第5章--无线传输基本理论

1,胡庆教授,第5章无线传输基本理论,2,内容提要,无线电波传播特征无线电波传播损耗无线信道噪声与衰落无线通信的多址连接及工作方式,5.1无线电波传播特征,电磁波是一个总称，如果按频率和波长来划分，除了无线电波之外，电磁波还包括红外线、可见光、紫外线以及X射线等，并且都会产生电磁辐射，它们之间的区别仅仅是波的频率不同而已。当前，能用于通信的无线电频率范围已经从大约100kHz扩展到了约100GHz以上。电磁波的传播主要分为中长波地表波传播、超短波及微波视距传播、短波电离层反射、对流层散射、电离层散射等，如图1-18所示，但它们也具有如下的共同特性。,3,5.1无线电波传播特征,直线传播电磁波在均匀媒质中沿直线传播具有光似性。在均匀媒质中，电磁波在介质的各个位置受到的作用完全一致，或者说传输介质对电磁波中各个分量都产生同样的影响，各个分量的变化趋势完全一致，不会产生方向的变化，即电磁场方向不变，也就是传播方向不变，即按原先的方向直线向前传播。反射与折射当电波由种媒质传播到另一种媒质时，在两种媒质的交界面上，传播方向会发生改变，产生反射和折射现象。电波的反射和折射同样遵守光学的反射和折射定律。,4,5.1无线电波传播特征,电波的干涉由同一电波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点时，该接收点的场强由不同路径的电波合成，这种现象叫做波的干涉，也称为多经效应。合成电场强度与各射线电场的相位有关，当它们同相位时，合成场强最大；反相时，合成场强最小。绕射现象电波在传播过程中有一定的绕道障碍物的能力，这种现象称为绕射。由于电波具有一定的绕射能力，所以能绕过高低不平的地面或有一定高度的障碍物，然后到达接收点。因而有时在障碍物后面也能收到无线电信号。,5,5.2无线电波传播损耗,在有线传输信道中，电信号将封闭在相对固定的导线中传输，其起点和终点的截面积近似相等，因此其单位面积上的功率变化仅仅受制于传输过程中介质对电信号的衰减。而在无线信道中，当电磁波离开天线后，便向四面八方扩散，随着传播距离增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，在天线辐射的总能量定时，离开天线的距离越远，空间的电磁场就越来越弱。,6,5.2.1能量的扩散与吸收,假设发射天线置于自由空间中，若天线无方向性，辐射功率为P（单位为W），则距离辐射天线d（单位为m）处的电场强度有效值E0为式（5.2）表明，电场强度与传播距离成反比。这种随着传播距离的增加使电场强度逐渐减弱的现象，完全是出于电波在自由空间传播时能量的扩散而引起的。实际上，电磁波在大气中传播，会遇到各种介质、导体或半导体，因而会损耗一部分能量，这种现象叫做电磁波能量吸收。,7,5.2,5.2.2自由空间传播损耗,自由空间传播损耗的计算自由空间是一种抽象的空间，通常是指充满均匀、无耗媒质的无限大空间，无线电波在自由空间传播不会产生电磁波的吸收、散射、折射和反射等现象，因此我们只需要考虑无线电波从源点到目的点直接纯粹的因为电波的传播带来的损耗。根据无线电波传播的特征，电波在自由空间传播时，其能量会因向四面八方扩散，当然总能量保持不变，但是对于无线通信系统来说，其信号接收装置的接收面积是有限的，只能接收其中的一部分能量，从而相对于发射端的发射能量来说，接收能量实际上减少了。,8,5.2.2自由空间传播损耗,由电磁场理论可知，若无方向性（也称全向天线）天线的辐射功率为PT瓦，则距辐射源d米的接收点B处的单位面积上的电波平均功率（见图5-1）为：由天线理论知道，一个各向均匀接收的天线，其有效接收面积为这样，一个无方向性天线在B点收到的功率为,9,或,5.2.2自由空间传播损耗,自由空间的传播损耗定义为式中，d为收、发天线的距离，f为发信频率。若发射天线的增益为GT，接收天线的增益为GR，则式（5.5）应改写为,10,5.5,5.6,5.2.2自由空间传播损耗,例5-1某微波中继传输信道，发射天线的增益为22dB，接收天线的的增益为18dB，收发距离为14500km，载波中心频率为5.904GHz。求：（1）该信道的基本传输损耗为多少?（2）若发射功率为25W，接收机接收到的功率为多少?