微波傳輸基本理論.ppt

第五章 微波傳輸基本理論,內(nèi)容提要 無線電波傳播的方式及特性 微波傳輸 衰落及抗衰落技術(shù) 微波傳輸系統(tǒng)及應(yīng)用,各種波段波的特性,長(zhǎng)波的穿射能力最強(qiáng)，電磁波靠地波傳播，但其收發(fā)信天線的占用場(chǎng)地很大，常用于海上通信。 中波比較穩(wěn)定，主要用于廣播。 短波在傳輸過程中，碰到電離層會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象因而其傳輸距離很遠(yuǎn)，故短波常用于遠(yuǎn)距離通信或廣播。但極易受電離層變化的影響，信號(hào)會(huì)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。 超短波的傳輸特性同光波一樣，是沿直線傳播的，要求通信雙方之間（兩微波站之間）沒有阻擋物，信號(hào)方能傳輸?shù)綄?duì)方。 微波傳輸特性也和光波一樣，只能沿直線傳播即視距傳播，繞射能力弱，且在傳播中遇到不均勻的介質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生折射和反射。,5.1 無線電波傳播的方式及特性,5.1.1電波傳播所涉及到的地球大氣層 電波傳播會(huì)涉及到地球大氣層，地球上面的大氣層的結(jié)構(gòu)如圖。 對(duì)流層 平流層 電離層,大氣層的結(jié)構(gòu),5.1.2無線電波在空間的傳播模式,電磁波在其橫向平面中場(chǎng)值的大小和方向都不變，則稱為均勻平面波。為簡(jiǎn)化起見，下面只討論均勻平面波在自由空間中的傳播情況。 在無邊界（開放）的無限空間中，電磁波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)只有橫電磁波TEM。,513 無線電波傳播的方式及特性 無線電波由發(fā)射天線輻射到空間的各區(qū)域后，可依不同的路徑到達(dá)接收天線處。 5.1.3.1地表面波傳播地表波傳播 這是一種沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，?jiǎn)稱地表波。主要用在中、長(zhǎng)波波段(廣播)。5.1.3.2 對(duì)流層電波傳播 無線電波在低層大氣層對(duì)流層中的傳播就稱為對(duì)流層電波傳播。按傳播機(jī)制區(qū)分，又可分為：直射波傳播、散射波傳播和地面反射波傳播。,1.直射波傳播 當(dāng)收、發(fā)天線架設(shè)高度較高時(shí)，電波從發(fā)射天線直射到接收天線的傳播方式，亦可稱為視距傳播。一般用在超短波和微波波段，主要用于微波中繼通信、甚高頻和超高頻廣播、電視、雷達(dá)等業(yè)務(wù)。直射波傳播是最主要的無線電波傳播方式。 2.散射波傳播 這種傳播主要是由于電磁波投射到大氣層（如對(duì)流層）中不均勻氣團(tuán)上時(shí)產(chǎn)生散射，特別適用于無法建立微波中繼站的地區(qū)，例如海島之間或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地區(qū)。 3.地面反射波傳播 電波經(jīng)地面反射后到達(dá)接收地點(diǎn)的傳播方式。,5.1.3.3電離層電波傳播 無線電波經(jīng)電離層反射或散射后到達(dá)接收點(diǎn)的一種傳播方式。依傳播機(jī)制又可分為：電離層反射傳播、電離層散射傳播和流星電離余跡反（散）射傳播。 5.1.3.4外大氣層及行星際空間電波傳播,5.1.3.5電波傳播的特性,電磁波的頻段或波長(zhǎng)不同，其傳播方式和特點(diǎn)也不同,但有以下共同特性。 1.電磁波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播 在均勻媒質(zhì)中，電磁波各射線的傳播速度相同 ,傳播方向不變 . 2.輻射能量的擴(kuò)散與吸收能量衰減 當(dāng)電磁波離開天線后，便向四面八方擴(kuò)散，隨著傳播距離增加，空間的電磁場(chǎng)就越來越弱 .,假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間（一個(gè)沒有能夠反射、折射、繞射、散射和吸收電磁波的無限大的真空中），若無方向性天線，輻射功率為PT瓦，則距離輻射源d米處的電場(chǎng)強(qiáng)度有效值為： 上式表明，電場(chǎng)/磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳播距離成反比，當(dāng)電波經(jīng)一段路徑傳播后，增加能量仍然會(huì)受到衰減，這是由于輻射能量的擴(kuò)散而引起的。,3.反射與折射 當(dāng)電波由一種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時(shí)，在兩種媒質(zhì)的交界面上，傳播方向會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。