对流层散射电路的计算1

1、6-2 6-2 对流层散射信号的衰落特性及其测量对流层散射信号的衰落特性及其测量 （3）多普勒频移或频率扩散现象。）多普勒频移或频率扩散现象。 散射信号散射信号的重要特征是存在着严重的衰落现象，即接收的重要特征是存在着严重的衰落现象，即接收 点的场强在中值电平上下不断地随机起伏变化，并且具有如点的场强在中值电平上下不断地随机起伏变化，并且具有如 下下特点特点： （2）信号畸变或频率选择性衰落）信号畸变或频率选择性衰落 （1）信号幅度的快衰落现象）信号幅度的快衰落现象; 在对流层散射传播中，在对流层散射传播中，通常按衰落的周期长短分成快衰通常按衰落的周期长短分成快衰 落与慢衰落落与慢衰落，它们产

2、生的原因不同，所服从的统计规律也有，它们产生的原因不同，所服从的统计规律也有 差异。差异。 一、快衰落一、快衰落 快衰落由多径传播引起，它说明了在几秒钟、几分钟内快衰落由多径传播引起，它说明了在几秒钟、几分钟内 的信号电平快速变化，如图的信号电平快速变化，如图6-76-7所示。所示。 快衰落往往与对流层的气象参数快衰落往往与对流层的气象参数无直接的关系无直接的关系，主要是，主要是 由于对流层内不均匀散射体或不规则层的大小、形状、位置由于对流层内不均匀散射体或不规则层的大小、形状、位置 和介电系数分布的随机变化而引起。和介电系数分布的随机变化而引起。 由于它们散射或反射的分量的幅度和相位也各自独

3、立地由于它们散射或反射的分量的幅度和相位也各自独立地 随机变化，在散射或不相干反射量中任一分量的功率，比其随机变化，在散射或不相干反射量中任一分量的功率，比其 全部功率总和来说是非常微小的。这些分量合成幅度的统计全部功率总和来说是非常微小的。这些分量合成幅度的统计 分布分布服从瑞利分布服从瑞利分布。 根据上述可知，对流层散射信号是由大量的路径分量所根据上述可知，对流层散射信号是由大量的路径分量所 组成：组成： i n i YYY 1 0 式中式中Y为总的接收信号；为总的接收信号； 为稳定层相干反射分量，在短时为稳定层相干反射分量，在短时 间内一般为常矢量，它与气象条件的变化有关；间内一般为常矢

4、量，它与气象条件的变化有关； 为随机为随机 变量，其幅度与相位为时间、频率、空间的函数。变量，其幅度与相位为时间、频率、空间的函数。 0 Y i n i Y 1 快衰落的衰落特性与工作频率和通信距离等因素有关。快衰落的衰落特性与工作频率和通信距离等因素有关。 (6-3) 1. 1. 快衰落的统计分布特性快衰落的统计分布特性 各各 分量之间的相位不同，相位与幅度互不相关，任一分量之间的相位不同，相位与幅度互不相关，任一 的相位在的相位在 内均匀分布。内均匀分布。 i Y i Y02 信号幅度服从瑞利分布信号幅度服从瑞利分布。信号电平瞬时振幅的概率密度。信号电平瞬时振幅的概率密度 函数为函数为：

5、2 222 2 22 2 EEE EE p Eee E 其中其中 为信号电平为信号电平E的均方值；的均方值； 。 为标准偏差，为标准偏差， 为方差。为方差。 2 E 22 2E 2 (6-4) 信号电平超过某一电平的概率为信号电平超过某一电平的概率为 2 2 2 2 2 2 EEEE E edEEe E EEPEq (6-5) 若令若令 为信号包络功率电平；为信号包络功率电平； 为信号平均为信号平均 包络功率电平，则式（包络功率电平，则式（6-5）可写成）可写成 2 EWe 2 0 EWe 0 exp e e e W W Wq 将上式等于将上式等于1/2，可得到信号包络功率中值为，可得到信号包

