第2章移動信道的電報傳播與干擾

第2章移動信道的電報傳播與干擾電波傳播特性移動信道的特征陰影效應地形地物對電波傳播的影響噪聲與干擾2/4/20231電波傳播特性電波傳播機理：直射、反射、繞射和散射路徑損耗、多徑損耗、陰影效應2/4/20232自由空間傳播損耗-直射波所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。實際情況下，只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)ε和相對導磁率μ都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計，在這樣情況下，電波可視作在自由空間傳播。自由空間傳播損耗與傳播距離和工作頻率有關：2/4/20233自由空間傳播損耗-直射波各向同性天線(亦稱全向天線或無方向性天線)的輻射功率為PT，則距輻射源d米單位面積上的電波功率密度S為接收天線獲取的電波功率等于該點的電波功率密度乘以接收天線的有效面積，即各向同性接收天線的有效面積接收天線上獲得的功率為?2/4/20234自由空間傳播損耗-直射波由上式可見，自由空間傳播損耗Lfs可定義為以dB計，得或式中，d的單位為km，頻率單位以MHz計。2/4/20235自由空間傳播損耗-直射波式中，d的單位為km，頻率單位以MHz計。傳播距離d越遠，自由空間傳播損耗Lfs越大，距離d增加一倍，損耗Lfs增加6dB；工作頻率f越高，自由空間傳播損耗Lfs越大，頻率f提高一倍，損耗Lfs增加6dB；2/4/20236電波的視距傳播自發(fā)射天線頂點A到切點C的距離d1為由切點C到接收天線頂點B的距離d2為在標準大氣折射情況下，Re=8500km,故式中，ht、hr的單位是m,d的單位是km。2/4/20237電波的三種基本傳播機制-反射波2/4/20238通常，在考慮地面對電波的反射時，按平面波處理，即電波在反射點的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表征，它定義為反射波場強與入射波場強的比值，R可表示為式中，|R|為反射點上反射波場強與入射波場強的振幅比，Φ代表反射波相對于入射波的相移。2/4/20239式中，d=d1+d2。式中，2π/λ稱為傳播相移常數(shù)。由路徑差Δd引起的附加相移Δφ為這時接收場強E可表示為2/4/202310電波的三種基本傳播機制-繞射波菲涅爾余隙菲涅爾區(qū)：當電波傳播的波振面的半徑變化時，具有相同相位特性的環(huán)形帶構成的空間區(qū)域式中d單位kmλ單位mm，x單位m障礙物與余隙(a)負余隙；(b)正余隙2/4/202311電波的三種基本傳播機制-繞射波當x/x1＞0.5時，附加損耗約為0dB，即障礙物對直射波傳播基本上沒有影響。為此，在選擇天線高度時，根據(jù)地形盡可能使服務區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙x＞0.5x1;當x＜0，即直射線低于障礙物頂點時，損耗急劇增加；當x=0時，即TR直射線從障礙物頂點擦過時，附加損耗約為6dB2/4/202312例設圖中所示的傳播路徑中，菲涅爾余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。解先求出自由空間傳播的損耗Lfs為

由圖表查得附加損耗(x/x1≈-1)為17dB,所以電波傳播的損耗L為求第一菲涅爾區(qū)半徑x1為2/4/202313電波的三種基本傳播機制-散射波電波在傳播過程中遇到障礙物表面粗糙或者體積小但數(shù)目多時,會在其表面發(fā)生散射,形成散射波。散射波可能散布于許多方向,因而電波的能量也被分散于多個方向。2/4/202314第2章移動信道的電報傳播與干擾電波傳播特性移動信道的特征陰影效應地形地物對電波傳播的影響噪聲與干擾2/4/202315傳播路徑-多徑衰落假設反射系數(shù)R=-1(鏡面反射)，則合成場強E為

