1-1-2-3-基本概念解析优秀PPT.ppt

第一章第一章 电波传播工程计算中的一些基本概念电波传播工程计算中的一些基本概念1.1 1.1 无线电通信信道的表述方法无线电通信信道的表述方法信道：所谓信道是指传输信息的媒质或通道。信道：所谓信道是指传输信息的媒质或通道。（仅指传播媒质而言的信道称为狭义信道。）（仅指传播媒质而言的信道称为狭义信道。）信道的主要共性：信道的主要共性：1.1.全部信道均具有输入端；全部信道均具有输入端；2.2.全部信道均具有输出端；全部信道均具有输出端；3.3.即使信道输入端无信号输入，在输出端也存即使信道输入端无信号输入，在输出端也存在在 着噪声输出；着噪声输出；电波科学探讨的重点之一是：各种媒质对所传输信号电波科学探讨的重点之一是：各种媒质对所传输信号的最终作用结果（衰减、时延、畸变等）。特殊是对流的最终作用结果（衰减、时延、畸变等）。特殊是对流层和电离层等随机时变媒质影响更困难。层和电离层等随机时变媒质影响更困难。1我们引入信道模型来表征信道的一般特征。我们引入信道模型来表征信道的一般特征。最简洁的信道模型如图最简洁的信道模型如图1-1所示，所示，为信道输入端已为信道输入端已调制信号，调制信号，是输出信号。是输出信号。图图1-1 信道模型信道模型4.信号在传输过程中均遭遇衰减和时延，或受到其信号在传输过程中均遭遇衰减和时延，或受到其它影响，如衰落，畸变等；它影响，如衰落，畸变等；5.绝大多数信道是线性的，满足叠加原理。绝大多数信道是线性的，满足叠加原理。2信道的输出输入间的关系为：信道的输出输入间的关系为：其中其中 因子表示信道对所传输信号的作用，称为乘性干因子表示信道对所传输信号的作用，称为乘性干扰因子；扰因子；n(t)是信道混迹于信号中确定数量的噪声干扰，是信道混迹于信号中确定数量的噪声干扰，称为加性干扰因子；加性干扰称为加性干扰因子；加性干扰n(t)与输入信号与输入信号 彼此独立彼此独立不发生依从关系，即使信道没有信号输入，在输出端照不发生依从关系，即使信道没有信号输入，在输出端照旧存在。而旧存在。而k(t)伴随信号存在。不同的信道就反映在不同伴随信号存在。不同的信道就反映在不同的的n(t)和和k(t)。(1-1)一般是一个困难的函数一般是一个困难的函数，从相对意义上讲信道分，从相对意义上讲信道分为两类：恒参信道，即可把为两类：恒参信道，即可把 看成不随时间变更或基本不看成不随时间变更或基本不随时间变更的信道；随参信道或称随机时变信道随时间变更的信道；随参信道或称随机时变信道,即即 是是随机函数的信道。随机函数的信道。3随参信道的主要特点：随参信道的主要特点：(1)(1)传输衰减不稳定，信号有慢衰落现象；传输衰减不稳定，信号有慢衰落现象；(2)(2)信号传输时延不稳定；信号传输时延不稳定；(3)(3)多径传输，使接收信号有快衰落与频率多径传输，使接收信号有快衰落与频率选择性选择性 衰落。衰落。典型的随参信道有短波电离层反射信道、对典型的随参信道有短波电离层反射信道、对流层散射信道等。明显，对随参信道的分析流层散射信道等。明显，对随参信道的分析比恒参信道困难得多。比恒参信道困难得多。下面简要探讨对无线电通信信道的几项下面简要探讨对无线电通信信道的几项基本传输特性传输损耗、衰减特性、多径基本传输特性传输损耗、衰减特性、多径效应等。效应等。41.2 1.2 传输损耗传输损耗 传输损耗是用以度量信道衰减特性的物理量。对于某传输损耗是用以度量信道衰减特性的物理量。对于某一具体的传输电路，定义放射天线输入功率一具体的传输电路，定义放射天线输入功率 与接收天与接收天线输出功率线输出功率（匹配时）之比为该电路的系统传输损耗，（匹配时）之比为该电路的系统传输损耗，若以分贝表示，则为若以分贝表示，则为 (1-2)信号在信道中传输时总有衰减，一方面是随着电信号在信道中传输时总有衰减，一方面是随着电波传播距离的增加，由于球面波自然扩散引起的衰减；波传播距离的增加，由于球面波自然扩散引起的衰减；另一方面传输媒质及障碍物等对电波的吸取、散射、另一方面传输媒质及障碍物等对电波的吸取、散射、绕射、或反射等引起衰减。