對(duì)流層散射電路的計(jì)算1

1、6-2 6-2 對(duì)流層散射信號(hào)的衰落特性及其測(cè)量對(duì)流層散射信號(hào)的衰落特性及其測(cè)量（3）多普勒頻移或頻率擴(kuò)散現(xiàn)象。）多普勒頻移或頻率擴(kuò)散現(xiàn)象。 散射信號(hào)散射信號(hào)的重要特征是存在著嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象，即接收的重要特征是存在著嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象，即接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)在中值電平上下不斷地隨機(jī)起伏變化，并且具有如點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)在中值電平上下不斷地隨機(jī)起伏變化，并且具有如下下特點(diǎn)特點(diǎn)：（2）信號(hào)畸變或頻率選擇性衰落）信號(hào)畸變或頻率選擇性衰落（1）信號(hào)幅度的快衰落現(xiàn)象）信號(hào)幅度的快衰落現(xiàn)象; 在對(duì)流層散射傳播中，在對(duì)流層散射傳播中，通常按衰落的周期長(zhǎng)短分成快衰通常按衰落的周期長(zhǎng)短分成快衰落與慢衰落落與慢衰落，它們產(chǎn)生的原因不同

2、，所服從的統(tǒng)計(jì)規(guī)律也有，它們產(chǎn)生的原因不同，所服從的統(tǒng)計(jì)規(guī)律也有差異。差異。一、快衰落一、快衰落 快衰落由多徑傳播引起，它說(shuō)明了在幾秒鐘、幾分鐘內(nèi)快衰落由多徑傳播引起，它說(shuō)明了在幾秒鐘、幾分鐘內(nèi)的信號(hào)電平快速變化，如圖的信號(hào)電平快速變化，如圖6-76-7所示。所示。 快衰落往往與對(duì)流層的氣象參數(shù)快衰落往往與對(duì)流層的氣象參數(shù)無(wú)直接的關(guān)系無(wú)直接的關(guān)系，主要是，主要是由于對(duì)流層內(nèi)不均勻散射體或不規(guī)則層的大小、形狀、位置由于對(duì)流層內(nèi)不均勻散射體或不規(guī)則層的大小、形狀、位置和介電系數(shù)分布的隨機(jī)變化而引起。和介電系數(shù)分布的隨機(jī)變化而引起。 由于它們散射或反射的分量的幅度和相位也各自獨(dú)立地由于它們散射或反射

3、的分量的幅度和相位也各自獨(dú)立地隨機(jī)變化，在散射或不相干反射量中任一分量的功率，比其隨機(jī)變化，在散射或不相干反射量中任一分量的功率，比其全部功率總和來(lái)說(shuō)是非常微小的。這些分量合成幅度的統(tǒng)計(jì)全部功率總和來(lái)說(shuō)是非常微小的。這些分量合成幅度的統(tǒng)計(jì)分布分布服從瑞利分布服從瑞利分布。 根據(jù)上述可知，對(duì)流層散射信號(hào)是由大量的路徑分量所根據(jù)上述可知，對(duì)流層散射信號(hào)是由大量的路徑分量所組成：組成：iniYYY10式中式中Y為總的接收信號(hào)；為總的接收信號(hào)； 為穩(wěn)定層相干反射分量，在短時(shí)為穩(wěn)定層相干反射分量，在短時(shí)間內(nèi)一般為常矢量，它與氣象條件的變化有關(guān)；間內(nèi)一般為常矢量，它與氣象條件的變化有關(guān)； 為隨機(jī)為隨機(jī)變量

4、，其幅度與相位為時(shí)間、頻率、空間的函數(shù)。變量，其幅度與相位為時(shí)間、頻率、空間的函數(shù)。0YiniY1 快衰落的衰落特性與工作頻率和通信距離等因素有關(guān)?？焖ヂ涞乃ヂ涮匦耘c工作頻率和通信距離等因素有關(guān)。(6-3) 1. 1. 快衰落的統(tǒng)計(jì)分布特性快衰落的統(tǒng)計(jì)分布特性 各各 分量之間的相位不同，相位與幅度互不相關(guān)，任一分量之間的相位不同，相位與幅度互不相關(guān)，任一 的相位在的相位在 內(nèi)均勻分布。內(nèi)均勻分布。iYiY02 信號(hào)幅度服從瑞利分布信號(hào)幅度服從瑞利分布。信號(hào)電平瞬時(shí)振幅的概率密度。信號(hào)電平瞬時(shí)振幅的概率密度函數(shù)為函數(shù)為： 22222222EEEEEp EeeE其中其中 為信號(hào)電平為信號(hào)電平E的均