解：（1）该信道的基本传输损耗为：（2）接收机的接收到的功率为：,11,5.2.2自由空间传播损耗,自由空间传播条件下收信功率的计算无线通信中如微波中继通信，实际使用的天线均为定向天线，当收发天线增益分别为GR（dB），GT（dB）；收发天线馈线系统损耗分别为Lr（dB），Lt（dB）时，则自由空间传播条件下，接收机接收功率为,12,5.2.2自由空间传播损耗,例5-2某微波中继传输信道，已知发射功率PT=1W，发信频率f=3800MHz，收发距离为45km，GT=38dB，GR=40dB，馈线系统损耗Lr=1（dB），Lt=3（dB），求自由空间传播条件下的收信功率。解：将PT=1W换成电平值，,13,5.2.3自然现象引起的损耗,大气吸收损耗产生大气吸收损耗的气体主要是氧气、水蒸气以及水气凝结物。原因有两个：一是电波的吸收，即电波的电磁能转变为热能；二是电波因水气及凝结物产牛的散射，如图5-2所示。,14,图5-2水蒸气和氧吸收衰减,5.2.3自然现象引起的损耗,由图5-2可知，水蒸气的最大吸收峰在=1.3cm(f=23GHz）处；氧的最大吸收峰在=0.5cm(f=60GHz）处。从总吸收曲线（c）可以查出，当微波频率为12GHz时（波长2.5cm)，水蒸气和氧分子总的吸收衰耗约为0.015dB/km。若站距为50km，则一个中继段的衰耗约为0.75dB。因此，微波工作频率小于12GHz时，和自由空间传播损耗相比，可以忽略不计。,15,5.2.3自然现象引起的损耗,雨雾引起的散射损耗降雨引起的电波传播损耗的增加称为雨衰，雨衰是由于雨滴和雾对无线电波能量的吸收和散射产生的。雨雾中的小水滴能散射电磁波能量而造成散射衰耗，如图5-3所示。,16,图5-3雨雾的散射损耗,5.2.3自然现象引起的损耗,从图5-3中曲线（e）可见，在浓雾情况下，波长大于4cm(7500MHz)、站距为50km的散射损耗约为3.3dB。一般来说，10GHz以下频段，雨雾的散射衰耗还不太严重，通常两站之间的衰耗也只有几分贝。但是10GHz以上频段，中继站之间距离将主要受降雨衰耗所限制，在20GHz（波长为1.5cm）以上时，中继站站距只好缩减到几千米。因此，在设计微波或者卫星等通信系统时，为考虑降雨引起的影响，应事先留有2dB左右的发射功率余量。,17,5.2.3自然现象引起的损耗,大气折射引起的损耗在大气层中，离地球表面越高，空气密度越低，对电波的折射率也随之减小，使电磁波在大气层中的传播路径出现弯曲。于是地球站在几何上直线对准的只是在卫星实际位置上方的一个虚的卫星位置。由于大气层的不稳定因素，如温度的变化、云层和雾等导致大气密度分布的不连续变化和起伏，使传播路径产生了随机的、时变的弯曲，从而引起接收信号的起伏。在低仰角的情况下，由于星地传播路径与地面视距微波的路径近于平行，折射还可能形成相互干扰。,18,5.2.3自然现象引起的损耗,电离层、对流层闪烁引起的损耗电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，其强度大致与频率的平方成反比。因此，电离层闪烁会对较低频段（1GHz以下）的电波产生明显的散射和折射，从而引起信号的衰落。比如，对于200MHz的工作频率，电离层闪烁使信号损耗有10的时间大于6dB。,19,5.2.4多经传播引起损耗,地面和环境设施对信号的反射，可形成信号的多经传播。对于天线高度低，增益小的移动终端更容易出现这样的情况。信号通过多经信道到达接收端时，由于不同路径的信号延时不一样，接收端多经信号可能同相叠加，合成信号增强；也可能各个多经信号反相抵消，合成信号被减弱，从而形成接收信号的衰落。在多径传输中，我们可以考虑地面折射这种非常普遍的现象来分析多径信号带来的影响。如图5-4所示，接收点除收到直射波外，还会收到由地面反射的波（反射角等于入射角），下面推导一下由直射波和反射波在收信点产生的合成场强。,20,5.2.4多经传播引起损耗,设E0为自由空间传播时，直射波到达R处的电场强度有效值，则直射波电场强度的瞬时值为：由于反射波与直射波有路程差,21,图5-4平坦地面的电波反射,=r2-r1,5.2.4多经传播引起损耗,故反射波场强的落后瞬时值为式中，为反射系数的模；为反射系数的相位；（）为反射波与直射波之间的总相位差。按平行四边形法则求得在接收点R处的，电场强度的矢量和的有效值E为,22,5.2.4多经传播引起损耗,将合成电场强度有效值E与自由空间的直射波电场强度有效值E0之比称为地面反射引起的衰落因子Lk，表示为一般入射角很小，而（全反射），于是：考虑地面发射影响，实际的收信点功率电平为：Pr(dBm)=Pr0(dBm)+Lk(dB)5.14）式中，Pr0(dBm)为未考虑地面影响时的直射波收信功率。