第二章移动通信的电波传播
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径x1为
x1
d1d 2
d1 d 2
2 5 10 3 10 10 3 81.7m 3 15 10
式中，λ =c/f, c为光速，f为频率。
•
•
由 图 3-4 查 得 附 加 损 耗 (x/x1≈-1) 为 16.5dB, 因此电波传播的损耗L为 ［L］ = ［Lfs］+16.5 = 116.0dB
信 号 产 生 器
Rs Us ～
Us / 2 Ri =Rs
接 Ri 收 机
• 采用线天线的接收机一般用天线上感应的信号 电势作为接收机的接收灵敏度电压。 • 感应电势为图中的信号源电势Us，不等于接收 机输入端的端电压U • 电压常以分贝计 • 以1μV作基准，有：U s ] 20 lgU s 120 (dBV ) [ Us以V计。
图上，纵坐标刻度以dB计，是以自由空间的传播损耗为0 dB 的相对值。换言之，曲线上读出的是基本损耗中值大于自由
空间传播损耗的数值。由图可见，随着频率升高和距离增大，
市区传播基本损耗中值都将增加。图中曲线是在基准天线高 度情况下测得的，即基站天线高度hb=200m，移动台天线高度 hm=3 m。
0
d
• 磁场强度有效值H0为：
H0
30PT ( A / m) 120 d
P • 单位面积上的电波功率密度S为 S T 2 (W / m 2 ) 4d
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘 以接收天线的有效面积：
PR SAR
AR
• AR为接收天线的有效面积，与接收天线增益GR满足：
• 直射波传播只能在视线距离内。 • 视线能达到的最大距离为 视线传播极限距离d0 • 发射天线顶点A到切点C的距离d1为 • 由切点C到接收天线顶点B的距离d2为 • 视线传播极限距离d0为
A
ht
d1
C
d2
B
hr
d1 2 Reht
Re
d 2 2 Rehr
d 0 d1 d 2 2Re ( ht hr )
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 当电波穿行的介质中存在小于波长的物体且单 位体积内阻挡体的个数非常多时发生散射。 • 移动电波基本的传播机制为直射波、反射波、 绕射波和散射波。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2.实际电波衰耗计算
移动信道的传播路径
图 3 - 7 典型信号衰落特性
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 达到一定输出性能的最小输入信号电压称为电台接收 灵敏度。
信 号 产 生 器 Rs Us ～ Ri =Rs Us / 2 接 Ri 收 机
• 将电势为Us和内阻为Rs的信号源(如天线)接到接收机 的输入端，若接收机的输入电阻为Ri且Ri=Rs，则接收 机输入端的端电压U=Us/2。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2 2
2ht hr d 1 d
• 由路径差Δd引起的附加相移Δφ为
2
d
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 接收场强E表示为
E E0 (1 Re j ) E0 (1 R e j ( ) ) E0 (1 e
j ( )
) 2E0 cos(
大树木、 建筑物等障碍物， 呈开阔状地面， 如农田、 荒野、
作出估计。
中等起伏地形上传播损耗的中值 1. 市区传播损耗的中值
在计算各种地形、 地物上的传播损耗时， 均以中等起
伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准， 因而把它称 作基准中值或基本中值。 由电波传播理论可知， 传播损耗取决于传播距离d、 工 作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm等。 在大量 实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基本中值的预测 曲线。 图3-23 给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f, d)与频率、 距离的关系曲线。
当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射 此时接收信号为直射波与反射波的合成信号。 • 考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反 射点的反射角等于入射角。
T c R θ d1 o b θ d2 hr
a ht
• 不同界面的反射特性用反射系数R表征，为反射波场强 与入射波场强的比值，R可表示为 j
2.实际电波衰耗计算
1）图表计算（P110~119） 对不同地形、地物电波传播的统计分析， 做出图表用于查表计算。 •地形分为两大类：中等起伏地形和不规则地形。 为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)，
可将地形分为两大类， 即中等起伏地形和不规则地形， 并以 中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地形，是指在传播 路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢， 峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形如丘陵、 孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。