并遵守光學(xué)的折射和反射定律。 4.電波的干涉 由同一電波源所產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)某接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)由不同路徑的電波合成，這種現(xiàn)象叫做波的干涉，也稱作多徑效應(yīng)。接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是由直射波和地面反射波合成的。 5.繞射現(xiàn)象 電波在傳播過程中有一定的繞過障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱為繞射,5.1.4傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響,5.1.4.1傳播損耗 1自由空間的傳播損耗 自由空間傳播指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，能量既不會(huì)被吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射和散射。 此時(shí)的電波擴(kuò)散損耗稱自由空間傳播損耗,由電磁場(chǎng)理論可知，若無方向性（也稱全向天線）天線的輻射功率為 瓦時(shí)，則距輻射源d米處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度有效值分別為： 單位面積上的電波功率密度Ws為： Ws = PT /4d2（W/m2） 4d2_球體表面積,PR,若用發(fā)射天線增益為GT的有方向性天線取代無方向性天線，則上述公式應(yīng)改寫為：,（V/m）,（A/m）,（w/m）,接收天線獲取的電波功率等于該點(diǎn)的電波功率密度乘以接收天線的有效面積。即：,式中，為接收天線的有效面積，它與接收天線增益滿足下列關(guān)系：,式中， 為無方向性天線的有效面積?？傻茫?（5.1）,將輸入功率PT與輸出功率PR之比定義為含收發(fā)天線增益的自由空間信道的基本傳播損耗LP：,（5.2a）,將上式取對(duì)數(shù)得：,若收發(fā)天線增益為0 dB即GR=GT=1，則自由空間傳播損耗LP：,由上式可見，自由空間中電波傳播損耗與工作頻率f和傳播距離d成正比。當(dāng)f或d增大一倍時(shí)，LP將會(huì)分別增加6 dB。LP反映了球面波的擴(kuò)散損耗大小。,例5-1：某微波傳輸信道，發(fā)射天線的增益為22dB，接收天線的的增益為18dB，收發(fā)距離為14500 km，載波中心頻率為5.904GHz 求(1)該信道的基本傳輸損耗為多少? (2)若發(fā)射功率為25w,接收機(jī)的接收到的功率為多少?,（2）接收機(jī)的接收到的功率為：,解（1）該信道的基本傳輸損耗為：,2實(shí)際空間的傳播損耗 實(shí)際電波的傳播, 不同的傳播方式、傳播媒質(zhì)，信道的傳輸損耗不同。 在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率PT和接收天線都相同的情況下，設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)為E，功率為 ，而自由空間場(chǎng)強(qiáng)為 、功率為 ，則信道的衰減因子A為：,則實(shí)際空間的傳播損耗Lb為：,5.1.4.2 傳播衰落現(xiàn)象 衰落？一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。按引起衰落的原因可以分為 吸收型衰落：主要是由于傳播媒質(zhì)電參數(shù)的變化，使得信號(hào)在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的。這種衰落跟天氣有很大的關(guān)系，而且信號(hào)電平的變化緩慢，所以稱為慢衰落。此外，由地形起伏、建筑物及障礙物的遮蔽等引起的陰影衰落也稱慢衰落。 干涉型衰落：主要是由于隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。這種衰落的信號(hào)電平變化很快，所以稱為快衰落。,5.1.4.3 傳播失真 無線電波通過媒質(zhì)會(huì)產(chǎn)生振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個(gè)：一是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)，二是媒質(zhì)的色散效應(yīng)。 