第三章-移動(dòng)信道的傳播特性課件

無線電波傳播特性移動(dòng)信道特性陸地移動(dòng)信道的傳輸損耗移動(dòng)信道傳播模型主要內(nèi)容無線電波傳播特性主要內(nèi)容1引言信道分類恒參信道隨參（變參）信道：移動(dòng)通信信道移動(dòng)通信使用頻段（參考電磁波譜）：VHF（30-300MHz）、UHF（300-3000MHz）本章內(nèi)容：在分析VHF、UHF頻段電波在移動(dòng)變參信道中的特性的基礎(chǔ)上分析傳播損耗的估算方法引言信道分類恒參信道隨參（變參）信道：移動(dòng)通信信道移動(dòng)通信使2電磁波譜返回電磁波譜返回3一、無線電波傳播特性電波傳播方式一、無線電波傳播特性電波傳播方式4典型的傳播通路典型的傳播通路51、直射波自由空間傳播損耗---從發(fā)送天線直接到達(dá)接收天線的電波定義：在理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)中傳播，只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗。式中，Pt為發(fā)射功率，以球面波輻射接收功率λ為工作波長(zhǎng)，Gt，Gr分別表示發(fā)射天線和接收天線增益，d為發(fā)射天線和接收天線間的距離1、直射波自由空間傳播損耗---從發(fā)送天線直接到達(dá)接收天線的6自由空間的傳播損耗當(dāng)Gt=Gr=1時(shí)，分貝式其中f以MHz為單位，d以km為單位接收換算自由空間的傳播損耗當(dāng)Gt=Gr=1時(shí)，分貝式其中f以MHz為7大氣中的電波傳播dn/dh<0，表示大氣折射率n隨著高度升高而減小，因而k>1，Re>R0標(biāo)準(zhǔn)大氣：k=4/3，Re=8500千米大氣折射

大氣折射率不均勻，與高度有關(guān)（dn/dh的取值）

地球等效半徑大氣中的電波傳播dn/dh<0，表示大氣折射率n隨著高度升高8視線傳播極限距離視線傳播極限距離9障礙物的影響與繞射損耗電波在傳播過程中有一定繞過障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱為繞射。由于平面波有一定的繞射能力，所以能夠繞過高低不平的地面或有一定高度的障礙物，然后到達(dá)接收點(diǎn)。這也就是在障礙物后面有時(shí)仍能收到無線電信號(hào)的原因。電波的繞射能力與電波的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，繞射能力越強(qiáng)，波長(zhǎng)越短，則繞射能力越弱。

障礙物的影響與繞射損耗電波在傳播過程中有一定繞過障礙物的10負(fù)余隙正余隙負(fù)余隙正余隙11結(jié)論x/x1>0.577時(shí)，附加損耗為0dB即障礙物對(duì)直射波基本沒有影響當(dāng)x=0時(shí)，附加損耗為6dB當(dāng)x<0時(shí)，損耗急劇增大結(jié)論x/x1>0.577時(shí)，附加損耗為0dB12反射波--電波在傳播過程中遇到比自身的波長(zhǎng)大得多的物體時(shí),會(huì)在物體表面發(fā)生反射,形成反射波。反射常發(fā)生于地表、建筑物的墻壁表面等。地表面波--沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，?jiǎn)稱地表波。散射傳播：這種傳播主要是由于電磁波投射到大氣層（如對(duì)流層）中的不均勻氣團(tuán)時(shí)產(chǎn)生散射，其中一部分電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)。反射波--電波在傳播過程中遇到比自身的波長(zhǎng)大得多的物體時(shí),13散射波散射波14移動(dòng)信道的特征移動(dòng)信道的特征15陸地移動(dòng)信道的傳播損耗接收機(jī)輸入電壓復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)

不同的地形、地物條件下移動(dòng)信道的場(chǎng)強(qiáng)中值有不同的算法（估算）下面分別介紹接收?qǐng)鰪?qiáng)與接收電壓的關(guān)系移動(dòng)信道的場(chǎng)強(qiáng)中值（即損耗中值）陸地移動(dòng)信道的傳播損耗接收機(jī)輸入電壓復(fù)習(xí)16接收機(jī)輸入電壓與輸入功率圖3.19接收機(jī)輸入電壓的定義～Us/2Ri=RsRsUsRi信號(hào)產(chǎn)生器接收機(jī)Us()＝20lg＝20lgUs+120而接收機(jī)輸入功率PR為