2 2
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 在实际情况下，电波的直射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绕射损耗。 • 接收机和发射机之间的无线路径被有尖利边缘的物 体阻挡时发生绕射 • 电波打到阻挡体边缘时产生漫反射成为新的点源， 无线信号能到达阻挡体的后面，此为费涅尔效应。
设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图 3 - 3 所示。 图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余 隙。 规定阻挡时余隙为负， 如图 3 - 3(a)所示； 无阻挡时余 隙为正， 如图 3-3(b)所示。 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅 尔余隙的关系如图 3-4 所示。图中，纵坐标为绕射引起的附 加损耗， 即相对于自由空间传播损耗的分贝数。 横坐标为 x/x1, 其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关 系式可求得：
2
• 以dB计，
L fs (dB) 32.44 201gd(km) 201gf (MH z )
d的单位为km，频率单位以MHz计。 • 传播损耗Lfs随距离d增加而增大，随频率f增加而 增大， d或f增加1倍，Lfs随增加6dB 。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
三.实际电波传播
1.实际电波传播机制
第一节、移动信道的电波传播衰耗
1. 自由空间概念
• 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。 • 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。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2. 自由空间的电波传播
• 电波在自由空间传播，经过一段路径后，能量会受到衰 减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。 • 由电磁场理论知，若各向同性天线(亦称全向天线或无 方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源d米处 30PT • 电场强度有效值E0为： E (V / m)
o
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 在标准大气折射情况下，Re=8 500km,
d 0 4.12( ht hr )
• Ht hr单位为m，d0单位为km
• 在蜂窝移动通信系统中，要求最大传播距 离小于0.7 d0
• 影响直射波传播的三种最基本的传播机制 为反射、绕射和散射。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga， 则定义基站 天线的有效高度hb为
hb = hts-hga
•
地物(或地区)分类
不同地物环境其传播条件不同， 按照地物的密集程度不
同可分为三类地区： ① 开阔地。 在电波传播的路径上无高 广场、 沙漠和戈壁滩等。 ② 郊区。在靠近移动台近处有些 障碍物但不稠密， 例如，有少量的低层房屋或小树林等。③ 市区。 有较密集的建筑物和高层楼房。 自然，上述三种地区之间都有过渡区， 但在了解以上三 类地区的传播情况之后， 对过渡区的传播情况就可以大致地
•
例3-1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙 x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出 电波传播损耗。 • 解 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为
［Lfs］ = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB
R Re
|R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比， ψ代表反射波相对于入射波的相移。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 当工作频率高于150MHz (λ＜2m)，θ＜1°时，反射 波场强幅度等于入射波场强幅度，相差为180° • 直射波与反射波的路径差为
d a b c (d1 d 2 ) 2 (ht hr ) 2 (d1 d 2 ) 2 (ht hr ) 2 ht hr ht hr d 1 1 d d
图 3 - 22 基站天线有效高度(hb)
由于天线架设在高度不同地形上， 天线的有效高度是不
一样的。 (例如，把20m的天线架设在地面上和架设在几十层
的高楼顶上， 通信效果自然不同。)因此， 必须合理规定天 线的有效高度， 其计算方法参见图 3 - 22。 若基站天线顶点
的海拔高度为hts， 从天线设置地点开始， 沿着电波传播方
由接收到的功率P可转化为接收机输入电压Ui， Ui以V计 要求接收机输入电压Ui大于接收灵敏度电压Us， 电台才能正常工作。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
二.自由空间的电波传播
线 射天 发
