民航通信基本原理

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5 无线电几何
大圆距离 沿地球表面两点间的最短距离（近似认为地球 为球体）
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5 无线电几何
大圆距离（续） 大圆距离计算公式
实际地球为扁球体，赤道处半径为6336 km， 两极处半径为6399 km，通常将地球视为一个 半径为6370 km的球体。
因此，接收天线所接收的功率为
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4 各向同性功率源和自由空间路径损耗 自由空间的路径损耗公式（续）
接收功率 两边取对数
而路径损耗
代入化简
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4 各向同性功率源和自由空间路径损耗
例 A.假设视距传输，求一个飞机VHF发射机与一个300 km远的接收站之间的最大自由空间路径损耗。 B.假设发射机的发射功率不变，欲使接收机接收到 四倍的功率，飞机与接收站的距离需要变为多远？ 解：A.
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7 调制
什么是调制？ 调制是将需要发送的信息（如语音或原始的计 算机数据）变换到适合所用信道（通常为如前 所述的含有吸收气体的自由空间）传输的形式 载波调制
• 将原始数据或语音信号（通常称为基带信号）调制 到一个载波信号上
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7 调制
为什么要调制？ 天线尺寸限制 频分复用 扩频抗干扰
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f
fk
fk＋2/Ts
fk＋1/Ts
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8 复用
正交频分复用（续） 说明
• 每路子载波的调制可以是多进制调制 • 每路子载波的调制方式可以不同
OFDM的缺点
• 对信道的频率偏移和相位噪声很敏感 • 信号峰值功率和平均功率比值较大，降低射频功放
的效率
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将地球近似视为球体导致的误差最大约为0.5% 精度±0.5%，该精度在无线电中通常已够用
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5 无线电几何
大圆距离（续） 例 一架飞机在离开澳大利亚的凯恩斯机场（16°36′S
，145°30′E）后达到巡航高度（假设为10 000 m）。 在一个GPS设备处（18°18′S，139°12′E）VHF通信丢 失，凯恩斯机场VHF天线顶部的的高度为890 m。（使用1 海里/公里为8/5的转换关系。）k因子为多少？ 解：
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5 无线电几何 无线电地平线的计算（续）
不同飞行高度的地平线距离
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5 无线电几何 无线电地平线的计算（续）
地平线距离随飞行高度的变化
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5 无线电几何
地球膨胀因子——k因子
电磁波在大气中传播时，因折射现象传播路径 会发生弯曲
计算无线电地平线距离时，引入“等效地球半
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8 复用
正交频分复用（续）
虽然各路子载波的频谱重叠，但是实际上在一个码元 持续时间内它们是正交的。故在接收端很容易利用此 正交特性将各路子载波分离开。
采用这样密集的子载频，并且在子信道间不需要保护 频带间隔，因此能够充分利用频带。这是OFDM的一大 优点。
Δf
• 利用信头标记可对被传送信息划分优先等级，保证 实时性较强的业务及时传送
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8 复用
正交频分复用（OFDM）
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
|C(f)| f
Ts
B
f 单载波调制 c(t)
|C(f)| f
t t
B
f
多载波调制 NT
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4 各向同性功率源和自由空间路径损耗
各向同性功率源的定义（理想状态） 是具有无穷小体积的极小的源（即体积≈0 m3） 均匀地向各个方向辐射无线电功率（即传播的包 络是一个表面扩张的球）； 无损耗
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4 各向同性功率源和自由空间路径损耗
重的损耗
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
大气吸收引起的损耗（续） 水吸收
• 当设计通信链路时，应考虑到降雨区 • 当ICAO设计需要在全世界范围内工作的无线电系统
时，必须考虑最糟的雨区损耗状况
ITU降雨等级分类
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
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5 无线电几何
无线电地平线的计算 A点处有一飞机，海拔高度为h1 飞机与无线电地平线距离为d1
