天波傳播 (Sky Wave Propagation

(1)

1

第第第

第5章章章無線信號傳播章無線信號傳播無線信號傳播無線信號傳播

2

大大大大綱綱綱綱

傳播模式傳播模式傳播模式傳播模式

視線傳播視線傳播視線傳播視線傳播

行動環境造成之衰退行動環境造成之衰退行動環境造成之衰退行動環境造成之衰退

3

4

信號傳播模式信號傳播模式信號傳播模式信號傳播模式

依據傳輸距離的遠近和傳播的方法，信號傳播可以分為

地波傳播 (Ground Wave Propagation)

天波傳播 (Sky Wave Propagation)

視線傳播 (Line-of-Sight Propagation)

5 地球

發射天線接收天線

信號傳播

圖5.1(a) 地波傳播 (頻率在2 MHz以下)

地波傳播地波傳播地波傳播地波傳播

沿著地球的輪廓來傳輸

可以傳輸相當遠的距離

傳輸信號頻率在2 MHz以下

例如AM無線電

6

天波傳播天波傳播天波傳播天波傳播

圖5.1(b) 天波傳播 (頻率在2 ~ 30 MHz)

從地面上的天線發射一信號至在大氣的電離層，電離層看似一個堅硬的反射表面會將波反射回地面

地波或多或少地沿著地球的輪廓來傳輸，而且在視覺地平線上能夠傳輸相當遠的距離

繞射這是電磁波碰到障礙物產生的一種現象

(2)

7

地球

發射天線接收天線

信號傳播

圖5.1(c) LOS傳播 (頻率在30 MHz以上)

信號無法藉由地波或天波的方式傳播，一定要用視線傳播

衛星通信 – 超過30 MHz的信號在電離層不會發生反射

地面上的通訊 – 發送和接收的天線一定要在彼此的有效 (effective)視線上

8

折射折射折射

折射(Refraction)

折射的發生是因為電磁波的行進速度與傳輸介質密度有關，在真空中電磁波(例如，光或無線電波)行進的速度大約是3×108 m/s，即一般 所使用的光速c，實際上此一光速c是在真空時 的行進速度，在空氣、水、玻璃和其他透明或半透明的傳輸媒介中電磁波行進的速度通常比 光速c小，在大氣中常會遇到這些不同介質的 傳輸媒介，使得電磁波改變行進方向。

9

折射折射折射 折射(續續續)續

信號從一個媒介傳輸到另一傳輸媒介時信號會突然改變一次方向，如果信號進入到折射率逐漸改變的介質時，信號行進方向會連續地逐漸彎曲而形成一彎曲的行進路線。

入射方向

折射方向 低折射率區域 n1

高折射率區域 n2

入射角 θ1

折射角θ2

反射角 θ1

反射方向

圖5.2(a) 電磁波的折射

10

折射折射折射折射(續續續續)

無線電波靠地面的傳輸速度比在海拔高度較高的地方慢，因此將無線電波向天空中發射時，傳輸的路線會因為折射率的連續改變，使得信號路線由高空向地面輕微的彎曲。

圖5.2(b) 電磁波的折射

大氣導管大氣導管大氣導管

大氣導管 (Atmospheric duct)

電磁波在行進時受到大氣影響而導致向地面彎曲，電磁波碰到地面時會再反射回到大氣中，然後再重複多次相同的動作，這種現象就好像是電磁波被限制在某個區間中行進，我們稱之為大氣導管。

大氣導管大氣導管大氣導管大氣導管(續續續)續

高度

1 2

3 4

5 h0

h0

h ^高度

折射率傳輸距離

圖5.3(a) 大氣導管示意圖

(3)

13

大氣導管大氣導管大氣導管 大氣導管 (續續續續)

高度高度

折射率傳輸距離

圖5.3(b) 大氣導管示意圖

14

光學和無線電視線光學和無線電視線光學和無線電視線光學和無線電視線

在沒有干擾以及障礙物的情況下，光學視線距離可以定義為

h d

=3.57

其中h為天線的高度，其單位為公尺，所得到的d值即為在 天線所能看到最遠的視線距離，單位為公里。

15

光學和無線電視線光學和無線電視線光學和無線電視線 光學和無線電視線(續續續續)

在相同高度的天線上，有效的(或無線電)的視線距離(見圖5.4)可以被定義為

Kh d

=3.57

其中K是折射的調節因子，此值通常為K = 4/3。

無線電水平線

光學水平線天線

地球

圖5.4 光學和無線電的水平線 ₁₆

光學和無線電視線光學和無線電視線光學和無線電視線 光學和無線電視線(續續續續)

接收天線也有其自己的高度時，則兩個天線的有效視線傳輸的最大距離之方程式為

) (

57 .

