1、5. 1數(shù)字微波通信概述5.1.1數(shù)字微波通信發(fā)展簡述微波通信是一種先進(jìn)的通信方式，它利用微波來攜帶信息，通過電波空間同時傳送若干相互無關(guān)的信息，并且還能進(jìn)行再生中繼。它具有傳輸容量大、長途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、投資少、建設(shè)周期短和維護方便等特點，得到了廣泛的應(yīng)用。而建立在微波通信和數(shù)字通信基礎(chǔ)上的數(shù)字微波通信，同時具有數(shù)字通信和微波通信的優(yōu)點，更是受到各國的普通重視。因此數(shù)字微波中繼通信、光纖通信和衛(wèi)星通信一起被稱為現(xiàn)代通信傳輸?shù)娜笾饕侄?。根?jù)所傳輸基帶信號的不同，微波通信又分為兩種制式。用于傳輸頻分多路一調(diào)頻(FDM-FM)基帶信號的系統(tǒng)叫作模擬微波通信系統(tǒng);用于傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)叫作數(shù)字

2、微波通信系統(tǒng)。下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述后者又進(jìn)一步分為PITH微波和SDH微波通信兩種體制。SDH微波通信系統(tǒng)是今后微波通信系統(tǒng)發(fā)展的主方向。 不管是模擬微波通信還是數(shù)字微波通信，其微波通信最基本的特點可以概括為6個字:“微波、多路、接力”?！拔⒉ā笔侵干漕l為微波頻率，特點是微波工作頻段寬，波段頻率為300 MHz300 GHz,波長為1 m1 mm，它包括了分米波、厘米波和毫米波3個頻段。這個頻段寬度幾乎是長波、中波、短波及特高頻等各個頻段總和的1 000倍，所以它可容納較其他頻段多得多的話路，而且不致互相干擾。上一頁下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述由于微波頻率高，波長短，微波通

3、信一般使用面式天線。當(dāng)面式天線的日面積給定后，增益與波長的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天線。當(dāng)波長比周圍物體的尺寸小得多時，電磁波近似于光波特性，可以利用微波天線把電磁波聚集成很窄的波束，得到方向性很強的天線。例如，直徑3m的拋物面天線，當(dāng)工作波長為=7. 5 cm，天線效率=0. 6時，其天線增益可達(dá)40 dB，相當(dāng)于無方向性天線的發(fā)射功率提高了10 000倍。此外，在微波頻段，天電干擾和工業(yè)干擾及太陽黑子的變化基本上不起作用，而這些干擾對短波通信的影響卻十分嚴(yán)重，所以微波通信的可靠性和穩(wěn)定性可以做得很高。上一頁下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述“多路”是指微波通信的通信容量大，即

4、微波通信設(shè)備的通頻帶可以做得很寬。例如，對4 GHz的設(shè)備而言，其通頻帶按1%計算，可達(dá)40 MHz，其所提供的帶寬正符合ISDN所要求的寬帶傳輸鏈路的要求。 “接力”是目前廣泛使用于視距微波的通信方式。由于地球是i員1的，加之地面上的地貌(如山川)所限，使得地球上兩點(兩個微波站)間不被阻擋的距離有限。為了可靠通信，一條長的微波通信線路就要在線路中間設(shè)若干個中繼站，采用接力的方式傳輸發(fā)送端的信息。近些年來，由于通信技術(shù)的發(fā)展及通信設(shè)備的數(shù)字化，數(shù)字微波設(shè)備與模擬微波設(shè)備相比，在微波設(shè)備中占有絕對大的比重。而數(shù)字微波除了具有上面所說的微波通信的普遍特點外，還具有數(shù)字通信的特點。上一頁下一頁返回

5、5. 1數(shù)字微波通信概述 (1 )抗干擾性強，整個線路噪聲不累積。經(jīng)數(shù)字微波信道傳輸?shù)臄?shù)字信號，要經(jīng)過微波中繼站的多次轉(zhuǎn)發(fā)，站上有對數(shù)字信號進(jìn)行處理的再生中繼器。而再生中繼器是采用抽樣判決的辦法來接收每一個碼元。經(jīng)過一個中繼段傳輸后，只要干擾噪聲還沒大到影響對信碼錯判的程度，經(jīng)過判決識別后，就可以把干擾噪聲清除掉，再生出與發(fā)送端一樣的“干凈”波形，從而繼續(xù)傳輸。這種再生作用使數(shù)字微波通信的線路噪聲不逐站累積，提高了抗干擾性。而模擬微波通信的線路噪聲是隨線路長度增加而增加的，并且逐站累積的。當(dāng)然，一旦噪聲干擾對數(shù)字信號造成了誤碼，在繼續(xù)傳輸過程中被糾正過來的可能性是很小的，所以誤碼被認(rèn)為是逐站累

6、積的。上一頁下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述(2)保密性強，便于加密。數(shù)字信號本身就具有一定的保密性，又因為各種信號數(shù)字化后形成的信碼，可采用不同的規(guī)律或方式，方便靈活地加進(jìn)密碼，在線路中傳輸，接收端再按相同的規(guī)律解除密碼，所以說這種通信方式的保密性強。(3)器件位于固態(tài)化和集成化，設(shè)備體積小、耗電少。(4)便于組成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)。數(shù)字微波的主要缺點是要求傳輸信道帶寬較寬，因而產(chǎn)生了頻率選擇性衰落，其抗衰落技術(shù)比模擬微波中相應(yīng)的技術(shù)要復(fù)雜。上一頁下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述5. 1. 2微波通信系統(tǒng)的組成1.系統(tǒng)組成一條微波中繼信道是由終端站、中間站和再生中繼站、終點站及電

7、波空間組成，如圖5. 1 (a)所示。終端站的任務(wù)是將復(fù)用設(shè)備送來的基帶信號或由電視臺送來的視頻及伴音信號，調(diào)制到微波頻率上并發(fā)射出去;或者反之，將收到的微波信號解調(diào)出基帶信號送往復(fù)用設(shè)備，或?qū)⒔庹{(diào)出的視頻信號及伴音信號送往電視臺。線路中間的中繼站的任務(wù)是完成微波信號的轉(zhuǎn)發(fā)和分路，所以中繼站又分為中間站(不能上、下話路)、分路站和樞紐站(能上、下話路)，如圖5.1(b)所示。上一頁下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述 2.微波收發(fā)信設(shè)備的組成(1)發(fā)信設(shè)備的組成。從目前使用的數(shù)字微波通信設(shè)備來看，分為直接調(diào)制式發(fā)信機(使用微波調(diào)相器)和變頻式發(fā)信機。中小容量的數(shù)字微波(480路以下)設(shè)備可用前一

