《无线电通信原理》第3章-移动信道的传播特性-(1).pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,第3章移动信道的传播特性,第3章移动信道的传播特性,3.1无线电波传播特性,3.2移动信道的特征,3.3陆地移动信道的传输损耗,3.4移动信道的传播模型,思考题与习题,第3章移动信道的传播特性,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式,发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到,达接收机，当频率f30MHz时，典型的传播通路如,图3-1所示。沿路径从发射天线直接到达接收天线,的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播,方式；沿路径的电波经过地面反射到达接收机，称,为地面反射波；路径的电波沿地球表面传播，称为,地表面波。,第3章移动信道的传播特性,由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大，传播距,离迅速减小，因此在VHF和UHF频段地表面波的传播,可以忽略不计。除此之外，在移动信道中，电波遇到,各种障碍物时会发生反射和散射现象，它对直射波会,引起干涉，即产生多径衰落现象。下面先讨论直射波,和反射波的传播特性。,第3章移动信道的传播特性,接收天线,发射天线,图3-1典型的传播通路,第3章移动信道的传播特性,3.1.2直射波直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由,空间传播，是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r和相对导磁率r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，在这种情况下，电波可视,作在自由空间传播。,第3章移动信道的传播特性,虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反,射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过,一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由辐射,能量的扩散而引起的。由电磁场理论可知，若各向同,性天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为P,T,瓦，则距辐射源dm处的电场强度有效值E,0,为,30P,T,E,0,(V/m),(3-1),d,第3章移动信道的传播特性,磁场强度有效值H,0,为,30P,T,(3-2),H,0,(A/m),120d,单位面积上的电波功率密度S为,P,T2,S,2,(W/m),4d,(3-3),第3章移动信道的传播特性,若用发射天线增益为G,T,的方向性天线取代各向同,性天线，则上述公式应改写为,30P,T,G,T,E,0,(V/m),(3-4),d,30P,T,G,T,120d,H,0,(A/m),(3-5),P,T,G,T2,4d,3-6),S(W/m),第3章移动信道的传播特性,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,P,R,=SA,R,(3-7),式中，A,R,为接收天线的有效面积，它与接收天线,增益G,R,满足下列关系：,2,A,R,G,R,4,式中，,2,/4为各向同性天线的有效面积。,第3章移动信道的传播特性,由式(3-6)至式(3-8)可得,2,P,R,P,T,G,T,G,R,4d,(3-9),当收、发天线增益为0dB，即当G,R,=G,T,=1时，接收,天线上获得的功率为,2,P,R,P,T,4d,(3-10),第3章移动信道的传播特性,由上式可见，自由空间传播损耗L,fs,可定义为,2,P,T,4d,L,fs,(3-11),P,R,以dB计，得,2,4d4d,L,fs,(dB)10lg(dB)20lg(dB),或,(3-12),L,fs,(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz),(3-13),式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。,第3章移动信道的传播特性,3.1.3大气中的电波传播,1.大气折射,在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折,射率n与相对介电系数,r,的关系为,n,r,(3-14),第3章移动信道的传播特性,众所周知，大气的相对介电系数与温度、湿度和,气压有关。