数字微波通信及大气激光通信课件

1、5. 1数字微波通信概述5.1.1数字微波通信发展简述微波通信是一种先进的通信方式，它利用微波来携带信息，通过电波空间同时传送若干相互无关的信息，并且还能进行再生中继。它具有传输容量大、长途传输质量稳定、投资少、建设周期短和维护方便等特点，得到了广泛的应用。而建立在微波通信和数字通信基础上的数字微波通信，同时具有数字通信和微波通信的优点，更是受到各国的普通重视。因此数字微波中继通信、光纤通信和卫星通信一起被称为现代通信传输的三大主要手段。根据所传输基带信号的不同，微波通信又分为两种制式。用于传输频分多路一调频(FDM-FM)基带信号的系统叫作模拟微波通信系统;用于传输数字基带信号的系统叫作数字

2、微波通信系统。下一页返回5. 1数字微波通信概述后者又进一步分为PITH微波和SDH微波通信两种体制。SDH微波通信系统是今后微波通信系统发展的主方向。 不管是模拟微波通信还是数字微波通信，其微波通信最基本的特点可以概括为6个字:“微波、多路、接力”。“微波”是指射频为微波频率，特点是微波工作频段宽，波段频率为300 MHz300 GHz,波长为1 m1 mm，它包括了分米波、厘米波和毫米波3个频段。这个频段宽度几乎是长波、中波、短波及特高频等各个频段总和的1 000倍，所以它可容纳较其他频段多得多的话路，而且不致互相干扰。上一页下一页返回5. 1数字微波通信概述由于微波频率高，波长短，微波通

3、信一般使用面式天线。当面式天线的日面积给定后，增益与波长的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天线。当波长比周围物体的尺寸小得多时，电磁波近似于光波特性，可以利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，得到方向性很强的天线。例如，直径3m的抛物面天线，当工作波长为=7. 5 cm，天线效率=0. 6时，其天线增益可达40 dB，相当于无方向性天线的发射功率提高了10 000倍。此外，在微波频段，天电干扰和工业干扰及太阳黑子的变化基本上不起作用，而这些干扰对短波通信的影响却十分严重，所以微波通信的可靠性和稳定性可以做得很高。上一页下一页返回5. 1数字微波通信概述“多路”是指微波通信的通信容量大，即

4、微波通信设备的通频带可以做得很宽。例如，对4 GHz的设备而言，其通频带按1%计算，可达40 MHz，其所提供的带宽正符合ISDN所要求的宽带传输链路的要求。 “接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。由于地球是i员1的，加之地面上的地貌(如山川)所限，使得地球上两点(两个微波站)间不被阻挡的距离有限。为了可靠通信，一条长的微波通信线路就要在线路中间设若干个中继站，采用接力的方式传输发送端的信息。近些年来，由于通信技术的发展及通信设备的数字化，数字微波设备与模拟微波设备相比，在微波设备中占有绝对大的比重。而数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特点外，还具有数字通信的特点。上一页下一页返回

5、5. 1数字微波通信概述 (1 )抗干扰性强，整个线路噪声不累积。经数字微波信道传输的数字信号，要经过微波中继站的多次转发，站上有对数字信号进行处理的再生中继器。而再生中继器是采用抽样判决的办法来接收每一个码元。经过一个中继段传输后，只要干扰噪声还没大到影响对信码错判的程度，经过判决识别后，就可以把干扰噪声清除掉，再生出与发送端一样的“干净”波形，从而继续传输。这种再生作用使数字微波通信的线路噪声不逐站累积，提高了抗干扰性。而模拟微波通信的线路噪声是随线路长度增加而增加的，并且逐站累积的。当然，一旦噪声干扰对数字信号造成了误码，在继续传输过程中被纠正过来的可能性是很小的，所以误码被认为是逐站累

6、积的。上一页下一页返回5. 1数字微波通信概述(2)保密性强，便于加密。数字信号本身就具有一定的保密性，又因为各种信号数字化后形成的信码，可采用不同的规律或方式，方便灵活地加进密码，在线路中传输，接收端再按相同的规律解除密码，所以说这种通信方式的保密性强。(3)器件位于固态化和集成化，设备体积小、耗电少。(4)便于组成综合业务数字网(ISDN)。数字微波的主要缺点是要求传输信道带宽较宽，因而产生了频率选择性衰落，其抗衰落技术比模拟微波中相应的技术要复杂。上一页下一页返回5. 1数字微波通信概述5. 1. 2微波通信系统的组成1.系统组成一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站、终点站及电

7、波空间组成，如图5. 1 (a)所示。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电视台送来的视频及伴音信号，调制到微波频率上并发射出去;或者反之，将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备，或将解调出的视频信号及伴音信号送往电视台。线路中间的中继站的任务是完成微波信号的转发和分路，所以中继站又分为中间站(不能上、下话路)、分路站和枢纽站(能上、下话路)，如图5.1(b)所示。上一页下一页返回5. 1数字微波通信概述 2.微波收发信设备的组成(1)发信设备的组成。从目前使用的数字微波通信设备来看，分为直接调制式发信机(使用微波调相器)和变频式发信机。中小容量的数字微波(480路以下)设备可用前一