5.1.4.4 電波傳播方向的變化,一條微波中繼信道是由終端站、中間站和再生中繼站、終點(diǎn)站及無線電波空間組成。 終端站的任務(wù)是將復(fù)用設(shè)備送來的基帶信號(hào)，調(diào)制到微波頻段上并發(fā)射出去；或者反之。 線路中間的中繼站的任務(wù)是完成微波信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和分路，又分為中間站、分路站和樞紐站。,5.2 微波傳播,微波在實(shí)際的空間傳播要受地面的影響和大氣的影響。,5.2.1 地面對(duì)微波傳播的影響 光滑地面及水面 地面起伏較大時(shí) 地面障礙物（如山頭、高大建筑物） 在惠更斯波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上，提出菲涅爾區(qū)的概念，可解釋電波的繞射等現(xiàn)象。,5.2.1.1費(fèi)涅爾區(qū)的概念 1惠更斯菲涅爾原理,惠更斯原理是，一點(diǎn)波源的振動(dòng)可傳遞給鄰近質(zhì)點(diǎn)，使其成為二次波源。當(dāng)點(diǎn)源發(fā)出球面波時(shí)，二次波源產(chǎn)生的波前也是球面，三次、四次波也是如此。,惠更斯原理,圖中T為發(fā)射天線，視為點(diǎn)源，它發(fā)出球面波。把波前分解為許多面積元，點(diǎn)源T在接收處R產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng),便是許多面積元在R處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)之矢量和。盡管T與R之間有障礙物，但不能擋住所有面積元，在R處仍可收到一定的場(chǎng)強(qiáng)。 由解析幾何知，球面上一動(dòng)點(diǎn)P至兩定點(diǎn)T、R的距離之和為常數(shù)時(shí)，此動(dòng)點(diǎn)軌跡為橢球體。在討論微波傳播時(shí)，若該常數(shù)為： d 則得到的橢球面稱為第一菲涅爾橢球面,式中d|TR| 。若該常數(shù)為： 則得到第n費(fèi)涅爾橢球面。若用圖5-8的一系列費(fèi)涅爾橢球面交截圖5-7的某個(gè)波前面，則得到一系列的圓的圓環(huán)，圖5-9，得第n費(fèi)涅爾區(qū)。,2.第n菲涅爾區(qū)的半徑Fn 第n菲涅爾區(qū)邊界的某個(gè)點(diǎn)P到TR連線的距離為第n菲涅爾區(qū)的半徑Fn.,因第n菲涅爾區(qū)定義: TP+PR=d+n/2 所以:,當(dāng)n=1,第1菲涅爾區(qū)的半徑,所以,顯然，P點(diǎn)位置不同時(shí)，F(xiàn)n亦不相同。當(dāng)P在線路中點(diǎn)時(shí)（ 時(shí)），F(xiàn)n最大，用Fnm表示。,5.2.1.2費(fèi)涅爾區(qū)對(duì)電波傳播的影響,圖中T點(diǎn)發(fā)射的球面波向R方向傳播。由菲涅爾區(qū)定義可知，經(jīng)過各菲涅爾區(qū)端點(diǎn) P1、P2、P3的電波射線TP1R、TP2R、TP3R依次相差/2。,各相鄰費(fèi)涅爾區(qū)在R處產(chǎn)生的電波場(chǎng)強(qiáng)相位相差1800,由費(fèi)涅爾區(qū)半徑公式可知，第一費(fèi)涅爾區(qū)的面積為F21 ;第二費(fèi)涅爾區(qū)的面積為： F22- F21 = （ 2 F1 ）2- F21 = F21 第三費(fèi)涅爾區(qū)的面積為： F21 可見個(gè)相鄰費(fèi)涅爾區(qū)面積相等。但它們離R的距離不相等。第一費(fèi)涅爾區(qū)離R最近，在R處產(chǎn)生的電場(chǎng)E1最大，其他依次減小，近似為等差級(jí)數(shù)，考慮到相位相反，使R點(diǎn)的總電場(chǎng)強(qiáng)度E=1/2 E1,5.2.1.3用費(fèi)涅爾區(qū)解釋阻擋物的影響 微波傳播途中有時(shí)遇到刃形障礙物，此時(shí)由于障礙物不能遮擋全部費(fèi)涅爾區(qū)，在收信處R可接收到微波。,刃形遮擋,傳播途中刃形障礙物,余隙：障礙物頂部至TR線的垂直距離hc。 正余隙：障礙物在TR線之下時(shí)，hc為正值 負(fù)余隙：障礙物的頂部在TR線以上時(shí)，hc為負(fù)值。 如果余隙 時(shí)，阻擋引起損耗正好是 0dB，即路徑損耗正好是自由空間損耗，所以h0稱為自由空間余隙。 若hch0，路徑損耗略有波動(dòng),最終穩(wěn)定在自由空間損耗上。 若hch0，那么隨著hc的減小，路徑損耗急劇增加。,微波鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證自由空間余隙內(nèi)沒有任何障礙物。在實(shí)際中往往要求在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)不存在任何障礙物。