第二章移动通信的电波传播
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2 2
• 接收场强 E表示为
E E0 (1 Re j ) E0 (1 R e j ( ) ) E0 (1 e j ( ) ) 2 E0 cos(
j ( 2 ) )e 2
• 附加衰耗
2 2cos d 2 sin 2 2
2
1.实际电波传播机制
• 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
A
ht
d1
C
d2
B
hr
• 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，且均为每倍程20dB（平方关系）。
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
信 号 产 生 器 Rs Us ～ Ri =R s Us/2 接 Ri 收 机
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μ V/m作单位。 • 半波振子天线
λ π
• 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 ] 20 lg U 120 ( dBV )
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。
• 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
a ht d1 o
c R θ b θ d2 hr
• 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 R R e j |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
第一节、移动信道的电波传播衰耗
x1
d1d 2 d1 d 2
• 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。 • x1是第一菲涅尔区在 P点横截面的半径
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
三. 传播损耗计算在系统设计中的作用
1.电台接收灵敏度 • 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。
天线 发射
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。
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
• 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。
• 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
• 图 3 - 24 天线高度增益因子 • (a) 基站Hb(hb, d); (b) 移动台Hm(hm, f)
同理，当移动台天线高度不是 3m时，需用移动台天线高 度增益因子H m(h m,f)加以修正，参见图 3-24(b)。 当h m ＞3 m 时，H m(h m, f) ＞0 dB； 反之， 当h m＜ 3m时，H m(h m, f)＜0 dB。 如果基站天线的高度不是 200m,则损耗中值的差异用基 站天线高度增益因子 Hb(hb,d)表示。图 3-24(a) 给出了不同 通 信 距 离 d 时 ， Hb(hb, d) 与 hb 的 关 系。 显 然 ， 当 hb ＞ 200m 时， Hb (hb, d)＞0 dB；反之，当hb＜200 m时，Hb(hb, d)＜0 dB。 由图3-24(b)还可见，当移动台天线高度大于 5 m以上时， 其高 度增益因子 Hm(h m,f) 不仅与天线高度、频率有关，而且还与环 境条件有关。例如，在中小城市， 因建筑物的平均高度较 低，故其屏蔽作用较小，当移动台天线高度大于 4m时， 随天 线高度增加， 天线高度增益因子明显增大； 若移动台天线高 度在 1～ 4m范围内， H m(h m,f) 受环境条件的影响较小，移动台 天线高度增高一倍时， H m(h m, f)变化约为 3 dB。
s s
Us E
λ 2
E的单位为μ V/m λ的单位为 m Us的单位为 μ V
[U s ] [ E ] 20 lg
场强用 dBμ V/m计
Us以V计。
(dBV )
3
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 ～ R i=R s Us/2 接 Ri 收 机
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。中等起伏地市区接收 信号的功率中值 PP(不考虑街道走向 )可由下式确定：
[ PP ] [ P0 ] Am ( f , d ) H b ( hb , d ) H m ( hm , f )
P (U i / 2) 2 / R U i2 / 4 R
此为源自文库率匹配条件的 接收机输入功率最大值。
2
• 微波天线
• 基站天线
功率以分贝计，以1mW作基准，有： [ P] 10 lg U i 30 (dBm)
4R
Ui以 V计 由接收到的功率P可转化为接收机输入电压Ui， 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。
• 图 3 - 23 中等起伏地上市区基本损耗中值
4
如果基站天线的高度不是 200m,则损耗中值的差异用基 站天线高度增益因子 Hb(hb,d)表示。图 3-24(a) 给出了不同 通 信 距 离 d 时 ， Hb(hb, d) 与 hb 的 关 系。 显 然 ， 当 hb ＞ 200m 时， Hb (hb, d)＞0 dB；反之，当hb＜200 m时，Hb(hb, d)＜0 dB。
一、中等起伏地形上传播损耗的中值 1. 市区传播损耗的中值
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h m=3 m。
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.自由空间的电波传播 • 二.实际电波传播 • 三. 传播损耗计算在系统设计中的作用
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
一.自由空间的电波传播
dB
P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率。 • Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由 空间损耗为 0 dB，基站天线高度为 200m, 移动台天线高 度为 3 m的情况下得到的损耗中值，由图 3-23 求出。 • Hb(h b, d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高 度 200m为基准得到的相对增益，由图 3-24(a)求出。 • Hm(h m, f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线 高度 3m为基准得到的相对增益，由图 3-24(b)求得。
