无线电波传播特性

2
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4. 多径传播对数字传输的影响 （时域角度）
4.1 时延扩展 4.2 相关带宽 4.3 多普勒频展FD 4.4 相关时间 4.5 衰落信道的类型
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4.1 时延扩展
1. 定义：在多径传播条件下，接收信号会产生时 延扩展，或称时延散布。 时延扩展可以直观理解为一串接收脉冲中，最大 传输时延和最小传输时延的差值，记为△。
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4.4 相干时间

多普勒频展的倒数定义为相干时间TC
1 9 TC FD 16f m
物理意义：相干时间是表征时变信道对信 号的衰落节拍。
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4.5 衰落信道的类型
按多径时延扩展分
平衰落
(1)信号带宽BW< 信道带宽BW (2)时延扩展 ” < 码元周期T
频率选择性衰落
(1)信号带宽BW > 信道带宽BW (2)时延扩展 ” > 码元周期T
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按多普勒频展分
快衰落
(1)多普勒频展大 (2)相干时间 < 码元时间 (3) 信道变化快于基带信号变化
慢衰落
(1)多普勒频展小 (2)相干时间 > 码元时间 (3) 信道变化慢于基带信号变化
2.1 什么叫自由空间 2.2 自由空间基本传输损耗： 2.3 功率通量密度Pd的定义 2.4 自由空间某点接收功率
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2.1 什么叫自由空间
自由空间是满足下列条件的一种理想空 间： 均匀无损耗的无限大空间 各向同性 电导率为0，相对介电常数和相对磁导率
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E W Pt Gt EIRP E W Pd ( ( 2) 2) 2 2 m m 120 4d 4d
2
18
2
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2.4 自由空间某点接收功率
用电场表示为：
Pt Gt Gr 2 Pr (d ) Pd Ae Ae (W ) 2 2 120 (4 ) d E
Pr (d ) EIRP LM Gr
60dBm 164.47 0
105dBm
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6.2 艾格里模型
LM 117 20 lg f 20 lg(h1 h2 ) 40 lg d
62
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7. 多径传播的仿真
7.1 仿真方法 7.2 平坦衰落的仿真数学模型 7.3 频率选择性衰落模型
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3.4 多径接收信号的统计特性
瑞利分布 莱斯分布
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瑞利分布
1 接收信号幅度： Pr ( ) 2
2 r 2 P ( r ) e 接收信号相位： r 2 r2
接收信号包络r的累积分布函数： m 1 E r r Pr ( r ) dr 1 . 253 0
LM 69.55 26.16 lg(900) 13.82 lg(100) [8.742] [44.9 6.55 lg(100) lg(50)]
69.55 77.28 27.64 8.742 [31.8] 1.698
164.47dB
(2) 接收功率
2 2 s
33
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莱斯分布概率密度函数曲线
34
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3.5 衰落率
衰落率是信号包络衰落的速率 平均衰落率可表示为：
A 1.85 10 v f
35
3
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3.6 电平通过率
信号包络在单位时间内以正斜率通过某一 规定电平R的平均次数叫电平通过率。
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5. 阴影衰落 （慢衰落）
5.1 概念 5.2 统计特性
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5.1 概念
移动台在运动中通过不同障碍物的阴影 时，就构成接收天线处场强中值的变化， 从而引起衰落，这种衰落称为阴影衰落。 因其变化速率较缓慢，所以又叫慢衰落。
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5.2 统计特性
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解：
(1) 先求中值路径损耗
LM 69.55 26.16 lg( f ) 13.82 lg(hb ) a (hm ) [44.9 6.55 lg(hb ) lg(d )]
a ( hm ) 3.2 [lg(11.75 10 m)] 2 4.97 8.742
a ( hm ) 3.2 [lg(11.75 2)] 2 4.97 1.045
中值路径损耗为： LM 69 .55 26.16 lg(900) 13.82 lg(40) 1.045 [44.9 6.55 lg(40) lg(15)]
164 .1( dB )
• 一阶矩 • 二阶矩
m 2 E r 2 r 2 Pr ( r ) dr 2
0