绕射、或反射等引起衰减。5由电波传播基本理论可知，接收点由电波传播基本理论可知，接收点场强场强（有效值）的表（有效值）的表示式为示式为(1-3)接收点的接收点的功率流密度功率流密度 （即坡印亭矢量值）及接收天线的（即坡印亭矢量值）及接收天线的输出功率输出功率 分别为分别为(1-4)(1-5)6其中其中 为自由空间接收点场强，为自由空间接收点场强，为该电路的衰减因子，为该电路的衰减因子，与与 分别为放射天线和接受天线的增益，分别为放射天线和接受天线的增益，为收发天线间的距为收发天线间的距离，离，为电波波长。为电波波长。则则：（1-6）由于衰减因子由于衰减因子 通常小于通常小于1，故，故 为负值，为负值，则则为正值为正值体现了媒质对电波作用而引起的传输损耗，由上式可以体现了媒质对电波作用而引起的传输损耗，由上式可以看出，系统传输损耗看出，系统传输损耗 与工作频率、传输距离、传播方与工作频率、传输距离、传播方式、媒质特性以及收发天线增益等因素有关，一般为几式、媒质特性以及收发天线增益等因素有关，一般为几十至十至200dB左右。左右。7 在式在式(1-6)中，若令中，若令即假设收发天线无方向性。则所得表示式为即假设收发天线无方向性。则所得表示式为由于由于 与天线增益无关，仅确定于电路的传输状与天线增益无关，仅确定于电路的传输状况，故称它为基本传输损耗或称为路径损耗。况，故称它为基本传输损耗或称为路径损耗。(1-7)8若同时又令若同时又令 即衰减因子即衰减因子 ，即假设电波是在自由空，即假设电波是在自由空间内传播间内传播，则得则得 (1-8)其中其中 称为称为自由空间传播损耗自由空间传播损耗。所谓所谓自由空间传播损耗自由空间传播损耗是指球面波在传输过程中，随着是指球面波在传输过程中，随着传播距离的增加，能量的自然扩散而引起的损耗。传播距离的增加，能量的自然扩散而引起的损耗。衰减因子衰减因子 是相对自由空间的传输损耗。由（是相对自由空间的传输损耗。由（13）式得）式得(1-9a)9一般状况下一般状况下 ，故，故 为一负值。在习惯上，常常接为一负值。在习惯上，常常接受以下表示方法：受以下表示方法：由于传输状况不同，媒质传输损耗由于传输状况不同，媒质传输损耗 可能包含有下列部分：可能包含有下列部分：吸取损耗，反射影响或散射，极化耦合损失，孔径介质耦合损失，吸取损耗，反射影响或散射，极化耦合损失，孔径介质耦合损失，波的干涉效应。波的干涉效应。信道电波传播工程计算的重要内容之一就是计算信道电波传播工程计算的重要内容之一就是计算A值。值。(1-9b)10111.3 多径传输多径传输在随机时变信道中，有放射点发出的电波可能通过多条路在随机时变信道中，有放射点发出的电波可能通过多条路径到达接收点，这种现象称为多径传输。径到达接收点，这种现象称为多径传输。就每条路径的信号而言，它的衰减和时延都是随机变更的，就每条路径的信号而言，它的衰减和时延都是随机变更的，经多径传输后的接收信号将是多径随机信号的合成。经多径传输后的接收信号将是多径随机信号的合成。设信道输入端的信号为：设信道输入端的信号为：经过经过n条路条路径传输后，在信道输出端的信号径传输后，在信道输出端的信号 则：则：(1-10)12式中，式中，是第是第j条路径接收信号的振幅，条路径接收信号的振幅，是是第第j条路径的传输时延，条路径的传输时延，是由是由 引起的滞后相位。引起的滞后相位。实际观测发觉实际观测发觉,与与 较之放射信号的较之放射信号的周期，其变更要缓慢得多，即周期，其变更要缓慢得多，即 与与 可看成是缓慢变更的随机过程。可看成是缓慢变更的随机过程。则：则：令令 13则：则：式中，式中，表示合成波表示合成波 的的包络包络，(1-11)表示合成波表示合成波 的的相位相位。