,5.2.1.4用菲涅爾區(qū)分析平坦地面的反射,平滑地面的反射,在兩個(gè)微波站的范圍內(nèi)，不考慮地球的曲率而視為平面。由惠更斯原理，總會(huì)有一部分電波折射到地面，接收點(diǎn)除收到直射波外，還收到地面反射的波。,1.反射波 反射波r2=TO+OR ；直射波: r1=TR 反射波與直射波的路程差r=TO+OR-TR 即r= r2-r1 反射波與直射波的相位差為: 相位常數(shù)r=2/r 設(shè)O點(diǎn)反射系數(shù)為:=e-j 設(shè)E0為自由空間傳播時(shí)，直射波到達(dá)R處的電場(chǎng)強(qiáng)度有效值。,直線波到達(dá)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)值: e1(t)=E0COSt 反射波到達(dá)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)值為： 反射波與直射波的總相位差為: 在接收點(diǎn)按平行四邊形求合成場(chǎng)矢量為e1(t)、e2(t)矢量和,E=AE=(AC+CD)2+DE21/2 接收點(diǎn)的合成電場(chǎng)強(qiáng)度有效值E與自由空間的直射波電場(chǎng)強(qiáng)度有效值E0之比稱為地面反射引起的衰落因子Lr =E/E0,一般入射角很小，180；而1（全反射），于是：,隨著r的變化，收信點(diǎn)的電場(chǎng)E可從零變化到2E0，E0出現(xiàn)在r、2 時(shí)，應(yīng)盡量避免。r變化引起接收處合成場(chǎng)強(qiáng)的改變可用費(fèi)涅爾區(qū)說明。,Lrr的關(guān)系,522 大氣對(duì)微波傳播的影響 大氣層可分為六層,依次稱為對(duì)流層、同溫層、中間層、電離層、超離層、逸散層。大氣的影響主要是對(duì)流層的影響。 5.2.2.1 大氣對(duì)微波的衰減 對(duì)流層對(duì)微波的衰減主要來自三方面： 云、霧、雨等小水滴對(duì)微波能量的熱吸收及氧分子對(duì)微波的諧振吸收 云、雨、霧、雪等水滴對(duì)微波的散射 對(duì)流層溫度隨高度的增加而下降，使電波發(fā)生折射、反射、散射、吸收等衰減現(xiàn)象，其中最主要的是大氣折射。,5.2.2.2 大氣對(duì)微波的折射 1大氣折射對(duì)微波軌跡的影響 在真空中電波傳播速度為：,而在大氣中，介電常數(shù) , 導(dǎo)磁率 ，故：,式中， 為相對(duì)介電常數(shù)，于是大氣層絕對(duì)折射率為：,因?yàn)榇髿馐欠蔷鶆蛐诺溃髿鈱拥?及n是h的函數(shù)。,2等效地球半徑 由于大氣折射的作用，使實(shí)際的電波傳播不是按直線進(jìn)行，而是連續(xù)折射彎曲的曲線，為分析方便引入“等效地球半徑Re”概念。引入Re后，便可把電波仍視為直射線，而真正地球半徑R（6370km）變成了Re。此時(shí)電波不是在真實(shí)地球上傳播，而是在等效地球上傳播。,等效條件是：等效前后電波射線軌跡上各點(diǎn)與地面之間垂直距離處處不變。由幾何學(xué)知，若兩曲線的曲率差相等，則它們之間距離處處相等，等效條件是電波路徑與地面之曲率差應(yīng)相等。 等效條件是：,變換后：,引入等效地球半徑系數(shù)K：,3正負(fù)折射及標(biāo)準(zhǔn)折射 根據(jù)電波在大氣層折射的軌跡，即K值的大小，大氣折射可分為以下幾類：,標(biāo)準(zhǔn)折射 在溫帶氣候條件下，通過大量試驗(yàn)得到的 平均值為：,得,在溫帶，K4/3時(shí)的大氣稱為“標(biāo)準(zhǔn)大氣”，Re（4/3）R=8500km稱為標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑，K4/3的大氣折射稱為標(biāo)準(zhǔn)折射。 在赤道，標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑為： Re =（4/33/2）R 在兩極，標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑為： Re =（6/54/3）R,4.視距傳播的極限距離,極限距離d：兩個(gè)相鄰天線之間最長(zhǎng)的可視距離。,視距傳播的極限距離為：,在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，Re=8 500km, 故：,由于地球等效半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線高度,有:,式中ht、hr的單位是m， d的單位是km,5.2.2.3大氣折射對(duì)反射點(diǎn)余隙的影響,1.