8、種方案。下面以一種典型的變頻式發(fā)信機為例加以說明，如圖5. 2所示。 發(fā)信設(shè)備的主要性能指標(biāo)如下。工作頻段。從無線電頻譜的劃分來看，通常把頻率為0. 3300 GHz的射頻稱為微波頻率。輸出功率。輸出功率是指發(fā)信機輸出端口處功率的大小。上一頁下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述頻率穩(wěn)定度。發(fā)信機的每個工作波道都有一個標(biāo)稱的射頻中心工作頻率，用f0表示。(2)收信設(shè)備的組成。數(shù)字微波的收信設(shè)備和解調(diào)設(shè)備組成了收信系統(tǒng)，這里所講的收信設(shè)備只包括射頻和中頻兩個部分。數(shù)字微波通信系統(tǒng)的收信設(shè)備一般都采用超外差接收方式，其組成如圖5. 3所示。(3)收信設(shè)備的主要性能指標(biāo)。工作頻段。收信機是與發(fā)信機配合工

9、作的。收信本振的頻率穩(wěn)定度。接收的微波射頻的頻率穩(wěn)定度是由發(fā)信機決定的。上一頁下一頁返回5. 1數(shù)字微波通信概述噪聲系數(shù)。數(shù)字微波收信機的噪聲系數(shù)一般為2. 5 7 dB，比模擬微波收信機的噪聲系數(shù)小5 dB左右。通頻帶。收信機接收的已調(diào)波是一個頻帶信號，即已調(diào)波頻譜(的主要成分)要占有一定的帶寬。選擇性。對某個波道的收信機而言，要求它只接收本波道的信號，對鄰近波道干擾、鏡像頻率干擾及本波道的收、發(fā)干擾等要有足夠的抑制能力，這就是收信機的選擇性。收信機的最大增益。天線收到的微波信號經(jīng)饋線和分路系統(tǒng)到達(dá)收信機。由于受衰落的影響，收信機的輸入電平在隨時變動。自動增益控制范圍。以自由空間傳播條件下的

10、收信電平為基準(zhǔn)，當(dāng)收信電平高于基準(zhǔn)電平時，稱為上衰落;低于基準(zhǔn)電平時，稱為下衰落。上一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播5. 2. 1無線電波頻段的劃分與傳播方式發(fā)射天線或自然輻射源所輻射的無線電波，通過自然條件下的媒質(zhì)到達(dá)接收天線的過程，就稱為無線電波傳播。無線電波與可見光、X射線及Y射線一樣都同屬于電磁波，它們都是以電場和磁場為其特征的一種電磁振動。在電磁波頻譜中，電磁波的頻譜范圍極其寬闊，其頻譜從幾赫茲到3 000 GHz(波長從幾十兆米到亞毫米)，無線電波頻段的劃分如表5. 1所示。其中，頻率從300 MHz3 000 GHz(波長從1 m到0. 1 mm)的無線電波是微波波段。任何一

11、種信號傳播系統(tǒng)都是由發(fā)送端、接收端和傳輸媒質(zhì)幾部分組成的。無線電波從發(fā)送端到接收端必定要經(jīng)歷一定的傳輸媒質(zhì)，這個經(jīng)歷的過程也就是無線電波傳播的過程。下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播最基本的傳輸媒質(zhì)是地球及其周圍附近的區(qū)域，主要有地表、對流層、電離層等。這些媒質(zhì)的電特性對不同頻段的無線電波的傳播有著不同的影響。根據(jù)媒質(zhì)及不同媒質(zhì)分界面對電波傳播產(chǎn)生的主要影響，可將無線電波的傳播方式分為下列幾種。(1)地面波傳播。無線電波沿著地球表面的傳播，稱為地面波傳播。其特點是信號比較穩(wěn)定，電波頻率愈高，地回波隨距離的增加衰減愈快。因此，這種傳播方式主要適用于長波和中波波段。(2)天波傳播。天波傳播是指

12、電波由高空電離層反射回來而到達(dá)地面接收點的這種傳播方式。短波是利用天波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的。上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播(3)散射傳播。散射傳播是利用對流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過大氣時的電離余跡對電磁波的散射作用來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播的。這種傳播方式主要用于超短波和微波遠(yuǎn)距離通信。(2)視距傳播。視距傳播是指在發(fā)射天線和接收天線間能相互“看見”的距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射端傳送到接收端(有時包括有地面反射波)的一種傳播方式，又稱為直接波或空間波傳播。微波波段的無線電波就是以視距傳播方式來進(jìn)行傳送的。因為微波波段頻率很高，波長很短，沿地面?zhèn)鞑r衰減很大，投射到高空電離層時會穿過電離

13、層而不能被反射回地面。視距傳播大體上可分為3類情況。第一類是指地面上(如移動通信和微波接力傳輸?shù)?的視距傳播;第二類是指地面上與空中目標(biāo)之間(如與飛機、通信衛(wèi)星等)的視距傳播;第三類是指空間通信系統(tǒng)之間(如飛機之間、宇宙飛行器之間等)的視距傳播。上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播5.2.2無線電波的基本性質(zhì)眾所周知，無線電波是由隨時間變化的電場和磁場組成的，電場與磁場相互依存、相互轉(zhuǎn)化，形成統(tǒng)一的時變電磁場體系。時變電磁場是以波動的形式在空間存在和運動的，因此稱為電磁波或無線電波。電磁波作為一種物質(zhì)形式具有能量，當(dāng)電磁波以波動的形式在空間運動和傳播時，電磁能量以能流的形式在空間中運動

14、和轉(zhuǎn)移，從而將信息能量從一點傳到另一點。無線電波的電場、磁場及電磁能流之間具有以下一些基本關(guān)系和基本性質(zhì)。(1)電場、磁場和能流傳輸方向(即電波傳輸方向)相互垂直，它們之間是一個右手螺旋的關(guān)系。上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播即如果將右手除大拇指外的四個指頭并攏從電場E的方向轉(zhuǎn)到磁場H的方向，則大拇指所指的方向就是電磁波傳播的方向，也就是能流密度5的傳輸方向。(2)電場強度E的大小與磁場強度H的大小的比值是一個固定值，該值稱為媒質(zhì)的特性阻抗(或波阻抗)，記為ZC，即: (5.1)式中媒質(zhì)的導(dǎo)磁率; 媒質(zhì)的介電常數(shù)。對于真空媒質(zhì)，其特性阻抗約為377。上一頁下一頁返回5. 2電波在自

15、由空間的傳播(3)電磁能流密度。空間任一點的能流密度S定義為:某一時刻t穿過該點單位面積的功率。對于隨時間做簡諧變化的電磁波，經(jīng)常使用平均能流密度的概念。它是對能流密度在一個周期內(nèi)求平均值。因此空間任一點平均能流密度Say的定義為:在單位時間里通過單位面積的平均功率(W/m2 ) , Say大小為: (5.2)式中|E|電場強度的振幅值; |H|磁場強度的振幅值。(4)無線電波具有一定的極化形式。波的極化是指電場強度矢量在空間的取向。波有3種不同的極化形式。上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播直線極化。指電場在空間的取向不隨時間變化，保持在一直線上。圓極化。指電場在空間的取向，其矢量端