式中，E0是直射波場強，λ是工作波長，α1和α2分別是地面反射波和散射波相對于直射波的衰減系數(shù)，而

2/4/202316多普勒頻移移動臺在運動中通信時，接收信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應。由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移運動方向入射電波2/4/202317信號衰落移動通信接收點所接收到的信號場強是隨機起伏變化的，這種隨機起伏變化稱為衰落隨機量的研究通常采用統(tǒng)計分析法2/4/202318多徑效應與瑞利衰落假設：發(fā)射機、接收機沒有直射通路大量反射波存在，到達接收天線方向角隨機，相位隨機均勻分布反射波的幅度和相位都是統(tǒng)計獨立的結論接收信號的相位服從0~2π接收信號包絡服從瑞利分布理論上可以推出：存在占支配地位分量的大量隨機變量之和服從萊斯分布2/4/202319多徑衰落的時域特征——時延擴展時延擴展，導致碼間串擾時延擴展可以通過實測信號統(tǒng)計平均的方法來分析，得到時延譜曲線2/4/202320時延擴展的典型實測數(shù)據(jù)2/4/202321多徑衰落的頻域特征——相關帶寬頻率選擇性衰落衰落與頻率有關非頻率選擇性衰落，即平坦衰落相關帶寬信號帶寬（碼元速率低）小于相關帶寬時，發(fā)生平坦衰落；信號帶寬（碼元速率高）大于相關帶寬時，發(fā)生頻率選擇性衰落實際應用中，常用最大時延Tm的倒數(shù)規(guī)定相關帶寬。即2/4/202322第2章移動信道的電報傳播與干擾電波傳播特性移動信道的特征陰影效應地形地物對電波傳播的影響噪聲與干擾2/4/202323陰影效應移動臺在運動中通過不同障礙物的陰影時，就構成接收天線處場強中值的變化，從而引起衰落，這種衰落稱為陰影衰落這種衰落的變化速率較為緩慢，又稱為慢衰落慢衰落的速率主要取決于傳播環(huán)境，即移動臺周圍地形以及移動臺移動的速度，而與頻率無關。慢衰落的深度取決于信號與障礙物的狀況。頻率高的信號容易穿透建筑物，而頻率低的信號具有較強的繞射能力2/4/202324第2章移動信道的電報傳播與干擾電波傳播特性移動信道的特征陰影效應地形地物對電波傳播的影響噪聲與干擾2/4/202325地形特征——地形波動高度地形波動高度描述了電波傳播路徑中地形變化的程度。定義為沿通信方向，距接收地點10km范圍內(nèi)，10%高度線和90%高度線之高度差。2/4/202326若基站天線頂點的海拔高度為hts，從天線設置地點開始，沿著電波傳播方向的3km到15km之內(nèi)的地面平均海拔高度為hga，則定義基站天線的有效高度為若傳播距離不到15km,hga是3km到實際距離之間的平均海拔高度。移動臺天線的有效高度hm總是指天線在當?shù)氐孛嫔系母叨取?/p>

