第6章-微波通信傳輸信道的特征課件

胡慶教授第6章

微波通信傳輸信道的特征1胡慶教授第6章微波通信傳輸信道的特征1內(nèi)容提要微波中繼傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用微波傳播路徑微波傳輸線路噪聲及參數(shù)計(jì)算2內(nèi)容提要26.1微波中繼傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線微波中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用36.1微波中繼傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用微波中繼傳輸系統(tǒng)概述36.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波是電磁波頻譜中無線電波的一個(gè)分支，它是頻率很高且波長(zhǎng)很短的一個(gè)無線電波段，通常指頻率范圍在300MHz~300GHz或波長(zhǎng)在0.01m~1m之間的無線電波。在微波波段中，還可以劃分為分米波、厘米波和毫米波，其中厘米波是目前開發(fā)最成熟和應(yīng)用最廣的波段。數(shù)字微波中繼傳輸系統(tǒng)組成數(shù)字微波中繼傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖6-1所示。圖6-1數(shù)字微波中繼傳輸系統(tǒng)組成框圖46.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波是電磁波頻譜中無線電波6.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波傳輸線路微波傳輸特性接近于幾何光學(xué)，它的波長(zhǎng)比地球上一般的宏觀物體如建筑物、車、船的尺寸要小得多。當(dāng)微波波束照射到這些物體上，將會(huì)產(chǎn)生顯著的反射，并且部分深入到物體內(nèi)部（穿透性）。但其繞射能力弱，因此，兩微波站之間只能沿直線傳播即視距傳播，若在傳播中遇到不均勻的介質(zhì)時(shí)，還將產(chǎn)生折射、反射和穿透射?！拔⒉ń恿Α笔悄壳皬V泛使用于視距微波的通信方式。由于地球是圓的，使得地球上兩點(diǎn)（兩個(gè)微波站）間不被阻擋的距離有限，為了可靠通信，一條長(zhǎng)的微波中繼線路就要在線路中間設(shè)若干個(gè)中繼站，采用接力的方式傳輸信息，如圖6-2所示。56.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波傳輸線路56.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述

圖6-2微波通信傳輸信道的結(jié)構(gòu)66.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述圖6-2微波通信傳6.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波傳輸系統(tǒng)的頻率配置在微波頻段的使用方面，必須遵照CCIR的建議和各國(guó)無線電管理委員會(huì)的規(guī)定。各國(guó)的微波設(shè)備往往首先使用4GHz頻段，目前各國(guó)的微波通信設(shè)備已使用到

2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等頻段。我國(guó)數(shù)字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各頻段的設(shè)備。我國(guó)幾種數(shù)字微波頻率配置方案如表6-1所示?！岸嗖ǖ李l率配置”是指一條微波傳輸線路有許多微波站，每個(gè)站上又有多波的微波收發(fā)信設(shè)備。當(dāng)一個(gè)站上有多個(gè)波道工作時(shí)，為了提高頻帶利用率，對(duì)一個(gè)波道而言，宜采用二頻制。即兩個(gè)方向的發(fā)信使用一個(gè)射頻頻率，兩個(gè)方向的收信使用另外一個(gè)射頻頻率。圖6-3和圖6-4所示給出了二頻制頻率配置方案。76.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波傳輸系統(tǒng)的頻率配置76.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述

工作

頻段（GHz）頻段范圍（MHz）基帶速率Mb/s占用帶寬（MHz）中心頻率f0（MHz）f波道（MHz）f收發(fā)（MHz）工作

波道數(shù)（對(duì)）同一波道收發(fā)間隔（MHz）21700～19008.48820018081449611921900～230034.36840021012968621343400～38002×34.36840035922968621343800～4200139.2644004003.52968621366430～7110139.26468067704060834077125～74258.44830072757282016187725～827534.368500800029.65103.778311.321110700～117002×34.368139.264100011200409012530表6-1我國(guó)幾種數(shù)字微波頻率配置方案86.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述工作