5、方值；的均方值； 。 為標(biāo)準(zhǔn)偏差，為標(biāo)準(zhǔn)偏差， 為方差。為方差。2E222E2(6-4) 信號(hào)電平超過(guò)某一電平的概率為信號(hào)電平超過(guò)某一電平的概率為 222222EEEEEedEEeEEEPEq(6-5) 若令若令 為信號(hào)包絡(luò)功率電平；為信號(hào)包絡(luò)功率電平； 為信號(hào)平均為信號(hào)平均包絡(luò)功率電平，則式（包絡(luò)功率電平，則式（6-5）可寫成）可寫成2EWe20EWe0expeeeWWWq將上式等于將上式等于1/2，可得到信號(hào)包絡(luò)功率中值為，可得到信號(hào)包絡(luò)功率中值為2ln0eemWW代入式（代入式（6-6）得）得emeWWemeeWWWq22lnexp(6-8) (6-7) (6-6) 取對(duì)數(shù)取對(duì)數(shù)2lgl

6、gemeeWWWq再對(duì)式（再對(duì)式（6-9）取對(duì)數(shù)得）取對(duì)數(shù)得2lglg10lg10lglg10emeWWq若設(shè)若設(shè)emeWWVlg10為為相對(duì)于中值的電平相對(duì)于中值的電平，則有，則有214. 5lglg10qV此式是相對(duì)于中值的電平此式是相對(duì)于中值的電平V與其概率與其概率q的關(guān)系式。由它可的關(guān)系式。由它可得到瑞利分布的理論曲線。得到瑞利分布的理論曲線。(6-9) (6-10) ()dB 上面討論的上面討論的對(duì)流層散射信號(hào)幅度的快衰落對(duì)流層散射信號(hào)幅度的快衰落是假設(shè)是假設(shè) 不存不存在或其場(chǎng)強(qiáng)非常微弱的情況下得到的，稱為瑞利型衰落。在或其場(chǎng)強(qiáng)非常微弱的情況下得到的，稱為瑞利型衰落。若若 不為零，是

7、一矢量時(shí)，此時(shí)信號(hào)幅度的快衰落屬于廣不為零，是一矢量時(shí)，此時(shí)信號(hào)幅度的快衰落屬于廣義瑞利型衰落。其合成的接收功率分布服從萊斯分布，將義瑞利型衰落。其合成的接收功率分布服從萊斯分布，將其概率密度函數(shù)可寫成其概率密度函數(shù)可寫成式中式中 為溫定場(chǎng)成分的振幅，即為溫定場(chǎng)成分的振幅，即 成分，成分， 為快衰落成分為快衰落成分的振幅；的振幅； 為修正零階貝賽爾函數(shù)。為修正零階貝賽爾函數(shù)。222/2022( )cEEcEEEp EeI(6-11) 0Y0Y 當(dāng)對(duì)流層中存在著處于迅速消失和形成大氣波導(dǎo)或突變當(dāng)對(duì)流層中存在著處于迅速消失和形成大氣波導(dǎo)或突變層之類的傳播場(chǎng)合時(shí)，此時(shí)的衰落類型稱為層之類的傳播場(chǎng)合時(shí)

