第二章 信道模型
第二章 信道
第二章信道
信号传输必须经过信道。信道是任何一个通信系统必不可少的组成部分，信道特性将直接影响通信的质量。
研究信道和噪声的目的是为了提高传输的有效性和可靠性。
2.1 信道的定义和分类
它可以分为狭义信道和广义信道。
1．狭义信道：仅只信号的传输媒质。例如架空明线、电缆、光纤、波导、电磁波等等。
2．广义信道：除了传输媒介外，还包括有关的部件和电路，如天线与馈线、功率放大器、滤波器、混频器、调制器与解调器等等。
在模拟通信系统中，主要是研究调制和解调的基本原理，其传输信道可以用调制信道来定义。调制信道的范围是从调制器的输出端到解调器的输入端。
在数字通信系统中，我们用编码信道来定义。编码信道的范围是从编码器的输出端至译码器的输入端。调制信道和编码信道的划分如图所示。
无论何种信道，传输媒质是主要的。通信质量的好坏，主要取决于传输媒质的特
性。
2.2 信道模型
一、 信道模型
1．调制信道模型 调制信道具有以下特性：
(1) 它们具有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端。 (2) 绝大多数的信道是线性的，即满足叠加原理。
(3) 信道具有衰减(或增益)频率特性和相移(或延时)频率特性。
(4) 即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出(噪声)。 因此，调制信道可以看成一个输出端叠加有噪声的时变线性网络，如图所示。 网络的输入与输出之间的关系可以表示为，
式中，e i (t)是输入的已调信号，
e 0(t)是信道的输出，
n(t)为加性噪声(或称加性干扰)，它与e i (t)不发生依赖关系。
f [e i (t)]由网络的特性确定，它表示信号通过网络时，输出信号与输入信号之间建立的某种函数关系。作为数学上的一种简洁，令f[e i (t)]=k(t)*e i (t)。其中，k(t)依赖于网络特性，它对e i (t)来说是一种乘性干扰。因此上式可以写成
第二章 无线信道模型 (二)
CE
SHU Feng
19
2.5-2.8
2.5 反射 2.6 地面反射（双线）模型 2.7 绕射 2.8 散射
CE
SHU Feng
20
2.6 地面反射（双线）模型
T (transmitter)
Ed d E (d , t ) 0 0 cos wc (t ) d c
23
2.6 地面反射（双线）模型
d d ' 'd ' (ht hr )2 d 2 (ht hr )2 d 2
当T-R距离d进进大于ht+hr时，使用泰勒(Taylor )迚行近似化简：
d d ' 'd '
相位差和到达的时延如下：
2hr ht d
d c
Ei Hi
i
Er Hr
r t
1, 1, 1
2, 2, 2
where i i / i
where i and i 介电常数和透射率
Et
CE
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水平极化 (电场极性垂直于入射波平面)
Er 2 sin i 1 sin t Ei 2 sin i 1 sin t where i i / i 固有阻抗 where i and i 介电常数和透射率
现代通信系统原理(第3版_张会生)第2章 信道与噪声
ei(t)
时变线 性网络
e0(t)
ei1(t)
ei2(t) . .