8、种方案。下面以一种典型的变频式发信机为例加以说明，如图5. 2所示。 发信设备的主要性能指标如下。工作频段。从无线电频谱的划分来看，通常把频率为0. 3300 GHz的射频称为微波频率。输出功率。输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。上一页下一页返回5. 1数字微波通信概述频率稳定度。发信机的每个工作波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。(2)收信设备的组成。数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，这里所讲的收信设备只包括射频和中频两个部分。数字微波通信系统的收信设备一般都采用超外差接收方式，其组成如图5. 3所示。(3)收信设备的主要性能指标。工作频段。收信机是与发信机配合工

9、作的。收信本振的频率稳定度。接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决定的。上一页下一页返回5. 1数字微波通信概述噪声系数。数字微波收信机的噪声系数一般为2. 5 7 dB，比模拟微波收信机的噪声系数小5 dB左右。通频带。收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱(的主要成分)要占有一定的带宽。选择性。对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对邻近波道干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够的抑制能力，这就是收信机的选择性。收信机的最大增益。天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平在随时变动。自动增益控制范围。以自由空间传播条件下的

10、收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落;低于基准电平时，称为下衰落。上一页返回5. 2电波在自由空间的传播5. 2. 1无线电波频段的划分与传播方式发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达接收天线的过程，就称为无线电波传播。无线电波与可见光、X射线及Y射线一样都同属于电磁波，它们都是以电场和磁场为其特征的一种电磁振动。在电磁波频谱中，电磁波的频谱范围极其宽阔，其频谱从几赫兹到3 000 GHz(波长从几十兆米到亚毫米)，无线电波频段的划分如表5. 1所示。其中，频率从300 MHz3 000 GHz(波长从1 m到0. 1 mm)的无线电波是微波波段。任何一

11、种信号传播系统都是由发送端、接收端和传输媒质几部分组成的。无线电波从发送端到接收端必定要经历一定的传输媒质，这个经历的过程也就是无线电波传播的过程。下一页返回5. 2电波在自由空间的传播最基本的传输媒质是地球及其周围附近的区域，主要有地表、对流层、电离层等。这些媒质的电特性对不同频段的无线电波的传播有着不同的影响。根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将无线电波的传播方式分为下列几种。(1)地面波传播。无线电波沿着地球表面的传播，称为地面波传播。其特点是信号比较稳定，电波频率愈高，地回波随距离的增加衰减愈快。因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。(2)天波传播。天波传播是指

12、电波由高空电离层反射回来而到达地面接收点的这种传播方式。短波是利用天波进行远距离通信的。上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播(3)散射传播。散射传播是利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现远距离传播的。这种传播方式主要用于超短波和微波远距离通信。(2)视距传播。视距传播是指在发射天线和接收天线间能相互“看见”的距离内，电波直接从发射端传送到接收端(有时包括有地面反射波)的一种传播方式，又称为直接波或空间波传播。微波波段的无线电波就是以视距传播方式来进行传送的。因为微波波段频率很高，波长很短，沿地面传播时衰减很大，投射到高空电离层时会穿过电离

13、层而不能被反射回地面。视距传播大体上可分为3类情况。第一类是指地面上(如移动通信和微波接力传输等)的视距传播;第二类是指地面上与空中目标之间(如与飞机、通信卫星等)的视距传播;第三类是指空间通信系统之间(如飞机之间、宇宙飞行器之间等)的视距传播。上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播5.2.2无线电波的基本性质众所周知，无线电波是由随时间变化的电场和磁场组成的，电场与磁场相互依存、相互转化，形成统一的时变电磁场体系。时变电磁场是以波动的形式在空间存在和运动的，因此称为电磁波或无线电波。电磁波作为一种物质形式具有能量，当电磁波以波动的形式在空间运动和传播时，电磁能量以能流的形式在空间中运动

14、和转移，从而将信息能量从一点传到另一点。无线电波的电场、磁场及电磁能流之间具有以下一些基本关系和基本性质。(1)电场、磁场和能流传输方向(即电波传输方向)相互垂直，它们之间是一个右手螺旋的关系。上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播即如果将右手除大拇指外的四个指头并拢从电场E的方向转到磁场H的方向，则大拇指所指的方向就是电磁波传播的方向，也就是能流密度5的传输方向。(2)电场强度E的大小与磁场强度H的大小的比值是一个固定值，该值称为媒质的特性阻抗(或波阻抗)，记为ZC，即: (5.1)式中媒质的导磁率; 媒质的介电常数。对于真空媒质，其特性阻抗约为377。上一页下一页返回5. 2电波在自

15、由空间的传播(3)电磁能流密度。空间任一点的能流密度S定义为:某一时刻t穿过该点单位面积的功率。对于随时间做简谐变化的电磁波，经常使用平均能流密度的概念。它是对能流密度在一个周期内求平均值。因此空间任一点平均能流密度Say的定义为:在单位时间里通过单位面积的平均功率(W/m2 ) , Say大小为: (5.2)式中|E|电场强度的振幅值; |H|磁场强度的振幅值。(4)无线电波具有一定的极化形式。波的极化是指电场强度矢量在空间的取向。波有3种不同的极化形式。上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播直线极化。指电场在空间的取向不随时间变化，保持在一直线上。圆极化。指电场在空间的取向，其矢量端

16、点轨迹随时间在一个圆上旋转。根据旋向的不同，存在两种圆极化:如果电场矢量旋转的方向与电磁波传播方向构成右手螺旋关系，称右旋圆极化波;反之，当电场矢量旋转的方向与电磁波传播方向构成左手螺旋关系，则称为左旋圆极化波。椭圆极化。指电场在空间的取向，其矢量端点轨迹随时间在一个椭圆上旋转。直线极化波和圆极化波都可看作椭圆极化波的特例。(5)无线电波的辐射。无线电波是由天线向空间辐射所产生的。辐射后的无线电波在空间传播，在远离天线一段距离后的空间是远场区，在该区的场又称辐射场。上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播对辐射场，电场强度E和磁场强度H的振幅随离开天线的距离:的增加而按1/r的因子减小，辐

