[教育]移動(dòng)信道電波傳播及無(wú)線(xiàn)鏈路計(jì)算

1、第2章 移動(dòng)信道電波傳播及無(wú)線(xiàn)鏈路計(jì)算,2.1 VHF、UHF頻段電波傳播特性 2.2 移動(dòng)通信環(huán)境中的電波傳播特性 2.3 多徑傳播與數(shù)字信號(hào)傳輸 2.4 電波傳播特性的估算 2.5 無(wú)線(xiàn)鏈路計(jì)算(一) 2.6 無(wú)線(xiàn)鏈路計(jì)算(二) 2.7 分集接收技術(shù) 習(xí)題,2.1 VHF、 UHF頻段電波傳播特性,移動(dòng)通信中， 移動(dòng)臺(tái)是處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中的， 電波傳播的條件隨著移動(dòng)而發(fā)生較大的變化， 接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)起伏也很大， 可達(dá)幾十

2、分貝， 極易出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象。 圖2 - 1示出了一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)的實(shí)測(cè)記錄。 由此可見(jiàn)， 接收信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象是移動(dòng)通信電波傳播的一個(gè)基本特點(diǎn)。,圖2 - 1 移動(dòng)通信場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)記錄(f=160 MHz),2.1.1 電波傳播方式 現(xiàn)代移動(dòng)通信已廣泛使用150 MHz(VHF)、 450 MHz、 900 MHz(UHF)頻段， 因此， 必須熟悉它們的傳播方式和特點(diǎn)。 發(fā)射機(jī)天線(xiàn)發(fā)

3、出的無(wú)線(xiàn)電波， 通過(guò)不同的路徑到達(dá)接收機(jī)， 當(dāng)頻率f＞ 30 MHz時(shí)， 典型的傳播通路如圖2 - 2所示。,圖 2 - 2 典型的傳播通路,2.1.2 自由空間的傳播損耗 直射波傳播可按自由空間傳播來(lái)考慮。 自由空間是一個(gè)理想的空間， 在自由空間中， 電波沿直線(xiàn)傳播， 不發(fā)生反射、 折射、 繞射、 散射和吸收等現(xiàn)象。 在圖2 - 3所示的自由空間中， 設(shè)在原點(diǎn)O有一輻射源， 均勻地向各方向輻射， 輻射功率為P

4、T。,經(jīng)輻射后， 能量均勻地分布在以O(shè)點(diǎn)為球心， d為半徑的球面上。 已知球面的表面積為4πd2， 因此， 在球面單位面積上的功率應(yīng)為PT/4πd2。 若接收天線(xiàn)所能接收的有效面積取為 A = λ2/4π， 則接收功率為,圖 2 - 3 自由空間傳播損耗,通常， 定義發(fā)射功率與接收功率的比值為傳播損耗。 所以， 自由空間傳播損耗Lbs為,若以dB表示， 則有,(2 - 1),2.1.3 大氣中的電波傳播 1. 大氣

5、折射 在不考慮傳導(dǎo)電流和介質(zhì)磁化的情況下， 介質(zhì)折射率n與相對(duì)介電系數(shù)εr的關(guān)系為,眾所周知， 大氣的相對(duì)介電系數(shù)與溫度、 濕度及氣壓有關(guān)。 大氣高度不同， εr也不同， 即dn／dh是不同的。 根據(jù)折射定律， 電波傳播速度v與大氣折射率 n成反比， 即,大氣折射對(duì)電波傳播的影響， 在工程上通常用“地球等效半徑”來(lái)表征， 即認(rèn)為電波依然按直線(xiàn)方向行進(jìn)， 只是地球的實(shí)際半徑Ro(6.37×106 m)變成了

6、等效半徑Re， Re 與Ro之間的關(guān)系為,2. 視線(xiàn)傳播極限距離 視線(xiàn)傳播的極限距離可由圖2 - 4計(jì)算。 天線(xiàn)高度分別為ht和hr， 兩個(gè)天線(xiàn)頂點(diǎn)的連線(xiàn)AB與地面相切于C點(diǎn)。 由于地球等效半徑Re遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線(xiàn)高度，因此， 自發(fā)射天線(xiàn)頂點(diǎn)A到切點(diǎn)C的距離d1為,同理， 由切點(diǎn)C到接收天線(xiàn)頂點(diǎn)B的距離d2為,圖 2 - 4 視線(xiàn)傳播的極限距離,所以， 視線(xiàn)傳播的極限距離為,在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下， Re = 8 50

7、0 km， 故,2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗 實(shí)際情況中， 電波在直射傳播中存在各種障礙物， 由障礙物引起的附加傳播損耗稱(chēng)為繞射損耗。 設(shè)障礙物與發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的相對(duì)位置如圖2 - 5所示。 圖中， x表示障礙物頂點(diǎn)P至直射線(xiàn)TR的距離， 稱(chēng)作菲涅爾余隙。 規(guī)定阻擋時(shí)余隙為負(fù)， 如圖2 - 5(a)所示；無(wú)阻擋時(shí)余隙為正， 如圖2 - 5(b)所示。,由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾

8、余隙的關(guān)系如圖2 - 5(c)所示。 圖中， 縱坐標(biāo)為繞射引起的附加損耗， 即相對(duì)于自由空間傳播的分貝數(shù)。 橫坐標(biāo)x／x1 中的x1是第一菲涅爾區(qū)在P點(diǎn)橫截面的半徑， 它由下列關(guān)系式求得,(2 - 2),圖 2 - 5 障礙物與余隙繞射及損耗菲涅爾余隙的關(guān)系 (a) 負(fù)余隙； (b) 正余隙； (c) 繞射損耗與余隙關(guān)系,例 2.1 設(shè)在圖2 - 5(a)所示的傳播路徑中， 菲涅爾余隙x=-82 m， d1=5 km， d2=10 k