eim(t)
时变 线性 网络
e01(t)
e02(t) . . e0m(t)
对于二对端的(信a)道模型来独立说于 ，其输出与输入( b之) 间的关系式可
表示成：
e0 (t) 图2-f2[图ei图(t图)]图图n图(t)
n(t)---信道噪声与ei(t)无依赖关系，或者说n(t)独立于 ei(t)， 常称n(t)为加性干扰（噪声） ;
H() H() e j()
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现代通信原理
11
第2章 信道与噪声
2.2.1 信号不失真传输条件
要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传 输特性应该具备以下两个理想条件：
（1）网络的幅频特性 H() 是一个不随频率变化的常数;
（2）网络的相频特性() 应与频率成负斜率直线关系。
研究内容：
➢ 2.1 信道的基本概念
➢ 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响
➢ 2.3 随参信道及其对所传信号的影响
➢ 2.4 信道的加性噪声
➢ 2.5 通信中的常见噪声
➢ 2.6
2020/9/15
信道容量的概念
现代通信原理
2
第2章 信道与噪声
2.1 信道的基本概念
《信道及噪声模型》课件
各种信道及其噪声模型
来自百度文库
传输信道的噪声模型
传输信道的噪声模型描述了在信道传输中噪声 的特点和影响。
广播信道的噪声模型
广播信道的噪声模型涉及信号传输过程中噪声 的干扰和衰减。
交换信道的噪声模型
交换信道的噪声模型考虑了交换系统中各种因 素对噪声的影响。
其他信道的噪声模型
除了传输、交换和广播信道之外，还有其他类 型信道噪声模型的研究。
总结
1 信道与噪声的关系
信道和噪声紧密相关，了
2 信道及噪声模型的应
用
3 未来的信道及噪声模
型趋势
解这种关系对通信系统的
信道及噪声模型应用于信
随着通信技术的不断发展，
设计和性能评估至关重要。
号传输领域，帮助理解信
信道及噪声模型将持续演
道特性和噪声对通信系统
化和优化，以适应新兴的
的影响。
通信需求。
《信道及噪声模型》PPT课件
欢迎大家来到今天的课程《信道及噪声模型》，本课件将带您深入了解信道 模型和噪声模型，更好地理解通信原理和技术应用。
信道模型
• 信道定义和分类 • 传输信道 • 交换信道 • 广播信道 • 信道参数
噪声模型
• 噪声类型 • 热噪声 • 内部噪声 • 外部噪声 • 噪声功率谱密度 • 噪声温度
信道的数学模型及分类
在一般的广义通信系统中，信道是很重要的一部分。信道的任务是以信号方式传
输信息和存储信息。我们研究信道就是研究信道中能够传送或存储的最大信息量，即
信道容量问题。
信源输出的是携带着信息的消息，而消息必须首先转换成能在信道中传输或存储
的信号，然后通过信道传送到收信者。并且认为噪声或干扰主要是从信道中引入，它
使信号通过信道后产生错误和失真。故信道的输入和输出信号之间一般不是确定的函
数关系，而是统计依赖的关系。只要知道了信道的输入信号、输出信号，以及它们之
间的统计依赖关系，则信道的全部特性就确定了。
一、信道的分类
根据信道用户的多少，可以分为：
（1）两端（单用户）信道。只是一个输入端和一个输出端的信道；
（2）多端（多用户）信道。它是在输入端或输出端至少有一端有两个以上的用户，并且还可以是双向通信的信道。
根据信道输入端和输出端的关联，可以分为：
（1）无反馈信道。信道输出端无信道反馈到输入端，即输出端对输入端信号无影响；
（2）反馈信道。信道输出端的信号反馈到输入端，影响输入端信号发生变化；
根据信道的参数与时间的关系，信道又可分为：
（1）固定参数信道。信道的统计特性不随时间变化而改变；
（2）时变参数信道。信道的统计特性随时间变化而变化；
根据输入和输出信号的特点，信道又分为：
（1）离散信道。它是指输入和输出的随机序列取值都是离散的信道；
（2）连续信道。输入输出的随机序列的数值均是连续的信道；
（3）半离散半连续信道；
（4）波形信道。输入和输出信号都是时间上连续的随机信号。
在此，我们研究无反馈、固定参数的单用户离散信道。
第二章 信道模型
μF , σ F 是ln(F)的均值和方差，其均值主要由基站和移动台之间的
路径损耗决定，方差通常在4~8dB之间。
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国家重点实验室
二、传播预测模型
• 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算 出接收信号的场强，或接收信号中值。这样，才能进一步 设计系统或设备的其他参数或指标。
• 给定条件：发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线 高度及收发信机之间距离等。
f [ ] 反映了信道特征，不同的物理信道具有不同的特征
f ⎡⎣si (t )⎤⎦ = so (t ) = si (t ) ∗ c (t )
信道单位冲击响应
si (t) C(t) = c
+ r (t) = csi (t) + n(t) si (t) 线性滤波
+ r(t) = c(t)∗si (t) +n(t) si (t)
媒 质
收 转 换 器
解 调 器
译 输出 码 器
调制信道 编码信道
4
国家重点实验室
2.1 信道模型
• 调制信道模型
si(t)
线性时变网络
so(t)
r(t) = so (t ) + n (t ) = f ⎡⎣si (t )⎤⎦ + n (t ) 加性白噪声
调制信道对输入信号的响 输入的已调信号 应输出波形
第二章 无线信道模型 (一)
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SHU Feng
5
基础知识
频谱中无线电，微波，红外线和可视光部分可 用来发送信息。
通过调制电磁波的幅度，频率和相位。
CEBiblioteka Baidu
SHU Feng
6
基础知识
无线信道的特征表示为频带宽度，即带宽 无线信道的带宽决定了所能传播的信息量 大多数无线通信系统使用窄带宽通信（∆f << f）
∆f：载波带宽 f：载波中心频率
第二章： 无线电传播——大尺度路径损 耗
无线通信 束锋 中国●南京 南京理工大学 通信工程系
阅读作业
阅读下面的文献：
J.B.Andersen, T.S.Rappaport, S.Yoshida, Propagation Measurements and Models for Wireless Communications Channels, IEEE Communications Magazine, (January 1995), pp. 42-49.