,23,5.13,5.2.4多经传播引起损耗,将式（5.13）的Lkr关系，绘出曲线如图5-5所示。由图可见，随着r的变化，收信点点电场E可从零变化到2E0，E=0出现在r=，2，时，应尽量避免。,24,图5-5Lkr关系曲线,5.2.5无线传播模型,有两种方法可以用来建立传播模型：归纳法和演绎法。所谓归纳法就是通过收集和整理实际环境下传播损耗与空间之间关系的数据，得到一个传播模型；而演绎法就是分析无线信号传播各种方式（直射、反射和衍射等）的效应，叠加后得到一个传播模型。一个有效的传播模型能很好地预测出传播的损耗，该损耗是距离、工作频率和环境参数的函数。由于实际环境的影响，传播损耗也有所变化，因此预测结果必须在实际测量工程中进一步验证。我们可以按照下述各种特定传播环境的传播模型来估算电波的传播损耗。,25,5.2.5无线传播模型,自由空间传播模型自由空间传播模型应用的频率范围为0300GHz，是最简单的几何光学模型。在某些环境中，假定有用信号只是由于在自由空间所产生的传播损耗，也就是说，把大气看成为近似真空的均匀介质，电磁波沿直线传播，不发生反射、折射、绕射和散射等现象，这时在大气中的传播就等效于自由空间传播。它只与频率f和距离d有关。,26,5.2.5无线传播模型,平坦大地的绕射模型适合大于视距的传播范围，对有用信号的预测需要考虑地球的曲率。粗糙大地上的传播模型适合于世界特定地区和特别粗糙大地上的传播。Longley-Rice传播模型Longley-Rice模型应用于频率范围为40MHz100GHz，不同种类的地形中点对点的通信系统。这个模型是统计模型，可用来估算地波和对流层散射的传播衰减，使用地形地貌的路径几何学和对流层的绕射性，预测中值场强和估计信号随时间与空间的变化。,27,5.2.5无线传播模型,SUI模型是斯坦福大学提出的，该模型是在Ereeg模型和COST231-Hata模型基础上修改而来半确定性经验模型，适用于WiMAX无线接入系统网络设计，适用频率范围3.40GHz3.53GHz。Okumura-Hata、COST231-Hata、Walfish-Ikegami和LEE等传播模型主要应用于计算陆地移动通信中路径的传播损耗，确定无线蜂窝小区的服务覆盖区，适用频率范围为1.50GHz2.00GHz。,28,5.3无线信道噪声与衰落,信道噪声衰落原因与分类抗衰落技术,29,5.3.1信道噪声,按照噪声来源来分（1）人为噪声人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。其中包括工业噪声和无线电噪声。如各种电器开关通断时产生的短脉冲、荧光灯闪烁产生的脉冲串、其他无线电系统产生的信号等。（2）自然噪声自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。如雷电、磁暴、太阳黑子、银河系噪声、宇宙射线等。（3）内部噪声内部噪声是指通信设备本身产生的各种噪声，它来源于通信设备的各种电子器件、传输线、天线等。,30,5.3.1信道噪声,按照噪声性质来分（1）单频噪声单频噪声主要是无线电干扰，频谱特性可能是单一频率，也可能是窄带谱。单频噪声的特点是一种连续波干扰。（2）脉冲噪声脉冲噪声是在时间上无规则的突发脉冲波形。包括工业干扰中的电火花、汽车点火噪声、雷电等（3）起伏噪声起伏噪声是一种连续波随机噪声，包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声。对其特性的表征可以采用随机过程的分析方法。,31,5.3.1信道噪声,热噪声热噪声是由传导媒质中电子的随机运动而产生的，这种在原子能量级上的随机运动是物质的普遍特性。在传输（通信）系统中，电阻器件噪声、天线噪声、馈线噪声以及接收机产生的噪声均可以等效成热噪声。热噪声均匀分布在01012Hz的频率范围内，其电压有效值为式中，波兹曼常数k=1.3810-23（J/K），T为热力学温度（K），阻值R（），带宽B（Hz）。,32,5.3.1信道噪声,功率谱密度为式中，h=6.625410-34(J/s)为普朗克常数，频率f。功率谱密度曲线如图5-6所示。可以看出，在频率f0.2(kT/h)范围内，功率谱密度Pn(f)基本上是平坦的。