頻段（GHz）6.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述

圖6-3二頻制頻率配置方案圖6-4多波道二頻制頻率配置方案96.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述圖6-3二頻制頻6.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）通信容量大微波頻段的頻帶很寬，多路復(fù)用可以容納更多話路工作。與短波、超短波通信設(shè)備相比，在相同的相對(duì)通頻帶(即絕對(duì)通頻帶與載頻的比值)條件下，載頻越高，絕對(duì)通頻帶越寬。設(shè)相對(duì)通頻帶為10％，當(dāng)載頻為2MHz時(shí)，絕對(duì)通頻帶為200kHz；當(dāng)載頻為2GHz時(shí)，絕對(duì)通頻帶為200MHz。所以一個(gè)短波通信一般只能容納幾個(gè)話路，而一個(gè)微波設(shè)備則可以同時(shí)有成千上萬個(gè)話路。（2）傳輸質(zhì)量高微波波段受工業(yè)、天電和宇宙等外部干擾影響很小，所以其信道參數(shù)變化也很小，而且微波波段內(nèi)波束以直線定向傳播，可以采用高增益定向天線，質(zhì)量較高，通信穩(wěn)定，并且具備較好的保密性。106.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述微波傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)106.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述（3）接力通信由于地球是圓的，使得地球上兩點(diǎn)（兩個(gè)微波站）間不被阻擋的距離有限，為了可靠通信，一條長(zhǎng)的微波中繼線路就要在線路中間設(shè)若干個(gè)中繼站，采用接力的方式傳輸信息，如圖6-2所示。（4）方便靈活，成本較低微波通信與其他波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無線通信以及電纜通信相比，能較方便地克服地形帶來的不便，有放大的靈活性，并且成本較低，可以節(jié)省有色金屬，施工也較快。由于微波頻率高，故其波長(zhǎng)短。微波通信一般使用面式天線，當(dāng)面式天線的口徑面積給定時(shí)，其增益與波長(zhǎng)的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天線。116.1.1微波中繼傳輸系統(tǒng)概述（3）接力通信116.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線在微波雷達(dá)、微波通信設(shè)備中最通用的定向天線是拋物面天線和卡塞格林（雙曲面形）天線，它們由輻射器（饋源）和金屬反射面組成。另外還有喇叭天線、微帶天線和智能天線。這里重點(diǎn)介紹拋物面天線和卡塞格林天線定性工作原理。拋物面天線結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)關(guān)系原理圖，如圖6-6所示。由圖可知從焦點(diǎn)F發(fā)射的電波經(jīng)拋物反射后，反射波都平行OF軸的方向沿z向傳播，即饋源在焦點(diǎn)F所發(fā)出的波在拋物面反射后成為一束平行波，且反射波到達(dá)基準(zhǔn)面AA′的路徑相等（即等相面）。由于拋物面天線的這種聚焦作用，可實(shí)現(xiàn)把能量集中在一個(gè)方向發(fā)射出去。126.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線在微波雷達(dá)、微波通信設(shè)備6.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線

圖6-5天饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)136.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線圖6-5天饋線系6.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線

圖6-6拋物面天線及原理圖146.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線圖6-6拋物面天6.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線卡塞格林天線結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)關(guān)系原理圖，如圖6-7所示?？ㄈ窳蛛p反射面天線由主反射面、副反射面和輻射器（源）三個(gè)部分構(gòu)成。主反射面是一個(gè)拋物面，其焦點(diǎn)F；副反射面是一個(gè)雙曲面，位于主反射面的焦點(diǎn)與頂點(diǎn)之間，雙曲面有兩個(gè)焦點(diǎn)：一個(gè)虛焦點(diǎn)C與F重合，輻射器放置在另一個(gè)實(shí)焦點(diǎn)C′上，輻射器通常采用喇叭形狀。這種天線經(jīng)過副反射面和主反射面的連續(xù)反射，把輻射器輻射的球面波形變成天線口面向外輻射的平面波束。156.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線卡塞格林天線結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)關(guān)6.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線

