微波與衛(wèi)星通信（第二版）微波與衛(wèi)星通信傳輸通道

微波與衛(wèi)星通信傳輸通道2.1自由空間的電波傳播2.2

微波傳播的影響因素2.3衛(wèi)星通信的電波傳播特性2.4移動(dòng)衛(wèi)星信道本章小結(jié)

2.1自由空間的電波傳播

2.1.1無(wú)線電波的傳播特性無(wú)線電波以多種傳輸方式從發(fā)射天線到達(dá)接收天線,主要包括自由空間波、對(duì)流層反射波、電離層波和地波。(1)如圖2-1中1所示,表面波傳播是電波沿著地球表面到達(dá)接收端的傳播方式。圖2-1無(wú)線電波的傳播特性

(2)天波傳播是自發(fā)射天線發(fā)出的電磁波,在高空被電離層反射回來(lái)到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式,如圖2-1中2所示。

(3)如圖2-1中3所示,視距傳播是電波依靠發(fā)射天線和接收天線之間直視的傳播方式,可以分為地對(duì)地視距傳播和地對(duì)空視距傳播。

(4)散射傳播是利用大氣層中對(duì)流層和電離層的不均勻性來(lái)散射電波,使電波到達(dá)視線以外的地方的傳播方式,如圖2-1中4所示。

(5)外層空間傳播是無(wú)線電波在對(duì)流層、電離層以外的外層空間中的傳播方式,如圖2-1中的5所示。

在電波的傳輸過(guò)程中,除了大氣、氣候?qū)ζ鋫鞑ギa(chǎn)生影響以外,地面的影響較大,主要表現(xiàn)在這幾方面:

①樹林、山丘、建筑物等能夠阻擋一部分電磁波的射線,從而增加了損耗;

②平滑的地面和水面可以將一部分的信號(hào)反射到接收天線上,反射波與入射波疊加后,有可能相互抵消而產(chǎn)生損耗;

③當(dāng)?shù)孛嫔蠠o(wú)明顯的障礙物時(shí),主要表現(xiàn)為反射波對(duì)直

射波的影響,反射是電平產(chǎn)生衰落的主要因素。

2.1.2-自由空間的微波傳播

自由空間又稱為理想介質(zhì)空間,即相當(dāng)于真空狀態(tài)的理想空間。在自由空間傳播的電磁波不產(chǎn)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象,也就是說(shuō),總能量并沒有被損耗掉。

微波在自由空間傳播時(shí),其能量會(huì)因向空間擴(kuò)散而衰耗。這種微波擴(kuò)散衰耗就稱為自由空間傳播損耗。當(dāng)距離d以km為單位、頻率f以GHz為單位時(shí),自由空間的傳播損耗Ls為

式中:d為收發(fā)天線的距離,f為發(fā)信頻率。

設(shè)Pt為發(fā)射機(jī)的功率電平,在自由空間傳播的條件下,接收機(jī)的輸入電平Pr為

其中:Gr、Gt分別為收、發(fā)天線的增益;Lfr、Lft分別為收、發(fā)兩端饋線的系統(tǒng)損耗;Lbr、Lbt為收、發(fā)兩端分路系統(tǒng)損耗。

2.2

微波傳播的影響因素

2.2.1地面反射對(duì)微波傳播的影響微波傳輸?shù)膶?shí)際介質(zhì)是大氣層而非均勻的介質(zhì)自由空間。大氣是在不斷變化著的,這種變化對(duì)微波傳播的影響以距地面約10km以下的被稱為對(duì)流層的低層大氣層的影響為最甚。

理論上,自由空間是指無(wú)邊際的空間,實(shí)際上這樣的理想空間是不存在的。然而,對(duì)于某一特定方向而言,卻存在著可以被視為自由空間傳播的可能性,這種設(shè)定更有其實(shí)際的意義。從而引入電波傳播費(fèi)涅耳區(qū)的概念。

如圖2-2所示,空間A處有一球面波源,以此為中心,半徑為R,構(gòu)筑一球面。圖2-2-費(fèi)涅耳半波帶

根據(jù)惠更斯費(fèi)涅耳原理,該球面上所有的同相惠更斯源可以視為遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)P的二次波源。設(shè)P點(diǎn)與A點(diǎn)相距d=R+r0,球面S可劃分成n個(gè)環(huán)形帶(n=1,2,3,…),相鄰兩帶的邊緣到P的距離相差半個(gè)波長(zhǎng)(物理學(xué)上這種環(huán)帶被稱為費(fèi)涅耳半波帶),即