① ②
接收 天线
③
移动通信采用VHF（30~300MHz）、 UHF（300~3000MHz）频段无线电波传播。 无线电波典型的传播通路如图所示。 直射波传播可按自由空间传播来考虑。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
3.接收机输入电压与接收功率的关系
信 号 产 生 器
接收机输入功率：
Rs Us ～ Ri =Rs Us / 2 接 Ri 收 机
P (U i / 2) 2 / R U i2 / 4R
此为功率匹配条件的 接收机输入功率最大值。
U i2 功率以分贝计，以1mW作基准，有： [ P] 10 lg 30 (dBm) 4R
第二章 移动信道的电波传播特性
（教材为第三章）
• 2.1 移动信道的电波传播衰耗 • 2.2 移动信道的电波传播
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 一. 传播损耗计算在系统设计中的作用
• 二.自由空间的电波传播
• 三.实际电波传播
第一节、移动信道的电波传播衰耗
一. 传播损耗计算在系统设计中的作用
1.电台接收灵敏度
PR P GT GR T 4d
2
GR 4
2
• 则
• 当收、发天线增益为0dB，即GR=GT=1，接收天线上获 得的功率为 2 PR P T 4d
Leabharlann Baidu
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 自由空间传播损耗Lfs定义为
PT 4d L fs PR
2
)e
j(
2
)
• 附加衰耗
2 2cos 2sin d 2 2
• 近似有：
ht2 hr2 2 PR P GT GR d P GT GR 4 T T 4 d d
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2. 接收场强与接收电压的关系
在采用线天线时，接收场强E是指有效长度为1m的 天线所感应的电压值，常以μV/m作单位。 • 半波振子天线
λ π
Us E
λ 2
场强用dBμV/m计
[U s ] [ E ] 20lg (dBV )
E的单位为μV/m λ的单位为m Us的单位为μV
x1
d1d 2
d1 d 2
图 3 - 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙； (b) 正余隙
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图 x=0，TR直射线从障碍物顶点 擦过，附加损耗约为 6 dB。 x＜0，直射线低于障碍物顶点， 损耗急剧增加 x/x1＞0.5 ，附加损耗约为0dB， 即障碍物对直射波传播基本上 没有影响。 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x＞0.5x1
x1
d1d 2
d1 d 2
2 5 10 3 10 10 3 81.7m 3 15 10
式中，λ =c/f, c为光速，f为频率。
•
•
由 图 3-4 查 得 附 加 损 耗 (x/x1≈-1) 为 16.5dB, 因此电波传播的损耗L为 ［L］ = ［Lfs］+16.5 = 116.0dB
信 号 产 生 器
Rs Us ～
Us / 2 Ri =Rs
接 Ri 收 机
• 采用线天线的接收机一般用天线上感应的信号 电势作为接收机的接收灵敏度电压。 • 感应电势为图中的信号源电势Us，不等于接收 机输入端的端电压U • 电压常以分贝计 • 以1μV作基准，有：U s ] 20 lgU s 120 (dBV ) [ Us以V计。
图上，纵坐标刻度以dB计，是以自由空间的传播损耗为0 dB 的相对值。换言之，曲线上读出的是基本损耗中值大于自由
空间传播损耗的数值。由图可见，随着频率升高和距离增大，
市区传播基本损耗中值都将增加。图中曲线是在基准天线高 度情况下测得的，即基站天线高度hb=200m，移动台天线高度 hm=3 m。
0
d
• 磁场强度有效值H0为：
H0
30PT ( A / m) 120 d
P • 单位面积上的电波功率密度S为 S T 2 (W / m 2 ) 4d
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘 以接收天线的有效面积：
PR SAR
AR
• AR为接收天线的有效面积，与接收天线增益GR满足：
• 直射波传播只能在视线距离内。 • 视线能达到的最大距离为 视线传播极限距离d0 • 发射天线顶点A到切点C的距离d1为 • 由切点C到接收天线顶点B的距离d2为 • 视线传播极限距离d0为
A
ht
d1
C
d2
B
hr
d1 2 Reht
Re
d 2 2 Rehr
d 0 d1 d 2 2Re ( ht hr )
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 当电波穿行的介质中存在小于波长的物体且单 位体积内阻挡体的个数非常多时发生散射。 • 移动电波基本的传播机制为直射波、反射波、 绕射波和散射波。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2.实际电波衰耗计算
移动信道的传播路径
图 3 - 7 典型信号衰落特性
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 达到一定输出性能的最小输入信号电压称为电台接收 灵敏度。
信 号 产 生 器 Rs Us ～ Ri =Rs Us / 2 接 Ri 收 机