圖6-7卡塞格林天線及原理圖圖6-8雙曲線幾何關(guān)系166.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線圖6-7卡塞格林6.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線為了進(jìn)一步說明卡塞格林天線的工作原理，先分析雙曲面母線（雙曲線）的幾何特性。由圖6-8可知，其雙曲線有兩個(gè)卡塞格林天線要用的特征：①雙曲線上任意一點(diǎn)P至兩焦點(diǎn)（C′、C）距離之差等于常數(shù)，即。②雙曲線上任一點(diǎn)P的法線PN與CP延長(zhǎng)線的夾角等于PN與PC′的夾角，即=。176.1.2微波傳輸系統(tǒng)中的天饋線為了進(jìn)一步說明卡塞格林天6.1.3微波中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用由于微波具有似光性、穿透性、寬頻帶性、熱效應(yīng)性、散射性和抗低頻干擾等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用主要分為兩大類：一類是以微波作為信息載體，主要應(yīng)用在雷達(dá)、導(dǎo)航、通信、遙感等領(lǐng)域；另一類是利用微波能，主要用在微波加熱、微波生物醫(yī)學(xué)及電量非電量的檢測(cè)等領(lǐng)域。微波中繼傳輸系統(tǒng)在電信網(wǎng)中的應(yīng)用微波中繼傳輸作為通信網(wǎng)的一種傳輸方式，可以同其他傳輸方式一起構(gòu)成整個(gè)通信傳輸網(wǎng)，如圖6-9所示為微波、光纖、衛(wèi)星一體的傳輸組網(wǎng)方式，一般來說，微波中繼傳輸系統(tǒng)位于通信骨干網(wǎng)的位置。186.1.3微波中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用由于微波具有似光性、穿透6.1.3微波中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用

圖6-9微波中繼傳輸系統(tǒng)在全網(wǎng)中的位置196.1.3微波中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用圖6-9微波中繼6.1.3微波中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用微波中繼傳輸系統(tǒng)在移動(dòng)通信網(wǎng)中的應(yīng)用在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，微波傳輸可應(yīng)用在兩個(gè)地方：一是基站收發(fā)信臺(tái)和基站控制器之間，二是基站控制器和移動(dòng)交換機(jī)之間，如圖6-10所示。圖6-10微波中繼傳輸在移動(dòng)通信網(wǎng)中的應(yīng)用206.1.3微波中繼傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用微波中繼傳輸系統(tǒng)在移動(dòng)通6.2微波傳播路徑地面對(duì)微波傳播的影響大氣對(duì)微波傳播的影響微波線路設(shè)計(jì)216.2微波傳播路徑地面對(duì)微波傳播的影響216.2.1地面對(duì)微波傳播的影響地面對(duì)微波傳播的影響，主要有反射、繞射和地面散射。地面可以把天線發(fā)出的一部分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（直射波）信號(hào)產(chǎn)生干涉，并與主波信號(hào)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。散射是不規(guī)則地形將微波反射到各個(gè)方向，相當(dāng)于亂反射。顯然，散射會(huì)損耗微波能量。地面上的障礙物，如山頭、森林和高大建筑物等可阻擋無線電波射線，使無線電波繞過障礙物向非接收方向傳播，進(jìn)而使接收的無線電波信號(hào)能量大大減小。226.2.1地面對(duì)微波傳播的影響地面對(duì)微波傳播的影響，主要6.2.1地面對(duì)微波傳播的影響惠更斯原理及菲涅爾區(qū)惠更斯－菲涅耳原理關(guān)于光波或電磁波波動(dòng)性學(xué)說的基本思想為：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。（1）惠更斯原理一點(diǎn)源的振動(dòng)可傳遞給鄰近質(zhì)點(diǎn)，使其成為二次波源。當(dāng)點(diǎn)源發(fā)出球面波時(shí)，2次波源產(chǎn)生的波前也是球面，3次，4次……波源也是如此。236.2.1地面對(duì)微波傳播的影響惠更斯原理及菲涅爾區(qū)236.2.1地面對(duì)微波傳播的影響在無線通信中，當(dāng)發(fā)射天線的尺寸遠(yuǎn)小于站間距離的時(shí)候，可以把發(fā)信天線近似看成一個(gè)點(diǎn)源，如圖6-11所示。圖中T為發(fā)射天線，它發(fā)出球面波，把波前分解為許多面積元，點(diǎn)源T在接收處R產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)便是許多面積元在R處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)之矢量和。盡管T與R之間有障礙物，但不能擋住所有面積元，在R處仍可收到一定的場(chǎng)強(qiáng)。由解析幾何可知，平面上一動(dòng)點(diǎn)至兩定點(diǎn)T，R的距離之和為常數(shù)時(shí)，此動(dòng)點(diǎn)軌跡為橢圓。在空間，此動(dòng)點(diǎn)軌跡為旋轉(zhuǎn)橢球面，如圖6-12所示。246.2.1地面對(duì)微波傳播的影響在無線通信中，當(dāng)發(fā)射天線的6.2.1地面對(duì)微波傳播的影響

