無(wú)線通信工程-信道模板

無(wú)線通信工程-信道模板第一頁(yè)，共46頁(yè)。第三講無(wú)線通信的信道引言自由空間傳播地面視距傳播地面超視距傳播移動(dòng)傳播第二頁(yè)，共46頁(yè)。引言第三頁(yè)，共46頁(yè)。

引言（1）：無(wú)線通信信道的分類理想無(wú)線信道？非理想無(wú)線信道？ 理想：無(wú)阻擋、無(wú)衰落、無(wú)時(shí)變、無(wú)干擾，自由空間傳播。固定無(wú)線信道？移動(dòng)無(wú)線信道？視距無(wú)線信道？非視距無(wú)線信道？ 視距，如：地面視距、衛(wèi)星。 非視距，如：地面繞射、對(duì)流層散射、電離層折射。有干擾無(wú)線信道？無(wú)干擾無(wú)線信道？ 干擾，如：系統(tǒng)內(nèi)部的干擾、系統(tǒng)外部的非敵意干擾、敵意干擾。第四頁(yè)，共46頁(yè)。

引言（2）：無(wú)線通信信道的指標(biāo)傳播衰減 －衰減的平均值 －衰減的最大值 －衰減的統(tǒng)計(jì)特性傳播延時(shí) －延時(shí)的平均值 －延時(shí)的最大值 －延時(shí)的統(tǒng)計(jì)特性延時(shí)擴(kuò)展 －對(duì)信道色散效應(yīng)的描述多普勒擴(kuò)展 －對(duì)信道時(shí)變效應(yīng)的描述干擾 －干擾的性質(zhì) －干擾的強(qiáng)度第五頁(yè)，共46頁(yè)。

引言（3）：無(wú)線傳播信道的模型信道響應(yīng)為h(,t)

，可以表示色散和時(shí)變假設(shè)：線性信道、加性干擾h(,t)s(t)r(t)n(t)第六頁(yè)，共46頁(yè)。自由空間傳播第七頁(yè)，共46頁(yè)。

自由空間傳播（1）什么叫自由空間？無(wú)任何衰減、無(wú)任何阻擋、無(wú)任何多徑的傳播空間。無(wú)線電波在自由空間傳播時(shí)，其單位面積中的能量會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而減少。這種減少，稱為自由空間的傳播損耗。如圖所示，發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線為各向均勻輻射，則以發(fā)射源為中心，d為半徑的球面上單位面積的功率為：

S＝PT/4d2球面上的功率流PTd第八頁(yè)，共46頁(yè)。

自由空間傳播（2）由于天線有方向性（設(shè)發(fā)射天線增益為GT），故在主波束方向通過(guò)單位面積的功率為：

S=GTPT/4d2設(shè)接收天線的有效面積為A，則接收天線所截獲的功率為：Pr=SA=AGTPT/4d2對(duì)于拋物面天線，假定天線口面場(chǎng)具有等相、等幅分布，則天線的有效面積為：

A=Gr2/4

其中Gr為接收天線增益，為自由空間波長(zhǎng)代入Pr公式。得到：

Pr=GrGTPT(/4d)2令：

Pr/PT=GrGT/LS

其中LS定義為自由空間傳播損耗。則：

LS=(4d/

)2 =(4fd/c

)2以分貝數(shù)表示：

LS=92.4+20lgf(GHz) +20lgd(km)dB第九頁(yè)，共46頁(yè)。地面視距傳播第十頁(yè)，共46頁(yè)。

簡(jiǎn)介地面微波通信屬于視距傳播。視距傳播的主要特點(diǎn)是收發(fā)天線都在視距范圍內(nèi)。視距傳播要考慮大氣效應(yīng)和地面效應(yīng)。視距和天線高度的關(guān)系 由于地球是一個(gè)曲面，天線高度h1、h2和視距d之間存在以下關(guān)系：

d=3.57()

