《微波通信原理》PPT课件

微 波 通 信 原 理工程规划设计部 第 一 章 微 波 通 信 的 基 本 介 绍第 二 章 微 波 通 信 的 基 本 原 理第 三 章 微 波 调 制 方 式第 四 章 微 波 频 率 规 划第 五 章 微 波 中 继 站微波通信原理 MUX SatelliteFibre-optics cableRadio linkCoaxial cable MUX 现 代 通 信 的 主 要 手 段微波通信的基本介绍 统 计 资 料 显 示 ， 国 外 发 达 国 家 的 微 波 中 继 通 信 在 长 途 通 信 网 中所 占 的 比 例 高 达 以 上 。 美 国 为 ， 日 本 为 ，法 国 为 4 。 随 着 GSM， CDMA以 及 3G网 络 的 兴 建 ， 微 波 设 备 在移 动 通 信 网 络 建 设 中 的 重 要 作 用 是 不 容 忽 视 的 。微波通信的基本介绍 微 波 的 定 义微 波 Microwave:微 波 是 一 种 电 磁 波 ， 微 波 射 频 为 300MHz 300GHz， 是 全 部 电 磁 波 频 谱 的 一 个有 限 频 段 。微 波 一 般 称 为 厘 米 波 。根 据 微 波 传 播 的 特 点 ， 可 视 其 为 平 面 波 。平 面 波 沿 传 播 方 向 是 没 有 电 场 和 磁 场 纵 向 分 量 的 ， 所 以 称 为 横 电 磁 波 ， 记 为TEM波 。 有 时 我 们 把 这 种 电 磁 波 简 称 为 电 波 。微波通信的基本介绍 LF MF HF VHF UHF SHF EHFMicrowave 10Km 1Km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mmf 30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz红 外线 可 见光工 业 和 天 电 干 扰 ， 太 阳 黑 子 对 微 波 通 信 影 响 较 小微 波 信 号 的 频 率 范 围微波通信的基本介绍 Broadcastingn Maximum coveragen One programme per radio channeln Applications: Radio (LW, MW, SW, FM); TV etc . Microwave linksn Radio beamn One multiplex per radio channeln Applications: Civiliars and military telecommunication networks广 播 点 点 视 距 微 波 微波通信的基本介绍 通 常 把 频 率 300MHz 300GHz的 射 频 无 线 信 号 称 为 微 波 信 号利 用 微 波 作 为 载 体 的 通 信 称 为 微 波 通 信基 带 传 输 信 号 为 数 字 信 号 的 微 波 通 信 是 数 字 微 波 通 信一 般 基 带 信 号 处 理 在 中 频 完 成 ， 再 通 过 频 率 变 换 到 微 波 频 段也 可 以 在 微 波 频 段 直 接 调 制 ， 但 调 制 限 于 PSK微 波 通 信 的 理 论 基 础 是 电 磁 场 理 论微 波 通 信微波通信的基本介绍 第 一 章 微 波 通 信 的 基 本 介 绍第 二 章 微 波 通 信 的 基 本 原 理第 三 章 微 波 调 制 方 式第 四 章 微 波 频 率 规 划第 五 章 微 波 中 继 站微波通信原理 几 个 基 本 概 念 自 由 空 间 的 电 波 传 播 各 种 衰 落 及 抗 衰 落 技 术 微 波 通 信 对 设 计 的 要 求 干 扰 信 号微波通信的基本原理 电 波 的 干 涉 及 极 化 矩 形 波 导 的 场 结 构 惠 更 斯 费 涅 耳 原 理 费 涅 耳 椭 球 面 费 涅 耳 区 定 义 费 涅 耳 半 径几个基本概念 抵消 增强 P d1 d2 干涉强弱决定于 d1-d2=m /2 A B当m为偶数时增强；当m为奇倍时减弱。 入射面地面 入射面 地面 EE ZZEYEX Z X Y X Y EYEX Z 圆极化波、 椭圆极化波 水平线极化波 垂直线极化波 电 波 的 干 涉 和 极 化几个基本概念 矩 形 波 导 中 H10模 的 场 结 构a H10模 是 波 导 中 传 输 的 电 磁波 主 模 ， 截 至 波 长 最 长 为 2a。向 左 图 那 样 放 置 波 导 ， 它 的电 力 线 与 地 面 垂 直 。所 以 这 样 的 极 化 方 式 称 垂 直极 化 V VerticalH=Horizontalb 几个基本概念 A B a1 a a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10 a11 a12 2 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 b11 b12 波源 s s E E H H H S0 惠更斯原理 二次波源 示意图 示意图 惠 更 斯 费 涅 耳 原 理几个基本概念 光 和 电 磁 波 都 是 一 种 振 动 ， 一 个 点 源 的 振 动 传 递 给 邻 近 的 质 点 后 ，就 形 成 了 二 次 波 源 、 三 次 波 源 等 等 。如 果 点 源 发 出 的 波 是 球 面 波 ， 那 么 由 点 源 形 成 的 二 次 波 前 面 也 是球 面 波 、 三 次 、 四 次 .波 前 面 也 是 球 面 波 。在 微 波 通 信 中 ， 当 发 信 天 线 的 尺 寸 远 小 于 微 波 中 继 距 离 时 ， 可 将发 射 天 线 看 成 是 一 个 点 源 。几个基本概念 互 易 定 理 的 概 念 :指 出 ， 在 线 性 和 各 向 同 性 的 媒 质 中 ， 任 何 无 线 电 路 上 ， 当 发 射 天线 互 换 时 ， 不 会 影 响 电 路 的 传 输 特 性 ， 或 者 发 射 机 移 到 接 收 点 ，而 接 收 机 同 时 移 到 发 射 点 时 ， 则 接 收 性 能 ， 不 变 。