d1 d2
2 R eht 2 R e hr
Re
• 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
o
d 0 d 1 d 2 2R e ( ht hr )
第一节、移动信道的电波传播衰耗
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
2 ht hr 1 d
• 近似有：
h2 h 2 2 PR PT GT G R d PT GT GR t 4 r 4 d d
2 2
• 由路径差Δ d引起的附加相移Δφ为
2 d
2
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 d2 ) 2 ( ht hr ) 2 h hr ht hr d 1 t 1 d d
• 抛物面天线
• 室内覆盖吸顶天线
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
4.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。 • 中等起伏地形是指在传播路径地形剖面图上，地面起伏高度不超 过 20m，且起伏缓慢，峰点与谷点间的水平距离大于起伏高度。 • 不规则地形是指其它如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。 • 按照地物的密集程度不同可分为三类地区： • 开阔地，在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈 开阔状地面，如农田、 荒野、广场、沙漠和戈壁滩等； • 郊区，有些障碍物但不稠密，如有少量的低层房屋或小树林等； • 市区，有较密集的建筑物和高层楼房。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2. 自由空间的电波传播
• 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：
• 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 30 PT • 电场强度有效值E0为： E (V / m )
• 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 ～
Us/2
接 Ri 收 机
R i =R s
• 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
• 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 PT 4 d
1
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
二.实际电波传播
• 自由空间传播损耗Lfs定义为
L fs
PT 4d PR
0
P R SA
GR 4
2
R
• AR为接收天线的有效面积，与接收天线增益GR满足：
AR
• 则
d
• 磁场强度有效值H0为：
PR PT GT G R 4 d
2
H0
30 PT ( A / m) 120d
• 单位面积上的电波功率密度S为
S
PT (W / m 2 ) 4 d 2
• 接收场强 E表示为
E E0 (1 Re j ) E0 (1 R e j ( ) ) E0 (1 e j ( ) ) 2 E0 cos(
j ( 2 ) )e 2
• 附加衰耗
2 2cos d 2 sin 2 2
2
1.实际电波传播机制
• 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
A
ht
d1
C
d2
B
hr
• 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，且均为每倍程20dB（平方关系）。
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
信 号 产 生 器 Rs Us ～ Ri =R s Us/2 接 Ri 收 机
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μ V/m作单位。 • 半波振子天线
λ π
• 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 ] 20 lg U 120 ( dBV )
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。
• 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
a ht d1 o
c R θ b θ d2 hr
• 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 R R e j |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
第一节、移动信道的电波传播衰耗
x1
d1d 2 d1 d 2
• 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。 • x1是第一菲涅尔区在 P点横截面的半径
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
三. 传播损耗计算在系统设计中的作用
1.电台接收灵敏度 • 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。
天线 发射
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。
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
• 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。
• 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
• 图 3 - 24 天线高度增益因子 • (a) 基站Hb(hb, d); (b) 移动台Hm(hm, f)
