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1、,通信技术基础实践Part 1 微波通信（2）,北方工业大学通信工程系邢志强,目 录,微波通信基础 天线技术基础 电波传播基础,3 无线电波传播基础,电波传播概述 移动通信电波传播 电波传播的matlab仿真,3.1 无线电波传播概述,电磁波谱,3.1 无线电波传播概述,超低频和极低频（3000Hz以下）：典型应用为地质结构探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。由于频率低，因而信息容量小，信息速率低（约1bit/s）。该频段中受雷电干扰强。甚低频（3-30KHz）：典型应用为超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。该波段难于实现电尺
2、寸高的垂直极化天线和定向天线，传输数据率低，雷电干扰也比较强。,3.1 无线电波传播概述,3.1 无线电波传播概述,低频（30-300KHz）：典型应用为Loran C（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。该频段不易实现定向天线。中频（300-3000KHz）：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。高频（3-30MHz）：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信。米波（30-300MHz）：用于语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接力（50km跳距）通信，航空导航信标，以及容易实现具有较高
3、增益系数的天线系统。,3.1 无线电波传播概述,分米波（300-3000MHz）：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信。厘米波（3-30GHz）：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。毫米波（30-300GHz）：用于短路径通信，雷达，卫星遥感。此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。亚毫米波（300-3000GHz）：用于短路径通信。,主要的电波传播方式,地面波传播 电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远。但地波不受气候
4、影响，可靠性高。超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。短波近距离通信也利用地波传播。,主要的电波传播方式,天波传播 发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波远距离通信。优点：能以较小的功率进行达数千千米的远距离传播。受电离层随机变化的影响，衰落现象也比较严重。,主要的电波传播方式,视距传播 电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。工作频段为超短波及微波波段。要求天线有强方向性且足够高的架设高度。信号在传播中受到直射和地面反射波间干涉的影响。在高频率上
5、，还要考虑雨和大气成分、山、建筑物和树木等对电磁波的散射和绕射作用变得更加显著。,3.2 移动通信的电波传播,电波传播的理解,基站A base station,电波衰减随着移动台到基站的距离增大而增加,由于基站与移动台之间的建筑物等对电波的遮挡与反射，到达移动台周边的电波能量有缓慢的变动.,由移动台周边散射物对电波的反射，折射与散射，这些波的相互干涉使得接收功率产生瞬时的变动,移动台 A mobile station,随机变动Random variation,距离Distance,基站 Base station,距离衰减Path loss,多径衰落Multipath fading,约1 m,约
6、100 m,遮挡衰减shadowing,电波传播的理解,依据收发信机之间距离的传播衰减.电波的传播是扩散传播的，其衰减随基站和移动台之间的距离增大而增大遮挡 Shadowing 所谓遮挡，是由于基站和移动台之间的大型的建筑物对电波的遮挡而发生的到达移动台周边的信号功率缓慢变动的现象平均接受功率大体上以数十米到数百米的周期的不规则的变动变动幅度依据于是基站和移动台之间的地形地物的形态构造,电波传播模式的理解,多径衰落 Multipath fading所谓衰落：接收信号功率快速变动的物理现象它由经移动台周边的散射体的折射，反射，散射等电波的相互干涉而产生是以载波半波长程度为周期的接收信号振幅的不规
