[教育]移動信道電波傳播及無線鏈路計算

1、第2章 移動信道電波傳播及無線鏈路計算,2.1 VHF、UHF頻段電波傳播特性 2.2 移動通信環(huán)境中的電波傳播特性 2.3 多徑傳播與數(shù)字信號傳輸 2.4 電波傳播特性的估算 2.5 無線鏈路計算(一) 2.6 無線鏈路計算(二) 2.7 分集接收技術(shù) 習(xí)題,2.1 VHF、 UHF頻段電波傳播特性,移動通信中， 移動臺是處在運動狀態(tài)之中的， 電波傳播的條件隨著移動而發(fā)生較大的變化， 接收信號的場強起伏也很大， 可達幾十

2、分貝， 極易出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象。 圖2 - 1示出了一個場強的實測記錄。 由此可見， 接收信號出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象是移動通信電波傳播的一個基本特點。,圖2 - 1 移動通信場強實測記錄(f=160 MHz),2.1.1 電波傳播方式 現(xiàn)代移動通信已廣泛使用150 MHz(VHF)、 450 MHz、 900 MHz(UHF)頻段， 因此， 必須熟悉它們的傳播方式和特點。 發(fā)射機天線發(fā)

3、出的無線電波， 通過不同的路徑到達接收機， 當(dāng)頻率f＞ 30 MHz時， 典型的傳播通路如圖2 - 2所示。,圖 2 - 2 典型的傳播通路,2.1.2 自由空間的傳播損耗 直射波傳播可按自由空間傳播來考慮。 自由空間是一個理想的空間， 在自由空間中， 電波沿直線傳播， 不發(fā)生反射、 折射、 繞射、 散射和吸收等現(xiàn)象。 在圖2 - 3所示的自由空間中， 設(shè)在原點O有一輻射源， 均勻地向各方向輻射， 輻射功率為P

4、T。,經(jīng)輻射后， 能量均勻地分布在以O(shè)點為球心， d為半徑的球面上。 已知球面的表面積為4πd2， 因此， 在球面單位面積上的功率應(yīng)為PT/4πd2。 若接收天線所能接收的有效面積取為 A = λ2/4π， 則接收功率為,圖 2 - 3 自由空間傳播損耗,通常， 定義發(fā)射功率與接收功率的比值為傳播損耗。 所以， 自由空間傳播損耗Lbs為,若以dB表示， 則有,(2 - 1),2.1.3 大氣中的電波傳播 1. 大氣

5、折射 在不考慮傳導(dǎo)電流和介質(zhì)磁化的情況下， 介質(zhì)折射率n與相對介電系數(shù)εr的關(guān)系為,眾所周知， 大氣的相對介電系數(shù)與溫度、 濕度及氣壓有關(guān)。 大氣高度不同， εr也不同， 即dn／dh是不同的。 根據(jù)折射定律， 電波傳播速度v與大氣折射率 n成反比， 即,大氣折射對電波傳播的影響， 在工程上通常用“地球等效半徑”來表征， 即認(rèn)為電波依然按直線方向行進， 只是地球的實際半徑Ro(6.37×106 m)變成了

6、等效半徑Re， Re 與Ro之間的關(guān)系為,2. 視線傳播極限距離 視線傳播的極限距離可由圖2 - 4計算。 天線高度分別為ht和hr， 兩個天線頂點的連線AB與地面相切于C點。 由于地球等效半徑Re遠遠大于天線高度，因此， 自發(fā)射天線頂點A到切點C的距離d1為,同理， 由切點C到接收天線頂點B的距離d2為,圖 2 - 4 視線傳播的極限距離,所以， 視線傳播的極限距離為,在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下， Re = 8 50

7、0 km， 故,2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗 實際情況中， 電波在直射傳播中存在各種障礙物， 由障礙物引起的附加傳播損耗稱為繞射損耗。 設(shè)障礙物與發(fā)射點和接收點的相對位置如圖2 - 5所示。 圖中， x表示障礙物頂點P至直射線TR的距離， 稱作菲涅爾余隙。 規(guī)定阻擋時余隙為負(fù)， 如圖2 - 5(a)所示；無阻擋時余隙為正， 如圖2 - 5(b)所示。,由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾

8、余隙的關(guān)系如圖2 - 5(c)所示。 圖中， 縱坐標(biāo)為繞射引起的附加損耗， 即相對于自由空間傳播的分貝數(shù)。 橫坐標(biāo)x／x1 中的x1是第一菲涅爾區(qū)在P點橫截面的半徑， 它由下列關(guān)系式求得,(2 - 2),圖 2 - 5 障礙物與余隙繞射及損耗菲涅爾余隙的關(guān)系 (a) 負(fù)余隙； (b) 正余隙； (c) 繞射損耗與余隙關(guān)系,例 2.1 設(shè)在圖2 - 5(a)所示的傳播路徑中， 菲涅爾余隙x=-82 m， d1=5 km， d2=10 k

