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1、守时是人的基本素质 竺可桢先生认为: 大学教育首要是道德教育,一个受过大学教育的人,一定要有高尚的道德。 他说,无论社会如何腐化,凡有真知灼见的人,他一定能坚持自己的选择,“乱世道德堕落,历史上均是如此,但大学犹如海上之灯塔,吾人不能于此时降落道德之标准也。”,小结,扩频通信的原理 扩频通信的理论基础 扩频通信特点1)优点 2)缺点 自相关性、互相关性的利用 m序列的定义 m序列的产生:移位寄存器 码序列的周期P = 2n - 1 = 15 游程 其他码序列:m序列、M序列、 Gold序列、 R-S码等, 正交的Walsh函数。 多载波传输系统:子载波正交,本章要解决的问题,电波传播方式有哪几
2、种? 明确障碍物的影响与绕射损耗 什么是衰落?什么是衰落储备? 什么是多径时散? 明确接收机输入电压、 功率的关系 陆地移动信道中的传输损耗 传播损耗的预测模型,第3章 移动信道的传播特性,信道,3.1 无线电波传播特性,3.1.1 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收机, 当频率f 30 MHz时, 典型的传播通路如图 3 - 1 所示。 直射波,它是VHF(30MHz300MHz)和UHF (300MHz3000MHz)频段的主要传播方式; 地面反射波; 地表面波(绕射波)。,图 3 - 1 典型的传播通路,3.1.2 直射波 自由空间传播损耗Lfs可定义为 L
3、fs(dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) 式中, d 的单位为km, 频率单位为MHz。 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 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。 x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离, 称为菲涅尔余隙,图 3 - 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙; (b) 正余隙,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 先求出自由空间传播的损耗Lfs为,Lfs = 32.
4、44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB,第一菲涅尔区半径 x1为,由书中图 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。 说明:障碍物增加了信号损耗,解决方法是增加天线高度。,图 3 4 绕射损耗与余隙关系,3.1.5 反射波 当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时, 如果界面尺寸比电波波长大得多, 就会产生镜面反射。 由于大地和大气是不同的介质, 所以入射波会在界面上产生反射,如图 3 - 5 所示。,图 3 - 5 反射波与直射波,接收场强E可表示为 由上式可见,直射波与地面反射波的
5、合成场强将随反射系数R以及差的变化而变化,有时会同时相加,有时会反相抵消,这就造成了合成波的衰落现象。,3.2 移动信道的特征,3.2.1 传播路径与信号衰落,图 3 - 6 移动信道的传播路径,散射波,反射波,直射波,图 3 - 7 典型信号衰落特性,直射波、反射波、散 射波三波形成干涉场 -产生快衰落,移动台的不断运动 -产生慢衰落,3.2.2 多径效应与瑞利衰落 在陆地移动通信中, 移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响, 以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和, 如图 3 - 8 所示。 假设基站发射的信号为,图 3 8 移动台接收N条路径信号,r0 (3 - 2),第i
6、个信号其多普勒频移值为,可求得概率密度函数为,由式(3 - 2)不难得出多径衰落信号包络服从瑞利分布,把这种多径衰落称为瑞利衰落。,多径效应引起 多谱勒移埴 改变,图 3 - 9 瑞利分布的概率密度,多径衰落信号包络服从瑞利分布,把这种多径衰落称为瑞利衰落。,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备 在移动信道中, 由大量统计测试表明: 在信号电平发生快衰落的同时, 其局部中值电平还随地点、 时间以及移动台速度作比较平缓的变化, 其衰落周期以秒级计, 称作慢衰落或长期衰落。 慢衰落近似服从对数正态分布。 所谓对数正态分布, 是指以分贝数表示的信号电平为正态分布。 为了防止因衰落引起的通信中断,在信道设
7、计中,必须使信号的电平留有足够的余量,以使中断率小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。,3.2.4 多径时散与相关带宽 1. 多径时散 多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽, 为了说明它对移动通信的影响, 首先看一个简单的例子(参见图 3 - 14)。 假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(t), 经过多径信道后, 移动台接收信号呈现为一串脉冲, 结果使脉冲宽度被展宽了。 这种因多径传播造成信号时间扩散的现象, 称为多径时散。 为了避免码间干扰,如无抗多径措施,则要求信号的传输速率必须比时延扩展的倒数(1/)低得多。,图 3 - 14 多径时散示例,多径时散,图 3 - 15
