第5章無(wú)線通信傳輸理論

1、第五章 無(wú)線通信傳輸理論2/144第五章 無(wú)線通信傳輸理論內(nèi)容提要無(wú)線電波傳播特征無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線信道噪聲與衰落 無(wú)線通信的多址連接方式3/144信道的概念信道是通信中信息的傳輸通路，是通信理論中對(duì)發(fā)送機(jī)與接收機(jī)之間信息傳輸介質(zhì)的一個(gè)概括性的總稱，是任何通信系統(tǒng)不可缺少的部分。按傳輸特性參數(shù)隨外界因素影響變化的快慢，信道可分為恒參信道和變參信道。恒參信道：有線信道變參信道：無(wú)線信道4/144構(gòu)成無(wú)線傳輸系統(tǒng)的五點(diǎn)關(guān)鍵性問(wèn)題：構(gòu)成無(wú)線傳輸系統(tǒng)的五點(diǎn)關(guān)鍵性問(wèn)題： 信源編碼以降低對(duì)信道傳輸帶寬的要求； 信道編碼用于提高信道可靠性； 調(diào)制以適用不同傳輸設(shè)備； 加密，這不僅是為軍政通信的需要，在商業(yè)

2、、乃至個(gè)人通信方面也是重要的；1. 鏈路（或信道）容量的評(píng)價(jià)也是非常重要的問(wèn)題。5/144鏈路（或信道）容量C是用來(lái)量度信道傳輸信息的能力的一個(gè)指標(biāo)。 C為信道容量（bit/s），B為信道帶寬（Hz），S/N為信噪比，M表示進(jìn)制。香濃證明了，只要數(shù)字通信的速率小于信道容量C，總存在一種編碼方法，能實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼的傳輸，反之，則不可能無(wú)誤碼傳輸。log 1MSCBN6/1445.1 無(wú)線電波傳播特征頻率范圍頻率范圍 波波 長(zhǎng)長(zhǎng) 頻段名稱頻段名稱 波段波段 用用 途途 3Hz30kHz 104108m 甚低頻VLF 長(zhǎng)波 音頻、電話、數(shù)據(jù)終端、長(zhǎng)距離導(dǎo)航 30300kHz 104103m 低頻LF 長(zhǎng)

3、波 導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信 0.33MHz 103102m 中頻MF 中波 調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信 330MHz 10210m 高頻HF 短波 移動(dòng)無(wú)線電話、短波廣播、定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無(wú)線電 30300MHz 10lm 甚高頻VHF 米波 電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛通信、導(dǎo)航、集群通信、無(wú)線尋呼 0.33GHz 10010cm 特高頻UHF 分米波 電視、空間遙測(cè)、雷達(dá)導(dǎo)航、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、移動(dòng)通信 330GHz l0lcm 超高頻SHF 厘米波 微波接力、衛(wèi)星通信、雷達(dá) 30300GHz 101mm 極高頻EHF 毫米波 雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué) 105107GHz 0.421m 紅外、

4、可見光、紫外 光通信 7/144各種波段波的特性-1長(zhǎng)波的穿射能力最強(qiáng)，電磁波靠地波傳播，但其收發(fā)信天線的占用場(chǎng)地很大，常用于海上通信。中波比較穩(wěn)定，主要用于廣播。短波在傳輸過(guò)程中，碰到電離層會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象因而其傳輸距離很遠(yuǎn)，故短波常用于遠(yuǎn)距離通信或廣播。但極易受電離層變化的影響，信號(hào)會(huì)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。8/144各種波段波的特性-2超短波的傳輸特性同光波一樣，是沿直線傳播的，要求通信雙方之間（兩微波站之間）沒有阻擋物，信號(hào)方能傳輸?shù)綄?duì)方。微波傳輸特性也和光波一樣，只能沿直線傳播即視距傳播，繞射能力弱，且在傳播中遇到不均勻的介質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生折射和反射。 9/1445.1.1電波傳播所涉及到的地球大氣層

5、對(duì)流層平流層D 層E 層F1 層F2 層4090KM90110KM150KM250KM至1000KM1020KM2040KM電離層地 球10/144對(duì)流層對(duì)流層 地球大氣層中最低的一層 ，其平均高度達(dá)1012km 。在對(duì)流層中高度每升高1km，溫度約下降6.5，到對(duì)流層頂溫度大約已降到-56。 在對(duì)流層中集中了大氣中90以上的水和3/4以上的大氣質(zhì)量。對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響主要取決于對(duì)流層本身的電氣特性，可用折射指數(shù)來(lái)描述。11/144平流層平流層 從對(duì)流層頂?shù)?0km高度的大氣層。在20km以下平流層的溫度基本保持不變，所以又稱為同溫層。 在2050km高度范圍內(nèi)，其溫度在逐漸升高，到達(dá)50