9、m， 工作頻率為150 MHz。 試求電波傳播損耗。 解 先由式(2 - 1)求出自由空間傳播損耗： ［Lbs］=32.45+20lg(5+10)+20lg150=99.5 dB  由式(2 - 2)求第一菲涅爾區(qū)半徑：,由圖2 - 5(c)查得附加損耗(x／x1≈-1)為 17 dB， 所以電波傳播的損耗為 ［L］=［Lbs

10、］+17=116.5 dB,2.1.5 反射波 當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時(shí)， 如果界面尺寸比電波波長(zhǎng)大得多， 就會(huì)產(chǎn)生鏡面反射。 由于大地和大氣是不同的介質(zhì)， 所以入射波會(huì)在界面上產(chǎn)生反射， 如圖2 - 6所示。,圖 2 - 6 反射波與直射波,不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表征， 它定義為反射波場(chǎng)強(qiáng)與入射波場(chǎng)強(qiáng)的比值， 可表示為

11、 R=|R|e-jφ 式中， |R|為反射點(diǎn)上反射波場(chǎng)強(qiáng)與入射波場(chǎng)強(qiáng)的振幅比， φ代表反射波相對(duì)于入射波的相移。,對(duì)于水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)Rh和Rv， 分別由下列公式計(jì)算：,(2 - 3),(2 - 4),式中， εc是反射媒質(zhì)的等效復(fù)介電常數(shù)， 它與反射媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr、 電導(dǎo)率δ和工作波長(zhǎng)λ有關(guān)， 即 εc=εr-j60λδ 對(duì)

12、于地面反射， 當(dāng)工作頻率高于 150 MHz(λ＜2 m)時(shí)， θ＜1°， 由式(2 - 3)和式(2 - 4)可得 Rv=Rh=-1 即反射波場(chǎng)強(qiáng)的幅度等于入射波場(chǎng)強(qiáng)的幅度， 相差為180°。,在圖2 - 6中， 由發(fā)射點(diǎn)T發(fā)出的電波分別經(jīng)過(guò)直射線(xiàn)(TR)與地面反射路徑(TOR)到達(dá)接收點(diǎn)R， 由于兩者的

13、路徑不同， 因此會(huì)產(chǎn)生附加相移。 由圖2 - 6可知， 反射波與直射波的路徑差為,(2 - 5),通常， (ht+hr)≤d， 故上式中每個(gè)根號(hào)均可用二項(xiàng)式定理展開(kāi)， 并且只取展開(kāi)式中的前兩項(xiàng)， 例如：,由此可得到,(2 - 6),由路徑差Δd引起的附加相移為,(2 - 7),式中， 2π/λ稱(chēng)為傳播相移常數(shù)。 這時(shí)， 接收?qǐng)鰪?qiáng)E可表示為,(2 - 8),2.2 移動(dòng)通信環(huán)境中的電波傳播特性,2.2.1 場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試曲線(xiàn)顯示

14、的電波傳播特性 1. 固定通信環(huán)境中的電波傳播特性 固定無(wú)線(xiàn)通信的接收點(diǎn)測(cè)試的模擬信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)特性如圖 2 - 7所示。 接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值(dB)是時(shí)間t的函數(shù)。 其信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值取決于發(fā)、 收間的自由空間距離和地形地物對(duì)傳播路徑的阻擋程度。,圖 2 - 7 固定點(diǎn)測(cè)試與模擬信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)特性,2. 移動(dòng)通信環(huán)境中的電波傳播特性 移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信的接收點(diǎn)測(cè)試的場(chǎng)強(qiáng)特性可分作以

15、下幾種情況： (1) 定點(diǎn)移動(dòng)測(cè)試的場(chǎng)強(qiáng)特性。 在給定接收點(diǎn)移動(dòng)中對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試， 其信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系特性如圖2 - 8所示。,圖 2 - 8 給定點(diǎn)移動(dòng)測(cè)試與模擬信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)特性,(2) 由近及遠(yuǎn)移動(dòng)測(cè)試的場(chǎng)強(qiáng)特性。 沿路移動(dòng)測(cè)試并記錄不同距離接收點(diǎn)的模擬信號(hào)的電平， 其場(chǎng)強(qiáng)特性如圖2 - 9所示。 接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值(dB)是距離d的函數(shù)， 并隨距離的增加而呈下降的總趨勢(shì)。 分析表明， 它受到自

16、由空間傳播距離、 陰影效應(yīng)(阻擋)、 多徑效應(yīng)、 移動(dòng)體的移動(dòng)速度等因素的影響。 圖2 - 10所示為圖2 - 9的移動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)特性的細(xì)部， 它可顯示出信號(hào)起伏的嚴(yán)重性。,圖 2 - 9 移動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試與模擬信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)特性,圖 2 - 10 移動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)特性的細(xì)部,(3) 移動(dòng)體測(cè)試的場(chǎng)強(qiáng)特性。 ① 移動(dòng)體變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)特性。 圖2 - 11所示為移動(dòng)體變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)的變化曲線(xiàn)。 ② 移動(dòng)體恒