地面突起高度在平原地面上相鄰兩微被站間，其地形剖面圖是一段弧,弧上各點(diǎn)至AB的垂直距離稱為該點(diǎn)的地面凸起高度，記為h 由于DE ：EBAE ：EF 而AEd1，EBd2， 又EFDE，EF2R，故得： C點(diǎn)是路徑上電波的反射點(diǎn)位置 R是地球?qū)嶋H半徑.,h,d2,d1,d1,d2,考慮電波折射,等效地面突起高度he : he=d1d2/2Re= d1d2/2KR 將R6370km代入式中得： he= 反射點(diǎn)余隙的變化 hc=h=h-he=d1d2/2R-d1d2/2kR=d1d2(k-1)/2KR 因此考慮了折射因素后的等效余隙hce 等效余隙hce =hc+hc=hc+d1d2(k-1)/2kR 可見K1（正折射）時(shí)，等效余隙hce增大；K1時(shí)，等效余隙hce減??；正折射時(shí)，K越大，等效余隙hce越大。,2. 復(fù)雜地形余隙的計(jì)算,球形地面上復(fù)雜地形單障礙物時(shí)地形路徑的典型斷面圖，實(shí)際微波電路多類似為這種斷面。,考慮大氣折射后的等效余隙hce ：,h1、h2為發(fā)射、接收天線對(duì)山頂?shù)母叨?m)； d1、d2為反射點(diǎn)到發(fā)、收兩端的距離； H1、H2為發(fā)射、接收點(diǎn)山頂高度（m），注意，它是海拔高度，不是山頂至山腳之高。 H3為反射點(diǎn)海拔高（m）； he為反射點(diǎn)等效地球的地面凸起高度（m）。,5.2.2.4 K值及余隙的選擇 在天線高度設(shè)計(jì)中，K值非常重要。在溫帶平均情況下，取K4/3，其變化范圍為2/3，若K值較小，余隙hc將會(huì)變小，電波衰減增大，故天線不能太低。反之，若天線較高，而氣象變化使K增大，則hc增大，顯得天線太高造成浪費(fèi)。如果hc等于費(fèi)涅爾區(qū)半徑，則可能使地面反射波削弱主波。 為此，對(duì)所選天線高度，應(yīng)按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查： （1）0.5，即地面反射系數(shù)較小，此時(shí)主要防止障礙阻擋過大，標(biāo)準(zhǔn)為 k 時(shí)，hc0.3F1(一般障礙物),或hc0(刃形障礙物) k 時(shí)，hcF1 k 時(shí)，hc不能等于偶數(shù)費(fèi)涅爾區(qū)半徑,（2） 0.7，即地面反射系數(shù)較大，此時(shí)主要防止反射衰落過大，標(biāo)準(zhǔn)為： k 時(shí)，hc0.3F1（一般障礙物），或hc0（刃形障礙物）； k 時(shí)，hcF1； k 時(shí)，hc1.35 F1 hc1.35 F1 是根據(jù)Lr不大于（68）dB而得。 若以上標(biāo)準(zhǔn)不能滿足，則改變路由，或改變天線高度，以便減小障礙物阻擋損耗及反射損耗。,例：設(shè)微波中繼通信采用f8GHz，站距為50km，路徑為光滑球形地面。 求（1）不計(jì)大氣折射，保證自由空間余隙 時(shí)，等高收發(fā)天線的最小高度； （2）在k 時(shí)，收發(fā)天線最小高度。,h00.577F1=0.577 0.577 12.4m,解：（1）地形為光滑球面，線路中點(diǎn)之地面凸起高度h最大，可設(shè)中點(diǎn)為反射點(diǎn)（一般以地形最高點(diǎn)為反射點(diǎn)），d1=d2=25km 而 0.0375m，于是自由空間余隙為：,49m,地面突起高度,確定收發(fā)天線高度時(shí)，應(yīng)使地面凸起高度最大處還留有h0 的傳播空間，故 Hminh0h12.4+4961.4m （2）k 時(shí)，地面凸起高度 he 36.8m Hmin12.4+36.849.2m,可見工作頻率提高，天線高度可以降低。,5.3 衰落及抗衰落技術(shù) 微波傳播路徑上的大氣不可能總是混合得很均勻，因存在對(duì)流、平流、湍流，以及霧、雨等因素影響，加上地面反射波的干涉，都會(huì)使收信點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)(或電平)不斷起伏變化。這種變化就稱為信號(hào)的隨機(jī)性。 抗衰落一般采用分集接收和自適應(yīng)均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)。,圖A 各種障礙物引起的反射和散射電磁波,天線,電波在傳輸途徑上遇到各種障礙物都可能產(chǎn)生反射、散射和吸收。實(shí)際上，接收點(diǎn)的電波除直射波以外，還有從各種障礙物（包括地面）產(chǎn)生的反射。,5.3.1 衰落原因及分類,引起衰落的原因大體上可以歸為兩大類：第一類是氣象條件的不平穩(wěn)變化引起的衰落； 第二類是多徑傳播引起的衰落。 對(duì)衰落比較普遍的分類方法是按衰落周期的時(shí)間快慢，分為 快衰落 慢衰落,慢衰落,快衰落,5.3.1.1 慢衰落：衰落隨時(shí)間變化比較緩慢，常由大氣折射的緩慢變化引起。如繞射衰落就是屬于這一類型。