CE
SHU Feng
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自由空间传播模型
自由空间中距离发射机d处天线的接收功率由 Friis公式给出：
Pr(d) = (PtGtGrλ2) / ((4p)2d2L) [式 1]
Pt 为发射功率 Pr(d)为接收功率，为T-R距离的函数 Gt是发射天线增益 Gr是接收天线增益 d 是T-R间距离 L 是与传播无关的系统损耗因子（L >= 1） L = 1 说明没有损耗 （下文中假设L = 1，故在所有计算 中均省略） λ为波长
通信原理(张会生)课后习题答案
思考题
1-1 什么是通信？常见的通信方式有哪些？
1-2 通信系统是如何分类的？
1-3 何谓数字通信？数字通信的优缺点是什么？
1-4 试画出模拟通信系统的模型，并简要说明各部分的作用。
1-5 试画出数字通信系统的一般模型，并简要说明各部分的作用。
1-6 衡量通信系统的主要性能指标是什么？对于数字通信具体用什么来表述？
1-7 何谓码元速率?何谓信息速率?它们之间的关系如何?
习题
1-1 设英文字母E出现的概率=0.105，X出现的概率为＝0.002，试求E和X的信息量各为多少？
1-2 某信源的符号集由A、B、C、D、E、F组成，设每个符号独立出现，其概率分别为1/4、1/4、1/16、1/8、1/16、1/4，试求该信息源输出符号的平均信息量。
1-3 设一数字传输系统传送二进制信号，码元速率RB2=2400B，试求该系统的信息速率Rb2=？若该系统改为传送16进制信号，码元速率不变，则此时的系统信息速率为多少？
1-4 已知某数字传输系统传送八进制信号，信息速率为3600b/s，试问码元速率应为多少？
1-5 已知二进制信号的传输速率为4800b/s，试问变换成四进制和八进制数字信号时的传输速率各为多少（码元速率不变）？
1-6 已知某系统的码元速率为3600kB，接收端在l小时内共收到1296个错误码元，试求系统的误码率=？
1-7 已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为2400b/s，接收端在0.5小时内共收到216个错误码元，试计算该系统=？
l-8 在强干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确信息量为355Mb，假定系统信息速率为1200kb/s。
什么是信道模型？
什么是信道模型？
信道模型是通信领域中的关键概念之一。它描述了在无线通信系统中，信号如何通过传输介质（如大气、海水、金属导线等）进行传播的过程。信道模型对于理解和优化无线通信系统的性能具有重要意义。接
下来，我们将从三个方面来介绍信道模型。
一、信道传播的基本原理
1. 外界噪声：在信道传播过程中，会受到来自外界的干扰和噪声。这
些噪声源包括大气电离层的效应、电磁辐射以及其他无线电设备的干扰。通过对噪声特性的研究和建模，可以帮助我们更好地理解和处理
这些噪声对通信质量的影响。
2. 多径效应：无线信号在传播过程中会经历多次反射、散射和绕射等
现象，导致接收端接收到多个传播路径上的信号。这就是所谓的多径
效应。由于不同路径的信号具有不同的传播延迟和相位差，会造成信
号间的相互干扰和衰减。深入研究多径效应的特性和建立合适的数学
模型，有助于优化无线通信系统的设计和性能。
3. 信号衰减：信号随着距离的增加会逐渐衰减。衰减的原因包括自由
空间路径损耗、多径传播引起的功率损耗以及其他物理因素。准确地
描述和量化信号衰减的模型，可以帮助我们预测和补偿信号强度的变化，提高通信系统的覆盖范围和性能。
二、信道模型的分类
1. 统计信道模型：统计信道模型是根据实际测量数据和统计规律建立的。根据测量数据中的信号强度、信号衰减和相位等信息，通过数学
模型来描述信道的统计特性。统计信道模型的优势在于可以对多个传
播环境和场景进行研究，并得到一种适用于广泛应用的信道模型。
2. 几何信道模型：几何信道模型将信道传播过程抽象为几何空间中的
点和面的运动。通过建立几何模型，可以计算信号传播的路径损耗、
第二章 信 道 课堂
f c B
频率选择性衰落信道：
B: 信号带宽
信道对信号的所有频率成分衰落特性不同
f c B
频率选择性衰落与非频率选择性衰落信道
频率选择性衰落信道信道对信号的所有频率成分衰落不同
幅 度 信号 幅 度 频率 频率
幅 度 频率 非频率选择性衰 落信道
信道响应
快衰落与慢衰落
相干时间(t)c：与通信终端移动性有关的参数
erf ( x )
2
x
0
e dt
t 2
它是自变量的递增函数，erf(0)=0，erf(∞)=1， 且erf(-x)=-erf(x)。 我们称1-erf(x)为互补误差函数，记为erfc(x), 即
