第5章无线通信传输理论介绍

第五章无线通信传输理论2/144第五章无线通信传输理论内容提要无线电波传播特征无线电波传播损耗无线信道噪声与衰落无线通信的多址连接方式3/144信道的概念信道是通信中信息的传输通路，是通信理论中对发送机与接收机之间信息传输介质的一个概括性的总称，是任何通信系统不可缺少的部分。按传输特性参数随外界因素影响变化的快慢，信道可分为恒参信道和变参信道。恒参信道：有线信道变参信道：无线信道4/144构成无线传输系统的五点关键性问题：1.信源编码以降低对信道传输带宽的要求；2.信道编码用于提高信道可靠性；3.调制以适用不同传输设备；4.加密，这不仅是为军政通信的需要，在商业、乃至个人通信方面也是重要的；5.链路（或信道）容量的评价也是非常重要的问题。5/144链路（或信道）容量C是用来量度信道传输信息的能力的一个指标。C为信道容量（bit/s），B为信道带宽（Hz），S/N为信噪比，M表示进制。香浓证明了，只要数字通信的速率小于信道容量C，总存在一种编码方法，能实现无误码的传输，反之，则不可能无误码传输。log[1]MSCBN6/1445.1无线电波传播特征频率范围波长频段名称波段用途3Hz～30kHz104～108m甚低频VLF长波音频、电话、数据终端、长距离导航30～300kHz104～103m低频LF长波导航、信标、电力线通信0.3～3MHz103～102m中频MF中波调幅广播、移动陆地通信3～30MHz102～10m高频HF短波移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电30～300MHz10～lm甚高频VHF米波电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航、集群通信、无线寻呼0.3～3GHz100～10cm特高频UHF分米波电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信3～30GHzl0～lcm超高频SHF厘米波微波接力、卫星通信、雷达30～300GHz10～1mm极高频EHF毫米波雷达、微波接力、射电天文学105～107GHz0.4～21µm红外、可见光、紫外光通信7/144各种波段波的特性-1长波的穿射能力最强，电磁波靠地波传播，但其收发信天线的占用场地很大，常用于海上通信。中波比较稳定，主要用于广播。短波在传输过程中，碰到电离层会发生反射现象因而其传输距离很远，故短波常用于远距离通信或广播。但极易受电离层变化的影响，信号会时强时弱。8/144各种波段波的特性-2超短波的传输特性同光波一样，是沿直线传播的，要求通信双方之间（两微波站之间）没有阻挡物，信号方能传输到对方。微波传输特性也和光波一样，只能沿直线传播即视距传播，绕射能力弱，且在传播中遇到不均匀的介质时，将产生折射和反射。9/1445.1.1电波传播所涉及到的地球大气层对流层平流层D层E层F1层F2层40~90KM90~110KM150KM250KM至1000KM10~20KM20~40KM电离层地球10/144对流层地球大气层中最低的一层，其平均高度达10～12km。在对流层中高度每升高1km，温度约下降6.5℃，到对流层顶温度大约已降到-56℃。在对流层中集中了大气中90％以上的水和3/4以上的大气质量。对流层对电波传播的影响主要取决于对流层本身的电气特性，可用折射指数来描述。11/144平流层从对流层顶到60km高度的大气层。在20km以下平流层的温度基本保持不变，所以又称为同温层。在20～50km高度范围内，其温度在逐渐升高，到达50km时达到约0℃左右的最大值。12/144电离层60～2000km高度的大气层。对流作用很小，由于太阳的紫外辐射、X射线以及某种程度的宇宙线的作用下使大气电离，形成大量的自由电子和离子，对无线电波传播产生影响。传输损耗较小，适用于高频无线电波的传播。磁层在电离层以上，是地球磁场所支配的空间区域。其正对太阳一侧，磁层可达到10个地球半径高度，其背对太阳一侧，则有一个长达数十甚至上百个地球半径的尾巴。13/1445.1.2无线电波在空间的传播模式电磁波在其横向平面中场值的大小和方向都不变，则称为均匀平面波。为简化起见，下面只讨论均匀平面波在自由空间中的传播情况。在无边界（开放）的无限空间中，电磁波的场结构只有横电磁波TEM。20151022广电14/1445.1.3电波传播的方式及特性无线电波由发射天线辐射到空间的各区域后，可依不同的路径到达接收天线处。直射波电离层对流层天波散射波地波地反射波CTR图5-3无线电波传播的几种方式15/1445.1.3电波传播的方式及特征地面波传播是指无线电波沿着地球表面的传播，简称地波。主要适用于长波和中波波段。特点：信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。16/144天波传播是指电波由高空电离层反射回来而到达地面接收点的传播方式。长、中、短波都可以利用天波进行远距离通信。17/1445.1.3电波传播的方式及特征散射传播利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现远距离传播的。主要用于超短波和微波远距离通信。18/1445.1.3电波传播的方式及特征视距（直射）传播指在发射天线和接收天线间能相互“看见”的距离内，电波直接从发射端传播到接收端(有时包括有地面反射波)的一种传播方式，又称直接波传播。视距传播的应用可分为三类情况：①地面上的视距传播；②地面上与空中目标之间的视距传播；③空间通信系统之间的视距传播。19/144电波传播特性-1电磁波传播的共同特性直线传播反射与折射干涉绕射20/144电波传播特性-2直线传播电磁波在均匀媒质中沿直线传播在均匀媒质中，电磁波各射线的传播速度相同,传播方向不变.21/144电波传播特性-3反射与折射当电波由一种媒质传播到另一种媒质时，在两种媒质的交界面上，传播方向会发生改变，产生反射和折射现象。