大气高度不同，,r,也不同，即dn/dh是不同,的。根据折射定律，电波传播速度v与大气折射率n成,反比，即,c,(3-15),n,式中，c为光速。,第3章移动信道的传播特性,大气折射对电波传播的影响，,在工程上通常用,“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方,向行进，只是地球的实际半径R,0,(6.3710,6,m)变成了等,效半径R,e,R,e,与R,0,之间的关系为,R,e,1,k,0,dn,(3-16),R,1R,0,dh,式中，k称作地球等效半径系数。,第3章移动信道的传播特性,2.视线传播极限距离,视线传播的极限距离可由图3-2计算，天线的高,度分别为h,t,和h,r,，两个天线顶点的连线AB与地面相切,于C点。由于地球等效半径R,e,远远大于天线高度，不,难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为,d,1,2R,e,h,t,(3-17),同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d,2,为,d,2,R,e,h,r,(3-18),第3章移动信道的传播特性,Ad,1,Cd,2,B,h,t,h,r,R,e,o,图32视线传播极限距离,第3章移动信道的传播特性,可见，视线传播的极限距离d为,dd,1,d,2,2R,e,(h,t,h,r,),(3-19),在标准大气折射情况下，R,e,=8500km,故,d4.12h,t,h,r,(3-20),式中，h,t,、h,r,的单位是m,d的单位是km。,第3章移动信道的传播特性,3.1.4障碍物的影响与绕射损耗,在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，,由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。,设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图3-3所,示。图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称,为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，如图3-3(a)所,示；无阻挡时余隙为正，如图3-3(b)所示。由障碍物,引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图3-4所示。,第3章移动信道的传播特性,图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由,空间传播损耗的分贝数。横坐标为x/x,1,其中x,1,是第一菲,涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式可求得：,d,1,d,2,x,1,d,1,d,2,3-21),第3章移动信道的传播特性,PTR,d,1,d,2,TRxx,h,d,d,2,1,2,h,1,P,h,2,h,1,(a)(b),图3-3障碍物与余隙,(a)负余隙；(b)正余隙,第3章移动信道的传播特性,由图3-4可见，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x0.5x,1,;当x0，即直射线低于障碍物,顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即T,R,直射线从障,碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB。,第3章移动信道的传播特性,例3-1设图3-3(a)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。,解先由式(3-13)求出自由空间传播的损耗L,fs,为,L,fs,=32.44+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB,由式(3-21)求第一菲涅尔区半径x,1,为,d,1,d,2,2510,3,1010,3,x,1,3,81.7m,d,1,d,2,1510,第3章移动信道的传播特性,由图3-4查得附加损耗(x/x,1,-1)为16.5dB,因此电,波传播的损耗L为,L,=L,fs,+16.5=116.0dB,第3章移动信道的传播特性,4,2,0,2,4,6,8,/dB,10,1214,16,18,20,22,24,26,绕射损耗,2.5,2.0,1.5,1.0,0.50.501.01.52.02.5,x/x,1,图34绕射损耗与余隙关系,第3章移动信道的传播特性,3.1.5反射波,当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，,如果界面尺寸比电波波长大得多，就会产生镜面反射。