移动通信-ch3-无线传播与信道-02

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3-38
相关带宽
定义
指一特定频率范围,在该范围内,两个频率分量有 很强的幅度相关性 即在此范围内的所有频率分量几乎具有相同的增益
及线性相位。
3-39
相关带宽
定量计算
相关系数大于0.9的某特定带宽
1 Bc 50
将定义放宽至相关系数大于0.5
Bc 1 5
工程上,见教材
当主要分量减弱后, 莱斯分布退化为瑞利 分布!
3-21
Rician Distribution (PDF)
2-22
3、 Nakagami-m分布
由Nakagami在20世纪60年代提出
基于现场测试的实验方法 用曲线拟合得到近似分布的经验公式
2mm r 2m1 mr 2 pr (r ) exp[ ] m (m) 对无线信道的描述有很好的适应性
体的运动引起。
3-46
多普勒扩展
多普勒扩展:接收的多普勒谱为非0值的频率范围, 一般定义为 BD=最大多普勒频移fm=
v/
3-47
相关时间
定义 相关时间就是信道冲激响应维持不变的时间 间隔的统计平均值。 在相关时间内,两个到达信号有很强的幅度 相关性。
相关时间是多普勒扩展在时域的表现形式,用
3-29
2.3 描述多径衰落信道的主要参数
电波通过移动信道后,信号在时域上、频域上 和空间(角度)上都产生色散( dispersion ), 使信号产生衰落失真。 多径效应:时延扩展 多普勒效应:频谱扩展 散射效应:角度扩展 频率选择性衰落 时间选择性衰落 空间选择性衰落
3-30
一、时延扩展和相关带宽
数据传输速率低,则码元宽度长,带
宽窄,多径信号不会干扰整个码元,信 上看,各有什么区别?
平坦衰落( 30kHz - 33.3s) 号带宽小于信道相关带宽。
频率选择性衰落(200kHz – 5s)
数据传输速率高,则码元宽度小,带 宽宽,多径信号干扰码元程度高,信号 带宽大于信道相关带宽。
1、什么是时延扩展?
多径传播造成信号时间扩散
假设发射一个极短的脉冲信号,经过多径信道后,接收
信号呈现为一串脉冲
时延扩展大小:最大传输时延和最小传输时延的差值
3-31
一、时延扩展和相关带宽
2、如何描述时延扩展?
时延功率谱:由不同时延信号分量的平均功率构 成
P(τ)பைடு நூலகம்对幅度/dB
0dB
Δ
于在时域描述信道频率色散的时变特性。
3-48
相关时间
移动信道是一种时变信道 信号传播过程中受到来自不同类型的损耗
P(d ) L(d ) S (d ) R(d )
传播损耗 阴影衰落 多径衰落
大尺度衰落
小尺度衰落
d :移动台与基站的距离
3-3
一、移动通信信道的传播特性
1、传播损耗(路径损耗)
长程范围内的信号电平变化(几千米量级) 电波传播引起的平均接收功率衰减 L(d ) d 取决于发射机与接收机之间的距离
脉冲响应 传递函数
0 2 4 6 8 10 12
1 0.5
Output y(t)
0 -0.5 -1
0
2
4
6
8
10
12
2-10
三、移动环境的多径传播
多径传播示意图
余 音 绕 梁
看上去信号有什么变化呢?
快变频率选择信道
慢变频率选择信道
若时不变
2-13
多径衰落
在不到一个波长范围内会出现几十分贝的电 平变化和剧烈的相位摆动
n
自由空间时,n=2,一般情况下n=3~5
3-4
一、移动通信信道的传播特性
2、阴影衰落——阳光不能普照
由大型障碍物的遮挡引起,包括传播环境中的地形起伏、
人造建筑物等 短程范围内的信号电平变化(数百波长量级)
3-5
一、移动通信信道的传播特性
3、小尺度衰落——余音绕梁+跑得太快
主要由多径效应和多普勒效应引起 数十波长量级内的信号电平变化 接收信号场强的瞬时值快速变化,在几个波长间距内的 变化幅度可达30dB
v FA /2
3-27
2、电平通过率
包络在单位时间以正斜率通过某规定电平R的次数
实测发现,深度衰落发生的次数较少,浅度衰落发生得 相当频繁。 衰减20dB概率为1%,衰减30dB和40dB的概率分别为 0.1%和0.01%。
正斜率 负斜率
t1
A 1
t2
2
t3
3
t4
4
NA 4 /T l (A) 0
800MHz 室内环境中典型传播时 动->小尺度衰落。
延长信号到达接收机的时间,引起码间串扰。 延扩展为 1μs,符号速率200kbps,
符号宽度?重叠覆盖率?
3-9
接收信号
1 0.5
Input x(t)
0 -0.5 -1
0
2
4
6
8
10
12
1
Channel response h()
0.5 0 -0.5 -1
描述移动台在极小范围内移动时,短距离(几个波长) 或短时间(秒级)上接收场强的快速变化,用于确定 移动通信系统应该采取的抗衰落技术。 度衰落的影响!
3-8
时,会同时受到大尺度衰落和小尺
三、移动环境的多径传播
多径传播的产生及影响
信道中的反射物和散射物导致发射波到达接收机时形 成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。 不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号幅度波
30dB
P(τ )
o
m
典型的时延(功率)谱曲线
τ (相对时延时间)
3-32
一、时延扩展和相关带宽
2、如何描述时延扩展?
时延扩展的相关参数