并遵守光学的折射和反射定律。22/144电波传播特性-4电波的干涉由同一电波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点场强由不同路径的电波合成，这种现象叫做波的干涉，也称作多径效应。接收点的场强是由直射波和地面反射波合成的。23/144电波传播特性-5绕射现象电波在传播过程中有一定的绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射。当障碍物的大小确定后，波长越长，电波的绕射能力越强，波长越短，绕射能力越弱24/1445.2无线电波传播损耗1.能量的扩散与吸收2.自由空间传播损耗的计算3.自由空间传播条件下收信功率的计算4.大气吸收损耗5.雨雾引起的散射损耗6.大气折射的引起损耗7.电离层、对流层闪烁的引起损耗8.多经传播引起损耗25/144当电磁波离开天线后，便向四面八方扩散，随着传播距离增加，空间的电磁场就越来越弱假设发射天线置于自由空间（一个没有能够反射、折射、绕射、散射和吸收电磁波的无限大的真空中），若无方向性天线，辐射功率为PT瓦，则距离辐射源d米处的电场强度有效值为：5.2.1能量的扩散与吸收26/144上式表明：电场/磁场强度与传播距离成反比，当电波经一段路径传播后，能量会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。)/(300mVdPET5.2.1能量的扩散与吸收27/144无线传输损耗包括自由空间损耗、大气吸收损耗、降雨引起的损耗以及由于折射、散射与绕射、电离层闪烁与多径等引起的附加损耗最主要的就是自由空间传播损耗，在整个传输损耗中占绝大部分。其他因素引起的损耗，可以在考虑自由空间损耗的基础上加以修正。5.2.1能量的扩散与吸收28/1445.2.2自由空间传播损耗1.自由空间传播损耗的计算若无方向性（也称全向天线）天线的辐射功率为PT瓦时，则距辐射源d米处收点B处的单位面积上的电波平均功率，见图5-25得：由天线理论知道，一个各向均匀接收的天线，其有效接收面积为一个无方向性天线在B点收到的功率为：或22(/)4TSPWwmd（5-11）42A4422dPPTR24dfcPPTR（5-12）29/1445.2.2自由空间传播损耗1.自由空间传播损耗的计算图5-25计算电波传播损耗示意图30/1445.2.2自由空间传播损耗1.自由空间传播损耗的计算自由空间的传播损耗定义为：从式（5-13）可见，自由空间基本传播损耗Lp只与频率f和传播距离有关d，当频率增加一倍或距离扩大一倍时，[Lp]分别增加6dB。)(lg20)(lg2045.32)(4lg10lg102MHzfkmddBcdfPPLRTP（5-13）31/1445.2.2自由空间传播损耗1.自由空间传播损耗的计算若用发射天线的增益为GT，接收天线的增益为GR则式（5-13）应改写为：)]([)]([)(lg20)(lg2045.3214lg10lg10'2dBGdBGMHzfkmdGGcdfPPLRTRTRTP（5-14）32/1445.2.2自由空间传播损耗1.自由空间传播损耗的计算例5-1：某微波传输信道，发射天线的增益为22dB，接收天线的增益为18dB，收发距离为14500km，载波中心频率为5.904GHz。求：(1)该信道的基本传输损耗为多少?(2)若发射功率为25w,接收机的接收到的功率为多少?33/1445.2.2自由空间传播损耗1.自由空间传播损耗的计算解：（1）该信道的基本传输损耗为：（2）接收机的接收到的功率为：dBdBGdBGMHzfkmdLRTP15118224.752.8345.32)]([)]([)(lg20)(lg2045.32/)(109335.1102510141.1510/][wPPPLTR34/1445.2.2自由空间传播损耗2.自由空间传播条件下收信功率的计算无线通信中实际使用的天线均为定向天线，当收发天线增益分别为[GR]（dB），[GT]（dB）；收发天线馈线系统损耗分别为[Lr]（dB），[Lt]dB）时，则自由空间传播条件下，接收机接收功率为：][][][][][)()(PtrRTTRLLLGGdBmPdBmP（5-15）35/1445.2.2自由空间传播损耗2.自由空间传播条件下收信功率的计算例5-2：已知发射功率PT=1W，发信频率f=3800MHZ，收发距离为45km，[GT]=38dB，[GR]=40dB，馈线系统损耗[Lr]=1（dB），[Lt]=3（dB），求自由空间传播条件下收信功率。解：将PT=1W换成电平值：dBMHzkmdBcdfPPLRTP137)(3800lg20)(45lg2045.32)(4lg10lg102dBmmWmWPT3011000lg10-43dBm137-3-1-403830][][][][][)()(PtrRTTRLLLGGdBmPdBmP36/1445.2.3自然现象引起的损耗1.大气吸收损耗产生大气吸收损耗的气体主要是氧气、水蒸气以及水汽凝结物。原因有两个：一是电波的吸收，即电波的电磁能转变为热能；二是电波因水气及凝结物产生的散射。水蒸气的最大吸收峰在λ=1.3cm(f=23GHz）处；氧的最大吸收峰在λ=0.5cm(f=60GHz）处。微波工作频率小于12GHz时，和自由空间传播损耗相比，可以忽略不计。37/1445.2.3无线电波传播损耗1.大气吸收损耗图5-26水蒸气和氧吸收衰减38/1445.2.3无线电波传播损耗1.雨雾引起的散射损耗降雨引起的电波传播损耗的增加称为雨衰，雨衰是由于雨滴和雾对无线电波能量的吸收和散射产生的。雨雾中的小水滴能散射电磁波能量而造成散射衰耗，如图5-27所示。从图中曲线（e）可见，在浓雾情况下，波长大于4cm(7500MHz)、站距为50km的散射损耗约为3.3dB。一般来说，10GHz以下频段，雨雾的散射衰耗还不太严重，通常两站之间的衰耗也只有几分贝。但是10GHz以上频段，中继站之间