移动通信中多普勒频移的教学方法研究

第22卷第3期2020年6月
黄山学院学报
Journal of Huangshan University V 〇1.22,N 0.3Jun .2020
移动通信中多普勒频移的教学方法研究
刘
琦
，侯
丽
，何宁业
(黄山学院信息工程学院，安徽黄山245041)
摘要：移动通信中的多普勒频移是引起无线信道衰落的主要原因。

针对现有授课方式中对多普勒频 移介绍不足的特点，找到一种快速理解和掌握多普勒频移理论的教学方法，并对该方法进行教学实践。

经 过实验效果对比，新的教学方法能使学生更好更快地理解相关理论。

关键词：移动通信；多普勒；教学方法中图分类号：G 642.4
文献标识码：A
文章编号：1672-447X (2020)03-0087-003
1引言
在移动通信中，由于移动台和基站的相对运动
导致的多普勒效应产生了频率偏移(简称多普勒频 移）,是导致移动通信中信道衰落的主要原因I U I 。

目 前移动通信教材中对多普勒频移的介绍通常只从 运算公式出发，重点强调公式的参数和计算结果， 往往忽视公式的来源及在通信中产生的影响|W 1。

因 此，我们通过提醒学生回忆当自己在汽车站、火车 站、马路边时，听到喇叭声、汽笛声有何变化规律来 引人课程，并通过播放2003年冯小刚导演电影《手 机》中在列车上听不清电话的片段引入多普勒效 应;通过介绍声波与电磁波具有相似的特性，在移 动通信中同样具有多普勒效应引入课程，介绍移动 通信中电磁波多普勒特性，并进一步分析移动状态 下多普勒频移导致的信道衰落特性及产生的影响|5’61， 有助于学生对多普勒频移更好地理解和掌握。

2多普勒频移的引入
奥地利物理学家多普勒通过观察迎面驶来的
火车汽笛声的频率变化，发现当观察者与波源之间 存在相对运动时，接收到的频率会产生变化，这就 是多普勒效应。

假设波源发出声波的速率是u ,观察者以速度t ;。

和波源相对运动。

当观察者靠近波源时，观察者接 收到的声波的相对速度变大，观察者接收到声波的 频率变高。

此时得到观察者接收的频率为
反之，如果观察者远离波源，接收到声波的相 对速度减小，接收到声波的频率变小，得到观察者 接收的频率为
收稿日期：2018-05-29基金项目：安徽省教育厅教学研究重点项目（2018jyxml 243);安徽省精品线下开放课程(20191dlccl 31);黄山学院教学研究项目（2019JXYJ 05;
2019JXYJ 41)
作者简介：刘琦（1982-)，辽宁盘锦人，黄山学院信息工程学院，讲师，
研究方向为智能信息处理。

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若观察者不动，波源有一个向右的移动速度，如图1所示，它发出的波以此刻的波源S为圆心，当波源向右移动后，新波的圆心就是波源S '的位置。

由于波的圆心不断向右移动，致使波源右侧的波面 变得密集，左侧变得稀疏。

立。

如果用户处于一种移动的过程中，发出的信号 在到达基站时就会产生一个多普勒频移。

在基站 返回信号给用户时，由于用户仍在运动中，信号到 达用户时又会产生一次多普勒频移。

每次产生的 多普勒频移为
如图2所示，右侧观察者初始接收到的波形S,其波长A,频率/,波的传播速度w，移动速度h,所以 最终观察者在波源向观察者运动时,接收的频率为
而当波源远离观察者时，接收的频率为
(3)
(4)
图2波源右侧接收波形
因为波在介质中传播的速度并没有改变，导致观察者在波源向观察者运动时，单位时间接收到波 的个数增多，即接收到声波的频率大于声源发出的 声波的频率。

反之，当波源远离观察者时,接收到 声波的频率就小于声源发出的频率。

3移动通信中的多普勒频移
波源的频率没有变化，由于观察者和波源间的 相对运动，使得观察者接收到的频率发生了变化。

这种现象不是机械波特有的，电磁波、光波同样具 有这种特性。

在移动通信中，移动用户正式通话前,要先给 基站发送一个请求信号，基站收到后，再将确认信 号返回给用户。

这样一个来回后，通信才正式建
/j= ^/〇cos6(5)
从公式(5)可以看出，移动通信中的多普勒频 移值的大小和终端运动的速度〃成正比,c为光速，/。

是移动终端原始载波频率，0是运动方向与基站 间的夹角。

由式(5)可知，如果用户移动速度越快, 导致的频率偏移值就会越大。

结合课前引入的电影片段中的手机所处的时 代背景，可推断其工作模式为G S M，载频为900M H z,当时列车车速约为140K M/h至160K M/h,由此可计算得到影片中手机通信时产生的最大多 普勒频移为
^=^=36^itfX9〇〇Xl〇6=133Hz(6) 4实验结果
采用Matlab2017a对载频900M H z,速度分别为 160K M/h和300K M/h时，多普勒频移产生的瑞利衰 落进行仿真实验。

仿真结果如图3所示，可知当速 度为160K M/h时，通信功率最大值12.96d B,最小值- 28.18d B,最大衰减损耗可达41.14d B;当速度为300K M/h时，通信功率最大值13.37d B，最小值- 32.12d B，最大衰减损耗可达45.49d B。

由此可见，相 同载频下，速度越大，导致的衰落损耗越大,对移动 终端信号接收的影响也越大。

v=160knVW*t的佶逬曲线
时间
图3
不同速度下的瑞利衰落
第3期刘琦，等:移动通信中多普勒频移的教学方法研究•89 •
针对黄山学院2014级和2015级电子信息工程 专业学生采用新的教学方法，对《移动通信》课程的 多普勒频移章节内容进行授课，通过课堂提问，课 堂讨论和课后作业反馈，与采用传统授课方式的 2013级电子信息工程专业学生的学习效果进行对 比。

比较结果如表1所示。

通过对比发现,新的教 学方法能使学生更快地掌握课堂知识，并能有效提 升学生的学习兴趣。

表12013-2015级学生习题正确率
2015 级2014 级2013 级课堂提问0.750.730.62
课堂讨论0.880.820.71
课后作业0.890.900.73总评0.840.820.69
S结论
针对移动通信课程中的多普勒频移进行教学方法研究，采用视频引导及逐步引人的方式介绍多
普勒频移的原理及对通信产生的影响。

通过这种
讲授方式可使学生快速理解和掌握多普勒频移理论。

通过授课效果对比发现，新的教学方法更有利
于学生掌握相关理论知识。

参考文献：
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技术，2009(12): 1-4.
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[6] 章国安,朱晓军，金丽，等.移动通信课程教学模式改革研究
与实践[J].高教学刊，2017(19):138-140.
责任编辑:胡德明
Research on the Teaching Method of Doppler Frequency
Shift in Mobile Communication
Liu Qi,Hou Li,He Ningye
(School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan245041, China) Abstract：The wireless channel fading i s mainly caused by the Doppler frequency s h i f t in mobile communication.In view of the insufficient introduction of the Doppler frequency s h i f t in the existing teach­ing methods,the paper explores a new teaching method and experiment to understand and grasp the Dop­pler frequency s h i f t pared with the experimental results,the relevant theories can be under­stood faster by the new teaching method.
Key words:mobile communication;the Doppler;teaching method。