其中h1、h2的單位是m，d的單位是km。說(shuō)明：此公式?jīng)]有考慮大氣及地面對(duì)傳播的影響，所以只能用作大致的估計(jì)。第十一頁(yè)，共46頁(yè)。大氣效應(yīng)之一：吸收衰減主要發(fā)生在高頻段水蒸汽的最大吸收峰在23GHz(1.3cm)；氧氣的最大吸收峰在60GHz(5mm)；對(duì)于12GHz(2.5cm)以下的頻率，大氣吸收衰減小于：0.015dB/km。第十二頁(yè)，共46頁(yè)。大氣效應(yīng)之二：雨霧衰減在10GHz以下頻段，雨霧衰減并不嚴(yán)重，一般只有幾dB。在10GHz以上頻段，雨霧衰減大大增加，達(dá)到幾dB/km。下雨衰減是限制高頻段微波傳播距離的主要因素。第十三頁(yè)，共46頁(yè)。大氣效應(yīng)之三：大氣折射引入等效地球半徑的概念：第十四頁(yè)，共46頁(yè)。地面效應(yīng)之一：費(fèi)涅爾半徑和余隙利用波動(dòng)光學(xué)的惠更斯－費(fèi)涅爾原理，在遇到障礙物時(shí)將產(chǎn)生附加損耗。障礙物到T，R連線的垂直距離為hc，稱為余隙。一階費(fèi)涅爾半徑為h1，定義hc/h1為相對(duì)余隙。就可以從右圖求出附加損耗。第十五頁(yè)，共46頁(yè)。地面效應(yīng)之二：地面反射這是產(chǎn)生電平衰落的主要原因之一。設(shè)：反射系數(shù)為m，反射相位為1800，自由空間衰減系數(shù)為，就可以求出接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)：第十六頁(yè)，共46頁(yè)。平衰落當(dāng)衰落較嚴(yán)重時(shí)，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)接近瑞利分布接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)小于某個(gè)值的概率通用公式例：