16、點軌跡隨時間在一個圓上旋轉(zhuǎn)。根據(jù)旋向的不同，存在兩種圓極化:如果電場矢量旋轉(zhuǎn)的方向與電磁波傳播方向構(gòu)成右手螺旋關(guān)系，稱右旋圓極化波;反之，當(dāng)電場矢量旋轉(zhuǎn)的方向與電磁波傳播方向構(gòu)成左手螺旋關(guān)系，則稱為左旋圓極化波。橢圓極化。指電場在空間的取向，其矢量端點軌跡隨時間在一個橢圓上旋轉(zhuǎn)。直線極化波和圓極化波都可看作橢圓極化波的特例。(5)無線電波的輻射。無線電波是由天線向空間輻射所產(chǎn)生的。輻射后的無線電波在空間傳播，在遠(yuǎn)離天線一段距離后的空間是遠(yuǎn)場區(qū)，在該區(qū)的場又稱輻射場。上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播對輻射場，電場強度E和磁場強度H的振幅隨離開天線的距離:的增加而按1/r的因子減小，輻

17、射場的等相面(或稱波陣面，波前)是以r為半徑的球面。5.2.3自由空間的傳播損耗無線電波在自由空間中的傳播就稱為自由空間傳播。自由空間，嚴(yán)格來說是指真空，是一種理想情況，實際上是不可能達(dá)到這種情況的。通常自由空間是指充滿均勻、無損耗媒質(zhì)的無限大空間，即該空間具有電導(dǎo)率為零、相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率均恒為1等特點。無線電波在自由空間的傳播過程中不產(chǎn)生波的吸收、散射和反射等現(xiàn)象。上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播在微波通信中，天線的方向性是很強的，站間的距離很大(與波長相比)，由輻射源發(fā)出的電波雖然是球面波，但達(dá)到接收天線時已經(jīng)完全可以認(rèn)為是平面波了，所以在討論微波通信的電波傳輸時，均按

18、平面波的情況來分析。電波由發(fā)射天線輻射后，能量是向周圍空間擴散的，達(dá)到接收天線的能量僅是其中的一小部分，距離越遠(yuǎn)，接收天線收到的能量越少，這就是電波在自由空間傳播過程中的衰減，也稱為自由空間的傳播損耗，如圖5.4所示。如果把發(fā)射天線放置在A點，發(fā)射功率為Pt，把接收天線及設(shè)備放在B點，所接收到的功率為Pt, A、B間的距離為d，則可以以A點為球心，以d為半徑作一球面，其球面積為4 d2 。 B點在球面上，因此，在球面上任一點的單位面積所接收到的功率為Pt.，把接收天線及設(shè)備放在B點，所接收到的功率為Pt /(4 d2 )。上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播如果發(fā)射天線和接收天線均無方

19、向性，則無方向性接收天線所能接收的有效面積為2/ 4 ，為所傳電波的波長。所以，在B點的無方向性接收天線所收到的功率為: （5.3）于是可定義自由空間的衰減系數(shù)為: （5.4）或 （5.5）上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播當(dāng)d的單位為km, f的單位是GHz時， LS = 92.4+20lgd +20lgf (dB) (5. 6)5. 2. 4自由空間傳播條件下收信電平的計算實際上，用于數(shù)字微波接力通信設(shè)備的天線，不是向周圍空間均勻輻射的無方向性天線，而是具有很強的方向性，它能把輻射能量在很大程度上向正前方向(主射束方向)集中，這種集中程度用發(fā)射天線增益Gt來表示。通過主射束方向單

20、位面積的功率為PtGt/4d2。如果接收天線的有效接收面積為上一頁下一頁返回5. 2電波在自由空間的傳播式中Gr接收天線的增益。此接收天線所截獲的功率Pre為: （5.7）式(5. 7 )就是當(dāng)天線與接收機匹配時送至接收機的輸入功率或收信電平。實際微波通信中，饋線系統(tǒng)均具有損耗，設(shè)收發(fā)兩端饋線系統(tǒng)損耗分別為Lfr、Lft，收發(fā)兩端分路系統(tǒng)損耗分別為Lbr、 Lbt，則在自由空間傳播條件下，最后接收機的收信功率電平為: （5.8）式(5.8)中各量除表明的外用分貝表示。 上一頁返回5. 3微波傳播的描述方法5. 3. 1惠更斯一菲涅耳原理當(dāng)需要估計從發(fā)射天線到接收天線之間傳輸功率的主要空間時.就

21、要用到惠更斯一菲涅耳原理。該原理認(rèn)為:波在傳播過程中.波面上的每一點都是一個進(jìn)行二次輻射的球面波波源.而下一個波面就是前一個波面上無數(shù)個二次輻射波波面的包絡(luò)面。如圖5.5所示.在時刻t的波面為A.經(jīng)過t時間后的波面為B.這個波面B是原來波面A上無數(shù)個小波源a1,a2,a3在時刻t發(fā)出的球面波.經(jīng)t時間之后到達(dá)b1 ,b2,b3點所形成的包絡(luò)面。其后.菲涅耳發(fā)展了這個原理.他認(rèn)為波在傳輸過程小.空間任一點上的輻射場.是包圍波源的任意封閉曲面上各點的二次波源發(fā)出的波在該點互相干涉疊加的結(jié)果。下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法從電磁波的觀點來看.這個原理是容易理解的.因為包圍波源的任一個曲面上都分

22、布著電場和磁場.場的結(jié)構(gòu)可以用電力線和磁力線的分布來表不.線上的每一點都有與之相切的電場矢量和磁場矢量.如圖5.5所不。這樣每一個點的電場和磁場都可以當(dāng)作小的電偶極子和磁偶極子.電磁波的傳播是這些偶極子不斷地產(chǎn)生和再輻射的過程。所以.曲面上的地磁矢量都是曲面外任一點輻射場的波源.通常把它叫作二次波源.或惠更斯源。場中任一點的強度.就是無數(shù)的以這些小電磁輻射源輻射的波.在空間相互干涉疊加的合成場強.從電磁場的基本定律出發(fā).通過曲面積分.可以導(dǎo)出空間任一點P的數(shù)學(xué)表達(dá)式: （5.9）上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法式中A一次源的幅度; k單位長度上的相位變化; 一次源到S曲面上的二次點源