• 将电势为Us和内阻为Rs的信号源(如天线)接到接收机 的输入端，若接收机的输入电阻为Ri且Ri=Rs，则接收 机输入端的端电压U=Us/2。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2 2
2ht hr d 1 d
• 由路径差Δd引起的附加相移Δφ为
2
d
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 接收场强E表示为
E E0 (1 Re j ) E0 (1 R e j ( ) ) E0 (1 e
j ( )
) 2E0 cos(
大树木、 建筑物等障碍物， 呈开阔状地面， 如农田、 荒野、
作出估计。
中等起伏地形上传播损耗的中值 1. 市区传播损耗的中值
在计算各种地形、 地物上的传播损耗时， 均以中等起
伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准， 因而把它称 作基准中值或基本中值。 由电波传播理论可知， 传播损耗取决于传播距离d、 工 作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm等。 在大量 实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基本中值的预测 曲线。 图3-23 给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f, d)与频率、 距离的关系曲线。
当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射 此时接收信号为直射波与反射波的合成信号。 • 考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反 射点的反射角等于入射角。
T c R θ d1 o b θ d2 hr
a ht
• 不同界面的反射特性用反射系数R表征，为反射波场强 与入射波场强的比值，R可表示为 j
2.实际电波衰耗计算
1）图表计算（P110~119） 对不同地形、地物电波传播的统计分析， 做出图表用于查表计算。 •地形分为两大类：中等起伏地形和不规则地形。 为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)，
可将地形分为两大类， 即中等起伏地形和不规则地形， 并以 中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地形，是指在传播 路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢， 峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形如丘陵、 孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。
2 2
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 在实际情况下，电波的直射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绕射损耗。 • 接收机和发射机之间的无线路径被有尖利边缘的物 体阻挡时发生绕射 • 电波打到阻挡体边缘时产生漫反射成为新的点源， 无线信号能到达阻挡体的后面，此为费涅尔效应。
设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图 3 - 3 所示。 图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余 隙。 规定阻挡时余隙为负， 如图 3 - 3(a)所示； 无阻挡时余 隙为正， 如图 3-3(b)所示。 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅 尔余隙的关系如图 3-4 所示。图中，纵坐标为绕射引起的附 加损耗， 即相对于自由空间传播损耗的分贝数。 横坐标为 x/x1, 其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关 系式可求得：
2
• 以dB计，
L fs (dB) 32.44 201gd(km) 201gf (MH z )
d的单位为km，频率单位以MHz计。 • 传播损耗Lfs随距离d增加而增大，随频率f增加而 增大， d或f增加1倍，Lfs随增加6dB 。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
三.实际电波传播
1.实际电波传播机制
第一节、移动信道的电波传播衰耗
1. 自由空间概念
• 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。 • 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。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2. 自由空间的电波传播
• 电波在自由空间传播，经过一段路径后，能量会受到衰 减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。 • 由电磁场理论知，若各向同性天线(亦称全向天线或无 方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源d米处 30PT • 电场强度有效值E0为： E (V / m)
o
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 在标准大气折射情况下，Re=8 500km,