17、速運(yùn)動(dòng)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)特性。 圖2 - 12所示為移動(dòng)體恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)變化曲線(xiàn)。,圖 2 - 11 變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)的變化曲線(xiàn),圖 2 - 12 恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)的變化曲線(xiàn) (a) 高速； (b) 低速,由上述移動(dòng)條件下獲得的場(chǎng)強(qiáng)特性曲線(xiàn)可以歸納出如下重要結(jié)論： (1) 移動(dòng)通信環(huán)境電波傳播的場(chǎng)強(qiáng)特性曲線(xiàn)的起伏現(xiàn)象加??； (2) 場(chǎng)強(qiáng)特性曲線(xiàn)的平均值隨距離的增加而衰

18、減； (3) 場(chǎng)強(qiáng)特性曲線(xiàn)的中值呈慢速起伏變化， 即慢衰落； (4) 場(chǎng)強(qiáng)特性曲線(xiàn)的瞬時(shí)值呈快速或起伏變化， 即快衰落。,因此， 對(duì)移動(dòng)條件下的場(chǎng)強(qiáng)特性進(jìn)行分析可知， 移動(dòng)通信環(huán)境電波傳播特性有如下特點(diǎn)： (1) 自由空間傳播損耗。 (2) 陰影衰落(效應(yīng))。 (3) 多徑效應(yīng)。 (4) 多普

19、勒效應(yīng)。,2.2.2 電波傳播的衰落特性 1. 慢衰落特性 1) 慢衰落的原因 電波傳播慢衰落有兩個(gè)主要原因： 陰影效應(yīng)和大氣折射。 (1) 陰影效應(yīng)。 移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 周?chē)匦蔚匚镌斐蓪?duì)電波傳播路徑的阻擋， 形成電磁場(chǎng)的陰影， 這種隨移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)而不斷變化的電磁陰影引起接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)中值起伏變化的現(xiàn)象叫做陰影效應(yīng)。,(2) 大氣折射。 當(dāng)移動(dòng)

20、臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)， 由于氣象條件的平緩變化使大氣相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化， 導(dǎo)致大氣折射率的變化， 從而引起接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)中值緩慢變化， 這種現(xiàn)象叫做大氣折射。,2) 慢衰落的統(tǒng)計(jì)特性 因?yàn)榻邮拯c(diǎn)的信號(hào)電平的隨機(jī)性， 在討論其信號(hào)電平特性時(shí)， 需采用統(tǒng)計(jì)的方法。 慢衰落的統(tǒng)計(jì)特性是指接收信號(hào)的局部平均值。 (1) 局部均值。 局部均值的概念如圖2 - 13所示。 圖中， 橫坐標(biāo)x為距離， 且有x

21、=vt， 縱坐標(biāo)為場(chǎng)強(qiáng)。 距離x1點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)局部均值定義為,(2 - 9),圖 2 - 13 場(chǎng)強(qiáng)局部均值,若將接收信號(hào)r(x)表示成慢衰落m0(x)和快衰落r0(x)兩部分， 則可寫(xiě)作 r(x)=m0(x)·r0(x) (2 - 10) 代入式(2 - 9)， 有,當(dāng)x=x1， 并假定m0(x1)是實(shí)際的局部均值時(shí)， 則有

22、 m(x1)=m0(x1)， x1-L<x<x1+L 因此， 對(duì)場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)做統(tǒng)計(jì)處理時(shí)， 應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)腖以滿(mǎn)足下列關(guān)系：,r(t)= m0(t)·r0(t),(2) 對(duì)數(shù)正態(tài)分布。 基于位置函數(shù)， 對(duì)表征慢衰落的局部均值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析表明， 慢衰落符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。 即有,同理， 基于時(shí)間函數(shù)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布為,(2 - 11),(2 - 12),

23、(3) 聯(lián)合分布的標(biāo)準(zhǔn)離差。 當(dāng)σL和σt是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)離差時(shí),2． 電波傳播的快衰落特性 1) 快衰落的原因 移動(dòng)臺(tái)附近的散射體(地形、 地物和移動(dòng)體等)引起的多徑傳播信號(hào)在接收點(diǎn)相疊加， 造成接收信號(hào)快速起伏的現(xiàn)象叫快衰落。 具體來(lái)說(shuō)， 快衰落可分為以下4種典型情況。,(1) 移動(dòng)臺(tái)保持靜止， 周?chē)且苿?dòng)體。 接收信號(hào)的衰落取決于周?chē)苿?dòng)體的流量和與移動(dòng)臺(tái)的距離。

24、 (2) 移動(dòng)臺(tái)以速度v運(yùn)動(dòng)， 周?chē)鸁o(wú)散射體。 由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)， 因此會(huì)引起接收信號(hào)電平的起伏。 接收信號(hào)可表示為,(2 - 13),或?qū)懽?其中， β=2π/λ， x=vt, x為位移， v為速度； θ為電波傳播方向與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的夾角； A為信號(hào)幅度； f0為發(fā)送信號(hào)的載波頻率。 若定義多普勒頻率為,(2 - 14),由(2 - 13)式可知， 多普勒效應(yīng)使接收信號(hào)的載波頻率變?yōu)?