圖6-11惠更斯原理圖圖6-12菲涅耳橢球256.2.1地面對(duì)微波傳播的影響圖6-11惠更斯6.2.1地面對(duì)微波傳播的影響（2）菲涅耳區(qū)菲涅耳區(qū)半徑定義為橢球面上某點(diǎn)P至TR的垂直距離，用F表示?，F(xiàn)用圖6-14求得第1菲涅耳區(qū)半徑F1。圖6-14中，P為第1菲涅耳橢球面上任一點(diǎn)，d1，d2分別為P點(diǎn)至發(fā)射天線T及接收天線R的水平距離，收、發(fā)站距d=d1+d2。根據(jù)菲涅耳橢球面及菲涅耳區(qū)的定義可得式中，d1，d2，和d的單位為km，而F1大致與天線高度同數(shù)量級(jí)，故d1>>F1，d2>>F1。運(yùn)用二項(xiàng)式展開，有266.2.1地面對(duì)微波傳播的影響（2）菲涅耳區(qū)266.2.1地面對(duì)微波傳播的影響因

，故從第3項(xiàng)開始可以略去，有同理，于是，即類似地，可求出第n菲涅耳區(qū)的半徑。根據(jù)第n菲涅耳區(qū)定義有276.2.1地面對(duì)微波傳播的影響因6.2.1地面對(duì)微波傳播的影響對(duì)照式（6.2）及式（6.3）可以看出，原來的F1現(xiàn)在換成Fn，原來的現(xiàn)在是