erfc( x) 1 erf ( x)
2
x
e dt
t 2
它 是 自 变 量 的 递减 函 数 ， erfc(0)=1 ， erfc(∞)=0 ， 且 erfc(-x)=2-erfc(x)。
样本空间
S1 S2 Sn x2 (t) t x1 (t) t
(t)
xn (t) t tk
5.2.1 随机过程的统计特性
• 1、表达式 – 用分布函数或概率密度函数来描述。 （1）分布函数 – F1(x1,t1)---随机过程X(t)的一维分布函数。 – X(t)--- 一个随机过程； – X(t1)--- t1时刻的随机变量； – P[X(t1)≤x1]---随机变量X(t1)小于或等于某个 数值x1的概率。
无线信道模型
无线信道模型
摘要：本文分析了无线信道模型。针对的是对无线信道的各种效应感兴趣的读者。众所周知，正是这些复杂的效应使得无线信道产生了不确定性，也就是通常所说的统计特性。由于这方面很少有比较全面，容易理解的资料，所以本文的内容是对其他几本书和相关的论文资料的综合。此外的资料不是只讨论了部分问题，就是虽然面面俱到，但缺乏一定的深度。
本文深入探讨了“是什么影响了无线信道的特性？”这一问题。主要阐述了无线信道的两种效应：一种是乘性效应，使信号产生衰落；另一种是加性效应，使接收到的信号产生畸变。信号的衰落不一定总是随机过程，但信号的畸变却总是。对于信道对信号产生的各种效应，找到了较好的数学模型，这些模型可以用来仿真和分析系统的性能。而且，我们简单举例分析了一些数字无线调制信道的特性。
内容
1 介绍
2 无线电信道
2.1路径损耗
2.1.1 天线
2.1.2 自由空间传播
2.1.3 双线模型
2.1.4 经验和半经验模型
2.1.5其他模型和参数
2.2 阴影
2.2.1 阴影模型
2.2.2 测量结果
2.2.3 阴影修正
2.3 衰落
2.3.1 物理基础
2.3.2 数学模型
2.3.3 衰落的时域和频域特性
2.3.4 一维统计特性
2.3.5 二维统计特性
2.3.6 衰落率和持续时间
3 调制信道
3．1 噪声
3．1．1 门限噪声
3．1．2 窄带高斯白噪声
3．1．3 人为噪声
3．1．4 一些结果
3．2 干扰
4 数字信道
4．1 数字信道的结构
4．2 高斯白噪声信道下二进制PAM信号的以SNIR为自变量的函数BER的计算
4．3 瑞利信道下BPSK信号以SNIR为自变量的函数BER的计算4．4 高斯白噪声信道下其他数字调制方案的一些结果
第2章无线信道第1节无线信道的物理模型
第2 章无线信道
引言
内容
本章目的：很好地理解无线信道。
主要的物理参数；
信道建模。
移动无线信道定义的特征是信道强度随时间和频率而变，粗略地两类衰落：
大尺度衰落——小区规划；
小尺度衰落——设计可靠有效的通信系统，重点。 无线信道模型：
电磁波物理模型；
输入输出线性时变信道模型——重要的物理参数；
随时间和频率变化的新的统计信道模型。
无线电波的多径传输
一般直觉
影响接收信号强度的两个因素： 距离⇒路径衰减
多径⇒相位差
绿色信号比蓝色信号到达红接收点的
传输距离长1/2λ。
对2.4 GHz 信号，λ(波长) =12.5cm。
产生多径的原因
自由空间传播（LOS）。
反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长的障碍物时发生反射。
导体与绝缘体材料（折射）
散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物或小平面（facet）时发生散射。
“混乱”相对波长较小
绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射。
费涅尔区
模型是特定的
尺度不同：
大尺度（数米范围内的平均值）
小尺度（在波长量级范围内的测量值）
环境特征不同：
室外、室内、陆地、海洋、空间、等等。 应用区域不同：
宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微蜂窝。
大尺度传播模型
大尺度模型预测距离>> λ的电波传播行为：
距离和主要环境特征的函数，粗略地认为与频率无关；
当距离减小到一定程度时，模型就不成立了；
用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建模。
小尺度传播模型
小尺度（衰落）模型描述信号在λ尺度内的变化：
多径效应（相位抵消）为主，路径损耗（大尺度）可认为是常数；
与载波频率和信号带宽有关；
通信原理第二章(信道)习题及其答案
第二章（信道）习题及其答案
【题2－1】设一恒参信道的幅频特性和相频特性分别为
0()()d H K t ωϕωω⎧=⎨=-⎩