假設(shè)第一費(fèi)涅耳區(qū)的半徑為F1,則當(dāng)各參數(shù)如圖2-3所示時(shí),根據(jù)第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑的定義,有

通常d1?F1,d2?F1,因此將上式作一級(jí)近似,可得

若λ的單位為m,d1、d2、d的單位為km,則以m為單位的F1可表示為

顯然,該半徑在路徑的中央d1=d2=d/2處達(dá)到最大值圖2-3費(fèi)涅耳區(qū)及第一費(fèi)涅耳區(qū)相關(guān)參數(shù)

實(shí)際上,劃分費(fèi)涅耳半波帶的球面是任意選取的,因此當(dāng)球面半徑R變化時(shí),盡管各費(fèi)涅耳區(qū)的尺寸也在變化,但是它們的幾何定義不變。而它們的幾何定義恰恰就是以A、P為焦點(diǎn)的橢圓,如圖2-4所示。圖2-4費(fèi)涅耳橢球

如圖2-5所示,即使地面上的障礙物遮擋了收、發(fā)兩點(diǎn)間的幾何射線,由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋住,因此接收點(diǎn)仍然可以收到信號(hào),此種現(xiàn)象稱為電波繞射。圖2-5不同波長(zhǎng)的繞射能力

在不考慮地球的曲率,認(rèn)為兩站之間的地形為平面時(shí),此地球表面稱為平滑地面。在實(shí)際建設(shè)微波通信線路時(shí),總是把收、發(fā)天線對(duì)準(zhǔn),以使收端收到較強(qiáng)的直射波。根據(jù)惠更斯原理,總會(huì)有一部分電波投射到地球表面,所以在收信點(diǎn)除收到直射波外,還要收到經(jīng)地面反射并滿足反射條件的反射波,如圖2-6所示。圖2-6平滑地面對(duì)微波的反射

1)余隙

路徑上O的余隙是指反射點(diǎn)O到TR的垂直距離。由于線路上距離d?h'c,為了方便,常用O點(diǎn)的垂直地面的線段hc近似表示余隙,即hc≈h'c,稱為O點(diǎn)的余隙。

2)直射波和反射波在收信點(diǎn)產(chǎn)生的合成場(chǎng)強(qiáng)

設(shè)E0為自由空間傳播時(shí),直射波到達(dá)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)的有效值,則直射波場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值為

反射波場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值為

在R點(diǎn)的矢量合成為

將合成場(chǎng)強(qiáng)E與自由空間場(chǎng)強(qiáng)E0之比稱為地面反射引起的衰落因子,用V表示

通常用分貝(dB)來(lái)表示衰落損耗的程度,即

將地面影響(有反射時(shí))考慮在內(nèi),實(shí)際的收信點(diǎn)的電平為

其中:Pr0是未考慮反射時(shí)的自由空間收信電平,以dBm為單位;Pr為有衰落時(shí)的收信電平以,dBm為單位。

圖2-7衰落因子V與Δr行程差的關(guān)系曲線

在工程上,一般不采用Δr去計(jì)算衰落因子V,而是借助余隙hc去計(jì)算V。

將其代入式(2-20),則

再將上式代入式(2-19),得

式中:hc為余隙;F1為第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑。

圖2-8VdB與hc/F1的關(guān)系曲線

2.2.2-大氣對(duì)微波傳播的影響

前面講的平滑地面的反射所指的空間環(huán)境為均勻的。因此,微波傳播中不論是直射波還是反射波都不會(huì)產(chǎn)生折射。但實(shí)際上大氣是不均勻的,大氣的成分、壓強(qiáng)、溫度和濕度都隨高度而變化,它們的變化引起大氣折射率也隨高度而變化,這將導(dǎo)致電波傳播方向發(fā)生變化,產(chǎn)生折射。

大氣折射由折射率n表示,指電波在自由空間的傳播速度c與電波在大氣中的傳播速度v的比值,記作

n值通常在1.0到1.00045之間,為了便于計(jì)算,又定義了折射率指數(shù)N=(n-1)×106。在自由空間N=0;在地球表面N=300左右。

圖2-9大氣折射對(duì)微波軌跡的影響

為了便于分析,引入等效地球半徑的概念。即把微波射線仍看成直線,而把地球半徑R0等效為Re,如圖2-10所示。圖2-10等效示意圖

等效的條件是:微波軌跡與地面之間的高度差hc相等,或等效前、后的微波路徑與球形地面之間的曲率之差保持不變。

定義K為等效地球半徑系數(shù)