，于是第n菲涅耳區(qū)半徑是顯然，P點(diǎn)位置不同時(shí)，F(xiàn)n亦不相同。當(dāng)P在線路中點(diǎn)時(shí)（時(shí)），F(xiàn)n最大，用表示。由式（6.4）可得6.46.5286.2.1地面對(duì)微波傳播的影響對(duì)照式（6.2）及式（6.6.2.1地面對(duì)微波傳播的影響（3）收信點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與菲涅耳區(qū)的關(guān)系由圖6-13所示的菲涅耳區(qū)定義和式（6.3）可知經(jīng)過各菲涅耳區(qū)的動(dòng)點(diǎn)P1，P2，P3…的電波射線TP1R，TP2R，TP3R…依次相位差λ/2(相差1800)。這樣各相鄰菲涅耳區(qū)在R處產(chǎn)生的電波場(chǎng)強(qiáng)相位差為1800，也就是說，第2菲涅耳區(qū)在R點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)與第1菲涅耳區(qū)反相，第1菲涅耳區(qū)在R點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)與第3菲涅耳區(qū)相同。再看各菲涅耳區(qū)在R處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)是多少呢？由式（6.4）可知，即第1菲涅耳區(qū)面積πF21，第2菲涅耳區(qū)面積為296.2.1地面對(duì)微波傳播的影響（3）收信點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與菲涅耳區(qū)6.2.1地面對(duì)微波傳播的影響第3菲涅耳區(qū)面積為:可見各菲涅耳區(qū)的面積相等，發(fā)射的電磁波通過各菲涅爾區(qū)向外傳播的能量及場(chǎng)強(qiáng)亦應(yīng)相等，那么各菲涅耳區(qū)在R處產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)該是多少呢？雖然各菲涅耳區(qū)面積相等，但它離R處的距離不等，第1菲涅耳區(qū)離R處最近，在R處產(chǎn)生的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E1最大，第2菲涅耳區(qū)在R處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E2較小，第3菲涅耳區(qū)在R處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)E3更小，……由各個(gè)菲涅耳區(qū)在R處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)構(gòu)成的數(shù)列可近似為等差級(jí)數(shù)。306.2.1地面對(duì)微波傳播的影響第3菲涅耳區(qū)面積為:306.2.1地面對(duì)微波傳播的影響設(shè)公差為E，即E1－E2＝E，E2－E3＝E，…，考慮E1、E2和E2、E3的相位相反，則R處的總電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為316.2.1地面對(duì)微波傳播的影響設(shè)公差為E，即E1－E26.2.1地面對(duì)微波傳播的影響路徑中刃形障礙物及余隙用菲涅耳區(qū)的概念可解釋微波傳播路徑中障礙物的阻擋損耗。微波傳播中有時(shí)會(huì)遇到如圖6-15所示的刃形障礙物。此時(shí)由于障礙物不能遮擋全部菲涅耳區(qū)，在收信處R可接收到微波。圖6-15傳播路徑中的障礙物326.2.1地面對(duì)微波傳播的影響路徑中刃形障礙物及余隙圖66.2.1地面對(duì)微波傳播的影響在圖6-15中，障礙物頂部至TR的垂直距離hc稱為余隙。障礙物在TR線之下時(shí)，hc為正余隙；障礙物的頂部在TR線以上時(shí)，hc為負(fù)余隙。負(fù)余隙時(shí)無線電波可能受阻，引起阻擋損耗。例6-1已知在自由空間傳輸條件下接收機(jī)的收信功率P=-35dBm，在傳輸路徑中有如圖6-15所示的刃形障礙物，且hc=0，求此時(shí)收信功率電平。解：hc=0時(shí)，查圖6-16得：L=6dB此時(shí)收信功率：P=-35-6=-41dBm336.2.1地面對(duì)微波傳播的影響在圖6-15中，障礙物頂部6.2.1地面對(duì)微波傳播的影響地面反射對(duì)收信電平的影響在實(shí)際中，總是將收發(fā)天線相互對(duì)準(zhǔn)，以便收方接收到較強(qiáng)的直射波。但由惠更斯原理可知，總會(huì)有一部分電波折射到地面。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，還會(huì)收到由地面反射的波，如圖5-4所示。在接收點(diǎn)可能會(huì)是直射波和反射波在收信點(diǎn)產(chǎn)生迭加的合成場(chǎng)強(qiáng)。

接收點(diǎn)的信號(hào)是二者的矢量和，這種反射波對(duì)正常接收是很不利的。由式（5.12）可得，衰落因子：346.2.1地面對(duì)微波傳播的影響地面反射對(duì)收信電平的影響36.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響在地球周圍的大氣層分為平均高度達(dá)10～12km的對(duì)流層，從10～12km到60km的同溫層和60km以上的電離層。電離層的高度最高可達(dá)2000～3000km的高空。在空間通信業(yè)務(wù)中，無線電波穿過大氣層時(shí)，除路徑損耗外，還會(huì)產(chǎn)生其他影響。對(duì)流層與同溫層、電離層不同，它除了含有各種氣體外，還含有大量的水蒸氣以及水氣的凝結(jié)物?？傊跓o線通信中，由于跨越距離大，因此影響電波傳播的因素也很多。356.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響在地球周圍的大氣層分為平均6.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響大氣對(duì)微波的折射地球周圍的大氣層并不是—種均勻媒質(zhì)，大氣的壓力、溫度與濕度都隨高度而變化。地球物理學(xué)中指出，由于這種物理現(xiàn)象，導(dǎo)致大氣層的介電常數(shù)是高度的函數(shù)，在標(biāo)淮大氣層情況下，大氣層的相對(duì)介電常數(shù)隨高度的增加將逐漸減少而更趨近于l，因此大氣的絕對(duì)折射率與1相差極小，一般它們之間的差值為。在真空中電波傳播速度為：366.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響大氣對(duì)微波的折射366.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響而在大氣中，介電常數(shù)ε=ε0εr，導(dǎo)磁率=0，其電波傳播速度為：根據(jù)無線電波的性質(zhì)，當(dāng)電波由一種媒質(zhì)向另一種媒質(zhì)傳播時(shí)，在兩種媒質(zhì)的交界面處會(huì)發(fā)生折射。假設(shè)將地球的大氣層分成許多薄片層，每一薄片層認(rèn)為是均勻的，各薄片層的折射率n隨高度之增加而減小。圖6-17大氣層對(duì)電波的折射376.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響而在大氣中，介電常數(shù)ε=ε利用折射定律，可以推出上述弧線的曲率半徑為等效地球及等效地球系數(shù)由于大氣折射的作用，使實(shí)際的電波傳播不是按直線進(jìn)行，而是連續(xù)折射彎曲的曲線，如圖6-18所示。為了便于分析，在工程上，引入“等效地球半徑Re”概念。引入Re后，便可把電波仍視為直射線，而真正地球半徑R（6370km）變成了Re，如圖6-19所示。等效的條件：電波軌跡與地面間的相對(duì)高度相等，或者等效前及等效后電波路徑與球形地面之間的曲率之差保持不變，即