根 据 这 个 原 理 ， 对 流 层 是 电 波 的 主 要 传 输 媒 质 空 间 ， 它 就 是 具 有线 性 和 各 向 同 性 的 媒 质 ， 因 此 在 其 中 就 可 以 减 化 工 程 计 算 。惠 更 斯 费 涅 耳 原 理几个基本概念 费 涅 耳 椭 球 面假 定 有 一 个 微 波 中 继 段 发 信 点 为 T， 收 信 点 为 R， 站 间 距 为 d，平 面 上 一 个 动 点 P到 两 个 定 点 （ T、 R） 的 距 离 若 为 一 个 常 数 ，则 此 点 的 轨 迹 为 一 个 椭 圆 。 在 空 间 此 动 点 的 轨 迹 是 一 个 旋 转椭 球 面 。对 于 电 波 传 播 ， 这 个 常 数 当 为 d+ /2时 ， 得 到 的 椭 球 面 称 为第 一 费 涅 耳 椭 球 面 ； 常 数 为 d+2 /2时 ， 得 到 的 椭 球 面 称 为第 二 费 涅 耳 椭 球 面 . 常 数 为 d+N /2时 ， 得 到 的 椭 球 面称 为 第 N费 涅 耳 椭 球 面 .几个基本概念 d1 d2dd1 + d2 - d = /2几个基本概念费 涅 耳 椭 球 面 T R 无限大平面 s1s2s3 sn s1 s2 s3 sn 无限大平面任意 费涅尔区的划分示意图 d1 d2o F1 F2F3 FN 费 涅 耳 区 定 义 (The Fresnel Zone Definition)几个基本概念 The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sightLine of sight1st zone费 涅 耳 区 The Fresnel Zone: 如 果 前 述 定 义 的 一 系 列 费 涅 耳 椭 球 面 ， 与 我 们 从 T或 R点 出 发 认 定 的 某 一 波 前 面 相 交割 ， 在 交 割 的 界 面 上 我 们 就 可 以 得 到 一 系 列 的 圆 和 环 ， 中 心 是 一 个 圆 ， 称 为 第 一 费涅 耳 区 。 其 外 的 圆 环 （ 外 圆 减 内 圆 得 到 的 圆 环 ） 称 为 第 二 个 费 涅 耳 区 ， 再 往 外 的 圆 环 称 为 第三 费 涅 耳 区 、 第 四 费 涅 耳 区 . 第 N费 涅 耳 区 。 这 些 圆 和 环 我 们 可 以 把 它 们 近 似 地 看 成 ， 都 为 在 垂 直 于 地 面 且 垂 直 与 T与 R间 射 线 的平 面 区 域 图 形 。The First Fresnel Zone 几个基本概念费 涅 耳 区 定 义 (The Fresnel Zone Definition) The First Fresnel Zone Total received signalDirect signal1st zone Reflected signal 180 180 /2 几个基本概念费 涅 耳 区 定 义 (The Fresnel Zone Definition) 1st zone+2nd zone-The Second Fresnel ZoneThe signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sightLine of sight 几个基本概念费 涅 耳 区 定 义 (The Fresnel Zone Definition) Total received signalDirect signal2nd zone1st zone Reflected signal 180180 The Second Fresnel Zone几个基本概念费 涅 耳 区 定 义 (The Fresnel Zone Definition) Line of sight1st zone+2nd zone-3rd zone+The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sightThe Third Fresnel Zone几个基本概念费 涅 耳 区 定 义 (The Fresnel Zone Definition) 经 有 关 研 究 知 道 ： 在 电 波 的 传 播 空 间 中 ， 在 接 收 点 的 合 成场 强 ， 当 费 涅 耳 区 号 趋 近 于 无 限 多 时 ， 就 接 近 于 自 由 空 间场 强 ； 由 第 一 非 涅 耳 区 在 接 收 点 的 场 强 ,接 近 于 全 部 有 贡 献 的 非 涅区 在 接 收 点 的 自 由 空 间 场 强 的 2倍 ; 相 邻 费 涅 耳 区 在 收 信 点 处 产 生 的 场 强 的 相 位 相 反 ； 若 以 第 一 费 涅 耳 区 为 参 考 ,则 奇 数 区 产 生 的 场 强 是 使 接 收 点的 场 强 增 强 ,偶 数 区 产 生 的 场 强 是 使 接 收 点 的 场 强 减 弱 。非 涅 耳 区 的 能 量 分 布 :几个基本概念费 涅 耳 区 定 义 (The Fresnel Zone Definition) 费 涅 耳 半 径 The Fresnel Radius:我 们 把 费 涅 区 上 的 任 意 一 点 到 R-T连 线 的 距 离 称 为 费 涅 耳 区 半 径 ，用 F 表 示 。当 这 一 点 为 第 一 费 涅 耳 区 上 的 点 时 ， 此 半 径 称 为 第 一 费 涅 耳 区 半径 。第 二 .第 N 个 费 涅 耳 区 半 径 表 达 式 ： Fn= (n)1/2 x F1 上 式 中 ： F1为 第 一 费 涅 耳 半 径 。