由式（由式（111）可以看出）可以看出：1.从波形上看，多径传输的结果使单一载频的确定信号从波形上看，多径传输的结果使单一载频的确定信号 变成了包络和相位都受到调制的窄带信号变成了包络和相位都受到调制的窄带信号见图见图1-3(a)。由于。由于它是大量的独立随机变量之和，因而这样的信号也是衰落信它是大量的独立随机变量之和，因而这样的信号也是衰落信号。号。2.从频谱上看，多径传输引起了频率弥散，即由单一频率从频谱上看，多径传输引起了频率弥散，即由单一频率变成了一个窄带频谱变成了一个窄带频谱见图见图1-3(b)，使信号产生非线性失真。，使信号产生非线性失真。凡具有这种传输特性的信道就称为衰落多径信道，或称时变凡具有这种传输特性的信道就称为衰落多径信道，或称时变时延闲逛信道。时延闲逛信道。14 接收信号频谱中频率间隔较大的重量，有着不同接收信号频谱中频率间隔较大的重量，有着不同的且随时间而随机变更的衰减和相移，这种现象就的且随时间而随机变更的衰减和相移，这种现象就称为频率选择性衰落。称为频率选择性衰落。当上述信道传输宽带信号时，会产生当上述信道传输宽带信号时，会产生频率选择性频率选择性衰落衰落现象，这是多径传输效应的又一重要特征。现象，这是多径传输效应的又一重要特征。为简化分析，设多径传输路径只有两条，且假定为简化分析，设多径传输路径只有两条，且假定到达接收点的两条路径信号具有相同的幅度。由于到达接收点的两条路径信号具有相同的幅度。由于传输路径的长度不同，两路信号之间有时延差传输路径的长度不同，两路信号之间有时延差 。此时接收点场强是由两条路径传来的，相位差为此时接收点场强是由两条路径传来的，相位差为 的两个信号的叠加的两个信号的叠加图图1-4(a)。15 很明显，由于路径效应，信道对不同频率的重量有不同很明显，由于路径效应，信道对不同频率的重量有不同的响应，如的响应，如图图1-4(b)所示的辐射特性。由于信道的时变所示的辐射特性。由于信道的时变性，相对时延差性，相对时延差 是随机变量，故幅频特性曲线上出现的是随机变量，故幅频特性曲线上出现的零点与极点在频率轴上的位置是随机变更的。零点与极点在频率轴上的位置是随机变更的。上述概念可以推广到多径传输状况。明显，接收信号上述概念可以推广到多径传输状况。明显，接收信号频谱中频率间隔较大的重量，有着不同的且随时间而随频谱中频率间隔较大的重量，有着不同的且随时间而随机变更的衰减和相移。机变更的衰减和相移。16 在多径传输状况下，对信号电平有贡献的各重量是经在多径传输状况下，对信号电平有贡献的各重量是经过不同路径，从不同方向到达接收点，因而具有一个路过不同路径，从不同方向到达接收点，因而具有一个路径时延的散布范围。若令径时延的散布范围。若令 是最长路径与最短路径是最长路径与最短路径之间的路径时延，称它为多径散布。定义多径散布的倒之间的路径时延，称它为多径散布。定义多径散布的倒数为信道相关带宽，即数为信道相关带宽，即 假如传输信号的频谱宽度大于假如传输信号的频谱宽度大于 ，则信号波形将产生，则信号波形将产生明显的畸变。为此在系统设计中不得不对所传输信号的带明显的畸变。为此在系统设计中不得不对所传输信号的带宽有所限制。宽有所限制。(1-12)17 通常的方法是依据给定概率的通常的方法是依据给定概率的 值及允许的值及允许的失真度来确定容许的传输带宽。失真度来确定容许的传输带宽。如：短波信道传输信号带宽，一般为如：短波信道传输信号带宽，一般为0.5-5kHz。表表1-1中给出了某些信道多径散布的一般数量范围，中给出了某些信道多径散布的一般数量范围，它与信道类型、通信距离、天线波束宽度、射线仰角等它与信道类型、通信距离、天线波束宽度、射线仰角等因素有关。由于随参信道的时变性，不同的因素有关。由于随参信道的时变性，不同的 值出现的值出现的概率也不同。概率也不同。18 返回 19 图14 频率选择性衰落（a）多径传输等效电路（b）幅频特性 返回 20 返回 21