现代通信技术课件

电波传播v主要内容天线及其基本概念电波的自由空间传播电波传播的几何模型多径传播和衰落电波传播的预测模型vHata模型通信链路预算天线基本知识v天线的方向性v波瓣宽度v天线增益v天线极化天线v天线是无线电波辐射、接收的设备v天线辐射或接收的信号强度与空间的方位角有关系，这种关系通常用天线的方向图来表示。v根据天线的方向图可以将天线分成：全向天线和定向天线全向天线：均匀辐射的天线定向天线：辐射在一些方向上更强、另外一些方向上弱一些。天线方向图天线方向图v设某个方向上的功率密度为 ，如果天线无损耗且理想匹配，则总功率Pt将由天线辐射出去，即v平均功率密度为天线方向图v定义天线的增益为v其中 是天线效率，决定天线的损失。v 称为天线的功率方向图。天线增益v天线方向图 的最大值，即为天线增益。主瓣旁瓣3dB波瓣宽度相对全向天线增益dBiv如果式v中 ，则 的最大值，即为相对全向天线的增益，用dBi表示。天线的方向性v理想点源天线（全向天线）电磁波辐射强度各向均匀（三维）v定向天线水平、垂直方向辐射波束具有一定的宽度天线的极化v天线辐射时形成的电场强度方向。v当电场方向垂直于地面时，称为垂直极化；v当电场方向水平于地面时，称为水平极化。电波的自由空间传播最大视距最大视距的概念大气折射和等效地球半径v大气的不均匀导致电波弯曲。从电波的角度看，似乎是地球的曲率发生了变化。v典型等效地球半径系数K4/3v等效地球半径电波的反射地面反射的影响v地面反射波的反射系数为n接收信号的合成电场强度为 地面反射的影响地面反射的影响v当行程差远远小于波长（例如天线较低、或者距离很大、或者频率低）时 地面反射的影响地面反射的影响v平面大地模型电波的绕射（遮挡引起）v当TR之间出现刃形障碍物时，它有可能对电波产生阻挡作用。阻挡引起的损耗与余隙的大小有关路径余隙遮挡引起的损耗v遮挡并不一定引起电波的损耗，视余隙大小而定。v当余隙第一菲涅尔区半径时，遮挡引起的损耗很小，反之损耗将随余隙的减小而急剧下降。（书图10.4）菲涅尔区的概念v满足以下条件的所有点Q的集合称为第n菲涅尔区：第n菲涅尔区半径v第n菲涅尔区边界上的某个点P到TR连线的距离叫第n菲涅尔区半径 电波传播的路径损耗预测模型v路径损耗预测模型的重要性系统设计时的重要依据天线架设点的重要参考v路径损耗模型的建立通常通过实际测量，然后通过拟合的方式得到经验公式目前存在许多经验公式，如Hata模型、Lee模型等，是针对不同的环境得到的经验模型。Hata模型v移动通信中广泛使用的一种路径损耗预测模型。v适用于宏蜂窝（小区半径大于1km）系统的路径损耗预测。Hata模型v1501500MHzv1500Mhz2000MHz（Cost231）多径传播和衰落v信道衰落随时间推移，接收信号强度的起伏称为信道衰落。信道衰落的原因：信道参数随时间发生变化，如接收机的移动、周围环境的随时间变化等。信道衰落可分成长期衰落和短期快衰落v通常长期衰落随时间变化慢，也称为长期慢衰落。v长期慢衰落的原因在于地形地物变化引起。v长期慢衰落呈现随机起伏的特点。信道衰落长期衰落长期衰落m(t)快衰落快衰落r0(t)n长期衰落n长期衰落又称阴影衰落和慢衰落，长期衰落一般表示为电波传播距离的平均损耗（dB）加一个正态对数分量。移动用户和基站之间的距离为r时，传播路径损耗和长期衰落可以表示为n式中X表示一个方差为、均值为0的高斯随机变量。的典型值是810dB。可以被理解为对数正态随机变量，其概率密度函数为：短期衰落v多径时变效应v上图中，每径也是经由多条路径接收而得，称之为不可分多径。不可分径可分多径多径效应（不可分径）n若有N个多径信道，它们彼此相互独立且没有一个信道的信号占支配地位；没有直射波信号，仅有许多反射波信号，接收到的信号包络的衰落变化服从瑞利(Rayleigh)分布。n但是，当接收到较强的直射波信号且它占有支配地位时，接收信号包络的衰落变化服从莱斯(Rician)分布。多径效应（频率选择性）v以两条路径且衰减恒定为例n多普勒(Doppler)频移 n当移动体在x轴上以速度v移动时引起多普勒（Doppler）频率漂移。n多普勒效应引起的多普勒频移表示为式中，为移动速度 为波长 入射波与移动台移动方向之间的夹角 为最大多普勒(Doppler)频移当第n个入射波的入射角是时n时，第n个入射波 n多普勒（Doppler）频谱 v设信号的垂直场场强为 ，它的第n个入射波 ，N个入射波在02内的入射功率是连续的。S(f)表示接收信号的功率谱，则当N为无穷大时，可以证明归一化后的多普勒功率谱可表示为：表征时变多径信道的参数v时延扩展引起码间干扰，导致频率选择性v多普勒频移引起时变衰落，接收信号强度随时间起伏小节v电波传播中受到如下的影响：距离损耗反射、折射、阻挡的影响多径传播的影响时变的影响v电波传播影响接收的信号强度，因此对信号的干扰为乘性干扰。通信链路预算v通信系统设计的重要环节发射功率、接收信噪比、传输损耗、覆盖范围等参数的设计v不同系统有不同的通信链路预算，主要考虑如下一些：路径损耗余量接收信噪比同步卫星通信链路计算v卫星链路同步卫星通信链路计算dBWPT 发射功率GT 发射天线增益GR 接收天线增益LP 路径损耗La 大气损耗Lta 与发射天线有关的损耗Lra 与接收天线有关的损耗同步卫星通信链路计算v有效全向辐射功率（EIRP）EIRPPTGTv接收端噪声N=10logKTBvK=1.38e-23 玻尔兹曼常数vT为接收机输入端等效噪声温度vB信号带宽同步卫星通信链路计算v接收端载噪比dBn接收系统G/T值dB例：v设同步卫星轨道为36000公里，发射功率为18dBW，卫星天线增益16dB，地面站天线增益40dB，接收机等效噪声温度29K，其他损耗2dB，卫星工作在4GHz，发射信号带宽为36MHz，问地面站接收端的载噪比？v路径损耗v其它损耗2dBvEIRP181634dBWvG/T=4010lg29=25.4(dB/K)