17、射场的等相面(或称波阵面，波前)是以r为半径的球面。5.2.3自由空间的传播损耗无线电波在自由空间中的传播就称为自由空间传播。自由空间，严格来说是指真空，是一种理想情况，实际上是不可能达到这种情况的。通常自由空间是指充满均匀、无损耗媒质的无限大空间，即该空间具有电导率为零、相对介电常数和相对磁导率均恒为1等特点。无线电波在自由空间的传播过程中不产生波的吸收、散射和反射等现象。上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播在微波通信中，天线的方向性是很强的，站间的距离很大(与波长相比)，由辐射源发出的电波虽然是球面波，但达到接收天线时已经完全可以认为是平面波了，所以在讨论微波通信的电波传输时，均按

18、平面波的情况来分析。电波由发射天线辐射后，能量是向周围空间扩散的，达到接收天线的能量仅是其中的一小部分，距离越远，接收天线收到的能量越少，这就是电波在自由空间传播过程中的衰减，也称为自由空间的传播损耗，如图5.4所示。如果把发射天线放置在A点，发射功率为Pt，把接收天线及设备放在B点，所接收到的功率为Pt, A、B间的距离为d，则可以以A点为球心，以d为半径作一球面，其球面积为4 d2 。 B点在球面上，因此，在球面上任一点的单位面积所接收到的功率为Pt.，把接收天线及设备放在B点，所接收到的功率为Pt /(4 d2 )。上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播如果发射天线和接收天线均无方

19、向性，则无方向性接收天线所能接收的有效面积为2/ 4 ，为所传电波的波长。所以，在B点的无方向性接收天线所收到的功率为: （5.3）于是可定义自由空间的衰减系数为: （5.4）或 （5.5）上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播当d的单位为km, f的单位是GHz时， LS = 92.4+20lgd +20lgf (dB) (5. 6)5. 2. 4自由空间传播条件下收信电平的计算实际上，用于数字微波接力通信设备的天线，不是向周围空间均匀辐射的无方向性天线，而是具有很强的方向性，它能把辐射能量在很大程度上向正前方向(主射束方向)集中，这种集中程度用发射天线增益Gt来表示。通过主射束方向单

20、位面积的功率为PtGt/4d2。如果接收天线的有效接收面积为上一页下一页返回5. 2电波在自由空间的传播式中Gr接收天线的增益。此接收天线所截获的功率Pre为: （5.7）式(5. 7 )就是当天线与接收机匹配时送至接收机的输入功率或收信电平。实际微波通信中，馈线系统均具有损耗，设收发两端馈线系统损耗分别为Lfr、Lft，收发两端分路系统损耗分别为Lbr、 Lbt，则在自由空间传播条件下，最后接收机的收信功率电平为: （5.8）式(5.8)中各量除表明的外用分贝表示。 上一页返回5. 3微波传播的描述方法5. 3. 1惠更斯一菲涅耳原理当需要估计从发射天线到接收天线之间传输功率的主要空间时.就

21、要用到惠更斯一菲涅耳原理。该原理认为:波在传播过程中.波面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波波源.而下一个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波波面的包络面。如图5.5所示.在时刻t的波面为A.经过t时间后的波面为B.这个波面B是原来波面A上无数个小波源a1,a2,a3在时刻t发出的球面波.经t时间之后到达b1 ,b2,b3点所形成的包络面。其后.菲涅耳发展了这个原理.他认为波在传输过程小.空间任一点上的辐射场.是包围波源的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点互相干涉叠加的结果。下一页返回5. 3微波传播的描述方法从电磁波的观点来看.这个原理是容易理解的.因为包围波源的任一个曲面上都分

22、布着电场和磁场.场的结构可以用电力线和磁力线的分布来表不.线上的每一点都有与之相切的电场矢量和磁场矢量.如图5.5所不。这样每一个点的电场和磁场都可以当作小的电偶极子和磁偶极子.电磁波的传播是这些偶极子不断地产生和再辐射的过程。所以.曲面上的地磁矢量都是曲面外任一点辐射场的波源.通常把它叫作二次波源.或惠更斯源。场中任一点的强度.就是无数的以这些小电磁辐射源辐射的波.在空间相互干涉叠加的合成场强.从电磁场的基本定律出发.通过曲面积分.可以导出空间任一点P的数学表达式: （5.9）上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法式中A一次源的幅度; k单位长度上的相位变化; 一次源到S曲面上的二次点源

23、的距离; r S曲面上的二次点源到P点的距离。表达式中略去了时间因子。虽然利用上式可以计算出点源Q以外空间任意点P处的场强，可是计算复杂，而且难以解释物理概念。采用菲涅耳近似计算法，可使问题简化。5. 3. 2电波传播的菲涅耳区假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为R，站间距为d，平面上一个动点P到两个定点(T,R)的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法对于电波传播.当这个常数为d+/2时，得到的椭球面称为第一菲涅耳椭球面;常数为d+2/2时.得到的椭球面称为第二菲涅耳椭球面;常数为d+N/2时.得到的椭球面