9、m， 工作頻率為150 MHz。 試求電波傳播損耗。 解 先由式(2 - 1)求出自由空間傳播損耗： ［Lbs］=32.45+20lg(5+10)+20lg150=99.5 dB  由式(2 - 2)求第一菲涅爾區(qū)半徑：,由圖2 - 5(c)查得附加損耗(x／x1≈-1)為 17 dB， 所以電波傳播的損耗為 ［L］=［Lbs

10、］+17=116.5 dB,2.1.5 反射波 當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時， 如果界面尺寸比電波波長大得多， 就會產(chǎn)生鏡面反射。 由于大地和大氣是不同的介質(zhì)， 所以入射波會在界面上產(chǎn)生反射， 如圖2 - 6所示。,圖 2 - 6 反射波與直射波,不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表征， 它定義為反射波場強與入射波場強的比值， 可表示為

11、 R=|R|e-jφ 式中， |R|為反射點上反射波場強與入射波場強的振幅比， φ代表反射波相對于入射波的相移。,對于水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)Rh和Rv， 分別由下列公式計算：,(2 - 3),(2 - 4),式中， εc是反射媒質(zhì)的等效復(fù)介電常數(shù)， 它與反射媒質(zhì)的相對介電常數(shù)εr、 電導(dǎo)率δ和工作波長λ有關(guān)， 即 εc=εr-j60λδ 對

12、于地面反射， 當(dāng)工作頻率高于 150 MHz(λ＜2 m)時， θ＜1°， 由式(2 - 3)和式(2 - 4)可得 Rv=Rh=-1 即反射波場強的幅度等于入射波場強的幅度， 相差為180°。,在圖2 - 6中， 由發(fā)射點T發(fā)出的電波分別經(jīng)過直射線(TR)與地面反射路徑(TOR)到達接收點R， 由于兩者的

13、路徑不同， 因此會產(chǎn)生附加相移。 由圖2 - 6可知， 反射波與直射波的路徑差為,(2 - 5),通常， (ht+hr)≤d， 故上式中每個根號均可用二項式定理展開， 并且只取展開式中的前兩項， 例如：,由此可得到,(2 - 6),由路徑差Δd引起的附加相移為,(2 - 7),式中， 2π/λ稱為傳播相移常數(shù)。 這時， 接收場強E可表示為,(2 - 8),2.2 移動通信環(huán)境中的電波傳播特性,2.2.1 場強測試曲線顯示

14、的電波傳播特性 1. 固定通信環(huán)境中的電波傳播特性 固定無線通信的接收點測試的模擬信號的場強特性如圖 2 - 7所示。 接收點的信號場強值(dB)是時間t的函數(shù)。 其信號場強值取決于發(fā)、 收間的自由空間距離和地形地物對傳播路徑的阻擋程度。,圖 2 - 7 固定點測試與模擬信號的場強特性,2. 移動通信環(huán)境中的電波傳播特性 移動無線通信的接收點測試的場強特性可分作以

15、下幾種情況： (1) 定點移動測試的場強特性。 在給定接收點移動中對模擬信號進行場強測試， 其信號場強與時間的關(guān)系特性如圖2 - 8所示。,圖 2 - 8 給定點移動測試與模擬信號的場強特性,(2) 由近及遠移動測試的場強特性。 沿路移動測試并記錄不同距離接收點的模擬信號的電平， 其場強特性如圖2 - 9所示。 接收點的信號場強值(dB)是距離d的函數(shù)， 并隨距離的增加而呈下降的總趨勢。 分析表明， 它受到自

16、由空間傳播距離、 陰影效應(yīng)(阻擋)、 多徑效應(yīng)、 移動體的移動速度等因素的影響。 圖2 - 10所示為圖2 - 9的移動場強特性的細部， 它可顯示出信號起伏的嚴(yán)重性。,圖 2 - 9 移動場強測試與模擬信號的場強特性,圖 2 - 10 移動場強特性的細部,(3) 移動體測試的場強特性。 ① 移動體變速運動時的場強特性。 圖2 - 11所示為移動體變速運動時的場強的變化曲線。 ② 移動體恒

17、速運動時的場強特性。 圖2 - 12所示為移動體恒速運動時的場強變化曲線。,圖 2 - 11 變速運動時的場強的變化曲線,圖 2 - 12 恒速運動時的場強的變化曲線 (a) 高速； (b) 低速,由上述移動條件下獲得的場強特性曲線可以歸納出如下重要結(jié)論： (1) 移動通信環(huán)境電波傳播的場強特性曲線的起伏現(xiàn)象加??； (2) 場強特性曲線的平均值隨距離的增加而衰

