无线通信技术-第二章 无线电的传播(二)

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多径传播的频率色散—多普勒扩展 由于移动台的运动，接收信号会在接收端产生多普勒频移。 如果接收信号为N条路径来的电波，其入射角不尽相同。当N 较大时，多普勒频移就成为占有一定宽度的多普勒扩展。 多普勒扩展BD：是频谱展宽的测量值，代表一个频率范围， 在此范围内，多普勒频谱非零，当发射信号是频率为fc的纯正 弦波时，接收到的信号频谱会在fc+fd到fc-fd范围内都存在。 相干时间TC 是多普勒扩展在时域的表示，用于描述信道频率 色散的时变特性，与多普勒频移成反比关系:
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小尺度衰落：
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无线信道的多径导致了小尺度衰落的产生 小尺度衰落的三个主要表现:
(1) 经过段距离或短时间传播后信号强度急剧快速变化; (2) 在不同的多径信号上，存在着时变的多普勒频移所引起的随机频率调 制; (3) 不同的传播时延引起的时间扩展;
宽带无线通信技术
上海大学通信与信息工程学院 2012年10月
第二章 无线电传播
2.2小尺度衰落和多径效应
小尺度衰落： 简称衰落，是指无线电信号在经过短时间或短距离传播后 其幅度快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略 不计。 原因：同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时 间差到达接收机，多个信号互相叠加。接收机天线将之合 成为一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决 于多径的强度、相对时延和信号带宽
Bc
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例题2：一个多径信道的百度文库击响应模型如下图所示，计算该信 道模型的平均附加时延和时延扩展。
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由相干带宽分类的两种衰落类型 （1）频率选择性衰落 B信号<B相关 （2）平坦衰落(非频率选择性衰落） B信号>B相关 如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生符号间 干扰(ISI)，并且调制脉冲将会产生时域扩展，从而进入相邻 符号； 均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应产生的符号间干 扰(ISI)。
多径信道的冲激响应模型
时变信道 时变冲激响应特性的线性滤波器 信道的冲激响应可用于预测和比较不同移动通信系统的性能，以及传 输带宽 冲激响应记作： h(t , )
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移动多径信道的参数 （1）时间色散参数 （2）频率色散参数 时间色散参数
（a）平均附加时延 （b）RMS时延扩展 （c）相干带宽：是从RMS时延扩展得出的一个信道参量 含义：是一个频率范围，该范围内的频率分量有很强的幅度相关性 相关值取0.9 相关值取0.5：
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第二章总结
本章学习重点 （1）大尺度路径损耗模型 （2）小尺度衰落类型 本章学习难点 描述小尺度衰落的参数
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衰落类型取决于信号的特性和信道的特性，信号参数和信道参数的关 系决定了信号将经历的衰落类型。 移动无线信道的时间色散和频率色散可能引起四种衰落
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衰落类型：
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平坦衰落 如果无线信道带宽大于发射信号带宽，并且信道频率响 应的幅度近似为常数，相位为线性，那么信号的频谱会保持 不变，但是信道增益会随时间而变化（多径造成的）。这种 衰落是最为常见的一种。 条件: Bs Bc 或者 Ts σ τ
慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏、建 筑物的分布与高度、街道走向、基站天线的位置与高度、移动台行进速度， 而与频率无关。
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Tc
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0 .4 2 3 fd
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相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均 值，也就是说，相干时间是个时间间隔，在此间隔内，两 个到达信号具有很强的幅度相关性。 如果基带信号带宽的倒数大于信道的相干时间，那么传输 中基带信号很可能就会发生失真。 表征时变信道对信号的衰落节拍，即信道在时域上具有选 择性。 小尺度衰落类型
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2.2小尺度衰落和多径效应