25、 fR=f0-fD,(3) 移動(dòng)臺(tái)以速度v在基站和一個(gè)反射體間運(yùn)動(dòng)。 移動(dòng)臺(tái)收到來(lái)自基站的直射波和反射波。 因?yàn)楫?dāng)θ=0°時(shí)， 式(2 - 13)即為直射波信號(hào)； 當(dāng)θ=180°時(shí)， 式(2 - 13)即為反射波信號(hào)， 所以接收點(diǎn)的信號(hào)為,其信號(hào)包絡(luò)為一駐波， 即,(4) 移動(dòng)臺(tái)以速度v運(yùn)動(dòng)， 接收來(lái)自N個(gè)方向的反射波而無(wú)直射波。 接收點(diǎn)的信號(hào)為N個(gè)路徑信號(hào)的和， 即,2)

26、 快衰落的統(tǒng)計(jì)特性 快衰落的統(tǒng)計(jì)特性包括信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性和瞬時(shí)幅度特性?xún)煞矫妗?(1) 快衰落信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。,移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站的情況下， 快衰落信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性是指在無(wú)直射波的N個(gè)路徑傳播時(shí)， 接收信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。 若每條路徑的信號(hào)幅度為高斯分布， 相位在0~2π 內(nèi)為均勻分布， 則合成信號(hào)的包絡(luò)分布為瑞利(Raleigh)分布(可參見(jiàn)圖2 - 14(a))， 且有如下概率密度函

27、數(shù)(Probability Density Function)表達(dá)式：,(2 - 15),圖 2 - 14 概率密度函數(shù),而合成信號(hào)的相位分布為均勻分布， 即,(2 - 16),合成信號(hào)包絡(luò)的累積概率分布 (Cumulative Probability Distribution)為,(2 - 17),一階矩(均值)為,二階矩為,利用式(2 - 17)表示的信號(hào)包絡(luò)的累積分布， 可定義信號(hào)包絡(luò)樣本區(qū)間的中值(場(chǎng)強(qiáng)中值)是滿(mǎn)足下式的rm值

28、， 即 P(r≤rm)=0.5 (2 - 18) 可求得rm=1.１77σ。,移動(dòng)臺(tái)靠近基站的情況下， 快衰落信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性是指在含有一個(gè)強(qiáng)直射波的N個(gè)路徑傳播時(shí)， 接收信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。 若每條路徑的信號(hào)幅度為高斯分布， 相位在0~2π內(nèi)為均勻分布， 則合成信號(hào)的包絡(luò)分布為萊斯(Rician)分布 (可參見(jiàn)圖2 - 14(b

29、))， 且有如下概率密度函數(shù)表達(dá)式：,(2 - 19),當(dāng) 時(shí)， 式(2 - 19)可簡(jiǎn)化為,(2 - 20),(2) 快衰落瞬時(shí)幅度特性。 快衰落瞬時(shí)幅度特性可用電平通過(guò)率(Level Crossing Rate)、 衰落速率(Fading Rate)、 衰落深度(Deep of Fading)和衰落持續(xù)時(shí)間(Faded Duration)來(lái)表征。 電平通過(guò)率LCR

30、(Level Crossing Rate，)是指在單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平以正斜率通過(guò)某一給定電平A的次數(shù)。 若時(shí)間T內(nèi)發(fā)生N次則有,圖(2 - 15)中所示的A為給定電平， 在時(shí)間T內(nèi)以正斜率通過(guò)A電平的次數(shù)為4次， 所以其電平通過(guò)率等于4/ T。 因?yàn)殡娖酵ㄟ^(guò)率是隨機(jī)量， 所以多用平均電平通過(guò)率來(lái)描述， 它與移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)速度v、 工作波長(zhǎng)λ有關(guān)， 可表示為,(2 - 21),式中,圖 2 - 15 電平通過(guò)率和平均衰落持續(xù)時(shí)間,衰落速率是指

31、在單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平以正斜率通過(guò)中值電平的次數(shù)。 它等于某一給定電平為中值電平時(shí)的電平通過(guò)率。 中值電平滿(mǎn)足式(2 - 18)的rm值。 衰落速率與信號(hào)波長(zhǎng)λ、運(yùn)動(dòng)速度v和多徑數(shù)目有關(guān)。 由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到平均衰落率(Average Fading Rate)為,衰落持續(xù)時(shí)間是指信號(hào)電平低于某一電平(門(mén)限電平)的持續(xù)時(shí)間。 它是隨機(jī)量。 因此，可定義平均衰落持續(xù)時(shí)間AFD(Average Faded Duration)： 信號(hào)電平低于某一規(guī)

32、定電平值A(chǔ)的概率與該規(guī)定電平值的電平通過(guò)率之比， 即有,2.3 多徑傳播與數(shù)字信號(hào)傳輸,多徑衰落信道對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸褳槿藗兯煜ぁ?其信道特性可由信號(hào)在自由空間傳播損耗、 信號(hào)衰落深度、 信號(hào)衰落次數(shù)等參數(shù)來(lái)表征。 這些參數(shù)決定了電波傳播的覆蓋范圍和場(chǎng)強(qiáng)分布圖。 但是， 對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸來(lái)說(shuō)， 僅有這些參數(shù)是不夠的。,在圖2 - 16中， 示出了信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展的情況。當(dāng)工作頻率為850 MHz、 移動(dòng)臺(tái)速度為15 km／h時(shí)， 信

33、號(hào)衰落次數(shù)為16次/s， 衰落持續(xù)時(shí)間為6 ms。 局部散射體引起的近區(qū)時(shí)延擴(kuò)展在市區(qū)為3 μs， 在郊區(qū)為0.3μs。 遠(yuǎn)區(qū)高層建筑物引起的信號(hào)時(shí)延約為20μs， 遠(yuǎn)山區(qū)引起的多徑時(shí)延約為100μs。 下面將重點(diǎn)討論多徑時(shí)延擴(kuò)展對(duì)數(shù)字通信的影響。,圖 2 - 16 移動(dòng)通信多徑傳播時(shí)延擴(kuò)展,2.3.1 多徑時(shí)延擴(kuò)展 若已知多徑時(shí)延τ的分布為p(τ)， 則有平均時(shí)延(一階矩)為,二階中心矩(方差)為,定義多徑時(shí)延