18、減； (3) 場強特性曲線的中值呈慢速起伏變化， 即慢衰落； (4) 場強特性曲線的瞬時值呈快速或起伏變化， 即快衰落。,因此， 對移動條件下的場強特性進行分析可知， 移動通信環(huán)境電波傳播特性有如下特點： (1) 自由空間傳播損耗。 (2) 陰影衰落(效應(yīng))。 (3) 多徑效應(yīng)。 (4) 多普

19、勒效應(yīng)。,2.2.2 電波傳播的衰落特性 1. 慢衰落特性 1) 慢衰落的原因 電波傳播慢衰落有兩個主要原因： 陰影效應(yīng)和大氣折射。 (1) 陰影效應(yīng)。 移動臺在運動過程中， 周圍地形地物造成對電波傳播路徑的阻擋， 形成電磁場的陰影， 這種隨移動臺運動而不斷變化的電磁陰影引起接收點場強中值起伏變化的現(xiàn)象叫做陰影效應(yīng)。,(2) 大氣折射。 當(dāng)移動

20、臺處于靜止?fàn)顟B(tài)時， 由于氣象條件的平緩變化使大氣相對介電常數(shù)發(fā)生變化， 導(dǎo)致大氣折射率的變化， 從而引起接收點場強中值緩慢變化， 這種現(xiàn)象叫做大氣折射。,2) 慢衰落的統(tǒng)計特性 因為接收點的信號電平的隨機性， 在討論其信號電平特性時， 需采用統(tǒng)計的方法。 慢衰落的統(tǒng)計特性是指接收信號的局部平均值。 (1) 局部均值。 局部均值的概念如圖2 - 13所示。 圖中， 橫坐標(biāo)x為距離， 且有x

21、=vt， 縱坐標(biāo)為場強。 距離x1點處的場強局部均值定義為,(2 - 9),圖 2 - 13 場強局部均值,若將接收信號r(x)表示成慢衰落m0(x)和快衰落r0(x)兩部分， 則可寫作 r(x)=m0(x)·r0(x) (2 - 10) 代入式(2 - 9)， 有,當(dāng)x=x1， 并假定m0(x1)是實際的局部均值時， 則有

22、 m(x1)=m0(x1)， x1-L<x<x1+L 因此， 對場強實測曲線做統(tǒng)計處理時， 應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)腖以滿足下列關(guān)系：,r(t)= m0(t)·r0(t),(2) 對數(shù)正態(tài)分布。 基于位置函數(shù)， 對表征慢衰落的局部均值的統(tǒng)計規(guī)律分析表明， 慢衰落符合對數(shù)正態(tài)分布。 即有,同理， 基于時間函數(shù)的對數(shù)正態(tài)分布為,(2 - 11),(2 - 12),

23、(3) 聯(lián)合分布的標(biāo)準(zhǔn)離差。 當(dāng)σL和σt是統(tǒng)計獨立的正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)離差時,2． 電波傳播的快衰落特性 1) 快衰落的原因 移動臺附近的散射體(地形、 地物和移動體等)引起的多徑傳播信號在接收點相疊加， 造成接收信號快速起伏的現(xiàn)象叫快衰落。 具體來說， 快衰落可分為以下4種典型情況。,(1) 移動臺保持靜止， 周圍是移動體。 接收信號的衰落取決于周圍移動體的流量和與移動臺的距離。

24、 (2) 移動臺以速度v運動， 周圍無散射體。 由于移動臺的運動產(chǎn)生多普勒效應(yīng)， 因此會引起接收信號電平的起伏。 接收信號可表示為,(2 - 13),或?qū)懽?其中， β=2π/λ， x=vt, x為位移， v為速度； θ為電波傳播方向與移動臺運動方向的夾角； A為信號幅度； f0為發(fā)送信號的載波頻率。 若定義多普勒頻率為,(2 - 14),由(2 - 13)式可知， 多普勒效應(yīng)使接收信號的載波頻率變?yōu)?

25、 fR=f0-fD,(3) 移動臺以速度v在基站和一個反射體間運動。 移動臺收到來自基站的直射波和反射波。 因為當(dāng)θ=0°時， 式(2 - 13)即為直射波信號； 當(dāng)θ=180°時， 式(2 - 13)即為反射波信號， 所以接收點的信號為,其信號包絡(luò)為一駐波， 即,(4) 移動臺以速度v運動， 接收來自N個方向的反射波而無直射波。 接收點的信號為N個路徑信號的和， 即,2)

