為,,兩條路徑傳播時(shí)選擇性衰落特性,,,當(dāng)一個(gè)傳輸信號(hào)的頻譜寬于,1/,時(shí)，將致使某些頻率分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落，簡(jiǎn)稱選擇性衰落。,,,注意： 是隨時(shí)間變化的，在不同的時(shí)間，頻率選擇性衰落發(fā)生的情況不同，即微波信號(hào)的衰落深度隨頻率而變化。,,上述概念可推廣到一般的,多徑傳播中去。,多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差 來(lái)表征，并用它來(lái)估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。,,設(shè)信道的最大時(shí)延差為 ，則相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔為：,,,這個(gè)頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相

49、關(guān)帶寬。,,多徑效應(yīng)最嚴(yán)重的后果之一是在信道傳遞函數(shù)中引入一個(gè)非理想的,H,c,(f)，,破壞奈奎斯特準(zhǔn)則和匹配濾波準(zhǔn)則，從而產(chǎn)生碼間串?dāng)_。,,,頻率選擇性衰落對(duì)微波通信的影響,引起帶內(nèi)失真,,使交叉極化鑒別率下降,,使系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降,引起帶內(nèi)失真,,,帶內(nèi)失真會(huì)導(dǎo)致解調(diào)后數(shù)字信號(hào)的波形失真，波形失真又會(huì)造成碼間干擾。有關(guān)資料表明，在信號(hào)的通頻帶內(nèi)，5～6dB的振幅起伏就會(huì)使數(shù)字微波通信系統(tǒng)產(chǎn)生不能允許的高誤碼率，使系統(tǒng)性能變壞。,,決定頻率選擇性衰落程度的基本參數(shù)是兩條射線的振幅比r和路徑時(shí)延差τ,0,。當(dāng)τ,0,一定時(shí)，r越接近1，衰落越嚴(yán)重；當(dāng)r一定時(shí)，τ,0,越大，信號(hào)的色散

50、越嚴(yán)重。,使交叉極化鑒別率下降,,一種極化狀態(tài)的微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)傳輸后，其極化面可能會(huì)受到影響，并使一部分能量成為與之正交的極化狀態(tài)，這對(duì)頻率相同的正交極化波道造成干擾，稱為交叉極化干擾。,,交叉極化鑒別率（XPD）表征為接收端收到的與發(fā)送端相同極化的信號(hào)功率電平和收到的交叉極化電平的差值。,,,,：接收端某波道接收的與發(fā)送端相同極化的信號(hào)功率；,,：接收端某波道接收的交叉極化干擾信號(hào)功率,,XPD越大，表示一種極化經(jīng)過(guò)傳輸轉(zhuǎn)化成正交極化狀態(tài)的能量越小。,,使系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降,這里所指的衰落儲(chǔ)備值下降，往往指數(shù)字微波的有效衰落儲(chǔ)備。數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常用到有效衰落儲(chǔ)備的概念：它表示與

51、自由空間傳播條件相比，當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時(shí)，為了在不超過(guò)門(mén)限誤碼率時(shí)系統(tǒng)仍能工作，所必須留有的電平余量。,,因?yàn)樵陬l率選擇性衰落條件下，有時(shí)候衰落并不深，但誤碼率卻可能上升很快，甚至超過(guò)門(mén)限誤碼率導(dǎo)致通信中斷。,,對(duì)抗頻率選擇性衰落，僅靠增加平坦衰落儲(chǔ)備，系統(tǒng)性能的改善及其有限，解決的辦法是采用分集技術(shù)、自適應(yīng)均衡等技術(shù)，以改善系統(tǒng)的抗頻率選擇性衰落能力。,,第三章 微波傳播,,,,微波在自由空間的傳播,,微波傳播的描述方法,,地形對(duì)電波傳輸?shù)挠绊?,大氣對(duì)微波傳播的影響,,大氣與地面效應(yīng)造成的衰落特性,,抗衰落技術(shù),3.6 抗衰落技術(shù),對(duì)抗衰落的技術(shù)措施可以從兩個(gè)方面去考慮：一個(gè)方面是對(duì)正

52、在準(zhǔn)備建設(shè)的微波電路的考慮，另一個(gè)方面是對(duì)已建成微波電路的衰落嚴(yán)重接力段的考慮。,常用方式,減少通信距離；增加發(fā)送功率；調(diào)整天線高度；選擇合適路由；波道變換,,在移動(dòng)通信中采用微蜂窩、直放站；,,采用分集技術(shù)、均衡技術(shù)、瑞克技術(shù)、糾錯(cuò)技術(shù)等。,1.,分集技術(shù),分集就是指,通過(guò)兩條或兩條以上途徑（例如空間途徑）傳輸同一信息，以減輕衰落影響的一種技術(shù)措施,。,,基本思想,：分散得到幾個(gè),統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,的信號(hào)并集中這些信號(hào)，多路信號(hào)同時(shí)發(fā)生深衰落的可能性非常小，那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑髽?gòu)成總的接收信號(hào)，就能使系統(tǒng)的性能大為改善。,,原理,：利用無(wú)線傳播環(huán)境中來(lái)自不同途徑的多徑信號(hào)的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性進(jìn)行合并，從而實(shí)現(xiàn)