,由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会在界面,上产生反射，如图3-5所示。,第3章移动信道的传播特性,T,c,a,R,h,t,b,oh,r,d,1,d,2,图3-5反射波与直射波,第3章移动信道的传播特性,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,R=|R|e,-j,(3-22),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。,第3章移动信道的传播特性,对于水平极化波和垂直极化波的反射系数R,h,和R,v,分,别由下列公式计算：,j,sin(,c,cos,2,),1/2,R,h,R,h,e,21/2,(3-23),sin(,c,cos),c,sin(,c,cos,2,),1/2,R,v,21/2,(3-24),c,sin(,c,cos),第3章移动信道的传播特性,式中，,c,是反射媒质的等效复介电常数，它与反,射媒质的相对介电常数,r,、电导率和工作波长有关，,即,c,r,j60,(3-25),对于地面反射，当工作频率高于150MHz(2m)时，,1，由式(3-23)和式(3-24)可得,R,v,=R,h,=-1,(3-26),即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差,为180。,第3章移动信道的传播特性,在图3-5中，由发射点T发出的电波分别经过直,射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R，由于两,者的路径不同，从而会产生附加相移。由图3-5可,知，反射波与直射波的路径差为,dabc(d,1,d,2,),2,(h,t,h,r,),2,(d,1,d,2,),2,(h,t,h,r,),2,hh2,hh,2,dd,d1,tr,1,tr,(3-27),式中，d=d,1,+d,2,。,第3章移动信道的传播特性,通常(h,t,+h,r,)d,故上式中每个根号均可用二项式定,理展开，并且只取展开式中的前两项。例如：,22,h,t,h,r,1h,t,h,r,11,d2d,由此可得到,2h,t,h,r,(3-28),d,d,第3章移动信道的传播特性,由路径差d引起的附加相移为,2,d,(3-29),式中，2/称为传播相移常数。,这时接收场强E可表示为,EE,0,(1Re,j,)E,0,(1Re,j(),),(3-30),第3章移动信道的传播特性,3.2移动信道的特征,3.2.1传播路径与信号衰落,在VHF、UHF移动信道中，电波传播方式除了上,述的直射波和地面反射波之外，还需要考虑传播路径,中各种障碍物所引起的散射波。图3-6是移动信道传,播路径的示意图。,第3章移动信道的传播特性,d,2,h,b,d,h,m,d,1,图3-6移动信道的传播路径,第3章移动信道的传播特性,图中，h,b,为基站天线高度,h,m,为移动台天线高度。直射,波的传播距离为d,地面反射波的传播距离为d,1,，散射,波的传播距离为d,2,。移动台接收信号的场强由上述三,种电波的矢量合成。为分析简便，假设反射系数R=-,1(镜面反射)，则合成场强E为,j2dj2d,12,EE,0,(1,1,e,2,e,),(3-31),第3章移动信道的传播特性,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,d,1,=d,1,-d,d,2,=d,2,-d,第3章移动信道的传播特性,相对于中值电平,/dB,10,0,10,20,30,12345,d/m,00.20.40.6,0.81.0,t/s,图3-7典型信号衰落特性,第3章移动信道的传播特性,3.2.2多径效应与瑞利衰落,在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物,和其它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自,不同传播路径的信号之和，如图3-8所示。假设基,站发射的信号为,S,0,(t),0,expj(0,t,0,),(3-32),第3章移动信道的传播特性,y,S,i,(t),i,x,基站天线,图38移动台接收N条路径信号,第3章移动信道的传播特性,式中，,0,为载波角频率，,0,为载波初相。经反射(或,散射)到达接收天线的第i个信号为S,i,(t)，其振幅为,i,相,移为,i,。