第四章 微波傳播

第四章微波傳播

電波傳播模式4.1長(zhǎng)途微波通信系統(tǒng)中的電波傳播4.2移動(dòng)通信系統(tǒng)中的電波傳播4.3抗衰落技術(shù)4.5衛(wèi)星通信電波傳播的特點(diǎn)4.44.1電波傳播模式 無線通信中主要的電波傳播模式有空間波、地表面波和天波三種。

1．空間波是指在大氣對(duì)流層中進(jìn)行傳播的電波傳播模式。在電波的傳播過程中，會(huì)出現(xiàn)反射、折射和散射等現(xiàn)象。長(zhǎng)途微波通信和移動(dòng)通信中均采用這種視距通信方式。

2．地表面波是指沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴▊鞑ツＪ?。長(zhǎng)波、中波一般采用這種傳播方式。天線直接架設(shè)在地面。

3．天波是利用電離層的折射、反射和散射作用進(jìn)行的電波傳播模式。短波通信采用的正是這種電波傳播模式。4.2長(zhǎng)途微波通信系統(tǒng)中的電波傳播

4.2.1自由空間的電波傳播

1．電波與自由空間的概念微波是一種電磁波，微波射頻為300MHz～300GHz，是全部電磁波頻譜的一個(gè)有限頻段。

根據(jù)微波傳播的特點(diǎn)，可視其為平面波。平面波沿傳播方向是沒有電場(chǎng)和磁場(chǎng)縱向分量的，故稱為橫電磁波，記作TEM波。有時(shí)我們把這種電磁波簡(jiǎn)稱為電波。自由空間又稱為理想介質(zhì)空間，即相當(dāng)于真空狀態(tài)的理想空間。

2．自由空間的傳播損耗在自由空間傳播的電磁波不產(chǎn)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象，也就是說，總能量并沒有被損耗掉。

但是，電波在自由空間傳播時(shí)，其能量會(huì)因向空間擴(kuò)散而衰耗。

因?yàn)殡姴ㄓ商炀€輻射后，便向周圍空間傳播，到達(dá)接收地點(diǎn)的能量?jī)H是一小部分，距離越遠(yuǎn)，這一部分能量越小，如同一只燈泡所發(fā)出的光一樣，均勻地向四面八方擴(kuò)散出去。

顯而易見，距離光源越遠(yuǎn)的地方，單位面積上接收到的能量也越少。上面所說的這種電波擴(kuò)散衰耗就稱為自由空間傳播損耗。

下面用圖4-1說明自由空間傳播損耗。假定發(fā)信設(shè)備位于球體中心，使用無方向性天線，以功率Pt向周圍空間輻射電磁波，在半徑為d的球面上接收點(diǎn)B的單位面積上的平均功率為

由天線理論知道，一個(gè)各向均勻輻射的天線，其有效面積為：

這樣，一個(gè)無方向性天線在B點(diǎn)收到的功率為

還可寫成

則傳播損耗為（4-1）

或（4-2）

當(dāng)距離d以km為單位，頻率f以GHz為單位時(shí)，傳播損耗

Ls（dB）=92.4+20lgd+20lgf（4-3）

當(dāng)頻率f以MHz為單位時(shí)，傳播損耗

Ls（dB）=32.4+20lgd+20lgf（4-4）式中d為收發(fā)天線的距離，f為發(fā)信頻率。

3．自由空間傳播條件下收信電平的計(jì)算微波通信中實(shí)際使用的天線均為有方向性天線。

當(dāng)收發(fā)天線增益分別為Gr（dB）、Gt（dB）；收發(fā)兩端饋線系統(tǒng)損耗分別為L(zhǎng)fr（dB）、Lft（dB）。

收發(fā)兩端分路系統(tǒng)損耗分別為L(zhǎng)br（dB）、Lbt（dB）；自由空間傳播損耗為L(zhǎng)s（dB）。

則，在自由空間傳播條件下，接收機(jī)的輸入電平為Pr（dBm）＝Pt（dBm）+（Gt+Gr）－（Lft＋Lfr）－（Lbt＋Lbr）－Ls（4-5）

【例題4-1】已知發(fā)信功率Pt=1W，工作頻率f=3800MHz，兩站相距45km，Gt＝Gr＝39dB，Lft＝Lfr＝2dB，Lbt＝Lbr＝1dB。

求：在自由空間傳播條件下接收機(jī)的輸入電平和輸入功率。

解：由已知條件，站距d＝45km，工作頻率f=3800MHz，由公式（4-4），可求得Ls（dB）=32.4+20lg45+20lg3800≈137dB

4.2.2地面反射對(duì)電波傳播的影響不同路由的中繼段，當(dāng)?shù)孛娴牡匦尾煌瑫r(shí)，對(duì)電波傳播的影響也不同。主要影響有反射、繞射和地面散射。

●地面散射：往往表現(xiàn)為亂反射，對(duì)主波射束的影響較小，本章不予討論。

●繞射：在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí)，電波會(huì)繞過障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射，將在下節(jié)討論。

●反射影響主要表現(xiàn)是：地面可以把天線發(fā)出的一部分信號(hào)能量反射到接收天線（光滑地面或水面反射的能量更大些），與主波信號(hào)產(chǎn)生干涉，并與主波信號(hào)（直射波）在收信點(diǎn)進(jìn)行矢量相加，其結(jié)果是，收信電平與自由空間傳播條件下的收信電平相比，也許增加，也許減小。