其中，0,d K t 都是常数。试确定信号()s t 通过该信道后的输出信号的时域表达式，并讨论之。
【答案2－1】 恒参信道的传输函数为：()0()()d j t j H H e K e ωϕωωω-==，根据傅立叶变换可
得冲激响应为：0()()d h t K t t σ=-。
根据0()()()i V t V t h t =*可得出输出信号的时域表达式：
000()()()()()()d d s t s t h t s t K t t K s t t δ=*=*-=-
讨论：题中条件满足理想信道（信号通过无畸变）的条件：
()d d H ωωφ
ωωτττ⎧=⎨⎩常数（）＝－或＝ 所以信号在传输过程中不会失真。
【题2－2】设某恒参信道的幅频特性为[]0()1cos d j t H T e ωω-=+，其中d t 为常数。
试确定信号()s t 通过该信道后的输出表达式并讨论之。
【答案2－2】 该恒参信道的传输函数为()0()()(1cos )d j t j H H e T e ωϕωωωω-==+，根据傅立
叶变换可得冲激响应为：
0011()()()()22d d d h t t t t t T t t T δδδ=-+--+-+
根据0()()()i V t V t h t =⊗可得出输出信号的时域表达式：
0000011()()()()()()()2211 ()()()22d d d d d d s t s t h t s t t t t t T t t T s t t s t t T s t t T δδδ⎡⎤=⊗=⊗-+--+-+⎢⎥⎣⎦
通信原理与技术第2章信道和噪声
相互绝缘的双导线的传输媒质。
（2） 同轴电缆
同轴电缆由同轴的两个导体构成，外 导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲的同 轴电缆中，它可以由金属丝编织而成）， 内导体是金属线（芯线）。
（3） 光纤信道
以光导纤维（简称光纤）为传输媒质、 光波为载波的光纤信道，可提供极大的传 输容量。
无线信道中的中、长波通信，超短波 及微波视距通信等基本上也属于恒参信道， 举例如下。
2.2 恒参信道及其对信 号传输的影响
1. 恒参信道的特点
恒参信道对信号传输的影响不随时间
而变，或者随时间变化很缓慢，通常若在
数字信号中几个最长符号时间内，信道特
性基本不变即可认为此信道为恒参信道。
有线信道为典型的恒参信道，有代表
性的例子如下。
（1） 对称电缆
对称电缆是在同一保护套内有许多对
图2-13 R（t）的波形及频谱
① 从波形上看，多径传播的结果使单
一载频信号Acosωct变成了包络和相位都变
化的窄带信号；
② 从频谱上看，多径传播引起了频率
弥散（色散），即由单个频率变成了一个 窄带频谱。
（2） 频率选择性衰落
设多径传播的路径只有两条，且到达 接收点的两路信号具有相同的强度和一个 相对时延差。 那么，若令发射信号为f（t），则到 达接收点的两条路径信号可分别表示成V0f （t－t0）及V0f（t－t0－τ）。
第2章第2节无线信道的输入输出模型
目标计划
从通信系统的观点出发，希望理解以下物理参数如何影响无线信道的行为：
载波频率
移动速度
带宽
时延扩展
角度扩展
从确定的物理模型开始，然后发展到对设计和性能评估更有用的统计模型。
第2章无线信道
第2节
无线信道的输入输出模型
无线信道为一个线性时不变系统
基本思想：假设相对于信号传输速率信道是慢时变系统，因而可以把无线信道在一段时间内的一个“抓拍——Snapshot”看成是一个线性时不变滤波器。
将多径干扰效应用一个滤波器来表示。
测量或计算信道的冲击响应（响应频率为f c
窄脉冲）。
信道
ττt
最简单的信道模型
路径跟踪
续1
续2
续3
抽头延时线模型
续1
续2
续3
信号表示
接收信号---经过多条传播路径
αi (t ) 是第i 径接收信号的衰落因子，τi (t ) 是第i 条路径的传播时延。
这里假设衰耗和时延均与频率无关，实际上通常它们均是频率慢变函数。
多径衰落信道的冲击响应为：
()()()()
∑−=i
i i t t x t t y τα()()()()
∑−=i
i i t t t h ττδατ,
频域表达式
一种解释H (f ; t ) 的方法是在每个固定时刻t 把系统认为是具有频率响应H (f ; t )的、t 的慢变函数。相应地认为h (τ, t ) 是在每个固定时刻t 的系统冲击响应。这是合理而有用的考虑多径衰落信道的方法，因为在某固定时刻信道的时变时间刻度通常比冲击响应的时延扩展大得多。具有这样特征的信道有时称为低时延扩展信道。
()()()()
∑∫−−∞∞−==i t f j i f j i e
t d e t h t f H τπτπαττ22,:;