3

Kh

₁

Kh

₂

d

= +

其中h₁和h₂分別為這兩個天線的高度

17

18

傳輸上的各種干擾傳輸上的各種干擾傳輸上的各種干擾傳輸上的各種干擾

傳輸信號時所遭遇到重要的干擾：

自由空間的耗損

大氣吸收效應

雜訊

多路徑

(4)

19

自由空間的耗損自由空間的耗損自由空間的耗損

自由空間的耗損 (Free Space Loss)

任何發射信號都會隨著傳播距離的增加而減弱，因此以相同的天線接收信號時，天線距離發射端愈遠所能接收到信號的能量愈少，這種耗損被稱作為自由空間的耗損(free space loss)。

20

自由空間的耗損自由空間的耗損自由空間的耗損 自由空間的耗損 (續續續續)

如果發射機與接收機之天線為理想的等向性天線，則自由空間的耗損可以表示為

2 2 2

2

c ) 4 ( ) 4

( d fd P

P

r

t π

λ π =

=

其中

P_t：傳送天線端的信號功率 Pr：接收天線端的信號功率

λ：波長 d：兩個天線間的距離 c：光速(3×10⁸m/s)

21

以dB值(取對數log再乘10)表示則為

dB 56 . 147 ) log(

20 ) log(

4 20 log 20

dB 98 . 21 ) log(

20 ) log(

4 20 log 20 log 10

− +

=



 



= 

+ +

−

=



 



= 

=

d c f

fd d d P

L P

r t dB

π λ λ π

自由空間的耗損自由空間的耗損自由空間的耗損 自由空間的耗損(續續續續)

(5.1)

22

由(5.1)式可得到自由空間的耗損變化所示

如果考慮發射機與接收機天線的增益時，必須加入天線的增益，自由空間的耗損可以改寫成：

t t r

t r r r

t

A A f

cd A A

d G

G d P

P

2 2 2

2 2

2( ) ( ) ( ) )

4

( = =

= λ

λ π

其中

Gt：傳送端的天線增益 Gr：接收端的天線增益

At：發射天線的有效發射面積 A ：接收天線的有效接收面積

自由空間的耗損自由空間的耗損自由空間的耗損 自由空間的耗損(續續續續)

以dB值表示則為

dB 54 . 169 ) log(

10 ) log(

20 ) log(

20

) log(

10 ) log(

20 ) log(

20

+

− +

−

=

− +

=

r t

r t dB

A A d

f

A A d

L

λ

^(5.2)

(5)

25

大氣吸收效應大氣吸收效應大氣吸收效應

大氣吸收效應(Atmospheric Absorption)

大氣中的水蒸汽和氧氣是造成此種耗損的最主要因素。

水蒸汽所造成的耗損對22 GHz頻帶之影響最大，耗損量可以達到2 dB/公里，但對於15 GHz以下的頻率耗損的影響則較少。

氧氣對於在60 GHz 附近的吸收效應最大，耗損量可以到達10 dB/公里，但是氧氣對30 GHz 以下的頻率吸收則較小。

雨、雪和濃霧也是造成電磁波耗損的因素之一，因為這些會引起無線電波的分散而導致信號耗損，所以每當下雨的時候，接收信號的品質也會變得比較差。

26

雜訊雜訊雜訊 雜訊(Noise)

根據雜訊產生的方式或來源，我們可以將雜訊分成以下4類：

熱雜訊(Thermal noise)

互調雜訊(Inter-modulation noise)

串音(Crosstalk)

多路徑脈衝雜訊(Impulse noise)

27

雜訊雜訊雜訊 雜訊(續續續)續

熱雜訊為一隨機的信號，在頻譜上的表現包括所有的頻率成份。對於任何裝置或導體中而言，熱雜訊在其頻寬為1 Hz內的定義為:

N₀= k T (W/Hz)

其中

N₀= 熱雜訊在每1 Hz頻寬的瓦特數 k= 波茲曼常數(Boltzmann’s constant) T = 溫度(絕對溫度)

J/K 1023

3803 . 1 × ⁻

=

此一數量也被稱作為功率頻譜密度(power spectral density)

28

雜訊雜訊雜訊雜訊(續續續續)

