数字通信原理(黎洪松)4-7章 (2)

s0 (t) a0e j(ct0 )
（5.2-4）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
式中，ωc和φ0分别为载波角频率和初始相位。假设经反射或散 射到达接收天线的第i条路径的信号为si(t)，其幅度值为ai， 相 移为φi，多普勒频移为fDi，则si(t)可表示为
s (t) a e e i
i j(2πfDi i ) j(ct 0 ) （5.2-5）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 在无线移动信道中影响衰落的因素很多，主要有：① 多径传 播通常会使信号到达接收端的时间延长和不均匀，从而引起码间串 扰， 严重影响数字信号的传输质量； ② 移动台的移动速度，移 动台与基站之间的相对运动会使多条不同路径产生不同的多普勒频 移。根据移动台与基站之间的传播路径是变短还是加长，多普勒频 移可能为正， 也可能为负； ③ 周围物体的运动速度，若移动台 与基站之间物体处于运动中， 则它们会对多条不同路径产生时间 变化的多普勒频移。如果周围物体的运动速度明显慢于移动台的移 动速度， 则可以忽略周围物体的运动，只需考虑移动台的移动速 度； ④ 发射信号的带宽， 若发射信号的自相关时间小于多径信 号的延时差(即带宽大于多径信道的相干带宽)， 则接收信号会产 生失真。相干带宽是信号在幅度上仍然保持强相关时的最大频差的 测度。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
人为干扰是为了破坏对方无线电通信而有意释放的干扰。 例如，在通信对抗中， 常常利用发射机发射或转发某种电磁波， 以扰乱或欺骗敌方的电子接收设备，使其不能正常工作， 达到 战时破坏敌方通信指挥控制系统的目的。 本书主要讨论自然干 扰。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 5.1.4 自由空间的无线电传播
假设入射波si(t)与移动台移动方向之间的夹角为θi，则多普
勒频移fDi与θi之间有如下关系
f Di
v
cosi
fm cosi
（5.2-6）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
式中，v为移动台的移动速度；λ为波长；fm=v/λ为最大多普勒 频移。由式(5.2-5)和式(5.2-6)可得
s (t) a e e j
Pr
Pt
4πd
2
GrGt
|1
Re
|2
（5.2-1）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
式中，在绝对值符号内，第一项表示直射波；第二项表示地面反 射波；Pt为发射功率；Gt、Gr分别为发射天线增益和接收天线增益； d为收发天线距离；λ为波长，λ=c/f，c为光速，f为工作频率； R为地面反射系数；Δφ为两条路径的相位差， 即
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 在无线信道中，一个通过无线信道传播的无线电信号往往会 沿多条不同的路径传播到接收端的天线处，这种现象称为信号的 多径传播。 无线电波传播方式有：直射、反射、绕射和散射。
（1）直射波。它是指在视距覆盖区内无遮挡、无阻塞地传播， 直射波传播的信号强度最强。
（2） 反射波。当传播的电磁波入射到一个尺寸比电磁波波长 大得多的物体时，电磁波就会发生反射。 反射主要来自于地表面、 建筑物和墙壁。 反射波传播的信号强度次之。
Ri
e
ji
2
（5.2-3）
式中，Ri和Δφi分别为第i条路径的反射系数和相位差。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 4. 快衰落信号的统计特性
1)
在多径传播信道中，若多条路径彼此独立，且没有一条路径
的信号占支配地位，即没有视距传播的直射波，只有多个反射波
或散射波，
(Rayleigh)分布，
故此多径衰落也称为瑞利衰落。 假设基站发射信号为