24、称为第N菲涅耳椭球面。如果前述定义的一系列菲涅耳椭球面，与我们从T或R点出发认定的某一波面相交割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一菲涅耳区。其外的圆环(外圆减内圆得到的圆环)称为第二个菲涅耳区，再往外的圆环称为第三菲涅耳区、第四菲涅耳区第N菲涅耳区。这些圆和环，我们可以把它们近似地看成垂直于地面且垂直于T与R间射线的平面区域图形。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法经有关研究知道:(1)由第一菲涅耳区在接收点的场强，接近于全部有贡献的菲涅耳区在接收点的自由空间场强的2倍。(2)由第二菲涅耳区在接收点的场强，比第一菲涅耳区在接收点的场强小些，但相位相反。(

25、3)在电波的传播空间中，在接收点的合成场强，当菲涅耳区数趋近于无限多时，就接近于自由空间场强。(4)相邻菲涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反。(5)若以第一菲涅耳区为参考，则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强，偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法这样，从Q点到尸点的电磁能量基本上是通过以Q和P为焦点的一些菲涅耳区来传播的。所以，为了获得自由空间传播，只要保证一定的菲涅耳区不受障碍就可以了。这个区域是电波在自由空间传播时起主要作用的空间区域，它被S0平面所截的面积是对接收场强起主要作用的二次源分布面积。我们把菲涅耳区上的任意一点到R-T连线的距离称

26、为菲涅耳区半径，用F表示。如图5. 6所示。当这一点为第一菲涅耳区上的点时，此半径称为第一菲涅耳区半径，记为F1。当这一点为第n菲涅耳区上的点时，此半径称为第n菲涅耳区半径，记为Fn。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法一般情况下.d1和d2远大于菲涅耳区半径Fn可以算出.对第一菲涅耳区面上的点.有: （5.10）因为d1+d2=d，所以: （5.11）上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法由此可以算出第一菲涅耳区半径:式中.距离d的单位为km.频率f的单位为GHz,算出的F1的单位为m。同理.第n菲涅耳区半径:公式表明.波长愈短.距离d愈短.菲涅耳区半径越小.波长和距离一定时.菲涅

27、耳区半径与S0的位量有关.如选在中点.则菲涅耳区半径最大。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法设想S0是一个不透明的屏.围绕着零点开圆孔.先开一个孔与第一个菲涅耳区圆面积一样大.则接收点的场强振幅将为自由空间值的2倍.逐渐开大孔.就会得到场强起伏变化。同时还可看出.所开的圆孔只要相当于第一个菲涅耳区面积的1/3左右时.就能得到自由空间场强。也就是说要得到合成场振幅为自由空间场振幅八的最小菲涅耳区半径F0 。上例中.传播路径中点处的F0= F1的孔就能在接收点得到自由空间传播的信号场强。第一个菲涅耳半径F1和最小菲涅耳半径F0 。是微波电路勘探设计中常用的两个重要物理量。上一页下一页返回5

28、. 3微波传播的描述方法5. 3. 3地形对电波传播的影响地形对大气中电波传播的影响主要表现在3个方面.反射、绕射和散射。在实际传播中.这3种现象都存在.只是在不同条件下有主次之分。当天线高架.地面平滑的以反射为主;地面粗糙起伏较大时.以散射为主(如丘陵地段).散射实际上是乱反射;当天线低架或障碍物的尺寸比波长小得多时，以绕射为主。在平滑地面上，微波中继通信中无线电波是在地表上两点之间传播的，为使问题简化，我们先假定两点间的距离不太大，可以不考虑地面媒质对电波的吸收，即地面对电波全反射。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法图5. 7表示电波在平滑地面上的传播情况。A为发射天线，高度为h1

29、, B为接收天线，其高度为h2，电波从A至B有两条途径，即直射波及反射波。所以在接收点的场强应为两种波的叠加。从图可见，直射波及反射波到达接收点时存在着行程差，面且地面反射波本身也要引入相位偏移，因此，直射波将受到反射波的干涉。其结果使收信点的场强产生变化。如果设直射波及反射波电场强度相等，且认为反射波的电磁场是从发射天线A在地下的镜像A所产生。其相位相反，则直射波和反射波行程差为: （5.12）上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法一般情况下.d h1，h2通过近似.可得到行程差为: （5.13）行程差引起相位差，所以经过路途ABC的反射波产生相位滞后角为 （5.14）设直射波的场强为

30、（5.15）上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法设地面反射系数为R，且因反射相移弧度，则反射波的场强为: （5.16）合成的场强为二者的叠加.则: （5.17）在研究电波传播时，人们最关心的还是电波在传播过程中电场强度幅值的变化情况。 上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法为此，定义传播电路的衰减因子V:在传播距离、工作频率、发射天线和发射功率相同的情况下，接收点的实际电场强度幅值E和自由空间电场强度幅值E0之比，即: (5.19)也可用分贝表示为: (5.20)可以看出.V随行程差的变化而呈周期性的变化.变化范围在02内。考虑地面反射后.接收机的实际收信电平为: (5.21)上一页

31、下一页返回5. 3微波传播的描述方法当通信距离远或地形复杂时.不能将电波看作是在平面上的传播.而必须计算球面时上述的讨论进行修正.修正主要是对天线高度和反射情况进行的。由于地球是球形.凸起的地表面会挡着视线.视线的最远距离称为直视距离。如图5.8所示.假定发射和接收天线的高度为h1和h2，而两天线的连线与地球面相切.则地面上的距离d0为两天线之间的直视距离。a代表地球的半径.则: （5.22）上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法因为一般很小，sin，且a+h1 a，故： （5.23）同理d2= 。故直视距离为: （5.24）将地球半径a=6 370 km.代入则可得:上一页下一页返回5.