8、，此時(shí)的衰落類型稱為瑞利矢量加反瑞利矢量加反常隨機(jī)矢量型衰落常隨機(jī)矢量型衰落。cE0YE0( )Ix 通常通常廣義瑞利衰落深度淺于瑞利衰落廣義瑞利衰落深度淺于瑞利衰落。而瑞利矢量加反。而瑞利矢量加反常隨機(jī)矢量型衰落，當(dāng)反常隨機(jī)矢量較小時(shí)則接近于瑞利型常隨機(jī)矢量型衰落，當(dāng)反常隨機(jī)矢量較小時(shí)則接近于瑞利型衰落，若反常隨機(jī)矢量較強(qiáng)時(shí)，有可能接近于、淺于或深于衰落，若反常隨機(jī)矢量較強(qiáng)時(shí)，有可能接近于、淺于或深于瑞利型衰落，要視反常隨機(jī)矢量這一分量的大小而定。瑞利型衰落，要視反常隨機(jī)矢量這一分量的大小而定。 由于大氣波導(dǎo)或超折射在對(duì)流層散射電路中出現(xiàn)的概率由于大氣波導(dǎo)或超折射在對(duì)流層散射電路中出現(xiàn)的概率

9、較少，深于瑞利型的衰落通常出現(xiàn)不多。衰落幅度較淺的廣較少，深于瑞利型的衰落通常出現(xiàn)不多。衰落幅度較淺的廣義瑞利衰落，除山峰繞射成分很強(qiáng)的電路外，也很少出現(xiàn)。義瑞利衰落，除山峰繞射成分很強(qiáng)的電路外，也很少出現(xiàn)。 由圖由圖6-86-8、圖、圖6-96-9可見，實(shí)測(cè)的衰落特性多數(shù)接近于廣義可見，實(shí)測(cè)的衰落特性多數(shù)接近于廣義瑞利型衰落和瑞利型衰落。瑞利型衰落和瑞利型衰落。 衰落類型與通信電路的地面情況有關(guān)。水面電路上空容衰落類型與通信電路的地面情況有關(guān)。水面電路上空容易形成濕度隨高度的急劇下降；沿海岸地區(qū)，陸上的暖風(fēng)氣易形成濕度隨高度的急劇下降；沿海岸地區(qū)，陸上的暖風(fēng)氣流吹向海面時(shí)，會(huì)形成逆溫，這些都

10、容易產(chǎn)生大氣波導(dǎo)；平流吹向海面時(shí)，會(huì)形成逆溫，這些都容易產(chǎn)生大氣波導(dǎo)；平原地區(qū)上空大氣易于形成大氣分層，有較強(qiáng)的穩(wěn)定場(chǎng)成分。原地區(qū)上空大氣易于形成大氣分層，有較強(qiáng)的穩(wěn)定場(chǎng)成分。所以水上與沿海地區(qū)、平原地區(qū)的電路，多為廣義瑞利型衰所以水上與沿海地區(qū)、平原地區(qū)的電路，多為廣義瑞利型衰落。落。（1 1）衰落深度與衰落幅度）衰落深度與衰落幅度2. 2. 衰落特性的描述衰落特性的描述根據(jù)式（根據(jù)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為為dBVV2 . 89 . 05 . 0衰落幅度為衰落幅度為dBVV1 .139 . 01 . 0 所以當(dāng)衰落幅度大于所以當(dāng)衰落幅度大于13.4dB

11、時(shí)，即為瑞利矢量加反常時(shí)，即為瑞利矢量加反常隨機(jī)矢量衰落；若衰落幅度小于隨機(jī)矢量衰落；若衰落幅度小于13.1dB時(shí)，則為廣義瑞利時(shí)，則為廣義瑞利衰落。衰落。 快衰落的衰落速率決定于對(duì)流層介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀況，以快衰落的衰落速率決定于對(duì)流層介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀況，以及散射區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速和湍流速度。介質(zhì)運(yùn)動(dòng)愈激烈，及散射區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速和湍流速度。介質(zhì)運(yùn)動(dòng)愈激烈，快衰落速率愈大。由于風(fēng)速的變化很大，所以衰落速率變快衰落速率愈大。由于風(fēng)速的變化很大，所以衰落速率變化的范圍很寬?？焖ヂ渌俾逝c散射角、頻率成正比，而與化的范圍很寬。快衰落速率與散射角、頻率成正比，而與天線的方向性成反比。方向性圖愈窄，快衰落速率愈小，