几个基本概念 费 涅 耳 半 径 (The Fresnel Radius) T RF1 Pd1 d2 第一费涅耳区半径 图1 d F1=（ d1d2/d） 1/2F2=（ 2d1d2/d） 1/2 = (2)1/2 F1 .Fn=（ nd1d2/d） 1/2 = (n)1/2 F1几个基本概念 d1 d2d d1 x d2f x drF = =17.3 x rF in meter d, d1, d2 in km f in GHzrFThe First Fresnel RadiusC xd1 x d2f x d几个基本概念费 涅 耳 半 径 (The Fresnel Radius) 几 个 基 本 概 念 自 由 空 间 的 电 波 传 播 各 种 衰 落 及 抗 衰 落 技 术 微 波 通 信 对 设 计 的 要 求 干 扰 信 号微波通信的基本原理 自 由 空 间 的 定 义 自 由 空 间 损 耗 的 定 义 自 由 空 间 损 耗 的 计 算自由空间的电波传播 自 由 空 间 的 定 义自 由 空 间 Free Space:又 称 为 理 想 介 质 空 间 ， 它 相 当 于 真 空 状 态 的 理 想 空 间 。在 这 个 空 间 中 充 满 均 匀 的 、 理 想 的 介 质 ， 它 的 导 电 率 =0， 介 电 常 数 =0=10-9/36 F/m(法 拉 /米 )， 导 磁 系 数 =0=4 10-7 H/m （ 亨 /米 ） 。自由空间的电波传播 自 由 空 间 损 耗 的 定 义自 由 空 间 损 耗 Free space loss:在 自 由 空 间 传 播 的 电 磁 波 不 产 生 反 射 、 折 射 、 吸 收 和 散 射 等 现 象 ，即 总 能 量 未 被 损 耗 。但 电 波 在 自 由 空 间 传 播 时 ， 会 因 能 量 向 空 间 扩 散 而 衰 耗 ， 这 如 空 中一 只 孤 独 的 灯 泡 所 发 出 的 光 ， 均 匀 地 向 四 周 扩 散 。显 然 距 离 光 源 越 远 的 地 方 ， 单 位 面 积 上 的 能 量 就 越 少 。 这 种 电 波 的扩 散 衰 耗 就 称 为 自 由 空 间 损 耗 。自由空间的电波传播 Free Space Loss A = 92.4 + 20 log + 20 log Where = distance in km = frequency in GHz (refer to isotropic antennas)0 df或 增 加 一 倍 ， 损 耗 将 增 加 6 dB 自 由 空 间 传 输 损 耗 (Free Space Basic Transmission Loss )自由空间的电波传播 自 由 空 间 传 输 损 耗 (Free Space Basic Transmission Loss ) P = 发 射 功 率 (TX Power)P TXPowerLevel DistanceGTX GRX PRX G = 天 线 增 益 (Antenna Gain)A0 A0 = 自 由 空 间 损 耗 (Free Space Loss)M接 收 门 限 (Receiver Threshold) M = 衰 落 储 备 (Fading Margin)GP G 自由空间的电波传播 几 个 基 本 概 念 自 由 空 间 的 电 波 传 播 各 种 衰 落 及 抗 衰 落 技 术 微 波 通 信 对 设 计 的 要 求 干 扰 信 号微波通信的基本原理 衰 落 大 气 吸 收 衰 减 雨 雾 衰 减 对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 地 面 反 射 对 微 波 传 播 的 影 响 数 字 微 波 的 抗 衰 落 技 术各种衰落及抗衰落技术 衰 落 的 定 义 : 微 波 传 播 必 须 采 用 直 射 波 ， 接 收 点 的 场 强 是 直 射 空 间 波 与 地 面 反 射 波的 迭 加 。 传 播 介 质 是 地 面 上 的 低 空 大 气 层 和 路 由 上 的 地 面 、 地 物 。 当 时 间 （ 季 节 、 昼 夜 等 ） 和 气 象 （ 雨 、 雾 、 雪 待 ） 条 件 发 生 变 化 时 ，大 气 的 温 度 、 温 率 、 压 力 和 地 面 反 射 点 的 位 置 、 反 射 系 数 等 也 将 发 生变 化 。 这 必 然 引 起 接 收 点 场 强 的 高 低 起 伏 变 化 。 这 种 现 象 ， 叫 做 电 波 传 播 的 衰 落 现 象 。 显 然 ， 衰 落 现 象 具 有 很 大 的 随 机 性 。 衰 落 的 大 小 仍 由 衰 落 因 子 VdB来 表 征 ， 衰 落 的 原 因 主 要 归 结 为 大 气 和地 面 效 应 。各种衰落及抗衰落技术 快 衰 落 Rapid fading和 慢 衰 落 Slow fading(按 持 续 时 间 划 分 ):慢 衰 落 ： 持 续 时 间 长 的 叫 慢 衰 落 ， 其 持 续 时 间 一 般 长 达 数 分 种 到 几 小 时 。快 衰 落 ： 持 续 时 间 短 的 叫 快 衰 落 ， 一 般 发 生 在 几 秒 到 几 分 钟 之 间 。上 衰 落 Up fading和 下 衰 落 Down fading(按 接 收 点 场 强 的 高 低 划 分 ):上 衰 落 ： 高 于 自 由 空 间 电 平 值 的 叫 上 衰 落下 衰 落 ： 低 于 自 由 空 间 的 电 平 值 的 叫 下 衰 落多 径 衰 落 Multipath fading和 闪 烁 衰 落 (按 衰 落 发 生 的 物 理 成 因 划 分 ):闪 烁 衰 落 ： 主 要 是 因 为 大 气 局 部 微 小 扰 动 引 起 电 波 射 束 散 射 所 造 成 ， 各 散 射波 的 振 幅 小 ， 相 位 着 大 气 变 化 而 随 机 变 化 。 结 果 它 们 在 接 收 点 的 合 成 振 幅 变化 很 小 ， 对 主 波 影 响 不 大 ， 因 此 ， 这 种 衰 落 对 视 距 微 波 接 力 电 路 的 稳 定 性 影响 不 大 。多 径 衰 落 ： 主 要 是 由 于 多 径 传 播 造 成 的 ， 它 是 视 距 传 播 信 道 深 衰 落 的 主 要 原 因 。 所 谓 多 径 传 播 ， 就 是 电 波 离 开 发 射 天 线 后 ， 通 过 两 条 以 上 的 不 同 路 径 到达 接 收 天 线 的 传 播 现 象 。 