西安电子科技大学：《通信原理》课程教学资源（讲义）第十二讲 随参信道及其传输特性

《通信原理》第十二讲 §3.3随参信道及其传输特性 随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。常见的随参信道有 陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波 对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道 随参信道举例 a)陆地移动信道 陆地移动通信工作频段主要在ⅤHF和UHF频段,电波传播特点是以直射波 为主。但是,由于城市建筑群和其它地形地物的影响,电波在传播过程中会产生 反射波、散射波以及它们的合成波,电波传输环境较为复杂,因此移动信道是典 型的随参信道。 自由空间传播 当移动台和基站天线在视距范围之内,这时电波传播的主要方式是直射波。 设发射机输入给天线功率为P(W),则接收天线上获得的功率为 PR=PGG/d (3.3-1) 式中,G为发射天线增益,Gρ为接收天线增益,d为接收天线与发射天线之间 直线距离,2 为各向同性天线的有效面积。当发射天线增益和接收天线增益都 等于1时,式(3.3-1)简化为 (33-2) 47d 自由空间传播损耗定义为 Pr (3.3-3) P 代入式(3.3-2)可得

《通信原理》 第十二讲 §3. 3 随参信道及其传输特性 随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。常见的随参信道有 陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波 对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。 一、 随参信道举例 a) 陆地移动信道 陆地移动通信工作频段主要在 VHF 和 UHF 频段，电波传播特点是以直射波 为主。但是，由于城市建筑群和其它地形地物的影响，电波在传播过程中会产生 反射波、散射波以及它们的合成波，电波传输环境较为复杂，因此移动信道是典 型的随参信道。 i. 自由空间传播 当移动台和基站天线在视距范围之内，这时电波传播的主要方式是直射波。 设发射机输入给天线功率为 PT (W)，则接收天线上获得的功率为 2 4 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = d PR PTGTGR π λ (3.3-1) 式中，GT 为发射天线增益，GR 为接收天线增益，d 为接收天线与发射天线之间 直线距离， π λ 4 2 为各向同性天线的有效面积。当发射天线增益和接收天线增益都 等于 1 时，式(3.3-1)简化为 2 4 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = d PR PT π λ (3.3-2) 自由空间传播损耗定义为 R T fs P P L = (3.3-3) 代入式(3.3-2)可得

(33-4) 用dB可表示为 L]=201g+/ta =32.44+20lgd+20lgf(dB) 式中,d为接收天线与发射天线之间直线距离,单位为km;f为工作频率,单 位为MHz i.反射波与散射波 当电波辐射到地面或建筑物表面时,会发生反射或散射,从而产生多径传播 现象,如图3-17所示。 图3-17移动信道的传播路径 折射波 电波在空间传播中,由于大气中介质密度随高度增加而减小,导致电波在空 间传播时会产生折射、散射等,如图3-19所示。大气折射对电波传输的影响通 常可用地球等效半径来表征。地球的实际半径和地球等效半径之间的关系为 k= (33-10) 式中,k称为地球等效半径系数,=6370km为地球实际半径,r为地球等效半 径。在标准大气折射情况下,地球等效半径系数k=,此时地球等效半径为

2 4 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = λ πd Lfs (3.3-4) 用 dB 可表示为 [ ] λ πd Lfs 4 = 20lg = 32.44 + 20lg d + 20lg f (dB) (3.3-5) 式中，d 为接收天线与发射天线之间直线距离，单位为 km； f 为工作频率，单 位为 MHz。 ii. 反射波与散射波 当电波辐射到地面或建筑物表面时，会发生反射或散射，从而产生多径传播 现象，如图 3-17 所示。 图 3-17 移动信道的传播路径 iii. 折射波 电波在空间传播中，由于大气中介质密度随高度增加而减小，导致电波在空 间传播时会产生折射、散射等，如图 3-19 所示。大气折射对电波传输的影响通 常可用地球等效半径来表征。地球的实际半径和地球等效半径之间的关系为 0r r k e = (3.3-10) 式中，k 称为地球等效半径系数，r0 = 6370km 为地球实际半径， er 为地球等效半 径。在标准大气折射情况下，地球等效半径系数 3 4 k = ，此时地球等效半径为 re kr 6370 8493km 3 4 = 0 = × =

折射电波 图3-19电波折射示意图 b)短波电离层反射信道 短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离层,或电离层与地面 之间的一次反射或多次反射所形成的信道。离地面60~600km的大气层成为电离 层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成。当频率范围为3~30MHz的 无线电波射入电离层时,由于折射现象会使电波发生反射,返回地面,从而形成 短波电离层反射信道。 电离层厚度有数百千米,可分为D、E、F1和F2四层,如图3-20所示。由于 太阳辐射的变化,电离层的密度和厚度也随时间随机变化,因此短波电离层反射 信道也是随参信道。在白天,由于太阳辐射强,所以D、E、F1和F2四层都存在。 在夜晚,由于太阳辐射减弱,D层和F1层几乎完全消失,F2层是反射层一次反 射的最大距离约为4000km 地面反射点 图3-20电离层结构示意图 由于电离层密度和厚度随时间随机变化,因此短波电波满足反射条件的频率 范围也随时间变化。通常用最高可用频率给出工作频率上限。最高可用频率是指 当电波以φn角入射时,能从电离层反射的最高频率,可表示为 MUF f o sec o (33-11) 式中,f为0=0时能从电离层反射的最高频率(称为临界频率)

图 3-19 电波折射示意图 b) 短波电离层反射信道 短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离层，或电离层与地面 之间的一次反射或多次反射所形成的信道。离地面 60~600 km 的大气层成为电离 层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成。当频率范围为 3~30MHz 的 无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面，从而形成 短波电离层反射信道。 电离层厚度有数百千米，可分为 D、E、F1 和 F2 四层，如图 3-20 所示。由于 太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射 信道也是随参信道。在白天，由于太阳辐射强，所以 D、E、F1 和 F2 四层都存在。 在夜晚，由于太阳辐射减弱，D 层和 F1 层几乎完全消失， F2 层是反射层一次反 射的最大距离约为 4000km。 图 3-20 电离层结构示意图 由于电离层密度和厚度随时间随机变化，因此短波电波满足反射条件的频率 范围也随时间变化。通常用最高可用频率给出工作频率上限。最高可用频率是指 当电波以ϕ 0 角入射时，能从电离层反射的最高频率，可表示为 0 0 f MUF = f secϕ (3.3-11) 式中， 0f 为ϕ 0 = 0时能从电离层反射的最高频率(称为临界频率)

在白天,电离层较厚,F2层的电子密度较大,最高可用频率较高。在夜晩, 电离层较薄,F2层的电子密度较小,最高可用频率要比白天低 短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播,多径传播有以下几种形式 (1)电波从电离层的一次反射和多次反射 (2)电离层反射区高度所形成的细多径; (3)地球磁场引起的寻常波和非寻常波 (4)电离层不均匀性引起的漫射现象。 以上四种形式如图3-21所示。 A(a)-次反射和两次反射B (b)反射区高度不同B (c)寻常液与非寻常波B )漫射现象 图3-21多径形式示意图

在白天，电离层较厚，F2 层的电子密度较大，最高可用频率较高。在夜晚， 电离层较薄，F2 层的电子密度较小，最高可用频率要比白天低。 短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播，多径传播有以下几种形式 (1) 电波从电离层的一次反射和多次反射； (2) 电离层反射区高度所形成的细多径； (3) 地球磁场引起的寻常波和非寻常波； (4) 电离层不均匀性引起的漫射现象。 以上四种形式如图 3-21 所示。 图 3-21 多径形式示意图