23、的距離; r S曲面上的二次點源到P點的距離。表達(dá)式中略去了時間因子。雖然利用上式可以計算出點源Q以外空間任意點P處的場強，可是計算復(fù)雜，而且難以解釋物理概念。采用菲涅耳近似計算法，可使問題簡化。5. 3. 2電波傳播的菲涅耳區(qū)假定有一個微波中繼段發(fā)信點為T，收信點為R，站間距為d，平面上一個動點P到兩個定點(T,R)的距離若為一個常數(shù)，則此點的軌跡為一個橢圓。在空間此動點的軌跡是一個旋轉(zhuǎn)橢球面。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法對于電波傳播.當(dāng)這個常數(shù)為d+/2時，得到的橢球面稱為第一菲涅耳橢球面;常數(shù)為d+2/2時.得到的橢球面稱為第二菲涅耳橢球面;常數(shù)為d+N/2時.得到的橢球面

24、稱為第N菲涅耳橢球面。如果前述定義的一系列菲涅耳橢球面，與我們從T或R點出發(fā)認(rèn)定的某一波面相交割，在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中心是一個圓，稱為第一菲涅耳區(qū)。其外的圓環(huán)(外圓減內(nèi)圓得到的圓環(huán))稱為第二個菲涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三菲涅耳區(qū)、第四菲涅耳區(qū)第N菲涅耳區(qū)。這些圓和環(huán)，我們可以把它們近似地看成垂直于地面且垂直于T與R間射線的平面區(qū)域圖形。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法經(jīng)有關(guān)研究知道:(1)由第一菲涅耳區(qū)在接收點的場強，接近于全部有貢獻(xiàn)的菲涅耳區(qū)在接收點的自由空間場強的2倍。(2)由第二菲涅耳區(qū)在接收點的場強，比第一菲涅耳區(qū)在接收點的場強小些，但相位相反。(

25、3)在電波的傳播空間中，在接收點的合成場強，當(dāng)菲涅耳區(qū)數(shù)趨近于無限多時，就接近于自由空間場強。(4)相鄰菲涅耳區(qū)在收信點處產(chǎn)生的場強的相位相反。(5)若以第一菲涅耳區(qū)為參考，則奇數(shù)區(qū)產(chǎn)生的場強是使接收點的場強增強，偶數(shù)區(qū)產(chǎn)生的場強是使接收點的場強減弱。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法這樣，從Q點到尸點的電磁能量基本上是通過以Q和P為焦點的一些菲涅耳區(qū)來傳播的。所以，為了獲得自由空間傳播，只要保證一定的菲涅耳區(qū)不受障礙就可以了。這個區(qū)域是電波在自由空間傳播時起主要作用的空間區(qū)域，它被S0平面所截的面積是對接收場強起主要作用的二次源分布面積。我們把菲涅耳區(qū)上的任意一點到R-T連線的距離稱

26、為菲涅耳區(qū)半徑，用F表示。如圖5. 6所示。當(dāng)這一點為第一菲涅耳區(qū)上的點時，此半徑稱為第一菲涅耳區(qū)半徑，記為F1。當(dāng)這一點為第n菲涅耳區(qū)上的點時，此半徑稱為第n菲涅耳區(qū)半徑，記為Fn。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法一般情況下.d1和d2遠(yuǎn)大于菲涅耳區(qū)半徑Fn可以算出.對第一菲涅耳區(qū)面上的點.有: （5.10）因為d1+d2=d，所以: （5.11）上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法由此可以算出第一菲涅耳區(qū)半徑:式中.距離d的單位為km.頻率f的單位為GHz,算出的F1的單位為m。同理.第n菲涅耳區(qū)半徑:公式表明.波長愈短.距離d愈短.菲涅耳區(qū)半徑越小.波長和距離一定時.菲涅

27、耳區(qū)半徑與S0的位量有關(guān).如選在中點.則菲涅耳區(qū)半徑最大。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法設(shè)想S0是一個不透明的屏.圍繞著零點開圓孔.先開一個孔與第一個菲涅耳區(qū)圓面積一樣大.則接收點的場強振幅將為自由空間值的2倍.逐漸開大孔.就會得到場強起伏變化。同時還可看出.所開的圓孔只要相當(dāng)于第一個菲涅耳區(qū)面積的1/3左右時.就能得到自由空間場強。也就是說要得到合成場振幅為自由空間場振幅八的最小菲涅耳區(qū)半徑F0 。上例中.傳播路徑中點處的F0= F1的孔就能在接收點得到自由空間傳播的信號場強。第一個菲涅耳半徑F1和最小菲涅耳半徑F0 。是微波電路勘探設(shè)計中常用的兩個重要物理量。上一頁下一頁返回5

28、. 3微波傳播的描述方法5. 3. 3地形對電波傳播的影響地形對大氣中電波傳播的影響主要表現(xiàn)在3個方面.反射、繞射和散射。在實際傳播中.這3種現(xiàn)象都存在.只是在不同條件下有主次之分。當(dāng)天線高架.地面平滑的以反射為主;地面粗糙起伏較大時.以散射為主(如丘陵地段).散射實際上是亂反射;當(dāng)天線低架或障礙物的尺寸比波長小得多時，以繞射為主。在平滑地面上，微波中繼通信中無線電波是在地表上兩點之間傳播的，為使問題簡化，我們先假定兩點間的距離不太大，可以不考慮地面媒質(zhì)對電波的吸收，即地面對電波全反射。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法圖5. 7表示電波在平滑地面上的傳播情況。A為發(fā)射天線，高度為h1

29、, B為接收天線，其高度為h2，電波從A至B有兩條途徑，即直射波及反射波。所以在接收點的場強應(yīng)為兩種波的疊加。從圖可見，直射波及反射波到達(dá)接收點時存在著行程差，面且地面反射波本身也要引入相位偏移，因此，直射波將受到反射波的干涉。其結(jié)果使收信點的場強產(chǎn)生變化。如果設(shè)直射波及反射波電場強度相等，且認(rèn)為反射波的電磁場是從發(fā)射天線A在地下的鏡像A所產(chǎn)生。其相位相反，則直射波和反射波行程差為: （5.12）上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法一般情況下.d h1，h2通過近似.可得到行程差為: （5.13）行程差引起相位差，所以經(jīng)過路途ABC的反射波產(chǎn)生相位滯后角為 （5.14）設(shè)直射波的場強為

30、（5.15）上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法設(shè)地面反射系數(shù)為R，且因反射相移弧度，則反射波的場強為: （5.16）合成的場強為二者的疊加.則: （5.17）在研究電波傳播時，人們最關(guān)心的還是電波在傳播過程中電場強度幅值的變化情況。 上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法為此，定義傳播電路的衰減因子V:在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線和發(fā)射功率相同的情況下，接收點的實際電場強度幅值E和自由空間電場強度幅值E0之比，即: (5.19)也可用分貝表示為: (5.20)可以看出.V隨行程差的變化而呈周期性的變化.變化范圍在02內(nèi)?？紤]地面反射后.接收機的實際收信電平為: (5.21)上一頁

31、下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法當(dāng)通信距離遠(yuǎn)或地形復(fù)雜時.不能將電波看作是在平面上的傳播.而必須計算球面時上述的討論進(jìn)行修正.修正主要是對天線高度和反射情況進(jìn)行的。由于地球是球形.凸起的地表面會擋著視線.視線的最遠(yuǎn)距離稱為直視距離。如圖5.8所示.假定發(fā)射和接收天線的高度為h1和h2，而兩天線的連線與地球面相切.則地面上的距離d0為兩天線之間的直視距離。a代表地球的半徑.則: （5.22）上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法因為一般很小，sin，且a+h1 a，故： （5.23）同理d2= 。故直視距離為: （5.24）將地球半徑a=6 370 km.代入則可得:上一頁下一頁返回5.