各种衰落及抗衰落技术 衰落衰 落 现 象 规 律 :波 长 短 ， 距 离 长 ， 衰 落 严 重跨 水 面 ， 平 原 ， 衰 落 严 重夏 秋 季 衰 落 频 繁昼 夜 交 替 时 ， 午 夜 容 易 出 现 深 衰 落雨 过 天 晴 及 雾 散 容 易 出 现 快 衰 落各种衰落及抗衰落技术 由 于 气 体 分 子 的 谐 振 引 起 对 电 波 的 吸 收 。 这 种 作 用 对 15GHZ（ 即 2CM） 以 上 的 微 波 才 有 明 显 作 用 ， 低 于 此 频 率 的可 不 考 虑 。 在 微 波 规 划 时 ， 可 用 下 图 的 曲 线 来 计 算 。 Radio Frequency GHz10 50 100 1000500 10001001010,10,01 H 2O O2 O2 H2O H2O15 CH2O 7,5 g/m31013 hPa 25 g/m3Attenuation Coefficient dB / km 各种衰落及抗衰落技术大 气 吸 收 衰 减 Attenuation due to Gases: 由 于 雨 、 雾 、 雪 能 对 电 波 能 量 的 吸 收 ， 微 小 水 滴 产 生 导 电 电 流 和 定向 辐 射 能 量 的 散 射 。 这 种 作 用 对 5CM（ 即 6GHZ） 以 下 的 微 波 才 有 明显 作 用 ， 长 于 此 波 长 的 可 不 考 虑 。一 般 情 况 10GHz 以 下 频 段 ， 雨 雾 衰 落 还 不 太 严 重 ， 通 常 在 两 站 间 的这 种 衰 落 仅 有 几 个 dB。但 10GHZ以 上 频 段 ， 中 继 段 间 的 距 离 将 受 到 降 雨 衰 耗 的 限 制 ， 不 能过 长 。在 微 波 规 划 时 ， 可 用 下 图 的 曲 线 来 计 算 。各种衰落及抗衰落技术雨 雾 衰 减 Attenuation due to Rain and Fog Attenuation due to Rain(雨 雾 衰 减 ） Radio frequency (GHz) TropicalDownpourHeavyRainMediumHeavyRainLightRain Drizzle0.412410203050 100150 雨雾瞬时强度 (Instantaneous Rain Intensity) (mm/h)0.010.1110 50 雨雾吸收系数 (Rain Absorption Coefficient) (dB/km) 5 10 20 50 1002.4 dB/km 7 GHz 38 GHz5.9 dB/km 37 dB/km 各种衰落及抗衰落技术 Rain drops real shape:H VAttenuation due to Rain各种衰落及抗衰落技术 RAIN ATTENUATION vs. FADE MARGIN -10.00.010.0 20.030.040.0 50.060.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0Hop Distance (km) R ain Att/ Fade M argin (dB) Zone H UnAvail 0.001%HpolZone H UnAvail 0.001%VpolFADE MARGIN (dB) Ant=30cmFADE MARGIN (dB)Ant=60cmFADE MARGIN (dB)Ant=80cm FADE MARGIN (dB)Ant=120cmFADE MARGIN (dB)Ant=180cm 13GHz STM-1 128QAM 1+0传 输 距 离 与 降 雨 ， 天 线 口 径 和 极 化 方 式 的 关 系 各种衰落及抗衰落技术雨 雾 衰 减 Attenuation due to Rain and Fog 在 10GHZ频 段 以 下 ， 雨 雾 损 耗 并 不 显 得 特 别 严 重 ， 对 一 个 中 继 段 可 能会 引 入 几 个 分 贝 。在 10GHZ以 上 频 段 ， 中 继 间 隔 主 要 受 降 雨 损 耗 的 限 制 ， 如 对 13GHZ以 上频 段 ， 100mm/小 时 的 降 雨 会 引 起 5dB/km的 损 耗 ， 所 以 在 13GHZ， 15GHZ频 段 ， 一 般 最 大 中 继 距 离 在 10km左 右在 20GHZ以 上 频 段 ， 由 于 降 雨 损 耗 影 响 ， 中 继 间 距 只 能 有 几 公 里越 高 频 段 雨 衰越 厉 害 ！ ！高 频 段 可 以做 用 户 级 传输各种衰落及抗衰落技术雨 雾 衰 减 Attenuation due to Rain and Fog 全 球 降 雨 划 分 为 H, K, N, P 四 个 区 域 。平均降雨量在32 mm, 42 mm, 95mm 和 145 mm 每 小 时 。中断概率 0.001% ， 考 虑 降 雨 微 波 设 备 的 理 论单 跳 传 输 距 离各种衰落及抗衰落技术雨 雾 衰 减 Attenuation due to Rain and Fog 微 波 信 号 的 K型 衰 落 : 对 流 层 结 构 的 不 均 匀 产 生 的 折 射 和 反 射 。 我 们 知 道 介 电 常数 决 定 电 磁 波 的 传 播 速 度 。 而 空 气 的 介 电 常 数 取 决 于 大 气压 力 ， 温 度 ， 湿 度 。 介 电 常 数 的 空 间 梯 度 变 化 导 致 电 波 传输 射 线 弯 曲 。 使 得 到 达 接 收 天 线 的 信 号 能 量 降 低 。 这 就 是所 谓 的 K型 衰 落 。 气 象 条 件 变 化 通 常 比 较 是 缓 慢 的 ， 因 此 受 其 影 响 产 生 的 衰落 是 慢 衰 落 。各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 因 为 大 气 折 射 的 影 响 ， 波 在 传 播 过 程 中 ， 实 际 上 是 弯 曲 的 。 大 气 折射 的 最 后 效 果 可 看 成 电 磁 波 在 一 个 等 效 半 径 为 的 地 球 上 空 沿 直线 传 播 。即 ： =KR R为 实 际 地 球 半 径 。