B＝1C＝3.5A=1.410－8

Q=1第十七頁(yè)，共46頁(yè)。頻率選擇性衰落根據(jù)W.D.Rummler提出的偽三徑模型，得到頻率選擇性衰落的頻率響應(yīng)函數(shù)，如下圖所示。第十八頁(yè)，共46頁(yè)。地面超視距傳播第十九頁(yè)，共46頁(yè)。對(duì)流層散射傳播在地球表面10－12km處為對(duì)流層，存在大量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的不均勻介質(zhì)，能對(duì)電波產(chǎn)生折射、散射和反射。散射通信是利用部分散射體內(nèi)介質(zhì)的前向散射信號(hào)。這是典型的多徑信道。通信距離可達(dá)幾百－上千公里。散射信道不存在電波的直射分量，是典型的瑞利衰落信道。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，接收電平小于其均方根值10dB,20dB,30dB的概率分別為10％，1％，0.1%?？焖ヂ浞娜鹄植?。慢衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技術(shù)。第二十頁(yè)，共46頁(yè)。電離層反射傳播在地球上空60km以上是電離層，可以分為D層、E層、F層。D層能吸收電波，E層能反射電波，然而在晚上都會(huì)消失。對(duì)電波起良好反射作用的是F層，并且能夠在晝夜都保持一定的通信功能。第二十一頁(yè)，共46頁(yè)。電離層反射傳播（續(xù)）存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，最大傳播延時(shí)差可達(dá)毫秒量級(jí)。存在嚴(yán)重的時(shí)變性，電離層的特性隨時(shí)變化，并且很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)存在最高可用頻率，為了實(shí)現(xiàn)較好的傳輸質(zhì)量，工作頻率應(yīng)盡可能接近最高可用頻率。這些頻率都在短波波段（2－30MHz）。存在多種附加損耗。如：吸收損耗（6－25dB），地面反射損耗（20dB），系統(tǒng)額外損耗（15－18dB）存在嚴(yán)重的干擾，這是短波通信的一大特點(diǎn)。包括：大氣噪聲、工業(yè)干擾、天電干擾、其它電臺(tái)的干擾。技術(shù)措施：自適應(yīng)均衡、自動(dòng)線路建立、分集。第二十二頁(yè)，共46頁(yè)。流星余跡傳播據(jù)統(tǒng)計(jì)，每晝夜有數(shù)百億的流星進(jìn)入大氣層，和空氣碰撞產(chǎn)生電離。在地面80－120km處形成電離氣體帶，這就是流星余跡。利用流星余跡的散射和反射進(jìn)行通信。工作頻率30－80MHz，傳輸距離200－2000km，傳輸速率低，用于突發(fā)通信。第二十三頁(yè)，共46頁(yè)。衛(wèi)星傳播靜止衛(wèi)星信道穩(wěn)定，可以按照自由空間傳播損耗計(jì)算長(zhǎng)延時(shí)，要考慮對(duì)話音質(zhì)量和通信協(xié)議的影響移動(dòng)衛(wèi)星要考慮地面的影響，包括多徑和遮蔽接收信號(hào)電平服從萊斯分布要考慮多普勒頻移第二十四頁(yè)，共46頁(yè)。移動(dòng)傳播第二十五頁(yè)，共46頁(yè)。說(shuō)明移動(dòng)無(wú)線傳播面臨的是隨時(shí)變化的、復(fù)雜的環(huán)境。首先，傳播環(huán)境十分復(fù)雜，傳播機(jī)理多種多樣。幾乎包括了電波傳播的所有過(guò)程，如：直射、繞射、反射、散射。其次，由于用戶臺(tái)的移動(dòng)性，傳播參數(shù)隨時(shí)變化，引起接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)。為此，提出大尺度傳播模型和小尺度傳播模型。第二十六頁(yè)，共46頁(yè)。四種傳播機(jī)制直射：自由空間傳播反射：當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)，發(fā)生反射。反射發(fā)生在地球表面、建筑物和墻壁表面。繞射：當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時(shí)，發(fā)生繞射。散射：當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長(zhǎng)的物體、并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí)，發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體，如：樹(shù)葉、街道標(biāo)志和燈柱等。第二十七頁(yè)，共46頁(yè)。二種傳播模型：大尺度模型和小尺度模型第二十八頁(yè)，共46頁(yè)。大尺度路徑損耗傳播模型 描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長(zhǎng)距離上平均場(chǎng)強(qiáng)的變化，用于預(yù)測(cè)平均場(chǎng)強(qiáng)并估計(jì)無(wú)線覆蓋范圍。小尺度多徑衰落傳播模型 描述移動(dòng)臺(tái)在極小范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，短距離或短時(shí)間上接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速變化，用于確定移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該采取的技術(shù)措施。二種傳播模型（續(xù)）第二十九頁(yè)，共46頁(yè)。對(duì)數(shù)距離路徑衰減規(guī)律根據(jù)理論和測(cè)試結(jié)果，無(wú)論室內(nèi)還是室外信道，平均接收信號(hào)功率隨距離的對(duì)數(shù)衰減，其路徑損耗指數(shù)如下表所示：第三十頁(yè)，共46頁(yè)。多徑擴(kuò)散和相干帶寬的關(guān)系

多徑擴(kuò)散和相干帶寬第三十一頁(yè)，共46頁(yè)。多普勒擴(kuò)散和相干時(shí)間的關(guān)系多普勒擴(kuò)散和相干時(shí)間第三十二頁(yè)，共46頁(yè)。基于多徑時(shí)延擴(kuò)散平衰落信號(hào)帶寬<相干帶寬時(shí)延擴(kuò)散<符號(hào)周期頻率選擇性衰落信號(hào)帶寬>相干帶寬時(shí)延擴(kuò)散>符號(hào)周期基于多普勒擴(kuò)散

