《微波信号的传播本》PPT课件.ppt

微波通信技术,第2章 微波信号的传播,主要内容,自由空间的电波传播 地面对微波传播的影响 大气对微波传播的影响 衰落特性和抗衰落技术,2.11 自由空间的电波传播,无线电频段的划分与传播方式 无线电波的基本性质 自由空间的传播损耗 自由空间传播条件下的收信电平的计算 视线距离与天线高度的关系,无线电波传播,发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通 过自然的媒质到达接收天线的过程，就称为无线电 波传播。 传播环境对信道的研究有十分重要的作用，主要因素有： 自然环境（高山、丘陵、平原、水域等）； 人工建筑物的数量、高度、分布和材料特性； 该地区的植被特征、天气状况、自然和人为的电磁噪声状况。,无线电波与可见光、X射线以及 射线一样都属于电磁波，它们都是以电场和磁场为其特征的一种电磁振动.因此，对无线信道的分析方法主要有以下三种： 理论分析 现场电波实测 信道的计算机模拟,无线电波传播,无线电波传播,理论分析，即用电磁场理论或统计理论分析电磁波在空间环境中的传播特点，并用各种模型来描述信道，高斯、瑞利、莱斯分布等，这种分析只是近似，因此只能对人们认识和研究信道起一定的指导作用； 信道的计算机模拟，通过一定的硬件支持，强大的计算机能力，可以灵活地迅速模拟各种移动环境； 现场电波传播实测，对移动信道来讲由于受到城市复杂环境的影响，为了有效地探讨电波传播的特性，有时采用实测的方法，费时、费力，但时分有效。,无线电频段划分,无线电波的传播方式,地面波传播 定义：无线电波沿着地球表面传播 应用：长波和中波波段 天波传播 定义：无线电波通过高空电离层反射传播 应用：长、中和短波波段 散射传播 定义：无线电波利用对流层或电离层中介质的不均匀性对电磁波的散射进行传播 应用：超短波和微波远距离通信 视距传播 定义：收发在相互“看见”的距离传播 应用：微波波段,无线电波的基本性质,电场、磁场和电波传播方向（能流传输方向）相互垂直，它们之间是右手螺旋的关系。 电场强度E与磁场强度的振幅之比是一个固定值，称之为媒质的特征阻抗（或波阻抗Zc），即 电磁能流密度：空间任何一点的电磁能流密度定义为，某一时刻t穿过该点单位面积的功率。对时谐电磁波，平均能流密度的Sav的定义为，在单位时间里通过单位面积的平均功率（W/m2）,无线电波的基本性质（序）,无线电波的极化：电场矢量端点轨迹的取向和形状来定义极化方向 线极化 圆极化 椭圆极化,线极化,垂直极化：电场方向与地球表面垂直 水平极化：电场方向与地球表面平行,任意一个线极化可分解为一个水平极化分量与垂直极化分量,线极化不能简单地认为是水平极化和垂直极化，这在实际传输系统中很重要。,圆极化,若水平和垂直两个电场分量幅度相等，但其中一个相位超前90，则合成电磁波为园极化。,圆极化的方向定义为电场矢量的旋转方向，IEEE定义当沿着电磁波传播方向看去，电场旋转方向是顺时针的为右旋园极化，逆时 针的为左旋园极化。,LHC,椭圆极化,三个参数 轴比AR （椭圆长轴与短轴之比） 倾角 （参考方向与长轴间的夹角） 极化指向,无线电波的基本性质（序）,无线电波的辐射 近区（又称电抗区、感应区） 中区（又称Fresnel区、辐射近区） 远区（又称Fraunhofer区、辐射远区）,自由空间的传播损耗,自由空间的条件： 均匀无损耗的无限大空间 各向同性 充满理想介质，电导率为0，r=1、r=1,满足上述条件的空间不存在电磁波的反射、 折射、散射、色散。,假定发射功率为PT，发射天线为各向均匀辐射， 即增益为1。 则在以发射源为中心、半径为d的球面上单位面 积的接收功率为 则定义自由空间损耗为 两边取对数,自由空间传播在不同距离上的损耗,同步轨道卫星和地球之间的传播损耗 假设遥测频率为2.2GHz 则Ls=92.4+20log(380000)+20log2.2=210.8dB,自由空间传播条件下收信电平的计算 （不考虑大气衰减等因素）,在实际系统天线是有方向性的，其增益为Gt 在波束方向d处的信号电场强度为 接收天线的有效面积为 接收天线所截获的功率为 若考虑收发天馈损耗和电路系统损耗，并用对数表示,收信电平的计算实例,有一微波通信机，发射机的功率为1W，工作频率为3.8GHz，通信两地相距45km，收发天线的增益皆为39dB，收发系统馈线损耗皆为2dB，收发两端分路系统损耗皆为1dB，求在自由空间条件下的收端的输入电平。