8、时变多径信道响应示例 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5,图 3 - 16 多径时延信号强度,移动速度越快,时延越大,强度(t)越小。,表 3 - 1 多径时散参数典型值,2. 相关带宽 从频域观点而言, 多径时散现象将导致频率选择性衰落, 即信道对不同频率成分有不同的响应。 若信号带宽过大, 就会引起严重的失真。 为了说明这一问题, 先讨论两条射线的情况, 即如图 3 - 17 所示的双射线信道。 为分析简便, 不计信道的固定衰减, 用“1”表示第一条射线, 信号为Si(t);用“2”表示另一条射线, 其信号为rSi(t)ej(t), 这里r为一比例常数。 于是, 接收信号为
9、两者之和, 即,图 3 - 17 双射线信道等效网络,可知, 当(t)=2n时(n为整数), 双径信号同相叠加, 信号出现峰点; 而当(t)=(2n+1)时, 双径信号反相相消, 信号出现谷点。 幅频特性如图 3 - 18 所示。,图 3 - 18 双射线信道的幅频特性,由图可见, 其相邻两个谷点的相位差为, =(t) = 2,则,或,c 称为多径时散的相关带宽。若所传输的信号带宽较宽,以至于与c 可比拟时(差不多),则所传输的信号将产生明显的畸变。,3.3 陆地移动信道的传输损耗,3.3.1 接收机输入电压、 功率与场强的关系 1. 接收机输入电压的定义 参见图 3 - 19。 将电势为Us
10、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, 相应的输入功率P=U2s/4R。 由于Ri=Rs=R是接收机和信号源满足功率匹配的条件, 因此U2s/4R是接收机输入功率的最大值, 常称为额定输入功率。,图 3 19 接收机输入电压的定义,为了计算方便, 电压或功率常以分贝计。 其中, 电压常以1V作基准, 功率常以1mW作基准, 因而有:,式中, Us以V计。,2. 接收场强与接收电压的关系 当采用线天线时, 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V/m作单位。 为了求出基本天线即半波振子所产
11、生的电压, 必须先求半波振子的有效长度(参见图 3 - 20)。,图 3 - 20 半波振子天线的有效长度,图 3 - 21 半波振子天线的阻抗匹配电路,功率平衡,3.3.2 地形、 地物分类 1. 地形的分类与定义 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. 地物(或地区)分类 不同地物环境其
12、传播条件不同, 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。 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。 市区。 有较密集的建筑物和高层楼房。,3.3.3 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
13、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。,图 3 - 23 中等起伏地上市区基本损耗中值,图 3 - 24 天线高度增益因子 (a) 基站Hb(hb, d); (b) 移动台Hm(hm, f),图 3 - 25 街道走向修正曲线,2. 郊区和开阔地损耗的中值 郊区的建筑物一般是分散、 低矮的, 故电波传播条件优于市区。 郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子, 记作Kmr, 它与频率和距离的关系如图 3 - 26 所示。 由图可知, 郊区场强中值大于市区场强中值。
14、 或者说, 郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。,图 3 - 26 郊区修正因子,图 3 - 27 给出的是开阔地、 准开阔地(开阔地与郊区间的过渡区)的场强中值相对于基准场强中值的修正曲线。 Qo表示开阔地修正因子, Qr表示准开阔地修正因子。 显然, 开阔地的传播条件优于市区、 郊区及准开阔地, 在相同条件下, 开阔地上场强中值比市区高近20dB。 为了求出郊区、 开阔地及准开阔地的损耗中值, 应先求出相应的市区传播损耗中值, 然后再减去由图 3 - 26 或图 3 - 27 查得的修正因子即可。,图 3 - 27 开阔地、 准开阔地修正因子,3.3.4 不规则地形上传播损耗的中值
15、1. 丘陵地的修正因子Kh 丘陵地的地形参数用地形起伏高度h表征。 它的定义是: 自接收点向发射点延伸10 km的范围内, 地形起伏的90%与10%的高度差(参见图3 - 28(a)上方)即为h。 这一定义只适用于地形起伏达数次以上的情况, 对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理。 丘陵地场强中值修正因子分两项: (a) 修正因子Kh; (b) 微小修正因子Khf,图 3 - 28 丘陵地场强中值修正因子 (a) 修正因子Kh; (b) 微小修正因子Khf,2. 孤立山岳修正因子Kjs 当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时, 若求山背后的电场强度, 一般从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损