假设S,i,(t)与移动台运动方向之间的夹角为,i,其多普勒频移值为,f,i,cos,i,f,m,cos,i,(3-33),式中，v为车速，为波长，f,m,为,i,=0时的最大,多普勒频移，因此S,i,(t)可写成,2,Si(t)iexpj(,i,tcos,i,)expj(,0,0,),(3-34),第3章移动信道的传播特性,假设N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随,机的且满足统计独立，则接收信号为,N,S(t),S,i,(t),(3-35),i1,令：,2,i,i,tcos,i,NN,x,i,cos,i,x,i,(3-36),i11i,NN,y,i,sin,i,y,i,(3-37),i11i,第3章移动信道的传播特性,则S(t)可写成,S(t)=(x+jy)expj(,0,t+,0,),(3-38),由于x和y都是独立随机变量之和，因而根据概率,的中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋向,正态分布，即有概率密度函数为,x,2,1,2,x2,p(x)e,(3-39),2,x,y,2,1,2,2y,p(y)e,(3-40),2,y,第3章移动信道的传播特性,式中，,x,、,y,分别为随机变量x和y的标准偏差。x、,y在区间dx、dy上的取值概率分别为p(x)dx、p(y)dy，,由于它们相互独立，所以在面积dxdy中的取值概率为,p(x,y)dxdy=p(x)dxp(y)dy,(3-41),式中，p(x,y)为随机变量x和y的联合概率密度函数。,第3章移动信道的传播特性,假设,x2,y2,2,，且p(x)和p(y)均值为零，则,x,2,y,2,1,2,2,p(x,y),2,e,(3-42),2,第3章移动信道的传播特性,通常，二维分布的概率密度函数使用极坐标系(r,),表示比较方便。此时，接收天线处的信号振幅为r,相位,为，对应于直角坐标系为,r,2,x,2,y,2,y,x,arctan,第3章移动信道的传播特性,在面积drd中的取值概率为,p(r,)drd=p(x,y)dxdy,得联合概率密度函数为,r,2,r,2,2,p(r,0),2,e,(3-43),2,第3章移动信道的传播特性,对积分，可求得包络概率密度函数p(r)为,r,2,r,2,1,22,2,r,2,2,p(r)2,2,0,red,2,e,r0(3-44),同理，对r积分可求得相位概率密度函数p()为,r,2,1,2,2,1,p()2,2,0,redr2,02(3-45),第3章移动信道的传播特性,由式(344)不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征：,均值,(3-46),mE(r),0,rp(r)dr21.253,均方值,222,E(r),0,rp(r)dr2,(3-47),瑞利分布的概率密度函数p(r)与r的关系如图3-9所示。,第3章移动信道的传播特性,p(r),1e,1/2,o,11.177,r/,图3-9瑞利分布的概率密度,第3章移动信道的传播特性,当r=时，p(r)为最大值，表示r在值出现的可能,性最大。由式(3-44)不难求得,11,p()exp(),2,(3-48),当r=,2ln2,1.177时，有,1.77,1,0,p(r)dr2,(3-49),第3章移动信道的传播特性,信号包络低于的概率为,1,2,0,p(r)dr1e0.39,同理，信号包络r低于某一指定值k的概率为,k,2,k2,0,p(r)dr1e,(3-50),第3章移动信道的传播特性,99.9999.9,0.10.01,9996,90,8070,6050,4030,20,1,104,2030,4050,6070,80,/%,/%,10,90,595,大于横坐标的概率,r,298,小于横坐标的概率,r,199,包络电平,0.5,99.5,包络电平,0.2,99.8,0.1,99.9,0.05,99.95,0.02,0.01,10,99.98,5040510152025303599.99,相对于中值的分贝数20lgr,mid,r,0,图3-10瑞利衰落的累积分布,第3章移动信道的传播特性,3.2.3慢衰落特性和衰落储备,在移动信道中，由大量统计测试表明：在信号电,平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随地点、时,间以及移动台速度作比较平缓的变化，其衰落周期以,秒级计，称作慢衰落或长期衰落。慢衰落近似服从对,数正态分布。所谓对数正态分布，是指以分贝数表示,的信号电平为正态分布。,第3章移动信道的传播特性,此外，还有一种随时间变化的慢衰落，它也服从,对数正态分布。