,解：,视线传播距离与天线高度的关系,结论：要保证视距通信，dd0,dd0，接收点处于阴影区 dd0, 接收点处于半阴影区,* 其中地面天线的高度时2m,视线传播距离与天线高度的关系(Cont),3.2 地面反射对微波传播的影响,菲涅耳区的概念 地面反射对电波传播的影响 反射损耗的频率选择性和二径模型 路径上障碍物的阻挡损耗,地面对微波传播的影响主要表现在两个方面：一是建筑物、树木、山峰等障碍物阻挡引起的附加损耗；另一方面是平滑地面、水面将一部分信号反射到接收天线而引起的多径传播造成的接收信号的干涉衰落。,3.2.1 费涅尔区和费涅尔半径,满足下列关系式： TP +PR-TR=d+n/2，n=1,2,3, 的发射源和接收点连线TR之外的任一点P所构成的轨迹 就是费涅尔区。,第 一 费 涅 尔 区 (n=1),发射点T和接收点R是该椭圆球体的焦点，处在椭圆体上反射点产生的反射波均能到达R端。,菲涅尔椭球面上任何一点到TR连线的垂直距离称为菲涅尔半径。,3.2.1 费涅尔区和费涅尔半径(Cont),3.2.1 费涅尔区和费涅尔半径(Cont),例 设工作频率f=6GHz，通信距离为50km，则 若天线的半波瓣功率宽度为1.5，则在中点处这个波束宽度的尺寸为 共包含了约170个菲涅耳区。,站距与费涅尔半径关系,F1max 距离d 频率f 之间的 关系曲线,费涅尔区的意义,上图为收发相距100公里时，收发连线间任一点在不同频率的第一费涅尔区半径，可以看出，频率越高，相同点的费涅尔区半径越小，即频率高、波长小，传输波束越锐，能量越集中，越接近光传播。 费涅尔区的意义：估算能量传播区域的一个重要概念，在工程设计中尤其关心第一费涅尔区，因为它是传播能量最集中的区域。一般要求在第一费涅尔区范围内不能有阻挡。,3.2.2 地面反射对微波传播的影响,收信点的场强是直射波E1和反射波E2的合成场强,地面的反射系数为,合成场强,衰落因子L,如果dh1,h2, r2h1h2/d,T,3.2.2 地面反射对微波传播的影响(Cont),2h1h2/d,地面反射造成的接收电平的衰落,=0,3.2.2 地面反射对微波传播的影响(Cont),收信点电场强度随着天线高度的变化而波动地变化着。当天线高度连续变化时，实际上是改变了反射点的位置，从而改变了直射波和反射波的波程差，则两者之间的相位差也随之改变，造成了合成场强的干涉变化。 若距离d和天线的高度h不变，改变工作频率会得到类似的效果，即在某些频点上合成场强达到最大值，而在另外一些频点上场强会出现最小值，说明由于反射损耗的存在，造成收信电平具有频率选择性衰落。 多径接收是造成接收电平衰落的基本原因。,3.2.2 地面反射对微波传播的影响(Cont),不同地形条件下地面实测的反射系数,3.2.3 反射损耗的频率选择性和二径模型,反射损耗的频率选择性可以用具有反射波时的信道传输 特性进行分析，常称为二径模型法。,群迟延特性,幅频特性,相位特性,直射波和反射波之间的时延差,3.2.3 反射损耗的频率选择性和二径模型(Cont),当cos=-1时，A()取最大值，称为上衰落点。 当cos=1时，A()取最小值，2f=2n,n=0,1,2, 衰落最大点频率 fn=n/, n=0,1,2, 根据实际的通信系统确定, 一般取若 =36.5ns。当=6.5ns，则频率间隔为150Mhz,3.2.3 反射损耗的频率选择性和二径模型(Cont),频率选择性衰落特性,群时延特性,幅度特性,=6.5ns，=0.7,3.2.3 反射损耗的频率选择性和二径模型(Cont),降低天线高度，利用地形阻挡发射波,3.2.3 反射损耗的频率选择性和二径模型(Cont),时延对通信的影响,在收信端，时延差使两路正弦信号的相位不同，会导致合成的收信信号电平产生频率选择性衰落；两路信号经解调，会形成两路时延不同的基带信号S1和S2，收基带信号为这两路信号的迭加。若两路信号的时延与码元宽度TS相比有TS 时，其影响可忽略不计，否则会影响基带信号的正确判决。,3.2.4 路径上障碍物阻挡损耗,在实际的微波线路上，若遮挡物的高度进入到第一菲涅尔区，则会引起附加损耗，导致接收电平下降。 余隙的概念：障碍物顶部到收发连线的垂直距离(hc)。 