6、络功率中值为 2ln 0eem WW 代入式（代入式（6-6）得）得 eme WW em e e W W Wq 22lnexp (6-8) (6-7) (6-6) 取对数取对数2lglg em e e W W Wq 再对式（再对式（6-9）取对数得）取对数得 2lglg10lg10lglg10 em e W W q 若设若设 em e W W Vlg10 为为相对于中值的电平相对于中值的电平，则有，则有 214. 5lglg10qV 此式是相对于中值的电平此式是相对于中值的电平V与其概率与其概率q的关系式。由它可的关系式。由它可 得到瑞利分布的理论曲线。得到瑞利分布的理论曲线。 (6-9) (

7、6-10) ()dB 上面讨论的上面讨论的对流层散射信号幅度的快衰落对流层散射信号幅度的快衰落是假设是假设 不存不存 在或其场强非常微弱的情况下得到的，称为瑞利型衰落。在或其场强非常微弱的情况下得到的，称为瑞利型衰落。 若若 不为零，是一矢量时，此时信号幅度的快衰落属于广不为零，是一矢量时，此时信号幅度的快衰落属于广 义瑞利型衰落。其合成的接收功率分布服从莱斯分布，将义瑞利型衰落。其合成的接收功率分布服从莱斯分布，将 其概率密度函数可写成其概率密度函数可写成 式中式中 为温定场成分的振幅，即为温定场成分的振幅，即 成分，成分， 为快衰落成分为快衰落成分 的振幅；的振幅； 为修正零阶贝赛尔函数。

8、为修正零阶贝赛尔函数。 222 /2 0 22 ( ) c EE c EEE p EeI (6-11) 0 Y 0 Y 当对流层中存在着处于迅速消失和形成大气波导或突变当对流层中存在着处于迅速消失和形成大气波导或突变 层之类的传播场合时，此时的衰落类型称为层之类的传播场合时，此时的衰落类型称为瑞利矢量加反瑞利矢量加反 常随机矢量型衰落常随机矢量型衰落。 c E 0 Y E 0 ( )Ix 通常通常广义瑞利衰落深度浅于瑞利衰落广义瑞利衰落深度浅于瑞利衰落。而瑞利矢量加反。而瑞利矢量加反 常随机矢量型衰落，当反常随机矢量较小时则接近于瑞利型常随机矢量型衰落，当反常随机矢量较小时则接近于瑞利型 衰落

9、，若反常随机矢量较强时，有可能接近于、浅于或深于衰落，若反常随机矢量较强时，有可能接近于、浅于或深于 瑞利型衰落，要视反常随机矢量这一分量的大小而定。瑞利型衰落，要视反常随机矢量这一分量的大小而定。 由于大气波导或超折射在对流层散射电路中出现的概率由于大气波导或超折射在对流层散射电路中出现的概率 较少，深于瑞利型的衰落通常出现不多。衰落幅度较浅的广较少，深于瑞利型的衰落通常出现不多。衰落幅度较浅的广 义瑞利衰落，除山峰绕射成分很强的电路外，也很少出现。义瑞利衰落，除山峰绕射成分很强的电路外，也很少出现。 由图由图6-86-8、图、图6-96-9可见，实测的衰落特性多数接近于广义可见，实测的衰落

10、特性多数接近于广义 瑞利型衰落和瑞利型衰落。瑞利型衰落和瑞利型衰落。 衰落类型与通信电路的地面情况有关。水面电路上空容衰落类型与通信电路的地面情况有关。水面电路上空容 易形成湿度随高度的急剧下降；沿海岸地区，陆上的暖风气易形成湿度随高度的急剧下降；沿海岸地区，陆上的暖风气 流吹向海面时，会形成逆温，这些都容易产生大气波导；平流吹向海面时，会形成逆温，这些都容易产生大气波导；平 原地区上空大气易于形成大气分层，有较强的稳定场成分。原地区上空大气易于形成大气分层，有较强的稳定场成分。 所以水上与沿海地区、平原地区的电路，多为广义瑞利型衰所以水上与沿海地区、平原地区的电路，多为广义瑞利型衰 落。落。