返回若以dBm表示則為：

PR(dBm)＝10lgPR＝20lgUs-10lgR+24如圖3.19所示，若把內(nèi)阻為RS的高頻信號(hào)發(fā)生器接到接收機(jī)輸入端，若接收機(jī)輸入電阻Ri與RS相等，即RS=Ri=R，則接收機(jī)輸入端上的實(shí)際電壓為信號(hào)源電壓Us之半。但是接收機(jī)輸入電壓卻定義為Us，亦即是信號(hào)發(fā)生器輸出端的開路電壓。在信道計(jì)算中，常以來表示電壓，如果圖中Us單位為伏，以表示時(shí)為接收機(jī)輸入電壓與輸入功率圖3.19接收機(jī)輸入電壓的定義～U17電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓移動(dòng)通信系統(tǒng)中大多采用線天線，其接收的電場(chǎng)強(qiáng)度是指有效長(zhǎng)度為1米的天線所感應(yīng)的電壓值，單位為V/m。為了求出半波振子所產(chǎn)生的電壓，必須先求出其天線的有效長(zhǎng)度。半波振子天線上的電流分布如圖3.6所示呈余弦分布（點(diǎn)劃線所示），中心饋電點(diǎn)電流最大。如果另有一個(gè)假設(shè)天線，它的電流分布是均勻的，而且等于半波振子天線電流的最大值，它形成圖中虛線所示的矩形。如令矩形面積等于半波振子天線余弦曲線圍繞的面積，則這個(gè)假設(shè)天線的長(zhǎng)度就是半波振子天線的有效長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果等于λ/π。由半波振子感應(yīng)電壓Us等于天線有效長(zhǎng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度之乘積，即電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓移動(dòng)通信系統(tǒng)中大多采用線天線，其接收的電場(chǎng)強(qiáng)度18因?yàn)榘氩ㄕ褡拥淖杩故?3.1Ω，所以半波振子天線（簡(jiǎn)稱半波天線）可以與一個(gè)電壓為，內(nèi)阻為73.1Ω的信號(hào)源相等效。而接收機(jī)的輸入阻抗通常是50Ω，它們并不完全匹配，為此要加入一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，接收機(jī)輸入端電壓為如果場(chǎng)強(qiáng)用每米分貝微伏（）表示，電壓用分貝微伏（），Us()＝E＋20lg-返回用開路電壓表示為即上式中E單位為V/m，λ單位為米。則下式表示：因?yàn)榘氩ㄕ褡拥淖杩故?3.1Ω，所以半波振子天線（簡(jiǎn)稱半19一、地形、地物分類地形的分類與定義為了計(jì)算移動(dòng)信道中信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度中值(或傳播損耗中值)，可將地形分為兩大類，即中等起伏地形和不規(guī)則地形。所謂中等起伏地形是指在傳播路徑的地形剖面圖上，地面起伏高度不超過20m，且起伏緩慢，峰點(diǎn)與谷點(diǎn)之間的水平距離大于起伏高度。以中等起伏地形作傳播基準(zhǔn)。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陸混合地形等統(tǒng)稱為不規(guī)則地形。一、地形、地物分類地形的分類與定義20①開闊地。在電波傳播的路徑上無高大樹木、建筑物等障礙物，呈開闊狀地面，如農(nóng)田、荒野、廣場(chǎng)、沙漠和戈壁灘等；②郊區(qū)。在靠近移動(dòng)臺(tái)近處有些障礙物但不稠密，例如，有少量的低層房屋或小樹林等；③市區(qū)。有較密集的建筑物和高層樓房。地物的分類當(dāng)然，上述三種地區(qū)之間都是有過渡區(qū)的，但在了解以上三類地區(qū)的傳播情況之后，過渡區(qū)的傳播情況就可以大致地估計(jì)出來。不同地物環(huán)境其傳播條件不同，按照地物的密集程度不同可分為三類地區(qū)：①開闊地。在電波傳播的路徑上無高大樹木、建筑物等障礙物，呈21天線的有效高度由于天線架設(shè)在高度不同的地形上，天線的有效高度是