32、 3微波傳播的描述方法 （5.25）式中.d0的單位為km .h1和h2的單位為m。 比較實際距離d和直視距離d。的關(guān)系，可得: (1)如果dd0，稱接收點處于照明區(qū)。 (2)如果dd0，稱接收點處于陰影區(qū)。 (3)如果d d0，稱接收點處于半陰影區(qū)。要保證發(fā)射和接收天線間的電波不受地球阻擋，就要選取兩天線高度應(yīng)處于照明區(qū)，使dd0 ，即使它們處于照明區(qū)。當(dāng)?shù)孛嫔系姆瓷鋮^(qū)域不可看成是平面而必須計算球面地時，在研究電波反射的計算關(guān)系式中，應(yīng)做相應(yīng)的修改。這種修改主要有兩個方面，一是修改天線的高度，二是修改地面的反射系數(shù)。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法如圖5.9所示，通過反射點作一個切

33、面，則實際的天線高度應(yīng)改為自切平面起算的高度即改為等效高度h1 和h2 。從圖上幾何關(guān)系再取近似值可得: （5.26）上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法于是.天線的等效高度為: （5.27） （5.28）在計算球面地上的反射時.只要用天線等效高度代替實際高度.就等于用平面地代替球面地。另一方面.考慮到球形地面對電波的打散作用.球形地面上的反射比平面上的反射要弱一些。所以要在平面地的反射系數(shù)上乘一個擴散因子。擴散因子與地面反射點的曲率半徑有關(guān).曲率半徑越小.打散因子也就越小。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法對光滑的地面.擴散因子等于1;對起伏不平的復(fù)雜地面.反射點的曲率半徑不為

34、a，而是小于地球半徑。曲率半徑越小.擴散因子就越小。所以在選擇地形時.希望選擇起伏不平的山區(qū)而盡可能避免大的開闊地帶和湖泊。表5. 2給出了不同地面的反射系數(shù)。5. 3. 4大氣對電波傳播的影響1.大氣對微波的吸收大氣中的氣體和百霧等對電波傳播是有影響的。這主要是由大氣成分中的氧、水汽及由后者凝聚而成的百、霧、雨、雪對電波能量的吸收作用所造成的。任何物質(zhì)都是由帶電的粒子組成的.這些粒子有其固有的諧振頻率。當(dāng)通過此物質(zhì)的電磁波頻率接近其諧振頻率時.這些物質(zhì)就會對電磁波產(chǎn)生強烈的共振吸收作用。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法大氣中的氧分子(O2)具有固有的磁偶極矩.水汽分子(H2O)具有

35、固有的電偶極矩.它們都能從電磁波中吸收能量.產(chǎn)生吸收衰減。在微波波段大氣吸收有3個明顯的吸收峰。其中心頻率分別為22. 5 GHz(H2O),60 GHz (O2)和118. 8 GHz (O2).如圖5. 10所示.該曲線是在正常大氣壓(760毫米水銀柱).溫度為20和每立方米空氣中含有水量7.59的濕度條件下計算的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)說明的是.大氣吸收是大氣溫度、氣壓和濕度的函數(shù).而這些氣象參數(shù)會隨高度、地區(qū)、季節(jié)甚至?xí)S每天不同而變化。例如在微波中繼通信中.電波是在靠近地面的空間內(nèi)傳播的.因此可按地面的氣象來進(jìn)行計算。從圖5. 10的曲線看出.對于10 GHz以下的頻率.大氣吸收衰減小于0. 02

36、 dB/km,但對30 GHz以上的毫米波來說.氧和水汽的諧振吸收很嚴(yán)重。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法水凝物是大氣中水蒸氣凝聚物的統(tǒng)稱，如可觀察到的雨、霧、云、冰雹等。它們對微波傳播都有一定的影響。當(dāng)電波投射到這些水凝物粒子時，粒子內(nèi)部的自由電子和束縛電荷將受到外界電場力的作用而強迫振動，若水粒子的半徑遠(yuǎn)小于波長，則整個水粒子上的電磁場可視為均勻分布的。它可以看成是一個等數(shù)的電偶極子。隨外場頻率振蕩產(chǎn)生二次輻射，從而將投射到它上面去的一部分功率散射出去。另一方面，由于水凝粒子內(nèi)部分子之間或分子與離子之間的相互作用產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，使一部分電波功率轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉，這就形成了對電波能

37、量的吸收。無論是吸收或散射作用，其效果都是電波在傳播方向遭受衰減，就云、霧、雪對微波傳播的影響來說，其中降雨引起的衰減最為嚴(yán)重。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法對于10 GHz以上的頻率，由于降雨引起的電波衰減在一年中相當(dāng)多的時間內(nèi)是可觀的。因此，在地面和衛(wèi)星通信線路的設(shè)計中需要考慮由降雨引起的衰減，以便能正確估計降雨對通信質(zhì)量的影響程度。 圖5. 11給出了10 MHz100 GHz內(nèi)幾種不同降雨情況下的雨衰減率的曲線，由曲線看出，對30GHz以下的頻率，小雨、中雨引起的電波衰減是微不足道的，而對于30GHz以上的頻段，即使對一般中雨(例如降雨率為R=5 mm/h)，衰減率也要超過

38、1 dB/km，所以降雨衰減是實現(xiàn)毫米波通信的主要障礙。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法2.大氣使電波發(fā)生折射地球周圍的大氣層并不是一種均勻媒質(zhì).大氣的壓力、溫度與濕度都隨高度而變化。由于這種物理現(xiàn)象.導(dǎo)致大氣層的介電常數(shù)是高度的函數(shù).在標(biāo)準(zhǔn)大氣層情況下.大氣層的相對介電常數(shù)r隨高度的增加將逐漸減少而更趨近于1.因此大氣的折射率n= 與1相差極小.一般它們之間的差值為10-410-6。為了方便.定義折射指數(shù)N =（n-1）X10-6 。一般來說.溫帶地區(qū)緊貼地面的大氣折射指數(shù)N為310-320N單位.平均為315N單位。影響無線電波傳播的主要因索是折射指數(shù)N的垂直分布。一般地說.折射