圖2-11大氣折射的分類

大氣折射使微波射線路徑彎曲,將會(huì)導(dǎo)致余隙的增大或減小,余隙的變化必然引起VdB的變化,進(jìn)而使得收信點(diǎn)接收電平Pr發(fā)生變化。當(dāng)使用等效地球半徑的概念后,我們?nèi)钥梢曃⒉ㄉ渚€為直線,而認(rèn)為地球半徑有了變化,由實(shí)際半徑R0變?yōu)榈刃О霃絉e,如圖2-12所示。

圖2-12中虛線為等效后的地球凸起高度;實(shí)線為實(shí)際地球凸起高度。圖2-12-折射引起的余隙變化

通常所遵循的余隙標(biāo)準(zhǔn),如表2-1所示。

【例2-1】設(shè)微波通信頻率為8GHz,站距為50km,若路徑為真實(shí)的光滑球形地面,求:(1)當(dāng)不計(jì)氣象影響時(shí)(he=0),為保證h0的自由傳播空間不受阻擋,收、發(fā)天線高度H

min應(yīng)為多少米(設(shè)收發(fā)天線等高)?

(2)當(dāng)K=2/3時(shí),即考慮氣象條件對(duì)電波傳播的影響,且要求hc≥h0時(shí),收、發(fā)信天線高度至少應(yīng)為多少米?

解(1)根據(jù)題意,所給地形為光滑球面,故可設(shè)線路中點(diǎn)為地球凸起高度最高點(diǎn)和反射點(diǎn),因設(shè)收、發(fā)天線等高(H1=H2),可畫出圖2-13。圖2-13例2-1圖

(2)考慮氣象條件的影響,K=2/3時(shí),地球凸起高度為

復(fù)雜地形地面的典型斷面如圖2-14所示,實(shí)際微波路徑多類似為這種斷面。圖2-14復(fù)雜地形地面斷面圖

從幾何關(guān)系可導(dǎo)出考慮大氣折射時(shí)余隙hce的表達(dá)式為

式中:H1、H2-為收、發(fā)點(diǎn)山頂海拔高度(m);H3為反射點(diǎn)海拔高度(m);h1、h2-為收、發(fā)天線的高度(m);d1、d2-為收、發(fā)點(diǎn)到反射點(diǎn)的位置(km);d為站距(km);he為反射點(diǎn)等效地球凸起高度(m)。

2.2.3微波傳播中的衰落特性

實(shí)際中,微波傳播路徑的大氣不可能總是混合得非常均勻,因此存在對(duì)流、平流、湍流及雨霧等大氣現(xiàn)象,它們都是由對(duì)流層中一些特殊的大氣環(huán)境造成的,并且呈現(xiàn)隨機(jī)性。加上地面反射對(duì)電波傳播的影響,就使發(fā)信端到接收端之間的電波被散射、折射、吸收,或被地面反射。在同一瞬間,可能只有一種現(xiàn)象發(fā)生(影響較明顯),也可能幾種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生,其發(fā)生的次數(shù)及影響程度都帶有隨機(jī)性。這些影響會(huì)使收信點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)(或電平)隨時(shí)間而變化,這種收信電平隨時(shí)間起伏變化的現(xiàn)象,叫做微波傳播的衰落現(xiàn)象。

衰落的持續(xù)時(shí)間有長(zhǎng)有短。持續(xù)時(shí)間短的為幾毫秒至幾秒,稱為快衰落;持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的從幾分至幾小時(shí),稱為慢衰落。當(dāng)衰落發(fā)生時(shí),接收電平低于自由空間電平時(shí)稱為下衰落;高于自由空間電平時(shí)稱為上衰落。

