多普勒现象及车地通信中的多普勒效应
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
u v0
1 1 1 v0 / u f
f '
1 (1 v0 / u ) f t0
观察者远离波源移动
f ' (1 v0 / u) f
二 观察者不动，波源相对介质以速度vs运动
波源向着观察者移动
u vs f
b vsT (u vs )T
f '
167 208 250 292 333
333 417 500 583 667
389 486 583 681 778
从表中可看出频率越高时，频率偏移越大，并且多普勒频移对移 动通信系统的影响最大是两倍频率频移。
多普勒频移的解决方案
• 频移估计、预校准
频移校准时为了使终端基本稳定在指定频点上， 基站需采用频偏预校准方式。 终端以某基站频率f 发送信号， 基站以频点f接收经过上行高速信道的信号． 该信 号频率为(f + △ f )， 基站可以估计出频移△ f。同理，发送信号经过下行高速信 道，同样可以估计。 设计上需要提高基站侧做频偏和校准的精确程度。终端高速移动情况下． 基 站一次性做频偏估计、校准， 难度极大， 需要采用两次频偏估计、校准的方法， 即第一次频偏估计范围大、估计精度差， 能估计出2 0 0 0 H z 以上的频偏， 而第 二次频偏估计范围小、估计精度高， 能估计的频偏范围为8 0 0 H z 左右， 经过 两次频偏估计、校准后能控制在2 0 0 H z 以内。
• 观察者朝波源运动时 观察者在单位时间内接收到的完全波 的个数增多，即接收到底频率增大。
• 观察者远离波源运动时 观察者在单位时间内接收到的完全波 的个数减小，即接收到底频率减小。
• 波源朝观察者运动时 观察者感觉到波变得密集，即波长减 小，接收到底频率增大。
• 波源远离观察者运动时 观察者感觉到波变得稀疏，即波长增 大，接收到底频率增大。
v f 0 cos c
以下为几种典型频率的最大多普勒频移表（θ=0）：
速度 (km/h) 频率偏移 fd(Hz)(800M) 频率偏移 fd(Hz)(900M) 频率偏移 频率偏移 fd(Hz)(1800M) fd(Hz)(2100M)
200 250 300 350 400
148 185 222 259 296
• 例子：远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细（即频率变高，波长变 短），而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉（即频率变低，波长变 长）。
多普勒效应的成因
• 声音完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间 内完成的全振动的次数。因此，波源的频率等于单位时间内波源发出 的完全波的个数；观察者接收到的频率就是单位时间内接收到的完全 波的个数。 • 波源和观察者无相对运动时 单位时间内波源发出几个完全波，观 察者在单位时间内就接收到几个完全波， 故观察者接收到的频率等于波源的频率。
假设观察者与波源是以一相对速度v彼此远离，以波源为参 考系。设定有一波前抵达观察者处，下一个波前则距离他有 λ=c/f，既然波前移动速度为c,而观察者远离速度为v,，则在 下面时间，波与观察者会相遇：
t0
cv
1 1 1 v / c f
由于相对论中的时间展长，观察者测量到的时间会是：
t
则频率的该变量为：
f f f ' v cos f u
பைடு நூலகம்
我们称之为多普勒频移（Doppler frequency shift）。
Handover schemes and algorithms of high-speed mobile environment: A surry
多普勒频移在移动通信中的影响及解决方案
多普勒效应中观测频率的计算
假设波源 (Source) 处发射一种波，其发射频率为f，在介质中 传播的速度为u，则波长λ=u/f。观察者 (Observer)所接收到的频率 为f'，则发射频率f与接收频率f' 满足下面关系： 一 波源不动，观察者相对介质以速度v0运动
观察者向着波源移动
t0
u
b
u f u us
波源远离观察者移动
f ' u f u us
三 波源与观察者同时相对介质运动
观察者接收到波的频率为：
f ' u v0 f u us
相对论性多普勒效应
相对论性多普勒效应描述了光等高速传播速度的波 动，因为波源与观察者的相对运动关系而有的频率（及 波长）上的变化，这里考虑了狭义相对论带来的效应， 与非相对论性的多普勒效应相比，其方程中列入了狭义 相对论中的时间展长效应。
终端随着列车运动而接收到的频率与基站实际发射功率的频率有偏差，这 种现象称为多普勒频移(fd)。假设基站发射频率为 f0，终端接收频率为 f0+fd，则 基站接收频率变为 f0+2fd。如下图：
根据多普勒频移的计算公式：f d
在终端移动过程中，多普勒频移随着终端位 置的变化而变化，当终端移动方向和电磁波 传播方向相同，即θ=0时，多普勒频移最大； 完全垂直时，没有多普勒频移。
t0
1 (1 v / c) f
其中：
1 1 v2 / c2
所以相应的频率为：
1 1 v / c f ' (1 v / c) f f t 1 v / c
一种常见情形
当波源固定不变，观察者移动方向与存在一夹角θ，如图：
则观察者接收到的频率为：
f ' (1 v cos / u) f
多普勒效应
Doppler effect
• 多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学 家克里斯蒂安·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首 先提出了这一理论。
• 主要内容：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率 发生变化的现象，称为多普勒效应。如果二者相互接近，观察者接 收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。
• 采用900M频段、改进AFC算法
900M频段覆盖能力比1800M频段大，同等车速，1800M比900M多 普勒频移大一倍。 AFC是针对铁路快速移动的特点设计的基站频率校正算法，通过快 速预测由于高速带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳 定性。