d 0 4.12( ht hr )
• Ht hr单位为m，d0单位为km
• 在蜂窝移动通信系统中，要求最大传播距 离小于0.7 d0
• 影响直射波传播的三种最基本的传播机制 为反射、绕射和散射。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga， 则定义基站 天线的有效高度hb为
hb = hts-hga
•
地物(或地区)分类
不同地物环境其传播条件不同， 按照地物的密集程度不
同可分为三类地区： ① 开阔地。 在电波传播的路径上无高 广场、 沙漠和戈壁滩等。 ② 郊区。在靠近移动台近处有些 障碍物但不稠密， 例如，有少量的低层房屋或小树林等。③ 市区。 有较密集的建筑物和高层楼房。 自然，上述三种地区之间都有过渡区， 但在了解以上三 类地区的传播情况之后， 对过渡区的传播情况就可以大致地
•
例3-1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙 x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出 电波传播损耗。 • 解 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为
［Lfs］ = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB
R Re
|R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比， ψ代表反射波相对于入射波的相移。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 当工作频率高于150MHz (λ＜2m)，θ＜1°时，反射 波场强幅度等于入射波场强幅度，相差为180° • 直射波与反射波的路径差为
d a b c (d1 d 2 ) 2 (ht hr ) 2 (d1 d 2 ) 2 (ht hr ) 2 ht hr ht hr d 1 1 d d
图 3 - 22 基站天线有效高度(hb)
由于天线架设在高度不同地形上， 天线的有效高度是不
一样的。 (例如，把20m的天线架设在地面上和架设在几十层
的高楼顶上， 通信效果自然不同。)因此， 必须合理规定天 线的有效高度， 其计算方法参见图 3 - 22。 若基站天线顶点
的海拔高度为hts， 从天线设置地点开始， 沿着电波传播方
由接收到的功率P可转化为接收机输入电压Ui， Ui以V计 要求接收机输入电压Ui大于接收灵敏度电压Us， 电台才能正常工作。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
二.自由空间的电波传播
线 射天 发
① ②
接收 天线
③
移动通信采用VHF（30~300MHz）、 UHF（300~3000MHz）频段无线电波传播。 无线电波典型的传播通路如图所示。 直射波传播可按自由空间传播来考虑。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
3.接收机输入电压与接收功率的关系
信 号 产 生 器
接收机输入功率：
Rs Us ～ Ri =Rs Us / 2 接 Ri 收 机
P (U i / 2) 2 / R U i2 / 4R
此为功率匹配条件的 接收机输入功率最大值。
U i2 功率以分贝计，以1mW作基准，有： [ P] 10 lg 30 (dBm) 4R
第二章 移动信道的电波传播特性
（教材为第三章）
• 2.1 移动信道的电波传播衰耗 • 2.2 移动信道的电波传播
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 一. 传播损耗计算在系统设计中的作用
• 二.自由空间的电波传播
• 三.实际电波传播
第一节、移动信道的电波传播衰耗
一. 传播损耗计算在系统设计中的作用
1.电台接收灵敏度
PR P GT GR T 4d
2
GR 4
2
• 则
• 当收、发天线增益为0dB，即GR=GT=1，接收天线上获 得的功率为 2 PR P T 4d
Leabharlann Baidu
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 自由空间传播损耗Lfs定义为
PT 4d L fs PR
2
)e
j(
2
)
• 附加衰耗
2 2cos 2sin d 2 2
• 近似有：
ht2 hr2 2 PR P GT GR d P GT GR 4 T T 4 d d
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2. 接收场强与接收电压的关系
在采用线天线时，接收场强E是指有效长度为1m的 天线所感应的电压值，常以μV/m作单位。 • 半波振子天线
λ π
Us E
λ 2
场强用dBμV/m计
[U s ] [ E ] 20lg (dBV )
E的单位为μV/m λ的单位为m Us的单位为μV
x1
d1d 2
d1 d 2
图 3 - 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙； (b) 正余隙
第一节、移动信道的电波传播衰耗
• 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图 x=0，TR直射线从障碍物顶点 擦过，附加损耗约为 6 dB。 x＜0，直射线低于障碍物顶点， 损耗急剧增加 x/x1＞0.5 ，附加损耗约为0dB， 即障碍物对直射波传播基本上 没有影响。 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x＞0.5x1