短波电离层反射信道

3.3随参信道及其传输特性随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。常见的随参信道有陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。我们首先介绍两种典型的随参信道。3.3.1陆地移动信道陆地移动通信工作频段主要在VHF和UHF频段，电波传播特点是以直射波为主。但是，由于城市建筑群和其他地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波以及它们的合成波，电波传输环境较为复杂，因此移动信道是典型的随参信道。1.在VHF、UHF移动信道中，电波传播方式主要有自由空间直射波、地面反射波、大气折射波、建筑物等的散射波等当移动台和基站天线在视距范围之内，这时电波传播的主要方式是直射波。直射波传播可以按自由空间传播来分析。由于传播路径中没有阻挡，所以电波能量不会被障碍物吸收，也不会产生反射和折射。设发射机输入给天线的功率为PT(瓦特)，则接收天线上获得的功率为PR=PTGTGR2)4(d式中，GT为发射天线增益，GR为接收天线增益，d为接收天线与发射天线之间的直线距离，为各向同性天线的有效面积。当发射天线增益和接收天线增益都等于1时，(3.3-1)简化为PR=PT422)4(d自由空间传播损耗定义为Lfs=RTPp代入式(3.3-2)可得Lfs=用dB可表示为［Lfs］=20lg=32.44+20lgd+20lgf(dB)(3.3-5)d4式中，d为接收天线与发射天线之间直线距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz。由式(3.3-4)可以看出，自由空间传播损耗与距离d的平方成正比，距离越远损耗越大。图3-16给出了移动信道中自由空间传播损耗与频率和距离的关系。2)4(d图3–16移动信道中自由空间传播损耗12011010090807060504010－11001011GHz100MHzf＝10MHz102自由空间损耗/dB距离/km2.反射波与散射波当电波辐射到地面或建筑物表面时，会发生反射或散射，从而产生多径传播现象，如图3-17所示。这些反射面通常是不规则和粗糙的。为了分析方便，可以认为反射面是平滑表面，此时电波的反射角等于入射角，分析模型如图3-18所示。不同界面的反射系R=(3.3-6)其中:z=zzsinsin020cos图3-17移动信道的传播路径hbd2dd1hm图3–18平滑表面反射htTad1d2Rbcohrz=(水平极化)(3.3-8)ε0=ε-j60σλ(3.3-9)式中，ε为介电常数，σ为电导率，λ为波长。3.电波在空间传播中，由于大气中介质密度随高度增加而减小，导致电波在空间传播时会产生折射、散射等，如图3-19所示。大气折射对电波传输的影响通常可用地球等效半径来表征。k=20cos0rre式中，k称为地球等效半径系数，r0=6370km为地球实际半径，re为地球等效半径。在标准大气折射情况下，地球等效半径系数k=，此时地球等效半径为34kmkrre84936370340图3–19电波折射示意图折射电波地表面3.3.2短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离层，或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60~600km的大气层成为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成。当频率范围为3~30MHz(波长为10~100m)的短波(或称为高频)无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。电离层厚度有数百千米，可分为D、E、F1和F2四层，如图3-20所示。由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。在白天，由于太阳辐射强，所以D、E、F1和F2四层都存在。在夜晚，由于太阳辐射减弱，D层和F1层几乎完全消失，因此只有E层和F2层存在。由于D、E层电子密度小，不能形成反射条件，所以短波电波不会被反射。D、E层对电波传输的影响主要是吸收电波，使电波能量损耗。F2层是反射层，其高度为250~300km，所以一次反射的最大距离约为4000km。图3–20电离层结构示意图0FFED300kmAB地球FBA地球反射点由于电离层密度和厚度随时间随机变化，因此短波电波满足反射条件的频率范围也随时间变化。通常用最高可用频率给出工作频率上限。最高可用频率是指当电波以φ0角入射时，能从电离层反射的最高频率，fMUF=f0secφ0(3.3-11)式中，f0为φ0=0时能从电离层反射的最高频率(称为临界频率)。在白天，电离层较厚，F2层的电子密度较大，最高可用频率较高。在夜晚，电离层较薄，F2层的电子密度较小，最高可用频率要比白天低。短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播，多径传播有以下几种形式:(1)电波从电离层的一次反射和多次反射；(2)电离层反射区高度所形成的细多径；(3)地球磁场引起的寻常波和非寻常波；(4)电离层不均匀性引起的漫射现象。以上四种形式如图3-21所示。图3-21(a)一次反射和两次反射；(b)反射区高度不同；(c)寻常波与非寻常波；(d)漫射现象ABAB(a)(b)ABAB(c)(d)3.3.3随参信道特性由上面分析的陆地移动信道和短波电离层反射信道这两种典型随参信道特性知道，随参信道的传输媒质具有以下三个特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变化；(2)信号传输的时延随时间随机变化；(3)多径传播。