K值 的 实 际 测 量 平 均 值 为 4/3左 右 。 但 实 际 地 段 的 K值 和 该 地 段 的 气 象有 关 ， 可 以 在 较 大 范 围 内 变 化 ， 影 响 视 距 传 播 。Re Re Re R哇 ！ 微 波 是弯 着 走 的 大 气 折 射 （ refraction in the atmosphere ） :各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 大 气 折 射 （ refraction in the atmosphere ） 依 据 波 在 大 气 中 折 射 原 理 ,无 线 波 束 是 弯 曲 的 ,通 常 是 向下 弯 曲 (Due to refraction in the atmosphere the radio beam is bent, normally slightly downwards) 弯 曲 影 响 是 通 过 K型 因 子 来 表 示 (The bending effect is described by the k-factor)K=4/3是 标 准 大 气 (k = 4/3 corresponds to the “standard” atmosphere)各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 微 波 传 播 (Microwave Propagation)k 1正 折 射k = 1无 折 射k 1负 折 射各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 下 图 中 的 ： U-表 示 电 波 传 播 的 速 度 ， n 表 示 折 射 系 数 ， n=c(光 波 )/U(电 波 ） 电波实际方向 电波发射方向 电波实际方向 电波发射方向 波前 波前 波前 波前 小 大 小 大（n 图10 受大气折射影响的电波轨迹变化 （ n大） （ n小） 小） （n大） 传 播 路 径 受 大 气 的 影 响 :各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 传 播 路 径 受 大 气 分 层 的 影 响 :各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 传 播 路 径 受 大 气 分 层 的 影 响各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 下 图 中 k(等 效 地 球 半 径 系 数 )=ae(地 球 等 效 半 径 )/a(实 际 地 球 半 径 )=1/(1+a dn/dh) 负 折 射 d N /d h 0 k 10折 射 d N /d h = 0 k= 1 正 折 射 d N /d h 0 k= 4 /3 临 界 折 射 k= 超折射 图 折 射 的 分 类 示 意 图 地 球 面 传 播 路 径 受 大 气 的 影 响 :对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响各种衰落及抗衰落技术 k = 4/3 12/3 True earth radius (r)Ground clearance2/3 4/31k = 等 效 地 球 半 径 Equivalent earth radius (rk)Ground clearance在 温 带 地 区 称 K=4/3时 折 射 为 标 准 折 射 ， 此 时 的 大 气 称 为 标 准 大 气 压 , a e=4a/3称 为 标 准 等 效 地 球 半 径各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 Distance 50 km Geometrical line of sight Radio optical line of sight微 波 传 播 (Microwave Propagation)各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 Distance 50 km k = 2/3k = 4/3 各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 还 是气 候原 因K型 衰 落 及 原 因由 于 折 射 系 数 （ K） 的 变 化 ， 使 直 射 波 和 地 面 反 射 波 相 干 涉 而 产 生 的 衰 落 ， 或直 射 波 因 折 射 下 凹 而 被 地 面 的 高 地 或 高 山 阻 挡 而 发 生 的 绕 射 性 衰 落 。 这 种 衰 落的 周 期 较 长 ， 约 几 分 钟各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 这 是 一 种 由 多 经 传 输 引 起 的 干 涉 型 衰 落 ， 它 是 由 于 直 射 波 与 地 面 反 射 波（ 或 在 一 定 条 件 下 的 绕 射 波 ） 到 达 接 收 点 由 于 相 位 不 同 相 互 干 涉 造 成 的衰 落 。其 干 涉 的 程 度 与 行 程 差 有 关 ， 而 在 对 流 层 中 行 程 差 是 随 K值 的 变 化 的 所以 称 为 K型 衰 落 。这 种 衰 落 在 线 路 经 过 水 面 、 湖 泊 、 或 平 滑 地 面 时 更 为 严 重 ， 所 以 在 选 择路 由 时 要 尽 量 避 免 ， 不 可 能 回 避 时 一 定 要 采 用 高 低 天 线 技 术 使 反 射 点 靠近 一 端 减 少 反 射 波 的 影 响 ， 或 采 用 高 低 天 线 加 空 间 分 集 技 术 或 抗 反 射 波天 线 等 来 克 服 多 经 反 射 的 影 响 。K型 衰 落各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 由 于 各 种 气 象 条 件 的 影 响 ， 如 早 上 地 面 被 太 阳 晒 热 、 晚 上 地 面 的 冷 却 ，以 及 高 气 压 地 区 都 会 在 大 气 层 中 形 成 不 均 因 匀 体 ， 当 电 波 通 过 这 些 不均 匀 体 时 ， 将 产 生 超 折 射 相 现 ， 形 成 大 气 波 导 。 