,33,图5-6热噪声的功率谱密度,5.3.2衰落原因与分类,当电波传播空间的参数变化时，收信端的收信电平会偏离设计值，称为传播衰落。引起衰落的原因是多方面的，大体上可以归为两大类：第一类是由气象条件的不平稳变化引起的，如大气折射的慢变化，雨雾衰减以及大气中不均匀体的散射等引起的衰落；第二类是由多径传播引起的衰落。对衰落没有统一的分类方法。比较普遍的方法是按衰落周期的时间快慢，分为快衰落与慢衰落，如图5-7所示。下面先按这种方法来说明形成这两类衰落的原因及其互相关系。,34,5.3.2衰落原因与分类,35,图5-7衰落示意图,5.3.2衰落原因与分类,慢衰落大量统计测试表明：慢衰落是随时间变化接收机接收的场强中值呈现较慢变动，其衰落周期以秒计算，往往是慢慢形成，慢慢消失。它常由大气折射的缓慢变化引起。因为在一个较大的范围内(例如一段中继线路)大气折射条件的变化和恢复不是在极短的时间内发生的，所以形成了慢衰落。如绕射衰落就是属于这一类型。快衰落大量统计测试表明：快衰落是随时间变化接收机接收的场强中值呈现快速起伏变动，其衰落速度约3040次/秒。它与大气中存在的波导、薄层以及湍流等引起的多径传播有关。在微波范围内只要每条射线的路径稍有变动，它们的合成信号就会产生明显的起伏。,36,5.3.2衰落原因与分类,工程应用中常按快衰落产生的机制分为以下几种类型（1）K型衰落。这是一种由地面反射的多径干涉所形成，常发生在水面和开阔平面地上的电波中。（2）波导型衰落。波导型衰落是由于各种气象条件的影响，如地面被太阳晒热，夜间地面的冷却，以及海面和高气压地区，都会形成大气层中的不均匀结构。闪烁衰落。闪烁衰落是由于对流层中的大气无规则的漩涡运动，而形成的一些不均匀气团所引起的散射衰落。（4）散射型衰落。散射型衰落由传播路径上的大气层中不均匀体的散射所引起，其典型的衰落图形如图5-8（d）所示。（5）大气雨雾的吸收衰落。由大气和雨雾的吸收所引起的衰落称为吸收衰落，它的特点是直射波被衰减，所以信号电平总是低于而不会高出自由空间电平。,37,5.3.2衰落原因与分类,38,图5-8几种典型的衰落示意图,5.3.2衰落原因与分类,39,图5-9大气波导形成的反射波,图5-10闪烁衰落,5.3.3抗衰落技术,分集技术分集技术是指将同一个信号在发端分散发送、收端集中接收的技术。最常用的分集方法是空间分集和频率分集。空间分集分为空间分集发射和空间分集接收两个系统，下面以空间分集接收为例说明这种技术。在不同的空间位置设置几副天线，同时接收同一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中较强的信号，这种工作方式称为空间分集接收。有几副接收天线就称为几重分集。在微波传输系统中最常用的是二重垂直空间分集接收，如图5-11所示。,40,5.3.3抗衰落技术,频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信号，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响，这种工作方式叫做频率分集接收。当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。,41,图5-11二重垂直空间分集接收,5.3.3抗衰落技术,频率分集有同频段分集和跨频段分集两种类型。所谓同频段分集是指发送和接收的两个微波信号频率f1和f2位于同一微波频段之中，其分集系统的示意图如图5-12所示。,42,图5-12同频段分集系统,5.3.3抗衰落技术,跨频段分集是指发送和接收的两个微波信号频率f1、f2分别处于不同的微波频段之中，其分集系统的示意图如图5-13所示。,43,图5-13跨频段分集系统,5.3.3抗衰落技术,自适应均衡技术频域自适应均衡器是在模拟微波通信系统中，为了改善信道的群时延和微分增益特性，所使用的均衡器，但是该均衡器仅作为静态特性的补偿。而数字微波通信系统，因传输带宽较宽，当发生多径传播衰落时，其通带内的振幅特性是随时间而变化的，这就必须使用能适应时间变化的自适应均衡器。图5-14（a）所示为一个工作在中频的频域自适应均衡器，它是一个谐振频率fr和回路Q值可变的中频谐振电路。该中频谐振电路产生的与多径衰落造成的幅频特性相反的特性，可以抵消带内振幅偏差。