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1、移动通信的电波传输与干扰1 1第1页，共47页，编辑于2022年，星期一第二 章移动通信的电波传播与干扰l内容表征无线电波传播特征、信道特征 电波传输特征的估算 噪声、干扰2第2页，共47页，编辑于2022年，星期一第二 章移动通信的电波传播与干扰l重点自由空间传播衰耗 噪声、干扰 l难点电波传播衰耗特性的数字特征 任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测 3第3页，共47页，编辑于2022年，星期一第二 章移动通信的电波传播与干扰l目的和要求了解电波传输特征及信道特征掌握电波传输特征的估算 了解电波传输中的噪声及干扰4第4页，共47页，编辑于2022年，星期一2.1无线电波传输特征直射波
2、在自由空间中，电波沿直线传播而不被吸收，也不发生反射、折射和散射等现象而直接到达接收点。自由空间传播：是指天线周围为无限大真空时的电波传播，为理想传播条件。电波传播能量受到损耗 ，可通过下式来描述5第5页，共47页，编辑于2022年，星期一2.1无线电波传输特征反射波 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，就会发生反射现象。可以参考下图：图中路径a与b为反射波路径，c为直射波路径。6第6页，共47页，编辑于2022年，星期一2.1无线电波传输特征障碍物的影响与绕射 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。设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所示。图中
3、，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（a）；无阻挡时余隙为正，如图（b）7第7页，共47页，编辑于2022年，星期一2.1无线电波传输特征大气中的电波传播 大气对电波的折射：大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象。视线距离：视线所能到达的最远距离。发射天线和接收天线高度分别为hT和hR，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。可得视距传播的极限距离d为：在标准大气折射情况下，Re8500 km，故：8第8页，共47页，编辑于2022年，星期一2.2 移动通信的信道特征多径衰落由于信号在传输过程中是通过多条路径实现的，但是在不同路径中都有衰落现象，这
4、中衰落称为多径衰落。多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展。两个频率相隔很近的衰落信号，当时延扩展达到某一数值两个频率相隔很近的衰落信号，当时延扩展达到某一数值时，就有可能变得相关。对于某一时延扩展值，两衰落信时，就有可能变得相关。对于某一时延扩展值，两衰落信号是否相关取决于两者的频率间隔。两衰落信号相关时的号是否相关取决于两者的频率间隔。两衰落信号相关时的频率间隔称为相关带宽频率间隔称为相关带宽。9第9页，共47页，编辑于2022年，星期一2.2 移动通信的信道特征阴影效应接收的信号场强会出现两种变化：第一种变化是多径衰落或称快衰落，在性质上属于微观变化；第二种变化是随着车
5、辆的运动，信号场强中值也在缓慢地起伏，它起因于建筑物和起伏地形的阴影效应，故称之为地形衰落或慢衰落，服从对数正态分布。随时间变化的慢衰落，即由于大气折射状况的平缓变化，使得同一地点所收到的中值场强随时间而缓慢地变化，服从对数正态分布。10第10页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算l地形地物的分类地形的分类准平滑地形传播路径地形剖面图上，表面起伏高度在20m以下，且起伏缓慢不规则地形丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形11第11页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算基站天线有效高度hbhb=htn-hgnvhgn：从基站天线架设点起35
6、km距离内的平均地面海拔高度vHtn：基站天线的海拔高度天线高度均指天线有效高度MS天线有效高度hm有效高度指地面以上的高度 12第12页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算地物的分类按地面障碍物的密集程度和屏蔽程度分：开阔地：在电波传播方向上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面郊区：移动台周围的障碍物不稠密 市区：移动台周围的障碍物稠密 13第13页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算l准平滑地形上的 电波传播特性市区传播衰减中值 的预测 基本衰耗中值Am(f,d)取决于传播距离d、工作频率fAm(f,d)曲线以 hb=200m，hm=
7、3m 为基准 14第14页，共47页，编辑于2022年，星期一基站天线有效 高度增益因子 Hb(hb,d)2.3 电波传播特性的估算15第15页，共47页，编辑于2022年，星期一MS天线有效 高度增益因子 Hm(hm,f)2.3 电波传播特性的估算16第16页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算准平滑市区传播衰减中值L市区=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)Hb(hb,d)、Hm(hm,f)为增益因子，计算衰减中值时取减号。17第17页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算郊区、开阔地的 衰减中值的预测郊区衰减中值的预