如 在 无 风 的 气 候 ， 在平 原 和 水 网 地 区 ， 容 易 形 成 接 近 地 面 的 波 导 层 ， 使 波 束 发 生 汇 聚 或 发散 而 导 致 衰 减 性 衰 落 。 这 种 衰 落 的 时 间 较 长 ， 有 时 可 达 几 十 分 钟这 种 情 况 发 生 时 只 有 靠 工 程 经 验 解 决 。 具 体 问 题 具 体 分 析 具 体 措 施 解决 。 所 以 设 计 时 就 要 考 虑 当 地 地形 与 气 候波 导 型 衰 落 及 原 因 :各种衰落及抗衰落技术对 流 层 对 微 波 传 播 的 影 响 RefractedDirectReflected地面反射对微波传播的影响微 波 的 多 径 传 播各种衰落及抗衰落技术 Diffracted微 波 的 多 径 传 播各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 不 同 地 形 对 电 波 的 影 响 ,一 般 分 为 ：反 射 Reflect地 面 把 天 线 发 出 的 一 部 分 信 号 能 量 反 射 到 接 收 天 线 ， 与 直 射 波 产 生 干涉 ， 在 接 收 点 它 们 的 矢 量 相 加 ， 结 果 收 信 电 平 与 自 由 空 间 接 收 电 平 比较 时 大 时 小 。对 于 水 面 或 光 滑 地 面 ， 反 射 的 影 响 作 用 更 为 明 显 。绕 射 Diffract刃 形 障 碍 物 。散 射 Dispersion由 于 地 面 散 射 对 电 波 的 主 射 波 影 响 不 大 ， 可 以 不 考 虑 。各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 绕 射 Diffracted微 波 传 播 模 式 Microwave Propagation路 径 上 刃 形 障 碍 物 的 阻 挡 损 耗各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 刃 形 障 碍 物 不 可 能 阻 挡 所 有 的 费 涅 耳 区 ， 所以 在 收 信 点 仅 有 一 部 分 费 涅 耳 区 的 能 量 绕 过 ，使 接 收 点 多 少 有 一 定 电 平 数 。 而 这 个 数 值 一 定低 于 自 由 空 间 电 平 。 这 个 由 于 刃 形 障 碍 物 的 阻挡 而 增 加 的 损 耗 我 们 称 之 为 附 加 损 耗 。当 障 碍 物 的 尖 锋 正 好 落 在 收 发 两 端 的 连 线 上 ，即 H C=0时 ， 附 加 损 耗 为 6dB ;当 障 碍 物 的 顶 锋 超 过 收 发 两 端 的 连 线 时 ， 附加 损 耗 将 很 快 增 加 ;当 障 碍 物 的 顶 锋 在 收 发 两 端 的 连 线 以 下 时 ，附 加 损 耗 将 在 0dB上 下 少 量 变 动 。 这 时 路 径 上传 输 损 耗 （ 或 说 收 信 电 平 ） 将 与 自 由 空 间 数 值 接 近 。 -24-26-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2042-2868 -2.5-2.0-1.5 -1.0-0.5 0 1 1.0 1.5 2.0 2.5附加损耗dB 图 3 刃形障碍物的阻挡损耗 HC/F1 各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 Reflections - from atmospheric layers- from ground- from buildings反 射 损 耗 （ reflection Loss）各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 微 波 传 播 模 式 Microwave Propagation直 接 传 播 Direct反 射 Reflected 各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 平 坦 地 形 是 指 不 考 虑 地 球 曲 率 ， 认 为 两 站 间 的 地 形 为 平坦 情 况 。在 实 际 的 微 波 通 信 工 程 线 路 中 ， 总 是 将 收 （ R） 发 （ T）天 线 对 准 ， 以 便 接 收 端 收 到 较 强 的 直 射 波 。但 是 根 据 惠 更 斯 原 理 总 会 有 部 分 电 波 射 到 地 面 ， 所 以 在接 收 点 除 直 射 波 外 还 有 经 地 面 反 射 并 满 足 反 射 条 件 （ 入射 角 等 于 反 射 角 ） 的 反 射 波 。各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 平 坦 地 形 对 电 波 的 反 射 : d1 d2d h1 h1 h c h2 直射波 反射波 r1 r2 h2 h1 图 4 平坦地形对电波的反射 T R当 段 距 d 远 大 于 天 线 高 度 （ h1和 h2） 时 ， 可 以 近似 的 把 直 射 波 和 地 面 反 射 波 的 行 程 差 表 示 为 : r= x（ Hc/F1） 2/2 当 图 中 的 很 小 时 （ 即 接 近 180度 ） 可 以 得 下 关系 （ 下 式 表 明 衰 落 因 子 V与 相 对 余 隙 hc/F1的 定 量关 系 ）V=1+2+2 x COS（ x（ hc/F1） 21/2 V： 考 虑 地 面 影 响 时 的 衰 落 因 子在 考 虑 地 面 的 影 响 后 ， 实 际 的 收 信 点 电 平 为 ： P R （ dBm） =PR0 （ dBm） +V dB 各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 