这是由于大气折射率的平缓变化，使,得同一地点处所收到的信号中值电平随时间作慢变化，,这种因气象条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢(其衰,落周期常以小时甚至天为量级计)，因此常可忽略不计。,第3章移动信道的传播特性,20,10,A,：,453MHz,B,：,920MHz,对数正态分布,5dB,20,10,0,A,/dB,10,B,0,20,相对电平,10,20,0.01510203050708090959999.999.990.11,信号强度超出纵轴值的概率,/%,(,a,),图3-11信号慢衰落特性曲线,(a)市区；(b)郊区,第3章移动信道的传播特性,453MHz,20,10,A,：,d,10km,B,：,d,10,30km,对数正态分布,7dB,A,0,20,10,/dB,10,20,B,0,相对电平,10,20,0.01510203050708090959999.999.990.11,信号强度超出纵轴值的概率,/%,(b),图3-11信号慢衰落特性曲线,(a)市区；(b)郊区,第3章移动信道的传播特性,为研究慢衰落的规律，通常把同一类地形、地物,中的某一段距离(12km)作为样本区间，每隔20m(小区,间)左右观察信号电平的中值变动，以统计分析信号在,各小区间的累积分布和标准偏差。图3-11(a)和(b)分,别画出了市区和郊区的慢衰落分布曲线。绘制两种曲,线所用的条件是：图3-11(a)中，基站天线高度为,220m,移动台天线高度,第3章移动信道的传播特性,12,市区,郊区丘陵,10,/dB,8,6,标准偏差,4,2100200300500100070020003000,频率,f/MHz,图3-12慢衰落中值标准偏差,第3章移动信道的传播特性,图3-13示出了可通率T分别为90%、95%和99%,的三组曲线，根据地形、地物、工作频率和可通率要,求，,f=450MHz，,此时必须的衰落储备约为22.5dB。,由此图可查得必须的衰落储备量。,例如：,市区工作，要求T=99%，则由图可查得,第3章移动信道的传播特性,30,市区郊区、丘陵地,25,99%,/dB,20,95%,衰落储备量,15,90%,10,5,100200300500100070020003000,频率,f/MHz,图3-13衰落储备量,第3章移动信道的传播特性,3.2.4多径时散与相关带宽,1.多径时散,多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽，,为了说明它对移动通信的影响，首先看一个简单的例,子(参见图3-14)。,第3章移动信道的传播特性,基站天线,3,1,4,2,图3-14多径时散示例,第3章移动信道的传播特性,假设基站发射一个极短的脉冲信号S,i,(t)=a,0,(t)，经,过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，结,果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时,间扩散的现象，称为多径时散。,必须指出，多径性质是随时间而变化的。如果进,行多次发送脉冲试验，则接收到的脉冲序列是变化的，,如图3-15所示。它包括脉冲数目N的变化、脉冲大,小的变化及脉冲延时差的变化。,第3章移动信道的传播特性,t,t,0,t,1,t,1,11,t,1,12,(a),t,2,t,2,22,t,2,23,t,t,0,t,2,21,(b),t,t,0,t,3,t,3,34,(c),图3-15时变多径信道响应示例,(a)N=3;(b)N=4;(c)N=5,第3章移动信道的传播特性,一般情况下，接收到的信号为N个不同路径传来的,信号之和，即,N,S,0,(t),a,i,S,i,t,i,(t),(3-51),i1,式中，a,i,是第i条路径的衰减系数；,i,(t)为第i条路径的,相对延时差。,第3章移动信道的传播特性,实际上，情况比图315要复杂得多，各个脉冲,幅度是随机变化的，它们在时间上可以互不交叠，也,可以相互交叠，甚至随移动台周围散射体数目的增加，,所接收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续,信号脉冲。根据统计测试结果，移动通信中接收机接,收到多径的时延信号强度大致如图3-16所示。,第3章移动信道的传播特性,图中，t是相对时延值；E(t)为归一化的时延强度曲线，,它是以不同时延信号强度所构成的时延谱，也有人称,之为多径散布谱。图中，t=0表示E(t)的前沿。E(t)的,一阶矩为平均多径时延,散布(简称时散)，常称作时延扩展，记作。可按以,下公式计算,；E(t)的均方根为多径时延,和：,(3-52),0,tE(t)dt,22,(3-53),0,tE(t)dt,第3章移动信道的传播特性,相对强度,/dB,0dB,30dB,E(t),o,0,t(,相对时延时间,),max,图3-16多径时延信号强度,第3章移动信道的传播特性,表3-1多径时散参数典型值,第3章移动信道的传播特性,2.