通信技術基礎實踐Part1微波通信（2）北方工業大學通信工程系邢志強目錄微波通信基礎天線技術基礎電波傳播基礎3無線電波傳播基礎電波傳播概述

移動通信電波傳播

電波傳播的matlab仿真3.1無線電波傳播概述電磁波譜3.1無線電波傳播概述超低頻和極低頻（3000Hz以下）：典型應用為地質結構探測，電離層與磁層研究，對潛通信，地震電磁輻射前兆檢測。由于頻率低，因而信息容量小，信息速率低（約1bit/s）。該頻段中受雷電干擾強。甚低頻（3-30KHz）：典型應用為超遠程及水下相位差導航系統，全球電報通信及對潛指揮通信，時間頻率標準傳遞，地質探測。該波段難于實現電尺寸高的垂直極化天線和定向天線，傳輸數據率低，雷電干擾也比較強。3.1無線電波傳播概述3.1無線電波傳播概述低頻（30-300KHz）：典型應用為LoranC（美）及我國長河二號遠程脈沖相位差導航系統，時間頻率標準傳遞，遠程通信廣播。該頻段不易實現定向天線。中頻（300-3000KHz）：用于廣播、通信、導航（機場著陸系統）。采用多元天線可實現較好的方向性，但是天線結構龐大。高頻（3-30MHz）：

用于遠距離通信廣播，超視距天波及地波雷達，超視距地-空通信。米波（30-300MHz）：用于語音廣播，移動（包括衛星移動）通信，接力（~50km跳距）通信，航空導航信標，以及容易實現具有較高增益系數的天線系統。3.1無線電波傳播概述分米波（300-3000MHz）：用于電視廣播，飛機導航、著陸，警戒雷達，衛星導航，衛星跟蹤、數傳及指令網，蜂窩無線電通信。厘米波（3-30GHz）：用于多路語音與電視信道，雷達，衛星遙感，固定及移動衛星信道。毫米波（30-300GHz）：

用于短路徑通信，雷達，衛星遙感。此波段及以上波段的系統設備和技術有待進一步發展。亞毫米波（300-3000GHz）：用于短路徑通信。主要的電波傳播方式地面波傳播電波沿著地球表面傳播的方式為地面波傳播。地波在傳播過程中，由于能量逐漸被大地吸收，很快減弱（波長越短，減弱越快），因而傳播距離不遠。但地波不受氣候影響，可靠性高。

超長波、長波、中波無線電信號，都是利用地波傳播的。短波近距離通信也利用地波傳播。

主要的電波傳播方式天波傳播發射天線向高空輻射的電波在電離層內經過連續折射而返回地面到達接收點的傳播方式稱為天波傳播。

電離層只對短波波段的電磁波產生反射作用，因此天波傳播主要用于短波遠距離通信。

優點：能以較小的功率進行達數千千米的遠距離傳播。受電離層隨機變化的影響，衰落現象也比較嚴重。

主要的電波傳播方式視距傳播

電波依靠發射天線與接收天線之間的直視的傳播方式稱為視距傳播。工作頻段為超短波及微波波段。要求天線有強方向性且足夠高的架設高度。信號在傳播中受到直射和地面反射波間干涉的影響。在高頻率上，還要考慮雨和大氣成分、山、建筑物和樹木等對電磁波的散射和繞射作用變得更加顯著。3.2移動通信的電波傳播散射體(Scatterers)大反射體(reflector)遮擋Blocking電波傳播的理解基站Abasestation電波衰減隨著移動臺到基站的距離增大而增加．由于基站與移動臺之間的建筑物等對電波的遮擋與反射，到達移動臺周邊的電波能量有緩慢的變動.由移動臺周邊散射物對電波的反射，折射與散射，這些波的相互干涉使得接收功率產生瞬時的變動．

移動臺

Amobilestation

隨機變動Randomvariation距離Distance基站

Basestation距離衰減Pathloss多徑衰落Multipathfading約1m約100m遮擋衰減shadowing電波傳播的理解依據收發信機之間距離的傳播衰減.