,5.3.1.2 快衰落：從幾秒鐘、幾分鐘以上至十分鐘的信號(hào)強(qiáng)度變化叫快衰落。多徑干涉產(chǎn)生的快衰落更嚴(yán)重。,在工程應(yīng)用中常按衰落產(chǎn)生的機(jī)制分為以下幾種類型。 K型衰落 波導(dǎo)型衰落 閃爍型衰落 散射型衰落 大氣雨霧的吸收衰落,5.3.2 抗衰落技術(shù) 5.3.2.1 分集技術(shù) 分集技術(shù)是指將同一個(gè)信號(hào)在發(fā)端分散發(fā)送，收端集中接收。最常用的分集方法是空間分集和頻率分集。 1空間分集 空間分集分為空間分集發(fā)信和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)，以空間分集接收為例，在不同的空間位置設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào)，然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)，這種工作方式稱為空間分集接收。 有幾副接收天線就稱為幾重分集。在微波傳輸系統(tǒng)中最常用的是二重垂直空間分集接收。,2頻率分集 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。當(dāng)采用兩個(gè)微波頻率時(shí)，稱為二重頻率分集。頻率分集有同頻段分集和跨頻段分集兩種類型。,5.3.2.2 自適應(yīng)均衡技術(shù) 實(shí)踐證明，一個(gè)高性能的數(shù)字微波通道往往是把空間分集和自適應(yīng)均衡技術(shù)配合使用的，以最大限度地降低通信中斷的時(shí)間。 1頻域自適應(yīng)均衡器,2時(shí)域自適應(yīng)均衡器 在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)誤碼率的主要原因是在收端取樣判決點(diǎn)處其前后信號(hào)對(duì)取樣判決樣值的碼間干擾。故通常采用時(shí)域自適應(yīng)均衡器以消除（減小）取樣判決點(diǎn)處的碼間干擾。應(yīng)用較廣的是加在基帶系統(tǒng)的由橫向?yàn)V波器構(gòu)成的自適應(yīng)均衡器。 在實(shí)際使用中，往往用頻域均衡器去實(shí)現(xiàn)粗均衡，時(shí)域自適應(yīng)均衡器均衡空間分集和頻域自適應(yīng)均衡器沒有完全均衡的剩余波形失真。理論上講，可以均衡基帶領(lǐng)域中的任何波形失真。,5.4 微波傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用,5.4.1微波通信系統(tǒng)的頻率配置 5.4.1.1微波傳輸系統(tǒng)使用頻段的劃分 微波傳輸是一種無線通信方式，但采用無線通信方式的不僅限于微波通信，還有廣播、導(dǎo)航、短波通信等，它們都是利用無線頻段來傳輸?shù)摹榱吮苊庀嗷ジ蓴_，必須對(duì)無線頻段作一些分配，以便不同的通信系統(tǒng)使用不同的頻段。 微波是指頻率為300MHz300GHz的電磁波（1GHz=Hz）。使用特有設(shè)備，并利用這個(gè)頻段的頻率作載波攜帶信息，通過無線電波空間進(jìn)行中繼（接力）通信的通信方式就叫微波通信。,無線電波頻段的劃分,電磁波的頻率不同，其空間傳播特性也不同。 在微波頻段中，頻率越低的電波傳輸越穩(wěn)定，但相應(yīng)的設(shè)備和元件尺寸也較大，否則損耗會(huì)增大。例如當(dāng)天線口徑一定時(shí)，微波頻率越低，天線增益也越低。 在微波頻段的使用方面，各國(guó)的微波設(shè)備往往首先使用4GHz 頻段，目前各國(guó)的通信設(shè)備已使用到 2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等頻段。我國(guó)數(shù)字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各頻段的設(shè)備。,5.4.1.2微波傳輸?shù)纳漕l頻率配置 1頻率配置的基本原則 在一個(gè)中間站，一個(gè)單向波道的收信和發(fā)信必須使用不同頻率，而且有足夠大的間隔。 多波道同時(shí)工作時(shí)，相鄰波道頻率之間必須有足夠的間隔 整個(gè)頻譜必須緊湊。 多波道系統(tǒng)要設(shè)法共用天線。 根據(jù)上述的頻率配置原則，當(dāng)一個(gè)站上有多個(gè)波道工作時(shí)，為了提高頻帶利用率，對(duì)一個(gè)波道而言，宜采用二頻制。即兩個(gè)方向的發(fā)信使用一個(gè)射頻頻率，兩個(gè)方向的收信使用另外一個(gè)射頻頻率。,多波道二頻制的頻率配置方案,2數(shù)字微波頻率配置方案舉例,對(duì)于數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)的頻率配置，CCIR提出相應(yīng)的建議書。