11、 （1 1）衰落深度与衰落幅度）衰落深度与衰落幅度 2. 2. 衰落特性的描述衰落特性的描述 根据式（根据式（6-9）可求得瑞利分布的）可求得瑞利分布的衰落深度衰落深度为为 dBVV2 . 89 . 05 . 0 衰落幅度为衰落幅度为 dBVV1 .139 . 01 . 0 所以当衰落幅度大于所以当衰落幅度大于13.4dB时，即为瑞利矢量加反常时，即为瑞利矢量加反常 随机矢量衰落；若衰落幅度小于随机矢量衰落；若衰落幅度小于13.1dB时，则为广义瑞利时，则为广义瑞利 衰落。衰落。 快衰落的衰落速率决定于对流层介质的运动状况，以快衰落的衰落速率决定于对流层介质的运动状况，以 及散射区域内的平均风

12、速和湍流速度。介质运动愈激烈，及散射区域内的平均风速和湍流速度。介质运动愈激烈， 快衰落速率愈大。由于风速的变化很大，所以衰落速率变快衰落速率愈大。由于风速的变化很大，所以衰落速率变 化的范围很宽。快衰落速率与散射角、频率成正比，而与化的范围很宽。快衰落速率与散射角、频率成正比，而与 天线的方向性成反比。方向性图愈窄，快衰落速率愈小，天线的方向性成反比。方向性图愈窄，快衰落速率愈小， 如表如表6-26-2所示所示。 （2 2）衰落速率）衰落速率 慢衰落慢衰落主要是由气象条件的变化引起的，它是指接收信主要是由气象条件的变化引起的，它是指接收信 号电平中值（如小时中值或月中值）在较长时间间隔内的号

13、电平中值（如小时中值或月中值）在较长时间间隔内的 起伏变化，如图起伏变化，如图6-106-10所示。气象因素中，以大气温度和湿所示。气象因素中，以大气温度和湿 度的变化最为重要，由于它们的变化是大气折射指数梯度度的变化最为重要，由于它们的变化是大气折射指数梯度 与大气的湍流强度也发生变化。图与大气的湍流强度也发生变化。图6-116-11给出了传输损耗月给出了传输损耗月 中值与地面折射指数月中值的关系曲线，说明慢衰落是由中值与地面折射指数月中值的关系曲线，说明慢衰落是由 气象因素的变化所造成的。气象因素的变化所造成的。 （3 3）衰落持续时间）衰落持续时间 中值电平处的快衰落平均持续时间的理论值

14、如表中值电平处的快衰落平均持续时间的理论值如表6-36-3所所 示，它随着频率和距离的增加而减小。示，它随着频率和距离的增加而减小。 二、慢衰落二、慢衰落 显然慢衰落与气候区、地理位置、地形变化及大气运显然慢衰落与气候区、地理位置、地形变化及大气运 动状况等因素有关。动状况等因素有关。 对流层散射信号慢衰落的统计分布特性对流层散射信号慢衰落的统计分布特性服从对数正态服从对数正态 分布分布，即信号场强或功率的对数服从正态分布，也可以说，即信号场强或功率的对数服从正态分布，也可以说 场强和功率的分贝数服从正态分布。其概率密度函数由式场强和功率的分贝数服从正态分布。其概率密度函数由式 （1-16）可

15、知为）可知为 1.1.慢衰落统计分布特性慢衰落统计分布特性 2 2/ )( 2 1 )( m EE eEp (6-12) 接收信号电平接收信号电平 低于某个电平低于某个电平 的概率为的概率为 E 1 E 1 2 2/)( 1 2 1 )( E EE dxeEEP m 式中式中 是以分贝表示的信号电平；是以分贝表示的信号电平； 是信号电平的是信号电平的 平均值或中值；平均值或中值； 为标准偏差。为标准偏差。 ()E dB() m EdB ()dB (6-13) 根据我国大量实测数据的综合，导出了计算不同地区的根据我国大量实测数据的综合，导出了计算不同地区的 年周期内慢衰落的标准偏差公式如下年周期

