第二章 1 无线通信信道 电磁波的传播

2006年9月2/34信道的重要性Y=Hx+n2006年9月3/34目录1.电磁波的频率2.电磁波的传播3.电磁波基本传播机制的应用4.小结2006年9月4/34引言z无线信道在无线通信中的位置：发基带单元发中频单元发射频单元发天线单元收基带单元收中频单元收射频单元收天线单元无线传播信道2006年9月5/34电磁波的频率1.电磁波的频率与波长的关系：cfλ=其中为电磁波的频率，单位为赫兹(Hz:Hertz)；c是电磁波的传播速度，米/秒；是电磁波的波长，单位为米。ff8310c=×λ2006年9月6/34电磁波的频率1.采用电磁波作为载体来传递信息是无线通信的一种重要手段。2.电磁波包括电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线等组成。0.1nm10nm1µm100µm10mm1m100m10kmγ射线X射线紫外线红外线EHFSHFUHFVHFHFMFLFVLF微波电波蓝绿黄橙红紫外线紫短波红外0.40.60.81中红外热红外5710近红外波长µm可见光WVKCUKaKuXSLP0.3cm1cm3cm10cm30cm100cm波长波段名称波长γ2006年9月7/34电磁波的频率电波频段的划分10丝米[2]~1丝米丝米波300GHz~3000GHz至高频10毫米~1毫米毫米波30GHz~300GHz极高频(EHF:ExtraHighFrequency)10厘米~1厘米厘米波3GHz~30GHz超高频(:SuperHighFrequencySHF)10分米~1分米分米波300MHz~3000MHz特高频(UHF:UltraHighFrequency)10米~1米米波30MHz~300MHz甚高频(VHF:VeryHighFrequency)100米~10米短波3MHz~30MHz高频(HF:HighFrequency)1000米~100米中波300KHz~3000KHz中频(MF:MiddleFrequency)10千米~1千米长波30KHz~300KHz低频(LF:LowFrequency)10万米~1万米甚长波3KHz~30KHz甚低频(VLF:VeryLowFrequency)100万米~10万米特长波300Hz~3000Hz特低频(ULF:UltraLowFrequency)10兆米~1兆米超长波30Hz~300Hz超低频(SLF:SuperLowFrequency)100兆米[1]~10兆米极长波3Hz~30Hz极低频(ELF:ExtraLowFrequency)波长范围(含上限)频段名称频段范围(含上限)频段名称[1]1兆米等于106米。[2]1毫米等于10丝米。2006年9月8/34电磁波的频率微波频段的划分①频率从300MHz至3000GHz范围内的电磁波，又叫做微波(Microwave)，②微波的波长从1米至0.1毫米，它包括四个波段：分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波(丝米波)。③微波还被划分成更细的频段，用拉丁字母代号来代表：0.375~0.380~1000.30W0.5~0.37560~800.40V0.75~0.540~600.60U1.11~0.7527~400.80Ka1.67~1.1118~271.25K2.5~1.6712~182Ku3.75~2.58~123X7.5~3.754~85C15~7.52~410S30~151~222L波长范围(cm)频率(GHz)标称波长(cm)波段代号2006年9月9/34电磁波的频率微波波段代号的由来：①最早的雷达使用的是米波，这一波段被称为P波段(P为Previous的缩写，即英语“以往”的字头)。②最早用于搜索雷达的电磁波波长为23cm，这一波段被定义为L波段(英语Long的字头)，后来这一波段的中心波长变为22cm。③当波长为10cm的电磁波被使用后，其波段被定义为S波段(英语Short的字头，意为比原有波长短的电磁波)。④在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后，3cm波长的电磁波被称为X波段，因为X代表座标上的某点。2006年9月10/34电磁波的频率微波波段代号的由来(续)：⑤为了结合X波段和S波段的优点，逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达，该波段被称为C波段(C即Compromise，英语“结合”一词的字头)。⑥在英国人之后，德国人也开始独立开发自己的雷达，他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为K波段(K=Kurtz，德语中“短”的字头)。⑦“不幸”的是，德国人以其特有的“精确性”选择的波长的电磁波可以被水蒸气强烈吸收。结果这一波段的雷达不能在雨中和有雾的天气使用：9战后设计的雷达为了避免这一吸收峰，使用比K波段波长略长(Ka，即英语K-above的缩写，意为在K波段之上)9使用比K波段波长略短(Ku，即英语K-under的缩写，意为在K波段之下)的波段。2006年9月11/34目录1.电磁波的频率2.电磁波的传播2006年9月12/34电磁波的传播电磁波的基本传播机制主要有五种方式：9直射9反射9绕射9散射9穿透下面分别介绍。2006年9月13/34电磁波的传播1、电磁波直射传播：直射波9电磁波的直射传播(directwavepropagation)，是指无线通信接收机天线能直接看到无线通信发射机的天线(LOS：LightOfSight)，无线通信发射机发射的电磁波直接传播到无线通信接收机。直射波反射波反射波2006年9月14/34电磁波的传播2、电磁波直射传播：反射波9电磁波的反射传播(reflectionwavepropagation)，是指无线通信发射机发射的电磁波，照射到比载波波长大的平面物体(例如：高大建筑物的墙体、沙漠表面、平整的地表面、平静的海水表面等)，反射出来的电磁波再被无线通信接收机的天线接收。