第2章移動(dòng)信道的電報(bào)傳播與干擾

第2章移動(dòng)信道的電報(bào)傳播與干擾電波傳播特性移動(dòng)信道的特征陰影效應(yīng)地形地物對(duì)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(jī)理：直射、反射、繞射和散射路徑損耗、多徑損耗、陰影效應(yīng)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(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。實(shí)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(duì)介電常數(shù)ε和相對(duì)導(dǎo)磁率μ都等于1，傳播路徑上沒(méi)有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，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(guān)：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(wú)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(diǎn)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(jiàn)，自由空間傳播損耗Lfs可定義為以dB計(jì)，得或式中，d的單位為km，頻率單位以MHz計(jì)。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(jì)。傳播距離d越遠(yuǎn)，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(diǎn)A到切點(diǎn)C的距離d1為由切點(diǎn)C到接收天線頂點(diǎn)B的距離d2為在標(biāo)準(zhǔn)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(jī)制-反射波2/4/20238通常，在考慮地面對(duì)電波的反射時(shí)，按平面波處理，即電波在反射點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)與入射波場(chǎng)強(qiáng)的比值，R可表示為式中，|R|為反射點(diǎn)上反射波場(chǎng)強(qiáng)與入射波場(chǎng)強(qiáng)的振幅比，Φ代表反射波相對(duì)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(shí)接收?qǐng)鰪?qiáng)E可表示為2/4/202310電波的三種基本傳播機(jī)制-繞射波菲涅爾余隙菲涅爾區(qū)：當(dāng)電波傳播的波振面的半徑變化時(shí)，具有相同相位特性的環(huán)形帶構(gòu)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(fù)余隙；(b)正余隙2/4/202311電波的三種基本傳播機(jī)制-繞射波當(dāng)x/x1＞0.5時(shí)，附加損耗約為0dB，即障礙物對(duì)直射波傳播基本上沒(méi)有影響。為此，在選擇天線高度時(shí)，根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙x＞0.5x1;當(dāng)x＜0，即直射線低于障礙物頂點(diǎn)時(shí)，損耗急劇增加；當(dāng)x=0時(shí)，即TR直射線從障礙物頂點(diǎn)擦過(guò)時(shí)，附加損耗約為6dB2/4/202312例設(shè)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(jī)制-散射波電波在傳播過(guò)程中遇到障礙物表面粗糙或者體積小但數(shù)目多時(shí),會(huì)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(gè)方向。2/4/202314第2章移動(dòng)信道的電報(bào)傳播與干擾電波傳播特性移動(dòng)信道的特征陰影效應(yīng)地形地物對(duì)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(shè)反射系數(shù)R=-1(鏡面反射)，則合成場(chǎng)強(qiáng)E為