1.費(fèi)涅耳區(qū)的概念

(1)惠更斯-費(fèi)涅爾原理惠更斯提出了電磁波的波動(dòng)性學(xué)說，費(fèi)涅耳在這個(gè)基礎(chǔ)上又提出了“費(fèi)涅耳區(qū)”的概念，進(jìn)一步解釋了電波的反射、繞射等現(xiàn)象，并為實(shí)踐所證實(shí)。

惠更斯原理關(guān)于光波或電磁波波動(dòng)性學(xué)說的基本思想是：光和電磁波都是一種振動(dòng)，振動(dòng)源周圍的媒質(zhì)是有彈性的，故一點(diǎn)的振動(dòng)可通過媒質(zhì)傳遞給鄰近的質(zhì)點(diǎn)，并依次向外擴(kuò)展，而成為在媒質(zhì)中傳播的波。

在微波通信中，當(dāng)發(fā)信天線的尺寸遠(yuǎn)小于站間距離的時(shí)候，我們可以把發(fā)信天線近似看成一個(gè)點(diǎn)源，如圖4-2所示。

(2)費(fèi)涅爾區(qū)的概念設(shè)TR之間距離為d。當(dāng)常數(shù)PT＋PR為：d＋λ/2時(shí)，P點(diǎn)的軌跡為第一費(fèi)涅耳橢球面；

d＋2λ/2時(shí)，P點(diǎn)的軌跡為第二費(fèi)涅耳橢球面，圖中分別用

A、B標(biāo)出。

d＋nλ/2時(shí)，P點(diǎn)的軌跡為第n費(fèi)涅耳橢球面。N越大，費(fèi)涅耳橢球面越大。

再結(jié)合圖4-2，當(dāng)用T點(diǎn)發(fā)出的且過P點(diǎn)的第N個(gè)球面波前面與n個(gè)費(fèi)涅耳旋轉(zhuǎn)橢球面交割，就可在交割界面上得到一系列的圓和圓環(huán)，見圖4-3。

中心是一個(gè)圓，稱為第一費(fèi)涅耳區(qū)。其外面的圓環(huán)（外圓減內(nèi)圓得到的環(huán)）稱為第二費(fèi)涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三費(fèi)涅耳區(qū)、第四費(fèi)涅耳區(qū)……第n費(fèi)涅耳區(qū)。

(3)費(fèi)涅爾區(qū)半徑我們把費(fèi)涅耳區(qū)上一點(diǎn)P到TR連線的垂直距離稱為費(fèi)涅耳區(qū)半徑，用F表示。

第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑用F1表示。下面用圖4-4求第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑（F1在工程上是用得最多的參數(shù)之一）。

在圖4-4中，P為第一費(fèi)涅耳區(qū)（PT＋PR=d＋λ/2）上一點(diǎn)，d1為P點(diǎn)到發(fā)信天線T的水平距離，d2為P點(diǎn)到收信天線R的水平距離，收發(fā)站距d＝d1＋d2。

根據(jù)費(fèi)涅耳橢球面及費(fèi)涅耳區(qū)的定義，由圖4-4可見，（4-6）

經(jīng)公式推導(dǎo)，可近似得到

（4-7）

同樣可求，第二費(fèi)涅耳區(qū)半徑為

第n費(fèi)涅耳區(qū)半徑為

（4-8）

式（4-7）中，若λ的單位為米（m），d1、d2、d的單位為公里（km），則

（4-9）

由公式可見，當(dāng)動(dòng)點(diǎn)P在路徑中所處的位置不同時(shí)，費(fèi)涅耳區(qū)半徑也就不同。P在路徑中點(diǎn)時(shí)，以第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑為例，公式（4-9）中d1＝d2，此時(shí)的第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑有最大值，用F1m表示。

2.地面反射對(duì)收信電平的影響本節(jié)所波及的地面均未考慮地球凸起高度的影響，當(dāng)兩個(gè)微波站距離較近，地面又起伏不大時(shí)，可適用于本情況。

(1)平坦地形對(duì)電波的反射平坦地形是指不考慮地球曲率的影響。

在實(shí)際的微波通信線路中，總是把收、發(fā)天線對(duì)準(zhǔn)，以使收端收到較強(qiáng)的直射波。但根據(jù)惠更斯原理（或因天線方向性所限），總會(huì)有一部分電波投射到地面，所以在收信點(diǎn)除收到直射波外，還要收到經(jīng)地面反射并滿足反射條件（入射角等于反射角）的反射波，如圖4-7所示。

圖中P為地面上的反射點(diǎn)，θ為入射角（指投射到地面的入射線與地面的夾角），h1、h2為發(fā)端和收端的天線高度，hc’是反射點(diǎn)P到TR連線的鉛垂距離，稱為余隙。有時(shí)余隙為負(fù)值，則說明地面反射點(diǎn)的高度高出了TR連線。