39、指數(shù)隨高度增加而下降。標(biāo)準(zhǔn)大氣的折射指數(shù)梯度為: (5.29)上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法或標(biāo)準(zhǔn)大氣的折射率梯度為: (5.30)電波在標(biāo)準(zhǔn)大氣中或在混合的比較均勻的大氣中傳播時.常稱為正常傳播。研究對流層折射指數(shù)N,對于了解對流層電流傳播特性有著重要意義。目前世界各國都進(jìn)行了大量的研究工作。在工作上普遍采用實測的辦法.測量大氣折射指數(shù);v的值及其隨高度的變化.并進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)無線電波的性質(zhì).當(dāng)電波由一種媒質(zhì)向另一種媒質(zhì)傳播時.在兩種媒質(zhì)的交界面處會發(fā)生折射。若將地球的大氣層分成許多薄片層.每一薄片層認(rèn)為是均勻的.各薄片層的折射率，、隨高度的增加而減小。上一頁下一頁返回5. 3微

40、波傳播的描述方法電波依次通過每個界面.都將產(chǎn)生一次折射.由于上一層的折射率小于下一層的折射率.按照折射定律可以推出電波的折射角大于入射角.故折射線偏向下方.每折射一次.射線都將向下偏折一次。于是.在大氣層中的電波射線就不再是一條直線而是一條不斷偏折的折線.如果將大氣層的分層取得無限薄.則射線是一條向下彎曲的弧線.利用折射定律.可以推出該弧線的曲率半徑為: (5.31)由于大氣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.電波折射的形式也是多樣的。按大氣折射的分類情況.大致可分為正折射、負(fù)折射和無折射3種.如圖5. 12所示。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法(1)正折射:是指dn/dh0時，K1時，傳播軌跡向下彎曲，

41、視線距離增長，原來處于陰影區(qū)的接收天線，可能處于照明區(qū)而延長了傳播距離;K1時，傳播軌跡向上彎曲，視線距離縮短，原來處于照明區(qū)的接收天線，可能處于陰影區(qū)而接收不到信號。一般來說，K的平均值在叮3左右，因此，通常把K=2/3時的大氣折射稱為標(biāo)準(zhǔn)折射。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法3.影響傳播余隙的因素考慮大氣折射的影響時，利用等效地球半徑代替地球半徑，可得到等效后的地球凸起高度。即: (5.33)采用等效地球后，地球凸起高度的變化量為: (5.34)凸起變化導(dǎo)致余隙的變化，對確定的傳播距離，中間余隙的變化為: (5.35)上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法根據(jù)d1+d2=d，

42、式(5. 35 )可變?yōu)? (5.36)若K不變，d1 / d2不變，則站距越長余隙變化量越大。為保證余隙的變化量不太大，通常要求在平原地段的微波線路站距為3040 km，山區(qū)為5060 km。在電波傳播的計算中，反射點的位置是很重要的參數(shù)。對于微波線路處在山嶺、城市建筑物或丘陵組成的地段，反射點即為山嶺的最高點或建筑物的頂端。而對于微波線路處在平滑地面或水面路段，則由于大氣折射的影響，在不同的K值時，將導(dǎo)致反射點在地面上移動，從而影響余隙的變化。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法在平滑地面或水面路段，在給定站距和天線高度情況下，隨K的不同，反射點位置發(fā)生較大移動，反射波與直射波的行程

43、差變化大，嚴(yán)重影響接收效果。大氣折射的主要影響是通過等效地球半徑因子的改變而引起地球凸起高度。當(dāng)K減小，地球凸起高度增大，余隙減小。在微波線路設(shè)計時，要注意工作區(qū)域K的變化，尤其是最小值和出現(xiàn)的時間。我們知道，如果余隙很大，則包含的菲涅耳區(qū)數(shù)目很多，接收場強將趨于自由空間值。但是由于考慮到地形障礙的存在及余隙的可能變化，我們并不一定要求余隙越大，通過它的菲涅耳區(qū)數(shù)目越多越好。實際上更重要的是要求達(dá)到自由空間場強所需要的最小余隙，即最小菲涅耳區(qū)半徑F0。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法由此可以確定一條確定傳播余隙的原則，即:在一個傳播段上，相應(yīng)于最小值K的傳播余隙應(yīng)在F0左右。在實際電

44、路中，接收點的場強不可能恰好等于計算的自由空間場強值，而允許有士3 dB的變化范圍。5. 3. 5大氣與地面效應(yīng)造成的衰落特性大氣中有對流、平流、湍流及雨霧等現(xiàn)象，它們都是由對流層中一些特殊的大氣環(huán)境造成的，并且是隨機產(chǎn)生的。加上地面反射對電波傳播的影響，就使發(fā)信端到接收端之間的電波被散射、折射、吸收，或被地面反射。在同一瞬間，可能只有一種現(xiàn)象發(fā)生(影響較明顯)，也可能幾種現(xiàn)象同時發(fā)生，其發(fā)生的次數(shù)及影響程度都帶有隨機性。這些影響就使收信電平隨時間而變化。這種收信電平隨時間起伏變化的現(xiàn)象，叫作電波傳播的衰落現(xiàn)象。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法衰落的持續(xù)時間有長有短。持續(xù)時間短的為幾

45、毫秒至幾秒，稱為快衰落;持續(xù)時間長的從幾分至幾小時，稱為慢衰落。當(dāng)衰落發(fā)生時，接收電平低于自由空間電平時稱為下衰落;高于自由空間電平時稱為上衰落。由于信號的衰落情況是隨機的，因而無法預(yù)知某一信號隨時間變化的具體規(guī)律，只能掌握信號隨時間變化的統(tǒng)計規(guī)律。信號的衰落現(xiàn)象嚴(yán)重地影響電波傳播的穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性。視距傳播衰落的主要原因是由于上述大氣與地面效應(yīng)所引起的。從發(fā)生衰落的物理原因看，可以分成以下幾類。1.閃爍衰落對流層中的大氣常常發(fā)生體積大小不等、無規(guī)則的波渦運動，稱為大氣湍流。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法大氣湍流形成的一些不均勻小塊或?qū)訝钗锸菇殡姵?shù)與周圍不同，并能使電波向周圍輻

46、射，這就是對流層散射。在收信點，天線可收到多徑傳來的這種散射波，它們之間具有任意振幅和隨機相位，可使收信點電場強度的振幅發(fā)生變化，并形成快衰落，服從于瑞利分布。在視距微波通信中，由于對流層散射到收信點的多徑電場強度疊加在一起，使收信電場強度降低，形成了閃爍衰落。由于這種衰落持續(xù)時間短，電平變化小，一般不至于造成通信中斷。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法2. K型衰落這是一種多徑傳輸引起的干涉型衰落，它是由于直射波與地面反射波(或在某種情況下的繞射波)到達(dá)接收端時因相位不同互相干涉造成的電波衰落。其相位干涉的程度與行程差有關(guān)，而在對抗層中，行程差r是隨K值(大氣折射的重要參數(shù))變化的，