34、擴(kuò)展為Δ， 且有表達(dá)式,(2 - 22),圖 2 - 17 多徑時(shí)延統(tǒng)計(jì)參量的物理意義,2.3.2 相關(guān)帶寬和相關(guān)時(shí)間 1. 信道相關(guān)帶寬 信道相關(guān)帶寬是表征載波頻率不同的信號(hào)其包絡(luò)衰落的相關(guān)性。 相關(guān)帶寬Bc與多徑擴(kuò)展Δ有關(guān)， 它反映信道的時(shí)間散布。 當(dāng)相關(guān)系數(shù)取0.5時(shí)， 相關(guān)帶寬可有如下表達(dá)式：,(2 - 23),2. 信道相關(guān)時(shí)間 信道相關(guān)時(shí)間Δt與信道多普

35、勒擴(kuò)展Bd有關(guān)， 它反映信道的頻率散布。 可表示為,(2 - 24),2.3.3 多徑衰落信道對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1. 幅度衰落特性對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響 1) 幅度衰落特性 多徑傳播將引起接收信號(hào)呈現(xiàn)幅度(包絡(luò))衰落和頻率選擇性衰落。 多徑信號(hào)的包絡(luò)衰落分為慢衰落(短期衰落)和快衰落(長(zhǎng)期衰落)。,可得到如下的統(tǒng)計(jì)規(guī)律： (1) 無(wú)直射波的

36、移動(dòng)通信環(huán)境下的快衰落符合瑞利分布。 (2) 有直射波的移動(dòng)通信環(huán)境下的快衰落符合萊斯分布。,2) 幅度衰落的影響 幅度慢衰落表現(xiàn)為接收信噪比的緩慢變化， 它將影響數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率。 為保證傳輸誤碼率小于給定值， 要求接收點(diǎn)處的信號(hào)電平高于門(mén)限值。 快衰落瞬時(shí)幅度特性是用電平通過(guò)率、 衰落速率、 衰落深度和衰落持續(xù)時(shí)間以及衰落持續(xù)時(shí)間的分布來(lái)表征的。,2. 選擇性衰落信道

37、 1) 時(shí)間選擇性信道 時(shí)間選擇性信道是指在時(shí)間(0， T)內(nèi)， 信號(hào)的包絡(luò)、 頻率和相位均隨時(shí)間而變化。 2) 頻率選擇性信道 頻率選擇性信道對(duì)不同頻率的信號(hào)具有不同的增益和相移， 這將對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生波形失真， 甚至造成信號(hào)的重疊， 引起符號(hào)間干擾。,3) 頻率非選擇性慢衰落信道 頻率非選擇性慢衰落信道是指信號(hào)帶寬W滿(mǎn)

38、足條件W<<Bc， 信號(hào)持續(xù)時(shí)間T滿(mǎn)足條件T<<Δt的信道。,2.4 電波傳播特性的估算,2.4.1 市區(qū)傳播損耗中值 在城市街道地區(qū)， 電波傳播損耗取決于傳播距離d、 工作頻率f、 基地站天線(xiàn)有效高度hb， 移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度hm以及街道的走向和寬窄等。 OM模型中， 給出了準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)傳播損耗中值的預(yù)測(cè)曲線(xiàn)簇， 如圖2 - 18所示。,圖 2 - 18 測(cè)準(zhǔn)平滑地形——大城市地區(qū)的電

39、波傳播損耗中值,若基地站天線(xiàn)有效高度不是200 m， 可利用圖2 - 19查出修正因子Hb(hb， d)， 對(duì)基本損耗中值加以修正， 它稱(chēng)為基地站天線(xiàn)高度的增益因子。 圖2 - 20是以hb=200m， hm=3 m 作為0 dB參考的。 Hb(hb， d)反映了由于基地站天線(xiàn)高度變化， 使圖2 - 19的預(yù)測(cè)值產(chǎn)生的變化量。 同樣， 若移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度不等于3m時(shí)， 可利用圖2 - 20查出修正因子Hm(hm，

40、 f)， 對(duì)基本損耗中值進(jìn)行修正， 它稱(chēng)為移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度的增益因子。,圖 2 - 19 基地站天線(xiàn)高度增益因子,圖 2 - 20 移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度增益因子,在考慮基地站天線(xiàn)高度增益因子與移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度增益因子的情況下， 式(2 - 25)所示的準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)路徑傳播損耗中值應(yīng)為 LT=Lbs+Am(f， d)-Hb(hb， d)-Hm(hm， f)

41、 (2 - 26),2.4.2 郊區(qū)和開(kāi)闊區(qū)的傳播損耗中值 郊區(qū)的建筑物一般是分散、 低矮的， 電波傳播條件優(yōu)于市區(qū)， 故其損耗中值必然低于市區(qū)損耗中值。 市區(qū)損耗中值與郊區(qū)損耗中值之差稱(chēng)為郊區(qū)修正因子kmr， 所以， kmr為增益因子。 它隨工作頻率和傳播距離變化的關(guān)系示于圖2