Flat fading(电 平 衰 落 ) The loss is uniform across the frequency spectrumSelective fading(频 率 选 择 性 衰 落 ) The loss varies across the frequency spectrum多 径 衰 落各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 Frequency (MHz)Received power level (dBm) Normal Flat Selective 多 径 衰 落各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 1 hRecording of typical multipath fading Rx level during fading free timeThreshold level(-30dB level)Bit error interruption of communication (rapid fading)“ Up Fading” 多 径 衰 落各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 地 面大 气 不 均 匀水 面光 滑 地 面是 主 要 原 因 反 射 系 数 ： 水 面 0.9 1； 稻 田 0.6 0.8； 田 野 0.3 0.5； 城 市 、 山 地 、 森 林 0.1 0.2。 工 作 频 率 不 同 时 ， 反 射 系 数 的 数 值 略 有 差 异 。 天 线 挂 高 决 定 反 射 点 位 置由 于 折 射 波 ， 反 射 波 ， 散 射 波 等 多 途 径 传 播 引 起 的 衰 落 。 多 径 衰 落 周期 较 短 一 般 为 几 秒 。 多 径 衰 落 又 叫 频 率 选 择 性 衰 落 。 合 成 波 的 电 平 比正 常 传 输 低 称 为 下 衰 落 ， 比 正 常 传 输 高 称 为 上 衰 落多 径 衰 落 及 原 因 : 各种衰落及抗衰落技术地面反射对微波传播的影响 数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术1.频 域 均 衡 器2.时 域 均 衡 器3.空 间 分 集 接 收空 间 分 集 的 距 离 ：H大 于 100 150入 H 空 间 分 集各种衰落及抗衰落技术 信 号 频 谱 多 径 衰 落 斜 率 均 衡 均 衡 后 频 谱频 域 均 衡 只 能 均 衡 信 号 的 幅 频 特 性 ， 不 能 均 衡 相 位 频 谱 特 性 ， 但 是 电 路 简 单频 域 均 衡各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 . .C n C0 Cn Ts2Ts Ts 2Ts Ts Ts均 衡 前 均 衡 后 时 域 均 衡 直 接 抵 消 码 间 干 扰T T T时 域 均 衡各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 传 统 :为 克 服 延 时 线 问 题 ,常 采 用 判 决 反 馈 均 衡 器 ,特 点 是体 积 大 ,级 数 不 可 能 做 得 太 多现 在 :采 用 高 速 A/D器 ,及 FPGA电 路 ,电 路 体 积 小 ,可 以 做很 多 级 .如 HARRIS的 MEGASTAR采 用 11级 的 全 数 字横 向 均 衡 器时 域 均 衡各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 Distortion sensitibity-outage signature 0 10 20 30 40 50 60 -18 -17 -15 -10 -5 0 5 10 15 16 18 Notch offset-frequency(M Hz) No th d ep th (d B) m inim um BER=10-6 Delay=6,3ns 对 抗 频 率 选 择 性 衰 落 : 只 对 于 大 容 量 宽 带 系 统 产 生 严 重 影 响 ， 区 别 于 平 衰 落 。 影 响 幅 频 特 性 ， 造 成码 间 串 扰 。 设 备 性 能 决 定 了 对 抗 这 种 衰 落 的 能 力 。 各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 多 径 传 播 地 面 反 射各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 方 法 一 ： 利 用 某 些 地 形 、 地 物 阻 挡 反 射 波各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 方 法 二 ： 高 低 天 线 法各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 天 线 间 距100 到200 当 其 中 一 面 天 线 发 生 多 径 干 扰 时 ,另 一 面 天 线 不 会 发 生 多 径 干 扰 .