如果該點(diǎn)的第一費(fèi)涅爾反射區(qū)半徑為F1，比值hc/F1叫該點(diǎn)的相對(duì)余隙。

直射波：設(shè)E0為自由空間傳播時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度的有效值（直射波場(chǎng)強(qiáng)有效值）。則直射波場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值為

e1＝E0cosωt

反射波：地面反射點(diǎn)P的特性用該點(diǎn)反射系數(shù)表示，它是一個(gè)復(fù)數(shù)，表示為

式中|φ|——反射系數(shù)的模

——反射系數(shù)的相角

我們把合成場(chǎng)強(qiáng)E與自由空間場(chǎng)強(qiáng)的比，稱為考慮地面影響時(shí)的衰落因子V，表示為

（4-10）

VdB=10lgV2=20lgV

考慮地面影響后，實(shí)際的收信點(diǎn)電平可由下式求出

pr（dBm）=pr0（dBm）＋VdB

式中：

pr0（dBm）為未考慮地面影響時(shí)的自由空間收信電平，用式（4-5）算；

pr（dBm）為有衰落時(shí)的收信功率電平。

(2)用費(fèi)涅耳區(qū)的概念分析地面反射影響我們把hc/F1＝0.577時(shí)的余隙hc稱自由空間余隙，并用h0表示，記為

（4-12）

(3)路徑上刃形障礙物的阻擋損耗由圖4-9可以看出，在傳播路徑上有刃形障礙物阻擋時(shí)，如果：

障礙物的尖峰恰好落在收發(fā)兩端天線的連線上（即hc＝0）時(shí)，附加損耗為6dB；

障礙物峰頂超出連線（hc為負(fù)），附加損耗很快增加；

障礙物頂峰在連線以下，且相對(duì)余隙hc/F1大于0.5時(shí)，則附加損耗將在0dB上下少量變動(dòng)。這時(shí)，實(shí)際路徑的傳播損耗（或收信電平）將與自由空間的數(shù)值接近。

(4)微波線路的分類視距微波通信常常根據(jù)路徑余隙hc的大小將線路分為三類：

（1）hc≥h0（相對(duì)余隙）稱為開路線路這種線路可等效為平地面反射的情況。

（2）0＜hc＜h0稱為半開路線路這種線路障礙物對(duì)直射波束有部分阻擋，屬于繞射傳播狀態(tài)。由較大高地、山嶺等障礙物造成。

（3）hc≤0稱為閉路線路這種線路障礙物對(duì)直射波束全阻擋，也屬于繞射傳播狀態(tài)。上述三種線路是指一般單障礙物情況。

4.2.3對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響

從地面算起，垂直向上，可把大氣分為六層：依次稱作對(duì)流層、同溫層、中間層、電離層、超離導(dǎo)、逸散層。

對(duì)流層是指自地面向上大約10Km范圍的低空大氣層。由于天線架設(shè)的高度遠(yuǎn)不會(huì)超出這個(gè)高度，而且微波通信采用空間傳播方式，所以研究微波在大氣中的傳播只要研究電波在對(duì)流層中的傳播就可以了，其它各層對(duì)微波傳播的影響不大。

1.大氣折射大氣折射是指在低空中大氣對(duì)電波傳播的折射。

(1)大氣折射率設(shè)大氣折射率為n，它是電波自由空間中的傳播速度c與電波在大氣中的傳播速度v之比，記作

（4-13）

(2)折射率梯度折射率梯度表示折射率隨高度的變化率，從而體現(xiàn)了不同高度的大氣壓力、溫度、濕度對(duì)大氣折射的影響，表示為。

（1）＞0，n隨高度的增加而增加，由式（4-13）看出，v與n成反比，所以在這種情況下，v隨高度的增加而減小，使電波傳播的軌跡向上彎曲，如圖4-11(a)所示。

（2）＜0，v隨高度的增加而增加，使電波傳播的軌跡向下彎曲，如圖4-11(b)所示。

(3)等效地球半徑等效地球半徑的概念就是可以把電波射線仍然看成直線，而把真實(shí)地球的半徑a等效為ae。等效的概念如下圖所示。

等效的條件是：電波軌跡與地面之間的高度差hc相等，或等效前及等效后的電波路徑與球形地面之間的曲率之差保持不變。

定義K為等效地球半徑系數(shù)

（4-15）

K與折射率的關(guān)系為

（4-16）式中a為實(shí)際地球半徑，a＝6370km。

(4)折射的分類我們可根據(jù)電波受大氣折射后軌跡（因K值不同而不同），將大氣折射分為三類，如圖4-13所示。

（1）無折射（2）負(fù)折射（3）正折射

正折射還可以進(jìn)一步分為標(biāo)準(zhǔn)折射、臨界折射、超折射等幾種情況。

臨界折射和超折射己于圖4-13中示出，可見臨界折射是折射電波方向與地球曲率一致，超折射是指折射電波射向地球。

在溫帶地區(qū)，我們稱時(shí)的大氣為“標(biāo)準(zhǔn)大氣”，它代表了溫帶地區(qū)氣象條件的平均情況。

的大氣折射叫作標(biāo)準(zhǔn)折射。

K＝，所以叫作標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑。

4.2.4幾種大氣和地面效應(yīng)造成的衰落

1.概述使收信電平隨時(shí)間而變化，這種變化稱為信號(hào)的衰落，它具有隨機(jī)性。

引起衰落的原因是多方面的，大體上可以分為兩類：第一類是氣象條件的平穩(wěn)變化引起的，如大氣折射的慢變化、雨霧衰減，大氣中不均勻體的散射等引起的衰落；第二類是多徑傳播引起的衰落。由于氣象條件不平穩(wěn)變化，使傳播異常，可能出現(xiàn)多條傳播路徑，稱為多徑傳播。