研究表明:視距傳播衰落的主要原因是大氣與地面效應(yīng)。就發(fā)生衰落的物理原因而言,可以分成以下幾類

1.大氣吸收衰落

物體都是由帶電的粒子組成,這些粒子都有其固定的電磁諧振頻率。

2.雨霧引起的散射衰落

雨霧中的小水滴會(huì)使電磁波產(chǎn)生散射,從而造成電磁波的能量損失,產(chǎn)生散射衰落。

3.K型衰落

K型衰落是一種由多徑傳輸引起的干涉型衰落,它是由于直射波與地面反射波(或在某種情況下的繞射波)到達(dá)接收端因相位不同互相干涉造成的微波衰落。

4.波導(dǎo)型衰落

由于各種氣象條件的影響,如早晨地面被太陽(yáng)曬熱,夜間地面的冷卻,以及海面和高氣壓地區(qū)等都會(huì)造成大氣層中的不均勻結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波通過(guò)對(duì)流層中這些不均勻?qū)訒r(shí),將產(chǎn)生超折射現(xiàn)象,形成大氣波導(dǎo)。只要微波射線通過(guò)大氣波導(dǎo),而收、發(fā)兩點(diǎn)在波導(dǎo)層下面,如圖2-15所示,則收信點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度除了直射波和地面反射波外,還可能收到波導(dǎo)層的反射波,形成嚴(yán)重的干涉型衰落,并往往造成通信中斷,這種衰落稱為波導(dǎo)型衰落。圖2-15大氣波導(dǎo)形成的反射波

5.閃爍衰落

對(duì)流層中的大氣常常發(fā)生體積大小不等、無(wú)規(guī)則的漩渦運(yùn)動(dòng),稱為大氣湍流。大氣湍流形成的一些不均勻小塊或?qū)訝钗锸菇殡姵?shù)ε與周圍不同,并能使電波向周圍輻射,這就是對(duì)流層散射,如圖2-16所示。圖2-16對(duì)流層散射

6.頻率選擇性衰落

由前面討論的內(nèi)容知道,對(duì)一個(gè)微波接收站而言,收信點(diǎn)除了可以收到直射波外,還會(huì)收到來(lái)自路徑某點(diǎn)的反射波。大氣效應(yīng)又使大氣層中產(chǎn)生一些隨機(jī)的、不依賴于任何固定反射面的反射和散射電波,即收信點(diǎn)可以收到多個(gè)途徑傳來(lái)的電波,這就是多徑傳播現(xiàn)象。

頻率選擇性衰落是由多徑傳播產(chǎn)生的干涉型衰落現(xiàn)象引起的。我們可把多徑傳播歸納為兩種類型:一種是直射波與地面反射波形成的多徑;另一種是低空大氣層大氣效應(yīng)造成

的幾種途徑并存的多徑。一般地說(shuō),第一種是主要的,是必然發(fā)生的。第二種是次要的,不一定經(jīng)常發(fā)生。但是,當(dāng)?shù)孛娣瓷洳◤?qiáng)度很弱,甚至很微弱時(shí),第二種多徑影響就將成為主要因素。因多徑干涉型衰落是由幾條不同路徑的電波相干涉而產(chǎn)生的,所以從原理上講,對(duì)其衰落模型的研究應(yīng)該由幾條波束進(jìn)行合成。但是,在視距微波線路上,三條以上波束相干涉所造成的衰落使微波電路質(zhì)量變壞的概率較小,故一般都是對(duì)兩條波束模型產(chǎn)生的干涉型衰落機(jī)理進(jìn)行研究。

兩條射線(波束)傳輸信道的等效電路如圖2-17所示。圖2-17兩條射線傳輸信道的等效電路

在圖2-18(a)中,橫坐標(biāo)表示微波信號(hào)的頻率,縱坐標(biāo)表示幅頻特性,從左到右排列8個(gè)波道的帶寬。如圖2-18(a)所示第4、5波道無(wú)頻率選擇性衰落,幅頻特性是平坦的;而第2、7波道卻有很深的頻率選擇性衰落,通帶內(nèi)的幅頻特性偏差較大,呈現(xiàn)一個(gè)很深的凹陷;而1、3、6、8波道則有較明顯的幅頻特性傾斜。

如圖2-18所示的頻率選擇性衰落將使微波信號(hào)產(chǎn)生帶內(nèi)失真;如果系統(tǒng)的頻率配置采用同頻雙極化工作,還會(huì)使交叉極化鑒別度下降;另外,系統(tǒng)具有的抗深度衰落能力(衰落儲(chǔ)備)也要受到影響。圖2-18兩條射線信道的傳輸特性

(1)引起帶內(nèi)失真。

帶內(nèi)失真是指微波信號(hào)(已調(diào)波)在通帶內(nèi)的幅頻特性和群時(shí)延頻率特性具有非線性,信號(hào)的各頻譜成分的A(f)、T(f)特性隨頻率呈起伏變化的失真,如圖2-18所示。

(2)使交叉極化鑒別度下降。

在收發(fā)共用天線系統(tǒng)中,采用同頻(雙極化)再用方案時(shí),會(huì)引起頻率相同、極化正交的兩個(gè)波道之間的干擾,稱之為交叉極化干擾。