電波的傳播是擴散傳播的，其衰減隨基站和移動臺之間的距離增大而增大．遮擋

Shadowing所謂遮擋，是由于基站和移動臺之間的大型的建筑物對電波的遮擋而發生的到達移動臺周邊的信號功率緩慢變動的現象．平均接受功率大體上以數十米到數百米的周期的不規則的變動．變動幅度依據于是基站和移動臺之間的地形地物的形態構造．電波傳播模式的理解多徑衰落

Multipathfading所謂衰落：接收信號功率快速變動的物理現象．它由經移動臺周邊的散射體的折射，反射，散射等電波的相互干涉而產生．是以載波半波長程度為周期的接收信號振幅的不規則變動．電波傳播模式的理解接收信號的功率由于距離衰減，遮擋和多徑衰落的影響而隨時間變動．接收信號功率可用三項的乘積來表示，這三項包括距離衰減，遮擋衰減和多徑衰落.發信功率接收功率的關系接收功率Receivedpower發信功率Transmitpower距離衰減Pathloss遮擋衰減Shadowing多徑衰落Multipathfading接收信號表示統計特性

StatisticalPropertise距離衰減

Pathlossthatdependsondistance

假設移動臺距基站的距離為d，那么接收功率反比于dα．α大體上介于３到４之間．遮擋衰減

Shadowingloss

如果遮擋衰減d(t)用dB來表示的話，那么d(t)是服從于標準方差為6~10的正態分布過程（高斯過程）的緩慢的變動．多徑衰落

Multipathfiding

都市內的信道增益g(t)符合瑞利分布的概率過程，這一模型被廣泛地使用．發信功率接收功率的關系發射功率接收功率距離衰減遮擋衰減多徑衰落接收功率Pr(t)的瞬間時間變動頻率

:2000MHz,移動速度

:5.4km/hCENTER1.990500000GHzSPAN0Hz0.4sec10dBfD=4Hz衰落對接收信號功率的影響多徑衰落速率天線移動時，就要產生多譜勒頻移，相應地接收的載波信號頻率也要發生變化．最大頻率變化叫做最大多譜勒頻率fD．

vm/s接收信號的數學表達方式發信信號

接收信號

以上，A(t)和fc以及

分別是接收信號的包絡線，載波頻率，和相位．

發射功率

PtTransmitpower

接收功率PrReceivedpower接收信號的包絡線Ar(t)如下式所示．g(t)叫做信道增益．

其中

E[g2(t)]=1S(t)是因由距離衰減和遮擋衰減而發生的慢速功率變動．g2(t)是因由多徑傳播而產生的快速衰落．

接收信號的數學表達方式假設有N個強度相同到來方向不同的平面波接收天線以一定的速度ν移動著．最大多譜勒頻移

fD=ν/λ第n個平面波的到來角θn和多譜勒頻移為fn,Doppler，那么

fn,Doppler=fD

cosθn天線移動方向n=1速度vqn接收信號模型接收信號模型F(t)叫做復信道的增益瑞利分布接收信號的數學表示g(t)的概率密度函數0gp(g)接收信號的振幅和相位發生了変化傳輸誤差產生的原因接收信號的振幅和相位変化由熱噪聲而產生的誤差由相位反轉而產生的誤差（理想同步檢波不產生相位反轉誤差）數據被錯誤接收信號振幅較小時熱噪聲信號振幅很大的情況時數據可被正確接受空間分集（多天線）

所謂分集接收，就是分離設置的多數個天線來接收信號，并將這些接收信號合成從而降低電波衰落影響的接收技術．它利用了處于不同空間位置的天線所接收信號的衰落不同的特點

如選擇合成分集

最簡單的分集合成方式就是選擇合成分集．.3.3移動通信的電波傳播的matlab仿真（首先考慮最簡單的情況）到達接收天線的為Ｎ個強度相同但相位不同的平面波．n=1qn平面波Plainwave衰落信道的matlab仿真到達接收天線的為Ｎ個強度相同但相位不同的平面波．

且接收天線以一定的速度v移動．最大多譜勒頻移fD=v/λ

第ｎ號平面波的到來方向和最大多譜勒頻移的關系天線移動方向n=1速度vqn衰落信道的matlab仿真接收信號的表示F(t)一般被稱為信道的復增益．衰落信道的matlab仿真

衰落信道的離散模型

信道增益是時間連續的，對接收信號以T秒時間間隔進行抽樣，就可得到離散的（信道增益）．這樣一來，第k個數據的接收時點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間域變化如果天線不移動，就不會發生快衰落．但是，x-y平面上的不同地點的接收信號的強度是不同的．xy(0,0)n=1qn地點(x,y)Position(x,y)首先求在地點(x,y)第n個到來波的相位．但以地點(0,0)為基準點．在地點(x,y)到來波的位相，要比地點(0,0)有xn(x,y)的改變．所以，N個到來波的合成波變為F(x,y)的樣子．xy|F(x，y)|cmcm衰落仿真器的空間域變化在地點(x,y)的接受信號的強度，如圖所示（三維空間圖）．在三維空間圖中如果天線移動就要發生衰落．本仿真實驗的目的是通過觀察時間領域的瑞利信道衰落，來理解其統計性質．觀測信道增益F(k)的時間變化