同理，当移动台天线高度不是 3m时，需用移动台天线高 度增益因子H m(h m,f)加以修正，参见图 3-24(b)。 当h m ＞3 m 时，H m(h m, f) ＞0 dB； 反之， 当h m＜ 3m时，H m(h m, f)＜0 dB。 如果基站天线的高度不是 200m,则损耗中值的差异用基 站天线高度增益因子 Hb(hb,d)表示。图 3-24(a) 给出了不同 通 信 距 离 d 时 ， Hb(hb, d) 与 hb 的 关 系。 显 然 ， 当 hb ＞ 200m 时， Hb (hb, d)＞0 dB；反之，当hb＜200 m时，Hb(hb, d)＜0 dB。 由图3-24(b)还可见，当移动台天线高度大于 5 m以上时， 其高 度增益因子 Hm(h m,f) 不仅与天线高度、频率有关，而且还与环 境条件有关。例如，在中小城市， 因建筑物的平均高度较 低，故其屏蔽作用较小，当移动台天线高度大于 4m时， 随天 线高度增加， 天线高度增益因子明显增大； 若移动台天线高 度在 1～ 4m范围内， H m(h m,f) 受环境条件的影响较小，移动台 天线高度增高一倍时， H m(h m, f)变化约为 3 dB。
s s
Us E
λ 2
E的单位为μ V/m λ的单位为 m Us的单位为 μ V
[U s ] [ E ] 20 lg
场强用 dBμ V/m计
Us以V计。
(dBV )
3
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 ～ R i=R s Us/2 接 Ri 收 机
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。中等起伏地市区接收 信号的功率中值 PP(不考虑街道走向 )可由下式确定：
[ PP ] [ P0 ] Am ( f , d ) H b ( hb , d ) H m ( hm , f )
P (U i / 2) 2 / R U i2 / 4 R
此为源自文库率匹配条件的 接收机输入功率最大值。
2
• 微波天线
• 基站天线
功率以分贝计，以1mW作基准，有： [ P] 10 lg U i 30 (dBm)
4R
Ui以 V计 由接收到的功率P可转化为接收机输入电压Ui， 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。
• 图 3 - 23 中等起伏地上市区基本损耗中值
4
如果基站天线的高度不是 200m,则损耗中值的差异用基 站天线高度增益因子 Hb(hb,d)表示。图 3-24(a) 给出了不同 通 信 距 离 d 时 ， Hb(hb, d) 与 hb 的 关 系。 显 然 ， 当 hb ＞ 200m 时， Hb (hb, d)＞0 dB；反之，当hb＜200 m时，Hb(hb, d)＜0 dB。
一、中等起伏地形上传播损耗的中值 1. 市区传播损耗的中值
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h m=3 m。
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.自由空间的电波传播 • 二.实际电波传播 • 三. 传播损耗计算在系统设计中的作用
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
一.自由空间的电波传播
dB
P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率。 • Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由 空间损耗为 0 dB，基站天线高度为 200m, 移动台天线高 度为 3 m的情况下得到的损耗中值，由图 3-23 求出。 • Hb(h b, d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高 度 200m为基准得到的相对增益，由图 3-24(a)求出。 • Hm(h m, f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线 高度 3m为基准得到的相对增益，由图 3-24(b)求得。
d1 d2
2 R eht 2 R e hr
Re
• 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
o
d 0 d 1 d 2 2R e ( ht hr )
第一节、移动信道的电波传播衰耗
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
2 ht hr 1 d
• 近似有：
h2 h 2 2 PR PT GT G R d PT GT GR t 4 r 4 d d
2 2
• 由路径差Δ d引起的附加相移Δφ为
2 d
2
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 d2 ) 2 ( ht hr ) 2 h hr ht hr d 1 t 1 d d
• 抛物面天线
• 室内覆盖吸顶天线
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
4.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。 • 中等起伏地形是指在传播路径地形剖面图上，地面起伏高度不超 过 20m，且起伏缓慢，峰点与谷点间的水平距离大于起伏高度。 • 不规则地形是指其它如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。 • 按照地物的密集程度不同可分为三类地区： • 开阔地，在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈 开阔状地面，如农田、 荒野、广场、沙漠和戈壁滩等； • 郊区，有些障碍物但不稠密，如有少量的低层房屋或小树林等； • 市区，有较密集的建筑物和高层楼房。
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
2. 自由空间的电波传播
• 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：
• 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 30 PT • 电场强度有效值E0为： E (V / m )
• 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 ～
Us/2
接 Ri 收 机
R i =R s
• 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
• 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 PT 4 d
1
第一节、移动信道的电波传播衰耗
第一节、移动信道的电波传播衰耗
二.实际电波传播
• 自由空间传播损耗Lfs定义为
L fs
PT 4d PR
0
P R SA
GR 4
2
R
• AR为接收天线的有效面积，与接收天线增益GR满足：
AR
• 则
d
• 磁场强度有效值H0为：
PR PT GT G R 4 d
2
H0
30 PT ( A / m) 120d
• 单位面积上的电波功率密度S为
S
PT (W / m 2 ) 4 d 2