[互联网]第五~八章 无线通信.ppt
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1、无线通信 主要内容 1. 电波传播与无线传播方式 2. 短波通信系统 3. 数字微波中继系统 4. 卫星通信系统 1.电波传播与无线传播方式 1.1 电磁波传播基础知识 1.2 电波传播主要方式及特点 1.3 各波段传播的特点 1.1 电磁波传播基础知识 电磁波的概念:静电荷会在周围空间产生静电场, 直流电流会在周围空间产生恒定磁场,电场和磁场 的大小和方向可分别用电场强度和磁场强度来表示 。若在一根导线上加上交流电流,那么周围空间就 会产生交变磁场,根据麦克斯威波动方程,一个变 动的磁场又产生一交变电场,此电场再产生磁场, 从而产生一连串能量移转。能量从电场移转到磁场 ,再由磁场移转到电场,
2、如此不断移转下去,表现 为电磁场向远处不断传播,亦即电磁能量的辐射, 这就是电磁波,亦称无线电波。 电磁波的产生原理 电磁波波段划分 波段名称频率范围波长范围频段名称 超长波3-30KHZ 10103100103 m 甚低频 VLF 长波30-300KHZ110310103 m 低频LF 中波300-1500KHZ2001103m中频MF 短 波 中短 波 1.51036103K HZ 50200m中高频IF 短 波 630MHZ1050m高频HF 超 短 波 米波30300MHZ110m 甚高频 VHF 分米 波 3003103MHZ10100cm超高频 UHF 微 波 厘米 波 31033
3、0103M HZ 110cm特高频 SHF 毫米 波 30103 300103MHZ 110mm极高频 EHF 光纤,短距红 外通信 卫星,UWB通 信 WLAN,微波中 继,卫星通信 GSM,CDMA 调频广播电台 有线电视网中 的用户线路 调幅广播电台 PSTN中用户线 路、长波电台 长波电台 典型应用 3300m105107GHz光纤,可见 光,红外光 自由空间的电波传播 无线电波在空间各点的电场和磁场,都是从波源出发并以 一定速度向外传播。 若电波以速度v向前传播,经过t1时间后,到达距波源距 离为r的P点,那么P点的电场相位就要比波源相位滞后, 通常我们把电磁波相位相同的那些点的轨迹
4、称为波前或波 面。 若波源近似看成一点,且在无限大的自由空间传播时,则 r相同各点的相位是相同的,这样的波叫球面波。当距波 源很远时,由于接收电波的面积与距离相比极小,波面可 以看成平面,这种波称之为平面波。 自由传播的特性 在自由空间传播时,通过某点单位面积的 电磁波能量与传播距离r的平方成反比。而 该点的电场强度则与传播距离r成反比。 这种随着传播距离的增加而场强逐渐减弱 的现象,是由电波在空间传播时能量的自 然扩散而引起的。 电波的折射、反射、干涉和 绕射现象 1、反射和折射现象 反射:电磁波在两种介质的分界面上改变 传播方向,又返回原来的媒质的现象称为 反射。反射角入射角 折射:电磁波
5、在分界面改变传播方向后, 进入第二媒介内传播的现象称为折射。 折射满足光学折射定律,折射原因是电波 在不同媒质中传播的速度不同引起的。 折射现象 式中v1、v2分别为电磁波在媒 质1和媒质2中的传输速度, 因为速度v= ,它和媒质的 介电常数、导磁系数有关 ,除铁磁性物质外,一般物 质的导磁系数均可近似认为 等于自由空间的导磁系数0 ,即0,这样折射定律又 可写成: 2、波的干涉 定义:由同一波 源所产生的电磁 波,经过不同的 路径到达接收点 ,则接收点的场 强是由不同路径 来的电波的合成 ,这种现象称为 波的干涉。 3、绕射现象 定义:电波在传播过程中有绕过障碍物的能力, 这种现象称为绕射。
6、 由于波的绕射,电波可以绕过高低不平的地面或 绕过一定高度的障碍物,到达接收地点,这也就 是我们有时在障碍物后面仍能收到无线电信号的 原因。 电波绕射能力与电波的波长有关,波长越长,绕 射能力越强,波长越短,绕射能力越弱。另外, 当电波在各种媒质中传播时会在传播过程中遇到 各种有损耗的介质而损耗一部分能量。 1.2 电波传播主要方式及特点 常见无线电传播方式有: 地面波传播 直接波传播 对流层传播 电离层传播 地面卫星传播 (一)地面波传播 地面波传播(Ground Wave Propagation)指电 波沿地球表面的绕射传播,也称表面波传播( Surface-Wave Propagatio
7、n)。 当天线低架于地面时(天线架设高度小于波长时, 称为低架天线),且最大辐射方向是沿地表面,这 时电波传播的主要途径就是地面波传播,也叫地表 波或地波传播。 电波沿地表面传播时,电磁波的能量不断被地面 所吸收,因此地面上的场强要比自由空间传播时 小得多,能量的衰减数值与地面的电参数有关, 同时也和电波的频率及极化方向有关。 影响地面波传播损耗的因素 1大地的导电性能越好,电波的传播损耗越小。湿土比 干土导电性能好,故电波在湿土上比干土损耗要小, 海水导电性能最好,所以海洋上传播损耗最小 。 2电波频率越低损耗越小,因此,这种传播方式宜用于 中波和长波。短波和超短波电台在采用这种传播方式 时