相对余隙：若该点第一菲涅耳区半径为F1，则hc/F1 为该点的相对余隙,3.2.4 路径上障碍物阻挡损耗(Cont),用路径余隙和菲涅尔半径表示衰落因子,hc=2h1d2/d=2h2d1/d,若=1,当障碍物顶端在收发连线以下，且相对余隙大于0.5时，附加损耗在0dB左右变动，这时接收电平与自由空间数值接近。,当相对余隙小于0.577F1时或负值，障碍物进入第一菲涅尔区，甚至阻挡了电波传播，衰减变大，此时电波传播的空间减少，电波按照绕射方式到达接收端。,3.2.4 路径上障碍物阻挡损耗(Cont),3.2.4 路径上障碍物阻挡损耗(Cont),地面反射对微波传播的影响,3.3 大气对微波传播的影响,大气的组成 大气吸收对微波的衰减 雨雾对微波的衰减及影响 大气折射对微波传播的影响,3.2.1 大气的组成及分层,按气体的电离情况分层 按大气组成成分分层 按温度不同分层,3.2.1 大气的组成及分层(Cont),按气体的电离情况 中性层 大约在高度55km以下，空气是中性的，没有电离层。又分为两层，十几公里高度以下叫对流层，以上叫平流层。中性层占了大气质量的98%左右，其中绝大部分又集中在对流层。对流层中复杂的气象现象对微波传播的影响大，平流层影响很小。 电离层 自55km高度以上，大气开始电离形成了等离子体，因为存在大量的带电粒子，对电波传播有极大的影响。,3.2.1 大气的组成及分层(Cont),按大气组成成分分层 地面上空的空气内所含气体成分为 空气 100% N2 78.084% O2 20.946% CO2 0.030% Ar 0.934% 均匀层 大约90km的高度，大气和地面附近一样均匀 不均匀层 在高度90km以上，重者下沉，轻者上浮。,按温度不同分层,3.2.1 大气的组成及分层(Cont),3.3.2 大气吸收对微波信号的吸收衰减(损耗),3.3.3 雨雾对微波的衰减及影响,3.3.3 雨雾对微波的衰减及影响(Cont),雨雾中的小水滴能散射电磁波的能量，产生散射衰减，在浓雾的情况下，波长为4cm（7.5GHz）、传播距离为50km的散射衰减约为3.3dB；频率12GHz、传播距离为50km的散射衰减约为6.5dB。11GHz，50mm/h的降雨量，每公里的衰减为1.7dB。在系统设计中必须考虑降雨等因素的衰减储备。 在毫米波频段，衰减更为严重。Ka波段： 0.25dB/km(1mm/h) 1.20dB/km(4mm/h) 5.00dB/km(16mm/h) 在进行通信系统设计，需要考虑雨雾衰减，增加系统设计裕量,3.3.3 雨雾对微波的衰减及影响(Cont)去极化,小雨滴,空气阻力引起的扁球形,空气流动力引起的随即角度倾斜,3.3.4 大气折射对微波信号的影响,媒质界面上的入射、反射和折射,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),r是大气的相对介电常数，不是一个固定值，与大气温度、压力及湿度有关，随大气高度变化。,将地球的大气层分成许多薄片层，每一薄片层是均匀的，各薄片层的折射率随高度的增加而减小，电波通过这些薄片层会发生折射，电波射线成为一条弧线。,弧线的曲率半径,折射率梯度,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),等效地球半径的概念,K为等效地球半径因子,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),K=4/3时的大气折射成称为标准折射 寒带： K=6/34/3 温带： K=4/3 热带：K=4/3 2/3,dN/dh=-39N/km,dN/dh=0,dN/dh0,dN/dh=-157N/km,dN/dh-157N/km,折射指数 N=(n-1)10-6,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),大气折射对视距传播距离的影响,均匀大气空间或自由空间,存在大气折射的空间,若K=4/3，则,在K1时，射线轨迹向下弯曲，视线距离增长； 在K1时，射线轨迹向上弯曲，视线距离缩短，可能使原来处于亮区的接收天线处于半阴影区或阴影区范围，导致传播损耗明显增加，接收信号减弱。