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1、第第3 3章章 移动信道中的传播特性移动信道中的传播特性 3.1 3.1 无线电波传播特性无线电波传播特性 3.2 3.2 移动信道的特征移动信道的特征 3.3 3.3 陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗 3.4 3.4 移动信道中的传播模型移动信道中的传播模型 移动信道为典型的变参信道，一般使用甚高频移动信道为典型的变参信道，一般使用甚高频VHFVHF(30 300 (30 300 MHz)MHz) 、特高频、特高频UHF (3003000MHz)频段频段，本章在阐述，本章在阐述VHFVHF和和UHFUHF频频段电波传播特性的基础上，重点讨论陆地移动信道的特征、传播段电波传播特性的
2、基础上，重点讨论陆地移动信道的特征、传播损耗的估算方法，并对其他移动信道作简单介绍。损耗的估算方法，并对其他移动信道作简单介绍。信道信道传输媒质传输媒质有线信道（架空明线、电缆、光纤）有线信道（架空明线、电缆、光纤）无线信道无线信道信道特性信道特性参数随外参数随外界变化界变化恒参信道恒参信道变参信道变参信道中长波地表面传播中长波地表面传播短波电离层反射传播短波电离层反射传播超短波和微波直射传播超短波和微波直射传播散射传播散射传播为何较早的移动通信系统主要使用为何较早的移动通信系统主要使用VHFVHF和和UHFUHF频段。频段。 (1)VHF(1)VHFUHFUHF频段适合于移动通信频段适合于移
3、动通信 从从VHFVHFUHFUHF频段电波的传播特性来看，主要是在视距范频段电波的传播特性来看，主要是在视距范围内，一般为几十公里。而大部分车辆的日常运动半径也在围内，一般为几十公里。而大部分车辆的日常运动半径也在几十公里范围内，因此这个频段适于移动通信。几十公里范围内，因此这个频段适于移动通信。 (2)(2)天线长度决定于波长，这个频段信号发射和接收时，天线长度决定于波长，这个频段信号发射和接收时，所使用的天线较短便于移动所使用的天线较短便于移动。 (3) (3) 抗干扰能力强抗干扰能力强 VHFVHFUHFUHF频段，可以用较小的发射功率获得较好的信噪频段，可以用较小的发射功率获得较好的
4、信噪比。比。 3.1 VHF、UHF电波传播特性电波传播特性 3.1.1 电波传播方式电波传播方式 发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率收机，当频率f f30 MHz30 MHz时，典型的传播通路如图时，典型的传播通路如图 3-1 3-1 所所示。示。图 3 1 典型的传播通路 发射天线接收天线3.1.2 直射波直射波 直射波传播可按自由空间传播来考虑直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓。所谓自由空间传播自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件
5、。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。会产生反射或散射。 实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信质，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。间传播。 即使自由空间传播，当电波经过一段路径之后，能量仍会即使自由空间传播，当电波经过一段路径之后，能量仍会受到衰减，这是由于
6、受到衰减，这是由于辐射能量的扩散辐射能量的扩散而引起的。由电磁场理论而引起的。由电磁场理论可知，若可知，若各向同性天线各向同性天线( (亦称全向天线或无方向性天线亦称全向天线或无方向性天线) )的辐射的辐射功率为功率为P PT T瓦时，距离辐射源瓦时，距离辐射源dmdm处的单位面积上的处的单位面积上的电波功率密度电波功率密度S S为为 )/(422mWdPST 若用若用天线增益为天线增益为G GT T的的方向性天线方向性天线取代各向同性天线，则取代各向同性天线，则上述公式应改写为上述公式应改写为: : )/(422mWdGPSTT 接收天线获取的电波功率接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率
7、密度乘以等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即接收天线的有效面积，即 RRSAP 式中，式中，A AR R为接收天线的有效面积，它与为接收天线的有效面积，它与接收天线增益接收天线增益G GR R满足下列关系满足下列关系 RRGA42式中，式中，2 2/4/4为各向同性天线的有效面积。为各向同性天线的有效面积。 24dGGPPRTTR当收、发天线增益为当收、发天线增益为0dB0dB，即当，即当G GR R= =G GT T=1=1时，接收天线上获时，接收天线上获得的功率为得的功率为 24dPPTR由上式可见，自由空间传播损耗由上式可见，自由空间传播损耗L Lfsfs可定义为可定义为 2
8、4dPPLRTfs以dB计， 得 24101)(dgdBLfs)(4201)(dBdgdB或 )(201)(20144.32)(zfsMHgfkmgddBL式中，式中，d d的单位为的单位为kmkm，频率单位以，频率单位以MHzMHz计。由此可见自由空间计。由此可见自由空间中电波传播损耗只与工作频率中电波传播损耗只与工作频率f f和传播距离和传播距离d d有关，当有关，当f f或或d d增增大一倍时，大一倍时，LfsLfs将分别增加将分别增加6dB6dB。(3-13)3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播 在实际移动信道中，电波在底层大气中传播，底层在实际移动信道中，电波在底层大气中传播
9、，底层大气并不是均匀介质，因此会产生大气并不是均匀介质，因此会产生折射及吸收现象折射及吸收现象，在，在VHFVHF、UHFUHF波段的折射现象尤为突出，它将直接影响波段的折射现象尤为突出，它将直接影响视线视线传播的距离传播的距离。3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 图 3 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙； (b) 正余隙 在实际情况下，电波传播路径上存在各种障碍物，由障在实际情况下，电波传播路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗绕射损耗。图中，。图中，x x表示障碍表示障碍物顶点物顶点P P至直射线至直射线TRTR的距离，