8、测L郊区=Ls市区-Kmr 郊区修正因子Kmr 18第18页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算开阔地衰减中值的预测L开阔地=Ls市区-Qo(或Qr)Qo为开阔地修正因子Qr为准开阔地的修正因子 19第19页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算l不规则地形修正因子 丘陵地的修正因子 地形起伏高度h：指自接收MS向发射的基站方向延伸10km的范围内，地形起伏的90%与10%处的高度差丘陵地修正因子分为两项以h为参数而变化的丘陵地修正因子Kh丘陵地微小修正因子Khfv主要是考虑在丘陵中，谷底与山峰处的屏蔽作用不同，靠近山峰处，Khf取负值，靠近山
9、谷处，Khf取正值 20第20页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算丘陵地的修正因子21第21页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算孤立山岳的修正因子Kjs电波传播路径上有刃形单独山岳时，其背后的场强计算应考虑其绕射衰减 绕射衰减修正因子Kjs在山岳高度H为200m时，以山岳到发射点的距离d1、到接收点的距离d2为参数 若山岳高度H200m，则需乘上高度影响系数=0.07，即修正因子变为：Kjs22第22页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算孤立山岳的 修正因子Kjs23第23页，共47页，编辑于2022年，星期一2
10、.3 电波传播特性的估算斜坡地形的修正 因子Ksp在510km内地形倾斜正斜坡，倾角为+m负斜坡，倾角为-m24第24页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算水陆混合路径的修正因子KS 以dSR与全距离d的比值为地形参数 水面位于MS一方时混合路径修正因子如曲线A(实线)所示 水面位于基站一方时混合路径的修正因子如曲线B(虚线)所示 当水面在传播路径中间时，则取曲线的中间值 25第25页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算水陆混合路径 修正因子KS 26第26页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算l其他因素对电波传播的
11、影响 街道走向修正因子Kaf/Kac 当电波传播方向与街道走向平行在纵向路线上修正因子Kaf为正值，表示场强中值高于基准场强中值当电波传播方向与街道走向垂直在横向路线上修正因子Kac为负值，表示场强中值低于基准场强中值 27第27页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算街道走向修正因子Kaf/Kac28第28页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算建筑物的穿透衰耗Lp各个频段的电波穿透建筑物的能力不同不同材料、结构和楼房层数，其吸收衰耗不同室内传播衰耗：Lb=L0+LpLb为实际路径衰耗中值；L0为街心的路径衰耗中值；Lp为建筑物的穿透损耗Lp随
12、楼层增高而近似下降 29第29页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算植被衰耗由树木、植被对电波的吸收作用引起植被衰耗取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度、季节变化、工作频率、天线极化、通过树林的路径长度等多方面的因素大片森林对电波传播产生的附加衰耗一般垂直极化波比水平极化波的衰耗要稍大些 在城市中对电波传播引起的衰耗与大片森林不同30第30页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算植被衰耗31第31页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算隧道中的传播衰耗由于隧道壁的吸收及电波干涉而产生隧道中，中等功率通信设备间
13、的通信距离，在通常情况下为200m左右，在理想条件下不超过300m当通信系统中的一方天线在隧道外时，通信距离还要大大缩短电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关频率越高，衰耗越小当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重 32第32页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算隧道中的传播衰耗曲线A为160MHz时隧道内两半波偶极子天线间传输衰耗曲线B为200平衡波导线的衰耗 33第33页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算l任意地形地物信号中值的预测给定发射功率，准平滑市区接收功率中值PP=Po-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm
14、(hm,f)Po为自由空间传播条件下的接收信号功率 传播路径不是准平滑的市区，根据地形地物修正 Ppe=PP+KT KT=Kmr+Q0+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+Ks根据地形地物，KT可能是一项或多项 任意地形地物时，收发天线间的信号传播衰减中值 LA=LT+KT LT=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)34第34页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算例1：设基站天线有效高度为60m，移动台天线高度为1.5m，工作频率为900MHz，在准平滑市区，通信距离为20km时，其传播路径上的衰减中值为多少？解：自由空间传播衰耗Lbs=32.4