相关带宽,从频域观点而言，多径时散现象将导致频率选择,性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。若信,号带宽过大，就会引起严重的失真。为了说明这一问,题，先讨论两条射线的情况，即如图3-17所示的双,射线信道。为分析简便，不计信道的固定衰减，用,“1”表示第一条射线，信号为S,i,(t);用“2”表示另一条,射线，其信号为rS,i,(t)e,j(t),，这里r为一比例常数。于,是，接收信号为两者之和，即,S,0,(t)S,i,(t)(1re,j(t),),(3-54),第3章移动信道的传播特性,图3-17所示的双射线信道等效网络的传递函数为,S,0,(t),j(t),H,e,(,t)1re,S,i,(t),信道的幅频特性为,A(,t)1rcos(t)jrsin(t),(3-55),第3章移动信道的传播特性,由上式可知，当(t)=2n时(n为整数)，双径信,号同相叠加，信号出现峰点；而当(t)=(2n+1)时，,双径信号反相相消，信号出现谷点。根据式(3-55)画,出的幅频特性如图3-18所示。,第3章移动信道的传播特性,H,e,(,t),1,S,i,(t),S,0,(t),2,r,(t),图3-17双射线信道等效网络,第3章移动信道的传播特性,A(,t),1,r,1,r,2n,(t),(2n1),(t),图3-18双射线信道的幅频特性,第3章移动信道的传播特性,由图可见，其相邻两个谷点的相位差为,=(t)=2,则,2,(t),1,或,B,c,2(t),第3章移动信道的传播特性,实际上，移动信道中的传播路径通常不止两条，,而是多条，且由于移动台处于运动状态，相对多径时,延差(t)也是随时间而变化的，因而合成信号振幅的,谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变化，使,信道的传递函数呈现复杂情况，这就很难准确地分析,相关带宽的大小。工程上，对于角度调制信号，相关,带宽可按下式估算：,1,B,c,(3-56),2,式中，为时延扩展。,第3章移动信道的传播特性,3.3陆地移动信道的传输损耗,3.3.1接收机输入电压、功率与场强的关系,1.接收机输入电压的定义,参见图3-19。将电势为Us和内阻为Rs的信号源,(如天线)接到接收机的输入端，若接收机的输入电阻,为R,i,且R,i,=R,s,，则接收机输入端的端电压U=U,s,/2，相应,的输入功率P=U,2s,/4R。由于R,i,=R,s,=R是接收机和信号源,满足功率匹配的条件，因此U,2s,/4R是接收机输入功率,的最大值，常称为额定输入功率。,第3章移动信道的传播特性,信,号,产,生器,R,s,接,R,i,收,U,s,/2,U,s,机,R,i,R,s,图3-19接收机输入电压的定义,第3章移动信道的传播特性,为了计算方便，电压或功率常以分贝计。其中，,电压常以1V作基准，功率常以1mW作基准，因而有：,U,s,20lgU,s,120(dBV),(3-57),U,s2,P10lg30(dBm),(3-58),4R,式中，U,s,以V计。,第3章移动信道的传播特性,2.接收场强与接收电压的关系,当采用线天线时，接收场强E是指有效长度为1m,的天线所感应的电压值，常以V/m作单位。为了求出,基本天线即半波振子所产生的电压，必须先求半波振,子的有效长度(参见图3-20)。,第3章移动信道的传播特性,半波振子天线上的电流分布呈余弦函数，中点的电流,最大，两端电流均为零。如果将中点电流作为高度构,成一个矩形，如图中虚线所示，并假定图中虚线与实,线所围面积相等，则矩形的长度即为半波振子的有效,长度。经过计算，半波振子天线的有效长度为/。,这样半波振子天线的感应电压U,s,为,U,s,E,(3-59),(3-60),U,s,E20lg(dBV),第3章移动信道的传播特性,2,2,图3-20半波振子天线的有效长度,第3章移动信道的传播特性,阻抗匹配网络,U,s,50,73.12,273.12,50,U,U,s,73.12,50,图3-21半波振子天线的阻抗匹配电路,第3章移动信道的传播特性,在实际中，接收机的输入电路与接收天线之间并不,一定满足上述的匹配条件(R,s,=R,i,=R)。在这种情况下，为,了保持匹配，在接收机的输入端应加入一阻抗匹配网络,与天线相连接，如图3-21所示。在图中，假定天线阻,抗为73.12，接收机的输入阻抗为50。接收机输入端,的端电压U与天线上的感应电势U,s,有以下关系：,1R,i,150,UU,s,U,s,0.41U,s,2R,s,273.12,第3章移动信道的传播特性,3.3.2地形、地物分类,1.