,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),大气折射对传播余隙的影响,地球突起高度(h)的概念,等效突起高度,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),大气折射引起的余隙变化量,d1,d2,实际复杂地形的等效余隙的计算,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),K,反射系数,余隙标准（hce与K的关系）,3.3.4 大气折射对微波信号的影响(Cont),根据允许的衰落值、减少衰落发生的可能性并降 低衰落的变化率来确定。,例题：某微波线路，f=8.2GHz，站距d=48km，反射点在线路中间，1，无折射时，hc=21m，考虑折射时，K=1.24，求这两种情况下的衰落因子LdB。,例1,某微波线路，f=8.2GHz，站距d=48km，反射点在线路中间，1，无折射时，hc=21m，考虑折射时，K=1.24，求这两种情况下的衰落因子LdB。 第1菲涅尔半径 不考虑折射时，hc/F1 1 考虑折射时,解:,例2,某无树林丘陵地区微波电路的一个接力段，工作频率为4GHz，站距为41km，发天线高度h1=2m，收天线高度h2=10m，发端海拔高度为80m，收端海拔高度为90m，离收端3km处有一突出山头，海拔高度为65m，路经其余各点明显低于它。确定反射点的位置，并计算K值变化时的等效余隙，给出它与第一菲涅尔半径的关系。设无树林处的反射系数取0.7。,例2求解过程,确定反射点位置 反射点应取路径相对余隙(hce/F1)最小点，此点一般是最高障碍点，因此取距发端d1=3km处为反射点。 确定反射点处等效地面突起高度,根据公式 确定he，d1=3km,d2=38km,K=2/3, he=13.4m K=4/3, he=6.7m K=, he=0m,例2求解过程(Cont),确定第1菲涅尔区半径F1,f=4GHz，=c/f=0.075m,计算hce,K=2/3, hce=(2+80)38+(10+90) 3/41-65-13.4=5(m) 稍大于0.3F1 K=4/3, hce=11.8m，接近F1 K=, he=18.5m，稍小于1.38F1,结论：对照余隙标准，这三种情况下的余隙满足要求。,3.4 衰落特性和抗衰落技术,衰落产生的原因和分类 衰落对微波通信的影响 抗衰落技术,大气中有对流、平流、湍流及雨雾等现象，它们都是由对流层中一些特殊大气环境造成造成的，并且是随机产生的。 地面反射对电波传播的影响。,3.4.1 衰落产生的原因和分类,收信电平随时间变化起伏，形成电波传播的衰落现象。,在同一瞬间，可能有一种或多种现象发生，发生的次数和影响的程度带有随机特性。,散射、折射、吸收或被地面反射,从发生衰落的物理原因看，有闪烁衰落、K型衰落及波导型衰落三种。 闪烁衰落：由于对流层散射到收信点的多径电场强度叠加在一起，形成了闪烁衰落。持续时间短，电平变化小，一般不至于造成通信中断。 K型衰落：由多径传输引起的干涉 型衰落，由于直射波和反射波到达 收信端的相位不同互相干涉造成 的电波衰落。在对流层中行 程差是随K值变化的，故称 K型衰落，又称多径衰落。 除地面效应外，大气中的突 变层也会产生发射和散射， 形成多径衰落。,3.4.1 衰落产生的原因和分类(Cont),闪烁衰落,3.4.1 衰落产生的原因和分类(Cont),波导型衰落：由于各种气象条件的影响，如早晨地面被太阳晒热，夜间地面的冷却，以及海面和高气压地区会形成大气层中的不均匀结构。 当电磁波通过对流中这些 不均匀结构时，将产生超 折射现象，形成大气波导。 收信点的电场强度是直射波、 地面反射波及大气波导层 的反射波的矢量合成，也会 形成严重的干涉型衰落。,波导型衰落,3.4.1 衰落产生的原因和分类(Cont),平衰落 信号频带内的各频率分量基本相等。 由气象条件的慢变化引起，如雨雾衰减，大气中不均匀气体的散射等。 多经传播现象也会引入平衰落。 浅度的波导型衰落。,频率选择性衰落(快衰落) 信号频带内的各频率分量起伏较大，甚至剧烈。 直射波和强反射波的干涉所致。 波导型的衰落深度较大时，也会产生此类衰落。,3.4.1 衰落产生的原因和分类(Cont),快速移动终端的接收信号功率变化情况,衰落余量,3.4.1 衰落产生的原因和分类(Cont),衰落余量越大，接收电平下降到门限电平以下的概率就越小。改善系统的性能，可增加衰落余量。,增加衰落余量的方法： 提高发射功率 增加天线增益 降低接收机的门限电平 缩短路径长度,与自由空间传播条件相比，当热噪声增加时，为了在不超过门限误码的情况下系统仍能正常工作 所必须留有的余量。