不一樣的。（例如，把20m的天線架設(shè)在地面上和架設(shè)在幾十層的高樓頂上，通信效果自然不同。）因此必須合理規(guī)定天線的有效高度。天線的有效高度由于天線架設(shè)在高度不同的地形上，天線的有效高度22若基站天線頂點(diǎn)的海拔高度為hts，從天線設(shè)置地點(diǎn)開始，沿著電波傳播方向的3km到15km之內(nèi)的地面平均海拔高度為hga，則定義基站天線的有效高度為

hb=hts－h(huán)ga若傳播距離不到15km,hga是3km到實(shí)際距離之間的平均海拔高度。移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度hm總是指天線在當(dāng)?shù)氐孛嫔系母叨?。若基站天線頂點(diǎn)的海拔高度為hts，從天線設(shè)置地點(diǎn)開始，沿著電23二、中等起伏地形上傳播損耗的中值市區(qū)傳播損耗的中值在計(jì)算各種地形、地物上的傳播損耗時(shí)，均以中等起伏地上市區(qū)的損耗中值或場(chǎng)強(qiáng)中值作為基準(zhǔn)，因而把它稱作基準(zhǔn)中值或基本中值。由電波傳播理論可知，傳播損耗取決于傳播距離d、工作頻率f、基站天線高度hb和移動(dòng)臺(tái)天線高度hm等。在大量實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，可作出傳播損耗基本中值的預(yù)測(cè)曲線。二、中等起伏地形上傳播損耗的中值市區(qū)傳播損耗的中值24圖3.23市區(qū)中等起伏地形上傳播損耗的中值圖3.2325如圖3.23給出了典型中等起伏地上市區(qū)的基本中值A(chǔ)m(f,d)與頻率、距離的關(guān)系曲線。圖上，縱坐標(biāo)刻度以dB計(jì)，是以自由空間的傳播損耗為0dB的相對(duì)值。換言之，曲線上讀出的是基本損耗中值大于自由空間傳播損耗的數(shù)值。由圖可見，隨著頻率升高和距離增大，市區(qū)傳播基本損耗中值都將增加。圖中曲線是在基準(zhǔn)天線高度情況下測(cè)得的，即基站天線高度hb＝200m，移動(dòng)臺(tái)天線高度hm＝3m。如果基站天線的高度不是200m,則損耗中值的差異用基站天線高度增益因子Hb(hb,d)表示。圖3.24(a)給出了不同通信距離d時(shí)，Hb(hb,d)與hb的關(guān)系。顯然，當(dāng)hb＞200m時(shí)，Hb(hb,d)＞0dB；反之，當(dāng)hb＜200m時(shí)，

Hb(hb,d)＜0dB。如圖3.23給出了典型中等起伏地上市區(qū)的基本中值A(chǔ)m(f,26同理，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線高度不是3m時(shí)，需用移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子Hm(hm,f)加以修正，參見圖3.24(b)。當(dāng)hm＞3m時(shí)，Hm(hm,f)＞0dB；

反之，當(dāng)hm＜3m時(shí)，Hm(hm,f)＜0dB。由圖3.24(b)還可見，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線高度大于5m以上時(shí)，其高度增益因子Hm(hm,f)不僅與高度、頻率有關(guān)，而且還與環(huán)境條件有關(guān)。例如，在中小城市，因建筑物的平均高度較低，它的屏蔽作用較小，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線高度大于4m時(shí)，隨天線高度增加，天線高度增益因子明顯增大；當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線高度在1～4m范圍內(nèi)，Hm(hm,f)受環(huán)境條件的影響較小，移動(dòng)臺(tái)天線高

度增加一倍時(shí)，Hm(hm,f)變化約為3dB。同理，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線高度不是3m時(shí)，需用移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子27第三章-移動(dòng)信道的傳播特性課件28此外，市區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)中值還與街道走向（相對(duì)于電波傳播方向）有關(guān)?？v向路線（與電波傳播方向相平行）的損耗中值明顯小于橫向路線（與電波傳播方向相垂直）的損耗中值。這是由于沿建筑物形成的溝道有利于無線電波的傳播（稱為溝道效應(yīng)），使得在縱向路線上的場(chǎng)強(qiáng)中值高于基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值，而在橫向路線上的場(chǎng)強(qiáng)中值低于基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值。圖3.25給出了它們相對(duì)于基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值的修正曲線。此外，市區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)中值還與街道走向（相對(duì)于電波傳播方向）有關(guān)。29郊區(qū)和開闊地?fù)p耗中值

郊區(qū)的建筑物一般是分散、低矮的，故電波傳播條件優(yōu)于市區(qū)。郊區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值與基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值之差稱為郊區(qū)修正因子，記作Km，它隨頻率和距離的關(guān)系如圖3.26所示。由圖可知，郊區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值大于市區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值?；蛘哒f，郊區(qū)的傳播損耗中值比市區(qū)傳播損耗中值要小。