42、 - 21中。,圖 2 - 21 郊區(qū)修正因子,開(kāi)闊區(qū)、 準(zhǔn)開(kāi)闊區(qū)(開(kāi)闊區(qū)與郊區(qū)之間的過(guò)渡地區(qū))的損耗中值相對(duì)于市區(qū)損耗中值的修正曲線(xiàn)如圖2 - 22所示。,圖 2 - 22 開(kāi)闊區(qū)、 準(zhǔn)開(kāi)闊區(qū)修正因子,2.4.3 不規(guī)則地形上的傳播損耗中值 1. 丘陵地的修正因子 丘陵地的地形參數(shù)可用“地形起伏”高度Δh表示。 其定義是： 自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10 km范圍內(nèi)， 地形起伏的90％與10

43、％處的高度差， 如圖2 - 23所示。,圖 2 - 23 丘陵地的修正因子,在丘陵地中， 由于起伏的頂部與谷部的損耗中值相差較大， 為此有必要進(jìn)一步加以修正， 如圖2 - 23所示。 圖2 - 24中給出了丘陵地上起伏的頂部和谷部的微小修正值khf， 它是在kh的基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步修正的微小修正值。,圖 2 - 24 丘陵地形微小修正值,2. 孤立山岳地形的修正因子 當(dāng)電波傳播路徑上有近似刃形的單獨(dú)山岳時(shí)， 若求山

44、背后的場(chǎng)強(qiáng)， 則應(yīng)考慮繞射損耗、 陰影效應(yīng)、 屏蔽吸收等附加損耗。 這時(shí)， 可用孤立山岳修正因子kjs加以修正， 其曲線(xiàn)如圖2 - 25所示。,圖 2 - 25 孤立山岳地形的修正因子,3. 斜坡地形的修正因子 斜坡地形系指在 5～10 km內(nèi)傾斜的地形。 若在電波傳播方向上， 地形逐漸升高， 稱(chēng)為正斜坡， 傾角為+θm； 反之為負(fù)斜坡， 傾角為-θm ， 如圖2 - 26所示。,圖 2 - 26 斜坡地形修正因

45、子,4. 水陸混合地形的修正因子 在電波傳播路徑上， 如遇有湖泊或其它水域， 接收信號(hào)的路徑損耗中值比單純陸地傳播時(shí)要低。 不難想像， 水路混合地形修正因子ks亦應(yīng)為增益因子。 圖2 - 27（c）中的橫坐標(biāo)用水面距離dSR與全部距離d之比(dSR／d)作為地形參數(shù)， 縱坐標(biāo)為水陸混合地形修正因子ks， 其值還與水面所處的位置有關(guān)。圖中， 曲線(xiàn)A表示水面位于移動(dòng)臺(tái)一方時(shí)， 水陸混合地形的修正值(圖2 - 27(a

46、))； 曲線(xiàn)B表示水面位于基地站一方時(shí)的修正值圖(2 - 27(b))。 當(dāng)水面在傳播路徑的中間時(shí)， 則取上述兩曲線(xiàn)的中間值。,圖 2 - 27 水陸混合地形的修正因子,2.4.4 任意地形、 地物的傳播損耗 1. 計(jì)算自由空間的傳播損耗 根據(jù)式(2 - 1)， 自由空間的傳播損耗Lbs為 Lbs=32.45 + 20lgd(km) + 20lgf(MHz

47、) 2. 準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的信號(hào)中值 根據(jù)式(2 - 26)， 準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的傳播損耗中值LT為 LT=Lbs+ Am(f， d)- Hb(hb，d)-Hm(hm， f),如果發(fā)射機(jī)送至天線(xiàn)的發(fā)射功率為PT， 則準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)接收信號(hào)功率中值Pp為 Pp= PT-LT= PT-Lbs-Am(f， d)+Hb(hb， d)+Hm(hm

48、， f) (2 - 27),3. 任意地形、 地物情況下的信號(hào)中值 任意地形、 地物情況下的傳播損耗中值LA為 LA=LT-KT

49、 (2 - 28) 式中， LT為準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的傳播損耗中值； KT為地形、 地物修正因子， 它由如下項(xiàng)目構(gòu)成： KT=kmr+Qo+Qr+kh+khf+kjs+ksp+ks

50、 (2 - 29),式中： kmr——郊區(qū)修正因子， 可由圖2 - 21查得； Qo、 Qr——開(kāi)闊區(qū)、 準(zhǔn)開(kāi)闊區(qū)修正因子， 可由圖2 - 22查得； kh、 khf——丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值， 可由圖2 - 23、 圖2 - 24查得；,任意地形、 地物情況下， 接收信號(hào)的功率中值Pp

51、c是以準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的接收功率中值Pp為基礎(chǔ)， 加上地形、 地物修正因子KT， 即 Ppc=Pp+KT (2 - 30),例 2.2 某一移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)， 工作頻率為450 MHz， 基地站天線(xiàn)高度為70m， 移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度為1.5m， 在市區(qū)工作， 傳播路徑為準(zhǔn)平滑地形， 通信距離為20 km， 求傳播路徑

52、的損耗中值。 例 2.3 若上題改為在郊區(qū)工作， 傳播路徑是正斜波， 且θm=15mrad， 其它條件不變， 再求傳播路徑的損耗中值。,4. 奧村(Okumura)傳播路徑損耗經(jīng)驗(yàn)公式 根據(jù)奧村的各種傳播路徑損耗經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)， 可歸納出一個(gè)傳播路徑損耗經(jīng)驗(yàn)公式： Lp=69.55+ 26.16lgfc-13.82lghb-a(hm)

53、 +(44.9- 6.55lghb)lgd(dB) (2 - 31),中小城市的修正因子a(hm)為 a(hm)=(1.1lgfc-0.7)hm-(1.56lgfc-0.8) (2 - 32) 大城市的修正因子a(hm)為 a(hm)=3.2(lg11.57hm)2-4.97， fc≥400MHz