47、故稱K型衰落。這種衰落尤其在線路經(jīng)過水面、湖泊或平滑地面時特別嚴(yán)重，因氣象條件的突然變化，嚴(yán)重時會造成通信中斷。因地面影響產(chǎn)生的反射衰落及因大氣折射產(chǎn)生的繞射衰落，當(dāng)其衰落深度隨時間變化時引起的衰落均屬K型衰落。K型衰落除地面效應(yīng)外，大氣中有時出現(xiàn)的突變層也能使電波反射或散射，并同直射波和地面反射構(gòu)成了電波的多徑傳輸。在接收點產(chǎn)生干涉，這也是一種K型衰落，K型衰落又叫多徑衰落。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法3.波導(dǎo)型衰落由于各種氣象條件的影響，如旱晨地面被太陽曬熱，夜間地面的冷卻，以及海面和高氣壓地區(qū)都會形成大氣層中的不均勻結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波通過對流層中這些不均勻?qū)訒r，將產(chǎn)生超折射現(xiàn)象

48、，形成大氣波導(dǎo)。只要微波射線通過大氣波導(dǎo)，而收、發(fā)兩點在波導(dǎo)層下面，則收信點的電場強度除了直射波和地面反射波外，還可能收到波導(dǎo)層的反射波，形成嚴(yán)重的干涉型衰落，并往往造成通信中斷。衰落對視距傳播的影響主要有兩個方面:一是接收電平下降，二是由于衰落的頻率選擇性而引起傳輸波形的失真。在多徑衰落的情況下，嚴(yán)格說來這兩種影響是同時存在的。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法但在一定條件下(例如信號傳輸帶寬較窄)，可以忽略頻率選擇性的影響，認(rèn)為在信號傳輸帶寬內(nèi)具有相同的電平衰落深度，這種衰落稱為平衰落，下面主要討論平衰落的統(tǒng)計特性。描述衰落的統(tǒng)計特性可以有不同的方法，例如可連續(xù)記錄收信電場強度(或

49、收信電平)隨著可變化的時間分布曲線;也可將電場強度記錄中低于某一電場強度的時間加起來，再除以總時間，得到低于該電場強度的時間分?jǐn)?shù)或概率，繪出收信電場強度的累積分布曲線等。從微波中繼通信的可靠性著眼，必須掌握衰落深度與衰落持續(xù)時間的概率分布情況，前者給出了電波傳播的中斷電平，后者給出了中斷時間。應(yīng)該強調(diào)指出，多徑傳播效應(yīng)所引起的相位干涉現(xiàn)象，是視距傳播深衰落的主要原因。其衰落模型可以用一個固定的電場強度矢量與無窮多個相位獨立的隨機矢量的矢量和來描述。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法為了分析不同條件下電波傳播的衰落特性，人們采用概率論的方法，引用能夠近似表達(dá)這些衰落特性的多種分布函數(shù)，其

50、中最常用的是瑞利分布。可以證明，上述矢量和的模服從于廣義瑞利分布。當(dāng)衰落較嚴(yán)重時，相位干涉的隨機矢量所占的比重很大，固定電場強度成分居次要地位，甚至極不明顯地位，這時廣義瑞利分布就趨于瑞利分布，其主要特征是衰落快而且深。瑞利分布最簡單的概念是指有衰落時收信電平取某個值的可能性有多大。當(dāng)把瑞利分布的規(guī)律應(yīng)用于微波通信，并且考慮到電波傳播的具體條件，衰落的瑞利概率為: （5.37）上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法式中K環(huán)境條件因子;Q地形條件因子;D站距;f信號頻率;W接收到的實際功率;W0自由空間傳播時的接收功率;Pr接收功率小于或等于W時的概率。從式(5. 37)可以看出，衰落的概率

51、不僅與接收功率有關(guān)，還與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐臍庀?、季?jié)、地理環(huán)境等因索有關(guān)，表現(xiàn)在式(5. 37)中的常數(shù)因子K、Q、B、C不同。故不同的國家和地區(qū)的計算公式也不同，是經(jīng)長期試驗，取得經(jīng)驗后決定的。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法我國對衰落的瑞利概率的計算，是選用了日本、美國公式的折中值，與西、北歐的公式接近，具體為： （5.38）其中KQ的取值為: （5.39）衰落深度又叫衰落儲備。數(shù)字微波通信中的衰落儲備與模擬微波線路參數(shù)的衰落儲備不同。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法這里是指衰落容限，即為了保證某個限定的誤碼率指標(biāo)，一個中繼段(設(shè)備)具有抗衰落的儲備量，或者說能忍受的衰落深度。

52、而模擬微波的衰落儲備，是指在進(jìn)行噪聲指標(biāo)分配時，對一個中繼段留有的指標(biāo)余量。已知衰落深度為Fd時，深衰落發(fā)生的概率為: （5.40） 對于大容量數(shù)字微波，信號一般屬寬帶信號，寬帶信號通過空間信道后，各頻率分量經(jīng)受不相關(guān)的衰減。在接收的合成信號中，表現(xiàn)在某個小頻帶內(nèi)的頻率衰減過大，使信號在整個頻帶內(nèi)，不同頻率的衰落深度不同;這種現(xiàn)象稱為多徑衰落的色散特性。這種衰落就是頻率選擇性衰落。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法產(chǎn)生這種衰落時，接收的信號功率電平不一定小，但其中某一些頻率成分幅度過小，使信號產(chǎn)生波形失真。數(shù)字微波對這種衰落反應(yīng)敏感，由波形失真形成碼間串?dāng)_，使誤碼率增加，所以對數(shù)字微波

53、電路設(shè)計來講，克服頻率選擇性衰落是一個重要的課題。解決頻率選擇性衰落僅考慮增加發(fā)射功率是不行的，最好的解決辦法是采用分集接收和自適應(yīng)均衡技術(shù)。頻率選擇性衰落是由多徑傳播產(chǎn)生的干涉性衰落現(xiàn)象引起的，如圖5. 14所示。我們把多徑傳播歸納為兩種類型。一種是直射波與地面反射波形成的多徑，另一種是低空大氣層大氣效應(yīng)造成的幾種途徑并存的多徑。一般地說，第一種是主要的，是必然發(fā)生的。第二種則居于次要地位，也不一定是經(jīng)常發(fā)生的。但是，當(dāng)?shù)孛娣瓷洳◤姸群苋?，甚至很微弱時，第二種多徑影響就將成為主要因索。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法因多徑干涉性衰落是由幾條不同路徑的電波相干涉而產(chǎn)生的，所以從原理上