,44,5.3.3抗衰落技术,45,图5-14中频可变调谐的自适应均衡器,5.3.3抗衰落技术,图5-14（b）是这种频域均衡器的原理电路，均衡器电路用分布参数和变容二极管构成并联谐振电路，当改变变容二极管的结电容时，可改变电路的中心谐振频率。在数字微波通信系统中，影响系统误码率的主要原因是在收端取样判决点处其前后信号对取样判决样值的干扰，称为码间干扰。故通常采用时域自适应均衡器以消除（减小）取样判决点处的码间干扰。时域自适应均衡器的方案很多，下面例举的是一种应用较广、加在基带系统的由横向滤波器构成的自适应均衡器，其结构如图5-15所示。,46,5.3.3抗衰落技术,自适应均衡器由2N阶的横向滤波器和权系数调整控制电路构成，横向滤波器由2N级延迟单元T和可调的加权系数Ci（-NiN）组成，每级延迟一比特，在中间（中心抽头）脉冲S0的前后各有N个脉冲，一共有2N+1个脉冲。,47,图5-15横向滤波器式均衡器结构,5.3.3抗衰落技术,48,图5-16横向滤波器式均衡器原理框图,5.4无线通信的多址连接及工作方式,信号传输的一个很重要的问题就是如何充分地利用信道。在两点之间的同一条信道上同时传送不同的多个信号而不互相干扰，这是信道的“多路复用”。多路复用技术在地面微波中继通信中已经普遍应用，目前常用的多路复用方式有频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、码分多路复用（CDM）、空分多路复用（SDM）等方式。在多点之间实现互不干扰和影响的多边通信称为“多址通信”或“多址连接”。它们的共同理论根据，就是信号分割的原理。,49,5.4.1频分多址（FDMA）方式,频分多址（FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess）是使用较早也是使用较多的一种多址接入方式，被广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。FDMA的技术核心是把传输频带划分为较窄的且互不重叠的多个子频带，每个用户都被分配到一个独立的子频带中；各用户采用滤波器，分别按分配的子频带从信道上提取信号，实现多址通信。,50,图5-17频分多址方式的原理示意图,5.4.1频分多址（FDMA）方式,频分多址方式可以根据多路复用和调制方式的不同，分成如下几种方式：FDMFMFDMA方式是先把要传送的电波信号进行频分多路复用处理，即FDM；再对载波进行调频，即FM；然后按照载波频率的不同来区分为是哪个地球站址，即FDMA。SCPCFDMA方式中，SCPC方式的含意是每一个话路使用一个载波。这种多址方式中的调制方法可以是PCMPSK的，或增量调制（AM）PSK的，也可以是比较简单的FM的。SCPC多址方式是预分配的，如果采用按需分配，就叫做SPADE方式。PCMTDMPSKFDMA方式是先把话音信号进行PCM，即脉码调制，经过TDM，即时分多路复用；然后再对载波进行PSK、即相移键控；最后FDMA，并根据载波频率不同来区分站址。,51,5.4.2时分多址（TDMA）方式,时分多址（TDMA，TimeDivisionMultipleAccess）是在给定频带的最高数据传输速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间隙即时隙，各用户按照分配的时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。,52,图5-18TDMA方式工作原理示意图,5.4.3码分多址（CDMA）方式,码分多址（CDMA，CodeDivisionMultipleAccess）是一种利用信号结构的正文性来鉴别有用信号的多址方式。在码分多址（CDMA）系统中，站址的划分是根据各站的码型结构不同来实现的。各地球站可以使用相同的载波频率，占用同样的射频带宽，在任意时间内发射信号。一般选择伪随机（PN）码作地址码。一个地球站发出的信号，只能用与它相关的接收机才能检测出来。CDMA实际是一种扩频系统。卫星通信中较适用的扩频系统有两种基本类型：直接序列码分多址（DS/CDMA）系统，又叫做伪随机码扩频多址方式（SSMA）；跳频码分多址（FH/CDMA）系统。,53,5.4.3码分多址（CDMA）方式,直接序列码分多址（DSCDMA）系统,54,图5-19DS/CDMA系统,5.4.3码分多址（CDMA）方式,跳频码分多址（FH/CDMA）系统与DS/CDMA相比，其主要差别