不同頻率信號共用同一個傳輸媒介時有可能造成互調雜訊

互調雜訊 –互調雜訊是由兩個原始頻率之和頻、差頻以及這些和頻或差頻的倍頻所組合的信號。

串音 –不同信號路徑之間產生我們不想要的耦合現象稱為串音

脈衝雜訊是一種短暫不規則、非連續且高振幅的雜訊

包括外部電磁干擾、閃電以及通信系統的故障和瑕疵

29

E

_b

/N

₀的表示法的表示法的表示法的表示法

E_b/N₀是數位通訊系統評估性能的標準，和 SNR不同的是E_b/N₀以每個位元信號能量和雜訊之功率頻譜密度的比值，這種定義尤其在數位通訊系統中被大量用來評估系統的優 劣， E_b/N₀比SNR較好用是因為SNR與頻寬有 關， E_b/N₀是非常重要的參數，因為在數位 通訊中位元錯誤率為E_b/N₀的遞減函數。

30

E

_b

/N

₀的表示法的表示法(續的表示法的表示法續續續)

考慮一個位元速率R的數位信號，每位元能量為^E^b⁼^ST^b

，其中S是信號功率，T 是位元週期，資料速率b R=1T_b

，E_b/N₀為

0 0

Eb S R S N = N =kTR

其中N0是雜訊功率頻譜密度(單位為瓦特/赫茲)。

(6)

31

E

_b

/N

₀的表示法的表示法(續的表示法的表示法續續續)

以dB表示則為

T R

S

T R

N S Eb

log 10 dBW 6 . 228 log 10

log 10 k log 10 log 10

dBW dBW 0 dB

− +

−

=

−

 =









(5.4)

注意到當位元率R增加時，E_b/N₀便會減少使得位元錯誤 率增加，必須提高發送信號功率S以保持原來的位元錯誤 率。

32

E

_b

/N

₀與頻譜效率之相關性與頻譜效率之相關性與頻譜效率之相關性與頻譜效率之相關性

Shannon最大通道容量方程式為

當通道容量C的單位為位元/每秒；通道頻寬B的單位為 Hz，上式可以寫成

利用 、B = B_T和C = R，可得 ) / 1 log( S N B

C= +

1 2 −

= ^C^B N

S

) 1 2 (

0

−

= ^C^B

b

C B N E

NR SB N Eb T

=

0

33

其他造成信號衰減之因素其他造成信號衰減之因素其他造成信號衰減之因素其他造成信號衰減之因素

大氣吸收效應 –水蒸汽和氧氣造成最主要的衰減

多重路徑 – 障礙物會反射信號並造成接收機可收到不同延遲的多重信號

折射 – 氣傳播高度影響信號速度或大氣環境變化時會產生折射

34

多重路徑多重路徑

多重路徑多重路徑 (Multipath)

反射 - 當電磁信號遇到比信號波長大的物體表面時會發生反射

繞射-比無線電波波長大的建築物邊緣會發會生的繞射現象

散射–散射發生時進入的信號會分散成幾個更弱的向外射出信號

多重路徑干擾的例子多重路徑干擾的例子多重路徑干擾的例子

多重路徑干擾的例子多重路徑干擾的例子多重路徑干擾的例子多重路徑干擾的例子多重路徑干擾的例子(續續續)續

(c) 室內通信 (b) 行動通信

(7)

37

38

多重路徑傳播示意圖多重路徑傳播示意圖多重路徑傳播示意圖多重路徑傳播示意圖

圖5.7 三個重要傳播機制的示意圖：反射(R)、散射(S)、繞射(D)

39

多路徑傳播的影響多路徑傳播的影響多路徑傳播的影響多路徑傳播的影響

40

多路徑衰退與窄頻信號多路徑衰退與窄頻信號多路徑衰退與窄頻信號多路徑衰退與窄頻信號

經由表面所反射的一條路徑信號上，其部份的傳輸功率會被反射表面吸收，如果這條路徑在 到達接收機前被反射K_i次，且每次的反射係數為a_ij，則全部的反射係數為

∏=

= ⁱ

K

j ij

i a

a

1

其中a_ij為第i條路徑之第j次反射係數

41

多路徑衰退與窄頻信號多路徑衰退與窄頻信號多路徑衰退與窄頻信號 多路徑衰退與窄頻信號(續續續續)

假設有L條路徑，且第i條路徑的傳輸距離為 d_i，則所接收到的振幅與相位為

∑

=

L

i j i j i

r

i

r

e

d A a e A

1 0

φ

φ 其中φ_i=−2πfd_i/c

φr φ1

φ2 φ3 Ar

1 0 1 d A a

2 0 2 d A a

3 0 3 d A a

42

多路徑衰退與窄頻信號多路徑衰退與窄頻信號多路徑衰退與窄頻信號 多路徑衰退與窄頻信號(續續續續)

