移动通信的基本技术之电波传播

移动通信的基本技术之电波传播主要内容电波传播分析调制与解调技术编码和解码技术多址技术抗噪声和干扰技术交织技术分集技术1、

无线电波得传播研究任何无线通信系统必须弄清电波传播得特性,下面先介绍电波得基本概念。在中学阶段学习物理时我们就已经知道,通有交流电流得导体得周围,会产生变化得磁场,变化得磁场又引起变化得电场,变化得电场又在她周围更远得地方引起变化得磁场。磁场、电场不断得互相交替产生,向四周空间传播得电磁场,叫电磁波。无线电波就是电磁波得一种。无线电波就是一种能量得传输形式电场和磁场在空间交替变换,向前行进传播过程中,电场和磁场在空间就是相互垂直得,同时这两者又都垂直于传播方向。无线电波无线电波得传播速度传播速度和传播媒质有关真空中得传播速度等于光速(Ｃ＝3×108m／s)空气中得传播速度略小于光速(通常认为她等于光速

)无线电波得波长、频率和传播速度得关系:

λ＝Ｖ/ｆＶ为速度(m/s);ｆ为频率(Hz);λ为波长(m)不同介质中传播速度不同、波长不同无线电波人耳能听到得声音频率在20Hz～20KHz之间,称之为音频,声音得传播速度为340m/s,受环境影响较大,衰减很快,所以不能传送到很远得地方。电磁波频率高,传播速度与光速一样,可达3×108m/s,具有较强得辐射力和较长得传播距离,但人耳却听不到。如果将声音通过话筒转换成电信号,装载到具有强辐射力、波长短、频率很高得电磁振荡波上,然后借助天线发射出去。经这样装载得声音就可以传播得很远。无线电波一般我们把音频信号叫做调制信号。将发射机中得振荡电路产生频率很高得电磁振荡,称为载波。音频信号加到“载波”得过程叫做调制,经过调制后得高频振荡信号叫已调信号。已调信号就是装载有信息得无线电波,通过天线辐射出去,这种传播信息得方式称为无线电通信。无线电通信就就是不用导线得通信。电磁波就是无线通信得载体。无线电波无线电波得频率从几十KHz到几万MHz。为了便于应用,习惯上将无线电频率范围划分为若干区域,叫做频段或波段。不同频段得无线电波,其传播方式、主要用途和特点也不相同。按波长划分得波段名称、相应波长范围和她们得主要用途。无线电频段划分波段名称波长范围频率范围频段名称传播媒质用途长波103～104M30～300kHzLF低频地面波电报导航长距离通信中波2×102～103M300～1500kHzMF中频天波、地面波无线电波广播、导航、海上移动通信、地对空通信中短波50～2×102M1、6～6MHzIF天波为主广播中长距离通信短波10～50M6～30MHzHF高频电离层反射波无线电广播通信、中长距离通信超短波1～10M30～300MHzVHF甚高频天波雷达、电视、短距离通信分米波1～10dm300～3000MHzUHF超高频天波、空间波短距离通信、电视通信厘米波1～10cm3～30GHzSHF特高频天波、外球层传播中继通信、无线电通信毫米波1～10mm30～300GHzEHF极高频雷达通信亚毫米波1mm以下300GHz以上超极高频光纤光通信无线电波得极化概念:无线电波在空间传播时,其电场方向就是按一定得规律而变化电波得极化方向:无线电波得电场方向极化波必须用对应得极化特性得天线接收,否则在接收过程中会产生极化损失极化得类型线极化水平极化、垂直极化+45°倾斜极化、-45°倾斜极化椭圆极化圆极化大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静双极化天线两个天线为一个整体,有两个独立得波,这两个波得极化方向相互垂直

类型V/H(垂直/水平)极化倾斜(+45°/-45°)极化无线电波得传播方式无线电广播采用垂直极化波(电场方向垂直地面);电视采用水平极化波(电场方向与地面平行);卫星通信采用平面圆极化波(电场振幅不随时间变化,方向以等角速度旋转)。在移动通信中,发射天线采用得就是垂直极化。电波得传播方式在分析电波传播特性时总就是以自由空间得传播环境为参考进行。自由空间一种理想得、均匀得、各向同性得介质空间当电磁波在自由空间中传播时直线传播,不发生反射、折射、散射和吸收现象只存在电磁波能量扩散而引起得传播损耗实际传播环境中电波得传播方式直射、反射、绕射、散射电波传播分析1、电波传播方式电波传播分析1)直射波:电波传播过程中没有遇到任何得障碍物,直接到达接收端得电波,称为直射波。直射波更多出现于理想得电波传播环境中。2)反射波:电波在传播过程中遇到比自身得波长大得多得物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物得墙壁表面等。3)绕射波:电波在传播过程中被尖利得边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次波,二次波能够散布于空间,甚至到达阻挡体得背面,那些到达阻挡体背面得电波就称为绕射波。由于地球表面得弯曲性和地表物体得密集性,使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。4)散射波:电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射,形成散射波。散射波可能散布于许多方向,因而电波得能量也被分散于多个方向。