54、 (2 - 33) a(hm)=8.29(lg1.54hm)2-1.1， fc≤200 MHz (2 - 34),2.4.5 其它因素的影響 1. 街道走向的影響 電波傳播的損耗中值與街道的走向(相對(duì)于電波傳播方向)有關(guān)， 特別是在市區(qū)， 當(dāng)街道走向與電波傳播方向平行(縱向)或垂直(橫向)時(shí)， 在離開(kāi)基地站同一距離上， 接收的場(chǎng)強(qiáng)中值相差很大。 圖2 - 28給

55、出了它們相對(duì)于基本損耗中值的修正曲線(xiàn)。,圖 2 - 28 市區(qū)街道走向修正值因子,2. 建筑物的穿透損耗 各個(gè)頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的， 一般來(lái)說(shuō)波長(zhǎng)越短， 穿透能力越強(qiáng)， 如表2- 1所示。 同時(shí)， 各個(gè)建筑物對(duì)電波的吸收能力也是不同的。 不同的材料、 結(jié)構(gòu)和樓房層數(shù)， 其吸收損耗的數(shù)據(jù)都不一樣。,表 2 - 1 建筑物的穿透損耗 (地面層),一般介紹的經(jīng)驗(yàn)傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設(shè)條件，

56、故如果移動(dòng)臺(tái)要在室內(nèi)使用， 在計(jì)算傳播損耗和場(chǎng)強(qiáng)時(shí)， 需把建筑物的穿透損耗也計(jì)算過(guò)去， 才能保持良好的可通率。 即 Lb=L0-Lp 式中，Lb為實(shí)際路徑損耗中值， L0為在街心的路徑損耗中值， Lp為建筑物的穿透損耗。,3. 植被損耗 樹(shù)木、 植被對(duì)電波有吸收作用。 在傳播路徑上由樹(shù)木、 植被引起的附加損耗不僅取決于樹(shù)木

57、的高度、 種類(lèi)、 形狀、 分布密度、 空氣濕度及季節(jié)的變化， 還取決于工作頻率、 天線(xiàn)極化、 通過(guò)樹(shù)林的路徑長(zhǎng)度等多方面因素。 在城市中， 由于樹(shù)林、 綠地與建筑物往往是交替存在著， 所以， 它對(duì)電波傳播引起的損耗與大片森林對(duì)電波傳播的影響是不同的。 大片森林對(duì)電波傳播產(chǎn)生的附加損耗可參看圖2 - 30。,圖 2 - 29 信號(hào)損耗值與樓層高度,圖 2 - 30 森林地帶的附加損耗,圖 2 - 31 電波在隧道中的傳播損耗,4. 隧道中

58、的傳播 移動(dòng)通信的空間電波傳播在遇到隧道等地理障礙時(shí)， 將受到嚴(yán)重衰落而不能通信。 如地下鐵道中的無(wú)線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)， 汽車(chē)移動(dòng)電話(huà)在公路穿越河流或山脈的地下通道中， 均需解決隧道或地下通道中的傳播問(wèn)題。 空間電波在隧道中傳播時(shí)， 由于隧道壁的吸收及電波的干涉作用而受到較大的損耗。 在圖2 - 31中， 曲線(xiàn)A是頻率為160 MHz時(shí)， 隧道內(nèi)兩半波偶極子天線(xiàn)之間的電波傳播損耗。,*2.5 無(wú)線(xiàn)鏈路計(jì)算(一),2.5.

59、1 信噪比和語(yǔ)音質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 信噪比的定義是： 在接收機(jī)的輸出端， 低頻信號(hào)+噪聲+失真與噪聲的功率比值， 即,信號(hào)+噪聲+失真,噪聲,,這一比值有時(shí)也稱(chēng)為收信機(jī)的輸出信噪比。 在沒(méi)有特定干擾時(shí)， 它對(duì)語(yǔ)音而言即為信納比：,信納比(SINAD)=,信號(hào)+噪聲+失真,噪聲+失真,,在移動(dòng)通信系統(tǒng)中， 信噪比的數(shù)值是根據(jù)語(yǔ)音質(zhì)量的要求來(lái)確定的。 語(yǔ)音質(zhì)量的合格標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同使用對(duì)象是不相同的， 因而其對(duì)應(yīng)的信噪比數(shù)值也不相同

60、。 語(yǔ)音質(zhì)量的評(píng)定往往采用主觀評(píng)定的辦法， CCITT把語(yǔ)音質(zhì)量劃分為五級(jí)進(jìn)行評(píng)分， 如表2 - 2所示。,表 2 - 2 CCITT語(yǔ)音質(zhì)量五級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),2.5.2 接收機(jī)允許的最小輸入載噪比 在模擬移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)中， 語(yǔ)音信號(hào)多采用調(diào)頻制。 當(dāng)調(diào)頻波用鑒頻器解調(diào)時(shí)， 解調(diào)器輸出的信號(hào)和噪聲電平隨輸入電平而變化， 其變化特性如圖2 - 32所示。,圖 2 - 32 調(diào)頻接收機(jī)輸出端信