直射波反射波反射波2006年9月15/34电磁波的传播3、电磁波直射传播：散射波9无线通信电磁波的散射传播(scatteringwavepropagation)，是指无线通信发射机发射的电磁波，照射到比载波波长小的物体上(如：路灯、树叶、交通标志等)，反射出多路不同的较弱的电磁波，再传播到无线通信接收机的天线处。散射波2006年9月16/34电磁波的传播4、电磁波直射传播：绕射波9无线通信电磁波的绕射传播(diffractionwavepropagation)，是指无线通信发射机发射的电磁波，照射到物体的不规则突出表面的边缘(如：房顶的边缘、窗户的四角等)，再传播到无线通信接收机的天线处。绕射波绕射波2006年9月17/34电磁波的传播5、电磁波直射传播：透射波9空气中的电磁波照射到某一物体时，一部分能量的信号经反射、绕射或散射后在空气中传播，另一部分能量的信号会直接穿透该物体，在该物体的背面空气中传播。¾例如，在室内接收室外天线发射的无线电信号，有很大的一部分电磁波信号是穿透墙体后进入室内的。9电磁波的穿透传播，是无线通信电磁波的一种重要传播手段。9通常的无线通信用户在室内活动的时间比室外活动的时间长的多。透射波2006年9月18/34目录1.电磁波的频率2.电磁波的传播3.电磁波基本传播机制的应用2006年9月19/34电磁波基本传播机制的应用1、电磁波的直射传播：卫星通信信道同步卫星中轨卫星地球12756km35768km700~1500kmAB5~11dB0dB27~34dBGrP=MrP=LrP=大上气层界的3000公里低轨卫星卫地站星面10000~20000km2006年9月20/34电磁波基本传播机制的应用2、地球大气层结构示意图：地球对流层平流层中间层电离层散逸层海拔高度:12km海拔高度:55km海拔高度:85km海拔高度:800km海拔高度:60km2006年9月21/34电磁波基本传播机制的应用2、地球大气层结构：①对流层(Troposphere)：对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道附近为17~18km；在中纬度地区为l0~12km，高纬度为8~9km。夏季较厚，冬季较薄。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为三层。这里平均温度在17~-52℃。这一层的主要特点有：•集中了80%的大气质量和几乎全部的水汽，因此它是天气变化最复杂的层次，大气中的云、雾、雨、雪、冰雹等主要天气现象都发生在这一层次内；•温度随高度的升高而降低，平均每升高100m，气温降低约0.65℃；•具有强烈的铅直运动的不规则的乱流运动；•气象要素的水平分布很不均匀。2006年9月22/34电磁波基本传播机制的应用2、地球大气层结构：②平流层(Stratosphere)：从对流顶层到约55km的大气层为平流层，这里气流呈水平运动，25km以下温度随高度变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；25km以上，温度随高度升高而升高。在高约10~60km范围内，有厚约20km的臭氧层，因臭氧具有吸收紫外线的能力，故使这里的平流层温度升高。因此，这一层具有如下的特点：•下部气温随高度变化很小或几乎不变，上部气温随高度产增高而升高，到平流层顶气温可达-3~-17℃;•整层气流比较平稳，多呈水平运动，没有强烈的对流运动；•水汽和尘埃极少，大气透明度好，非常适宜于飞行。2006年9月23/34电磁波基本传播机制的应用2、地球大气层结构：③中间层(Mesosphere)：从平流顶层到距地面85km高度称为中间层。这一层空气更为稀薄，温度随高度增加而降低。这里也是电离层的底部，流星，极光都诞生在这里。这里平均温度在-93℃。和对流层一样，中间层中也有强烈的垂直运动，故又称之为中间对流层。2006年9月24/34电磁波基本传播机制的应用2、地球大气层结构：④电离层(Ionosphere)：由海拔60km到约800km的高度为电离层。这一层中气温随高度的升高而增高。据人造卫星观测，热成层顶部的气温可达2000K，具体伸展的高度和气温决定于太阳活动。在这一层中，由于太阳的影响，空气多被离解成离子，它具有很强的反射某些波长的无线电波的能力，对短波无线电通讯具有重要的意义。⑤散逸层(Exosphere)：在电离层以上的大气层，为散逸层，又称外大气层。是大气层和星际空间的过渡带。在这一层内，由于空气所受的地球引力较小，运动速度较大的空气质粒常可以挣脱地球引力的作用而散逸到宇宙空间。同时，宇宙空间的各种微粒也可能闯入到这一层，二者可以在某一高度达到动态平衡。2006年9月25/34电磁波基本传播机制的应用3、电磁波的反射传播：电离层反射信道9地球大气层中的电离层这一层大气，上疏下密，在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面喷出的微粒流作用下，大气气体分子或原子中的电子分裂出来，形成离子和自由电子。9电离层分为D、E、F1、F2四层。•D层高度60~90公里，白天可反射2~9MHz的频率。•E层高度85~150公里，这一层对短波的反射作用较小。•F1层高度150~200公里，只在日间起作用，•F2层高度大于200公里，是F层的主体，日间夜间都支持短波传播。2006年9月26/34电磁波基本传播机制的应用3、电磁波的反射传播：电离层反射信道地球电离层散逸层海拔高度:800km发射机接收机海拔高度:60kmDEF2海拔高度:85km海拔高度:150km海拔高度:200kmF12006年9月27/34电磁波基本传播机制的应用3、电磁波的反射传播：电离层反射信道（短波通信）地球发射机接收机天波天波电离对流层平流层中间层电离层散逸层海拔高度:12km海拔高度:55km海拔高度:85km海拔高度:800km海拔高度:60km地面层第一次反射后到2006年9月28/34电磁波基本传播机制的应用4、电磁波的反射传播：流星余迹反射信道①在星际空间里，布满了大量的流星。每天有数以亿计的流星闯入地球的大气层，以每秒16~86公里的速度与大气层摩擦而发热，发光，同时导致其周围的空气急剧电离，直到自身烧成气体和极细微的尘埃为止。②在这个过程中，流星在地球上空85~125公里的高度处会留下一条电离的余迹，随着带着微粒的迅速扩散，这条流星余迹便会在