16、耗即可。 但对天线高度较低的陆上移动台来说, 还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗。 由于附加损耗不易计算, 故仍采用统计方法给出的修正因子Kjs曲线。 图 3 - 29 给出的是适用于工作频段为450900MHz、 山岳高度在110350 m范围, 由实测所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲线。,图 3 - 29 孤立山岳修正因子Kjs,其中, d1是发射天线至山顶的水平距离, d2是山顶至移动台的水平距离。 图中, Kjs是针对山岳高度H=200m所得到的场强中值与基准场强的差值。 如果实际的山岳高度不为200m, 则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数, 计算的经验公式为,式
17、中, H的单位为m。,3. 斜波地形修正因子Ksp 斜坡地形系指在510km范围内的倾斜地形。 若在电波传播方向上, 地形逐渐升高, 称为正斜坡, 倾角为+m; 反之为负斜坡, 倾角为-m, 如图 3 - 30 的下部所示。,图 3 - 30 斜坡地形修正因子Ksp,4. 水陆混合路径修正因子KS 在传播路径中如遇有湖泊或其它水域, 接收信号的场强往往比全是陆地时要高。 为估算水陆混合路径情况下的场强中值, 用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数。 此外, 水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关。 图 3 - 31 中, 曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子, 曲线B(
18、虚线)表示水面靠近基站一方时的修正因子。 在同样dSR/d情况下, 水面位于移动台一方的修正因子KS较大, 即信号场强中值较大。 如果水面位于传播路径中间, 则应取上述两条曲线的中间值。,图 3 - 31 水陆混合路径修正因子,3.3.5 任意地形地区的传播损耗的中值 (略) 1. 中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP 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)+Hb(hb,d)+Hm(hm, f) (3 - 3) 式中, P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率, 即,(3 - 4),PT发射机送至天线的发射功率;工作波长; d收发
19、天线间的距离;Gb基站天线增益; Gm移动台天线增益。,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0dB, 基站天线高度为200m, 移动台天线高度为3m的情况下得到的损耗中值, 它可由图 3 - 23 求出。 Hb(hb, 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, 其值可由图 3 - 24(a)求出。 Hm(hm, f)是移动台天线高度增益因子, 它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益, 可由图 3 - 24(b)求得。,电磁波传播,一、隧道中的电磁波传播 当电磁波在长隧道中传播时,随着距离的增加,很快衰减而中断通信,若
20、要在这些地方保持通信,必须采用同轴泄漏电缆。 二、建筑物内的电磁波传播 1、电磁波由室外向室内的穿透传播:低频时损耗大,而频率高时相对小一些。楼层愈高,其穿透损耗愈小。 2、电磁波在建筑物内的传播:发射点与接收点分两种情形 1)同处一室;2)不在同一房间,有窗和无窗情况 三、微小区中的电磁波传播:直视天线的地方,符合自由空间损耗;距离加大时,损耗会突变呈4次方规律增加。,传播损耗的预测模型,一、Okumura模型 Okumura(奥村)模型是预测城区信号时使用最广泛的模型。应用频率在150MHz1920MHz,主要用于900MHz,距离在1km100km之间,天线高度在30m1000m之间。
21、在城区中,电波传播衰耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb、移动台天线高度hm,以及街道的走向和宽窄等。 二、Hata模型:适用于宏蜂窝(小区半径小于1km)的路径损耗预测 三、Longley-Rice模型:预测点对点通信信号的模型,应用研究频率在40MHz100GHz。,作业与思考题,作业 如果现代生活中没有移动通信,那你怎么与异地的亲人通信? 1. 试简述移动信道中电波传播的方式及其特点。 3. 假设接收机输入电阻为50 , 灵敏度为1 V, 试求接收功率为多少dBm。 5. 某一移动信道, 传播路径如图3-3(a)所示, 假设d1=10 km,d2=5 km, 工作频率为450 MHz, |x|=82 m, 试求电波传播损耗值。 思考题 2. 试比较10 dBm、 10 W及10 dB之间的差别。 6. 某一移动通信系统, 基站天线高度为100 m, 天线增益Gb=6 dB, 移动台天线高度为3 m,Gm=0 dB, 市区为中等起伏地, 通信距离为10 km, 工作频率为150 MHz, 试求: (1) 传播路径上的损耗中值; (2) 基站发射机送至天线的功率为10 W, 试计算移动台天线上的信号功率中值。,
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