传播损耗和阴影衰落主要影响无线区的覆盖，通过合理设计 可以消除这种不利的影响。而多径衰落将严重影响信号的传输质 量，是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 5.1.3
在无线移动通信环境中， 存在各种干扰。按干扰产生的来源 来分， 可以分为自然干扰和人为干扰。 自然干扰主要包括：
2Gr
4π
，λ为工作波长；Gt、Gr分别为发射天线和接收
天线的增益；d为发射天线与接收天线之间的距离。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
自由空间的传播损耗L定义为
L Pt Pr
（5.1-2）
在式(5.1-1)中， 若Gt=Gr=1， 则自由空间的传播损耗为
L
4πd
Hale Waihona Puke 2（5.1-3）第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 若以分贝(dB)表示，则有
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
与前面介绍的加性高斯白噪声（AWGN）信道相比， 无线信道 非常复杂。涉及的信道参量较多， 例如无线信道与传输频率有关， 频率范围包括中波、 短波、 超短波、 微波等；无线信道的时变 性； 发射机和接收机的位置； 移动台的移动速度； 发射天线和 接收天线的数目、性能和空间指向等。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 （3） 绕射波。当移动台和基站之间的无线电磁波被一个具 有明显不规则性物体的表面阻塞时，电磁波就会发生绕射， 即 使电磁波绕过障阻物传播。绕射波的信号强度与反射波的相当。
（4） 散射波。当电磁波在传播过程中遇到一些尺寸小于电 磁波波长的物体时，电磁波就会发生散射。例如植物、 街道路 标和路灯等都会引起散射。 散射波传播的信号强度最弱。
无线通信是基于电磁波在空间传播来实现信息传输的。无线 信道的电波传播特性与电波传播的环境密切相关。电波传播环境 主要包括：地形地貌、 各种建筑物、气象气候、电磁干扰情况、 移动体的运动速度和工作频段等，它们直接关系到： ① 采用什 么样的无线传输技术； ② 无线通信系统的通信能力； ③ 无线 通信的传输质量； ④ 无线通信的业务等。
5.2.2 多径衰落
1. 多径衰落
由于地面和周围建筑物的反射，发射信号通常以不同的路径 到达接收天线，称这些到达波为多径波。 由于电波通过各个路径 的距离不同，因而从各个路径来的反射波到达时间不同，相位也 不同。不同相位的多个信号在接收端叠加， 同相叠加导致信号增 强，反向叠加导致信号减弱。 这样，叠加后的接收信号的幅度将 急剧变化，引起信号畸变，即产生了衰落。 由于这种衰落是由多 径传播引起的， 因而称为多径衰落。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
由于路径损耗和衰落的影响，使接收到的信号要比发射的信 号弱得多。路径损耗主要是由平方律扩展、水气和叶群的吸收、 地面反射等引起的， 它与移动台到基站的距离有关。 对快速移 动的移动台而言， 平均路径损耗变化非常慢， 信号的变化主要 表现为衰落。衰落决定了移动通信无线信道的特征， 因此， 无 线移动信道常称为衰落信道。
令
Φi
2π
v t c osi
i
N
N
x ai cosΦi xi
i 1
i 1
N
N
y ai sin Φi yi
i 1
i 1
由式(5.2-8)和式(5.2-9)可得
s(t) (x jy)e j(ct0 )
（5.2-9） （5.2-10）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
对于大量独立路径的多径传播，x和y均为大量独立随机变量 之和，根据中心极限定理可知，x和y分别独立地服从正态或高斯 分布， 即
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
2.