26、 快衰落的統(tǒng)計特性 快衰落的統(tǒng)計特性包括信號包絡(luò)統(tǒng)計特性和瞬時幅度特性兩方面。 (1) 快衰落信號包絡(luò)統(tǒng)計特性。,移動臺遠離基站的情況下， 快衰落信號包絡(luò)統(tǒng)計特性是指在無直射波的N個路徑傳播時， 接收信號的包絡(luò)統(tǒng)計特性。 若每條路徑的信號幅度為高斯分布， 相位在0~2π 內(nèi)為均勻分布， 則合成信號的包絡(luò)分布為瑞利(Raleigh)分布(可參見圖2 - 14(a))， 且有如下概率密度函

27、數(shù)(Probability Density Function)表達式：,(2 - 15),圖 2 - 14 概率密度函數(shù),而合成信號的相位分布為均勻分布， 即,(2 - 16),合成信號包絡(luò)的累積概率分布 (Cumulative Probability Distribution)為,(2 - 17),一階矩(均值)為,二階矩為,利用式(2 - 17)表示的信號包絡(luò)的累積分布， 可定義信號包絡(luò)樣本區(qū)間的中值(場強中值)是滿足下式的rm值

28、， 即 P(r≤rm)=0.5 (2 - 18) 可求得rm=1.１77σ。,移動臺靠近基站的情況下， 快衰落信號包絡(luò)統(tǒng)計特性是指在含有一個強直射波的N個路徑傳播時， 接收信號的包絡(luò)統(tǒng)計特性。 若每條路徑的信號幅度為高斯分布， 相位在0~2π內(nèi)為均勻分布， 則合成信號的包絡(luò)分布為萊斯(Rician)分布 (可參見圖2 - 14(b

29、))， 且有如下概率密度函數(shù)表達式：,(2 - 19),當(dāng) 時， 式(2 - 19)可簡化為,(2 - 20),(2) 快衰落瞬時幅度特性。 快衰落瞬時幅度特性可用電平通過率(Level Crossing Rate)、 衰落速率(Fading Rate)、 衰落深度(Deep of Fading)和衰落持續(xù)時間(Faded Duration)來表征。 電平通過率LCR

30、(Level Crossing Rate，)是指在單位時間內(nèi)信號電平以正斜率通過某一給定電平A的次數(shù)。 若時間T內(nèi)發(fā)生N次則有,圖(2 - 15)中所示的A為給定電平， 在時間T內(nèi)以正斜率通過A電平的次數(shù)為4次， 所以其電平通過率等于4/ T。 因為電平通過率是隨機量， 所以多用平均電平通過率來描述， 它與移動體運動速度v、 工作波長λ有關(guān)， 可表示為,(2 - 21),式中,圖 2 - 15 電平通過率和平均衰落持續(xù)時間,衰落速率是指

31、在單位時間內(nèi)信號電平以正斜率通過中值電平的次數(shù)。 它等于某一給定電平為中值電平時的電平通過率。 中值電平滿足式(2 - 18)的rm值。 衰落速率與信號波長λ、運動速度v和多徑數(shù)目有關(guān)。 由經(jīng)驗數(shù)據(jù)可得到平均衰落率(Average Fading Rate)為,衰落持續(xù)時間是指信號電平低于某一電平(門限電平)的持續(xù)時間。 它是隨機量。 因此，可定義平均衰落持續(xù)時間AFD(Average Faded Duration)： 信號電平低于某一規(guī)

32、定電平值A(chǔ)的概率與該規(guī)定電平值的電平通過率之比， 即有,2.3 多徑傳播與數(shù)字信號傳輸,多徑衰落信道對模擬信號傳輸?shù)挠绊懸褳槿藗兯煜ぁ?其信道特性可由信號在自由空間傳播損耗、 信號衰落深度、 信號衰落次數(shù)等參數(shù)來表征。 這些參數(shù)決定了電波傳播的覆蓋范圍和場強分布圖。 但是， 對數(shù)字信號的傳輸來說， 僅有這些參數(shù)是不夠的。,在圖2 - 16中， 示出了信號的時延擴展的情況。當(dāng)工作頻率為850 MHz、 移動臺速度為15 km／h時， 信

33、號衰落次數(shù)為16次/s， 衰落持續(xù)時間為6 ms。 局部散射體引起的近區(qū)時延擴展在市區(qū)為3 μs， 在郊區(qū)為0.3μs。 遠區(qū)高層建筑物引起的信號時延約為20μs， 遠山區(qū)引起的多徑時延約為100μs。 下面將重點討論多徑時延擴展對數(shù)字通信的影響。,圖 2 - 16 移動通信多徑傳播時延擴展,2.3.1 多徑時延擴展 若已知多徑時延τ的分布為p(τ)， 則有平均時延(一階矩)為,二階中心矩(方差)為,定義多徑時延