32、 3微波传播的描述方法 （5.25）式中.d0的单位为km .h1和h2的单位为m。 比较实际距离d和直视距离d。的关系，可得: (1)如果dd0，称接收点处于照明区。 (2)如果dd0，称接收点处于阴影区。 (3)如果d d0，称接收点处于半阴影区。要保证发射和接收天线间的电波不受地球阻挡，就要选取两天线高度应处于照明区，使dd0 ，即使它们处于照明区。当地面上的反射区域不可看成是平面而必须计算球面地时，在研究电波反射的计算关系式中，应做相应的修改。这种修改主要有两个方面，一是修改天线的高度，二是修改地面的反射系数。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法如图5.9所示，通过反射点作一个切

33、面，则实际的天线高度应改为自切平面起算的高度即改为等效高度h1 和h2 。从图上几何关系再取近似值可得: （5.26）上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法于是.天线的等效高度为: （5.27） （5.28）在计算球面地上的反射时.只要用天线等效高度代替实际高度.就等于用平面地代替球面地。另一方面.考虑到球形地面对电波的打散作用.球形地面上的反射比平面上的反射要弱一些。所以要在平面地的反射系数上乘一个扩散因子。扩散因子与地面反射点的曲率半径有关.曲率半径越小.打散因子也就越小。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法对光滑的地面.扩散因子等于1;对起伏不平的复杂地面.反射点的曲率半径不为

34、a，而是小于地球半径。曲率半径越小.扩散因子就越小。所以在选择地形时.希望选择起伏不平的山区而尽可能避免大的开阔地带和湖泊。表5. 2给出了不同地面的反射系数。5. 3. 4大气对电波传播的影响1.大气对微波的吸收大气中的气体和百雾等对电波传播是有影响的。这主要是由大气成分中的氧、水汽及由后者凝聚而成的百、雾、雨、雪对电波能量的吸收作用所造成的。任何物质都是由带电的粒子组成的.这些粒子有其固有的谐振频率。当通过此物质的电磁波频率接近其谐振频率时.这些物质就会对电磁波产生强烈的共振吸收作用。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法大气中的氧分子(O2)具有固有的磁偶极矩.水汽分子(H2O)具有

35、固有的电偶极矩.它们都能从电磁波中吸收能量.产生吸收衰减。在微波波段大气吸收有3个明显的吸收峰。其中心频率分别为22. 5 GHz(H2O),60 GHz (O2)和118. 8 GHz (O2).如图5. 10所示.该曲线是在正常大气压(760毫米水银柱).温度为20和每立方米空气中含有水量7.59的湿度条件下计算的结果。应当说明的是.大气吸收是大气温度、气压和湿度的函数.而这些气象参数会随高度、地区、季节甚至会随每天不同而变化。例如在微波中继通信中.电波是在靠近地面的空间内传播的.因此可按地面的气象来进行计算。从图5. 10的曲线看出.对于10 GHz以下的频率.大气吸收衰减小于0. 02

36、 dB/km,但对30 GHz以上的毫米波来说.氧和水汽的谐振吸收很严重。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法水凝物是大气中水蒸气凝聚物的统称，如可观察到的雨、雾、云、冰雹等。它们对微波传播都有一定的影响。当电波投射到这些水凝物粒子时，粒子内部的自由电子和束缚电荷将受到外界电场力的作用而强迫振动，若水粒子的半径远小于波长，则整个水粒子上的电磁场可视为均匀分布的。它可以看成是一个等数的电偶极子。随外场频率振荡产生二次辐射，从而将投射到它上面去的一部分功率散射出去。另一方面，由于水凝粒子内部分子之间或分子与离子之间的相互作用产生阻尼效应，使一部分电波功率转化成热能而消耗掉，这就形成了对电波能

37、量的吸收。无论是吸收或散射作用，其效果都是电波在传播方向遭受衰减，就云、雾、雪对微波传播的影响来说，其中降雨引起的衰减最为严重。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法对于10 GHz以上的频率，由于降雨引起的电波衰减在一年中相当多的时间内是可观的。因此，在地面和卫星通信线路的设计中需要考虑由降雨引起的衰减，以便能正确估计降雨对通信质量的影响程度。 图5. 11给出了10 MHz100 GHz内几种不同降雨情况下的雨衰减率的曲线，由曲线看出，对30GHz以下的频率，小雨、中雨引起的电波衰减是微不足道的，而对于30GHz以上的频段，即使对一般中雨(例如降雨率为R=5 mm/h)，衰减率也要超过

38、1 dB/km，所以降雨衰减是实现毫米波通信的主要障碍。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法2.大气使电波发生折射地球周围的大气层并不是一种均匀媒质.大气的压力、温度与湿度都随高度而变化。由于这种物理现象.导致大气层的介电常数是高度的函数.在标准大气层情况下.大气层的相对介电常数r随高度的增加将逐渐减少而更趋近于1.因此大气的折射率n= 与1相差极小.一般它们之间的差值为10-410-6。为了方便.定义折射指数N =（n-1）X10-6 。一般来说.温带地区紧贴地面的大气折射指数N为310-320N单位.平均为315N单位。影响无线电波传播的主要因索是折射指数N的垂直分布。一般地说.折射