,B站,我國(guó)幾種數(shù)字微波頻率配置方案,5.4.2 微波傳輸特點(diǎn) 微波傳輸系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是三方面，即“微波、多路、接力”。 “微波”是指微波工作頻段寬。微波頻率高，故其波長(zhǎng)短，微波通信一般使用面式天線，當(dāng)面式天線的口徑面積給定時(shí)，其增益與波長(zhǎng)的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天線。微波頻段，天電干擾和工業(yè)干擾及太陽黑子的變化基本上不起作用，所以可靠性和穩(wěn)定性很高。 “多路”是指微波通信的通信容量大，即微波通信設(shè)備的通頻帶可以做得很寬。 “接力”是指加中繼站，是目前廣泛的視距微波通信方式。,5.4.3 數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu),5.4.3.1數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)組成 調(diào)制與解調(diào)器的作用是將基帶信號(hào)對(duì)微波載波或中頻進(jìn)行調(diào)制，解調(diào)是調(diào)制的逆過程。,發(fā)射機(jī)是用來將已調(diào)信號(hào)功率放大后饋送給發(fā)射天線發(fā)射出去的設(shè)備。 接收機(jī)則是將受空間傳輸衰減后的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、混頻、濾波等處理和變換的設(shè)備。 分路系統(tǒng)實(shí)際上是分路濾波器（或稱雙工器），通信一般均是雙向進(jìn)行的，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收共用一副天線，必須采用分路系統(tǒng)，它利用收發(fā)頻率的差異實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離。 天饋線系統(tǒng)是由天線及其饋線完成收發(fā)信機(jī)的電信號(hào)和空間電磁波之間的能量轉(zhuǎn)換。,5.4.3.2天線饋線系統(tǒng),當(dāng)多波道雙向傳輸時(shí)，天饋線系統(tǒng)中的一些部件為收發(fā)兼用,同軸電纜型,圓波導(dǎo)型,1微波饋線系統(tǒng) 饋線系統(tǒng)是聯(lián)接分路系統(tǒng)與天線的饋線和波導(dǎo)部件。主要有五種安裝形式：同軸電纜系統(tǒng)、矩形硬波導(dǎo)系統(tǒng)、橢圓軟波導(dǎo)系統(tǒng)、圓一矩硬波導(dǎo)系統(tǒng)和圓一橢圓饋線系統(tǒng)。 目前4GHz、6GHz大部分使用圓一矩波導(dǎo)系統(tǒng)；2GHz用同軸電纜或橢圓軟波導(dǎo)；8GHz用矩形硬波導(dǎo)系統(tǒng)。隨著橢圓軟波導(dǎo)質(zhì)量的提高，其應(yīng)用范圍越來越大。,圓波導(dǎo)型饋線系統(tǒng)各部分的作用： 1.密封節(jié)：特制的波導(dǎo)小段，防止波導(dǎo)生銹。 2.雜波濾除器：在圓波導(dǎo)中,保證主模是TE11模傳送。是一種特制波導(dǎo)段來出去次主模. 3.極化補(bǔ)償器：校正極化去耦在圓波導(dǎo)度內(nèi)壁可微調(diào)的波導(dǎo)段。 4.極化旋轉(zhuǎn)器：波導(dǎo)段內(nèi)插入一介質(zhì)板可使極化方向旋轉(zhuǎn)。 5.極化分離器:用來分離兩種不同的(如水平和垂直極化波)極化波.,2微波天線,凡是能輻射或接收微波能量的天線都叫微波天線。 微波天線的技術(shù)參數(shù)有天線的增益和方向性、反射系數(shù)、極化去耦和機(jī)械強(qiáng)度等。 微波天線形式卡塞格林天線（具有雙曲面形反射器的拋物面天線。）另外還有喇叭天線，喇叭拋物天線，潛望鏡天線，標(biāo)準(zhǔn)地物面天線等。,(1)拋物面的幾何關(guān)系 焦點(diǎn)F放一微波源，發(fā)射波向四面八方放出射。如果反射體是一個(gè)拋物面，則由其焦點(diǎn)射出的電波經(jīng)拋物面反射之后，,將成為圓柱形平行射束方式向Z方向傳播。而這些反射波到達(dá)基準(zhǔn)面AA的路徑相等，即每條射線由F點(diǎn)射出至AA面止，其行程都相等。,雙曲線的幾何關(guān)系,頂點(diǎn)位置為z士a，x0，雙曲線有兩焦點(diǎn)為c和c,z,a,b,b,o,x,a,（2）雙曲面的幾何關(guān)系 在解析幾何中，雙曲線的標(biāo)準(zhǔn)方程為：,C,C,在雙曲線上任一點(diǎn)P（z，x）的法線PN與CP延長(zhǎng)線的夾角等于PN與PC的夾角； 等于常數(shù)，即,(3) 卡塞格林天線幾何關(guān)系,C發(fā)射波到雙曲面P點(diǎn)上，=,P1-P2=2a將C和雙曲面的焦點(diǎn)重合，當(dāng)輻射源放射在C后。