chapt移动信道的电报传播与干扰.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,移动通信,电波传播特性,电波传播机理：直射、反射、绕射和散射,路径损耗、多径损耗、阴影效应,10/28/2026,1,自由空间传播损耗,-,直射波,所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。,电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。,实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数,和相对导磁率,都等于,1,，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。,自由空间传播损耗与传播距离和工作频率有关：,10/28/2026,2,自由空间传播损耗,-,直射波,各向同性天线,(,亦称全向天线或无方向性天线,),的辐射功率为,P,T,，,则距辐射源,d,米,单位面积上的电波功率密度,S,为,接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即,各向同性接收天线的有效面积,接收天线上获得的功率为,10/28/2026,3,自由空间传播损耗,-,直射波,由上式可见，自由空间传播损耗,L,fs,可定义为,以,dB,计，得,或,式中，,d,的单位为,km,，,频率单位以,MHz,计。,10/28/2026,4,自由空间传播损耗,-,直射波,式中，,d,的单位为,km,，,频率单位以,MHz,计。,传播距离,d,越远，自由空间传播损耗,L,fs,越大，距离,d,增加一倍，损耗,L,fs,增加,6dB,；,工作频率,f,越高，自由空间传播损耗,L,fs,越大，频率,f,提高一倍，损耗,L,fs,增加,6dB,；,10/28/2026,5,电波的视距传播,自发射天线顶点,A,到切点,C,的距离,d,1,为,由切点,C,到接收天线顶点,B,的距离,d,2,为,在标准大气折射情况下，,R,e,=8 500km,故,式中，,h,t,、,h,r,的单位是,m,d,的单位是,km,。,10/28/2026,6,电波的三种基本传播机制,-,反射波,10/28/2026,7,通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系数,R,表征，它定义为反射波场强与,入射波场强的比值，,R,可表示为,式中，,|,R,|,为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比，,代表反射波相对于入射波的,相移。,10/28/2026,8,式中，,d,=,d,1,+,d,2,。,式中，,2/,称为传播相移常数。,由路径差,d,引起的附加相移,为,这时接收场强,E,可表示为,10/28/2026,9,电波的三种基本传播机制,-,绕射波,菲涅尔余隙,菲涅尔区：,当电波传播的波振面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构成的空间区域,式中,d,单位,km,单位,mm,，,x,单位,m,障碍物与余隙,(a),负余隙；,(b),正余隙,10/28/2026,10,电波的三种基本传播机制,-,绕射波,当,x,/,x,1,0.5,时，附加损耗约为,0dB,，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙,x,0.5,x,1;,当,x,0,，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；,当,x,=0,时，即,TR,直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为,6 dB,10/28/2026,11,例,设图中所示的传播路径中，菲涅尔余隙,x=-82m,d,1,=5km,d,2,=10km,工作频率为,150MHz,。,试求出电波传播损耗。,解,先求出自由空间传播的损耗,L,fs,为,由图表查得附加损耗,(,x,/,x,1,-1),为,17dB,所以电波传播的损耗,L,为,求第一菲涅尔区半径,x1,为,10/28/2026,12,电波的三种基本传播机制,-,散射波,电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射,形成散射波。散射波可能散布于许多方向,因而电波的能量也被分散于多个方向。,10/28/2026,13,第,2,章 移动信道的电报传播与干扰,电波传播特性,移动信道的特征,阴影效应,地形地物对电波传播的影响,噪声与干扰,10/28/2026,14,传播路径,-,多径衰落,假设反射系数,R,=-1(,镜面反射,),，则合成场强,E,为,式中，,E,0,是直射波场强，,是工作波长，,1,和,2,分别是地面反射波,和散射波相对于直射波的衰减系数，而,10/28/2026,15,多普勒频移,移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移,运动方向,入射电波,10/28/2026,16,信号衰落,移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化的，这种随机起伏变化称为衰落,随机量的研究通常采用统计分析法,10/28/2026,17,多径效应与瑞利衰落