例题3：计算图所给出的多径分布的平均附加时延、rms时延 扩展。设信道相干带宽取50％，则该系统在不使用均衡器的 条件下对GSM业务是否合适？
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时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两 个参数； 那么时变特性如何描述呢？ 频率色散特性 多普勒扩展和相干时间
那么由路程差造成的接收信号相位变化为


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由此可以得出频率变化值，即多普勒频移 : 1 ∆ 2 ∆ 说明： 1、 是相对速度； 2、与速度大小、方向都有关； 3、可正可负， = / 称为最大多普勒频移； 4、多普勒扩展增加了信号带宽。
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作业题: 1、确定从一个静态GSM发射机接收到的最大和最小的频谱频率，该发射 机的中心频率为1950.000 000MHz。假设接收机的移动速率为（a） 1km/h（b）5km/h （c）100km/h（d）1000km/h。 2、下图示意了900MHz的功率延迟分布的本地空间平均值，试确定： （1）信道平均附加时延和rms延迟扩展 （2）若在此信道传输的调制符号的周期小于10 时就需要均衡器， 试确定不需要均衡器所能传输的最大符号速率。 （3）若一个以30Km/h行驶的移动台接收经信道传播的信号，试确 定信道呈静态的时间。
多普勒频移
由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。 移动引起的接收机信号频移被称为多普勒频移。
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影响小尺度衰落的因素
(1) 多径传播
信道中反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境，导致接收信号幅度、相位以 及到达时间的变化。多径传播常常延长信号基带部分到达接收机所用的时间，由码间干扰引 起信号模糊。 (2) 移动台的运动速度 移动台相对于基站运动，会引起随机频率调制，这是由多径分量存在的多普勒频移引起 的。多普勒频移是正频移还是负频移取决于相对运动的方向。 (3)环境物体的运动速度 如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变多普勒频移。如果环境物体以大于 移动台的移动速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。否则，可仅考虑移动台 运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。 (4) 信号的传输带宽 如果无线信号的传输带宽大于多径信道带宽，接收信号将会失真，但是接收信号的强度 不会衰落很多。后面将会看到，信道带宽可用相关带宽量化。相关带宽是一个频率范围，在 此范围内，传输信号的幅度保持很强的相关性。若相对于信道带宽来说，传输信号为窄带信 号，则信号幅度就会迅速改变，但信号不会出现时间失真。
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快衰落 根据发送的基带信号与信道变化的快慢的比较，衰落信道 可分为快衰落信道和慢衰落信道。 在快衰落信道中，信道的冲激响应在一个符号周期内就会 发生变化，即信道的相干时间小于符号周期 产生条件： > ，或者 Bs< 慢衰落 接收天线处的场强中值随移动台运动是周围地形、建筑物 等的变化而出现的波动，其变化速率较为缓慢。 Ts Tc 产生条件： Bs BD
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小尺度衰落：
例题：若一发射机发射载频为1850MHz，一列火车（载有接收机）以 350Km/h的速度运动，计算在以下情况下接收到的信号的载频： （1）火车沿直线朝向发射机运动； （2）火车沿直线背向发射机运动； (3）汽车运动方向与入射波方向成直角 解答：
∗
97.22 / ，
. .
∗
∗
0.161
（1） （2） （3）
0, 1800, 900,
0 97.22 0.161 97.22 0.161
603 1800 900
,fc 1850.000603MHz,
603 0 , fc 1849.999397Hz,
, fc 1850MHz
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频率选择性衰落 信号中各分量的衰落情况与频率有关，即传输信道对信 号中不同频率成分有不同的随机的响应。 产生条件: Bs Bc Ts σ τ 对接收信号的影响： 冲激响应具有多径时延扩展，同时，接收信号包括了衰 减和时延的多径波，信号接收波形失真。
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2.2小尺度衰落和多径效应
平坦衰落信道有可能引起幅度的深度衰落。这样，为克服 这种衰落，通常需要增加20-30dB的发射功率。 平坦衰落信道的瞬时增益分布对设计无线链路是非常重要 的，最常见的瑞利分布。瑞利平坦衰落信道引起的幅度随 时间的变化服从瑞利分布。
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2.2小尺度衰落和多径效应
多普勒频移
当移动台以速率 在长度为 ，端点为X和Y的路径上运动时，收到来自S 源的信号。无线电波从S发出，在X点和Y点分别被移动台接收时所经历的 路径差为
l d cos vt cos
2 l 2 v t cos