2
31
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瑞利分布概率密度函数曲线
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莱斯分布
接收信号中有较强直射波时，接收信号幅 度服从莱斯分布：
r r rrs r Pr (r ) 2 exp( )I 0 ( 3 ) 2 2
2
式中Ae是天线的有效面积
2 Gr Ae 4
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3.1 什么叫多径衰落
多径传播的信号到达接收端时，有时同相 迭加而幅度增强，有时反相迭加而减弱， 即产生了衰落。这种由多径现象引起的衰 落，叫多径衰落
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多径衰落的描述
信号的多径衰落可以从两个方面来描述和 测量：
• 空域：幅度衰落变化 • 时域：时延扩展
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3.2 两径传播模型
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接收端电场强度：
2 E0 d 0 2ht hr k V ETOT (d ) 2 m d d d
接收点功率：
Gr 2 Pr (d ) Ae 120 120 4 E E
40
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2. 定量描述:
时延谱 平均时延扩展 均方根时延扩展 最大多径时延差
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1) 时延谱
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2) 平均时延扩展
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3) 均方根时延扩展
式中：
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4) 最大多径时延差Tm
归一化的包络特征曲线P(Ä )下降到-20dB处 所对应的时差。
上式可表示为：
Ls Lbs Gt Gr
Lbs 32.45 20 lg f ( MHz ) 20 lg d ( Km )
Lbs定义为自由空间路径损耗
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2.3 功率通量密度Pd的定义
该图表明在自由空间中从一 个全向点源发出的功率通量 密度情况。
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7.1 仿真方法
多径传播信道的仿真方法有两种：
1）硬件方法：用硬件实现信道的数学模型，然 后进行参数测试。 2）软件方法：用程序来实现信道模型。 一般令： 移动信道传输函数 冲击响应 H(f,t) 信道 h(Ä ,t) 通信与信息工程学院
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7.2 平坦衰落的仿真数学模型
多径
3
时变 衰落
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2) 无线信道的研究方法
理论分析 实测法 模拟法
4
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3) 无线信道的研究目的
最终要解决： 无线信号在移动信道中可能发生的变化及 发生变化的原因，从而找出措施来克服这 些不利影响。
5
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1.2 陆地移动无线电波传播特点
45
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4.2 相关带宽
两个信号包络相关系数等于0.5时所对应 的频率间隔称为相关带宽BC
1 BC 5
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例题：
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4.3 多普勒频展FD
由于移动台的运动，接收信号会在收端产生多普勒频 移。在多径的情况下，这种频移会成为多普勒频率扩 展。
24
2
Байду номын сангаас
2
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3.3 多普勒频移
移动台在运动中通信时，接收信号频率会 发生变化。这种现象叫多普勒效应。 由多普勒效应所引起的附加频移称为多普 勒频移（Dopple Shift）。
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• 阴影效应 • 远近效应 • 多径效应 • 多普勒效应
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1.3 地形环境分类
地形特征定义 地形分类 传播环境分类
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1）地形特征定义
地形波动高度” h
沿通信方向，距接收地点10公里范围内，10％高 度线与90％高度线之高度差
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天线有效高度hb
移动台天线 基站天线：沿电波传播方向，距基站3～15公里范围 内平均地面高度以上的天线高度。
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2）地形分类
准平坦地形
不规则地形
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3）传播环境分类
开阔地区 郊区 中小城市地区 大城市地区
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2. 自由空间传播
a(hm)为移动台天线修正因子：
a ( hm ) 3.2[lg(11.75hm )] 4.97
2
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例题：
设基站天线高度为40m，发射频率900MHz，移动台天线高 度2m，通信距离15km，求中值路径损耗。 解：因是大城市，工作频率>450MHz。所以移动台天线修正 因子用上式计算。
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可推导得电平通过率为：
N R 2 f m e
¡ 为电平归一化比值

R R 2 Rrms
2
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3.7 衰落持续时间Ä R
信号包络低于某个给定电平值的概率与该 电平所对应的电平通过率之比叫平均衰落 持续时间。
P(r R) e 1 R NR f m 2
近似服从对数正态分布
P( x) ( x m) 2 exp[ ] 2 2 2 2 1
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6. 电波传播路径损耗预测
6.1 奥村模型 6.2 艾格里模型
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6.1 奥村模型
1）路径中值损耗的经验公式：
LM 69.55 26.16 lg( f ) 13.82 lg(hb ) a (hm ) [44.9 6.55 lg(hb ) lg(d )]
1.2.1 移动信道的3个主要特点 传播的开放性 接收环境的复杂性 通信用户的随机移动性
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1.2.2 无线电信号在移动信道中受到的 3类损耗和4种效应 3种不同层次的损耗
• 自由空间路径传播损耗 • 慢衰落损耗 • 快衰落损耗
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4种主要效应
无线电波传播特性
陈惠民 教授
2006年3月27日
上海大学通信与信息工程学院
1
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1. 引言
1.1 概述 无线信道研究的重要性 无线信道的研究方法 无线信道的研究目的 1.2 陆地移动无线电波传播特点 1.3 地形环境分类
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无线信道研究的重要性
无线电波传播特性直接关系到 通信设备的性能， 天线高度的确定， 通信距离的估算
2.2 自由空间基本传输损耗：
2 ) gt gr 接收信号功率： Pr Pt ( 4d
Pt 4d 2 1 L ( ) 传输损耗： s P gt gr r
32 . 45 20 lg f ( MHz ) 20 lg d ( Km ) 10 lg( g t g r )
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2）移动台接收信号功率计算：
根据已得出的中值路径损耗，可求出移动 台接收到的信号功率为：
Pr Pt LM Gb G m Lb Lm Ld
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例题：
(1) 用奥村模型求中值路径损耗，已知d=50km, f=900MHz, 基站天线高度为100m, 移动台 为10m. (2) 如果基站发射1KW EIRP功率，求接收机收到的 信号功率（假定接收天线增益为0dB）。