2.衰落的種類(1)大氣吸收衰耗(2)雨霧引起的散射衰耗(3)K型衰落

這是一種多徑傳輸引起的干涉型衰落，它是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。

其相位干涉的程度與行程差有關(guān)，而在對(duì)流層中，行程差Δr是隨K值（大氣折射的重要參數(shù)）變化的，故稱K型衰落。這種衰落尤其在線路經(jīng)過水面、湖泊或平滑地面時(shí)特別嚴(yán)重，因氣象條件的突然變化，竟會(huì)造成通信中斷。

前面講過的因地面影響產(chǎn)生的反射衰落及因大氣折射產(chǎn)生的繞射衰落，當(dāng)其衰落深度隨時(shí)間變化時(shí)引起的均屬K型衰落。

(4)波導(dǎo)型衰落

由于各種氣象條件的影響，如地面被太陽(yáng)曬熱，夜間地面的冷卻，以及海面和高氣壓地區(qū)都會(huì)形成大氣層中的不均勻結(jié)構(gòu)。

當(dāng)電磁波通過對(duì)流層中這些不均勻?qū)訒r(shí)將產(chǎn)生超折射現(xiàn)象，形成大氣波導(dǎo)傳播。只要微波射線通過大氣波導(dǎo)，而收、發(fā)兩點(diǎn)在波導(dǎo)層下面（如圖4-22所示），則收信點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)除了直射波和地面反射波外，還可能收到“波導(dǎo)層”的反射波，形成嚴(yán)重的干涉型衰落，往往造成通信中斷。

(5)閃爍衰落對(duì)流層中的大氣常常發(fā)生體積大小不等。無規(guī)則的漩渦運(yùn)動(dòng)，稱為大氣湍流。大氣湍流形成的一些不均勻小塊或?qū)訝钗锸菇殡娤禂?shù)ε與周圍不同，并能使電波向周圍輻射，這就是對(duì)流層散射，如圖4-23所示。

在收信點(diǎn)，天線可收到多徑傳來的這種散射波，它們之間具有任意振幅和隨機(jī)相位，可使收信點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的振幅發(fā)生變化，并形成快衰落。

在視距微波通信中，由對(duì)流層散射到收信點(diǎn)的多徑場(chǎng)強(qiáng)疊加在一起，使收信場(chǎng)強(qiáng)降低，形成了所謂閃爍衰落。由于這種衰落持續(xù)時(shí)間短，電平變化小，一般不至于造成通信中斷。

3.衰落的統(tǒng)計(jì)特性

(1)瑞利衰落概率的經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)把瑞利分布的規(guī)律應(yīng)用于微波通信，并且考慮到電波傳播的具體條件，衰落的瑞利概率為

Pr＝（4-32）

式中：

Pr就是接收功率小于或等于W時(shí)的時(shí)間概率；

W為有衰落時(shí)的接收功率；

W0為無衰落時(shí)的接收功率；

d為站距（km）；

f為微波工作頻率（GHz）；

K為環(huán)境條件因子；

Q為地形條件因子。

我國(guó)對(duì)衰落的瑞利概率的計(jì)算，是選用了日本、美國(guó)公式的折中值，與西北歐的公式接近，當(dāng)收信電平等于自由空間傳播條件下的收信電平時(shí)，衰落的瑞利概率為

（4-33）

式中：

各符號(hào)的意義及單位己于前述，在此不再重復(fù)。

當(dāng)已知衰落深度為Fd（dB）時(shí)，深衰落發(fā)生的概率為

Pr＝（4-34）

式中的是衰落深度的倍數(shù)值。

(3)衰落深度的計(jì)算衰落深度又叫衰落儲(chǔ)備。數(shù)字微波的衰落深度是從衰落概率的角度進(jìn)行計(jì)算的，其定義式為

（4-35）

4.2.5頻率選擇性衰落

1.電波的多徑傳播現(xiàn)象

(1)基本概念實(shí)際信道的傳輸特性主要決定于信道中的濾波特性，它的畸變將直接影響信號(hào)的傳輸性能。

濾波器的特性通?？偸怯梅l特性和相頻特性（時(shí)延特性）來描述，理想的幅頻特性和相頻特性如下所示。

其中相位-頻率特性（綠線）還經(jīng)常采用群時(shí)延-頻率特性來衡量。群時(shí)延-頻率特性是相頻特性的導(dǎo)數(shù)。若相頻特性用表示，則群時(shí)延特性為

當(dāng)大氣層中存在不均勻?qū)踊虿痪鶆驂K時(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射波，由于水面和地面的反射會(huì)產(chǎn)生反射波。因此，從發(fā)送天線到接收天線之間可能會(huì)有多條電波傳播路徑。

在此情況下，接收到的信號(hào)是各條路徑信號(hào)的矢量和。

由于大氣層折射波的相位和振幅常常是隨機(jī)變化的，所以可能是（同一時(shí)刻、不同頻率）在同一時(shí)刻，某一頻率產(chǎn)生的干涉波（反射波或折射波）與直射波同相相加，而另一頻率產(chǎn)生的干涉波（反射波或折射波）與直射波反相相加，這樣造成的衰落稱為頻率選擇性衰落。

(2)對(duì)多徑傳輸?shù)倪M(jìn)一步分析對(duì)于多徑傳播效應(yīng)，預(yù)測(cè)信道多徑衰落引起數(shù)字通信系統(tǒng)性能惡化以及尋找合適的均衡器以校正信道的選擇性衰落，近些年來提出了許多有關(guān)多徑傳播的模型。