6.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響38利用折射定律，可以推出上述弧線的曲率半徑為6.2.2上式中等效前、后的電波直射線的曲率半徑分別為ρ和ρe=則變換后可得：定義K為等效地球半徑系數(shù)：6.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響39上式中等效前、后的電波直射線的曲率半徑分別為ρ和ρe=6.

圖6-18不同產(chǎn)生的連續(xù)折射軌跡圖6-19等效地球半徑6.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響40圖6-18不同產(chǎn)生的連續(xù)折射軌跡圖6大氣折射對(duì)電波傳播路徑的影響，可以根據(jù)電波受大氣折射的軌跡，對(duì)大氣折射分為三類，如圖6-20所示。6.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響圖6-20大氣折射分類和射線軌跡41大氣折射對(duì)電波傳播路徑的影響，可以根據(jù)電波受大氣折射的軌跡，大氣對(duì)無線電波的衰減大氣中的氣體和云霧等對(duì)電波傳播是有影響的。這主要是由于大氣成分中的氧、水蒸氣以及由后者凝聚而成的云、霧、雨、雪對(duì)電波能量的吸收作用所造成的。任何物質(zhì)都是由帶電的粒子組成的，這些粒子有其固有的電磁諧振頻率，當(dāng)通過此物質(zhì)的電磁波頻率接近其諧振頻率時(shí)，這些物質(zhì)就會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收作用。大氣中的氧分子具有固有的磁偶極矩，水蒸氣分子具有固有的電偶極矩，它們都能從電磁波中吸收能量，進(jìn)而產(chǎn)生吸收衰減。6.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響42大氣對(duì)無線電波的衰減6.2.2大氣對(duì)微波傳播的影響426.2.3微波線路設(shè)計(jì)余隙與天線接收功率光滑地面及水面可使發(fā)射天線發(fā)射的微波的一部分反射，一部分直射，于是接收點(diǎn)的信號(hào)是二者的矢量和，根據(jù)式（5.12）可得，衰落因子：且實(shí)際微波接收機(jī)的接收功率可由下式求出：式中，PR0是未考慮地面影響時(shí)自由空間收信功率電平436.2.3微波線路設(shè)計(jì)余隙與天線接收功率43例6-2已知微波發(fā)信功率1W，工作頻率3800MHz，微波兩站相距45km，發(fā)射天線的增益為40dB，接收天線的的增益為20dB，收發(fā)兩端饋線系統(tǒng)損耗[LR]=[Lt]=1dB，傳輸路徑上障礙物的尖峰好在hc=0處，求：實(shí)際微波接收機(jī)能接收的功率[PR]。解：由式（5.6）得自由空間損耗為6.2.3微波線路設(shè)計(jì)44例6-2已知微波發(fā)信功率1W，工作頻率3800MHz，微自由空間下接收功率：查圖6-16可得：

=6dB微波接收實(shí)際的接收功率：6.2.3微波線路設(shè)計(jì)45自由空間下接收功率：6.2.3微波線路設(shè)計(jì)456.2.4地面凸起高度與天線高度對(duì)流層為自地面向上約10km范圍的低空大氣層。由于天線架設(shè)高度不會(huì)超過此范圍，且微波中繼通信為空間射線形式，故大氣的影響主要是對(duì)流層的影響，其他各層對(duì)微波傳播影響不大。對(duì)流層集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4