Q R >> h1,∴ 2R + h1 ≈ 2R
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5 无线电几何
无线电地平线的计算（续） 在B处增加一机载或高塔天线， 高度为h2 两点间的视距距离为
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8 复用
正交频分复用（续） OFDM应用
• WLAN • DVB • DTMB • ……
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8 复用 双工
频分双工（FDD，Frequency Domain Duplex）
时分双工（TDD，Time Domain Duplex）
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径”kR，k——k因子
• k>1，曲率变小， 地平线距离增大
• k<1，曲率变大， 地平线距离减小
• 对高可靠通信，通常取k为2/3 或0.5,地平线距离减小10-20%
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5 无线电几何
海里(Nautical Mile) 纬度1分所对应地球表面的长度 1 NM = 1.852 km 纬度1度对应于60NM (111km)
• 低频和甚低频 • 必须是垂直极化 • 频率越低损耗越小 • 不适合航空应用
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
非视距传播（续） 反射和多径
• 反射的有利面：手机利用墙壁的反射穿过窗户和隧道 • 反射的不利面：多径
两径模型
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
t
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8 复用
正交频分复用（续） 单载波调制和多载波调制比较 单载波体制
• 码元持续时间Ts短，但占用带宽B大；由于信道特性 |C(f)|不理想，产生码间串扰。
多载波体制
• 将信道分成许多子信道。假设有10个子信道，则每 个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道 的带宽也随之减小为1/10。码间串扰可以得到有效 的克服。
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5 无线电几何 大圆距离（续）
在VHF频段，常能接收到比地平线 更远的信号
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
折射 层折射
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
折射（续） 障碍物折射
光滑障碍物折射
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8 复用 时分复用（TDM）
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8 复用
频分复用（FDM） 波分复用（WDM）
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பைடு நூலகம்46
8 复用
标记复用（统计复用） ATM的复用方式 ATM（Asynchronous Transfer Mode）
• “异步”：相对于TDM的“同步”，即每路信息都插 入到固定重复频率的时隙中
大气吸收引起的损耗（续） 氧气和其它气体吸收
• 在频率较低的VHF和HF频段，气体吸收可忽略
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播 大气吸收引起的损耗（续）
ITU大气吸收损耗曲线
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
非视距传播 地波
3dbd517dbi217db对称振子的增益为217db63电子信息工程学院通信系统10天线几种常用的航空通信用天线续四分之一波长垂直天线立体方向图64电子信息工程学院通信系统10天线几种常用的航空通信用天线续八分之五波长垂直天线立体方向图65电子信息工程学院通信系统10天线几种常用的航空通信用天线续八木天线yagi天线66电子信息工程学院通信系统10天线几种常用的航空通信用天线续与同尺寸八木天线相比增益较小67电子信息工程学院通信系统10天线几种常用的航空通信用天线续指向性好68电子信息工程学院通信系统10天线几种常用的航空通信用天线续增益计算公式d为抛物面直径为工作波长k为天线效率一般为556569电子信息工程学院通信系统10天线天线方向图参数波束宽度方位即水平面方向图120eg峰值10db点10db波束宽度60eg峰值3db点3db波束宽度15egpeakpeak3dbpeak3db32egpeakpeak10dbpeak10db俯仰面即垂直面方向图70电子信息工程学院通信系统10天线天线方向图参数旁瓣电平71电子信息工程学院通信系统11可用性与可靠性可用性系统可用的时间比例可靠性无故障运行的时间间隔72电子信息工程学院通信系统11可用性与可靠性可靠性浴盆曲线73电子信息工程学院通信系统11可用性与可靠性可靠性浴盆曲线续假如它渡过危险的磨合期到了稳定阶段产品就稳定下来它可能渡过相对不危险的稳定阶段这时设备一般仍然是新的且耐用的
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2 传播原理——电磁矢量
电磁波可用三个相互垂直的矢量描述 电场强度矢量E 磁场强度矢量H 传播矢量v