12、天線的方向性成反比。方向性圖愈窄，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氣象條件的變化引起的，它是指接收信主要是由氣象條件的變化引起的，它是指接收信號(hào)電平中值（如小時(shí)中值或月中值）在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)的號(hào)電平中值（如小時(shí)中值或月中值）在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)的起伏變化，如圖起伏變化，如圖6-106-10所示。氣象因素中，以大氣溫度和濕所示。氣象因素中，以大氣溫度和濕度的變化最為重要，由于它們的變化是大氣折射指數(shù)梯度度的變化最為重要，由于它們的變化是大氣折射指數(shù)梯度與大氣的湍流強(qiáng)度也發(fā)生變化。圖與大氣的湍流強(qiáng)度也發(fā)生變化。圖6-116-11給出了傳輸

13、損耗月給出了傳輸損耗月中值與地面折射指數(shù)月中值的關(guān)系曲線，說(shuō)明慢衰落是由中值與地面折射指數(shù)月中值的關(guān)系曲線，說(shuō)明慢衰落是由氣象因素的變化所造成的。氣象因素的變化所造成的。（3 3）衰落持續(xù)時(shí)間）衰落持續(xù)時(shí)間 中值電平處的快衰落平均持續(xù)時(shí)間的理論值如表中值電平處的快衰落平均持續(xù)時(shí)間的理論值如表6-36-3所所示，它隨著頻率和距離的增加而減小。示，它隨著頻率和距離的增加而減小。二、慢衰落二、慢衰落 顯然慢衰落與氣候區(qū)、地理位置、地形變化及大氣運(yùn)顯然慢衰落與氣候區(qū)、地理位置、地形變化及大氣運(yùn)動(dòng)狀況等因素有關(guān)。動(dòng)狀況等因素有關(guān)。 對(duì)流層散射信號(hào)慢衰落的統(tǒng)計(jì)分布特性對(duì)流層散射信號(hào)慢衰落的統(tǒng)計(jì)分布特性服從

14、對(duì)數(shù)正態(tài)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布分布，即信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)或功率的對(duì)數(shù)服從正態(tài)分布，也可以說(shuō)，即信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)或功率的對(duì)數(shù)服從正態(tài)分布，也可以說(shuō)場(chǎng)強(qiáng)和功率的分貝數(shù)服從正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)由式場(chǎng)強(qiáng)和功率的分貝數(shù)服從正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)由式（1-16）可知為）可知為1.1.慢衰落統(tǒng)計(jì)分布特性慢衰落統(tǒng)計(jì)分布特性22/ )(21)(mEEeEp(6-12) 接收信號(hào)電平接收信號(hào)電平 低于某個(gè)電平低于某個(gè)電平 的概率為的概率為E1E122/)(121)(EEEdxeEEPm式中式中 是以分貝表示的信號(hào)電平；是以分貝表示的信號(hào)電平； 是信號(hào)電平的是信號(hào)電平的平均值或中值；平均值或中值； 為標(biāo)準(zhǔn)偏差。為標(biāo)準(zhǔn)偏差。()E d

15、B()mEdB()dB(6-13) 根據(jù)我國(guó)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合，導(dǎo)出了計(jì)算不同地區(qū)的根據(jù)我國(guó)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合，導(dǎo)出了計(jì)算不同地區(qū)的年周期內(nèi)慢衰落的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式如下年周期內(nèi)慢衰落的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式如下0 .0 0 30 .0 0 30 .0 0 370 .0 94 .60 .0 68 .80 .1 1sssdsdsdsNeNeNe(6-14) （平原）（平原）（山區(qū)）（山區(qū)）（海上）（海上）式中式中 是夏季和冬季地面折射指數(shù)平均值之差，通?？扇∈窍募竞投镜孛嬲凵渲笖?shù)平均值之差，通?？扇∽罱罱?0年來(lái)包括年來(lái)包括 最高月份和最低月份在內(nèi)的其左右共三個(gè)最高月份和最低月份在內(nèi)的其左右共三個(gè)月的平均值