7、则变动,电波传播模式的理解,接收信号的功率由于距离衰减，遮挡和多径衰落的影响而随时间变动接收信号功率可用三项的乘积来表示，这三项包括距离衰减，遮挡衰减和多径衰落.发信功率接收功率的关系,接收信号表示,统计特性 Statistical Propertise,距离衰减 Path loss that depends on distance假设移动台距基站的距离为d，那么接收功率反比于d 大体上介于到之间遮挡衰减 Shadowing loss如果遮挡衰减d(t)用dB来表示的话，那么d(t)是服从于标准方差为610的正态分布过程（高斯过程）的缓慢的变动多径衰落 Multipath fiding都市内的
8、信道增益g(t)符合瑞利分布的概率过程，这一模型被广泛地使用,发信功率接收功率的关系,发射功率,接收功率,距离衰减,遮挡衰减,多径衰落,接收功率Pr(t)的瞬间时间变动频率:2000MHz,移动速度:5.4km/h,CENTER 1.990500000 GHz,SPAN 0 Hz,0.4 sec,10dB,fD=4 Hz,衰落对接收信号功率的影响,多径衰落速率,天线移动时，就要产生多谱勒频移，相应地接收的载波信号频率也要发生变化最大频率变化叫做最大多谱勒频率fD,接收信号的数学表达方式,发信信号接收信号 以上，A(t)和fc以及 分别是接收信号的包络线，载波频率，和相位,发射功率 PtTran
9、smit power,接收功率PrReceived power,接收信号的包络线Ar(t)如下式所示g(t)叫做信道增益 其中 Eg2(t)=1S(t)是因由距离衰减和遮挡衰减而发生的慢速功率变动g2(t)是因由多径传播而产生的快速衰落,接收信号的数学表达方式,假设有N个强度相同到来方向不同的平面波接收天线以一定的速度移动着,最大多谱勒频移 fD=/第n个平面波的到来角n和多谱勒频移为fn,Doppler，那么 fn,Doppler=fD cosn,天线移动方向,接收信号模型,接收信号模型,F(t)叫做复信道的增益,瑞利分布,接收信号的数学表示,g(t)的概率密度函数,接收信号的振幅和相位发生
10、了変化,传输误差产生的原因,接收信号的振幅和相位変化,由熱噪声而产生的误差,由相位反转而产生的误差（理想同步检波不产生相位反转误差）,数据被错误接收,信号振幅较小时,热噪声,信号振幅很大的情况时,数据可被正确接受,空间分集（多天线）,所谓分集接收，就是分离设置的多数个天线来接收信号，并将这些接收信号合成从而降低电波衰落影响的接收技术它利用了处于不同空间位置的天线所接收信号的衰落不同的特点 如选择合成分集 最简单的分集合成方式就是选择合成分集.,3.3 移动通信的电波传播的matlab仿真,（首先考虑最简单的情况）到达接收天线的为个强度相同但相位不同的平面波,平面波Plain wave,衰落信道
11、的matlab仿真,到达接收天线的为个强度相同但相位不同的平面波 且接收天线以一定的速度v移动,最大多谱勒频移fD=v/第号平面波的到来方向和最大多谱勒频移的关系,衰落信道的matlab仿真,接收信号的表示F(t)一般被称为信道的复增益,衰落信道的matlab仿真,衰落信道的离散模型信道增益是时间连续的，对接收信号以T秒时间间隔进行抽样，就可得到离散的（信道增益）这样一来，第k个数据的接收時点t=kT的信道增益如下（b式）,衰落信道的matlab仿真,衰落仿真器的空间域变化,如果天线不移动，就不会发生快衰落但是，x-y平面上的不同地点的接收信号的强度是不同的,x,y,(0,0),n=1,qn,
12、地点(x,y)Position(x,y),首先求在地点(x,y)第n个到来波的相位但以地点(0,0)为基準点 在地点(x,y)到来波的位相，要比地点(0,0)有xn(x,y)的改变所以，N个到来波的合成波变为F(x,y)的样子,衰落仿真器的空间域变化,在地点(x,y)的接受信号的强度，如图所示（三维空间图）在三维空间图中如果天线移动就要发生衰落,本仿真实验的目的是通过观察时间领域的瑞利信道衰落，来理解其统计性质观测信道增益F(k)的时间变化载波频率800MHz，移动速度40km/h，采样率(1/T=9.6kbps)输入fDT的值，生成F(k)，观察F(k)的振幅和相位的时间变化k的范围：k=15000,对信道增益进行如下的考察到来波数的影响 N=1,2,4,8,16到来波方向扩展角的影响 例如：到来波的到来方向限于到度,