，當(dāng)?shù)孛媸芴?yáng)照射時(shí)，地表溫度上升，地面放出的熱量使溫度較低的大氣膨脹，從而造成大氣密度不均勻，產(chǎn)生了大氣的對(duì)流波動(dòng)，故稱為對(duì)流層。466.2.4地面凸起高度與天線高度對(duì)流層為自地面向上約10由于大氣折射，電波射線軌跡發(fā)生彎曲，從而使余隙發(fā)生變化。為了求折射產(chǎn)生的余隙變化，先看地面凸起高度。由于地球近似為圓形，相鄰二個(gè)微波站A、B間，地形剖面圖是弧AB，如圖6-21（a）所示。6.2.4地面凸起高度與天線高度圖6-21凸起高度及余隙47由于大氣折射，電波射線軌跡發(fā)生彎曲，從而使余隙發(fā)生變化。為了弧上各點(diǎn)至AB的垂直距離稱為該點(diǎn)的地面凸起高度，記為h?，F(xiàn)用圖6-22（b）求C點(diǎn)的凸起高度h。通過E點(diǎn)作地球直徑DF，。因h<<2R，故在ΔADE與ΔBEF中，

，

，

，故ΔADE與ΔBEF相似，于是：

DE：EB＝AE：EF而AE＝d1，EB＝d2，又EF>>DE，EF≈2R，故得：

h：d2＝d1：2R考慮電波折射，地面有效凸起高度為he，R換為Re（且Re=KR），故得：6.2.4地面凸起高度與天線高度48弧上各點(diǎn)至AB的垂直距離稱為該點(diǎn)的地面凸起高度，記為h?，F(xiàn)用微波線路噪聲微波傳輸線路參數(shù)計(jì)算6.3微波傳輸線路噪聲及參數(shù)計(jì)算49微波線路噪聲6.3微波傳輸線路噪聲及參數(shù)計(jì)算496.3.1微波線路噪聲數(shù)字微波通信線路信道的噪聲可分為4類，分別為熱噪聲（包括本振噪聲）、各種干擾噪聲、波形失真噪聲和其他噪聲。熱噪聲收信機(jī)的固有熱噪聲是天線饋線系統(tǒng)送給收信機(jī)輸入端的固有熱噪聲功率N，為N＝NFKT0B

式中，K為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23(W/Hz·K)，T0收信機(jī)的環(huán)境溫度（用絕對(duì)溫度表示），B為收信機(jī)的等效帶寬（單位為Hz)，NF為接收機(jī)噪聲系數(shù)。除天線引入的噪聲外，收信機(jī)本身還會(huì)產(chǎn)生另一部分熱噪聲，天線引入的噪聲與電波衰減有關(guān)，即收信功率電平越低，這種熱噪聲越嚴(yán)重。506.3.1微波線路噪聲數(shù)字微波通信線路信道的噪聲可分為4各種干擾噪聲從干擾噪聲的性質(zhì)來看，基本上可分為兩大類：一類是設(shè)備及饋線系統(tǒng)造成的，例如回波干擾、交叉極化干擾等就屬于這一類；另一類屬于其他干擾，可認(rèn)為是外來干擾。如收發(fā)干擾，鄰道干擾，天線系統(tǒng)的同頻干擾?；夭ǜ蓴_是指在饋線及分路系統(tǒng)中，有很多導(dǎo)波元件，當(dāng)導(dǎo)波元件之間的連接處的連接不理想時(shí)，電波反射會(huì)形成回波。因回波與主波信號(hào)的振幅以及時(shí)延都不相同，并且回波是疊加在主波信號(hào)之上的，因而成為主波信號(hào)的干擾信號(hào)，故稱為回波干擾。

6.3.1微波線路噪聲51各種干擾噪聲6.3.1微波線路噪聲51交叉極化干擾是指為了提高高頻信道的頻譜利用率，在數(shù)字微波通信中用同一個(gè)射頻的兩種正交極化波（即利用水平極化波和垂直極化波的相互正交性來攜帶不同波道的信息，這就是同頻）再用方案。盡管采用該方案可以提高系統(tǒng)的通信容量，但也給系統(tǒng)引進(jìn)了新的問題，這就是交叉極化干擾。