34、擴展為Δ， 且有表達式,(2 - 22),圖 2 - 17 多徑時延統(tǒng)計參量的物理意義,2.3.2 相關(guān)帶寬和相關(guān)時間 1. 信道相關(guān)帶寬 信道相關(guān)帶寬是表征載波頻率不同的信號其包絡(luò)衰落的相關(guān)性。 相關(guān)帶寬Bc與多徑擴展Δ有關(guān)， 它反映信道的時間散布。 當(dāng)相關(guān)系數(shù)取0.5時， 相關(guān)帶寬可有如下表達式：,(2 - 23),2. 信道相關(guān)時間 信道相關(guān)時間Δt與信道多普

35、勒擴展Bd有關(guān)， 它反映信道的頻率散布。 可表示為,(2 - 24),2.3.3 多徑衰落信道對數(shù)字信號傳輸?shù)挠绊?1. 幅度衰落特性對數(shù)字信號的影響 1) 幅度衰落特性 多徑傳播將引起接收信號呈現(xiàn)幅度(包絡(luò))衰落和頻率選擇性衰落。 多徑信號的包絡(luò)衰落分為慢衰落(短期衰落)和快衰落(長期衰落)。,可得到如下的統(tǒng)計規(guī)律： (1) 無直射波的

36、移動通信環(huán)境下的快衰落符合瑞利分布。 (2) 有直射波的移動通信環(huán)境下的快衰落符合萊斯分布。,2) 幅度衰落的影響 幅度慢衰落表現(xiàn)為接收信噪比的緩慢變化， 它將影響數(shù)字信號傳輸?shù)恼`碼率。 為保證傳輸誤碼率小于給定值， 要求接收點處的信號電平高于門限值。 快衰落瞬時幅度特性是用電平通過率、 衰落速率、 衰落深度和衰落持續(xù)時間以及衰落持續(xù)時間的分布來表征的。,2. 選擇性衰落信道

37、 1) 時間選擇性信道 時間選擇性信道是指在時間(0， T)內(nèi)， 信號的包絡(luò)、 頻率和相位均隨時間而變化。 2) 頻率選擇性信道 頻率選擇性信道對不同頻率的信號具有不同的增益和相移， 這將對數(shù)字信號產(chǎn)生波形失真， 甚至造成信號的重疊， 引起符號間干擾。,3) 頻率非選擇性慢衰落信道 頻率非選擇性慢衰落信道是指信號帶寬W滿

38、足條件W<<Bc， 信號持續(xù)時間T滿足條件T<<Δt的信道。,2.4 電波傳播特性的估算,2.4.1 市區(qū)傳播損耗中值 在城市街道地區(qū)， 電波傳播損耗取決于傳播距離d、 工作頻率f、 基地站天線有效高度hb， 移動臺天線高度hm以及街道的走向和寬窄等。 OM模型中， 給出了準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)傳播損耗中值的預(yù)測曲線簇， 如圖2 - 18所示。,圖 2 - 18 測準(zhǔn)平滑地形——大城市地區(qū)的電

39、波傳播損耗中值,若基地站天線有效高度不是200 m， 可利用圖2 - 19查出修正因子Hb(hb， d)， 對基本損耗中值加以修正， 它稱為基地站天線高度的增益因子。 圖2 - 20是以hb=200m， hm=3 m 作為0 dB參考的。 Hb(hb， d)反映了由于基地站天線高度變化， 使圖2 - 19的預(yù)測值產(chǎn)生的變化量。 同樣， 若移動臺天線高度不等于3m時， 可利用圖2 - 20查出修正因子Hm(hm，

40、 f)， 對基本損耗中值進行修正， 它稱為移動臺天線高度的增益因子。,圖 2 - 19 基地站天線高度增益因子,圖 2 - 20 移動臺天線高度增益因子,在考慮基地站天線高度增益因子與移動臺天線高度增益因子的情況下， 式(2 - 25)所示的準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)路徑傳播損耗中值應(yīng)為 LT=Lbs+Am(f， d)-Hb(hb， d)-Hm(hm， f)

41、 (2 - 26),2.4.2 郊區(qū)和開闊區(qū)的傳播損耗中值 郊區(qū)的建筑物一般是分散、 低矮的， 電波傳播條件優(yōu)于市區(qū)， 故其損耗中值必然低于市區(qū)損耗中值。 市區(qū)損耗中值與郊區(qū)損耗中值之差稱為郊區(qū)修正因子kmr， 所以， kmr為增益因子。 它隨工作頻率和傳播距離變化的關(guān)系示于圖2