39、指数随高度增加而下降。标准大气的折射指数梯度为: (5.29)上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法或标准大气的折射率梯度为: (5.30)电波在标准大气中或在混合的比较均匀的大气中传播时.常称为正常传播。研究对流层折射指数N,对于了解对流层电流传播特性有着重要意义。目前世界各国都进行了大量的研究工作。在工作上普遍采用实测的办法.测量大气折射指数;v的值及其随高度的变化.并进行统计。根据无线电波的性质.当电波由一种媒质向另一种媒质传播时.在两种媒质的交界面处会发生折射。若将地球的大气层分成许多薄片层.每一薄片层认为是均匀的.各薄片层的折射率，、随高度的增加而减小。上一页下一页返回5. 3微

40、波传播的描述方法电波依次通过每个界面.都将产生一次折射.由于上一层的折射率小于下一层的折射率.按照折射定律可以推出电波的折射角大于入射角.故折射线偏向下方.每折射一次.射线都将向下偏折一次。于是.在大气层中的电波射线就不再是一条直线而是一条不断偏折的折线.如果将大气层的分层取得无限薄.则射线是一条向下弯曲的弧线.利用折射定律.可以推出该弧线的曲率半径为: (5.31)由于大气结构的复杂性.电波折射的形式也是多样的。按大气折射的分类情况.大致可分为正折射、负折射和无折射3种.如图5. 12所示。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法(1)正折射:是指dn/dh0时，K1时，传播轨迹向下弯曲，

41、视线距离增长，原来处于阴影区的接收天线，可能处于照明区而延长了传播距离;K1时，传播轨迹向上弯曲，视线距离缩短，原来处于照明区的接收天线，可能处于阴影区而接收不到信号。一般来说，K的平均值在叮3左右，因此，通常把K=2/3时的大气折射称为标准折射。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法3.影响传播余隙的因素考虑大气折射的影响时，利用等效地球半径代替地球半径，可得到等效后的地球凸起高度。即: (5.33)采用等效地球后，地球凸起高度的变化量为: (5.34)凸起变化导致余隙的变化，对确定的传播距离，中间余隙的变化为: (5.35)上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法根据d1+d2=d，

42、式(5. 35 )可变为: (5.36)若K不变，d1 / d2不变，则站距越长余隙变化量越大。为保证余隙的变化量不太大，通常要求在平原地段的微波线路站距为3040 km，山区为5060 km。在电波传播的计算中，反射点的位置是很重要的参数。对于微波线路处在山岭、城市建筑物或丘陵组成的地段，反射点即为山岭的最高点或建筑物的顶端。而对于微波线路处在平滑地面或水面路段，则由于大气折射的影响，在不同的K值时，将导致反射点在地面上移动，从而影响余隙的变化。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法在平滑地面或水面路段，在给定站距和天线高度情况下，随K的不同，反射点位置发生较大移动，反射波与直射波的行程

43、差变化大，严重影响接收效果。大气折射的主要影响是通过等效地球半径因子的改变而引起地球凸起高度。当K减小，地球凸起高度增大，余隙减小。在微波线路设计时，要注意工作区域K的变化，尤其是最小值和出现的时间。我们知道，如果余隙很大，则包含的菲涅耳区数目很多，接收场强将趋于自由空间值。但是由于考虑到地形障碍的存在及余隙的可能变化，我们并不一定要求余隙越大，通过它的菲涅耳区数目越多越好。实际上更重要的是要求达到自由空间场强所需要的最小余隙，即最小菲涅耳区半径F0。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法由此可以确定一条确定传播余隙的原则，即:在一个传播段上，相应于最小值K的传播余隙应在F0左右。在实际电

44、路中，接收点的场强不可能恰好等于计算的自由空间场强值，而允许有士3 dB的变化范围。5. 3. 5大气与地面效应造成的衰落特性大气中有对流、平流、湍流及雨雾等现象，它们都是由对流层中一些特殊的大气环境造成的，并且是随机产生的。加上地面反射对电波传播的影响，就使发信端到接收端之间的电波被散射、折射、吸收，或被地面反射。在同一瞬间，可能只有一种现象发生(影响较明显)，也可能几种现象同时发生，其发生的次数及影响程度都带有随机性。这些影响就使收信电平随时间而变化。这种收信电平随时间起伏变化的现象，叫作电波传播的衰落现象。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法衰落的持续时间有长有短。持续时间短的为几

45、毫秒至几秒，称为快衰落;持续时间长的从几分至几小时，称为慢衰落。当衰落发生时，接收电平低于自由空间电平时称为下衰落;高于自由空间电平时称为上衰落。由于信号的衰落情况是随机的，因而无法预知某一信号随时间变化的具体规律，只能掌握信号随时间变化的统计规律。信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和系统可靠性。视距传播衰落的主要原因是由于上述大气与地面效应所引起的。从发生衰落的物理原因看，可以分成以下几类。1.闪烁衰落对流层中的大气常常发生体积大小不等、无规则的波涡运动，称为大气湍流。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法大气湍流形成的一些不均匀小块或层状物使介电常数与周围不同，并能使电波向周围辐