要求 天 线 间 的 相 关 系 数 小 ,而 塔 又 不 可 能 造 得 很 高 ,所 以 一 般 情 况 下 ,相关 系 数 取 0.5到 0.6之 间各种衰落及抗衰落技术方 法 三 ： 空 间 分 集数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 不 同 天 线 接 收 到 的 反 射 信 号各种衰落及抗衰落技术方 法 三 ： 空 间 分 集 信 号 合 成 dBhmh1h2 F1 h1h2 F1 F1 d 100 CombinerCombined IF outputReceiversPathequalizationTwo operating modes:1 - minimum distortion for an high level received2 - maximum power for a weak level received ( - 65 dBm) NN (F1)(FI)R1R2 Climatic reflection to 150 各种衰落及抗衰落技术方 法 三 ： 空 间 分 集 信 号 合 成各种衰落及抗衰落技术方 法 三 ： 空 间 分 集 h1 Dh = d4h1 = Wave lengthd = Path lengthTx Rx/2 Dh空 间 分 集 的 间 距 计 算各种衰落及抗衰落技术 空 间 分 集 和 角 度 分 集各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 TX RXf1f1Alarm f1f1热 备 份 和 空 间 分 集 （ Hot Stand-by and Space Diversity） 各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 TX RXf1f2 Alarm 工 作 备 份 和 频 率 分 集 （ Working Stand-by and Frequency Diversity） 各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 热 备 份 或 工 作 备 份 （ Hot Standby or Working Standby）各种衰落及抗衰落技术数 字 微 波 系 统 的 抗 衰 落 技 术 几 个 基 本 概 念 自 由 空 间 的 电 波 传 播 各 种 衰 落 及 抗 衰 落 技 术 微 波 通 信 对 设 计 的 要 求 干 扰 信 号微波通信的基本原理 点 对 点 视 距 传 播 通 信 的 要 求 微 波 设 计 目 标 传 输 余 隙 微 波 线 路 的 分 类 K值 在 微 波 规 划 中 的 意 义微波通信对设计的要求 直 线 传 播 D直 射 波 天 线 等 于 ： 正 常 接 收 电 平 -门 限 电 平 。 一 般 说 ， 平 衰 落 储 备 应 当 在 35 FFM 55（ dB)之 间 点 对 点 视 距 传 播 通 信 的 要 求由 于 波 长 短 绕 射 能 力 差 ,必 须 在 无 阻 挡 的 视 线 内 传 播 才 能 完 成 正 常 通 信微波通信对设计的要求 3dB 微波天线方向性图微波天线 微波天线半功率角 很 小 的 发 射 功 率 一 只 有 利 用 具 有 很 强 的 方 向 性 天 线 实 现 通 信 ，要 想 实 现 较 长 距 离 通 信 ， 只 有 适 当 加 大 天 线 或 加 大 功 率 。点 对 点 视 距 传 播 通 信 的 要 求微波通信对设计的要求 微波天线发出的射线 树业就可以阻挡微波信号！ 工 作 波 长 短 、 克 服 障 碍 的 能 力 差在 实 际 的 工 程 勘 察 中 ， 树 高 、 无 树 山 上 的 灌 木 都 是 不 可 忽 略 的 影 响 通信 质 量 的 因 数 。点 对 点 视 距 传 播 通 信 的 要 求微波通信对设计的要求 K=4/3时 ,第 一 费 涅 耳 区 无 障 碍 物 (The 1st Fresnel shall be free from obstacles when k = 4/3) 在 传 播 经 过 水 面 或 沙 漠 地 区 时 ,建 议 K=1时 ,第 一 费 涅 耳 区 无 障 碍 物 (On paths over water surfaces or desert areas, it is recommended to have the 1st Fresnel zone free from obstacles when k = 1 (See also ITU-R Rec.P.530) ) Distance 50 km k = 4/31st Fresnel zone 微 波 设 计 目 标 (Microwave Propagation Design Objective) 微波通信对设计的要求 传 输 余 隙hcT R 0.50dB h hC 11.0-10-6 0当 相 对 余 隙 大 于 0.5， 阻 挡 损 耗 为 0dB,障 碍 物 的 顶 部 恰 好 在 视 距连 线 上 时 ， 阻 挡 损 耗 为 6dB。 余 隙 微波通信对设计的要求 余 隙 计 算 h 2h1 d1 d2dhbhshcKddhb 210785.0=地 球 凸 起 高 度 ： 其 中 K为 大 气 折 射 因 子路 径 余 隙 的 计 算 公 式 ： h h d h dd d dK h c s= 1 2 2 1 1 200785. 余 隙 可 得 大 于 一 阶费 涅 尔 半 径微波通信对设计的要求传 输 余 隙 在 下 图 中 ：在 =1时 考 虑 地 面 的 影 响 ， 第 一 次 出 现 收 信 电 平 等 于 自 由 空 间 电 平 时 HC/F1=0.577。在 1时 ， 第 一 次 出 现 收 信 电 平 等 于 自 由 空 间 电 平 时 HC/F1=0.577。我 们 把 HC/F1=0.577时 的 余 隙 称 为 自 由 空 间 余 隙 ， 用 H0表 示 。 它 的 表 达 式 为 ：H0=0.577 xF1=（ d1d2/d） 1/2 2 3 41 5 6v 06 dB8 10- -20 -30 -40-1.0 -0.5 0 0.5 0.577 1.414 1.5 2 2.5 HC/F1=N1/2图5 VdB与HC/F1D 关系曲线 费涅耳区序号 微波通信对设计的要求传 输 余 隙 根 据 中 继 线 路 的 余 隙 hc将 中 继 线 路 分 为 三 类 ：开 路 线 路 ： hc h0衰 落 因 子 V 的 计 算 方 法 是 ：如 粗 略 估 算 可 用 下 图 直 接 查 出 (对 刃 形 障 碍 物 也 可 用 下 图 直 接 查 出 )；如 计 算 ， 可 用 下 式 算 出 ：V=1+ 2+2 x COS（ x（ hc/F1） 21/2 2 3 41 5 6v 06 dB8 10- -20 -30 -40-1.0 -0.5 0 0.5 0.57