42、 - 21中。,圖 2 - 21 郊區(qū)修正因子,開闊區(qū)、 準(zhǔn)開闊區(qū)(開闊區(qū)與郊區(qū)之間的過渡地區(qū))的損耗中值相對于市區(qū)損耗中值的修正曲線如圖2 - 22所示。,圖 2 - 22 開闊區(qū)、 準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子,2.4.3 不規(guī)則地形上的傳播損耗中值 1. 丘陵地的修正因子 丘陵地的地形參數(shù)可用“地形起伏”高度Δh表示。 其定義是： 自接收點向發(fā)射點延伸10 km范圍內(nèi)， 地形起伏的90％與10

43、％處的高度差， 如圖2 - 23所示。,圖 2 - 23 丘陵地的修正因子,在丘陵地中， 由于起伏的頂部與谷部的損耗中值相差較大， 為此有必要進一步加以修正， 如圖2 - 23所示。 圖2 - 24中給出了丘陵地上起伏的頂部和谷部的微小修正值khf， 它是在kh的基礎(chǔ)上， 進一步修正的微小修正值。,圖 2 - 24 丘陵地形微小修正值,2. 孤立山岳地形的修正因子 當(dāng)電波傳播路徑上有近似刃形的單獨山岳時， 若求山

44、背后的場強， 則應(yīng)考慮繞射損耗、 陰影效應(yīng)、 屏蔽吸收等附加損耗。 這時， 可用孤立山岳修正因子kjs加以修正， 其曲線如圖2 - 25所示。,圖 2 - 25 孤立山岳地形的修正因子,3. 斜坡地形的修正因子 斜坡地形系指在 5～10 km內(nèi)傾斜的地形。 若在電波傳播方向上， 地形逐漸升高， 稱為正斜坡， 傾角為+θm； 反之為負(fù)斜坡， 傾角為-θm ， 如圖2 - 26所示。,圖 2 - 26 斜坡地形修正因

45、子,4. 水陸混合地形的修正因子 在電波傳播路徑上， 如遇有湖泊或其它水域， 接收信號的路徑損耗中值比單純陸地傳播時要低。 不難想像， 水路混合地形修正因子ks亦應(yīng)為增益因子。 圖2 - 27（c）中的橫坐標(biāo)用水面距離dSR與全部距離d之比(dSR／d)作為地形參數(shù)， 縱坐標(biāo)為水陸混合地形修正因子ks， 其值還與水面所處的位置有關(guān)。圖中， 曲線A表示水面位于移動臺一方時， 水陸混合地形的修正值(圖2 - 27(a

46、))； 曲線B表示水面位于基地站一方時的修正值圖(2 - 27(b))。 當(dāng)水面在傳播路徑的中間時， 則取上述兩曲線的中間值。,圖 2 - 27 水陸混合地形的修正因子,2.4.4 任意地形、 地物的傳播損耗 1. 計算自由空間的傳播損耗 根據(jù)式(2 - 1)， 自由空間的傳播損耗Lbs為 Lbs=32.45 + 20lgd(km) + 20lgf(MHz

47、) 2. 準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的信號中值 根據(jù)式(2 - 26)， 準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的傳播損耗中值LT為 LT=Lbs+ Am(f， d)- Hb(hb，d)-Hm(hm， f),如果發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率為PT， 則準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)接收信號功率中值Pp為 Pp= PT-LT= PT-Lbs-Am(f， d)+Hb(hb， d)+Hm(hm

48、， f) (2 - 27),3. 任意地形、 地物情況下的信號中值 任意地形、 地物情況下的傳播損耗中值LA為 LA=LT-KT

49、 (2 - 28) 式中， LT為準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的傳播損耗中值； KT為地形、 地物修正因子， 它由如下項目構(gòu)成： KT=kmr+Qo+Qr+kh+khf+kjs+ksp+ks

50、 (2 - 29),式中： kmr——郊區(qū)修正因子， 可由圖2 - 21查得； Qo、 Qr——開闊區(qū)、 準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子， 可由圖2 - 22查得； kh、 khf——丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值， 可由圖2 - 23、 圖2 - 24查得；,任意地形、 地物情況下， 接收信號的功率中值Pp

51、c是以準(zhǔn)平滑地形——市區(qū)的接收功率中值Pp為基礎(chǔ)， 加上地形、 地物修正因子KT， 即 Ppc=Pp+KT (2 - 30),例 2.2 某一移動電話系統(tǒng)， 工作頻率為450 MHz， 基地站天線高度為70m， 移動臺天線高度為1.5m， 在市區(qū)工作， 傳播路徑為準(zhǔn)平滑地形， 通信距離為20 km， 求傳播路徑

52、的損耗中值。 例 2.3 若上題改為在郊區(qū)工作， 傳播路徑是正斜波， 且θm=15mrad， 其它條件不變， 再求傳播路徑的損耗中值。,4. 奧村(Okumura)傳播路徑損耗經(jīng)驗公式 根據(jù)奧村的各種傳播路徑損耗經(jīng)驗曲線， 可歸納出一個傳播路徑損耗經(jīng)驗公式： Lp=69.55+ 26.16lgfc-13.82lghb-a(hm)

