第三讲无线电通信的电波传播特性111案例

1第三讲无线电通信的电波传播特性目录内容无线电波及其波段1无线电传播方式2无线电通信的信道3无线信道的传输特性4陈德荣2一.无线电波及其波段•无线电通信广泛应用于生产、生活、科学和军事等各个领域。–电报、电话、传真、数据传输、声音广播、电视、测速、定位、导航、遥控、遥测、遥感、卫星通信、气象探测、地球探测、安全保障、射电天文、空间研究、空间操作……。3无线电波及其波段•无线电通信----利用无线电波传递人为的或自然的信息便是无线电通信。•无线电波----依靠自由空间传播的频率从几赫兹到3000GHz范围内的电磁波。•电磁波----利用电能和磁能在空间相互转换而进行传播的波。电磁波是一种物质。正弦波是电磁波的最基本波形。电磁波每秒传播的距离就是它的传播速度。在自由空间内，无论电磁波波长是多少，它的传播速度都接近光速，大约为每秒30万公里（3.0×108米/秒）。f=/=3.0×108米/秒米（赫兹）电磁波是一种物质正弦波是电磁波的最基本波形f=/=3.0×108米/秒米（赫兹）电磁波的传播速度：在自由空间内，无论电磁波波长是多少，它的传播速度都接近光速，大约为每秒30万公里（3.0×108米/秒）电磁波----利用电能和磁能在空间相互转换而进行传播的波无线电波----自由空间传播，频率在几Hz到3000GHz范围的电磁波无线电通信----利用无线电波传递所需的信息便是无线电通信4……561.电波传播概述无线电波频率从几十赫兹到3000GHZ频谱范围内的电磁波。无线电波传播：发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，在媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）中的传播过程。（l）地波传播（表面波传播）无线电波沿着地球表面的传播应用范围：主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率和时间信号的广播、对潜通信等业务。主要的传播特点：1）传输损耗小，作用距离远；2）受电离层扰动影响小，传播情况稳定；3）有较强的穿透海水及土壤的能力；4）但大气噪声电平高，工作频带窄。二.无线电传播方式7（2）视距传播(直射波传播)当收、发天线架设高度较高（远大于波长），电波直接从发射天线传播至接收点（有时有反射波到达）应用范围：主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。主要传播特点：①传播距离限于视线距离以内，一般为10～50km；②频率愈高受地形地物影响愈大；③微波衰落现象严重；④10GHZ以上电波，大气吸收及雨衰减严重。8(3)天波传播(电离层反射传播)主要应用：用于中、短波远距离广播、通信，船岸间航海移动通信，飞机地面间航空移动通信等业务。主要传播特点：①传播损耗小，能以较小功率进行远距离传播；②衰落现象严重；③短波传播受电离层扰动影响大。9(4)散射传播；利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用，实现超视距传播，常用频段为200MHZ～5GHZ。传播特点:①由于散射波相当微弱，传输损耗大，需使用大功率发射机、高灵敏度接收机及高增益天线等设备。②但单跳跨距可达300～800km，特别适用于无法建立微波中继站的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地区。(5)外层空间传播(外大气层及行星际空间电波传播)；电波传播的空间主要是在外大气层或行星际空间，并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或星体为对象．在地一空或空一空之间传播。主要应用：卫星通信、宇宙通信及无线电探测、遥控等业务。•传播的主要特点：①因距离远，自由空间传输损耗大．②在地一空电路中要受对流层、电离层、地球磁场以及来自宇宙空间的各种辐射波和高速离子的影响，例如10GHZ以上的电波大气吸收和降雨衰减严重。10•地面波传播----无线电波沿地球表面的传播方式。又称绕射传播或地表面波传播。因地面的电特性受天气、气象的影响较小，故传播的信号较稳定。大地吸收和地面绕射损耗随电磁波频率的升高而急剧增加。•地（水）下电波传播----无线电波在地（水）下传播的方式。传播损耗随电磁波频率的升高而急剧增大。任何波段的电波，要在土壤中传播几十公里的距离都是不可能的。•对流层电波传播----无线电波在对流层中传播的方式。视距传播、散射传播、绕射传播11•地面视距传播定义•地面微波通信属于视距传播。•视距传播的主要特点是收发天线都在视距范围内。•视距传播要考虑大气效应和地面效应。•视距和天线高度的关系由于地球是一个曲面，天线高度h1、h2和视距d之间存在以下关系：其中h1、h2的单位是m，d的单位是km。•说明：此公式没有考虑大气及地面对传播的影响，所以只能用作大致的估计。)2(57.31hhd12三.无线电传播方式•电离层电波传播----无线电波经电离层反射或散射后返回地面到达接收点的传播方式。电离层反射传播：长波D层反射、中波E层反射、短波F层反射。电离层散射传播（超短波）电离层中不均匀体的散射传播。•地面—电离层波导电波传播：无线电波在电离层的下边缘和地面所构成的同心球壳形的波导内反射传播。•磁层电波传播：无线电波可以沿地球磁场的磁力线穿出电离层传播。•星际空间电波传播：无线电波在大气层以外的宇宙空间传播。地波传播视距传播天波传播星际空间电波传播1314EarthSkywaveGroundwave对流层(0-12km)同温层(12-50km)中间层(50-80km)电离层(80-720km)14无线电波的传播方式无线电波从发射台的天线上发射出来，通过如图1所示的三种途径传播出去：①直接传播到接收天线上的无线电波，叫做直接辐射波。②通过地面反射后传播到接收天线上，称为地面反射波。③由天空的“电离层”反射回来到达接收天线，叫天波。直接辐射波和地面反射波合起来称为地波。地波在传播的过程中，受到地面吸收损耗的影响，其强度随着距离的增加而逐渐减弱。频率越高（即波长越短）损耗越大，衰减也越快。