由于随参信道比恒参信道复杂得多，它对信号传输的影响也比恒参信道严重得多。下面我们将从两个方面进行讨论。1.陆地移动多径传播示意图如图3-17所示。基站天线发射的信号经过多条不同的路径到达移动台。我们假设发送信号为单一频率正弦波，即s(t)=Acosωct(3.3-12)多径信道一共有n条路径，各条路径具有时变衰耗和时变传输时延且从各条路径到达接收端的信号相互独立，则接收端接收到的合成波为=(3.3-13)式中，ai(t)为从第i条路径到达接收端的信号振幅，τi(t)为第i条路径的传输时延。传输时延可以转换为相位的形式，即r(t)=式中φi(t)=-ωcτi(t)(3.3-15))]([cos)(1ttwtaicniir(t)=a1(t)cosωc［t-τ1(t)］+a2(t)cosωc［t-τ2(t)］+…+an(t)cosωc［t-τn(t)］)]()(cos[)(1ttwtacnii为从第i条路径到达接收端的信号的随机相位。式(3.3-14)可变换为niciiciniitwtatwtatr11sinsin)(coscos)()(twtytwtXccsin)(cos)(式中niiitatx1cos)()(niiitaty1sin)()(由于X(t)和Y(t)都是相互独立的随机变量之和，根据概率论中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋于正态分布。因此，当n足够大时，X(t)和Y(t)都趋于正态分布。通常情况下X(t)和Y(t)的均值为零，方差相等，其一维概率密度函数为)2exp(21)(22xxxxf)2exp(21)(22yyyyf且σx=σy。式(3.3-16)也可以表示为包络和相位的形式，即r(t)=V(t)cos［ωct+φ(t)］(3.3-21)式中V(t)=X2(t)+Y2(t)(3.3-22)φ(t)=arctan(3.3-23)由第2章随机信号分析理论我们知道，包络V(t)的一维分布服从瑞利分布，相位φ(t)的一维分布服从均匀分布，可表示为)()(txty)2exp()(22vvvvvff(φ)=20,21其他,0且有σx=σy=σv=σ。对于陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信道，其路径幅度ai(t)和相位函数φi(t)随时间变化与发射信号载波频率相比要缓慢得多。因此，相对于载波来说V(t)和φ(t)是慢变化随机过程，于是r(t)可以看成是一个窄带随机过程。由2.5节窄带随机过程分析我们知道，r(t)的包络服从瑞利分布，r(t)是一种衰落信号，r(t)的频谱是中心在fc的窄带谱，如图2-7所示。由此我们可以得到以下两个结论:(1)多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；(2)从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥。2.频率选择性衰落与相关带宽当发送信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选择性衰落。频率选择性衰落是多径传播的又一重要特征。为了分析方便，我们假设多径传播的路径只有两条，信道模型如图3-22所示。其中，k为两条路径的衰减系数，Δτ(t)为两条路径信号传输的相对时延差。当信道输入信号为si(t)时，输出信号为so(t)=ksi(t)+ksi［t-Δτ(t)］Y](3.3-26)图3–22两条路径信道模型kk延迟(t)＋si(t)so(t)So(ω)=kSi(ω)+kSi(ω)e-jωΔτ(t)=kSi(ω)［1+e-jωΔτ(t)］(3.3-27)信道传输函数为H(ω)=So(ω)Si(ω)=k［1+e-jωΔτ(t)］(3.3-28)可以看出，信道传输特性主要由［1+e-jωΔτ(t)］项决定。信道幅频特性为)(sin)(cos1]1[)()(twjtkekWHtrjw2)(cossin22)(cos22)(2twjtwktw2)(sincos2)(cos22)(twjtwktw2)(cos2twk对于固定的Δτi，信道幅频特性如图3-23(a)所示。式(3.3-29)表示，对于信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。显然，信号通过这种传输特性的信道时，信号的频谱将产生失真。当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。特别是当信号的频谱宽于时，些频率分量会被信道衰减到零，造成严重的频率选择性衰落。)(1t图3–23信道幅频特性|H()|2kOf2i1i1|H()|2kO2(t)1f(a)(b)另外，相对时延差Δτ(t)通常是时变参量，故传输特性中零点、极点在频率轴上的位置也随时间随机变化，这使传输特性变得更复杂，其特性如图3-23(b)所示。对于一般的多径传播，信道的传输特性将比两条路径信道传输特性复杂得多，但同样存在频率选择性衰落现象。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征。设信道最大多径时延差为Δτm，则定义多径传播信道的相关带宽为mCB1它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的1/5~1/3。当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，就必须限制数字信号传输速率。