地形的分类与定义,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，是指在传播路径的地形剖面图上，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。,第3章移动信道的传播特性,h,b,h,ts,平均地面高度,h,ga,03km,15km,海平面,图3-22基站天线有效高度(h,b,),第3章移动信道的传播特性,由于天线架设在高度不同地形上，天线的有效高,度是不一样的。(例如，把20m的天线架设在地面上和,架设在几十层的高楼顶上，通信效果自然不同。)因此，,必须合理规定天线的有效高度，其计算方法参见图3-,22。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h,b,为,h,b,=h,ts,-h,ga,(3-61),第3章移动信道的传播特性,2.地物(或地区)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。,自然，上述三种地区之间都有过渡区，但在了解,以上三类地区的传播情况之后，对过渡区的传播情况,就可以大致地作出估计。,第3章移动信道的传播特性,3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值,1.市区传播损耗的中值,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。,第3章移动信道的传播特性,由电波传播理论可知，传播损耗取决于传播距离d、,工作频率f、基站天线高度h,b,和移动台天线高度h,m,等。,在大量实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基,本中值的预测曲线。图3-23给出了典型中等起伏地,上市区的基本中值A,m,(f,d)与频率、距离的关系曲线。第3章移动信道的传播特性,70,100,90,8070,60,市区,h,200m,h,bm,3m,60d/km,100,50,50,9080,70,60,40,30,20,10,f,()/dBdA,m,40,50,40,30,20,10,53,2,1,基本损耗中值,30,20,53,2,1,d/km,10,100200300500700100020003000,频率,/MHz,图3-23中等起伏地上市区基本损耗中值,第3章移动信道的传播特性,20,2000,1000700,30,市区,h,b,200m,市区,70100,20,6040,120,15,400,200,100,d,)/dB,f,)/dB,h(,H,10,m,中等城市,h(,b,b,10,10,m,H,100200,400,1000,(MHz),0,d/km,/km,d,大城市,5,10,10013,基站天线高度增益因子,20,8070105,0,200MHz,移动台天线高度增益因子,60502040,30,400MHz,203050701002003005007001000,5,1,235710,基站天线有效高度,h,b,/m,移动台天线高度,h,m,/m,(a),(b),图3-24天线高度增益因子,(a)基站H,b,(h,b,d);(b)移动台H,m,(h,m,f),第3章移动信道的传播特性,8,6,(a)K,al4,/dB,K,al,/dB,K,ac,2,0,2,纵向线路修正值,横向线路修正值,4,(b)K,ac,6,8571020305070100,距离,d/km,(a),为纵向路线,K,al,；,(b),为横向路线,K,ac,图3-25街道走向修正曲线,第3章移动信道的传播特性,2.郊区和开阔地损耗的中值,郊区的建筑物一般是分散、低矮的，故电波传播,条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称,为郊区修正因子，记作K,mr,，它与频率和距离的关系,如图3-26所示。,由图可知，郊区场强中值大于市区场强中值。或,者说，郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。,第3章移动信道的传播特性,25,d1km,20,5km,/dB,15,10km,K,mr,20km,10,郊区修正因子,5,010020030050070010002000,频率,f/MHz,图3-26郊区修正因子,第3章移动信道的传播特性,图3-27给出的是开阔地、准开阔地(开阔地与郊,区间的过渡区)的场强中值相对于基准场强中值的修正,曲线。Q,o,表示开阔地修正因子,Q,r,表示准开阔地修正,因子。显然，开阔地的传播条件优于市区、郊区及准,开阔地，在相同条件下，开阔地上场强中值比市区高,近20dB。