圖3.27給出的是開闊地、準(zhǔn)開闊地（開闊地與郊區(qū)間的過渡區(qū)）的場(chǎng)強(qiáng)中值相對(duì)于基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值的修正曲線。Q0表示開闊地修正因子，表示準(zhǔn)開闊地修正因子。顯然，開闊地的傳播條件由于市區(qū)、郊區(qū)及準(zhǔn)開闊地，在相同條件下，開闊地上場(chǎng)強(qiáng)中值比市區(qū)高達(dá)20dB。為了求出郊區(qū)、開闊地及準(zhǔn)開闊地的損耗中值，應(yīng)先求出相應(yīng)的市區(qū)傳播損耗中值，然后再減去由圖3.26或圖3.27查得的修正因子即可。郊區(qū)和開闊地?fù)p耗中值

郊區(qū)的建筑物一般是分散、低矮的，故電波30第三章-移動(dòng)信道的傳播特性課件31三、不規(guī)則地形上的傳播損耗中值

對(duì)于丘陵、孤立山岳、斜坡及水陸混合等不規(guī)則地形，其傳播損耗計(jì)算同樣可以采用場(chǎng)強(qiáng)中值修正的辦法。本部分內(nèi)容不詳細(xì)講解，各位同學(xué)自學(xué)三、不規(guī)則地形上的傳播損耗中值

對(duì)于丘陵、孤立山岳、斜坡及水32（1）丘陵地的修正因子Kh

丘陵地的地形參數(shù)用地形起伏高度Δh表征。Δh：自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10km的范圍內(nèi)，地形起伏的90%與10%的高度差(參見圖3.28(a)上方)。這一定義只適用于地形起伏達(dá)數(shù)次以上的情況，對(duì)于單純斜坡地形將用后述的另一種方法處理。丘陵地的場(chǎng)強(qiáng)中值修正因子分為兩項(xiàng)：丘陵地平均修正因子Kh；丘陵地微小修正因子Khf。由圖3.28(a)是丘陵地平均修正因子Kh（簡(jiǎn)稱丘陵地修正因子）的曲線，它表示丘陵地場(chǎng)強(qiáng)中值與基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值之差。（1）丘陵地的修正因子Kh

丘陵地的地形參數(shù)用地形起伏高度Δ33由圖可見隨著丘陵地起伏高度（Δh）的增大，由于屏蔽影響的增大，傳播損耗隨之增大，因而場(chǎng)強(qiáng)中值隨之減小。此外，可以想到在丘陵地中，場(chǎng)強(qiáng)中值在起伏地的頂部與谷部的微小修正值曲線。圖中，上方畫出了地形起伏與電場(chǎng)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，頂部處修正值Khf（以dB計(jì)）為正，谷部處修正值Khf為負(fù)。由圖可見隨著丘陵地起伏高度（Δh）的增大，由于屏蔽影響的增大34（2）孤立山岳修正因子Kjs當(dāng)電波傳播路徑上有近似刀刃形的單獨(dú)山岳時(shí)，若求山背后的電場(chǎng)強(qiáng)度，一般可從相應(yīng)的自由空間場(chǎng)強(qiáng)中減去刃峰繞射損耗即可。但對(duì)天線高度較低的陸地上移動(dòng)臺(tái)來說，還必須考慮障礙物的陰影效應(yīng)和屏蔽吸收等附加損耗。由于附加損耗不易計(jì)算，故仍采用統(tǒng)計(jì)方法給出的修正因子Kjs曲線。圖3.29給出的是適用于工作頻段為450~900MHz、山岳高度在110~350m范圍，由實(shí)測(cè)所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲線。其中，d1是發(fā)射天線至山頂?shù)乃骄嚯x，d2是山頂至移動(dòng)臺(tái)的水平距離。圖中，Kjs是針對(duì)山岳高度H=200m所得到的場(chǎng)強(qiáng)中值與基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)的差值。如果實(shí)際的山岳高度不為200m時(shí)，上述求得的修正因子Kjs還需乘以系數(shù)α，計(jì)算α的經(jīng)驗(yàn)公式為式中，H的單位為m。（2）孤立山岳修正因子Kjs當(dāng)電波傳播路徑上有近似刀刃形的35第三章-移動(dòng)信道的傳播特性課件36（3）斜波地形修正因子Ksp斜坡地形系指在5~10km范圍內(nèi)的傾斜地形。若在電波傳播方向上，地形逐漸升高，稱為正斜坡，傾角為+θm；反之為負(fù)斜坡，傾角為-θm。圖3.30給出的斜坡地形修正因子的Ksp曲線是在450MHz和900MHz頻段得到的，橫坐標(biāo)為平均傾角，以毫弧度（mrad）作單位。圖中給出了三種不同距離的修正值，其它距離的值可用內(nèi)插法近似求出。此外，如果斜坡地形處于丘陵地帶時(shí)，還必須增加由Δh引起的修正因子Kh。（3）斜波地形修正因子Ksp斜坡地形系指在5~10km范圍內(nèi)37第三章-移動(dòng)信道的傳播特性課件38（4）