快衰落多普勒頻移大相干時(shí)間<符號(hào)周期信道變化快于基帶信號(hào)的變化

慢衰落多普勒頻移小相干時(shí)間>符號(hào)周期信道變化慢于基帶信號(hào)的變化衰落信道的分類第三十三頁(yè)，共46頁(yè)。大尺度模型：室外模型Longley-Rice模型適用頻率范圍：40MHz-10GHz。不同種類地形的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)。利用路徑幾何學(xué)及對(duì)流層繞射性，預(yù)測(cè)大尺度中值傳播損耗。有計(jì)算機(jī)程序，根據(jù)輸入的路徑參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)預(yù)測(cè)或區(qū)域預(yù)測(cè)。缺點(diǎn)：不能提供對(duì)環(huán)境因素的修正，沒(méi)有考慮多徑效應(yīng)。Durkin模型描述不規(guī)則地形場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)仿真器。已被聯(lián)合無(wú)線電委員會(huì)用于進(jìn)行有效移動(dòng)無(wú)線覆蓋區(qū)的研究。主要用于大尺度路徑損耗的預(yù)測(cè)。缺點(diǎn)：不能精確預(yù)測(cè)由于樹(shù)葉、建筑物、其它人造結(jié)構(gòu)引起的傳播效應(yīng)，不能計(jì)算除地面反射以外的多徑傳播。第三十四頁(yè)，共46頁(yè)。大尺度模型：室外模型（續(xù)）Okumura模型適用頻率范圍150MHz-3GHz，距離1－100km，天線高度30－1000m。預(yù)測(cè)城區(qū)信號(hào)時(shí)使用最廣泛的模型，在日本已經(jīng)成為系統(tǒng)規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)發(fā)了一套在特定條件下自由空間中值損耗的曲線。缺點(diǎn)：對(duì)城區(qū)和郊區(qū)的快速變化反應(yīng)較慢，和實(shí)際情況偏差約10－14dB。第三十五頁(yè)，共46頁(yè)。大尺度模型：室外模型（續(xù)）Hata模型適用頻率范圍150MHz-1.5GHz根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗(yàn)公式，以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其它地區(qū)進(jìn)行修正。市區(qū)路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)公式。在1km以上的情況下，預(yù)測(cè)結(jié)果和Okumura模型非常接近。缺點(diǎn)：適用于大區(qū)制移動(dòng)系統(tǒng)，不適用于小區(qū)半徑為1km的個(gè)人通信系統(tǒng)。其它模型Hata模型的PCS擴(kuò)展WalfishBertoni模型寬帶PCS微蜂窩模型第三十六頁(yè)，共46頁(yè)。大尺度模型：室內(nèi)模型一般說(shuō)明室內(nèi)傳播特點(diǎn)：覆蓋距離更小，環(huán)境變化更大受到影響的因素很多，如：門窗是開(kāi)還是關(guān)？天線放置的位置？人員的分布情況？室內(nèi)信道可以分為視距（LOS）和阻擋（OBS）兩種。分隔損耗同樓層的分隔損耗給出不同頻段、不同材料不同分隔方式的損耗值。如：混凝土墻在1300MHz的損耗為8－15dB。樓層間的分隔損耗和建筑物的材料、類型、層數(shù)、窗戶及頻段有關(guān)。一層的衰減要大，而五、六層以上的衰減很小。第三十七頁(yè)，共46頁(yè)。大尺度模型：室內(nèi)模型（續(xù)）對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型室內(nèi)路徑損耗公式第三十八頁(yè)，共46頁(yè)。大尺度模型：室內(nèi)模型（續(xù)）Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型通過(guò)測(cè)試多層辦公室建筑，獲得Ericsson無(wú)線系統(tǒng)模型此模型提供特定地形路徑損耗范圍的確定限度右圖給出此模型的室內(nèi)路徑損耗圖第三十九頁(yè)，共46頁(yè)。

小尺度模型（1）小尺度傳播的主要效應(yīng)：信號(hào)強(qiáng)度的快速變化時(shí)變引起的多普勒頻移多徑引起的延時(shí)擴(kuò)展多徑信道的沖激響應(yīng)模型：移動(dòng)信道可以看成線性時(shí)變信道，輸入x(t)和輸出y(t)存在以下關(guān)系第四十頁(yè)，共46頁(yè)。

小尺度模型（2）移動(dòng)多徑信道的參數(shù)：延時(shí)擴(kuò)展及相干帶寬，描述色散延時(shí)擴(kuò)展的典型值如下表所示相干帶寬估算：第四十一頁(yè)，共46頁(yè)。

小尺度傳播模型（3）移動(dòng)多徑信道的參數(shù)：多普勒擴(kuò)展及相干時(shí)間，描述時(shí)變多普勒頻移計(jì)算：相干時(shí)間計(jì)算：對(duì)于高速行駛的車輛，只要傳輸速率大于幾百bits/s，多普勒效應(yīng)就可以忽略，信道就成為慢衰落信道。

第四十二頁(yè)，共46頁(yè)。

小尺度傳播模型（4）平坦衰落的Clarke模型 這是一種基于散射的統(tǒng)計(jì)模型。接收信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利分