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2 传播原理——极化 用电场矢量尖端的轨迹来描述
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2 传播原理——波长与频率的关系
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7 调制
常见调制方法有哪些？ 模拟调试
• AM • FM
数字调制
• ASK • FSK • PSK • QAM • MSK
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7.1 幅度调制（AM）
幅度调制（AM）
标准调幅
AM
双边带调幅
DSB
单边带调幅
SSB
残留边带调幅 VSB
dB（单位x）= 20log10（单位x） 如电场强度E
• E（dBμV/m）= 20log10E（μV/m）
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3 功率，振幅与分贝
例 通常认为一个典型的飞机无线电接收机在天线端 口处具有峰值输出功率16W（均方根），它是多 少dBW? 解： 以dBW为单位的功率 = 10log10 16 = 12.04 dBW
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
折射（续） 障碍物折射
刀形边缘折射
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
大气吸收引起的损耗 水吸收
• 5GHz以下，水的吸收可忽略 • 5GHz以上，水的吸收很显著 • 当传播路径所通过的媒质中有强降雨时，会出现严
民航通信基本原理
课程邮箱：com_cauc@，密码：123abc
王晓亮
wxl_ee@
中国民航大学电子信息工程学院 天津市智能信号与图像处理重点实验室
2012-9-7
1 基本定义
Tx —— 发射机 Rx —— 接收机 天线（Antenna
• 接收机或发射机的一部分 • 将电信号直接转换成无线电波的无源设备
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1 基本定义
符号和单位 不同资料的符号定义可能不一致
• 如数学中虚单位用i，而电子工程中常用j
物理和电子工程学中一般用国际单位制（SI） 航空业中常用英制单位
• 高度——英尺（ft）（往往省去后两个零） • 航程——海里（NM） • 速度——节（knot, kn）（往往省去后一个零）
非视距传播（续） 天波
• 反射的特例 • 电离层反射
电离层分层
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6 复杂传播：折射，吸收，非视距传播
非视距传播（续） 天波
• 夜晚D层和E层消失
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小结 自由空间路径损耗
无线电地平线距离（地球膨胀因子k）
大圆距离
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3 功率，振幅与分贝
对于功率
dB（单位x） = 10log10 以dBW为单位的功率 = 10log10P（W） 有时，更加常用的功率单位是dBm 以dBm为单位的功率 = 10log10P（mW） 以dBm为单位的功率 = 10log10P（W）+ 30
对于振幅（如电压、电流、场强度）
DSB-AM SC-AM SSB-AM
飞机甚高频通信系统一般采用标准调幅 稳定、简单
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7 调制
载波调制通信系统设计须考虑的因素 载频选择 调制方式选择
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8 复用
复用 解决如何用一条信道同时传输多路信号的技术
时间、频率、标记、编码、空间、极化
功率通量密度的定义 一个各向同性功率源在远离其某处一点上单位 面积的辐射功率值
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4 各向同性功率源和自由空间路径损耗
自由空间的路径损耗公式 球表面上通过某区域的功率通量密度（PFD, power flux density）为
球上放置一个各向同性的接收天线，其接收功 率由天线有效孔径Ae（单位：m2）决定
B.
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在自由空间条件 下，欲使传播距 离翻倍，应使发 射功率增至四倍
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4 各向同性功率源和自由空间路径损耗 电场强度与发射功率的关系
电路 类似的，场
自由空间阻抗
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4 各向同性功率源和自由空间路径损耗 电场强度与发射功率的关系（续）
电场强度与接收功率的关系
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5 无线电几何
无线电地平线的计算（续）
例 （a）一架飞机以最大飞行高度飞行（假设 10 km），它距水平线的距离是多少？
（b）欲使两飞机间保持视距通信，两飞机 的最大距离是多少？
解：(a)
(200NM)
(b) d=713.86km (400NM)
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9 接入（多址）
多址