交叉極化鑒別度用XDP電平值表示,即

式中:P為收端某一波道接收到與發(fā)端極化相同信號(hào)的功率。PX為該波道極化失配時(shí)接收到的信號(hào)功率。XPD值越大,表示一種極化狀態(tài)經(jīng)傳輸變成正交極化狀態(tài)的能量越少。

(3)使系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降。

當(dāng)不考慮頻率選擇性衰落時(shí),系統(tǒng)的抗衰落能力是以平坦衰落儲(chǔ)備表征的。平坦衰落儲(chǔ)備是指與自由空間傳播條件相比,當(dāng)熱噪聲增加時(shí),為了在不超過(guò)門限誤碼的情況下系統(tǒng)仍能正常工作,所必須留有的電平余量。

數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常用到有效衰落儲(chǔ)備的概念,它表示與自由空間傳播條件相比,當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時(shí),為了在不超過(guò)門限誤碼率時(shí)系統(tǒng)仍能工作,所必須留有的電平余量。有效衰落儲(chǔ)備是兼顧平坦衰落儲(chǔ)備、多徑衰落儲(chǔ)備和考慮熱噪聲、干擾所需儲(chǔ)備的綜合衰落儲(chǔ)備。由于頻率選擇性衰落對(duì)微波通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量帶來(lái)了不利的影響,為了改善微波通信系統(tǒng)的性能,提高通信的質(zhì)量,解決的辦法是采用抗衰落技術(shù),以改善系統(tǒng)的抗頻率選擇性衰落的能力。

2.2.4抗衰落技術(shù)

微波傳播中的衰落現(xiàn)象給微波傳輸帶來(lái)了不利的影響,所以人們?cè)谘芯侩姴▊鞑ソy(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了各種對(duì)付微波衰落的技術(shù)措施,即抗衰落技術(shù)。

分集技術(shù)包括分集發(fā)送技術(shù)和分集接收技術(shù)。從分集的類型看,使用較多的是空間分集和頻率分集,這里以分集接收來(lái)了解這些技術(shù)

1.空間分集接收

分集接收就是采用兩種或兩種以上的不同的方法接收同一信號(hào),以減少衰減帶來(lái)的影響,是一種有效的抗衰落的措施。其基本思想是將接收到的信號(hào)分成多路的獨(dú)立不相關(guān)信號(hào),然后將這些不同能量的信號(hào)按不同的規(guī)則合并起來(lái)。

空間分集接收是指在空間不同的垂直高度上設(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),這種方式稱為空間分集接收。有幾副天線就稱為幾重分集。若架設(shè)的鐵塔上有兩副天線作接收,就叫做二重空間分集接收,如圖2-19所示。圖2-19二重空間分集接收示意圖

當(dāng)存在地面反射時(shí),由平滑地面反射知,發(fā)生地面發(fā)射而引起衰落時(shí),衰落大小與行程差、余隙有關(guān),所以接收?qǐng)鰪?qiáng)或電平隨接收點(diǎn)高度的變化而變化,呈瓣?duì)顖D形,如圖2-20所示。氣象條件變化時(shí),引起余隙變化,瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)會(huì)上下移動(dòng)。如果用一個(gè)固定高度的天線接收,這種變化無(wú)疑會(huì)引起信號(hào)的衰落。如果采用兩個(gè)固定天線,使其高度差等于場(chǎng)強(qiáng)分布相鄰最大和最小值的間距,這樣兩天線可以互相補(bǔ)償,使衰落大大地降低。圖2-20干涉長(zhǎng)的空間分布和分集天線的位置

為了使兩天線的信號(hào)變化相反,上、下天線所接收的合成電場(chǎng)強(qiáng)度相位差應(yīng)為

即

分集技術(shù)由分集改善度表示,是指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)之比。在ITU－R3764建議中,給出了當(dāng)忽略地面反射時(shí)分集改善度的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:D為站距,以km為單位;f為頻率,以GHz為單位;V為衰落因子,VdB=20lgV為衰落深度;S為天線間的距離,以m為單位;U為副天線相對(duì)于主天線的增益。

圖2-21是根據(jù)式(2-38)繪制的分集改善度列線圖。圖2-21對(duì)于分集天線高度差較小,改善度I<10的系統(tǒng)不適用,若參數(shù)不符合式(2-38)所定義的范圍及條件,由列線圖求出的I值將有誤差。圖2-21分集改善度列線圖