53、分集。,,首先要找出來(lái)自不同途徑的多徑信號(hào)，這些途徑可以是不同的空間、不同的極化、不同的頻率、不同的時(shí)間。,,其次要以某種方法進(jìn)行合成。,,分集技術(shù)包括分集發(fā)送和分集接收技術(shù)。分集接收技術(shù)的效果，取決于接收信號(hào)的衰落相關(guān)程度。接收信號(hào)的衰落相關(guān)系數(shù)越小，則分集接收的效果越好。,,,分集改善效果指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)兩者相比，對(duì)減輕深衰落影響所得到的效果（好處），常用的標(biāo)稱改善效果，有分集增益和分集改善度。,,分集增益是指同一個(gè)時(shí)間累積時(shí)間百分比內(nèi)（較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)），分集接收與單一接收時(shí)的平均收信電平差。,,,,分集改善度是指在某一相對(duì)的收信電平時(shí)，單一接收與分集接收的衰落累積時(shí)間百分比之比

54、。例如當(dāng)收信電平低于自由空間傳播電平20dB時(shí)，單一接收和分集接收這同一收信電平，其衰落的累積時(shí)間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100，即分集改善度為100。,,,,分集方式,空間分集,：不同天線的接收信號(hào)相互獨(dú)立,,極化分集,：,水平極化和垂直極化,的信號(hào)相互,獨(dú)立；,,頻率分集,：不同頻率,的,接收信號(hào)相互獨(dú)立；,,時(shí)間分集,：,不同時(shí)間的接收信號(hào)相互獨(dú)立。,,站址分集：在不同的站址接收相同的信息。,,角度分集：在不同的角度接收相同的信息。,,空間分集,：,空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng),,垂直空間分集（最常用）；,,水平空間分集；,,分集天線距離有一定要求。距

55、離太小，兩信號(hào)間相關(guān)性過(guò)大，達(dá)不到較好的接收效果；距離太大，增加成本太多。,,,,頻率分集,： 頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，以減輕衰落影響，這種工作方式叫做頻率分集 ，利用電磁波在不同頻率下的不同行程來(lái)減少或消除影響。這種方法效率較好，且只需一副天線，但在頻率十分緊張的無(wú)線頻段，頻率的使用效率就顯得不太高了。,,分為同頻段分集和跨頻段分集。一般來(lái)說(shuō)頻差越大，效果越好。,,極化分集,：具體來(lái)講, 在發(fā)射端的同一地點(diǎn)分別裝上垂直極化天線和水平極化天線, 在接收端的同一位置也分別裝上垂直極化天線和水平極化天線, 就可得到兩路衰落特

56、性不相關(guān)的信號(hào)。 極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況——分集支路只有兩路且相互正交。,,時(shí)間分集,：使同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，接收機(jī)將重復(fù)收到的同一信號(hào)進(jìn)行合并，就能減小衰落的影響。,,瑞克接收：,對(duì)時(shí)間上擴(kuò)散的信號(hào)進(jìn)行分集，盡可能多的獲取信號(hào)能量；對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行分離，根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行多徑信號(hào)合并。,,交織技術(shù)：,在無(wú)線通信中由于發(fā)生深衰落或遇到突發(fā)干擾，誤碼的分布就不是平穩(wěn)、純隨機(jī)的，而是存在隨機(jī)誤碼和突發(fā)誤碼。采用交織可以減少突發(fā)誤碼的影響。,分集接收信號(hào)的處理方式,選擇,式合成：選擇最好的支路作為輸出，其它支路丟棄。,,同相合成：（最大功率合

57、成）調(diào)整各個(gè)支路接收信號(hào)的相位，使之同相，然后進(jìn)行等增益相加。,,最小振幅偏差合成：調(diào)整各個(gè)支路次徑（干涉波）的相位及幅度，使之反相抵銷。,,最大比合成：,調(diào)整各個(gè)支路的相位，使之同相，然后按照各個(gè)支路的信噪比數(shù)值進(jìn)行加權(quán)相加。,,最小振幅偏差合成分集接收,,,如圖3-30所示為最小振幅偏差合成分集接收的原理方框圖。,,,如圖3-31所示的為最小振幅偏差合成與同相合成在改善帶內(nèi)失真方面的性能比較，合成過(guò)程中的直射波、干涉波和合成波均用矢量表示。,圖3-30 最小振幅偏差合成分集接收的原理方框圖,圖3-31 同相與最小振幅偏差合成性能比較,3.基帶開(kāi)關(guān)分集接收,,這種分集接收方式是把上