1 1 1 v0 / u f
f '
1 (1 v0 / u ) f t0
观察者远离波源移动
f ' (1 v0 / u) f
二 观察者不动，波源相对介质以速度vs运动
波源向着观察者移动
u vs f
b vsT (u vs )T
f '
167 208 250 292 333
333 417 500 583 667
389 486 583 681 778
从表中可看出频率越高时，频率偏移越大，并且多普勒频移对移 动通信系统的影响最大是两倍频率频移。
多普勒频移的解决方案
• 频移估计、预校准
频移校准时为了使终端基本稳定在指定频点上， 基站需采用频偏预校准方式。 终端以某基站频率f 发送信号， 基站以频点f接收经过上行高速信道的信号． 该信 号频率为(f + △ f )， 基站可以估计出频移△ f。同理，发送信号经过下行高速信 道，同样可以估计。 设计上需要提高基站侧做频偏和校准的精确程度。终端高速移动情况下． 基 站一次性做频偏估计、校准， 难度极大， 需要采用两次频偏估计、校准的方法， 即第一次频偏估计范围大、估计精度差， 能估计出2 0 0 0 H z 以上的频偏， 而第 二次频偏估计范围小、估计精度高， 能估计的频偏范围为8 0 0 H z 左右， 经过 两次频偏估计、校准后能控制在2 0 0 H z 以内。
• 观察者朝波源运动时 观察者在单位时间内接收到的完全波 的个数增多，即接收到底频率增大。
• 观察者远离波源运动时 观察者在单位时间内接收到的完全波 的个数减小，即接收到底频率减小。
• 波源朝观察者运动时 观察者感觉到波变得密集，即波长减 小，接收到底频率增大。
• 波源远离观察者运动时 观察者感觉到波变得稀疏，即波长增 大，接收到底频率增大。
v f 0 cos c
以下为几种典型频率的最大多普勒频移表（θ=0）：
速度 (km/h) 频率偏移 fd(Hz)(800M) 频率偏移 fd(Hz)(900M) 频率偏移 频率偏移 fd(Hz)(1800M) fd(Hz)(2100M)
200 250 300 350 400
148 185 222 259 296
• 例子：远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细（即频率变高，波长变 短），而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉（即频率变低，波长变 长）。
多普勒效应的成因
• 声音完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间 内完成的全振动的次数。因此，波源的频率等于单位时间内波源发出 的完全波的个数；观察者接收到的频率就是单位时间内接收到的完全 波的个数。 • 波源和观察者无相对运动时 单位时间内波源发出几个完全波，观 察者在单位时间内就接收到几个完全波， 故观察者接收到的频率等于波源的频率。
假设观察者与波源是以一相对速度v彼此远离，以波源为参 考系。设定有一波前抵达观察者处，下一个波前则距离他有 λ=c/f，既然波前移动速度为c,而观察者远离速度为v,，则在 下面时间，波与观察者会相遇：
t0
cv
1 1 1 v / c f
由于相对论中的时间展长，观察者测量到的时间会是：
t
则频率的该变量为：
f f f ' v cos f u
பைடு நூலகம்
我们称之为多普勒频移（Doppler frequency shift）。
Handover schemes and algorithms of high-speed mobile environment: A surry
多普勒频移在移动通信中的影响及解决方案
多普勒效应中观测频率的计算
假设波源 (Source) 处发射一种波，其发射频率为f，在介质中 传播的速度为u，则波长λ=u/f。观察者 (Observer)所接收到的频率 为f'，则发射频率f与接收频率f' 满足下面关系： 一 波源不动，观察者相对介质以速度v0运动
观察者向着波源移动
t0
u
b
u f u us
波源远离观察者移动
f ' u f u us
三 波源与观察者同时相对介质运动
观察者接收到波的频率为：
f ' u v0 f u us
相对论性多普勒效应
相对论性多普勒效应描述了光等高速传播速度的波 动，因为波源与观察者的相对运动关系而有的频率（及 波长）上的变化，这里考虑了狭义相对论带来的效应， 与非相对论性的多普勒效应相比，其方程中列入了狭义 相对论中的时间展长效应。
终端随着列车运动而接收到的频率与基站实际发射功率的频率有偏差，这 种现象称为多普勒频移(fd)。假设基站发射频率为 f0，终端接收频率为 f0+fd，则 基站接收频率变为 f0+2fd。如下图：
根据多普勒频移的计算公式：f d
在终端移动过程中，多普勒频移随着终端位 置的变化而变化，当终端移动方向和电磁波 传播方向相同，即θ=0时，多普勒频移最大； 完全垂直时，没有多普勒频移。
t0
1 (1 v / c) f
其中：
1 1 v2 / c2
所以相应的频率为：
1 1 v / c f ' (1 v / c) f f t 1 v / c
一种常见情形
当波源固定不变，观察者移动方向与存在一夹角θ，如图：
则观察者接收到的频率为：
f ' (1 v cos / u) f
多普勒效应
Doppler effect
• 多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学 家克里斯蒂安·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首 先提出了这一理论。
• 主要内容：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率 发生变化的现象，称为多普勒效应。如果二者相互接近，观察者接 收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。
• 采用900M频段、改进AFC算法
900M频段覆盖能力比1800M频段大，同等车速，1800M比900M多 普勒频移大一倍。 AFC是针对铁路快速移动的特点设计的基站频率校正算法，通过快 速预测由于高速带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳 定性。