【例2-2】有一多徑傳播路由,若地面反射可忽略不計(jì)時(shí),站距D=40km,頻率f=4GHz,天線高度差S=9m,副天線相對(duì)于主天線的增益U=1,當(dāng)衰落深度VdB=-40dB時(shí),求分集改善度I。

解(1)在圖中的D尺上找到D=40km之點(diǎn)及f尺上f=4GHz之點(diǎn),通過(guò)兩點(diǎn)的直線與A1輔助尺交于a點(diǎn);

(2)通過(guò)a點(diǎn)與S尺S=9m之點(diǎn)作直線與A2-輔助尺交于b點(diǎn);

(3)通過(guò)b點(diǎn)與U尺U=1之點(diǎn)作直線與A3輔助尺交于c點(diǎn);

(4)通過(guò)c點(diǎn)與VdB=-40dB之點(diǎn)作直線與I輔助尺相交,讀得I=100

分集改善度是指在某一相對(duì)的收信電平時(shí),單一接收與分集接收的衰落累積時(shí)間百分比之比。其比值越大,說(shuō)明分集改善效果越好。在圖2-22中,當(dāng)收信電平低于自由空間收

信電平20dB時(shí),單一接收與分集接收一起接收同一收信電平,其衰落的累積時(shí)間百分比分別為1%和0.01%,兩者的比值為100,即分集改善度為100。圖2-22-累積分布曲線

2.頻率分集接收

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。

同頻段分集是指所發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號(hào)頻率f1和f2-位于同一微波頻段之中,其分集系統(tǒng)的示意圖如圖2-23所示。圖2-23同頻段分集系統(tǒng)示意圖

跨頻段分集是指發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號(hào)頻率f1和f2-分別位于不同的微波頻段之中,其分集系統(tǒng)的示意圖如圖2-24所示。圖2-24跨頻段分集系統(tǒng)示意圖

3.自適應(yīng)均衡技術(shù)

均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性,用來(lái)抵消信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的干擾,即通過(guò)均衡器消除時(shí)間和信道的選擇性。均衡技術(shù)用于解決符號(hào)間干擾

的問(wèn)題,適用于信號(hào)不可分離多徑的條件下,且時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)大于符號(hào)的寬度。均衡技術(shù)可分為頻域均衡和時(shí)域均衡兩種。頻域均衡指的是總的傳輸函數(shù)滿足無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件,即校正幅度特性和群時(shí)延特性。時(shí)域均衡是使總沖擊響應(yīng)滿足無(wú)碼間干擾的條件,數(shù)字通信多采用時(shí)域均衡,而模擬通信則多采用頻域均衡。

這種均衡器是一個(gè)諧振頻率fr和回路Q值可變的中頻諧振電路。用該中頻諧振電路產(chǎn)生的與多徑衰落造成的幅頻特性相反的特性,去抵消帶內(nèi)振幅偏差。

圖2-25(a)左邊部分示出了因多徑傳播造成的頻率選擇性衰落時(shí),凹陷點(diǎn)的頻率及其陡度(特性)會(huì)隨時(shí)變化。

圖2-25(b)所示的是這種頻域均衡器的原理電路。均衡器電路用分布參數(shù)和變?nèi)荻O管構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,當(dāng)改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容時(shí),可改變電路的中心諧振頻率。圖2-25衰落特性、均衡特性及均衡器原理圖

橫向?yàn)V波器式均衡器的結(jié)構(gòu)示于圖2-26。圖2-26橫向?yàn)V波器式均衡器結(jié)構(gòu)

下面用圖2-27對(duì)均衡原理簡(jiǎn)單說(shuō)明如下。圖2-27橫向?yàn)V波器式均衡器原理框圖

橫向?yàn)V波器能夠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。在實(shí)際使用中,往往將橫向?yàn)V波器式均衡器與頻域自適應(yīng)均衡器配合使用,在理論上講,可以均衡基帶領(lǐng)域中的任何波形失真

2.3衛(wèi)星通信的電波傳播特性

2.3.1衛(wèi)星通信中存在的電波傳播問(wèn)題衛(wèi)星通信是在空間技術(shù)和地面微波中繼通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,靠大氣層外的衛(wèi)星的中繼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。其載荷信息的無(wú)線電波要穿越大氣層,經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的距離在地面站和衛(wèi)星之間傳播,因此它受到多種因素的影響。傳播問(wèn)題會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)性能,這也是造成系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中斷的原因之一,因此電波傳播特性是衛(wèi)星通信以及其他無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的基本特性。

衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過(guò)對(duì)流層(含云層和雨層)、平流層、電離層和外層空間,跨越距離大,因此影響電波的傳播因素很多。表2-2列出了有關(guān)衛(wèi)星通信的電波傳播問(wèn)題。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中,由于移動(dòng)用戶的特點(diǎn),使接收電波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮擋反射、折射,從而引起多徑衰落,這是不同于固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飛機(jī)還會(huì)受到海面反射等引起的多徑衰落影響。固定站通信的時(shí)候,雖然存在多徑傳播,但是信號(hào)不會(huì)快衰落,只有由溫度等引起的信號(hào)包絡(luò)相對(duì)時(shí)間的緩慢變化,當(dāng)然條件是不能有其他移動(dòng)物體發(fā)射電磁波情況發(fā)生。

2.3.2-衛(wèi)星通信中通信電波的傳播噪聲

接收機(jī)輸入端的噪聲功率分別由內(nèi)部(接收機(jī))和外部(天線引入)噪聲源引入,外部噪聲源可以分為兩類:地面噪聲和太空噪聲。地面噪聲對(duì)天線噪聲影響最大,來(lái)源于大氣、降雨、地面、工業(yè)活動(dòng)(人為噪聲)等;太空噪聲來(lái)源于宇宙、太陽(yáng)系等。

1)太陽(yáng)系噪聲

它指的是太陽(yáng)系中太陽(yáng)、各行星以及月亮輻射的電磁干擾被天線接收而形成的噪聲,其中太陽(yáng)是最大的熱輻射源。

2)宇宙噪聲

宇宙噪聲是指外空間星體的熱氣體及分布在星際空間的物質(zhì)所形成的噪聲,在銀河系中心的指向上達(dá)到最大值(通常稱為指向熱空),在天空其他某些部分的指向上是很低的(稱為冷空)。

3)大氣噪聲與降雨噪聲

電離層、對(duì)流層不但吸收電波的能量,還會(huì)產(chǎn)生電磁輻射從而形成噪聲,其中主要是氧氣和水蒸氣構(gòu)成的大氣噪聲,大氣噪聲是頻率和仰角的函數(shù)。

4)內(nèi)部噪聲

內(nèi)部噪聲來(lái)源于接收機(jī),由于接收機(jī)中含有大量的電子元件,而這些電子元件由于溫度的影響,其中自由電子會(huì)做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng),這些運(yùn)動(dòng)實(shí)際上影響了電路的工作,這就是熱噪聲,因?yàn)樵诶碚撋?如果溫度降低到絕對(duì)溫度,那么這種內(nèi)部噪聲將為零,但實(shí)際上達(dá)不到絕對(duì)溫度,所以內(nèi)部噪聲不可根除,只可抑制。

2.3.3衛(wèi)星通信中的多普勒效應(yīng)

當(dāng)以一定速率運(yùn)動(dòng)的物體,例如飛機(jī),發(fā)出了一個(gè)載波頻率f1,地面上的固定接收點(diǎn)收到的載波頻率就不會(huì)是f1,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻移fd。其頻移大小表示為

式中,λ為接收信號(hào)載頻的波長(zhǎng)。

在衛(wèi)星移動(dòng)通信中,當(dāng)飛機(jī)移向衛(wèi)星時(shí),頻率變高,遠(yuǎn)離衛(wèi)星時(shí),頻率變低,而且由于飛機(jī)的速度十分快,所以我們?cè)谛l(wèi)星移動(dòng)通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。另外一方面,由于非靜止衛(wèi)星本身也具有很高的速度,所以目前主要用靜止衛(wèi)星與飛機(jī)進(jìn)行通信,為了避免這種影響造成通信中的問(wèn)題,不得不在技術(shù)上加以各種考慮。這也加大了衛(wèi)星移動(dòng)通信的復(fù)雜性。

2.4移動(dòng)衛(wèi)星信道

在衛(wèi)星通信中,固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS)和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)(BSS)一般采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳播模式;上行鏈路和下行鏈路均為視距內(nèi)的電波傳播;地面采用非移動(dòng)的終端收發(fā)信裝置。

基于上述因素。移動(dòng)衛(wèi)星信道當(dāng)中包含了由于電波的非視距傳播所形成的各種效應(yīng),信號(hào)將會(huì)發(fā)生如下變化:

(1)時(shí)延;

(2)相位和幅度的變化;

(3)與干擾信號(hào)的穿插作用。

因此,移動(dòng)衛(wèi)星的信道具有獨(dú)特性。其對(duì)系統(tǒng)鏈路的功率分析、設(shè)計(jì)以及移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程實(shí)踐至關(guān)重要。

2.4.1移動(dòng)信道傳播

一般而言,移動(dòng)通信信道與其應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān),涉及的環(huán)境因素包括自然形成的地形地物、地面建筑物以及其他存在于移動(dòng)終端周邊的障礙物等。固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS)和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)(BSS)的地面接收設(shè)備具有非移動(dòng)性,因此可以采用高增益的定向天線,有效地降低地形、地物對(duì)信道的影響,從而提高通信系統(tǒng)的質(zhì)量;與此相反,移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的移動(dòng)終端一般采用低增益的全向性天線,移動(dòng)終端周邊的環(huán)境容易引起移動(dòng)信道環(huán)境的惡化,從而影響通信的效率和質(zhì)量。為此,移動(dòng)信道可以分類為三種傳播狀態(tài),即多徑、陰影和阻擋。

形成信道多徑的主要原因包括:建筑物墻體和金屬標(biāo)牌的反射;建筑屋頂、山峰、尖塔等尖銳邊角的繞射;街道、樹木和水的散射等。此外,大氣成分,云、雨的吸收,大氣分層和天氣條件也將影響信號(hào)的電平。此外,移動(dòng)終端天線的性能,包括增益方向圖、旁瓣、后瓣也將影響整個(gè)信號(hào)的特點(diǎn)。

圖2-28(a)所示為窄帶衰落時(shí)的信道示意圖。在移動(dòng)終端的附近,由散射引起的多路徑的路徑差很小,一般在幾個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi),因此,不同路徑信號(hào)的相位差別很大。同時(shí),由于沿不同路徑的電波幾乎同時(shí)到達(dá)接收端,因此,帶寬內(nèi)所有頻點(diǎn)的信號(hào)以同樣的方式發(fā)生衰落。

除了視距路徑之外,衛(wèi)星發(fā)射機(jī)和移動(dòng)接收機(jī)之間會(huì)存在由散射形成的多徑現(xiàn)象,形成寬帶衰落,如圖2-28(b)所示。散射越強(qiáng),不同路徑的時(shí)延差越大,當(dāng)相對(duì)時(shí)延大于發(fā)射信號(hào)的碼元或者比特周期時(shí),在信息帶寬內(nèi),信號(hào)會(huì)發(fā)生巨大的變形,導(dǎo)致所謂的選擇性衰落。該信道則為寬帶衰落信道,在構(gòu)建寬帶衰落信道模型時(shí),需將這些因素均考慮在內(nèi)。圖2-28移動(dòng)衛(wèi)星的窄帶衰落和寬帶衰落

2.4.2-窄帶信道

如上所述,窄帶衰落信道是由移動(dòng)終端周圍的散射體引起相對(duì)較小的路徑差所形成的,各路徑的相位相差較大,而電波到達(dá)終端的時(shí)間近乎相同,帶寬內(nèi)所有頻點(diǎn)以同樣的方式發(fā)生變化和衰落。

依據(jù)變化的快慢,窄帶衰落呈現(xiàn)兩個(gè)層級(jí)。圖2-29所示為在移動(dòng)終端移動(dòng)距離相對(duì)較小時(shí)(如15m的范圍內(nèi)),移動(dòng)終端接收的信號(hào)電平值。

這一電平的慢變化被稱為陰影衰落,或慢衰落、大范圍衰落;相較而言,電平的快變化則被稱為多徑衰落,或快衰落、小范圍衰落。圖2-29窄帶衰落移動(dòng)信道移動(dòng)接收機(jī)的接收信號(hào)功率

2.4.3寬帶信道

當(dāng)信號(hào)到達(dá)移動(dòng)終端的波束存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的時(shí)候,則發(fā)生寬帶衰落。

設(shè)移動(dòng)終端y的接收信號(hào)是N個(gè)散射波路徑信號(hào)的疊加,其第i路信號(hào)的相位為θi,幅度為ai,時(shí)延為τi,則

上式中,每一項(xiàng)表示發(fā)射信號(hào)的一個(gè)“回波”。

在窄帶信道中,到達(dá)信號(hào)的時(shí)間延遲近似相等,信號(hào)的幅度不因載