10、称为的距离，称为菲涅尔余隙菲涅尔余隙。规定。规定阻挡时阻挡时余隙为负余隙为负；无阻挡时余隙为正无阻挡时余隙为正。由障碍物引起的绕射损耗与由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系菲涅尔余隙的关系如图如图3-43-4所示。图中，纵坐标为绕射引起所示。图中，纵坐标为绕射引起的的附加损耗附加损耗。横坐标为。横坐标为x x/ /x x1 1, ,其中其中x x1 1是第一菲涅尔区在是第一菲涅尔区在P P点横点横截面的半径截面的半径，它由下列关系式可求得：，它由下列关系式可求得： 21211ddddx(3-21)图图 3 4 绕射损耗与余隙关系绕射损耗与余隙关系 当当x x/ /x x1 10.5 0.5
11、 时，附加损耗约为时，附加损耗约为0dB0dB，即，即障碍物对障碍物对直射波传播基本上没有影响直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x x0.50.5x x1 1; ; 当当x x0 0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；增加； 当当x x=0=0时，即时，即TRTR直射线从障碍物顶点擦过时，附加直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为损耗约为 6 dB6 dB。 例例3131设图设图3-3(3-3(a a) )所示的传播路径中，菲涅尔余
12、隙所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m, x=-82m, d d1 1=5km, =5km, d d2 2=10km, =10km, 工作频率为工作频率为150MHz150MHz。试求出电波传播。试求出电波传播损耗。损耗。解：先由式解：先由式(3-13)(3-13)求出自由空间传播的损耗求出自由空间传播的损耗L Lfsfs为为 dBggLfs5 .99150201)105(20144.32由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径x1为 mddddx7 .811015101105234321211由图 3 - 4 查得附加损耗(x/x1-1)为17dB, 所以电波传播的损耗L为 dBLLfs5
13、 .116173.1.5 反射波反射波 图 3 5 反射波与直射波 TaobcRhrd1d2ht 由于大地和大气属于不同的介质，所以入射波会在界由于大地和大气属于不同的介质，所以入射波会在界面上产生反射。通常，在考虑地面对电波的反射时，按面上产生反射。通常，在考虑地面对电波的反射时，按平平面波处理面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用面的反射特性用反射系数反射系数R R表征，它定义为反射波场强与表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值入射波场强的比值，R R可表示为可表示为 jeRR式中，式中，| |R R| |为反射点上反
14、射波场强与入射波场强的振幅比，为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比， 代表反射波相对于入射波的相移。代表反射波相对于入射波的相移。 )1 ()Re1 ()(00jjeREEE这时接收场强这时接收场强E E可表示为可表示为 直射波与反射波的合成场强将随反射系数以及路径差的变直射波与反射波的合成场强将随反射系数以及路径差的变化，而有时同相相加，有时反向抵消，这就造成了化，而有时同相相加，有时反向抵消，这就造成了合成波衰落合成波衰落现象现象。|R|R|越接近于越接近于1 1，衰落越严重。为此，在固定地址通信中，衰落越严重。为此，在固定地址通信中，选择站址时应力求减落地面反射，或调整天线的位置或高
15、度，选择站址时应力求减落地面反射，或调整天线的位置或高度，使地面反射区离开光滑界面。当然这种做法很难在移动通信中使地面反射区离开光滑界面。当然这种做法很难在移动通信中实现。实现。 3.2 移动信道的特征移动信道的特征 3.2.1 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落 图图 3 6 3 6 移动信道的传播路径移动信道的传播路径D1D1为地面反射波，为地面反射波，D2D2为散射波，为散射波，D3D3为直射波为直射波 dd1d2hmhb 移动台接收信号的场强由以上三种电波矢量合成，假设移动台接收信号的场强由以上三种电波矢量合成，假设反射系数反射系数R R=-1(=-1(镜面反射镜面反射) )， 则合
16、成场强则合成场强E E为为 )1 (2102221djdjeaeaEE式中，式中，E E0 0是直射波场强，是直射波场强，是工作波长，是工作波长，1 1和和2 2分别是分别是地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数，而地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数，而 dddddd2211 在实际移动信道中，散射体很多，因此接受信号是由多个在实际移动信道中，散射体很多，因此接受信号是由多个电波合成，直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，电波合成，直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落如下图所示使信号产生深度且快速的衰落如下图所示典型信号衰落特性 横坐标是时间或距离，纵坐标是信号相对电平，信号电平横坐标是时间或距离，纵坐标是信号相对电平，信号电平的变动范围为的变动范围为303040dB40dB。 图中，图中，虚线表示的是信号的局部中值虚线表示的是信号的局部中值，含义是局部时间中，含义是局部时间中（局部地点中），信号电平大于或小于它的时间各为（局部地点中），信号电平大于或小于它的时间各为50%50%。 由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地物是由于移