例如：二線模型（一條反射線或一條折射線和一條直射線來模擬多徑傳播信道）。兩條射線（波束）傳輸信道的等效電路示于圖4-24。

圖中路徑1表示直射波射線，路徑2表示干涉波（反射波或折射波）射線，其中：

r為干涉波對(duì)直射波的振幅比。

τ(t)為干涉波相對(duì)于直射波的時(shí)延，τ(t)＝τ0＋Δτ(t)，

τ0是τ(t)的平均值，即兩條線的路徑的時(shí)延差，Δτ(t)是τ(t)隨時(shí)間起伏變化成分，一般來說，Δτ(t)是細(xì)微的，但是，它卻足以引起干涉波隨機(jī)相位的變化。

如果不考慮信道的固定衰減，圖4－23等效網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為：He（jω，t）＝1＋re－jωτ(t)

（4-36）

式中

ω＝2πf0

根據(jù)式（4-36）經(jīng)運(yùn)算（略）可得信道的振幅特性為

（4-37）

及群時(shí)延特性

（4-38）

(3)頻率選擇性衰落同一時(shí)刻、不同頻率下，幅頻特性A（f）和時(shí)延特性T（f）曲線示于圖4-25。

根據(jù)公式幅頻特性和時(shí)延特性的谷值為：

Amin＝1－r

幅頻特性和時(shí)延特性的峰值為：

Amax＝1＋r

這種因多徑傳播而造成的衰落被稱為頻率選擇性衰落。

2.頻率選擇性衰落對(duì)微波通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響

(1)引起帶內(nèi)失真

(2)使交叉極化鑒別度下降天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化和水平極化。

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。

但是理想的極化完全隔離是沒有的，因?yàn)橐环N極化狀態(tài)下（例如水平極化）的微波信號(hào)，經(jīng)過信道傳輸，可能會(huì)受到大氣層對(duì)電波傳播的影響，使極化面受到損害，并使一部分能量成為與之正交的極化狀態(tài)（例如垂直極化）。

這樣，當(dāng)微波通信采用同頻（雙極化）再用方案時(shí)，就將引起頻率相同、極化正交的兩個(gè)波道之間的干擾．稱之為交叉極化干擾。

所以饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。

交叉極化鑒別度記作XPD。常以電子值表示，即（dB）式中：P為以收端某波道接收的與發(fā)端相同極化的信號(hào)功率。

Px為該波道收到的交叉極化干擾信號(hào)。

XPD值越大，表示交叉極化干擾越小。多徑傳播將使XPD顯著變壞。

(3)使系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降這里所指的衰落儲(chǔ)備值下降，往往指數(shù)字微波的有效衰落儲(chǔ)備，數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常用到有效衰落儲(chǔ)備的概念：它表示與自由空間傳播條件相比，當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時(shí)．為了在不超過門限誤碼率時(shí)系統(tǒng)仍能工作所必須留有的電平余量。4.3移動(dòng)通信系統(tǒng)中的電波傳播

4.3.1移動(dòng)通信系統(tǒng)中電波傳播的特點(diǎn)

1.電波傳播的基本模型是超短波在光滑表面上直射波與反射波的矢量合成。

2.衰落當(dāng)移動(dòng)臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其傳播路徑會(huì)遇到建筑物和障礙物，從而產(chǎn)生多徑反射，形成衰落。衰落又分為快衰落和慢衰落。

所謂快衰落是指接收?qǐng)鰪?qiáng)包絡(luò)的快變化呈現(xiàn)瑞利分布，衰落速度與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和工作頻率有關(guān)。

而當(dāng)受到高大建筑物的阻擋時(shí)，或因地形變化造成的陰影效應(yīng)以及大氣折射使得多徑信號(hào)相對(duì)時(shí)延發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)使同一地點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)中值（信號(hào)強(qiáng)度大于它的概率為50%的場(chǎng)強(qiáng)值）隨時(shí)間呈現(xiàn)慢變化，這就是慢衰落，慢衰落深度與地形和工作頻率有關(guān)。

3.移動(dòng)臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的特性當(dāng)移動(dòng)臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用不同的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型。

4.多普勒頻移由于移動(dòng)臺(tái)處于移動(dòng)中，因而接收信號(hào)中存在附加的頻率變化，這種頻率變化就是多普勒頻移，從而給系統(tǒng)引入調(diào)頻噪聲，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度越高、工作頻率越高時(shí)，多普勒頻移影響越大。

4.3.2移動(dòng)通信中電波傳播特性

1、直射波（１）在自由空間中，由于電波是以直線形式傳播，而不存在被吸收、被反射、折射和散射等現(xiàn)象，這種電波傳播方式就是直射波。

直射波的傳播損耗可以用自由空間電波損耗計(jì)算：

（dB）

(4-39)

（２）視線距離人們把視線所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離稱為視線距離。修正后的

2、反射波（1）在電波傳播中，當(dāng)遇到兩種不同介質(zhì)的光滑表面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象。（2）接收天線所接收到的電波是由直射波和反射波組成的。

它們之間的行程差為：相位差為：

3、繞射波

(1)在電波傳播過程中，當(dāng)遇到較大的山丘或建筑物時(shí)，電波會(huì)發(fā)生繞射，并到達(dá)接收點(diǎn)。

(2)繞射波信號(hào)強(qiáng)度與反射波的強(qiáng)度相當(dāng)，由此引入電波傳輸損耗，通常稱這種損耗為繞射損耗。障礙物所引起的繞射損耗與費(fèi)涅耳余隙有關(guān)。