53、 +(44.9- 6.55lghb)lgd(dB) (2 - 31),中小城市的修正因子a(hm)為 a(hm)=(1.1lgfc-0.7)hm-(1.56lgfc-0.8) (2 - 32) 大城市的修正因子a(hm)為 a(hm)=3.2(lg11.57hm)2-4.97， fc≥400MHz

54、 (2 - 33) a(hm)=8.29(lg1.54hm)2-1.1， fc≤200 MHz (2 - 34),2.4.5 其它因素的影響 1. 街道走向的影響 電波傳播的損耗中值與街道的走向(相對于電波傳播方向)有關(guān)， 特別是在市區(qū)， 當(dāng)街道走向與電波傳播方向平行(縱向)或垂直(橫向)時， 在離開基地站同一距離上， 接收的場強中值相差很大。 圖2 - 28給

55、出了它們相對于基本損耗中值的修正曲線。,圖 2 - 28 市區(qū)街道走向修正值因子,2. 建筑物的穿透損耗 各個頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的， 一般來說波長越短， 穿透能力越強， 如表2- 1所示。 同時， 各個建筑物對電波的吸收能力也是不同的。 不同的材料、 結(jié)構(gòu)和樓房層數(shù)， 其吸收損耗的數(shù)據(jù)都不一樣。,表 2 - 1 建筑物的穿透損耗 (地面層),一般介紹的經(jīng)驗傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設(shè)條件，

56、故如果移動臺要在室內(nèi)使用， 在計算傳播損耗和場強時， 需把建筑物的穿透損耗也計算過去， 才能保持良好的可通率。 即 Lb=L0-Lp 式中，Lb為實際路徑損耗中值， L0為在街心的路徑損耗中值， Lp為建筑物的穿透損耗。,3. 植被損耗 樹木、 植被對電波有吸收作用。 在傳播路徑上由樹木、 植被引起的附加損耗不僅取決于樹木

57、的高度、 種類、 形狀、 分布密度、 空氣濕度及季節(jié)的變化， 還取決于工作頻率、 天線極化、 通過樹林的路徑長度等多方面因素。 在城市中， 由于樹林、 綠地與建筑物往往是交替存在著， 所以， 它對電波傳播引起的損耗與大片森林對電波傳播的影響是不同的。 大片森林對電波傳播產(chǎn)生的附加損耗可參看圖2 - 30。,圖 2 - 29 信號損耗值與樓層高度,圖 2 - 30 森林地帶的附加損耗,圖 2 - 31 電波在隧道中的傳播損耗,4. 隧道中

58、的傳播 移動通信的空間電波傳播在遇到隧道等地理障礙時， 將受到嚴(yán)重衰落而不能通信。 如地下鐵道中的無線調(diào)度系統(tǒng)， 汽車移動電話在公路穿越河流或山脈的地下通道中， 均需解決隧道或地下通道中的傳播問題。 空間電波在隧道中傳播時， 由于隧道壁的吸收及電波的干涉作用而受到較大的損耗。 在圖2 - 31中， 曲線A是頻率為160 MHz時， 隧道內(nèi)兩半波偶極子天線之間的電波傳播損耗。,*2.5 無線鏈路計算(一),2.5.

59、1 信噪比和語音質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 信噪比的定義是： 在接收機的輸出端， 低頻信號+噪聲+失真與噪聲的功率比值， 即,信號+噪聲+失真,噪聲,,這一比值有時也稱為收信機的輸出信噪比。 在沒有特定干擾時， 它對語音而言即為信納比：,信納比(SINAD)=,信號+噪聲+失真,噪聲+失真,,在移動通信系統(tǒng)中， 信噪比的數(shù)值是根據(jù)語音質(zhì)量的要求來確定的。 語音質(zhì)量的合格標(biāo)準(zhǔn)對不同使用對象是不相同的， 因而其對應(yīng)的信噪比數(shù)值也不相同

60、。 語音質(zhì)量的評定往往采用主觀評定的辦法， CCITT把語音質(zhì)量劃分為五級進行評分， 如表2 - 2所示。,表 2 - 2 CCITT語音質(zhì)量五級評分標(biāo)準(zhǔn),2.5.2 接收機允許的最小輸入載噪比 在模擬移動電話系統(tǒng)中， 語音信號多采用調(diào)頻制。 當(dāng)調(diào)頻波用鑒頻器解調(diào)時， 解調(diào)器輸出的信號和噪聲電平隨輸入電平而變化， 其變化特性如圖2 - 32所示。,圖 2 - 32 調(diào)頻接收機輸出端信

