数字微波接力系统中的交叉极化鉴别率.doc

数字微波接力系统中的交叉极化鉴别率摘要：本文论述了在数字微波接力系统中交叉极化鉴别率(XPD)性能劣化的机理和传播模型，提供了在多径传播条件下XPD性能的计算机模拟计算结果和实际测得的典型天线的XPD的统计分布。关键词：微波接力系统XPD传播一、概述为了增加通信容量，而不增加所使用的带宽，在数字微波接力系统中除了采用多状态调制方式外，还广泛采用交叉极化频率重复使用技术，即在同一路由中在同一频率上利用两个正交极化独立传输不同的数字信号。显然，为了使一个极化(如垂直极化)上传输的信号不致严重干扰另一个极化(如水平极化)上传输的信号，要求传输系统的XPD(俗称极化去耦)足够高。XPD是指当发射天线发射一个极化a时，在同极化上接收到的信号电平ac与在交叉极化上接收到的信号电平ax之比。在许多场合，我们还经常遇到交叉极化隔离(XPI)的概念，它是指两个信号以同一电平在正交极化a和b上发射时在给定的接收信道上的同极化信号(ac或bc)与在该信道中的交叉极化信号(bx或ax)之比。在实际测试中一般测量XPD时，同极化信号ac和交叉极化信号ax是独立测试的，测试时不存在正交叉极化的发射信号b。在实用上，XPD和XPI都用分贝来表示，而且常常看作同义词。电磁波在通过大气传播的过程中，在一个极化状态中传输的某些能量可能会转换成正交极化的能量，即XPD的劣化，造成所传输的两个极化信号之间的干扰。产生XPD劣化的原因有两类：一类是沉降物效应，如降雨、冰晶或沙暴、尘暴的影响；另一类是多径传播效应。降雨所造成XPD劣化是由于雨滴呈扁园形，并且底部凹陷而造成的。其它沉降物对XPD的效应都与它们的形状有关，这里不再详述，可参考ITU-R P.722-3报告(1990)。对采用正交极化频率复用技术的大容量数字微波系统特别是SDH微波系统而言，主要工作于10GHz以下频段。在这些频段沉降物的效应不太显著，造成XPD劣化的主要原因是多径传播。下面着重讨论净空条件下多径传播引起的XPD劣化。在多径衰落条件下，可把造成XPD劣化的机理分为两组，一组与天线交叉极化方向性图无关，另一组与天线交叉极化方向图有关。第一组的主要机理是散射或反射的传输媒质除了同极化波外，还产生交叉极化散射波。这里有三种可能性：(1) 由于沿传输路径上的湍流的不均匀性产生的同极化信号的去极化；(2) 由于从倾斜的大气层上的反射产生的同极化信号的间接分量的去极化；(3) 由于沿传输路径上地面或水表面的散射或反射引起的同极化的间接分量的去极化。第二组机理中的交叉极化不是仅仅由传播媒质所产生的，而是由天线的交叉极化方向图的附加效应一起产生的，有四种可能性：(1) 从大气层反射的信号或通过大气层折射的信号经天线的交叉极化方向性图的间接分量的耦合；(2) 除了从地面或水表面反射外，与(1)相同；(3) 除了在大气和地面之间的多次反射外，与(1)相同；(4)直接波以偏离轴向的角度向接收天线方向折射弯曲。所有这些机理在某种程度上都会产生，但是可以得到的证据证明，在XPD严重下降的时候，只有一种或二种机理起主要作用。在所有情况下，XPD的最严重的降低都与同极化信号的多径衰落联系在一起。根据具有不同交叉极化方向性图的两个或更多个接收天线的测量结果表明，主要的交叉极化机理似乎是两种多径机理(大气或表面)，它们与收发天线的交叉极化方向性图互相起作用。其中哪一个多径起主要作用仍不清楚，在跨越陆地和跨越水面的路径上可能是不同的。而且，在同一路径上，这些机理可能有近似相等的作用，并且表面和大气层之间的相互作用(极端情况下以地面为基础的管道效应)可能是重要的。二、 信道模型如上所述，在净空条件下，XPD的劣化与大气和天线的交叉极化方向性图有关。我们用一般化的公式来表示：Eo=R.S.T.Ei=M.EiEi为发射天线输入口的场强，Eo为接收天线输出口的场强；T和R分别为发射天线和接收天线的传输矩阵；S为传播媒质的传输矩阵；M为总的传输矩阵；分别表示如下：一般情况下：XPDVXPIV，XPDHXPIH。在正常接收场情况下，传播的影响如下：SVV=SHH=1，SVH=SHV=0设天线对准时，有gR=gT=1，则XRN=-20log(xR)XTN=-20log(xT)在多径传播条件下，频率选择性效应是最重要的因素。计算机模拟分析的结果如图 1和图 2所示。图 1和图 2分别表示天线本身的XPD为48dB和35dB时同极化衰减(CPA)与XPD的关系。图中粗线表示统计的中值，虚线表示90%和10%值。由图可以看出，曲线的形状与交叉极化天线方向图有相当大的关系，也与接力段情况有关。