通信原理-第2章 信道与噪声
按噪声性质 分类
起伏噪声：普遍存在和不和避免的噪声。如热噪 声、散弹噪声、宇宙噪声
32/66
起伏噪声是加性噪声的主要代表 热噪声
电阻一类导体中，自由电子进行布朗运动，形成方 向随机的电流（均值为0）而产生的噪声。
散弹噪声 真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引 起的噪声。
宇宙噪声
天体辐射波对接收机形成的噪声。
1、信号不失真传输的条件
对于信号传输而言，通常追求的是信号通过信道 时不产生失真或者失真小到不易察觉的程度。由《信 号与系统》课程可知，线性网络传输特性H(ω)通常 可用幅度－频率特性 | H () |和相位－频率特性 ( ) 来表征，即
H () | H () | e
j ( )
要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真， 网络的传输特性 | H () | 应该具备以下两个理想条件： | （1）网络的幅度－频率特性| H () 是一个不随频率变 化的常数，如图（a）所示，其中A为常数。 （2）网络的相位－频率特性 ( )应与频率成直线关 系，如图（b）所示，其中K为常数。 网络的相位－频率特性常用群时延－频率特性 ( ) 来表示。
P(0/0)
0
P(0/1) P(1) 1 P(1/1) 1
p(0 / 0) 1 p(1 / 0)
p(1 / 1) 1 p(0 / 1)
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其中，fc 是载波频率(MHz，150MHz －1500MHz)，hte是发端(基站)天线有 效高度(m，30m－200m)，hre是收端 (移动台)天线有效高度(m，1m－ 10m)，d是收发端距离(km，1km－ 20km)，a(hre)是移动台天线的校正参 数，是覆盖面积的函数。
However, if we used a cell size of 800 m under these system parameters, signal power would fall off as d2 inside the cell, and interference from neighboring cells would fall off as d4, and thus would be greatly reduced.
f [ ] 反映了信道特征，不同的物理信道具有不同的特征
f ⎡⎣si (t )⎤⎦ = so (t ) = si (t ) ∗ c (t )
信道单位冲击响应
si (t) C(t) = c
+ r (t) = csi (t) + n(t) si (t) 线性滤波
+ r(t) = c(t)∗si (t) +n(t) si (t)
在大城市地区，当基站 天线高度hb=200m、移 动台天线高度hm=3m 时，相对于自由空间的
中值损耗。
23
国家重点实验室 不规则地形及不同环境的 中值路径损耗
LM =Lbs +Am( f ,d)−Hb(hb,d)−Hm(hm, f )−ks −kh −kA −kis
郊区修正因子； 丘陵修正因子； 斜坡地形修正因子； 水陆混合传播路径修正因子
LM = Lbs + Am ( f , d ) − H b (hb , d ) − H m (hm , f )
快变化 （瑞利分布）
宏观衰落： 几十个波长 内平均
微观衰落：
平均路径损耗
几个波长
25
内平均
国家重点实验室
二、传播预测模型
• Hata模型
Hata模型是由Okumura提出的一个图解的平均路径损耗经验公式，适用 于150MHz到1500MHz。Hata将城市地区传播损耗表示为一个标准公式， 并给出了在其他情况下应用的校正公式。城市地区中值路径损耗标准公式 如下式：
• 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预 测。信号的中值是指长区间中值。
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国家重点实验室 Okumura（奥村）模型
Okumura（奥村）模型提供的数据较齐全，应用较广泛， 适用于VHF和UHF频段。
Okumura模型的特点是：
¾ 以准平坦地形大城市地区的场强中值或路径损耗作为基准， ¾ 对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。
• 而且信号经过多点反射还会从多条路径到达接收点，这样，多径信号 的幅度、相位和到达时间不同，相互叠加会产生电平快衰落和时延扩 展；