: 相对时延值
P(τ ):归一化时延谱
m :平均多径时延, P(τ )的一阶矩

:时延扩展, P(τ )的均方根
Tm :最大多径时延, P(τ )下降到-30 dB时的时延差
特定的电平之下?
这条信道将在该门限下持续多长时间?
工程实用中,常常用一些特征量表示衰落信号
的幅度特点。
3-26
1、衰落率
信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的 次数
与发射频率、移动台行进速度、方向及多径传播的路 径数有关。
当移动台的行进方向朝着或背着电波传播方向时,衰
落最快。
3-6
一、移动通信信道的传播特性
图2-6陆地移动通信信道中的电波传播特性
二、移动通信信道的二种传播模型
大尺度路径损耗传播模型
描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化, 大尺度衰落可看成信号小尺度 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。
衰落的空间平均! 受到收发距离及地形地貌的影响
小尺度多径衰落传播模型 当移动通信跨越比较大的区域
四、多普勒频移
多普勒频移与移动台运动速度及
移动台方向与无线电波入射方向 之间的夹角有关。 频率变化值
f d (t ) v

cos (t )
朝向入射波方向移动->多普勒
频移为正值;被向入射波方向移
动->多普勒频移为负值。
*信号经不同方向传播,多径分量造成接收信号频谱的多普勒扩展。
离散化 2 P ( ) k k

k
2 2 m
P(
k
k
)
3-34
多径时散参数典型值
表 2-1 时延扩展典型实测数据
参数 平均时延 m 时延扩展 最大时延 Tm (-30dB) 平均时延扩展 市区 1.5~2.5 s 1.0~3.0 s 5.0~12.0 s 1.3 s 郊区 0.1~0.2 s 0.2~2 s 3~7.0 s 0.5 s
信道的幅频特性为:
A( , t ) 1 cos (t ) j sin (t ) 1 2 2 cos((t ))
3-37
多径对信号频域的影响
图2-14 双射线信道的幅频特性
当 (t ) 2n 时,双径信号同相叠加,信号出现峰点; 当 (t ) (2n 1) 时,双径信号反相相消,信号出现谷点。
从频域来看多径现象将导致频率选择性衰落,即 信道对不同频率成分有不同的响应 在相关带宽内信号传输失真小,若信号带宽超过 相关带宽将产生较大的失真和符号间干扰
信号传输速率受相关带宽的限制
3-45
二、 多普勒扩展和相关时间
多普勒扩展(Doppler spread)-- 频率色散
由移动台与基站的相对运动,或传播路径中物
3-35
多径对信号频域的影响
以双径模型为例,且不计信道的固定衰减
He(w,t) Si(t) β Δ (t) 图2-13 双径信道等效网络 S0(t)
Σ
s0 (t ) si (t )(1 e j(t ) )
3-36
多径对信号频域的影响
双径信道等效网络的传递函数为:
s0 (t ) H e ( j, t ) 1 e j (t ) si (t )
3-42
平坦衰落
在信号带宽范围内,各频点的幅度有基本相同的增益, 即发送信号的频谱基本保持不变;
信道的增益是随着时间变化的,接收端信号的功率可
能不断变化,导致信号忽大忽小。
3-43
频率选择性衰落
信道对信号的不同频率成分具有不同的响应,产生频率 选择性,使信号发生失真。
3-44
相关带宽的意义
3-33
一、时延扩展和相关带宽
2、如何描述时延扩展?
平均多径时延
m P( )d
0