54、講，對其衰落模型的研究應(yīng)該由幾條波束進(jìn)行合成。但是，在視距微波線路上，3條以上波束相干涉所造成的衰落使微波電路質(zhì)量變壞的概率較小，故分析多徑衰落時，一般都是對兩條波束模型產(chǎn)生的干涉性衰落機理進(jìn)行研究。令發(fā)送信號為f (t)，其頻譜函數(shù)為F()。則到達(dá)接收點的兩路信號，具有相同的衰減這樣它們可分別表示為Kf (t- t0) ,Kf (t- t0-)，當(dāng)這兩條傳輸路徑的信號合成后，得: (5.41)上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法相應(yīng)于它的傅氏變換對為: (5.42)因此，信道的傳遞函數(shù)為: (5.43)其幅頻特性為: (5.44)上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法可以看出，當(dāng)一

55、個傳輸信號的頻譜寬于1/:時，將致使某些頻率分量呈現(xiàn)嚴(yán)重下衰落，而另外某些頻率信號具有上衰落，這種對不同頻率信號呈現(xiàn)不同衰落的現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落，簡稱選擇性衰落。頻率選擇性衰落對微波通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量會帶來以下3個方面的影響。(1)信號的波形失真。帶內(nèi)失真會導(dǎo)致解調(diào)后數(shù)字信號的波形失真，波形失真又會造成碼間干擾。有證明表示，在信號的通頻帶內(nèi)，56 dB的振幅起伏就會使數(shù)字微波通信系統(tǒng)產(chǎn)生不能允許的高誤碼率，使系統(tǒng)性能變壞。決定頻率選擇性衰落程度的基本參數(shù)是兩條射線的振幅比和路徑時延差。當(dāng)路徑時延差固定時，振幅比越接近1，衰落越嚴(yán)重;當(dāng)振幅比一定時，路徑時延差越大，信號的色散越嚴(yán)重。上一頁下一

56、頁返回5. 3微波傳播的描述方法(2)使交叉極化鑒別率下降。一種極化狀態(tài)下(例如水平極化)的微波信號，經(jīng)過信道傳輸，可能會受到大氣層對電波傳播的影響，使極化面受到損害，并使一部分能量成為與之正交的極化狀態(tài)(例如垂直極化)。這樣，當(dāng)采用同頻(雙極化)再用方案時，就將引起頻率相同、極化正交的兩個波道之間的干擾，稱為交叉極化干擾。當(dāng)然，交叉極化干擾可以由收發(fā)兩端的天線饋線系統(tǒng)的特性產(chǎn)生，但這種情況往往是以一種背景干擾(噪聲)的形式存在，并保持不變。在10 GHz以下頻段，一般認(rèn)為交叉極化干擾主要是由多徑傳播引起的。 交叉極化鑒別率XPD常以電平值表示，即: (5.45)上一頁下一頁返回5. 3微波傳

57、播的描述方法式中P接收端某波迫接收的與發(fā)信端相同極化的信號功率; Px波道收到的交叉極化干擾信號。XPD值越大，表示一種極化狀態(tài)經(jīng)傳輸變成正交極化狀態(tài)的能量越少。對4GHz、6GHz頻段，要求天線饋線系統(tǒng)的交叉極化鑒別度大于;40 dB，但多徑傳播將使交叉極化鑒別率顯著變壞。(3)使系統(tǒng)原有的衰落儲備值下降。當(dāng)不考慮頻率選擇性衰落或系統(tǒng)傳輸?shù)氖钦瓗盘?頻率選擇性衰落可以忽略的情況下)時，系統(tǒng)的抗衰落能力是以平坦衰落儲備表征的。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法平坦衰落儲備的概念是:與自由空間傳播條件相比，當(dāng)熱噪聲增加時(只考慮熱噪聲)，為了在不超過門限誤碼的情況下系統(tǒng)仍能工作所必需留

58、有的電平余量。例如，某數(shù)字微波通信系統(tǒng)在自由空間傳播條件下，收信電平為-35 dB，當(dāng)誤碼率為門限值Pe=10時，收信電平為-80 dB，則其平坦衰落儲備為45 dB。當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時，即對于大、中容量的數(shù)字微波通信系統(tǒng)而言，平坦衰落的概念已不適用。因為數(shù)字微波通信系統(tǒng)的傳輸帶寬(由傳輸容量和調(diào)制方式?jīng)Q定)較寬，而且?guī)捲綄?，頻率選擇性衰落的影響越嚴(yán)重，使系統(tǒng)實際具有的衰落儲備比平坦衰落儲備值低。這是因為當(dāng)帶內(nèi)失真較嚴(yán)重時，有時衰落并不深，而且熱噪聲的影響也并不顯著，卻也有可能使誤碼率很快增加，當(dāng)超過門限誤碼率時，通信中斷。上一頁下一頁返回5. 3微波傳播的描述方法數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常用

59、到有效衰落儲備的概念，它表示與自由空間傳播條件相比，當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時，為了在不超過門限誤碼率時系統(tǒng)仍能工作，所必須留有的電平余量。對于大、中容量的數(shù)字微波通信系統(tǒng)，當(dāng)增加平坦衰落儲備時，有效衰落儲備不能與之成比例地增加(增加極其緩慢)。也就是說，僅通過增加平坦衰落儲備，例如只靠提高發(fā)信功率，數(shù)字微波通信系統(tǒng)的性能不會得到必要的改善。解決的辦法是采用頻率分集、空間分集和自適應(yīng)均衡技術(shù)，以改善系統(tǒng)的抗頻率選擇性衰落的能力。5. 3. 6抗衰落技術(shù)微波傳播中的衰落現(xiàn)象給微波傳輸帶來了不利的影響，所以人們在研究電波傳播統(tǒng)計規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了各種對付電波衰落的技術(shù)措施，即抗衰落技術(shù)。上一頁下一頁返

60、回5. 3微波傳播的描述方法對付平坦衰落，往往靠收信機中頻放大器的自動增益控制(AGC)電路和采用備用波道倒換的辦法。在已建成的微波線路上，對某些衰落嚴(yán)重的接力段，尤其是頻率選擇性衰落嚴(yán)重的接力段，就應(yīng)采取更有效的抗衰落技術(shù)，如采用分集技術(shù)和抗衰落天線。其中，分集技術(shù)就是指通過兩條或兩條以上的途徑(例如空間途徑)傳輸同一信息，以減輕衰落影響的一種技術(shù)措施，下面將介紹分集技術(shù)。先從概率的觀點出發(fā)討論分集接收對減少衰落的可能性。分集接收減小衰落的物理意義是很明顯的。因為衰落是一種隨機過程，故被接收的電場振幅也是一個隨機變量。若在相距較遠(yuǎn)的各接收點，其電場衰落不相關(guān)，那么當(dāng)某一點電場深度衰落時，其他