6、km時(shí)達(dá)到約0左右的最大值。12/144電離層電離層 602000km高度的大氣層。 對(duì)流作用很小，由于太陽(yáng)的紫外輻射、X射線以及某種程度的宇宙線的作用下使大氣電離，形成大量的自由電子和離子，對(duì)無(wú)線電波傳播產(chǎn)生影響。 傳輸損耗較小，適用于高頻無(wú)線電波的傳播。磁層磁層 在電離層以上，是地球磁場(chǎng)所支配的空間區(qū)域。 其正對(duì)太陽(yáng)一側(cè)，磁層可達(dá)到10個(gè)地球半徑 高度，其背對(duì)太陽(yáng)一側(cè)，則有一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十 甚至上百個(gè)地球半徑的尾巴。13/1445.1.2無(wú)線電波在空間的傳播模式 電磁波在其橫向平面中場(chǎng)值的大小和方向都不變，則稱為均勻平面波。為簡(jiǎn)化起見，下面只討論均勻平面波在自由空間中的傳播情況。在無(wú)邊界（開放

7、）的無(wú)限空間中，電磁波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)只有橫電磁波TEM。20151022 廣電廣電14/1445.1.3 電波傳播的方式及特性電波傳播的方式及特性無(wú)線電波由發(fā)射天線輻射到空間的各區(qū)域后，可依不同的路徑到達(dá)接收天線處。 直射波 電離層 對(duì)流層 天波 散射波 地波 地反射波 C T R 圖 5-3 無(wú)線電波傳播的幾種方式 15/1445.1.3 電波傳播的方式及特征電波傳播的方式及特征地面波傳播地面波傳播是指無(wú)線電波沿著地球表面的傳播，簡(jiǎn)稱地波。主要適用于長(zhǎng)波和中波波段。特點(diǎn)：信號(hào)比較穩(wěn)定，但電波頻率愈高，地面波隨距離的增加衰減愈快。 16/144天波傳播天波傳播是指電波由高空電離層反射回來(lái)而到達(dá)地面接

8、收點(diǎn)的傳播方式。 長(zhǎng)、中、短波都可以利用天波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。17/1445.1.3 電波傳播的方式及特征電波傳播的方式及特征散射傳播散射傳播利用對(duì)流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過(guò)大氣時(shí)的電離余跡對(duì)電磁波的散射作用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播的。主要用于超短波和微波遠(yuǎn)距離通信。18/1445.1.3 電波傳播的方式及特征電波傳播的方式及特征視距（直射）傳播視距（直射）傳播 指在發(fā)射天線和接收天線間能相互“看見”的距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射端傳播到接收端(有時(shí)包括有地面反射波)的一種傳播方式，又稱直接波傳播。 視距傳播的應(yīng)用可分為三類情況：地面上的視距傳播；地面上與空中目標(biāo)之間的視距傳播； 空間通信系統(tǒng)之間

9、的視距傳播。19/144電波傳播特性-1電磁波傳播的共同特性電磁波傳播的共同特性u(píng)直線傳播u反射與折射u干涉u繞射20/144電波傳播特性-2直線傳播直線傳播電磁波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播 在均勻媒質(zhì)中，電磁波各射線的傳播速度相同 ,傳播方向不變 .21/144電波傳播特性-3反射與折射反射與折射 當(dāng)電波由一種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時(shí)，在兩種媒質(zhì)的交界面上，傳播方向會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。并遵守光學(xué)的折射和反射定律。22/144電波傳播特性-4電波的干涉電波的干涉 由同一電波源所產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)某接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)由不同路徑的電波合成，這種現(xiàn)象叫做波的干涉，也稱作多徑效應(yīng)。接收點(diǎn)的

10、場(chǎng)強(qiáng)是由直射波和地面反射波合成的。23/144電波傳播特性-5繞射現(xiàn)象繞射現(xiàn)象 電波在傳播過(guò)程中有一定的繞過(guò)障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱為繞射。當(dāng)障礙物的大小確定后，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，電波的繞射能力越強(qiáng)，波長(zhǎng)越短，繞射能力越弱24/1445.2 無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗 能量的擴(kuò)散與吸收能量的擴(kuò)散與吸收 自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間傳播損耗的計(jì)算 自由空間傳播條件下收信功率的計(jì)算自由空間傳播條件下收信功率的計(jì)算 大氣吸收損耗大氣吸收損耗 雨霧引起的散射損耗雨霧引起的散射損耗 大氣折射的引起損耗大氣折射的引起損耗 電離層、對(duì)流層閃爍的引起損耗電離層、對(duì)流層閃爍的引起損耗 多經(jīng)傳播引起損耗多經(jīng)傳播引