即使没有衰落或出现上衰落时，XPD都会围绕中值有一个变化范围。同时，在深衰落时，中值的曲线几乎为一直线，而且两个图几乎相同。这就是说，在深衰落传播期间，决定双极化信道特性主要是传播媒质，而不是天线。而在无衰落期间或上衰落期间，XPD的中值接近天线的静态的XPD。天线的XPD越好，XPD的中值越高。出现XPD劣化的原因是在多径传播条件下，同极化信号和正交极化信号发生多径干涉过程的不相关性，即若两径传播是由直接波和地面反射波形成，则同极化信号的直接射线和反射射线之间的振幅和相位关系与正交极化信号的直接射线和反射线之间的振幅和相位关系是不一致的，因此即使采用同样一对天线，在同一衰落深度下，XPD也不可能是相同的。图 1和图 2清楚地表明了这一点。图 1XPD与CPA之间的联合分布(天线XPD=48dB)图 2XPD与CPA之间的联合分布(天线XPD=35dB)三、 典型测试结果在一条7GHz微波接力段实际测得的XPD与衰落深度F的关系如图3所示。图 3实测的XPD与衰落深度的关系由图可以看出，XPD的分布曲线与计算机模拟计算结果非常相似，即在没有衰落时，XPD的中值接近XPD0。但深衰落时，XPD的中值随同极化信号衰落深度几乎成线性下降，即以1dB/1dB的比例下降(注：该接力段使用了ANT生产的高极化去耦的贝壳形天线)。由计算机模拟结果和实测结果都可以得出结论；在实际微波电路上，测得的XPD的中值可用下式近似表示：XPD=XPD0+Q-F(12)式中，XPD0为天线静态的XPD；F为衰落深度；Q为与垂直面内交叉极化天线方向性图的斜率成反比的一个系数。图 4给出了使用具有不同的垂直面方向性图(图 4(a)的天线时，实测的XPD的劣化量的平均值随衰落深度变化曲线(图 4(b)。由图可以看出，在天线主瓣的轴向附近，交叉极化方向性图形状越陡峭，在出现衰落时，XPD的中值的劣化越严重。所以，我们希望天线的交叉极化方向性图在轴向附近比较平坦。大量测试结果还表明，实测结果偏离中值的范围与地理气候条件关系相当大。在地面反射系数比较小，多径传播发生概率比较小的地区(如山区或高低型电路)，变化范围比较小。相反，在地面反射系数比较大，多径传播发生概率比较大的地区(如平原及跨越水面的地区)，变化范围比较大。根据两径理论，这是很容易理解的。从图 1、图 2和图 3都可以看出，衰落深度不同，XPD偏离其中值的范围是不同的。衰落深度越大，变化范围越宽。在原邮电部四所承担的太原大同SDH微波工程中XPD的测试结果基本上符合图 1，2和3中所得到的结果。以测试次数最多的山阴北辛庄段得到的XPD测试数据可以得出如下结论：1. 在同一时间，不同的频率上测得的XPD是不同的，这可由反射射线相对于主射线的相位在不同频率上不一致来解释。2. 在同一频率上，不同时间测得的XPD是不同的，这可由不同时间的多径射线的相位和振幅关系不同来解释。图 4天线方向性引起的XPD的变化3. 在无衰落或上衰落时，XPD有一个变化范围，一般不大于6dB。4. 分集天线和主天线的XPD是不一致的，而且往往一个天线上XPD比较高，另一个天线上XPD比较低。在另一时间上测试时，可能会得到相反的结果。这说明了这一接力段上存在典型的多径传播现象，而且分集高差的设计是合理的。在测试结果中发现在高低型接力段中XPD的变化范围比在平原接力段中的变化范围要小。测试中还发现，在同一接力段上，用XPD0比较好的天线代替XPD0比较差的天线以后，在无衰落或浅衰落的情况下，尽管XPD的测试结果都围绕各自的XPD0变化，但其XPD的统计平均值有明显的提高。在山西太原大同SDH微波电路XPD的测试结果都与前面的理论分析相一致。下面讨论一下分集结构中XPD随衰落深度的变化问题。在第三部分中已提到，在无分集的结构中XPD的中值与衰落深度Fd有如下关系：XPD=XPD0+Q-Fd而在分集结构中，大量传播测试结果都证明，由于分集合成的效果，XPD随Fd的变化约为每衰落1 dB，XPD的中值变化1/2dB。四、 结论根据上面的分析和实测结果，可以得出如下结论：1. 在10GHz以下，造成XPD劣化主要是由于多径效应所引起，也与天线垂直面内的交叉极化方向性图的形状有关。多径传播的来源可能是地面反射波，也可能是天空中的折射波或其组合。2. 与天线测试场的测试结果不同，在实际微波电路上测出的XPD是变化的，即使在无衰落的情况下，XPD值也会在其XPD0周围发生变化，变化范围与地理气候条件有关。在多径传输比较严重的地区，变化范围大，在多径传输不严重的地区变化范围小。XPD的统计分布规律服从对数正态分布。但无衰落或浅衰落时实测的XPD