46、射，这就是对流层散射。在收信点，天线可收到多径传来的这种散射波，它们之间具有任意振幅和随机相位，可使收信点电场强度的振幅发生变化，并形成快衰落，服从于瑞利分布。在视距微波通信中，由于对流层散射到收信点的多径电场强度叠加在一起，使收信电场强度降低，形成了闪烁衰落。由于这种衰落持续时间短，电平变化小，一般不至于造成通信中断。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法2. K型衰落这是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波(或在某种情况下的绕射波)到达接收端时因相位不同互相干涉造成的电波衰落。其相位干涉的程度与行程差有关，而在对抗层中，行程差r是随K值(大气折射的重要参数)变化的，

47、故称K型衰落。这种衰落尤其在线路经过水面、湖泊或平滑地面时特别严重，因气象条件的突然变化，严重时会造成通信中断。因地面影响产生的反射衰落及因大气折射产生的绕射衰落，当其衰落深度随时间变化时引起的衰落均属K型衰落。K型衰落除地面效应外，大气中有时出现的突变层也能使电波反射或散射，并同直射波和地面反射构成了电波的多径传输。在接收点产生干涉，这也是一种K型衰落，K型衰落又叫多径衰落。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法3.波导型衰落由于各种气象条件的影响，如旱晨地面被太阳晒热，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。当电磁波通过对流层中这些不均匀层时，将产生超折射现象

48、，形成大气波导。只要微波射线通过大气波导，而收、发两点在波导层下面，则收信点的电场强度除了直射波和地面反射波外，还可能收到波导层的反射波，形成严重的干涉型衰落，并往往造成通信中断。衰落对视距传播的影响主要有两个方面:一是接收电平下降，二是由于衰落的频率选择性而引起传输波形的失真。在多径衰落的情况下，严格说来这两种影响是同时存在的。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法但在一定条件下(例如信号传输带宽较窄)，可以忽略频率选择性的影响，认为在信号传输带宽内具有相同的电平衰落深度，这种衰落称为平衰落，下面主要讨论平衰落的统计特性。描述衰落的统计特性可以有不同的方法，例如可连续记录收信电场强度(或

49、收信电平)随着可变化的时间分布曲线;也可将电场强度记录中低于某一电场强度的时间加起来，再除以总时间，得到低于该电场强度的时间分数或概率，绘出收信电场强度的累积分布曲线等。从微波中继通信的可靠性着眼，必须掌握衰落深度与衰落持续时间的概率分布情况，前者给出了电波传播的中断电平，后者给出了中断时间。应该强调指出，多径传播效应所引起的相位干涉现象，是视距传播深衰落的主要原因。其衰落模型可以用一个固定的电场强度矢量与无穷多个相位独立的随机矢量的矢量和来描述。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法为了分析不同条件下电波传播的衰落特性，人们采用概率论的方法，引用能够近似表达这些衰落特性的多种分布函数，其

50、中最常用的是瑞利分布。可以证明，上述矢量和的模服从于广义瑞利分布。当衰落较严重时，相位干涉的随机矢量所占的比重很大，固定电场强度成分居次要地位，甚至极不明显地位，这时广义瑞利分布就趋于瑞利分布，其主要特征是衰落快而且深。瑞利分布最简单的概念是指有衰落时收信电平取某个值的可能性有多大。当把瑞利分布的规律应用于微波通信，并且考虑到电波传播的具体条件，衰落的瑞利概率为: （5.37）上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法式中K环境条件因子;Q地形条件因子;D站距;f信号频率;W接收到的实际功率;W0自由空间传播时的接收功率;Pr接收功率小于或等于W时的概率。从式(5. 37)可以看出，衰落的概率

51、不仅与接收功率有关，还与当时当地的气象、季节、地理环境等因索有关，表现在式(5. 37)中的常数因子K、Q、B、C不同。故不同的国家和地区的计算公式也不同，是经长期试验，取得经验后决定的。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法我国对衰落的瑞利概率的计算，是选用了日本、美国公式的折中值，与西、北欧的公式接近，具体为： （5.38）其中KQ的取值为: （5.39）衰落深度又叫衰落储备。数字微波通信中的衰落储备与模拟微波线路参数的衰落储备不同。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法这里是指衰落容限，即为了保证某个限定的误码率指标，一个中继段(设备)具有抗衰落的储备量，或者说能忍受的衰落深度。

52、而模拟微波的衰落储备，是指在进行噪声指标分配时，对一个中继段留有的指标余量。已知衰落深度为Fd时，深衰落发生的概率为: （5.40） 对于大容量数字微波，信号一般属宽带信号，宽带信号通过空间信道后，各频率分量经受不相关的衰减。在接收的合成信号中，表现在某个小频带内的频率衰减过大，使信号在整个频带内，不同频率的衰落深度不同;这种现象称为多径衰落的色散特性。这种衰落就是频率选择性衰落。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法产生这种衰落时，接收的信号功率电平不一定小，但其中某一些频率成分幅度过小，使信号产生波形失真。数字微波对这种衰落反应敏感，由波形失真形成码间串扰，使误码率增加，所以对数字微波

53、电路设计来讲，克服频率选择性衰落是一个重要的课题。解决频率选择性衰落仅考虑增加发射功率是不行的，最好的解决办法是采用分集接收和自适应均衡技术。频率选择性衰落是由多径传播产生的干涉性衰落现象引起的，如图5. 14所示。我们把多径传播归纳为两种类型。一种是直射波与地面反射波形成的多径，另一种是低空大气层大气效应造成的几种途径并存的多径。一般地说，第一种是主要的，是必然发生的。第二种则居于次要地位，也不一定是经常发生的。但是，当地面反射波强度很弱，甚至很微弱时，第二种多径影响就将成为主要因索。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法因多径干涉性衰落是由几条不同路径的电波相干涉而产生的，所以从原理上