11、起損耗 25/144當(dāng)電磁波離開天線后，便向四面八方擴(kuò)散，隨著傳播距離增加，空間的電磁場(chǎng)就越來(lái)越弱假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間（一個(gè)沒有能夠反射、折射、繞射、散射和吸收電磁波的無(wú)限大的真空中），若無(wú)方向性天線，輻射功率為PT瓦，則距離輻射源d米處的電場(chǎng)強(qiáng)度有效值為：5.2.1 能量的擴(kuò)散與吸收能量的擴(kuò)散與吸收26/144上式表明：電場(chǎng)/磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳播距離成反比，當(dāng)電波經(jīng)一段路徑傳播后，能量會(huì)受到衰減，這是由于輻射能量的擴(kuò)散而引起的。)/(300mVdPET5.2.1 能量的擴(kuò)散與吸收能量的擴(kuò)散與吸收27/144無(wú)線傳輸損耗包括自由空間損耗、大氣吸收損耗、降雨引起的損耗以及由于折射、散射與繞射、電離

12、層閃爍與多徑等引起的附加損耗最主要的就是自由空間傳播損耗，在整個(gè)傳輸損耗中占絕大部分。其他因素引起的損耗，可以在考慮自由空間損耗的基礎(chǔ)上加以修正。5.2.1 能量的擴(kuò)散與吸收能量的擴(kuò)散與吸收28/1445.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間傳播損耗的計(jì)算若無(wú)方向性（也稱全向天線）天線的輻射功率為PT瓦時(shí)，則距輻射源d米處收點(diǎn)B處的單位面積上的電波平均功率，見圖5-25得：由天線理論知道，一個(gè)各向均勻接收的天線，其有效接收面積為一個(gè)無(wú)方向性天線在B點(diǎn)收到的功率為： 或 22(/)4TSPWwmd（5-11） 42A4422dPPTR24dfcPPTR（5-1

13、2）29/1445.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間傳播損耗的計(jì)算 圖5-25 計(jì)算電波傳播損耗示意圖 30/1445.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間傳播損耗的計(jì)算 自由空間的傳播損耗定義為：從式（5-13）可見，自由空間基本傳播損耗Lp只與頻率f和傳播距離有關(guān)d，當(dāng)頻率增加一倍或距離擴(kuò)大一倍時(shí)，Lp分別增加6dB。 )(lg20)(lg2045.32 )(4lg10lg102MHzfkmddBcdfPPLRTP（5-13） 31/1445.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間

14、傳播損耗的計(jì)算 若用發(fā)射天線的增益為GT ，接收天線的增益為GR 則式（5-13）應(yīng)改寫為： )()()(lg20)(lg2045.32 14lg10lg102dBGdBGMHzfkmdGGcdfPPLRTRTRTP（5-14） 32/1445.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間傳播損耗的計(jì)算 例5-1：某微波傳輸信道，發(fā)射天線的增益為22dB， 接收天線的增益為18dB，收發(fā)距離為 14500 km，載波中心頻率為5.904GHz。求：(1)該信道的基本傳輸損耗為多少? (2)若發(fā)射功率為25w,接收機(jī)的接收到的功率為多 少?33/1445.2.2 自由

15、空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播損耗的計(jì)算自由空間傳播損耗的計(jì)算 解：（1）該信道的基本傳輸損耗為：（2）接收機(jī)的接收到的功率為：dBdBGdBGMHzfkmdLRTP15118224 .752 .8345.32)()()(lg20)(lg2045.32/)(109335. 1102510141 .1510/ wPPPLTR34/1445.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播條件下收信功率的計(jì)算自由空間傳播條件下收信功率的計(jì)算無(wú)線通信中實(shí)際使用的天線均為定向天線，當(dāng)收發(fā)天線增益分別為GR（dB），GT（dB）；收發(fā)天線饋線系統(tǒng)損耗分別為L(zhǎng)r（dB），Lt dB）時(shí)，

16、則自由空間傳播條件下，接收機(jī)接收功率為：)()(PtrRTTRLLLGGdBmPdBmP（5-15） 35/1445.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播條件下收信功率的計(jì)算自由空間傳播條件下收信功率的計(jì)算例5-2：已知發(fā)射功率PT=1W，發(fā)信頻率f=3800MHZ，收發(fā)距離為45 km，GT=38 dB，GR=40 dB，饋線系統(tǒng)損耗Lr=1（dB），Lt=3（dB），求自由空間傳播條件下收信功率。解：將PT=1W換成電平值： dBMHzkmdBcdfPPLRTP137)(3800lg20)(45lg2045.32 )(4lg10lg102dBmmWmWPT3011000l

17、g10-43dBm137-3-1-403830 )()(PtrRTTRLLLGGdBmPdBmP36/1445.2.3 自然現(xiàn)象引起的損耗自然現(xiàn)象引起的損耗大氣吸收損耗大氣吸收損耗產(chǎn)生大氣吸收損耗的氣體主要是氧氣、水蒸氣以及水汽凝結(jié)物。原因有兩個(gè)：u一是電波的吸收，即電波的電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；u二是電波因水氣及凝結(jié)物產(chǎn)生的散射。水蒸氣的最大吸收峰在=1.3cm (f=23GHz）處；氧的最大吸收峰在=0. 5 cm (f=60GHz）處。 微波工作頻率小于12GHz時(shí)，和自由空間傳播損耗相比，可以忽略不計(jì)。37/1445.2.3 無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗大氣吸收損耗大氣吸收損耗圖5-26