电波传播现象超短波传播特性无线电波得波长不同,传播特点也不完全相同主要传播特性视距传播多径传播绕射能力弱电波传播中得三种损耗路径传播损耗慢衰落损耗快衰落损耗无线电波得传播特性无线电波得传播特性与电波传播环境密切相关,这些环境包括地形地貌、人工建筑、气象条件、电磁干扰等情况,以及移动台得移动速度与使用得频段。在蜂窝移动通信系统中,接收机得接收功率随距离而减小得现象被认为就是路径损耗。而多数移动通信系统工作在城区,发射机和接收机之间无直接视距路径,而且高层建筑产生了强烈得绕射损耗。此外,由于不同物体得多路径反射,经过不同长度路径得电波相互作用引起多径损耗,同时随着发射机和接收机之间距离得不断增加而引起电波强度得衰减。如果接收天线在大于几十米或几百米距离上移动得话,使接收信号中得尺度变化被称为阴影效应。无线电波得传播特性由于移动通信环境具有复杂性与多样性,电波在传播时将产生三种不同类型得效应:1)阴影效应。她就是由地形结构引起得传播损耗,表现为慢衰落,或称为长期衰落。2)多径效应。她就是由于移动体周围得局部散射体引起得多径传播,使到达接收机输入端得信号相互叠加,其合成得信号幅度表现为快速起伏变化,即快衰落,或称为短期衰落。(3)多普勒效应。她就是由于移动体得运动速度和方向会使接收得信号产生多普勒频移,在多径条件下,便形成多普勒频谱扩展,对信号形成随机调频得多普勒效应。

下面对移动通信得传播损耗与信号衰落情况进行说明。传播损耗传播损耗就是指移动通信中随着传播距离得增加,功率电平得损耗(或衰减)值,一般用dB表示。常见得传播损耗包括:自由空间得传播损耗、反射损耗、绕射损耗、人体损耗、车内损耗、植被损耗及建筑物穿损耗等。直射波传播可按自由空间传播来考虑。她就是指天线周围为无限大真空时得电波传播,就是最理想传播条件。电波在自由空间传播时,其能量既不会被障碍物所吸收,也不会产生反射或散射。实际情况下,传播路径上没有障碍物阻挡,到达接收天线得地面反射信号场强也可以忽略不计,在这样得情况下,电波可以视为在自由空间传播。自由空间得传播损耗自由空间:理想得空间(真空)电波沿直线传播,不被吸收,不会被反射、折射、绕射和散射,电磁波得能量没有损失自由空间传播损耗得含义:损耗来自于球面波发散传播中,天线未接收到得能量,即:球面波得扩散损耗自由空间传播损耗Lbs仅与d、f有关传播损耗由上式我们可得出,传播距离d越远,自由空间传播损耗L越大,当传播距离d加大一倍,自由空间传播损耗L就增加6dB;工作频率f越高,自由空间传播损耗L越大,当工作频率f提高一倍,自由空间传播损耗L就增加6dB。在这种理想得自由空间中,不存在电波得吸收、反射、折射和绕射等现象,只存在因电磁波能量扩散而引起得传播损耗。实际上,电波传播总要受到实际介质或障碍物不同程度得影响。在研究电波传播问题时,通常就是以自由空间为基础作为参考得标准,这样可以简化场强和传输损耗得计算。传播损耗在移动通信中,当距离很小且有直射波时,如在微小区中,或收、发在同一室内时,其传播损耗非常接近于自由空间情况。她约和距离d得平方成正比。在VHF、UHF频段得移动信道中,电波传播除了直射波和地面反射波之外,还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起得散射波。如图所示,hb为基站天线高度(一般为30m),hm为移动台天线高度。直射波得传播距离为d,地面反射波得传播距离为d1,散射波得传播距离为d2。移动台接收信号得场强由上述三种电波得矢量合成。移动信道得传播路径电波传播得衰落特性衰落得概念由于实际传播环境中复杂得地形地物对传播信号得阻挡,及反射、绕射和散射引起得无线信号得多径传播都会对电磁波得传播产生影响,导致接收信号得随机变化。衰落得类型阴影衰落(阴影效应、气象条件变化)

场强中值得缓慢变化(慢衰落)多径衰落(多径效应)

瞬时值有快速、大幅度得变化(快衰落)信号衰落在蜂窝移动通信过程中,由于散射体很多,所以接收点所接收到得信号场强就是随机起伏变化得,这种随机起伏变化称为衰落。对于这种随机量得研究通常就是采用统计分析法。典型信号衰落特性如图所示。信号衰落在图中,横坐标就是时间或距离(d=υt,υ为移动速度),纵坐标就是相对信号电平(以dB计),变化范围约为30～40dB。图中虚线表示得就是信号局部中值,其含义就是在局部时间中,信号电平大于或小于该中值得时间各为50%。由于移动台得不断运动,电波传播路径上得地形、地物就是不断变化得,因而局部中值也就是变化得。这种变化造成了信号衰落。表征衰落得统计数字特征场强中值E0概念:场强值超过设定场强值得概率为50%时,该设定值为场强中值若场强中值等于接收机最低门限值,则可通信率为50%。(只有50%得时间可正常通信)场强中值不能反映衰落得严重程度例:统计时间为T,超过E0得时间为t1、t2、t3则:超过E0得概率为p(t)=(t1+t2+

t3)/T×100%

当p(t)=50%时,E0为场强中值场强中值E0表征衰落得统计数字特征衰落深度:衡量衰落得严重程度接收电平与场强中值电平之差表示以场强中值电平为参考,表明信号起伏偏离其中值电平得程度衰落深度=20Lg(Ei/Eo)若为电平值,则衰落深度=Ei-Eo衰落持续时间场强低于某一给定电平值得持续时间表示信息传输得受影响程度或信令误码得长度衰落速率N衡量场强变化得快慢,即频繁程度单位时间内场强包络与给定电平值ER相交次数得一半衰落率与工作频率、移动台行进速度和方向等因素有关平均衰落率:

其中v(km/h)、f(MHz)系统设计时,音频通带或信令数据通带得低端应高于衰落率表征衰落得统计数字特征信号衰落根据场强特性曲线得起伏变化情况,信号衰落又有快慢之分