第二章 5 无线通信信道 无线信道中的多普勒效应

非自由空间中电磁波的多普勒扩展
z
平坦多普勒扩展谱为
v λ 2 f ≤ σs , S n ( f ) = 2v λ 其它 0,
Sn ( f ) λ 2v
f c − f d ,max
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fc
f c + f d ,max
f
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非自由空间中电磁波的多普勒扩展
z
时间选择性衰落(time selective fading)，是指在无线信 道传输无线信号的带宽内，对无线通信接收机接收信 号复包络进行采样，如果存在任两个时刻采样信号的 相关系数小于0.5，则称这种信道为时间选择性衰落信 道。
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相干时间
z
多普勒频移影响着接收信号的复包络，一般以最大多 普勒频移来度量信道的相干时间：
9 ∆c ≈ 16π f d ,max
上式的条件为：在相干时间内的任两个时刻对接收信 号的复包络采样，各频率分量采样信号的相关系数不 小于0.5。
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相干时间
z
z
设无线通信发射机发射信号的带宽为 ∆f ，则发射机发 射信号的频率范围为： ∆f ∆f ft ∈ fc − , fc + 2 2 窄带信号：
∆f ∆f ≈ fc + fc − 2 2
z
z
对于窄带无线通信系统来说，频带低端的多普勒频移 与高端的是一样的，这就使得调整接收机本振频率对 接收机天线接收到信号的中心频率，就可以消除多普 勒频移的影响。
z
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自由空间中电磁波的多普勒频移
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频率压缩效果:
强度
f
强度
f1
2 f1
3 f1
4 f1
5 f1
6 f1
7 f1
8 f1
9 f1
多普勒 频移
f
f1
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2 f1
3 f1
4 f1
5 f1
6 f1
7 f1
8 f1
9 f1
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自由空间中电磁波的多普勒频移
z
对于超宽带无线通信系统来说，频带低端的多普勒频 移与高端的不同，使得调整接收机本振频率对准接收 机天线接收到信号的中心频率来消除多普勒频移影响 的手段失去效果。
小结
1. 2. 3.
自由空间中电磁波的多普勒频移 非自由空间中电磁波的多普勒扩展 相干时间
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End & Thanks!
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fd =
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v
λ
cosθ
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自由空间中电磁波的多普勒频移
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将波长换算到载波频率，则多普勒频率为：
z
当电磁波的到达方向与接收机移动方向的夹角为 θ = 0 或 θ = 2π 时，多普勒频移最大：
v f d = f t cos θ c
f d ,max
z
v v = ft = c λ
当电磁波的到达方向与接收机移动方向的夹角为θ = 90° 时，多普勒频移最小：
9 自由空间中存在多普勒频移的信道不是时间选择性衰落信 道，因为接收机可以校正接收信号多普勒频移的影响。 9 非自由空间中存在多普勒扩展的信道是时间选择性信道， 这是因为接收机接收到的信号产生了很多大小不同的多普 勒频移，接收机无法校正所有的这些频移。
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1. 2. 3.
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自由空间中电磁波的多普勒频移
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宽带信号：
∆f ∆f ft ∈ fc − , fc + 2 2
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发射信号频带低端信号成份的多普勒频移，与高端信 号成份多普勒频移的差距较大。 频率扩展效应：相对于发射信号频带低端信号，高端 信号的频率被扩展了。请看下图：
f d ,min = 0
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自由空间中电磁波的多普勒频移
z
根据上面的定义，接收机接收信号的频率为：
v f r = f t 1 − cos θ c
z
显然，如果多普勒频移存在，则无线通信发射机发射 信号的频率越高，多普勒频移越大。
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自由空间中电磁波的多普勒频移
目录
1. 2. 3.
自由空间中电磁波的多普勒频移 非自由空间中电磁波的多普勒扩展 相干时间
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引言
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无线信道在无线通信中的位置：
发基带 单元 发射中 频单元 发射频 单元 发天线 单元 无线传播 信道 收天线 单元
收基带 单元
接收中 频单元
收射频 单元
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9 发射机发射的单位冲击信号，接收机观察到的一条多径信 号，是由很多条子径信号合成的信号； 9 在这些子径信号中，存在很多条到达方向不相同的子径信 号，则这些到达方向不相同的子径信号的多普勒频率均不 相同； 9 各条子径信号合成的一条多径信号，它是发射信号在频率 f c − f d ,min , f c + f d ,max 范围内的扩展，这就是所谓的多普勒 扩展。
自由空间中电磁波的多普勒频移 非自由空间中电磁波的多普勒扩展 相干时间
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相干时间
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在非自由空间、时间选择性衰落信道中，对于无线通 信接收机接收到的信号，在两个时刻对接收信号的复 包络采样，如果两个时刻对复包络的采样信号基本相 等，则称这两个时刻内的接收机接收到的信号在 相干 时间内。 满足两个时刻复包络采样信号基本相等条件的最远的 两个时刻，称为相干时间(coherence time)。
自由空间中电磁波的多普勒频移
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无线信道多普勒效应的存在，使得接收机可靠检测发 射机发射信号变得较为困难。
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自由空间中电磁波的多普勒频移
接收机 移动速度v
号 信 方 达 到
θ
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向
接收机接收信号的频率为
f r = ft − fd
其中 f t 是发射机发射天线发射信号的频率， f d 为多普 勒(Doppler)频移：
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非自由空间中电磁波的多普勒扩展
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在这些子径信号 中，存在很多条到 达方向不相同的子 径信号，则这些到 达方向不相同的子 径信号的多普勒频 率均不相同；
6 5 4
1 2 3
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非自由空间中电磁波的多普勒扩展
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常见的多普勒扩展谱：有经典多普勒扩展谱(Classic Doppler Spread Spectrum)及平坦多普勒扩展谱(Flat Doppler Spectrum)。 经典多普勒扩展谱
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σ s2 , 2 v Sn ( f ) = π − f c2 λ 0,
f ≤
v
λ
其它
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非自由空间中电磁波的多普勒扩展
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经典多普勒扩展谱
Sn ( f )
f c − f d ,max
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f c + f d ,max
f
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其它2006911622非自由空间中电磁波的多普勒扩展2006911722非自由空间中电磁波的多普勒扩展2006911822非自由空间中电磁波的多普勒扩展时间选择性衰落timeselectivefading是指在无线信道传输无线信号的带宽内对无线通信接收机接收信号复包络进行采样如果存在任两个时刻采样信号的相关系数小于05则称这种信道为时间选择性衰落信自由空间中存在多普勒频移的信道不是时间选择性衰落信道因为接收机可以校正接收信号多普勒频移的影响
z
相干时间度量了信道的时变特性。信道相干时间越 大，信道变化越慢；信道相干时间越小，信道变化越 快。 另外，自由空间中的窄带无线通信系统，如果存在多 普勒频移，则可以通过调整接收机本振的中心频率来 来消除多普勒引起的信道变化，即接收机接收到信号 的复包络，在任两个时刻均是相关的。
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自由空间中电磁波的多普勒频移 非自由空间中电磁波的多普勒扩展
2006-扩展
z
典型的非自由空间中，例如信道中存在某些物体引起 的反射、散射、绕射、透射等现象时，信道的多普勒 现象是多普勒扩展(Doppler spread)。