18、 水蒸氣和氧吸收衰減 38/1445.2.3 無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗 雨霧引起的散射損耗雨霧引起的散射損耗降雨引起的電波傳播損耗的增加稱為雨衰，雨衰是由于雨滴和霧對(duì)無(wú)線電波能量的吸收和散射產(chǎn)生的。雨霧中的小水滴能散射電磁波能量而造成散射衰耗，如圖5-27所示。從圖中曲線（e）可見，在濃霧情況下，波長(zhǎng)大于4cm (7500MHz)、站距為50km的散射損耗約為3.3dB。一般來(lái)說(shuō)，10GHz以下頻段，雨霧的散射衰耗還不太嚴(yán)重，通常兩站之間的衰耗也只有幾分貝。但是10GHz以上頻段，中繼站之間距離將主要受降雨衰耗所限制，在20GHz（波長(zhǎng)為1.5cm）以上時(shí)，中繼站站距只好縮減到幾千米。

19、因此，在設(shè)計(jì)微波或者衛(wèi)星等通信系統(tǒng)時(shí)，為考慮降雨引起的影響，應(yīng)事先留有2dB左右的發(fā)射功率余量。 39/1445.2.3 無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗雨霧引起的散射損耗雨霧引起的散射損耗圖5-27 雨霧的散射損耗 40/1445.2.3 無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗 大氣折射引起損耗大氣折射引起損耗在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度越低，對(duì)電波的折射率也隨之減小，使電磁波在大氣層中的傳播路徑出現(xiàn)彎曲。于是地球站在幾何上直線對(duì)準(zhǔn)的只是在衛(wèi)星實(shí)際位置上方的一個(gè)虛的衛(wèi)星位置。由于大氣層的不穩(wěn)定因素，如溫度的變化、云層和霧等導(dǎo)致了大氣密度分布的不連續(xù)變化和起伏，使傳播路徑產(chǎn)生了隨機(jī)的、時(shí)變的

20、彎曲，從而引起接收信號(hào)的起伏。在低仰角的情況下，由于星地傳播路徑與地面視距微波的路徑近于平行，折射還可能形成相互干擾。41/1445.2.3 無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗 電離層、對(duì)流層閃爍引起的損耗電離層、對(duì)流層閃爍引起的損耗電離層內(nèi)存在電子密度的隨機(jī)不均勻性而引起閃爍，其強(qiáng)度大致與頻率的平方成反比。因此，電離層閃爍會(huì)對(duì)較低頻段（1GHz以下）的電波產(chǎn)生明顯的散射和折射，從而引起信號(hào)的衰落。比如，對(duì)于200MHz的工作頻率，電離層閃爍使信號(hào)損耗有10的時(shí)間大于6dB。 42/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多徑傳播引起損耗地面和環(huán)境設(shè)施對(duì)信號(hào)的反射，可形成信號(hào)的多徑傳播。對(duì)于天線高度低

21、，增益小的移動(dòng)終端更容易出現(xiàn)這樣的情況。信號(hào)通過(guò)多徑信道到達(dá)接收端時(shí)，由于不同路徑的信號(hào)延時(shí)不一樣，接收端多徑信號(hào)可能同相疊加，合成信號(hào)增強(qiáng)，也可能各個(gè)多徑信號(hào)反相抵消，合成信號(hào)被減弱，從而形成接收信號(hào)的衰落。 43/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多徑傳播引起損耗實(shí)際應(yīng)用中，總是將收發(fā)天線對(duì)準(zhǔn)，以便收方接收到較強(qiáng)的直射波，但由惠更斯原理，總會(huì)有一部電波折射到地面；若發(fā)射天線方向性不尖銳，也會(huì)有電波折射到地面。這時(shí)，接收點(diǎn)除收到直射波外，還收到地面反射的波（反射角等于入射角）。44/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多徑傳播引起損耗P45/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多徑傳播引起損耗直

22、射波電場(chǎng)強(qiáng)度的瞬時(shí)值為 反射波到達(dá)R處場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值為 其中tEtecos2)(01rtEte2cos2)(02rTPPRTR 46/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多徑傳播引起損耗接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)222200022cos()EEEEr 20212cos()Er 47/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多徑傳播引起損耗衰落因子Lr：將合成電場(chǎng)強(qiáng)度有效值E與自由空間的直射波電場(chǎng)強(qiáng)度有效值E0之比稱為地面反射引起的衰落因子 一般入射角很小，約 180；而1（全反射），于是20212cos()rELrE rrLr2cos122cos21220151027 卓越卓越48/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多