水陸混合路徑修正因子KS

在傳播路徑中遇到有湖泊或其它水域，接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)往往比全是陸地時(shí)要高。為估算水陸混合路徑情況下的場(chǎng)強(qiáng)中值，用水面距離與全程dSR距離d的比值作為地形參數(shù)。此外，水陸混合路徑修正因子的KS大小還與水面所處的位置有關(guān)。圖3.31中，曲線A表示水面靠近移動(dòng)臺(tái)一方的修正因子，曲線B（虛線）表示水面靠近基站一方時(shí)的修正因子。在同樣dSR/d情況下，水面位于移動(dòng)臺(tái)一方的修正因子KS較大，即信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值較大。如果水面位于傳播路徑中間時(shí)，應(yīng)取上述兩條曲線的中間值。（4）水陸混合路徑修正因子KS

在傳播路徑中遇到有湖泊或其39返回返回40四、任意地形地區(qū)的傳播損耗中值我們已經(jīng)分別闡述了各種地形地區(qū)情況下信號(hào)的傳播損耗中值與距離、頻率及天線高度等的關(guān)系，利用上述各種修正因子就能較準(zhǔn)確地估算各種地形地物條件下的傳播損耗中值，進(jìn)而求出信號(hào)的功率中值。四、任意地形地區(qū)的傳播損耗中值我們已經(jīng)分別闡述了各種地形地區(qū)41（1）中等起伏地市區(qū)中接收信號(hào)的功率中值PP式中，P0為自由空間傳播條件下的接收信號(hào)的功率，即

中等起伏地市區(qū)接收信號(hào)的功率中值PP(不考慮街道走向)可由下式確定：（1）中等起伏地市區(qū)中接收信號(hào)的功率中值PP式中，P0為自由42PT——發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率；λ——工作波長(zhǎng)；d——收發(fā)天線間的距離；Gb——基站天線增益；Gm——移動(dòng)臺(tái)天線增益。

Am(f,d)是中等起伏地市區(qū)的基本損耗中值，即假定自由空間損耗為0dB，基站天線高度為200m,移動(dòng)臺(tái)天線高度為3m的情況下得到的損耗中值，它可由圖3.12求出。Hb(hb,d)是基站天線高度增益因子，它是以基站天線高度200m為基準(zhǔn)得到的相對(duì)增益，其值可由圖3.13(a)求出。Hm(hm,f)是移動(dòng)天線高度增益因子，它是以移動(dòng)臺(tái)天線高度3m為基準(zhǔn)得到的相對(duì)增益，可由圖3.13(b)求得。若需要考慮街道走向時(shí)，式（3－17）還應(yīng)再加上縱向和橫向路徑的修正值。PT——發(fā)射機(jī)送至天線的發(fā)射功率；若需要考慮街道走向時(shí)，式（43（2）任意地形地區(qū)接收信號(hào)的功率中值PPC（3－19）

地形地區(qū)修正因子KT一般可寫成（3－20）

任意地形地區(qū)接收信號(hào)的功率中值是以中等起伏地市區(qū)接收信號(hào)的功率中值PP為基礎(chǔ)，加上地形地區(qū)修正因子KT，即（2）任意地形地區(qū)接收信號(hào)的功率中值PPC（3－19）地形44式中：Kmr——郊區(qū)修正因子，可由圖3.15求得；Qo、Qr——開闊地或準(zhǔn)開闊地修正因子，可由圖3.16求得；Kh、Khf——丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖3.17求得；Kjs——孤立山岳修正因子，可由圖3.18求得；Ksp——斜坡地形修正因子，可由圖3.19求得；KS——水陸混合路徑修正因子，可由圖3.20求得。式中：45根據(jù)地形地區(qū)的不同情況，確定KT包含的修正因子，例如傳播路徑是開闊地上斜坡地形，那么KT=Qo+Ksp，其余各項(xiàng)為零；又如傳播路徑是郊區(qū)和丘陵地，則KT=Kmr+Kh+Khf。

其它情況類推。任意地形地區(qū)的傳播損耗中值

（3－21）

式中，

LT為中等起伏地市區(qū)傳播損耗中值，

即

（3－22）

根據(jù)地形地區(qū)的不同情況，確定KT包含的修正因子，例如傳播路徑46例題例3-1某一移