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

2/4/202316多普勒頻移移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中通信時(shí)，接收信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移運(yùn)動(dòng)方向入射電波2/4/202317信號(hào)衰落移動(dòng)通信接收點(diǎn)所接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)是隨機(jī)起伏變化的，這種隨機(jī)起伏變化稱為衰落隨機(jī)量的研究通常采用統(tǒng)計(jì)分析法2/4/202318多徑效應(yīng)與瑞利衰落假設(shè)：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)沒(méi)有直射通路大量反射波存在，到達(dá)接收天線方向角隨機(jī)，相位隨機(jī)均勻分布反射波的幅度和相位都是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的結(jié)論接收信號(hào)的相位服從0~2π接收信號(hào)包絡(luò)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(jī)變量之和服從萊斯分布2/4/202319多徑衰落的時(shí)域特征——時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展，導(dǎo)致碼間串?dāng)_時(shí)延擴(kuò)展可以通過(guò)實(shí)測(cè)信號(hào)統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)分析，得到時(shí)延譜曲線2/4/202320時(shí)延擴(kuò)展的典型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2/4/202321多徑衰落的頻域特征——相關(guān)帶寬頻率選擇性衰落衰落與頻率有關(guān)非頻率選擇性衰落，即平坦衰落相關(guān)帶寬信號(hào)帶寬（碼元速率低）小于相關(guān)帶寬時(shí)，發(fā)生平坦衰落；信號(hào)帶寬（碼元速率高）大于相關(guān)帶寬時(shí)，發(fā)生頻率選擇性衰落實(shí)際應(yīng)用中，常用最大時(shí)延Tm的倒數(shù)規(guī)定相關(guān)帶寬。即2/4/202322第2章移動(dòng)信道的電報(bào)傳播與干擾電波傳播特性移動(dòng)信道的特征陰影效應(yīng)地形地物對(duì)電波傳播的影響噪聲與干擾2/4/202323陰影效應(yīng)移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中通過(guò)不同障礙物的陰影時(shí)，就構(gòu)成接收天線處場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)臺(tái)周圍地形以及移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的速度，而與頻率無(wú)關(guān)。慢衰落的深度取決于信號(hào)與障礙物的狀況。頻率高的信號(hào)容易穿透建筑物，而頻率低的信號(hào)具有較強(qiáng)的繞射能力2/4/202324第2章移動(dòng)信道的電報(bào)傳播與干擾電波傳播特性移動(dòng)信道的特征陰影效應(yīng)地形地物對(duì)電波傳播的影響噪聲與干擾2/4/202325地形特征——地形波動(dòng)高度地形波動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)的海拔高度為hts，從天線設(shè)置地點(diǎn)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(shí)際距離之間的平均海拔高度。移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度hm總是指天線在當(dāng)?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(jì)算移動(dòng)信道中信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)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(zhǔn)。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(guò)20m，且起伏緩慢，峰點(diǎn)與谷點(diǎn)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(wú)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(chǎng)、沙漠和戈壁灘等；郊區(qū)。在靠近移動(dòng)臺(tái)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(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)的近似計(jì)算在計(jì)算各種地形、地物上的傳播損耗時(shí)，均以中等起伏地上市區(qū)的損耗中值或場(chǎng)強(qiáng)中值作為基準(zhǔn)，因而把它稱作基準(zhǔn)中值或基本中值?；局兄蹬c頻率距離的關(guān)系自由空間傳播損耗基礎(chǔ)為0dB的相對(duì)值2/4/202330基站天線、移動(dòng)臺(tái)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(hào)的功率中值PP中等起伏地市區(qū)接收信號(hào)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(hào)的功率，即2/4/202336式中：PT——發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率；λ——工作波長(zhǎng)；d——收發(fā)天線間的距離；Gb——基站天線增益；Gm——移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)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(zhǔn)得到的相對(duì)增益，其值可由圖求。Hm(hm,f)是移動(dòng)天線高度增益因子，它是以移動(dòng)臺(tái)天線高度3m為基準(zhǔn)得到的相對(duì)增益，可由圖求得。2/4/2023382.任意地形地區(qū)接收信號(hào)的功率中值PPC任意地形地區(qū)接收信號(hào)的功率中值是以中等起伏地市區(qū)接收信號(hào)的功率中值PP為基礎(chǔ)，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(zhǔn)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(xiàng)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(dòng)信道的電報(bào)傳播與干擾電波傳播特性移動(dòng)信道的特征陰影效應(yīng)地形地物對(duì)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(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。不能預(yù)測(cè)的噪聲統(tǒng)稱為隨機(jī)噪聲。自然噪聲及人為噪聲為外部噪聲，它們也屬于隨機(jī)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(shí)間上無(wú)規(guī)則的突發(fā)噪聲，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的點(diǎn)火噪聲，這種噪聲的主要特點(diǎn)是其突發(fā)的脈沖幅度較大，而持續(xù)時(shí)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(dòng)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(yáng)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(jī)的內(nèi)部噪聲。其中，前五種均為外部噪聲。有時(shí)將太陽(yáng)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(guān)系N0=KT0BN，K波茲曼常數(shù)（1.38*10-23J/K），T0參考絕對(duì)溫度（290K）,BN接收機(jī)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(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、高頻電氣裝置、電氣開關(guān)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(duì)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(hào)相互干擾。同頻干擾同載頻電臺(tái)之間的干擾互調(diào)干擾2/4/202349臨道干擾增加電臺(tái)距離提高接收機(jī)的中頻選擇性以及優(yōu)選接收機(jī)指標(biāo)限制發(fā)射信號(hào)帶寬移動(dòng)臺(tái)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(wú)線區(qū)之間的最小距離為同頻道再用的最小安全距離，簡(jiǎn)稱同頻道再用距離或共道再用距離。所謂“安全”系指接收機(jī)輸入端的有用信號(hào)與同頻道干擾的比值要大于射頻防護(hù)比。假定各基站與各移動(dòng)臺(tái)的設(shè)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(guān)：調(diào)制制度。電波傳播特性。光滑地平面，d以km計(jì)，ht、hr以m計(jì)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(shè)基站A和B使用相同的頻道，移動(dòng)臺(tái)M正在接收基站A發(fā)射的信號(hào)，由于基站天線高度大于移動(dòng)臺(tái)天線高度，因此當(dāng)移動(dòng)臺(tái)M處于小區(qū)的邊沿時(shí)，易于受到基站B發(fā)射的同頻道干擾。假若輸入到移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)的有用信號(hào)與同頻道干擾之比等于射頻防護(hù)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(jiàn)：式中，DI為同頻道干擾源至被干擾接收機(jī)的距離，DS為有用信號(hào)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(shè)干擾信號(hào)和有用信號(hào)的傳播損耗中值分別用LI和LS表示2/4/202354所以傳播損