23、徑傳播引起損耗Lrr的關(guān)系曲線49/1445.2.4 多徑傳播引起損耗多徑傳播引起損耗當(dāng)r / 2 、3 /2 時(shí)，反射點(diǎn)P相當(dāng)于在第一、第三等奇數(shù)號(hào)費(fèi)涅爾區(qū)的邊緣，接收處的合成場(chǎng)強(qiáng)是直射波（它是第一費(fèi)涅爾區(qū)）與同相的反射波相加，合成場(chǎng)強(qiáng)最大。當(dāng)r1 、2 時(shí)，P點(diǎn)在第二、第四等偶數(shù)費(fèi)涅爾區(qū)的邊緣，接收處的合成場(chǎng)強(qiáng)是直射波與反相反射波相加，合成場(chǎng)強(qiáng)最小。50/1445.2.5 無(wú)線傳播模型無(wú)線傳播模型 自由空間傳播模型自由空間傳播模型 平坦大地的繞射模型平坦大地的繞射模型 粗糙大地上的傳播模型粗糙大地上的傳播模型 Longley-Rice傳播模型傳播模型 51/1445.2.2 無(wú)線傳播模型無(wú)

24、線傳播模型 自由空間傳播模型自由空間傳播模型應(yīng)用于頻率范圍為0300GHz，是最簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)模型。在某些環(huán)境中，假定有用信號(hào)只是由于在自由空間傳播產(chǎn)生傳播損耗，這時(shí)在大氣中的傳播就等效于自由空間傳播。它只與頻率f和距離d有關(guān) 平坦大地的繞射模型平坦大地的繞射模型適合大于視距的傳播范圍，對(duì)有用信號(hào)的預(yù)測(cè)需要考慮地球的曲率。 粗糙大地上的傳播模型粗糙大地上的傳播模型 適合于世界特定地區(qū)和特別粗糙大地上的傳播。52/1445.2.2 無(wú)線傳播模型無(wú)線傳播模型 Longley-Rice傳播模型傳播模型 Longley-Rice模型應(yīng)用于頻率范圍為40MHz100 GHz，不同種類的地形中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信

25、系統(tǒng)。這個(gè)模型是統(tǒng)計(jì)模型，可用來(lái)估算地波和對(duì)流層散射的傳播衰減，使用地形地貌的路徑幾何學(xué)和對(duì)流層的繞射性，預(yù)測(cè)中值場(chǎng)強(qiáng)和估計(jì)信號(hào)隨時(shí)間與空間的變化。按照Longley-Rice模型可做成一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，用以計(jì)算通過(guò)不規(guī)則地形，頻率在20 MHz到10GHz之間的大尺度中值傳輸損耗。Longley-Rice模型有兩種使用方式，點(diǎn)到點(diǎn)預(yù)測(cè)方式和區(qū)域預(yù)測(cè)方式。 53/1445.3 無(wú)線信道噪聲與衰落無(wú)線信道噪聲與衰落 信道噪聲信道噪聲 衰落原因與分類衰落原因與分類抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 54/1445.3.1 信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配 信道噪聲信道噪聲 信道中的噪聲是客觀存在，且基

26、信道中的噪聲是客觀存在，且基本上難以消除的。信道噪聲能夠干擾有本上難以消除的。信道噪聲能夠干擾有用信號(hào)，降低通信的可靠性，對(duì)通信效用信號(hào)，降低通信的可靠性，對(duì)通信效果帶來(lái)?yè)p害。果帶來(lái)?yè)p害。噪聲的種類很多，也有多種分類噪聲的種類很多，也有多種分類方式。方式。55/1445.3.1 信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配按噪聲來(lái)源分按噪聲來(lái)源分人為噪聲人為噪聲人為噪聲是指人類活動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無(wú)線電噪聲。如各種電器開關(guān)通斷時(shí)產(chǎn)生的短脈沖、熒光燈閃爍產(chǎn)生的脈沖串、其他無(wú)線電系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)等。自然噪聲自然噪聲自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。

27、 如雷電、磁暴、太陽(yáng)黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等。有時(shí)候也把上述兩類噪聲統(tǒng)稱為外部噪聲，這類噪聲對(duì)信號(hào)形成的干擾，大多數(shù)帶有突發(fā)性短促脈沖性質(zhì)，其頻譜可以覆蓋整個(gè)無(wú)線電波段，但其能量譜密度主要集中在20MHz以下頻段，對(duì)工作在米波頻段以上頻段的通信系統(tǒng)不會(huì)形成干擾。內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是指通信設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。它來(lái)源于通信設(shè)備的各種電子器件、傳輸線、天線等。 56/1445.3.1 信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配信道噪聲信道噪聲按噪聲性質(zhì)分按噪聲性質(zhì)分單頻噪聲單頻噪聲 單頻噪聲主要是無(wú)線電干擾，頻譜特性可能是單一頻率， 也可能是窄帶譜。單頻噪聲的特點(diǎn)是一種連續(xù)波干擾。