4、散射波由空氣中離子受激產(chǎn)生二次反射所引起的慢反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào)強(qiáng)度很弱。

4.3.3移動(dòng)通信中電波傳播所產(chǎn)生的幾種效應(yīng)１、多徑效應(yīng)

(1)定義在移動(dòng)通信環(huán)境下，由于移動(dòng)臺(tái)處于移動(dòng)狀態(tài)，而且移動(dòng)臺(tái)所發(fā)射的電波在傳輸過程中不斷地受到建筑物、樹木或起伏地形的影響。

因此到達(dá)接收天線的電波包括直射波以及來自各種物體的反射波和散射波，它們各自的傳播路徑不同，故在接收天線處產(chǎn)生相互干涉，使接收天線所接收到的場(chǎng)強(qiáng)矢量、振幅和相位隨時(shí)間急劇變化，使信號(hào)很不穩(wěn)定。

這種現(xiàn)象稱為多徑效應(yīng)，所產(chǎn)生的衰落便是多徑衰落，也稱為快衰落。

(2)合成信號(hào)接收機(jī)所接收到的合成信號(hào)：包絡(luò)服從滿足瑞利分布，相位服從符合均勻分布。

(3)快衰落特性合成信號(hào)的振幅不僅是時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)，也是地點(diǎn)的隨機(jī)函數(shù)，而且還與工作頻率有關(guān)。

快衰落又可以細(xì)分為空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落：●空間選擇性衰落是指在不同地點(diǎn)（空間）衰落特性不同，它是由天線點(diǎn)波束的擴(kuò)散引起的。例如基站附近的建筑物和其他物體的反射所產(chǎn)生的多徑干擾會(huì)嚴(yán)重影響到達(dá)天線的信號(hào)入射角，從而引起空間選擇性衰落。

●頻率選擇性衰落是指不同頻率衰減特性不同所引起的衰落。它是由遠(yuǎn)處山丘與高大建筑物反射而形成的多徑干擾引起的，使信號(hào)在時(shí)域（也包括空間）上發(fā)生擴(kuò)散，從而引起的衰落。

●時(shí)間選擇性衰落是指不同的時(shí)間衰落特性不同，它是由于快速移動(dòng)用戶附近物體的反射而形成的多徑干擾所造成的，從而引起頻率擴(kuò)散，使接收點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生衰落。

２、陰影效應(yīng)

(1)定義當(dāng)在電波傳輸路徑上遇到起伏的地形、建筑物、樹林等障礙物時(shí)，在障礙物的后面便形成電波的陰影區(qū)。

陰影區(qū)中的信號(hào)強(qiáng)度很弱，因此當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過陰影區(qū)時(shí)，便造成接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值的緩慢衰落，這就是陰影效應(yīng)，陰影效應(yīng)所引起的衰落稱為陰影衰落，或慢衰落。

(2)慢衰落特性①慢衰落的衰落速率與快衰落特性不同，慢衰落的衰落速率與頻率無關(guān)。慢衰落的衰落速率主要決定于傳播環(huán)境，即移動(dòng)臺(tái)所處的環(huán)境。

②當(dāng)大氣參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起折射率的緩慢變化，由此產(chǎn)生的影響也是一種慢衰落，仍符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

實(shí)際上的慢衰落是由隨地點(diǎn)變化和時(shí)間變化的兩種衰落綜合而成的，并且這兩種變化彼此獨(dú)立。

３、遠(yuǎn)近效應(yīng)

(1)定義當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)距基站的距離不同，而以相同的頻率和相同的功率發(fā)送信號(hào)時(shí)，則基站接收來自遠(yuǎn)端移動(dòng)臺(tái)的有用信號(hào)將淹沒在近端移動(dòng)臺(tái)所發(fā)送的信號(hào)之中。

這種由于接收點(diǎn)位置不同，使得發(fā)信機(jī)與基站之間的路徑損耗不同，而引起的接收功率下降被稱之為遠(yuǎn)近效應(yīng)，也稱之為近端對(duì)遠(yuǎn)端的干擾。

(2)遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響程度為了衡量其影響程度，我們以近端對(duì)遠(yuǎn)端的干擾比來表示：

（dB）(4-46)

其中d1、d2分別表示基站與移動(dòng)臺(tái)MS1、MS2相對(duì)的近距離和遠(yuǎn)距離。比值越大，干擾越小。

(3)減少遠(yuǎn)近效應(yīng)可采用的措施①在進(jìn)行頻率分配時(shí)，應(yīng)盡量加大同一頻道組頻率間隔以提高隔離度。

②可采用擴(kuò)頻技術(shù)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。③使移動(dòng)臺(tái)發(fā)信機(jī)能夠根據(jù)其與基站的距離自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率，從而減小近端對(duì)遠(yuǎn)端干擾比。

④在移動(dòng)臺(tái)和基站設(shè)備設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能降低發(fā)信機(jī)寄生輻射，提高接收及中頻濾波器的帶外抑制能力。

４、多普勒頻移多普勒頻移是由于移動(dòng)用戶高速運(yùn)動(dòng)而引起傳播頻率的變化，其變化程度與移動(dòng)用戶的運(yùn)動(dòng)速度成正比。多普勒頻移現(xiàn)象同樣存在于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