,为了求出郊区、开阔地及准开阔地的损耗中值，,应先求出相应的市区传播损耗中值，然后再减去由图,3-26或图3-27查得的修正因子即可。,第3章移动信道的传播特性,35,Q,o,：开阔地,Q,r,：准开阔地,30,/dB,o,/dB,Q,r,Q,Q,o,25,开阔地修正因子,准开阔地修正因子,Q,r,20,15,10020030050070010002000,频率,f/MHz,图3-27开阔地、准开阔地修正因子,第3章移动信道的传播特性,3.3.4不规则地形上传播损耗的中值,1.丘陵地的修正因子K,h,丘陵地的地形参数用地形起伏高度h表征。它的,定义是：自接收点向发射点延伸10km的范围内，地,形起伏的90%与10%的高度差(参见图3-28(a)上方)即,为h。这一定义只适用于地形起伏达数次以上的情况，,对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理。,第3章移动信道的传播特性,基站发射,h,的定义,10%,h,地形起伏与电场变化的对应关系,d,m,10km,90%,K,hf,电场变化,10,K,hf,按,(a),修正后的中值,地形起伏,h,/dB,h,0,K,10,20,/dB,K,hf,10,丘陵地修正因子,20,3010,20305070100200300500,微小修正值,0,1020,30,5070100,200300500,h/m,h/m,(a)(b),图3-28丘陵地场强中值修正因子,(a)修正因子K,h,;(b)微小修正因子K,hf,第3章移动信道的传播特性,2.孤立山岳修正因子K,js,当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，若,求山背后的电场强度，一般从相应的自由空间场强中,减去刃峰绕射损耗即可。但对天线高度较低的陆上移,动台来说，还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收,等附加损耗。由于附加损耗不易计算，故仍采用统计,方法给出的修正因子K,js,曲线。,图3-29给出的是适用于工作频段为450900MHz、,山岳高度在110350m范围，由实测所得的弧立山岳地,形的修正因子K,js,的曲线。,第3章移动信道的传播特性,20,km,A,曲线：,d,1,60km,B,曲线：,d,1,30km,C,曲线：,d,1,15km,10,/dB,K,js,0,(,基站,),孤立山岳典型地形,A,T,T(,基站,),10,B,H,200m,H,R(,移动台,),孤立山岳修正因子,C,d,20,3,1013,1,d,2,0246810,孤立山岳至移动台的距离,d,2,/km,图3-29孤立山岳修正因子K,js,第3章移动信道的传播特性,其中，d,1,是发射天线至山顶的水平距离，d,2,是山顶至,移动台的水平距离。,H=200m所得到的场强中值与基准场强的差值。如果实,际的山岳高度不为200m，则上述求得的修正因子K,js,还,需乘以系数，计算的经验公式为,图中，,K,js,是针对山岳高度,0.07,H,式中，H的单位为m。,第3章移动信道的传播特性,3.斜波地形修正因子K,sp,斜坡地形系指在510km范围内的倾斜地形。若在,电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角,为+,m,；反之为负斜坡，倾角为-,m,，如图3-30的下,部所示。,第3章移动信道的传播特性,20,10,d,60km,d,30km,d,30km,/dB,K,sp,0,d,30km,斜坡地形修正因子,10,20,20,1001020,平均倾角,m,/mrad,基站发射,m,m,图3-30斜坡地形修正因子K,sp,第3章移动信道的传播特性,4.水陆混合路径修正因子KS,在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，接收信号,的场强往往比全是陆地时要高。为估算水陆混合路径,情况下的场强中值，用水面距离d,SR,与全程距离d的比,值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子KS的,大小还与水面所处的位置有关。图3-31中，曲线A,表示水面靠近移动台一方的修正因子，曲线B(虚线)表,示水面靠近基站一方时的修正因子。在同样d,SR,/d情况,下，水面位于移动台一方的修正因子KS较大，即信号,场强中值较大。如果水面位于传播路径中间，则应取,上述两条曲线的中间值。,第3章移动信道的传播特性,20,基站,d,60km,T,移动台,/dB,S,15,R,K,d,SR,(A),实线,d,10,A,A,基站,移动台,5,B,T,R,B,水陆混合路径修正因子,d,30km,d,SR,d,(B),虚线,020406080100,水