28、脈沖噪聲脈沖噪聲脈沖噪聲是在時(shí)間上無(wú)規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點(diǎn)火噪聲、 雷電等。脈沖噪聲的特點(diǎn)是以突發(fā)脈沖形式出現(xiàn)、干擾持續(xù)時(shí)間短、脈沖幅度大、周期是隨機(jī)的且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間有較長(zhǎng)的安靜時(shí)間。由于脈沖很窄，所以其頻譜很寬。但是隨著頻率的提高，頻譜強(qiáng)度逐漸減弱?？梢酝ㄟ^(guò)選擇合適的工作頻率、遠(yuǎn)離脈沖源等措施減小和避免脈沖噪聲的干擾。57/1445.3.1 信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配起伏噪聲起伏噪聲 起伏噪聲是一種連續(xù)波隨機(jī)噪聲，包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。對(duì)其特性的表征可以采用隨機(jī)過(guò)程的分析方法。起伏噪聲的特點(diǎn)是具有很寬的頻帶，并且始終存在，它是影響通

29、信系統(tǒng)性能的主要因素。在以后各章分析通信系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)，都是以起伏噪聲為重點(diǎn)。討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響伏噪聲，特別是熱噪聲的影響58/1443 熱噪聲熱噪聲熱噪聲是由傳導(dǎo)媒質(zhì)中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的， 這種在原子能量級(jí)上的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的普遍特性。在通信系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲以及接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲均可以等效成熱噪聲。熱噪聲均勻分布在01012Hz的頻率范圍內(nèi)，其電壓有效值為59/1444(V)VkTRB其中k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)T 熱力學(xué)溫度（K）R 阻值（W）B

30、 帶寬（Hz）60/144 功率譜密度為24( )(/)exp() 1nZRhfPfVHhfKT其中：h=6.625410-34(J/s)為普朗克常數(shù)。在頻率f0.2(KT/h)范圍內(nèi)，功率譜密度Pn(f)基本上是平坦的。在室溫(T=290K)條件下，f1000GHz時(shí)，功率譜密度Pn(f)基本上是平坦的。通常把這種噪聲按白噪聲處理。61/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類 引起衰落的原因引起衰落的原因 衰落的分類衰落的分類62/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類引起衰落的原因引起衰落的原因兩大類氣象條件的不平穩(wěn)變化引起u 大氣折射的慢變化，雨霧衰減以及大氣中不均勻體的

31、散射等引起的衰落；多徑傳播引起的衰落。u 這時(shí)到達(dá)接收天線的幾條射線在垂直天線口面上的相位不可能完全相同，產(chǎn)生相互疊加干擾，使合成信號(hào)產(chǎn)生或深或淺的衰落。63/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類衰落的分類衰落的分類按衰落周期的時(shí)間長(zhǎng)短分：按衰落周期的時(shí)間長(zhǎng)短分：慢衰落常由大氣折射的緩慢變化引起 快衰落與大氣中存在的波導(dǎo)、薄層以及湍流等引起的多徑傳播有關(guān) 64/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類 衰落的分類衰落的分類圖5-15 衰落示意圖 65/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類 衰落的分類衰落的分類工程應(yīng)用中常按快衰落產(chǎn)生的機(jī)制分為：工程應(yīng)用中常按快衰落產(chǎn)生

32、的機(jī)制分為： K型衰落 波導(dǎo)型衰落 閃爍衰落 散射型衰落 大氣雨霧的吸收衰落 66/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類衰落的分類衰落的分類 K型衰落 K型衰落是一種由地面反射的多徑干涉形成，常發(fā)生在水面和開闊平面地上的電波中。由于直射波與地面反射波（或在某種情況下的繞射波）到達(dá)接收端因相位不同互相干涉造成的電波衰落。這種相位不同是隨等效地球半徑因子K變化的，故稱K型衰落也稱多徑衰落。67/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類衰落的分類衰落的分類 波導(dǎo)型衰落不均勻結(jié)構(gòu)形成大氣波導(dǎo)，有較強(qiáng)的反射波到底接收端。68/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類衰落的分類衰落的

33、分類 閃爍衰落閃爍衰落是由于對(duì)流層中的大氣無(wú)規(guī)則的漩渦運(yùn)動(dòng)而形成的一些不均勻氣團(tuán)所引起的散射衰落，69/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類衰落的分類衰落的分類 散射型衰落散射型衰落由傳播路徑上的大氣層中不均勻體的散射所引起，其典型的衰落圖形如圖5-16(d)所示。70/1445.3.2 衰落原因與分類衰落原因與分類衰落的分類衰落的分類 大氣雨霧的吸收衰落 由大氣和雨霧的吸收所引起的衰落稱為吸收衰落，它的特點(diǎn)是直射波產(chǎn)生衰減，所以信號(hào)電平總是低于而不會(huì)高出自由空間電平。71/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 分集技術(shù)分集技術(shù) 空間分集空間分集 頻率分集頻率分集 自適應(yīng)均衡技術(shù)自