地形特征——天線有效高度2/4/202327地形分類為了計算移動信道中信號電場強度中值(或傳播損耗中值)，可將地形分為兩大類，即中等起伏地形和不規(guī)則地形，并以中等起伏地形作傳播基準。所謂中等起伏地形是指在傳播徑的地形剖面圖上，地面起伏高度不超過20m，且起伏緩慢，峰點與谷點之間的水平距離大于起伏高度。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陸混合地形等統(tǒng)稱為不規(guī)則地形。2/4/202328傳播環(huán)境分類不同地物環(huán)境其傳播條件不同，按照地物的密集程度不同可分為三類地區(qū)：開闊地。在電波傳播的路徑上無高大樹木、建筑物等障礙物，呈開闊狀地面，如農(nóng)田、荒野、廣場、沙漠和戈壁灘等；郊區(qū)。在靠近移動臺近處有些障礙物但不稠密，例如，有少量的低層房屋或小樹林等；市區(qū)。有較密集的建筑物和高層樓房。2/4/202329電波傳播模型基于理論和測試結果統(tǒng)計的近似計算在計算各種地形、地物上的傳播損耗時，均以中等起伏地上市區(qū)的損耗中值或場強中值作為基準，因而把它稱作基準中值或基本中值?；局兄蹬c頻率距離的關系自由空間傳播損耗基礎為0dB的相對值2/4/202330基站天線、移動臺天線的高度增益2/4/202331郊區(qū)、開闊地的損耗中值2/4/202332丘陵地的修正因子頂部與谷底的微小修正2/4/202333孤立山岳的修正因子2/4/202334斜坡地、水陸混合地修正因子450MHz和900MHz2/4/202335任意地形地區(qū)的傳播損耗的中值1.中等起伏地市區(qū)中接收信號的功率中值PP中等起伏地市區(qū)接收信號的功率中值PP(不考慮街道走向)可由下式確定：式中，P0為自由空間傳播條件下的接收信號的功率，即2/4/202336式中：PT——發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率；λ——工作波長；d——收發(fā)天線間的距離；Gb——基站天線增益；Gm——移動臺天線增益。Am(f,d)是中等起伏地市區(qū)的基本損耗中值，即假定自由空間損耗為0dB，基站天線高度為200m,移動臺天線高度為3m的情況下得到的損耗中值，它可由圖求出。2/4/202337Hb(hb,d)是基站天線高度增益因子，它是以基站天線高度200m為基準得到的相對增益，其值可由圖求。Hm(hm,f)是移動天線高度增益因子，它是以移動臺天線高度3m為基準得到的相對增益，可由圖求得。2/4/2023382.任意地形地區(qū)接收信號的功率中值PPC任意地形地區(qū)接收信號的功率中值是以中等起伏地市區(qū)接收信號的功率中值PP為基礎，加上地形地區(qū)修正因子KT，即地形地區(qū)修正因子KT一般可寫成2/4/202339式中：Kmr——郊區(qū)修正因子，可由圖求得；Qo、Qr——開闊地或準開闊地修正因子，可由圖求得；Kh、Khf——丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖求得；Kjs——孤立山岳修正因子，可由圖求得；Ksp——斜坡地形修正因子，可由圖求得；KS——水陸混合路徑修正因子，可由圖求得2/4/202340根據(jù)地形地區(qū)的不同情況，確定KT包含的修正因子，例如傳播路徑是開闊地上斜坡地形，那么KT=Qo+Ksp，其余各項為零；又如傳播路徑是郊區(qū)和丘陵地，則KT=Kmr+Kh+Khf。其它情況類推。任意地形地區(qū)的傳播損耗中值式中，LT為中等起伏地市區(qū)傳播損耗中值，即2/4/202341第2章移動信道的電報傳播與干擾電波傳播特性移動信道的特征陰影效應地形地物對電波傳播的影響噪聲與干擾2/4/202342噪聲的分類與特性內(nèi)部噪聲外部噪聲人為噪聲2/4/202343內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設備本身產(chǎn)生的各種噪聲。不能預測的噪聲統(tǒng)稱為隨機噪聲。自然噪聲及人為噪聲為外部噪聲，它們也屬于隨機噪聲。依據(jù)噪聲特征又可分為脈沖噪聲和起伏噪聲。脈沖噪聲是在時間上無規(guī)則的突發(fā)噪聲，汽車發(fā)動機所產(chǎn)生的點火噪聲，這種噪聲的主要特點是其突發(fā)的脈沖幅度較大，而持續(xù)時間較短；從頻譜上看，脈沖噪聲通常有較寬頻帶；熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲是典型的起伏噪聲。2/4/202344外部噪聲在移動信道中，外部噪聲(亦稱環(huán)境噪聲)的影響較大，外部噪聲分為六種：①大氣噪聲；②太陽噪聲；③銀河噪聲；④郊區(qū)人為噪聲；⑤市區(qū)人為噪聲；⑥典型接收機的內(nèi)部噪聲。其中，前五種均為外部噪聲。有時將太陽噪聲和銀河噪聲統(tǒng)稱為宇宙噪聲。2/4/202345各種噪聲功率與頻率的關系N0=KT0BN，K波茲曼常數(shù)（1.38*10-23J/K），T0參考絕對溫度（290K）,BN接收機有效噪聲帶寬2/4/202346人為噪聲所謂人為噪聲，是指各種電氣裝置中電流或電壓發(fā)生急劇變化而形成的電磁輻射，諸如電動機、電焊機、高頻電氣裝置、電氣開關等所產(chǎn)生的火花放電形成的電磁輻射。幾種典型環(huán)境的人為噪聲系數(shù)平均值2/4/202347環(huán)境噪聲和多徑傳播對話音質(zhì)量的綜合影響2/4/202348干擾臨道干擾相鄰的或鄰近頻道的信號相互干擾。同頻干擾同載頻電臺之間的干擾互調(diào)干擾2/4/202349臨道干擾增加電臺距離提高接收機的中頻選擇性以及優(yōu)選接收機指標限制發(fā)射信號帶寬移動臺功率方面，滿足通信距離要求下盡量小功率其他：天線定向波束等2/4/202350同頻道再用距離為了提高頻率利用率，在滿足一定通信質(zhì)量的條件下，允許使用相同頻道的無線區(qū)之間的最小距離為同頻道再用的最小安全距離，簡稱同頻道再用距離或共道再用距離。所謂“安全”系指接收機輸入端的有用信號與同頻道干擾的比值要大于射頻防護比。假定各基站與各移動臺的設備參數(shù)相同，地形條件也是理想的。這樣，同頻道再用距離只與以下諸因素有關：調(diào)制制度。電波傳播特性。光滑地平面，d以km計，ht、hr以m計基站覆蓋范圍或小區(qū)半徑r0。通信工作方式。。要求的可靠通信概率。2/4/202351同頻道再用距離示意圖2/4/202352

假設基站A和B使用相同的頻道，移動臺M正在接收基站A發(fā)射的信號，由于基站天線高度大于移動臺天線高度，因此當移動臺M處于小區(qū)的邊沿時，易于受到基站B發(fā)射的同頻道干擾。假若輸入到移動臺接收機的有用信號與同頻道干擾之比等于射頻防護比，則A、B兩基站之間的距離即為同頻道再用距離，記作D。由圖可見：式中，DI為同頻道干擾源至被干擾接收機的距離，DS為有用信號的傳播距離，即為小區(qū)半徑r0。2/4/202353通常，定義同頻道再用系數(shù)為可得同頻道再用系數(shù)設干擾信號和有用信號的傳播損耗中值分別用LI和LS表示2/4/202354所以傳播損