,假设：,发射机、接收机没有直射通路,大量反射波存在，到达接收天线方向角随机，相位随机均匀分布,反射波的幅度和相位都是统计独立的,结论,接收信号的相位服从,02,接收信号包络服从瑞利分布,理论上可以推出：存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从,莱斯分布,10/28/2026,18,多径衰落的时域特征,时延扩展,时延扩展，导致,码间串扰,时延扩展可以通过实测信号统计平均的方法来分析，得到时延谱曲线,10/28/2026,19,时延扩展的典型实测数据,10/28/2026,20,多径衰落的频域特征,相关带宽,频率选择性衰落,衰落与频率有关,非频率选择性衰落，即平坦衰落,相关带宽,信号带宽（码元速率低）小于相关带宽时，发生平坦衰落；信号带宽（码元速率高）大于相关带宽时，发生频率选择性衰落,实际应用中，常用最大时延,Tm,的倒数规定相关带宽。即,10/28/2026,21,第,2,章 移动信道的电报传播与干扰,电波传播特性,移动信道的特征,阴影效应,地形地物对电波传播的影响,噪声与干扰,10/28/2026,22,阴影效应,移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，这种衰落称为阴影衰落,这种衰落的变化速率较为缓慢，又称为慢衰落,慢衰落的速率主要取决于传播环境，即移动台周围地形以及移动台移动的速度，而与频率无关。,慢衰落的深度取决于信号与障碍物的状况。频率高的信号容易穿透建筑物，而频率低的信号具有较强的绕射能力,10/28/2026,23,第,2,章 移动信道的电报传播与干扰,电波传播特性,移动信道的特征,阴影效应,地形地物对电波传播的影响,噪声与干扰,10/28/2026,24,地形特征,地形波动高度,地形波动高度,描述了电波传播路径中地形变化的程度。,定义为沿通信方向，距接收地点,10km,范围内，,10%,高度线和,90%,高度线之高度差。,10/28/2026,25,若基站天线顶点的海拔高度为,h,ts,，,从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的,3km,到,15km,之内,的地面平均海拔高度为,h,ga,，,则定义,基站天线的有效高度,为,若传播距离不到,15km,h,ga,是,3km,到实际距离之间的平均海拔高度,。,移动台天线的有效高度,h,m,总是指天线在当地地面上的高度。,地形特征,天线有效高度,10/28/2026,26,地形分类,为了计算移动信道中信号电场强度中值,(,或传播损耗中值,),，可将地形分为两大类，即中等起伏地形和不规则地形，并以中等起伏地形作传播基准。,所谓,中等起伏地形,是指在传播径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过,20m,，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。,其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。,10/28/2026,27,传播环境分类,不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：,开阔地。在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；,郊区。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等；,市区。有较密集的建筑物和高层楼房。,10/28/2026,28,电波传播模型,基于理论和测试结果统计的近似计算,在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。,基本中值与频率距离的关系,自由空间传播损耗基础为,0dB,的相对值,10/28/2026,29,基站天线、移动台天线的高度增益,10/28/2026,30,郊区、开阔地的损耗中值,10/28/2026,31,丘陵地的修正因子,顶部与谷底的微小修正,10/28/2026,32,孤立山岳的修正因子,10/28/2026,33,斜坡地、水陆混合地修正因子,450MHz,和,900MHz,10/28/2026,34,任意地形地区的传播损耗的中值,1.,中等起伏地市区中接收信号的功率中值,P,P,中等起伏地市区接收信号的功率中值,P,P,(,不考虑街道走向,),可由下式确定：,式中，,P,0,为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即,10/28/2026,35,式中：,P,T,发射机送至天线的发射功率；,工作波长；,d,收发天线间的距离；,G,b,基站天线增益；,G,m,移动台天线增益。,A,m,(,f,d,),是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为,0 dB,，,基站天线高度为,200m,移动台天线高度为,3 m,的情况下得到的损耗中值，它可,由图 求出。,10/28/2026,36,H,b,(h,b,d,),是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度,200m,为基准得到的相对增益，其值可由图求。,H,m,(,h,m,f,),是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度,3m,为,基准得到的相对增益，可由图求得。