16、内慢衰落的标准偏差公式如下 0 .0 0 3 0 .0 0 3 0 .0 0 3 70 .0 9 4 .60 .0 6 8 .80 .1 1 s s s d s d s d s Ne Ne Ne (6-14) （平原）（平原） （山区）（山区） （海上）（海上） 式中式中 是夏季和冬季地面折射指数平均值之差，通常可取是夏季和冬季地面折射指数平均值之差，通常可取 最近最近10年来包括年来包括 最高月份和最低月份在内的其左右共三个最高月份和最低月份在内的其左右共三个 月的平均值。其中月的平均值。其中 ，以，以km计，如图计，如图6-126-12所示，所示， 图中图中 、 分别为发射与接收天线的海拔

17、高度，分别为发射与接收天线的海拔高度， 、 分别是分别是 距离发射天线与接收天线最近的障碍物高度，距离发射天线与接收天线最近的障碍物高度， 、 分别为分别为 上述两障碍物距发射与接收天线垂足的大圆距离。上述两障碍物距发射与接收天线垂足的大圆距离。 s N s N )( rts dddd 1 h t d 2 h r d r h t h 图图6-136-13为标准偏差为标准偏差 与距离与距离 的关系曲线。标准偏差与的关系曲线。标准偏差与 季节也有关系，夏季比冬季大季节也有关系，夏季比冬季大3 35 5dB左右。实验结果表明，左右。实验结果表明， 距离为距离为150150km的电路，小时中值累积分布

18、的标准偏差一般大的电路，小时中值累积分布的标准偏差一般大 于于 ；距离大于；距离大于250250km时，时， ；距离大于；距离大于500500km以以 上时，上时， 。 s d 10dB 6dB 10dB 2.2.慢衰落的一些变化规律慢衰落的一些变化规律 （1）慢衰落的幅度与距离有关慢衰落的幅度与距离有关。距离近时，散射体高度。距离近时，散射体高度 降低，如图降低，如图6-146-14所示，对流层的特性起伏变化较大；此外距所示，对流层的特性起伏变化较大；此外距 离近时，绕射信号的成分可能较多，信号电平幅度变化也较离近时，绕射信号的成分可能较多，信号电平幅度变化也较 大。大。 （2）昼夜变化昼夜

19、变化。信号电平小时中值的昼夜变化称为日变化。信号电平小时中值的昼夜变化称为日变化。 一天之中一天之中12：00-18：00时之间信号电平最弱，午夜与早晨时之间信号电平最弱，午夜与早晨 信号电平最强。并且昼夜变化幅度与距离有关，距离远，昼信号电平最强。并且昼夜变化幅度与距离有关，距离远，昼 夜变化的幅度较小。夜变化的幅度较小。 另外另外与信号强度也有关系与信号强度也有关系，弱信号一般是由于湍流不均，弱信号一般是由于湍流不均 匀散射引起，其日变化不明显。强信号可能是由于不相干的匀散射引起，其日变化不明显。强信号可能是由于不相干的 锐变层引起。而中午前后大气对流作用较好，分层结构不易锐变层引起。而中

20、午前后大气对流作用较好，分层结构不易 形成，锐变层出现少；午夜前后锐变层出现较多，由它反射形成，锐变层出现少；午夜前后锐变层出现较多，由它反射 的信号电平则较强，故表现出明显日变化特征。的信号电平则较强，故表现出明显日变化特征。 信号电平的日变化样品如图信号电平的日变化样品如图6-156-15所示。所示。 （3）信号电平逐日变化信号电平逐日变化。因为一个月内每一天的气象条。因为一个月内每一天的气象条 件不同，某一个月的某天与另一个月的同一天的气象条件差件不同，某一个月的某天与另一个月的同一天的气象条件差 别可能更大，所以很难显示出一定的变化规律。通常日与日别可能更大，所以很难显示出一定的变化规律。通常日与日 之间电平变化约在之间电平变化约在4 45 5dB以内，最大可达以内，最大可达15152020dB，