61、噪比與輸入電平的關(guān)系,在模擬制移動通信系統(tǒng)中， 語音信號的調(diào)制多采用調(diào)頻(相)制而不采用其它連續(xù)波調(diào)制， 這是因為調(diào)頻制的抗噪聲能力較強， 這一點可以從調(diào)頻解調(diào)器輸出信噪比的改善得以反映。 由調(diào)制解調(diào)的理論分析可知， 調(diào)頻接收機輸出信噪比與輸入載噪比有如下的關(guān)系：,(2 - 35),在工程上， 多使用式(2 - ３6)的改寫形式， 即調(diào)頻接收機的信噪比改善度GFM：,(2 - 36),2.5.3 噪聲和衰落的影響

62、 由于噪聲和衰落的存在將導(dǎo)致信息傳輸質(zhì)量的下降， 即造成信息的損傷或惡化， 所以， 在討論系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)時， 必須研究噪聲和衰落的影響。 在移動通信的電路計算中， 可以把人為噪聲和衰落的影響分成兩部分來考慮， 一部分是人為噪聲和多徑衰落的影響， 另一部分是陰影效應(yīng)引起接收信號中值變動的影響。,首先考慮人為噪聲和多徑衰落的影響。 我們知道， 當(dāng)移動臺運動時， 人為噪聲和多徑衰落是同時存在的， 而從語音質(zhì)量主觀評定的效果來看， 兩者對接收機接

63、收質(zhì)量的影響相似。 其影響的大小可用惡化量來表示。 惡化量d定義為： 當(dāng)存在人為噪聲和多徑衰落時， 為達到僅有接收機固有噪聲時的同樣語音質(zhì)量， 所需的接收機輸入電平的增加量。 統(tǒng)計測試表明， 移動臺語音質(zhì)量為3級和4級時的惡化量分別如圖2 - 33和圖2 - 34所示。,圖 2 - 33 移動臺接收機性能的惡化量(3級語音質(zhì)量),圖 2 - 34 移動臺接收機性能的惡化量(4級語音質(zhì)量),圖中， 曲線A表示移動臺車輛停在高噪聲區(qū)的惡化量

64、； 曲線B表示移動臺車輛在高噪聲區(qū)內(nèi)運動時的惡化量； 曲線C表示移動臺車輛在低噪聲區(qū)內(nèi)運動時的惡化量。 由圖2 - 33和圖2 - 34可見， 在頻率較高時， 幾條曲線有匯合的趨勢。,圖2 - 35和圖2 - 36分別表示基地站接收質(zhì)量為3級和4級時的惡化量。 在進行無線區(qū)的電路計算時， 為了滿足規(guī)定的語音質(zhì)量要求， 可將惡化量的因素作為接收機輸入信號的抗噪聲和抗多徑衰落的儲備量來處理。,圖 2 - 35 基地臺接收機性能的惡化量(3級

65、語音質(zhì)量),圖 2 - 36 基地臺接收機性能的惡化量(4級語音質(zhì)量),2.5.4 接收機輸入端要求的最低保護功率電平 1. 接收機輸入電壓與輸入功率 如圖2 - 37所示， 當(dāng)電動勢為e， 內(nèi)阻為R的信號發(fā)生器接至接收機輸入端時， 接收機輸入端的實際電壓為e／2， 接收機輸入功率為e2／4R。,圖 2 - 37 接收機輸入電壓的定義,在電路計算中， 接收機輸入電壓常以dBμV來表示。

66、此時， 接收機輸入電壓電平A為,(2 - 38),(2 - 39),(2 - 40),將式(2 - 40)中的輸入電壓e用電壓電平A代入得 Pr=A-10lgR-126(dBW) (2 - 41)當(dāng)R=75 Ω時 Pr=A-145(dBW)

67、 (2 - 42)當(dāng) R=50 Ω時 Pr=A-143(dBW) (2 - 43)表2 - 3列出了dBμV、 dBmV與V之間的關(guān)系表。,表 2 - 3 dBμV、 dBmV與V換算表,2. 接收機靈敏度與接收機輸入端要求的最低保護功率電平 接收機靈敏度指無外界噪聲

68、和干擾， 在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下， 接收機輸出端得到規(guī)定的語音質(zhì)量時， 測得的接收機天線輸入端所需的最小信號電壓。 它能夠較全面地反映接收機接收有用微弱信號的能力和接收機內(nèi)部噪聲的大小。 將輸入靈敏度的電壓值e代入式(2 - 42)或式(2 - 43)就可得到一個與之相對應(yīng)的最小輸入電平Pr。,對陸地移動通信系統(tǒng)而言， 接收機輸入端要求的最低保護功率電平是指： 在考慮環(huán)境噪聲和多徑衰落引起的惡化量d的情況下， 為了達到一定的語音質(zhì)量，