m
离散化
a a
k k
2 k k 2 k
P( ) P( )
k k k k
k
时延扩展
( 2 P( )d ) m 2
2
2 2 a k k k 2 a k k
T
F
l i/4
i
4
3-28
3、衰落持续时间
定义:信号包络低于某个给定电平值的概率与 该电平值所对应的电平通过率之比。
接收信号电平低于接收机门限电平时,就可能造成 语音中断或误比特率突然增大。 由于每次衰落的持续时间是随机的,只能给出平均
衰落持续时间。
思考:对工程设计的意义在哪里?
数字移动通信
第 2章
移动通信信道
3-1
第2章
讲述内容
2.1 陆地无线电波传播特性 2.2 移动通信信道的多径传播特性 2.3 描述多径衰落信道的主要参数 2.4 阴影衰落的基本特性
2.5 电波传播损耗预测模型 2.6 多径衰落信道的建模和仿真
3-2
2.2 移动通信信道的多径传播特性
一、移动通信信道中的电波传播特性
四、多普勒频移
四、多普勒频移
移动的可以是收发端的相对运动或者传播环境 中主要散射体的运动。
看上去信号有什么变化呢?
3-17
五、多径接收信号的统计特性
移动无线信道统计分析:对接收信号的功率或 电压包络进行定量描述。 瑞利分布
莱斯分布
Nakagami-m分布
3-18
1、瑞利分布
r2 2 2
r0
0 2
3-19
Rayleigh Distribution (PDF)
2-20
2、莱斯分布
产生的原因
离基站较近的区域,通常存在占支配地位的直射波 信号。 当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量时,接收信 号包络服从莱斯分布。
接收信号的统计分析
(r 2 rs 2 ) rrs r pr (r ) 2 exp I0 ( 2 ) 2 2
产生的原因
在发信机与收信机之间没有直射波通路; 有大量反射波存在,到达接收天线的方向角和相位 随机,且在0~2π内均匀分布; 各个反射波的幅度和相位统计独立。
接收信号的统计分析(σ为方差)
r e 2 1 相位概率密度函数(均匀分布): p ( ) 2
包络概率密度函数(瑞利分布):p ( r )
1 Bc 2
3-40
时延扩展和相关带宽的关系
相关带宽由信道的时延扩展决定,两者之间成反比 关系。
信道实际情况 时延扩展(多径结构) 相关带宽 实例:时延扩展为1.37s,相关带宽为146kHz
3-41
时延扩展和相关带宽的关系
思考:在上面的例子中,带宽分别为30kHz的信号 和200kHz的信号,在经过该信道后,从时域和频域
当m=1时, 退化为瑞利分布。
当m较大时, 接近于高斯分布。
m:shape parameter,omega:spread para
3-23
Nakagami-m Distribution (PDF)
2-24
2-25
六、衰落信号幅度的特征量
对于链路设计而言,希望得到影响链路性能的 重要统计量 一条衰落信道每隔多长时间就会衰落到某一
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