58、、下兩天線接收的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)各自的接收機(jī)，變成中頻信號(hào)并解調(diào)成基帶信號(hào)后，由分集開(kāi)關(guān)盤(pán)進(jìn)行選擇倒換，選擇誤碼率較低的一路作為基帶信號(hào)輸出。,,4.分集改善效果,,在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，不管采用哪一種空間分集接收方式，都會(huì)使系統(tǒng)的有效衰落儲(chǔ)備增加，即抗頻率選擇性衰落的能力增強(qiáng)，還能不同程度地改善帶內(nèi)失真，改善交叉極化鑒別度。,自適應(yīng)均衡技術(shù),高性能的數(shù)字微波信道把空間分集和自適應(yīng)均衡配合使用。,,所謂,均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來(lái)抵消信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的干擾,。即通過(guò)均衡器消除時(shí)間和信道的選擇性。它用于解決符號(hào)間干擾的問(wèn)題，適用于信號(hào)不可分離多徑的條件下，且

59、時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)大于符號(hào)的寬度。可分為時(shí)域均衡和頻域均衡兩種。,,頻域均衡,指的是總的傳輸函數(shù)滿足無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件，即校正幅度特性和群時(shí)延特性,。,時(shí)域均衡,是使總沖擊響應(yīng)滿足無(wú)碼間干擾的條件,，數(shù)字通信多采用時(shí)域均衡，而模擬通信則多采用頻域均衡。,頻域均衡器,在模擬微波通信系統(tǒng)中，為了改善信道的群時(shí)延和微分增益特性，也使用了均衡器，但是該均衡器僅作靜態(tài)特性的補(bǔ)償。,,均衡器頻域表達(dá)：,,信道,時(shí)域響應(yīng)f(t)，均衡器時(shí)域響應(yīng)h,eq,(t)，,希望均衡后的信道響應(yīng)為：,,g(t)=f*(t),?,heq(t)=,?,(t),,就有： Heq(f)F*(-f)=1,,Heq(f)為均衡器頻域

60、響應(yīng)，F(xiàn)(f)為信道頻域響應(yīng)。,均衡器是傳輸信道的逆濾波器；,,由于傳輸信道的時(shí)變性，均衡器必需是參數(shù)可變的自適應(yīng)均衡器；,,均衡器的效果是補(bǔ)償信道的頻率選擇性，使衰落趨于平坦、相位趨于線性。均衡器不能抵銷平衰落。,圖3-35 中頻可變調(diào)諧的自適應(yīng)均衡器,頻域均衡特點(diǎn),,信號(hào)頻譜,多徑衰落,斜率均衡,均衡后頻譜,頻域均衡只能均衡信號(hào)的幅頻特性，,,不能均衡相位頻譜特性，但是電路簡(jiǎn)單,,,,…..,…..,均衡前,均衡后,時(shí)域均衡直接抵消碼間干擾,方案很多,T,T,T,2. 時(shí)域均衡,時(shí)域均衡器：,線性均衡器,橫向?yàn)V波器,；,適用于衰落深度不是很大的情況。均衡器對(duì)深衰落的頻譜及鄰近頻譜產(chǎn)生很大

61、增益，從而增加噪聲。,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。,,格型均衡器,；數(shù)值穩(wěn)定性好；收斂速度快。,時(shí)域均衡器：,非線性均衡器,適用于深度衰落很大的情況。但算法相對(duì)復(fù)雜，且穩(wěn)定性差和收斂時(shí)間長(zhǎng)。,,判決反饋均衡器（DFE）；,,最大似然符號(hào)檢測(cè)（ML）；,,最大似然序列檢測(cè)（MLSE）。,,均衡器算法,性能,算法性能參數(shù)：,,收斂速度：算法進(jìn)入穩(wěn)定的迭代次數(shù)，即收斂時(shí)間；,,失調(diào)：濾波器均方差與最優(yōu)的最小均方差的差距；,,計(jì)算復(fù)雜度：完成迭代的運(yùn)算次數(shù)；,,數(shù)值特性：算法用數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于計(jì)算引起的誤差，影響算法穩(wěn)定性。,均衡器算法,分類,迫零算法；,,最小均方算法；,,遞歸最小二乘算法；,,其它算法。,,智能