• 另外，移动通信由于快速移动，不仅引起多普勒频移产生随机调频， 而且会使电波传播特性发生快速的随机起伏。
• 因此，无线移动通信环境是一种随时间、环境和其他外部因素变化而 变化的传播环境。
fmax= v /λ=45Hz Case 2:v=360km/h=100m/s;
fmax= v /λ=300Hz
10
国家重点实验室
一、信道基本特性
简单两径反射信道
R是地面反射系数，忽略反射面的衰耗。
11
时延扩展
国家重点实验室
一、信道基本特性
如果发射信号相对时延扩展是窄带的 有： 窄带接收信号的功率为：
在该波长范围内，信号的短区间中
心值也出现缓慢变化的特征，这是
阴影衰落，或大尺度衰落。
18
国家一重点实、验室 信道基本特性--平坦衰落信道
y(t) = a(t)x(t) + n(t)
α (t ) 可服从以下分布
时变的衰减，即衰落
1）当存在大量统计独立的散射体，并且没有一个散射体占主导地位
pdf (α ) = α • exp[− α 2 ]
称为快衰落。
天波传播
直射波传播
地面波传播
地面反射波 8
国家重点实验室
一、信道基本特性
1. 多径(Multiple Paths)
￭ 直射波 ￭ 大物体的反射(Reflect)和电磁波的绕射(Diffract) ￭ 信号的散射（Scattering）
点到点的传输
R 灯柱 S
D
D
R
9
国家重点实验室
一、信道基本特性
6
国家重点实验室
2.1.1不考虑空间特性的信道模型
（采用全向天线）
7
国家重点实验室
一、信道基本特性
• 移动通信大多采用300MHz-10GHz的频段，这些频段的最大波长只有 10m，与信号传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的相比要小的 多，故电波主要是以直射、反射、散射、绕射等方式传播，因此到达 接收端的信号可能不是单一路径来的，而是通过许多路径上到达的。
μF , σ F 是ln(F)的均值和方差，其均值主要由基站和移动台之间的
路径损耗决定，方差通常在4~8dB之间。
20
国家重点实验室
二、传播预测模型
• 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算 出接收信号的场强，或接收信号中值。这样，才能进一步 设计系统或设备的其他参数或指标。
• 给定条件：发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线 高度及收发信机之间距离等。
媒 质
收 转 换 器
解 调 器
译 输出 码 器
调制信道 编码信道
4
国家重点实验室
2.1 信道模型
• 调制信道模型
si(t)
线性时变网络
so(t)
r(t) = so (t ) + n (t ) = f ⎡⎣si (t )⎤⎦ + n (t ) 加性白噪声
调制信道对输入信号的响 输入的已调信号 应输出波形
国家重点实验室
第二章 信道模型
1
国家重点实验室
第二章预读文献
1. Richard B. Ertel， et al, Overview of Spatial Channel Models for Antenna Array Communication Systems, IEEE Personal Communications, February 1998, pp: 10-22.
22
国家重点实验室 准平坦地形大城市区的 中值路径损耗
来自百度文库
LM = Lbs + Am ( f , d ) − H b (hb , d ) − H m (hm , f )
自由空间基本路径损耗 相对于自由空间的基本中值损耗； 基站天线高度增益因子； 移动台天线高度增益因子。 ¾ 第一项用基本公式计算， ¾ 后三项由图表给出
2.多普勒频移（Doppler Shift）
发射台或接收台和/或信道中其他物体的运动造成
信号的行程差Æ 相位差Æ频移
Δφ = 2π Δd = 2π vΔt cosθ
λ
λ
fD
=
1
2π
Δφ
Δt
=
v cosθ λ
=fm cosθ
例如：f0=900MHz, λ=1/3 m Case 1: v=54km/h=15m/s;
Similarly, 160 m is quite large for the cell radius of an indoor system, as there would typically be many walls the signal would have to go through for an indoor cell radius of that size. So an indoor system would typically have a smaller cell radius, on the order of 10-20 m.