54、讲，对其衰落模型的研究应该由几条波束进行合成。但是，在视距微波线路上，3条以上波束相干涉所造成的衰落使微波电路质量变坏的概率较小，故分析多径衰落时，一般都是对两条波束模型产生的干涉性衰落机理进行研究。令发送信号为f (t)，其频谱函数为F()。则到达接收点的两路信号，具有相同的衰减这样它们可分别表示为Kf (t- t0) ,Kf (t- t0-)，当这两条传输路径的信号合成后，得: (5.41)上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法相应于它的傅氏变换对为: (5.42)因此，信道的传递函数为: (5.43)其幅频特性为: (5.44)上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法可以看出，当一

55、个传输信号的频谱宽于1/:时，将致使某些频率分量呈现严重下衰落，而另外某些频率信号具有上衰落，这种对不同频率信号呈现不同衰落的现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰落。频率选择性衰落对微波通信系统传输质量会带来以下3个方面的影响。(1)信号的波形失真。带内失真会导致解调后数字信号的波形失真，波形失真又会造成码间干扰。有证明表示，在信号的通频带内，56 dB的振幅起伏就会使数字微波通信系统产生不能允许的高误码率，使系统性能变坏。决定频率选择性衰落程度的基本参数是两条射线的振幅比和路径时延差。当路径时延差固定时，振幅比越接近1，衰落越严重;当振幅比一定时，路径时延差越大，信号的色散越严重。上一页下一

56、页返回5. 3微波传播的描述方法(2)使交叉极化鉴别率下降。一种极化状态下(例如水平极化)的微波信号，经过信道传输，可能会受到大气层对电波传播的影响，使极化面受到损害，并使一部分能量成为与之正交的极化状态(例如垂直极化)。这样，当采用同频(双极化)再用方案时，就将引起频率相同、极化正交的两个波道之间的干扰，称为交叉极化干扰。当然，交叉极化干扰可以由收发两端的天线馈线系统的特性产生，但这种情况往往是以一种背景干扰(噪声)的形式存在，并保持不变。在10 GHz以下频段，一般认为交叉极化干扰主要是由多径传播引起的。 交叉极化鉴别率XPD常以电平值表示，即: (5.45)上一页下一页返回5. 3微波传

57、播的描述方法式中P接收端某波迫接收的与发信端相同极化的信号功率; Px波道收到的交叉极化干扰信号。XPD值越大，表示一种极化状态经传输变成正交极化状态的能量越少。对4GHz、6GHz频段，要求天线馈线系统的交叉极化鉴别度大于;40 dB，但多径传播将使交叉极化鉴别率显著变坏。(3)使系统原有的衰落储备值下降。当不考虑频率选择性衰落或系统传输的是窄带信号(频率选择性衰落可以忽略的情况下)时，系统的抗衰落能力是以平坦衰落储备表征的。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法平坦衰落储备的概念是:与自由空间传播条件相比，当热噪声增加时(只考虑热噪声)，为了在不超过门限误码的情况下系统仍能工作所必需留

58、有的电平余量。例如，某数字微波通信系统在自由空间传播条件下，收信电平为-35 dB，当误码率为门限值Pe=10时，收信电平为-80 dB，则其平坦衰落储备为45 dB。当考虑频率选择性衰落时，即对于大、中容量的数字微波通信系统而言，平坦衰落的概念已不适用。因为数字微波通信系统的传输带宽(由传输容量和调制方式决定)较宽，而且带宽越宽，频率选择性衰落的影响越严重，使系统实际具有的衰落储备比平坦衰落储备值低。这是因为当带内失真较严重时，有时衰落并不深，而且热噪声的影响也并不显著，却也有可能使误码率很快增加，当超过门限误码率时，通信中断。上一页下一页返回5. 3微波传播的描述方法数字微波通信系统经常用

59、到有效衰落储备的概念，它表示与自由空间传播条件相比，当考虑频率选择性衰落时，为了在不超过门限误码率时系统仍能工作，所必须留有的电平余量。对于大、中容量的数字微波通信系统，当增加平坦衰落储备时，有效衰落储备不能与之成比例地增加(增加极其缓慢)。也就是说，仅通过增加平坦衰落储备，例如只靠提高发信功率，数字微波通信系统的性能不会得到必要的改善。解决的办法是采用频率分集、空间分集和自适应均衡技术，以改善系统的抗频率选择性衰落的能力。5. 3. 6抗衰落技术微波传播中的衰落现象给微波传输带来了不利的影响，所以人们在研究电波传播统计规律的基础上提出了各种对付电波衰落的技术措施，即抗衰落技术。上一页下一页返

60、回5. 3微波传播的描述方法对付平坦衰落，往往靠收信机中频放大器的自动增益控制(AGC)电路和采用备用波道倒换的办法。在已建成的微波线路上，对某些衰落严重的接力段，尤其是频率选择性衰落严重的接力段，就应采取更有效的抗衰落技术，如采用分集技术和抗衰落天线。其中，分集技术就是指通过两条或两条以上的途径(例如空间途径)传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施，下面将介绍分集技术。先从概率的观点出发讨论分集接收对减少衰落的可能性。分集接收减小衰落的物理意义是很明显的。因为衰落是一种随机过程，故被接收的电场振幅也是一个随机变量。若在相距较远的各接收点，其电场衰落不相关，那么当某一点电场深度衰落时，其他