61、噪比與輸入電平的關(guān)系,在模擬制移動(dòng)通信系統(tǒng)中， 語(yǔ)音信號(hào)的調(diào)制多采用調(diào)頻(相)制而不采用其它連續(xù)波調(diào)制， 這是因?yàn)檎{(diào)頻制的抗噪聲能力較強(qiáng)， 這一點(diǎn)可以從調(diào)頻解調(diào)器輸出信噪比的改善得以反映。 由調(diào)制解調(diào)的理論分析可知， 調(diào)頻接收機(jī)輸出信噪比與輸入載噪比有如下的關(guān)系：,(2 - 35),在工程上， 多使用式(2 - ３6)的改寫(xiě)形式， 即調(diào)頻接收機(jī)的信噪比改善度GFM：,(2 - 36),2.5.3 噪聲和衰落的影響

62、 由于噪聲和衰落的存在將導(dǎo)致信息傳輸質(zhì)量的下降， 即造成信息的損傷或惡化， 所以， 在討論系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)時(shí)， 必須研究噪聲和衰落的影響。 在移動(dòng)通信的電路計(jì)算中， 可以把人為噪聲和衰落的影響分成兩部分來(lái)考慮， 一部分是人為噪聲和多徑衰落的影響， 另一部分是陰影效應(yīng)引起接收信號(hào)中值變動(dòng)的影響。,首先考慮人為噪聲和多徑衰落的影響。 我們知道， 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 人為噪聲和多徑衰落是同時(shí)存在的， 而從語(yǔ)音質(zhì)量主觀評(píng)定的效果來(lái)看， 兩者對(duì)接收機(jī)接

63、收質(zhì)量的影響相似。 其影響的大小可用惡化量來(lái)表示。 惡化量d定義為： 當(dāng)存在人為噪聲和多徑衰落時(shí)， 為達(dá)到僅有接收機(jī)固有噪聲時(shí)的同樣語(yǔ)音質(zhì)量， 所需的接收機(jī)輸入電平的增加量。 統(tǒng)計(jì)測(cè)試表明， 移動(dòng)臺(tái)語(yǔ)音質(zhì)量為3級(jí)和4級(jí)時(shí)的惡化量分別如圖2 - 33和圖2 - 34所示。,圖 2 - 33 移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)性能的惡化量(3級(jí)語(yǔ)音質(zhì)量),圖 2 - 34 移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)性能的惡化量(4級(jí)語(yǔ)音質(zhì)量),圖中， 曲線(xiàn)A表示移動(dòng)臺(tái)車(chē)輛停在高噪聲區(qū)的惡化量

64、； 曲線(xiàn)B表示移動(dòng)臺(tái)車(chē)輛在高噪聲區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的惡化量； 曲線(xiàn)C表示移動(dòng)臺(tái)車(chē)輛在低噪聲區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的惡化量。 由圖2 - 33和圖2 - 34可見(jiàn)， 在頻率較高時(shí)， 幾條曲線(xiàn)有匯合的趨勢(shì)。,圖2 - 35和圖2 - 36分別表示基地站接收質(zhì)量為3級(jí)和4級(jí)時(shí)的惡化量。 在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)區(qū)的電路計(jì)算時(shí)， 為了滿(mǎn)足規(guī)定的語(yǔ)音質(zhì)量要求， 可將惡化量的因素作為接收機(jī)輸入信號(hào)的抗噪聲和抗多徑衰落的儲(chǔ)備量來(lái)處理。,圖 2 - 35 基地臺(tái)接收機(jī)性能的惡化量(3級(jí)

65、語(yǔ)音質(zhì)量),圖 2 - 36 基地臺(tái)接收機(jī)性能的惡化量(4級(jí)語(yǔ)音質(zhì)量),2.5.4 接收機(jī)輸入端要求的最低保護(hù)功率電平 1. 接收機(jī)輸入電壓與輸入功率 如圖2 - 37所示， 當(dāng)電動(dòng)勢(shì)為e， 內(nèi)阻為R的信號(hào)發(fā)生器接至接收機(jī)輸入端時(shí)， 接收機(jī)輸入端的實(shí)際電壓為e／2， 接收機(jī)輸入功率為e2／4R。,圖 2 - 37 接收機(jī)輸入電壓的定義,在電路計(jì)算中， 接收機(jī)輸入電壓常以dBμV來(lái)表示。

66、此時(shí)， 接收機(jī)輸入電壓電平A為,(2 - 38),(2 - 39),(2 - 40),將式(2 - 40)中的輸入電壓e用電壓電平A代入得 Pr=A-10lgR-126(dBW) (2 - 41)當(dāng)R=75 Ω時(shí) Pr=A-145(dBW)

67、 (2 - 42)當(dāng) R=50 Ω時(shí) Pr=A-143(dBW) (2 - 43)表2 - 3列出了dBμV、 dBmV與V之間的關(guān)系表。,表 2 - 3 dBμV、 dBmV與V換算表,2. 接收機(jī)靈敏度與接收機(jī)輸入端要求的最低保護(hù)功率電平 接收機(jī)靈敏度指無(wú)外界噪聲

68、和干擾， 在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下， 接收機(jī)輸出端得到規(guī)定的語(yǔ)音質(zhì)量時(shí)， 測(cè)得的接收機(jī)天線(xiàn)輸入端所需的最小信號(hào)電壓。 它能夠較全面地反映接收機(jī)接收有用微弱信號(hào)的能力和接收機(jī)內(nèi)部噪聲的大小。 將輸入靈敏度的電壓值e代入式(2 - 42)或式(2 - 43)就可得到一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的最小輸入電平Pr。,對(duì)陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)而言， 接收機(jī)輸入端要求的最低保護(hù)功率電平是指： 在考慮環(huán)境噪聲和多徑衰落引起的惡化量d的情況下， 為了達(dá)到一定的語(yǔ)音質(zhì)量，