相當(dāng)于從C處發(fā)射。 根據(jù)上述原理做成的天線叫卡塞格林天線。,反射波反向延長(zhǎng)到C上相當(dāng)于從C(F)點(diǎn)的發(fā)射波。,如果把雙曲面的焦點(diǎn)C與拋物面的焦點(diǎn)F重合在一起，同時(shí)把輻射源放在C上，則,卡塞格林天線,拋物面天線的基本參數(shù),(1)天線增益 天線增益是表示拋物面天線輻射能量的集中程度，用字母G表示。 G=E2/E02=A/(24) =(D/) E有方向天線在空間某點(diǎn)(P點(diǎn))產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。 E0無方向理想天線在某點(diǎn)(同一點(diǎn)P)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度. A: 天線口面積 ; D: 拋物面反射器的口面直徑 24:無方向性天線的等效面積,實(shí)際：G=(D/)2 稱為口面利用系數(shù)，一般=0.450.60 GdB=10lgG=10lg(D/)2 當(dāng)=0.54時(shí)，GdB=10lg（Df/c）2 GdB =20lgf(MHz)+20lgD(m)-42.28(dB) 式中：f(MHz)為工作波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率。 D(m)：為天線口面直徑(m). (2)半功率角(3dB波束寬度) 從主瓣向邊偏離時(shí)，功率的輻射左右下降到一半點(diǎn)叫半功率點(diǎn)。 天線的半功率角越小，能量集中程度越高。,(3)極化去耦,一個(gè)接收垂直極化波的天線，由于天線結(jié)構(gòu)不均勻性，也能收到少量的水平極化波將這兩部分功率之比稱為該天線的極化去耦。 極化去耦表示：x=10lg(p0/px) (dB) p0為正常(垂直)極化波的接收功率， px為異(水平)極化波的接收功率。 x值越大，極化去耦效果越好,(4)防衛(wèi)度,天線防衛(wèi)度指天線對(duì)某主瓣方向的接收能力與相對(duì)于主瓣方向的偏90o或180o接收能力的衰減程度。 防衛(wèi)度=10lg(P主/P偏)。 (5)電壓駐波比 電壓駐波比：描述天線與饋線間連接匹配的程度。 若駐波比小， (天線與饋線間的連接匹配越好) 反射波越小,雜波越小。,移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的天饋線改進(jìn)方案,數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)中的新天線技術(shù) 天線陣 賦形波束天線技術(shù) 分集接收天線技術(shù) 3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的天線 多天線收發(fā)技術(shù) 智能天線,5.4.3.3微波中繼,微波站可分為微波端站，微波中繼站和微波分站。主要都是由微波中繼機(jī)、饋線、天線、鐵塔等構(gòu)成。 可以分為：再生轉(zhuǎn)接（基帶式）、中頻轉(zhuǎn)接和微波轉(zhuǎn)接三種。,5.4.4 微波傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用舉例,其應(yīng)用主要分為兩大類：一類是以微波作為信息載體，主要應(yīng)用在雷達(dá)、導(dǎo)航、通信、遙感等領(lǐng)域；另一類是利用微波能，主要用在微波加熱、微波生物醫(yī)學(xué)及電量非電量的檢測(cè)等領(lǐng)域。 而微波作為信息載體的微波傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用主要有PDH微波傳輸系統(tǒng)和SDH微波傳輸系統(tǒng)。目前，SDH微波傳輸系統(tǒng)是微波傳輸系統(tǒng)最典型的應(yīng)用。,1.微波傳輸系統(tǒng)在電信網(wǎng)中的應(yīng)用 微波中繼傳輸作為通信網(wǎng)的一種傳輸方式，可以同其他傳輸方式一起構(gòu)成整個(gè)通信傳輸網(wǎng)，微波、光纖、衛(wèi)星一體的傳輸組網(wǎng)方式。,微波傳輸系統(tǒng)在全網(wǎng)中位置,二微波傳輸系統(tǒng)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，微波傳輸可應(yīng)用在兩個(gè)地方：一是基站收發(fā)信臺(tái)和基站控制器之間，二是基站控制器和移動(dòng)交換機(jī)之間。,在某些復(fù)雜的地形情況下，特別是在敷設(shè)光纜或電纜困難的地域，一般采用微波傳輸更為方便。,小 結(jié),無線信道是電波傳播信道中的一大類，它是典