接收信號的功率為

φr φ1

φ2 φ3 Ar

1 0 1 d A a

2 0 2 d A a

3 0 3 d A a

2

1

0

∑

=

L

i j i i r

e i

d P a

P ^φ _(5.7)

方程式左邊為所有路徑向量和之長度平方。

(8)

43

多路徑所造成的衰退範例多路徑所造成的衰退範例多路徑所造成的衰退範例多路徑所造成的衰退範例

正規化接收功率(dB)

距離(公尺) f_c = 100 MHz

f_c = 1 GHz

f_c = 10 GHz

圖5.12 正規化接收信號功率與距離之關係(1到100公尺) 44

區域移動與杜普勒偏移區域移動與杜普勒偏移區域移動與杜普勒偏移區域移動與杜普勒偏移

當發射機與接收機有相對的運動時，接收信號的載波頻率相對於發射信號的載波頻率有一頻率偏移的現象，此一頻率偏移就是兩個移動點間的杜普勒效應。

d0

Vm

移動終端機

圖5.15 典型的固定不動和移動終端機間的無線通訊

45

區域移動與杜普勒偏移區域移動與杜普勒偏移區域移動與杜普勒偏移 區域移動與杜普勒偏移(續續續)續

發射機與接收機間的距離為d₀，移動終端機以 vm速度向固定終端機移動。假設移動終端機發 射一頻率為f_c且振幅為A_r的單頻信號，如果發射機固定不動，則接收信號可表示為

[

² ⁽ ⁰⁾

]

Re )

( t = A

_r

e

^j^π^f^c^t⁻^τ

r

c d₀/

0 = τ

其中為發射機與接收機間之無線電 波以c速度傳遞的所需時間。

46

區域移動與杜普勒偏移區域移動與杜普勒偏移區域移動與杜普勒偏移 區域移動與杜普勒偏移(續續續續)

當發射機向接收機移動時，傳遞時間將改變成

ct v c

t v d c

t

t d − ^m = − ^m

=

= 0

) 0

) (

( τ

τ 接收信號也可改寫為

] ) ( 2 [ )]

( [

) 2

(t =A_re^j^π^f^c^t⁻^τ^t =A_re^j ^π^f^c⁺^f^d^t⁻^φ r

其中φ=2πf_cτ₀ 為一相位偏移常數，並且

c m

d f

c

f =v (5.8)

錯誤補償機制錯誤補償機制錯誤補償機制錯誤補償機制

多路徑衰退或造成符際干擾，這些符際干擾常引起接收位元錯誤，對抗這種錯誤的機制可分成三種：

直接錯誤更正

適應性等化器

分集技術

直接錯誤更正直接錯誤更正直接錯誤更正直接錯誤更正

傳送器於每一個區塊資料中添加多餘位元(編碼)

錯誤更正碼由資料位元的某一種函數計算得到

接收器計算接收資料位元(解碼)得到

可判斷錯誤是否發生

傳輸位元發生錯誤可直接更正錯誤

(9)

49

適應性等化適應性等化適應性等化適應性等化

等化器技術最早用於等化系統不平坦的頻率響應，以得到一個平坦的頻率響應。

適應性等化器可應用於類比資訊或數位資訊：

類比聲音或視訊

數位資料、數位化的聲音或視訊

數位等化器可應用於數位傳輸上，用來對抗符際干擾尤為有效，其架構為一FIR濾波器。

50

線性等化器電路線性等化器電路線性等化器電路線性等化器電路

x

Z^-1 Z^-1 Z^-1 Z^-1

x x x

x

+ + + + 符號

決定電路

增益調整演算法未等化

輸入

等化器輸出

c-2 c-1 c0 c1 c2

位元輸出

51

分集技術分集技術分集技術分集技術

基於個別通道所經歷的衰退情況各自獨立的事實，以下列分集技術可改進系統性能

空間分集 – 涉及自然界的傳輸路徑的分集技術稱為空間分集

頻率分集 – 頻率分集使信號頻譜分佈更大的頻寬或使用多重載波

時間分集 – 時間分集技術是將資料在時間上展開使雜訊影響的位元數減少

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時間分集概念時間分集概念時間分集概念時間分集概念

(a) TDM位元串

(b) 未使用交錯的 TDM系統