62、天線,智能天線是具有測(cè)向和波束成形能力的天線陣列，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取發(fā)送和接收站之間各個(gè)鏈路的方向特性。,,,智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向DOA(Direction of Arrinal)，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。,,智能天線是一個(gè)天線陣列，如圖3-39所示。

63、它由N個(gè)天線單元組成。每個(gè)天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個(gè)不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。,,根據(jù)采用的天線方向圖形狀，可以分為兩類：,,1.自適應(yīng)方向圖智能天線,,2.固定形狀方向圖智能天線,自適應(yīng)方向圖智能天線,它采用自適應(yīng)算法，其方向圖與變形蟲(chóng)相似，沒(méi)有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。它的優(yōu)點(diǎn)是算法較為簡(jiǎn)單，可以得到最大的信號(hào)干擾比。但是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢。另外，由于波束的零點(diǎn)對(duì)頻率和空間位置的變化較為敏感，在頻分雙工系統(tǒng)中上下行的響應(yīng)不同，因此它不適應(yīng)于頻分雙工而比較適應(yīng)時(shí)分雙工系統(tǒng)。自適應(yīng)天線陣著眼于信號(hào)環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時(shí)優(yōu)化上。,,,,智能天線在空間選擇有

64、用信號(hào)，抑制干擾信號(hào)，有時(shí)我們稱為空間濾波器。雖然這主要是靠天線的方向特性，但它是從信號(hào)干擾比的處理增益來(lái)分析的，它帶來(lái)的好處是避開(kāi)了天線方向圖分析與綜合的數(shù)學(xué)困難，同時(shí)建立了信號(hào)環(huán)境與處理結(jié)果的直接聯(lián)系。自適應(yīng)天線陣的重要特征是應(yīng)用信號(hào)處理的理論和方法、自動(dòng)控制的技術(shù)，解決天線權(quán)集優(yōu)化問(wèn)題。,,自適應(yīng)天線自出現(xiàn)以來(lái)，已有30多年。大體上可以分成三個(gè)發(fā)展階段：第一個(gè)10年主要集中在自適應(yīng)波束控制上，第二個(gè)10年主要集中在自適應(yīng)零點(diǎn)控制上；第三個(gè)10年主要集中在空間譜估計(jì)上，諸如最大似然譜估計(jì)、最大熵譜估計(jì)、特征空間正交譜估計(jì)等等。在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)下，八十年代以后自適應(yīng)天線逐步進(jìn)入

65、應(yīng)用階段，尤其用在通信對(duì)抗。與此同時(shí)，自適應(yīng)信號(hào)處理理論與技術(shù)也得到了大力發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。,2. 固定形狀方向圖智能天線,,固定形狀方向圖智能天線在工作時(shí)，天線方向圖形狀基本不變。它通過(guò)測(cè)向確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向(DOA)，然后根據(jù)信號(hào)的DOA選取合適的陣元加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比。固定形狀波束智能天線對(duì)于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過(guò)控制低的旁瓣電平來(lái)確保抑制的。與自適應(yīng)智能天線相比，固定形狀波束智能天線無(wú)需迭代、響應(yīng)速度快，而且魯棒性好，但它對(duì)天線單元與信道的要求較高。,,在多徑環(huán)境下，空間信道的分析和測(cè)量是目前理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。已有多種傳播模型和分析方法

66、，并用它對(duì)各種不同通信體制、不同信號(hào)帶寬、不同環(huán)境（城巿、農(nóng)村、商業(yè)區(qū)、樓內(nèi)）進(jìn)行了分析，給出了對(duì)應(yīng)的模型并進(jìn)行了大量的測(cè)試。結(jié)果表明，在農(nóng)村、城郊以及許多城區(qū)，對(duì)于窄波束，其時(shí)間色散可以減少。采用通信信號(hào)中的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，可以給出空間信道的響應(yīng)，這也是研究的熱點(diǎn)之一。,,時(shí)空信號(hào)聯(lián)合處理技術(shù),智能天線實(shí)際上是一種空間信號(hào)處理技術(shù)。如果它和時(shí)間信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，就會(huì)獲得更大的好處。在時(shí)間信號(hào)處理方面，如均衡技術(shù)，時(shí)、頻域分集接收，RAKE接收，最大似然接收等已在通信中得到廣泛應(yīng)用。 它們本身也常用于克服多徑衰落，提高通信質(zhì)量.,,把兩種信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生一種新的統(tǒng)一的算法，可以更有效地提高通信性能和處理效率。有的文獻(xiàn)稱之為兩維或三維RAKE接收。下圖給出一種空間濾波RAKE接收機(jī)的框圖, 它包括N個(gè)天線單元、三套形成空間波束的加權(quán)器和一個(gè)三指RAKE接收機(jī)。,,,