34、適應(yīng)均衡技術(shù) 頻域自適應(yīng)均衡器頻域自適應(yīng)均衡器 時(shí)域自適應(yīng)均衡器時(shí)域自適應(yīng)均衡器 72/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 分集技術(shù)分集技術(shù) 空間分集空間分集 u 空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)，下面以空間分集接收為例說(shuō)明這種技術(shù)。u 在不同的空間位置設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收同一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào)，然后合成或選擇其中較強(qiáng)的信號(hào)，這種工作方式稱為空間分集接收。u 有幾副接收天線就稱為幾重分集。在微波傳輸系統(tǒng)中最常用的是二重垂直空間分集接收，如圖5-19所示。73/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 分集技術(shù)分集技術(shù) 空間分集空間分集 圖5-19 二重垂直空間分集接收 74

35、/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 分集技術(shù)分集技術(shù) 頻率分集頻率分集 u 采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信號(hào)，然后進(jìn)行合成或選擇，以減輕衰落影響，這種工作方式叫做頻率分集接收。當(dāng)采均兩個(gè)微波頻率時(shí)，稱為二重頻率分集。u 頻率分集有同頻段分集和跨頻段分集兩種類型。 75/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù)分集技術(shù)分集技術(shù) 頻率分集頻率分集同頻段分集：指發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號(hào)頻率f1和f2位于同一微波頻段之中，其分集系統(tǒng)的示意圖如圖5-20所示。圖5-20同頻段分集系統(tǒng) 76/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù)分集技術(shù)分集技術(shù) 頻率分集頻率分集跨頻

36、段分集：指發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號(hào)頻率f1、f2分別處于不同的微波頻段之中，其分集系統(tǒng)的示意圖如圖5-21所示。圖5-21 跨頻段分集系統(tǒng) 20151027 廣電廣電 77/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 頻域自適應(yīng)均衡器頻域自適應(yīng)均衡器u 圖5-22 (a)為一個(gè)工作在中頻的頻域自適應(yīng)均衡器，它是一個(gè)諧振頻率和回路Q值可變的中頻諧振電路。該中頻諧振電路產(chǎn)生的與多徑衰落造成的幅頻特性相反的特性，可以抵消帶內(nèi)振幅偏差。u 圖5-22(b)是這種頻域均衡器的原理電路，均衡器電路用分布參數(shù)和變?nèi)荻O管構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，當(dāng)改變變?nèi)荻O管的節(jié)電容時(shí)，可改變電路的中心

37、諧振頻率。 78/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 頻域自適應(yīng)均衡器頻域自適應(yīng)均衡器圖5-22 中頻可變調(diào)諧的自適應(yīng)均衡器79/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 頻域自適應(yīng)均衡器頻域自適應(yīng)均衡器u 首先由掃描信號(hào)對(duì)均衡前的頻譜在帶內(nèi)進(jìn)行掃描，由f凹檢出器將幅頻特性凹陷點(diǎn)的頻率檢出，并送到控制電路。u 再在均衡后的中頻頻譜中將帶內(nèi)的3個(gè)頻率點(diǎn)(f- ，f0 ， f+)的信號(hào)由振幅偏差檢出器檢出，也送達(dá)控制電路。80/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 頻域自適應(yīng)均衡器頻域自適應(yīng)均衡器u 控制電

38、路（由微處理器實(shí)現(xiàn)）根據(jù)3個(gè)頻率點(diǎn)檢出電壓的振幅同f凹檢出信號(hào)比較，可判斷出帶內(nèi)振幅特性是正向傾斜，是負(fù)向傾斜，還是落入了如圖5-22(a)所示的凹陷區(qū)。u 由這一判決信息去控制均衡電路的諧振頻率fr和回路陡度（Q值），再經(jīng)過(guò)這種反復(fù)的檢測(cè)與跟蹤控制，使均衡器幅頻特性與信道特性動(dòng)態(tài)地形成互補(bǔ)特性，從而使均衡后的特性保持基本恒定，如圖5-22(b)所示。 81/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 時(shí)域自適應(yīng)均衡器時(shí)域自適應(yīng)均衡器u 在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)誤碼率的主要原因是在收端取樣判決點(diǎn)處其前后信號(hào)對(duì)取樣判決樣值的干擾，稱為碼間干擾。故通常采用時(shí)域自適應(yīng)

39、均衡器以消除(減小)取樣判決點(diǎn)處的碼間干擾。u 下面例舉的是一種應(yīng)用較廣，加在基帶系統(tǒng)的由橫向?yàn)V波器構(gòu)成的自適應(yīng)均衡器，其結(jié)構(gòu)如圖5-23所示。82/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 時(shí)域自適應(yīng)均衡器時(shí)域自適應(yīng)均衡器圖5-23 橫向?yàn)V波器式均衡器結(jié)構(gòu)83/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 時(shí)域自適應(yīng)均衡器時(shí)域自適應(yīng)均衡器u 下面用圖5-24(a)對(duì)此均衡原理簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：u 首先由相關(guān)檢出電路從前后脈沖檢出相對(duì)某判決點(diǎn)(例如S0點(diǎn))要求的誤差，然后用誤差信號(hào)去控制加權(quán)電路，對(duì)產(chǎn)生碼間干擾的脈沖成分進(jìn)行加權(quán)，以便消除碼間干擾