4.3.4移動(dòng)通信環(huán)境下的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算１、EgliJohnJ.場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

(1)模型的提出在實(shí)際通信環(huán)境下，由于移動(dòng)臺(tái)隨時(shí)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此在計(jì)算繞射損耗時(shí)，x、F1的數(shù)值在不斷的變化之中，給不平坦地區(qū)環(huán)境下的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算帶來困難。

實(shí)際中通常是利用EgliJohnJ提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即在平面大地反射公式的基礎(chǔ)上，加一個(gè)修正值，以此來計(jì)算不平坦地區(qū)的傳輸衰減LA。該修正值為

(2)利用EgliJohnJ模型計(jì)算的不平坦地區(qū)的傳輸衰減為：

2、Okumura模型（0）模型的提出由于移動(dòng)通信環(huán)境復(fù)雜而且而且多變，因此人們針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

Okumura模型是將城市視為準(zhǔn)平滑地形，并繪出其場(chǎng)強(qiáng)中值曲線。

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)，因而把它稱為基準(zhǔn)中值或基本中值。

因此對(duì)于郊區(qū)以及不規(guī)則地形，則在城市準(zhǔn)平滑地形場(chǎng)強(qiáng)中值的基礎(chǔ)上提出修正因子?？梢娭灰@種模型的修正因子足夠多，便可以根據(jù)所掌握的詳細(xì)地形地貌，得出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。

Okumura模型適用的范圍：頻率為150~1500MHz，基站天線高度為30~200m，移動(dòng)臺(tái)天線高度為1~10m，傳播距離為1~20km。

（1）市區(qū)傳輸衰減中值①圖4-31是在基站天線有效高度hb=200m,移動(dòng)臺(tái)天線高度hm=3m，并以自由空間傳播衰減為基準(zhǔn)（0dB）,測(cè)量出的基本衰減中值A(chǔ)m(f,d)。

實(shí)際路徑衰耗LT可表示為：

基本衰耗中值A(chǔ)m(f,d)與工作頻率、通信距離有關(guān)，隨著工作頻率的升高或通信距離的增大，傳播衰減也隨之增加。

②當(dāng)基站天線高度不等于200m，基站天線高度增益因子Hb(hb,d)，實(shí)際路徑衰耗LT可表示為：

-Hb(hb,d)

③當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線高度不等于3m，移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子Hm(hm,f)，實(shí)際路徑衰耗LT可表示為：

-Hm(hm,f)

（2）郊區(qū)和開闊區(qū)的傳輸衰減中值①郊區(qū)修正因子Kmr

一般郊區(qū)建筑物分散、矮小，因此電波傳輸環(huán)境優(yōu)于市區(qū)，故其衰減中值會(huì)低于市區(qū)衰減中值。

實(shí)際路徑衰耗LT可表示為：

②開闊區(qū)修正因子Q0

實(shí)際路徑衰耗LT可表示為：

③準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子Qs

準(zhǔn)開闊區(qū)（開闊區(qū)與郊區(qū)之間的過渡地區(qū)）實(shí)際路徑衰耗LT可表示為：

（3）不規(guī)則地形表面的電波傳播①丘陵地修正因子●丘陵地的地形參數(shù)：用地形起伏高度來定義丘陵地的地形參數(shù)，用符號(hào)表示。

其數(shù)值等于自接收點(diǎn)向發(fā)射點(diǎn)延伸10km范圍內(nèi)，地形起伏達(dá)數(shù)次情況下，地形起伏的90%與10%處的高度差。

●丘陵地的場(chǎng)強(qiáng)中值修正因子分為兩項(xiàng)：

i.丘陵地平均修正因子Kh

它表示丘陵地場(chǎng)強(qiáng)中值與基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值之差。

ii.丘陵地微小修正因子Khf

由于丘陵地的頂和谷起伏的較大，場(chǎng)強(qiáng)中值必然有較大差異。

②孤立山丘地形的修正因子●定義當(dāng)電波傳播路徑上遇到尖利的單獨(dú)山丘時(shí)，電波會(huì)發(fā)生繞射，產(chǎn)生繞射損耗，同時(shí)還因存在陰影效應(yīng)和屏蔽吸收等而給系統(tǒng)引入附加損耗。

●孤立山丘地形的修正因子Kja

圖4-38所示，d1是發(fā)射天線至山頂?shù)乃骄嚯x，d2代表山頂距移動(dòng)臺(tái)的水平距離。

Kja是針對(duì)山丘高度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)際山丘高度不等于200m，還需在查得的Kja值基礎(chǔ)上乘以一個(gè)系數(shù)，其中為山丘實(shí)際高度,單位為m。

③斜坡地形的修正因子●定義當(dāng)5~10km范圍內(nèi)傾斜的地形稱為傾斜地形。在電波傳播方向上地形逐漸升高，稱為正斜坡，傾角為+，反之為負(fù)斜坡，傾角為-。的單位是毫弧度（mrad）