图11516①②③天波大地①+②=地波什么是电离层在离地球表面70到300公里的高空，存在着一个天然的“反射层”。这里空气稀薄，气体分子被太阳辐射的紫外线和X射线电离，形成自由电子和离子，它们像云层一样笼罩着大地，这就是“电离层”。电离层还可以分开成几层，图2是电离层的分层情况，自下而上称为D层、E层、F层。F层在白天又可分为F1、F2两层。在夜晚，D层消失，E层的密度也降低，而F1和F2层合并成F层。F2层电子密度最大，F1层、E层、D层电子密度依此减小。1718大地白天晚上300km200km夜间密度降低100km70km图2电离层的分层情况图3各波段范围内的无线电波受电离层的影响也不一样，见图3。长波段无线电波到达D层就被反射回来；中波到达E层就会被反射回来；而短波无线电波可以穿过D层、E层，然后由F层反射回来。中波（MF）的传播波长从1000米到100米（频率300-3000千赫）的无线电波称为中波。中波波段是国内广播用的主要波段。在白天，由于电离层D层的强烈吸收作用，中波经过D层时损耗很大，不可能由电离层反射传播而主要靠地波传播。到了晚上D层消失，中波可以经由E层反射传播到比较远些的地方去。所以晚上可以收听到远处外地的中波广播电台，而白天只能收听到本地或邻近省市的广播电台。1920大地VHFUHFHFMFLF图3图4无线电波反射所以晚上可以收听到远处外地的中波广播电台，而白天只能收听到本地或邻近省市的广播电台。短波（HF）的传播波长从100米到10米（频率3-30兆赫）的无线电波称为短波。短波碰到F层就会被反射回来。2122•信道影响的物理描述直射反射绕射散射移动形成多径效应及时延扩展使信号波形产生失真，场强产生衰落形成时变效应及多普勒扩展使信道参数产生变化23无线电传播方式•直射：自由空间传播•反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。•绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。•散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。散射反射绕射直射24•多普勒频移原因：移动提在x轴上以速度V移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移多普勒频移fd=ν/λCosαν移动速度、λ波长、α入射波与移动台移动方向之间的夹角多普勒频移与移动台运动的方向有关、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接受信号、频率上升）；反之若移动台背向入射波方向，则多普勒频移为负（接受信号频率下降）信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽25中波•频率f：0.3－3MHz•波长：1000－100m•主要沿地（海平面）绕射•又称地波（GroundWave）25短波频率f：3－30MHz波长：100－10m•电离层反射为主•又称天波（SkyWave）26超短波•V波段：–频率f：30－300MHz–波长：10－1m•U波段：–频率f：300－3000MHz–波长：1－0.1m2627移动通信主要工作频段：1、此频段适合于移动通信：电波不能传得太远，VHF～UHF为视距传播、且有一定的绕射能力（市区建筑物遮挡）。2、天线尺寸：天线的几何尺寸与工作波长λ要相近。λ/4天线：900MHz为8cm（λ＝C/f）3、抗干扰问题：f提高―外界干扰下降272828北京邮电大学培训中心=10log(Ta/To)超过KT0Bi的dB数3×103×1023×1033×1043×1053×1063×107Ta/K0人为噪声的功率和频率的关系大气噪声太阳噪声f29超短波传播的特点主要传播方式由直线、绕射、反射、散射等构成，因为受地形、建筑物、树木、移动车辆的影响较大，因此比较复杂，由三大部分的损耗和衰落组成。2930目录内容无线电波及其波段1无线电传播方式2无线电通信的信道3无线信道的传输特性431三.无线电通信的信道•信道----指传输信息的媒质或通道。仅指传输媒质而言的信道称为狭义信道。•性质---各种信道的共性。•所有信道均具有输入端；•所有信道均具有输出端；•即使信道输入端无信号输入，在输出端也存在着噪声输出；•信号在传输过程中均遭受衰减和延时，或其它影响；•绝大多数信道是线性的，满足叠加原理。信道的定义32无线电通信的信道•理想无线信道？非理想无线信道？理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。•固定无线信道？移动无线信道？•视距无线信道？非视距无线信道？视距，如：地面视距、卫星。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。•有干扰无线信道？无干扰无线信道？干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。无线信道的分类33无线信道的指标•传播衰减－衰减的平均值－衰减的最大值－衰减的统计特性•传播时延－时延的平均值－时延的最大值－时延的统计特性•时延扩展－对信道色散效应的描述•多普勒扩展－对信道时变效应的描述•干扰－干扰的性质－干扰的强度34无线信道的物理过程散射体天线无线发地面障碍物绕射直射反射干扰散射移动热噪声无线收天线35无线电通信的信道•信道的干扰•干扰机理:热噪声内干扰外干扰有意干扰使信号波形产生污染，降低有效的信噪比36四.无线信道的传输特性衰落类型大尺度衰落•传输损耗（自由空间的传播损耗）•阴影衰落小尺度衰落•频率选择性衰落•时间选择性衰落•空间选择性衰落37两种衰落分析阴影效应―长期慢衰落（宏观中值变化）多径传播―短期快衰落（微观）3738移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程如：直射、绕射、反射、散射。其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型大尺度衰落：大范围移动引起的平均衰落小尺度衰落：位置微小变化引起的短时