40、。往往取C0=1 (標(biāo)準(zhǔn)化值)，其他加權(quán)系數(shù)在1到1的范圍內(nèi)變化。84/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 時(shí)域自適應(yīng)均衡器時(shí)域自適應(yīng)均衡器圖5-24 橫向?yàn)V波器式均衡器原理框圖85/1445.3.3 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 時(shí)域自適應(yīng)均衡器時(shí)域自適應(yīng)均衡器u 時(shí)域自適應(yīng)均衡器能均衡空間分集和頻域自適應(yīng)均衡器沒有完全均衡的剩余波形失真。u 實(shí)際使用中，往往用頻域均衡器去實(shí)現(xiàn)粗均衡，所以常將時(shí)域自適應(yīng)均衡器與頻域自適應(yīng)均衡器聯(lián)合使用。u 從理論上講，這種方法可以均衡基帶領(lǐng)域中的任何波形失真。 86/1445.4 無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波

41、傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗無(wú)線電波傳播損耗 無(wú)線傳播模型無(wú)線傳播模型 87/1445.5 無(wú)線通信的多址連接方式無(wú)線通信的多址連接方式頻分多址（頻分多址（FDMA）方式）方式 時(shí)分多址（時(shí)分多址（TDMA）方式）方式碼分多址（碼分多址（CDMA）方式）方式 空分多址（空分多址（SDMA）方式）方式 88/1445.5 無(wú)線通信的多址連接方式無(wú)線通信的多址連接方式無(wú)線多址連接的概念：無(wú)線多址連接的概念： 在兩點(diǎn)之間的同一條信道上同時(shí)傳送不同的多個(gè)信號(hào)而不互相干擾，這是信道的“多路復(fù)用”。目前常用的多路復(fù)用方式有頻分多路復(fù)用(FDM)、時(shí)分多路復(fù)用(TDM)、碼分多路復(fù)用（CDM）、空分多路復(fù)用（S

42、DM）等方式。在多點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)互不干擾和影響的多邊通信稱為“多址通信”或“多址連接”。多址連接與多路復(fù)用是兩個(gè)不同的概念：多址連接與多路復(fù)用是兩個(gè)不同的概念：u多路復(fù)用是一條信道被不同信號(hào)共用的問(wèn)題，在衛(wèi)星通信中一個(gè)站要同時(shí)傳輸多路信號(hào)，就要采用多路復(fù)用技術(shù)，這時(shí)主要考慮信號(hào)在基帶上的復(fù)合與分離。u多址連接的目的是要實(shí)現(xiàn)多個(gè)站之間的相互通信問(wèn)題，主要是在射頻信道上進(jìn)行分割。89/1445.5.1 頻分多址（頻分多址（FDMA）方式）方式頻分多址（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）的技術(shù)核心是把傳輸頻帶劃分為較窄的且互不重疊的多個(gè)子頻帶，每個(gè)用戶都被分

43、配到一個(gè)獨(dú)立的子頻帶中；各用戶采用濾波器，分別按分配的子頻帶從信道上提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址通信。圖5-28為頻分多址方式的原理圖。圖中f1、f2fk為各個(gè)地球站所發(fā)射的載波頻率，Bd為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬。90/1445.5.1 頻分多址（頻分多址（FDMA）方式）方式圖5-28 頻分多址方式的原理示意圖91/1445.5.1 頻分多址（頻分多址（FDMA）方式）方式FDMA方式的主要缺點(diǎn)：方式的主要缺點(diǎn)： 由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器同時(shí)放大多個(gè)不同頻率的載波，容易形成互調(diào)干擾； 為了減少互調(diào)的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)發(fā)器要降低功率，從而減小了衛(wèi)星通信的容量； 各上行載波的功率電平要求基本一致，否則會(huì)引起強(qiáng)信號(hào)抑制弱信號(hào)的現(xiàn)象，因此，大小站之間不易兼顧； 為了防止串?dāng)_，各載波之間需要留存足夠的保護(hù)頻帶，隨著載波的增多，衛(wèi)星的頻帶利用率下降很多。92/1445.5.1 頻分多址（頻分多址（FDMA）方式）方式根據(jù)多路復(fù)用和調(diào)制方式的不同根據(jù)多路復(fù)用和調(diào)制方式的不同,分為如下幾種分為如下幾種方式：方式： FDMFMFDMA方式 SCPCFDMA方式 PCMTDMPSKFDMA方式 除了上面所提到的幾種調(diào)制方式外，還可以采用其它調(diào)制方式。具體采用哪種調(diào)制方式,要根據(jù)對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的用途和要求來(lái)決定。 93/1445.5.2 時(shí)分多址（時(shí)分多址（TDMA）方式）方式時(shí)分多址（TDMA， Time Divi