,频率选择性对通信系统的影响 引起带内失真 窄带信号：信号的传输带宽1/0，频率成分的幅度和相位起伏较小，属于平衰落。 宽带信号 信号的传输带宽 与1/0，差不多。 引起失真，导致 码间干扰和高误 码率。,3.4.2 衰落对微波通信的影响,使交叉极化鉴别率下降 一种极化状态（如水平极化）的微波信号，经信道传输，可能会受到大气层对电波传播的影响，使极化面受到损害，并使一部分能量成为与之正交的极化状态（如垂直极化），如果采用同频双极化方案时，会引起频率相同、极化正交的两个波道之间的干扰，称之为交叉极化干扰。 交叉极化鉴别率定义为：XPD=10lgP/Px P为接收的与发端同极化的信号功率， Px为波道接收到 的交叉极化干扰信号功率。 使系统原有的衰落储备值下降,3.4.2 衰落对微波通信的影响(Cont),3.4.2 衰落对微波通信的影响(Cont),基站,移动,3.4.2 衰落对微波通信的影响(Cont),3.4.2 衰落对微波通信的影响(Cont),(a) 无多径时,(b) 2径时,QPSK调制信号在多径衰落下的眼图,3.4.2 衰落对微波通信的影响(Cont),QPSK调制信号 在多径衰落下的 星座图,3.4.3 抗衰落技术,平衰落 AGC电路 波道倒换 频率选择性衰落 空间分集、频率分集、时间分集、极化分集 频域/时域均衡 智能天线技术 OFDM技术 MIMO技术 扩频技术 绕射衰落、吸收衰落 增强发射功率 缩短站距 适当地改变天线设计,3.4.3 抗衰落技术(Cont),抗平衰落技术 波道倒换技术,3.4.3 抗衰落技术(Cont),抗平衰落技术 AGC技术,3.4.3 抗衰落技术(Cont)分集技术,3.4.3 抗衰落技术(Cont) 空间分集技术,二重空间分集示意图,利用干涉场的空间分集合成,有地面反射时天线高度差的确定,3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),若采用两个天线接收，并使天线的高度差等于电场强度分布的相邻最大值和最小值的间距如左图所 示。 两个天线接收的信号电平互补，信号变化相反。上下天线接收场强的相位差满足下面关系,h 天线高度差（m） f 工作频率（GHz） d 站距（Km） 最坏月份深度衰落时分集相关系数的平均值,无地面反射时天线高度差的确定,3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),空间分集接收合成方法 同相合成分集接收 最小振幅偏差合成分集接收 基带开关分集接收,3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),同相合成分集接收 又称最大功率合成，有微波同相与中频同相两种形式。合成的关键是保证上下两天线接收的两路输入信号同相，即相位差为零。 需要检测和控制回路。 平衰落常采用同相合成，有较好的效果。 由于多径干涉较强造成的衰落，同相合成分集在一定程度上可减少带内失真，但改善效果不令人满意。原因是除直射波外，还有较强的具有一定延时的干涉波。,3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),最小振幅偏差合成分集接收（最小色散合并）,带内振幅 偏差检波器,e2,e1,e3,S1(t),S2(t),3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),最小振幅偏差合成分集接收的原理 利用窄带滤波器和振幅偏差检波器，检测出带内三个频点（f1, f2, f3）对应的振幅，可判断带内振幅偏差的大小。 根据振幅偏差是否变小， 控制器可控制幅相调节 器的幅度和相位，判断 出使振幅偏差变小的控 制方向； 进一步的反复调整幅相， 可使带内振幅偏差最 小。此时反射波基本可对消。,3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),3.4.3 抗衰落技术空间分集技术(Cont),频率分集,3.4.3 抗衰落技术频域均衡,频域均衡的原理框图,频域器由分布参数电路和变容二极管组成并联谐振回路,3.4.3 抗衰落技术时域均衡,时域均衡波形,3.4.3 抗衰落技术时域均衡,横向滤波器式均衡器结构,3.4.3 抗衰落技术时域均衡器的原理,码间 串扰