8、,只能进行近距离通信。 3电波的极化与传播损耗有关:由于水平极化波的电场 分量与地面平行,因此传播过程中在地面引起较大的 感应电流,致使电波产生很大的衰减。所以地面波传 播通常采用垂直极化波以减小损耗,也即用直立天线 辐射电磁波。 地面波通信特点 1通信情况稳定。因为地面波是沿地表面传播 的,地波通信不会因时间、季节和气候的变化 而有显著的影响。 2通信距离与工作频段关系极大。军用短波或 米波波段用地波传播方式时,受电台功率的限 制,通信距离一般在几十公里范围内。而中波 地面波广播通信距离可以超过100公里。 3. 长波地面波通信在军事上有特殊意义。 (二)直接波传播 当收发天线架设较高的情况
9、下, 到达接收点的电波由直射波与地 面反射波合成,叫做直接波传播 。由于长波与中短波天线一般是 接地的,不能把电磁场由很高处 集中辐射。而超短波波段则可以 高架(即天线离地面距离远大于 波长),而且地面波衰减很快。 所以这一传播方式主要用于超短 波与微波波段。移动通信系统主 要采用这一方式。直接波传播, 接收点场强有起伏现象。 直射波所能达到的最远距离 实际上当考虑空气的不均匀 性对电波传播轨迹的影响, 在标准大气折射情况下, 等效地球半径为R=8500km ,可得修正后的视距传播的 极限距离: 对流层、同温层和电离层 大气层可分为对流层、同温层和电 离层。 对流层离地面约1016公里以内,
10、大气是互相对流的; 离地面大约1080公里的空间, 称为同温层,气体对流现象减 小,随高度增加温度略有升高 ,它对电波传播基本上没有什 么影响; 在离地面80400公里空间,是电 离层。电离层中,气体由于受 阳光中紫外线及其它宇宙射线 的照射,电离成为正离子和自 由电子。 (三)对流层散射传播 离地面1016km以下的大气层称为对流层。 由于对流层中大气温度(T)、压力(P)和湿度(S)等变 化。使大气介电常数也随着高度而变化。特别是由于大气 的湍流运动,使得对流层内存在着许许多多介电常数作随 机变化的不均匀介质团,每一不均匀介质团的尺寸平均约 50米60米。当无线电波投射到这些不均匀介质团时
11、,每 一不均匀介质团就变成一个二次波源,向周围散射电磁波 ,其中一部分能量就被散射到接收地点而被接收天线所接 收,这就形成了对流层散射通信。 这种通信方式只能用 在超短波波段,在军 事通信中有很多应用 。 散射传播应用频率约 在1004000MHz范 围,通信距离约在100 700公里范围。 (四)电离层传播 离地面80400km的大气层,气 体由于受阳光中紫外线及其它宇 宙射线的照射,电离成为正离子 和自由电子,称为电离层。 当无线电波投射到电离层以后, 经电离层“反射”而再返回地面, 从而构成甲乙两地的天波传播( Sky Wave Propagation)。从 长波到短波波段都可以利用天波
12、 传播方式,目前,它仍是无线电 远程通信的主要传播方式之一。 电离层大致可分为 D、E、F1、F2四层 。 各电离层高度及平均电子密度 层 名 离地面高度 He(km) 电子密度 N(电子数 /cm3) 特 点 D6090103夜间消失 E901505103105电子密度白天大, 夜间小 F11502004105夜间消失,常出现 在夏季白天。 F22004501052105夜间小,白天大; 夏季小,冬季大。 电离层变化规律 1日夜变化:由于太阳照射程度的不同,白天 电子密度比夜间大,中午又比早晚大;D层在日 落以后很快消失,而E层和F层电子密度减少很慢 ,到日出以后,各层电子密度又开始增长,到
13、正 午前后达最大值。 2季节变化:由于不同季节太阳照射不同,故 一般夏季电子密度大于冬季,但F2层例外,下图 表示出电离层的日夜和季节变化。 电离层的日夜和季节变化 电离层受太阳活动影响的变化 太阳黑子数目随年份的的变化 太阳活动性一般以太阳一年的平均黑子数来代表,黑子数目增 加时,太阳所辐射的能量增强,因而各层电子密度大。黑子的 数目每年都在变化,但是根据长期观察证明,它的变化也是有 一定规律的,从图可以看出太阳黑子的变化周期大约是11年, 因此电离层的电子密度也与这11年变化周期有关。 不同入射角时电波轨迹 入射角大,电波传播距离远;入射角小,电波传 播距离近;入射角太小,就穿出电离层。
14、不同频率时的电波轨迹 频率f愈高,使电波折回地面所需要的电子密 度Nn值就愈大,也即电波愈深入电离层;频率 太高,就穿出电离层。 (五)地球卫星传播 利用人造卫星作为中继站来转发无线电波 ,在两个或多个地面站之间进行通信,叫 卫星通信。 卫星通信的工作频段为110kMHz。 无线电波传输示意图 1.3 各波段传播的特点 1、长波传播的特点与应用 超长波和长波可以用地波传播,也可以用天波传播。用地 波传播时衰减小、传播距离较远、而且工作稳定可靠。用 天波传播时,不论白天或夜间都容易从电离层反射回来, 由于其频率很低,所需反射点的电子密度较小,在D层或E 层底部就被反射回来,因此电离层对电波能量的
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