④水陸混合地形的修正因子●定義當(dāng)電波傳播路徑上遇到湖泊或其他水域，接收信號(hào)的路徑衰耗中值會(huì)低于純粹的陸地傳播時(shí)的情況。

●水陸混合地形的地形參數(shù)：水面距離dSR代表與全程距離d的比值作為地形參數(shù)dSR/d。

●水陸混合地形的修正因子KS

圖4-40所示:曲線A表示水面處于移動(dòng)臺(tái)附近時(shí)的水陸混合地形的修正因子，曲線B表示水面位于基站一側(cè)時(shí)的修正值。

（4）其他因素的影響由于移動(dòng)臺(tái)所通過的環(huán)境非常復(fù)雜，除了Okumura模型中所述的幾種地形地物外，還有其他一些情況也將影響移動(dòng)通信的質(zhì)量，例如街道走向的影響、建筑物的穿透性能、植被覆蓋情況以及隧道的影響等。因此當(dāng)計(jì)算傳播損耗和場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，還應(yīng)加上上述影響所引進(jìn)的衰減損耗。

3、Okumura-Hata方法

(1)模型的提出在進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為能夠采用計(jì)算機(jī)，運(yùn)用Okumura模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，Hata對(duì)Okumura模型中的基本中值場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行了公式化處理。

(2)具體基本傳輸損耗計(jì)算公式

（dB）

上式中d為收發(fā)天線之間的距離（單位km），f為工作頻率（單位MHz）

hb和hm分別代表基站天線和移動(dòng)臺(tái)天線高度（單位m）

4.4衛(wèi)星通信電波傳播的特點(diǎn)

4.4.1影響衛(wèi)星通信中電波傳播的因素由于衛(wèi)星通信的電波傳播路徑需要通過對(duì)流層中的云層和雨層以及再上面的同溫層、中間層、電離層和外層空間，故電波傳播都會(huì)受到它們的影響。

4.4.2地球站天線仰角與通信距離的關(guān)系地球站天線的仰角應(yīng)始終跟蹤衛(wèi)星上的天線，以便使地球站的收信機(jī)得到較高的收信電平，如圖4-41所示。

圖中R為地球半徑（6370km），h為衛(wèi)星的鉛垂高度，θ為地球站天線的最低仰角，β為衛(wèi)星覆蓋范圍的中心角，α為高度角，d為地球站與衛(wèi)星的通信距離。

各參數(shù)間的幾何關(guān)系為：

（4-52）

d值與天線仰角有關(guān)，其關(guān)系曲線示于圖4-42。

4.4.3自由空間傳輸損耗及環(huán)境影響(1)衛(wèi)星通信的自由空間傳輸損耗計(jì)算公式與微波通信相同，只是損耗值要大得多。

Ls＝92.4＋20lgd（km）+20lgf（GHz）（dB）

(2)大氣衰減損耗

(3)云層和降雨影響

(4)閃爍衰落的影響

由于衛(wèi)星通信的電波路徑比微波通信要長(zhǎng)得多，所以其閃爍情況及影響也與微波通信不同。

閃爍的概念：地球站與衛(wèi)星間的無線電波通過電離層和對(duì)流層時(shí)，由于該層媒質(zhì)小范圍折射率不規(guī)則的起伏變化，使地面接收到的信號(hào)振幅與相位發(fā)生快速的起伏現(xiàn)象，這種起伏變化稱為閃爍。它產(chǎn)生于電離層和對(duì)流層，閃爍將造成電波衰落。

4.4.4衛(wèi)星通信常用的分集接收方式為了衛(wèi)星通信的可靠性，克服上述各種因素造成的損耗和衰落，僅靠預(yù)留功率損耗余量是不夠的，還應(yīng)采用分集技術(shù)才能得到好的效果。

衛(wèi)星通信常用地球站的站址分集接收方式，即相隔一定的距離（例如幾公里）設(shè)兩個(gè)地球站，同時(shí)接收衛(wèi)星發(fā)來的信號(hào)所進(jìn)行的分集。

這是因?yàn)閷?duì)電波損耗最大的大雨及暴雨，其雨區(qū)范圍往往只有幾公里區(qū)域，兩個(gè)地點(diǎn)同時(shí)降大雨或暴雨的可能性較小，從而達(dá)到了分集接收的目的。

4.4.5衛(wèi)星通信中的多譜勒效應(yīng)當(dāng)以一定速率運(yùn)動(dòng)的物體，例如飛機(jī)發(fā)出了一個(gè)載波頻率f1，地面上的固定接收點(diǎn)收到的載波頻率就不會(huì)是f1，并產(chǎn)生了一個(gè)頻移fd。

物體運(yùn)動(dòng)的速率v不同，產(chǎn)生頻移大小的程度也不同，通常把這種現(xiàn)象稱為多譜勒效應(yīng)。

其頻移大小表示為：式中：

λ為接收信號(hào)載頻的波長(zhǎng)；

θ為電波到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)的入射角。

4.5抗衰落技術(shù)微波傳播中的衰落現(xiàn)象給中繼傳輸帶來了不利的影響，所以，人們?cè)谘芯侩姴▊鞑ソy(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了各種對(duì)付電波衰落的技術(shù)措施，即所謂的抗衰落技術(shù)。

4.5.1概述對(duì)抗衰落的技術(shù)措施可以從兩個(gè)方面去考慮：一個(gè)方面是對(duì)正在準(zhǔn)備建設(shè)的微波電路的考慮，另一個(gè)方面是對(duì)己建成微波電路的衰落嚴(yán)重接力段的考慮。

對(duì)付平坦衰落，往往靠收信機(jī)中頻放大器的AGC電路和采用備用波道倒換的辦法。而對(duì)付頻率選擇性衰落就要用分集技術(shù)和自適應(yīng)均衡技術(shù)了。

1．準(zhǔn)備建