在无线移动信道中，存在以下三种最重要的多径衰落效应： ① 信号强度在一段很小的传播时间间隔内快速变化； ② 多径传 播在时域上引起信号的时延扩展， 造成信号波形的展宽， 导致 严重的码间串扰；③ 当信号带宽大于多径信道的“带宽”(相干 带宽)时就会发生频率选择性衰落； ④ 不同路径信号的多普勒频 移的变化(多普勒效应)引起的频率调制， 在频域上引起频谱扩展， 使接收信号产生多普勒频率扩展， 从而产生时间选择性衰落。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
在无线移动通信信道中，移动台的运动与周围物体(散射体) 的运动对接收信号的影响是一致的。 若移动台与周围的物体之间 存在相对运动， 则接收信号包络将会有起伏变化。由于运动中移 动台附近的地物反射或散射作用， 多径信号可能会使接收场强产 生快速、大幅度的变化， 即多径快衰落。 三种多径快衰落是： 频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。
L(dB)=32.45+20 lgf+20lgd
(5.1-4)
式中，f为工作频率 (MHz)；d为接收天线与发射天线之间的距离 (km)。电波的自由空间传播损耗与距离的平方成正比。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
5.2 衰 落 信 道
5.2.1 阴影衰落 阴影衰落是长期衰落(大尺度衰落)，是电磁波在传播过程中
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
5.1.2 无线移动信道
无线移动信道是一种电波传播环境更为复杂的无线信道。 通常， 可将其传播环境分为：① 高楼林立的城市中心繁华区； ② 以一般建筑物为主的近郊中小城镇区；③ 以湖泊、山丘、 平原为主的农村及远郊区等。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
无线移动信道对无线电信号(简称信号)的影响主要有以下三 类： ① 传播损耗，即自由空间的路径损耗； ② 阴影衰落， 由传播环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电波的阻塞或 遮蔽而引起的慢衰落； ③ 多径衰落， 由移动传播环境中的多 径传播而引起的快衰落。多径衰落是无线移动信道特性中最具特 色的部分， 也是最重要的特征。
f (x) f (y)
1
e-
x2
2
2 x
2π x
1
e-
y2
2
2 y
2π y
（5.2-11）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
遇到地形地伏、建筑物、高大的树林等障碍物的阻挡，在这些障 碍物的后面所产生的电磁场的阴影效应。 即移动台在移动中通过 不同障碍物的阴影区时，接收信号的电平会发生缓慢的起伏变化， 从而引起慢衰落，即阴影衰落。阴影衰落的特点是衰落与无线电 传播地形和地物的分布、 距离和高度等有关。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
5.1 无线移动通信信道 5.2 衰落信道 5.3 抗衰落技术概述 5.4 分集技术 5.5 Rake接收 5.6 空时编码技术 5.7 衰落数字信号的最佳接收 习题
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
5.1 无线移动通信信道
5.1.1 无线信道
2π
vtcosi
j(ct 0 )
i
i
（5.2-7）
假定发射信号有N条反射或散射路径到接收天线，这些多径波 的幅度和到达接收天线的方向角是随机的和统计独立的，于是移动 台接收的合成信号为
s(t)
N
si (t)
N
a e e j
2π
vtcosi
i
jct0
i
i1
i1
（5.2-8）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 3.
在移动通信中，多径传播方式除直射波和地面反射波以外， 还存在散射波、折射波和绕射波等。但由于无线电波主要是以地 波反射形式传播的，因此主要考虑直射波和地面反射波传播。 图 5-1 是一个多径传播模型，其中A为发射天线；B为接收天线； ht和hr分别表示发射天线和接收天线离地面的高度；AB为直射波路 径；ACB为反射波路径。由于大多数情况下可以忽略建筑物反射波 的影响，因此在接收天线B处两条路径的接收信号功率为
2πd
其中，Δd=(AC+CB)-AB。
（5.2-2）
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
A(基站 )
直射波
建筑 物 反射 波
B(移动 台)
ht
反射波
hr
1
2
C
图 5-1 多径传播模型
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术
对于N条路径，在接收天线B处的接收信号功率为
Pr
Pt
4πd
2
Gt
Gr
1
N 1 i1
（1） 接收机内部噪声。
（2） 外部噪声， 包括自然噪声和人为噪声。其中，汽车运输 噪声是城市噪声的主要来源之一。汽车密度越大，来源于汽车发 动机点火系统的电磁辐射就越强。
（3） 同频干扰。
第 5 章 衰落信道与抗衰落技术 （4） 邻道干扰， 例如发射机的旁瓣辐射等。 （5） 发射机的互调干扰和接收机的互调干扰。 （6） 数字传输系统的码间串扰。 （7） 多址干扰。
所谓自由空间是指在理想的、均匀的、各向同性的介质中传
播，电波传播不存在反射、 折射、 绕射、散射和吸收现象，只
存在由电磁波能量扩散而引起的传播损耗。 在自由空间中，假
设发射点处信号的发射功率为Pt，以球面波辐射； 接收点处的 信号功率为Pr，则有
Pr
Ar 4πd 2
PtGt
（5.1-1）
式中， Ar