收發(fā)干擾是指在同一個(gè)微波站中，對(duì)某個(gè)通信方向的收信和發(fā)信通常是共用一副天線的。這樣發(fā)支路的電波就可以通過饋線系統(tǒng)的收發(fā)公用器件（也可能通過天線端的反射）而進(jìn)入收信機(jī)，從而形成收發(fā)支路間的干擾。6.3.1微波線路噪聲52交叉極化干擾是指為了提高高頻信道的頻譜利用率，在數(shù)字微波通信鄰近波道干擾是指當(dāng)多波道工作時(shí)，發(fā)端或收端各波道的射頻頻率之間應(yīng)有一定的間隔，否則就會(huì)造成對(duì)鄰近波道的干擾。天線系統(tǒng)的同頻干擾是指天線間的耦合會(huì)使二頻制系統(tǒng)通過多種途徑產(chǎn)生同頻干擾。微波傳輸線路的載噪比信道的傳輸質(zhì)量不僅取決于信號(hào)功率的大小，而且與信道中所存在的噪聲功率的大小有關(guān)。在數(shù)字微波以及衛(wèi)星通信中是用載噪比來描述它們之間關(guān)系的，因此只介紹載噪比的概念。6.3.1微波線路噪聲53鄰近波道干擾是指當(dāng)多波道工作時(shí)，發(fā)端或收端各波道的射頻頻率之載噪比是指載波功率與噪聲功率之比。通常用符號(hào)C/N表示。載噪比越低，誤碼率越高，信道的傳輸質(zhì)量也就越差。因此必須對(duì)信道的載噪比加以限制。若假設(shè)各種噪聲是彼此獨(dú)立的，則總噪聲功率是各種噪聲功率之和，即

N總＝N1＋N2+N3這樣總噪聲“載噪比”與各項(xiàng)噪聲“載噪比”的關(guān)系式為：6.3.1微波線路噪聲54載噪比是指載波功率與噪聲功率之比。通常用符號(hào)C/N表示。載6.3.2微波傳輸線路參數(shù)計(jì)算一定誤碼率指標(biāo)下的實(shí)際門限載噪比理論載噪比表示的是一定誤碼率指標(biāo)下信號(hào)與高斯白噪聲的比值，這些噪聲包括熱噪聲和各種干擾噪聲，但沒有考慮設(shè)備性能不完善的影響，使理論載噪比惡化，考慮到這種實(shí)際情況，實(shí)際門限（固有）載噪比應(yīng)等于理論（設(shè)計(jì)）載噪比與惡化儲(chǔ)備（衰落儲(chǔ)備）之差，那么實(shí)際門限載噪比為：556.3.2微波傳輸線路參數(shù)計(jì)算一定誤碼率指標(biāo)下的實(shí)際門限例6-4已知某數(shù)字微波通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：理論載噪比＝25.1dB，固定惡化=2dB，在室溫下（290K），接收機(jī)的噪聲系數(shù)＝1.62，接收機(jī)的等效帶寬=25.833MHz，試計(jì)算出該系統(tǒng)的門限載波信號(hào)功率電平值。解：噪聲功率6.3.2微波傳輸線路參數(shù)計(jì)算56例6-4已知某數(shù)字微波通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：6.3.2衰落儲(chǔ)備當(dāng)發(fā)射機(jī)所發(fā)射的功率信號(hào)經(jīng)過自由空間后，如果收、發(fā)端的天線增益相同，為GA，那么根據(jù)平衰落儲(chǔ)備的定義，平衰落儲(chǔ)備Mf為式中，PT為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率（mW）；Lf為單端饋線損耗（dB）；Lc為包括環(huán)行器和連接電纜在內(nèi)的單端附加損耗（dB）；NF為噪聲系數(shù)；f為發(fā)信頻率（MHz）；d為收發(fā)天線距離（km）；B代表信道的頻帶寬度（Hz）。6.3.2微波傳輸線路參數(shù)計(jì)