16、。其中月的平均值。其中 ，以，以km計(jì)，如圖計(jì)，如圖6-126-12所示，所示，圖中圖中 、 分別為發(fā)射與接收天線的海拔高度，分別為發(fā)射與接收天線的海拔高度， 、 分別是分別是距離發(fā)射天線與接收天線最近的障礙物高度，距離發(fā)射天線與接收天線最近的障礙物高度， 、 分別為分別為上述兩障礙物距發(fā)射與接收天線垂足的大圓距離。上述兩障礙物距發(fā)射與接收天線垂足的大圓距離。sNsN)(rtsdddd1htd2hrdrhth 圖圖6-136-13為標(biāo)準(zhǔn)偏差為標(biāo)準(zhǔn)偏差 與距離與距離 的關(guān)系曲線。標(biāo)準(zhǔn)偏差與的關(guān)系曲線。標(biāo)準(zhǔn)偏差與季節(jié)也有關(guān)系，夏季比冬季大季節(jié)也有關(guān)系，夏季比冬季大3 35 5dB左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

17、，左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，距離為距離為150150km的電路，小時(shí)中值累積分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差一般大的電路，小時(shí)中值累積分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差一般大于于 ；距離大于；距離大于250250km時(shí)，時(shí)， ；距離大于；距離大于500500km以以上時(shí)，上時(shí)， 。 sd10dB6dB10dB2.2.慢衰落的一些變化規(guī)律慢衰落的一些變化規(guī)律 （1）慢衰落的幅度與距離有關(guān)慢衰落的幅度與距離有關(guān)。距離近時(shí)，散射體高度。距離近時(shí)，散射體高度降低，如圖降低，如圖6-146-14所示，對(duì)流層的特性起伏變化較大；此外距所示，對(duì)流層的特性起伏變化較大；此外距離近時(shí)，繞射信號(hào)的成分可能較多，信號(hào)電平幅度變化也較離近時(shí)，繞射信號(hào)的成分可能

18、較多，信號(hào)電平幅度變化也較大。大。 （2）晝夜變化晝夜變化。信號(hào)電平小時(shí)中值的晝夜變化稱為日變化。信號(hào)電平小時(shí)中值的晝夜變化稱為日變化。一天之中一天之中12：00-18：00時(shí)之間信號(hào)電平最弱，午夜與早晨時(shí)之間信號(hào)電平最弱，午夜與早晨信號(hào)電平最強(qiáng)。并且晝夜變化幅度與距離有關(guān)，距離遠(yuǎn)，晝信號(hào)電平最強(qiáng)。并且晝夜變化幅度與距離有關(guān)，距離遠(yuǎn)，晝夜變化的幅度較小。夜變化的幅度較小。 另外另外與信號(hào)強(qiáng)度也有關(guān)系與信號(hào)強(qiáng)度也有關(guān)系，弱信號(hào)一般是由于湍流不均，弱信號(hào)一般是由于湍流不均勻散射引起，其日變化不明顯。強(qiáng)信號(hào)可能是由于不相干的勻散射引起，其日變化不明顯。強(qiáng)信號(hào)可能是由于不相干的銳變層引起。而中午前后大

19、氣對(duì)流作用較好，分層結(jié)構(gòu)不易銳變層引起。而中午前后大氣對(duì)流作用較好，分層結(jié)構(gòu)不易形成，銳變層出現(xiàn)少；午夜前后銳變層出現(xiàn)較多，由它反射形成，銳變層出現(xiàn)少；午夜前后銳變層出現(xiàn)較多，由它反射的信號(hào)電平則較強(qiáng)，故表現(xiàn)出明顯日變化特征。的信號(hào)電平則較強(qiáng)，故表現(xiàn)出明顯日變化特征。 信號(hào)電平的日變化樣品如圖信號(hào)電平的日變化樣品如圖6-156-15所示。所示。 （3）信號(hào)電平逐日變化信號(hào)電平逐日變化。因?yàn)橐粋€(gè)月內(nèi)每一天的氣象條。因?yàn)橐粋€(gè)月內(nèi)每一天的氣象條件不同，某一個(gè)月的某天與另一個(gè)月的同一天的氣象條件差件不同，某一個(gè)月的某天與另一個(gè)月的同一天的氣象條件差別可能更大，所以很難顯示出一定的變化規(guī)律。通常日與日別可能更大，所以很難顯示出一定的變化規(guī)律。通常日與日之間電平變化約在之間電平變化約在4 45 5dB以內(nèi)，最大可達(dá)以內(nèi)，最大可達(dá)15152020dB，圖，