,10/28/2026,37,2.,任意地形地区接收信号的功率中值,P,PC,任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区接收信号的功率中值,P,P,为基,础，加上地形地区修正因子,K,T,，,即,地形地区修正因子,K,T,一般可写成,10/28/2026,38,式中：,K,mr,郊区修正因子，可由图 求得；,Q,o,、,Q,r,开阔地或准开阔地修正因子，可由图,求得；,K,h,、,K,hf,丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 求得；,K,js,孤立山岳修正因子，可由图 求得；,K,sp,斜坡地形修正因子，可由图 求得；,K,S,水陆混合路径修正因子，可由图 求得,10/28/2026,39,根据地形地区的不同情况，确定,K,T,包含的修正因子，例如传播路径是开阔地上斜坡地形，那么,K,T,=,Q,o,+,K,sp,，,其余各项为零；又如传播路径是郊区和丘陵地，则,K,T,=,K,mr,+,K,h,+,K,hf,。,其它情况类推。,任意地形地区的传播损耗中值,式中，,L,T,为中等起伏地市区传播损耗中值，即,10/28/2026,40,第,2,章 移动信道的电报传播与干扰,电波传播特性,移动信道的特征,阴影效应,地形地物对电波传播的影响,噪声与干扰,10/28/2026,41,噪声的分类与特性,内部噪声,外部噪声,人为噪声,10/28/2026,42,内部噪声,内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。,不能预测的噪声统称为随机噪声。自然噪声及人为噪声为外部噪声，它们也属于随机噪声。,依据噪声特征又可分为脉冲噪声和起伏噪声。,脉冲噪声是在时间上无规则的突发噪声，汽车发动机所产生的点火噪声，这种噪声的主要特点是其突发的脉冲幅度较大，而持续时间较短；从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽频带；,热噪声、散弹噪声及宇宙噪声是典型的起伏噪声。,10/28/2026,43,外部噪声,在移动信道中，外部噪声,(,亦称环境噪声,),的影响较大，,外部噪声分为六种：,大气噪声；太阳噪声；银河噪声；郊区人为噪声；市区人为噪声；典型接收机的内部噪声。,其中，前五种均为外部噪声。有时将太阳噪声和银河噪声统称为宇宙噪声。,10/28/2026,44,各种噪声功率与频率的关系,N,0,=KT,0,B,N,，,K,波兹曼常数（,1.38*10,-23,J/K,），,T,0,参考绝对温度（,290K,）,B,N,接收机有效噪声带宽,10/28/2026,45,人为噪声,所谓人为噪声，是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。,几种典型环境的人为噪声系数平均值,10/28/2026,46,环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响,10/28/2026,47,干扰,临道干扰,相邻的或邻近频道的信号相互干扰。,同频干扰,同载频电台之间的干扰,互调干扰,10/28/2026,48,临道干扰,增加电台距离,提高接收机的中频选择性以及优选接收机指标,限制发射信号带宽,移动台功率方面，满足通信距离要求下尽量小功率,其他：天线定向波束等,10/28/2026,49,同频道再用距离,为了提高频率利用率，在满足一定通信质量的条件下，允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离，简称同频道再用距离或共道再用距离。所谓“安全”系指接收机输入端的有用信号与同频道干扰的比值要大于射频防护比。,假定各基站与各移动台的设备参数相同，地形条件也是理想的。这样，同频道再用距离只与以下诸因素有关：,调制制度。,电波传播特性。,光滑地平面，,d,以,km,计，,h,t,、,h,r,以,m,计,基站覆盖范围或小区半径,r,0,。,通信工作方式。,要求的可靠通信概率。,10/28/2026,50,同频道再用距离示意图,10/28/2026,51,假设基站,A,和,B,使用相同的频道，移动台,M,正在接收基站,A,发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台,M,处于小区的边沿时，易于受到基站,B,发射的同频道干扰。假若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰之比等于射频防护比，则,A,、,B,两基站之间的距离即为同频道再用距,离，记作,D,。,由图可见：,式中，,D,I,为同频道干扰源至被干扰接收机的距离，,D,S,为有用信号的传播距离,，即为小区半径,r,0,。,10/28/2026,52,通常，定义同频道再用系数为,可得同频道再用系数,设干扰信号和有用信号的传播损耗中值分别用,L,I,和,L,S,表示,10/28/2026,53,所以传播损耗之差为,设,A,基站和,B,基站的发射功率均为,P,T,，,则移动台,M,接收机的输入信号功,率和共频道干扰功率分别为：,10/28/2026,54,若取射频防护比为,8,dB,，,可求得,若考虑到快衰落及慢衰落，式中,S/I,将大于,8dB,。,理论分析和实验表明，按无线区内可靠通信概率,为,90%,考虑，,S/I,约需,25dB,，,这样可得,10/28/2026,55,