15、5+20lgf+20lgd =32.45+20lg900+20lg20 =117.56dB 查图得Am(f,d)=33dB，Hb(hb,d)=-11dB，Hm(hm,f)=-2.5dB 根据已知条件，KT=0，则传播衰耗中值为：LA=LT=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)=117.56+33-(-11)-(-2.5)=164.06dB 35第35页，共47页，编辑于2022年，星期一2.3 电波传播特性的估算例2：若将例1中的地形改为郊区，正斜坡地形，且m=15mrad，其他条件不变，则传播衰耗中值为多少？解：查图得Kmr=9dB，Ksp=4dB 根据地形可得KT=K
16、mr+Ksp，则传播衰耗中值为：LA=LT-Kmr-Ksp =164.06-9-4=151.06dB 36第36页，共47页，编辑于2022年，星期一2.4 噪声l噪声的分类及特性 l来源分类：内部噪声、自然噪声和人为噪声。其中内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声；自然噪声是自然界的噪声；人为噪声是人类生产等活动产生的噪声。l噪声分为六种：大气噪声；太阳噪声；银河噪声；郊区人为噪声；市区人为噪声；典型接收机的内部噪声。其中，前五种均为外部噪声。有时将太阳噪声和银河噪声统称为宇宙噪声。大气噪声和宇宙噪声属自然噪声。37第37页，共47页，编辑于2022年，星期一2.4 噪声l人为噪声 l人为噪声
17、是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。l人为噪声主要是车辆的点火噪声。38第38页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l同频道干扰 l同频道干扰同频道干扰：所有落在收信机通频带内的与有用信号频率相同或相近的干扰信号（非有用信号）称为同频道干扰。l射频保护比：为减小同频干扰的影响和保证接收信号的质量，必须使接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比大于某个数值。39第39页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l同频道复用距离同频道复用距离 l为了提高频率利用率，在相隔一定距
18、离以外，可以使用同频道电台，称为同频道复用或信道的地区复用。l同频道的无线区相距越远，它们之间的空间隔高度越大，同频道干扰越小，但频率复用次数也随之降低，即频率利用率降低。l同频道复用距离：在进行无线区的频率分配时，应在满足一定通信质量要求的前提下，确定相同频率重复使用的最小距离，该距离称为同频道复用最小安全距离。40第40页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l同频道复用距离同频道复用距离 l同频道复用距离只与以下因素有关：1）调制方式；2）波传播特性 3）选用的工作方式。可分为同频单工式或异频双工方式；4）基站覆盖范围或小区半径r0；5）要求可靠通信概率。41第41页，共47页
19、，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l 邻道干扰l邻频道干扰：工作在k频道的接收机受到工作于频道的信号的于扰，即邻道（频道）信号功率落人k频道的接收机通频带内造成的干扰。l解决邻频道干扰的措施包括：降低发射机落人相邻频道的干扰功率，即减小发射机的带外辐射；提高接收机的邻频道选择性；在网络设计中，避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用，以增加同频道防护比。42第42页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l互调干扰 l互调干扰的基本概念及分类互调干扰的基本概念及分类 l互调干扰：当两个或多个不同频率的信号同时输入到非线性电路时，由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和组合频率分量，其中
20、与所需信号频率0相接近的组合频率分量会顺利地通过接收机而形成干扰。l互调干扰分为：发射机互调干扰；接收机互调干扰。43第43页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l发射机互调干扰l发射机互调干扰：一部发射机发射的信号进入了另一部发射机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需要的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰。l降低干扰措施：加大发射机天线之间的距离；采用单向隔离器件和采用高Q谐振腔；提高发射机的互调转换衰耗。44第44页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l接收机互调干扰l接收机互调干扰：当多个强干扰信号进入接收机前端
21、电路时，在器件的非线性作用下，干扰信号互相混频后产生可落人接收机中频频带内的互调产物而造成的干扰。l降低接收机互调干扰的措施有：提高接收机前端电路的线性度；在接收机前端插人滤波器，提高其选择性；选用无三阶互调的频道组工作。45第45页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l无三阶互调的频道组无三阶互调的频道组 l在一个移动通信系统中，为了避免三阶互调干扰，在分配频率时，应合理地选用频道组中的频率，使它们可能产生的互调产物不致落入同组频道中任一工作频道。46第46页，共47页，编辑于2022年，星期一2.5 干扰l远近效应 l当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时，距基站近的移动台B（距离d2）到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台A（距离d1，d2d1）的到达功率。若二者频率相近，则距基站近的移动台B就会造成对接收距离距基站远的移动台A的有用信号的干扰或抑制，甚至将移动台A的有用信号淹没。l克服远近效应的措施主要有两个：一是使两个移动台所用频道拉开必要间隔；二是移动台端加自动（发射）功率控制（APC），使所有工作的移动台到达基站功率基本一致。47第47页，共47页，编辑于2022年，星期一