15
国家重点实验室
信道基本特性
β=2 π / λ
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国家重点实验室
信道基本特性
多径的多少取决于基站的高 度和周围的环境
17
国家重点实验室
信道基本特性
地面环境传输效应 （对数正态分布） 平均值的慢变化
快变化 （瑞利分布）
微观衰落：几 个波长内平均
宏观衰落：几十 个波长内平均
平均路径损耗
接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的 特征，这就是多径衰落引起的，又称为 快衰落，或小尺度衰落。
24
国家重点实验室
课程回顾
• 信道基本特性-多径和 多普勒频移
• 信道基本特性-平坦衰 落信道，包络分布函
fD
=
1
2π
Δφ
Δt
=
v cosθ λ
=fm cosθ
fD = 21π计Δ算Δφt两=径v接cλo收sθ功=率fm，co临sθ界距离？
数 • 传播预测模型
地面环境传输效应
（对数正态分布） 平均值的慢变化
Solution: dc = 4ht hr / λ = 800m for the urban microcell and
dc = 4ht hr / λ = 160m for the indoor system.
合适？
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国家重点实验室
一、信道基本特性
A cell radius of 800 m in an urban microcell system is a bit large: urban microcells today are on the order of 100 m to maintain large capacity.
• 接收端的信号是这些多径信号的叠加。这些沿不同路径传播的信号大
体上是相互独立的，同时也是随机的，每一径的幅度、相位、到达时
延都不同，因此，接收端的叠加有时候是同相叠加从而使信号强度增
强，有时候又是反向叠加使信号强度明显降低，而且随着距离的变化
也会出现这种情况，这就使得接收信号在时域和空域呈现急剧变化，
m=
莱斯分布
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2k +1
国家重点实验室
一、信道基本特性
大范围内的幅度均值分布
• 瑞利衰落和莱斯衰落被称为小尺度衰落，描述的是大约10
个波长范围内幅度的变化。
• 大尺度上，实验表明小尺度平均幅度F服从对数正态分布
pdf (F ) =
σF
1
2π
•
exp[−
(ln(
F)−
2σ F
μ
2
F
)
2
]
平均值的慢变化： （F＝σ2 信号的功率）
线性时变 滤波器
+ r(t) = c(t,τ )∗si (t) + n(t)
器c(t)
n(t)
n(t)
c(t,τ)
n(t)
加性高斯噪声信道模型
带有加性噪声的线性滤 波器信道模型
带有加性噪声的线性时 5 变滤波器信道模型
国家重点实验室
2.1 信道模型
• 在无线移动通信工作环境中，电波不仅随着传播距离增加会发生弥散 损耗，并且受地形、建筑物的遮蔽影响将产生“阴影效应”；
莱斯参数 K
=
A2
2σ 2
莱斯分布转变为瑞利分布
3）从实际中测量得出的
衰落参数，控制 信号衰落的程度
pdf (α ) = 2 • ( m )mα 2m−1 • exp[− mα 2 ] α ≥ 0; m ≥ 1/ 2 Nakagami-m：纳卡伽
Γ(m) Ω
Ω
米分布
m = 1 瑞利分布
(1+ k )2
最大时延扩展
直射信号和反射 信号的相位差
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国家重点实验室
两路信号 正向相加
Pr ∝
小范围的衰落 临界距离
n≈2
发送天线 高度=50m
Pr ∝ d −n
n≈4
13
Log10(50)=1.699
国家重点实验室
一、信道基本特性
举例：Determine the critical distance for the two-ray model in an urban microcell (ht = 10m, hr = 3 m) and an indoor microcell (ht = 3 m, hr = 2 m) for fc = 2 GHz.
σ2
2σ 2
0≤α <∞
瑞利分布， Rayleigh
2）有一个散射体占主导地位（通常称为视距LOS分量） 占主导地位信号分量的幅度
pdf (α ) = α • exp[− σ2
A → 0, K → −∞ (dB )
A
2+
2σ
α
2
2
]
•
I
0
αA
(
σ2
)
0≤α <∞
第一类零阶贝塞尔函数
莱斯分布，Rice
2
国家重点实验室 第二章预读文献(2)
2. A. F. Molisch, Wideband Wireless Digital Communications, 电子工业出版社。 第3章：无线移动信道
3
国家重点实验室
2.1 信道模型
• 信道是指以传输媒质为基础的信号通道
输入 编 码 器
调 制 器
发 转 换 器