2.2移动信道的特征

Байду номын сангаас
情况下，我们要求信号的传输速率必须远 小于1/Δ的间隔，以避免码间干扰。最后应 指出，多径时散和发射频率无关，因而两 者可分别进行考虑。
2．相关带宽
从频域的观点上看，多径时散现象将导 致信道对不同频率成分有不同的响应，即频 率选择性衰落。若信号带宽过大，就会引起 严重的失真。这是因为，频率相邻的两个衰 落信号，
Bc 1 8
工程上对于不同的调制系统，具体的相关 带宽计算可用下方法： 调幅系统，且振幅相关为0.5时：
Bc 1 2
（式2-32）
调频或调相系统，且相位相关为0.5时：
Bc 1 4
（式2-33）
式2-32和式2-33取平均就可得式2-31。如果 调制方式未知，通常可用式2-31。
通过计算和大量的实测表明，多径效 应使接收信号包络变化接近瑞利分布。一 般情况下，衰落深度还与地形地物有关， 可达10~30dB。而衰落速率（单位时间内 发生衰落的次数）还与移动台移动速度及 工作频率有关，例如移动速度为40km/h， 频率400MHz，衰落速率约每秒30~40次。
2.2.4 慢衰落特性和衰落储备
表2-1 接收信号中值场强随位置分布和时间分布的标准偏差 工作 σ L（dB） 频率 准平坦 MHZ 地形 σ 不规则地形
ξ
（dB） 50 100 150
城市 郊区 Δ h （m） 50 50 8 150 9 300 10
d （ km ） 陆
2
5
7
150
3.5 ～ 5.5
6
4～ 7
7.5
9
11
13
s(t ) a0 ai (t i ) e
i 1
N
jwt
E (t ) e
jwt
（式2-28）
该式表示了到达移动接收机的信号是频率为ω 的离散脉冲串，如图2-12（a）所示；随着移动台周 围散射体数目的增多，接收到的离散脉冲串相互重 叠结果变成了一个脉冲长度为τ的连续脉冲信号，这 就发生了多径时散，如图2-12（b）所示。这种多径 时散就是造成码间干扰的主要原因。为了防止在瑞 利衰落环境下产生码间干扰，就要求发射信号速率 远小于1/Δ的间隔。
p( )
1 2
2


o
re

r2 2 2
1 dr 2
0 2
（式2-26）
设信号包络μ的概率密度为f（μ），则：
f ( ) exp( ) 2 2
2 2
( 0, 0)
（式2-27）
f（μ）与μ/σ的关系如图2-11所示。
图2-11 瑞利分布的概率密度
图2-12 多径时散示意图
衰落环境下产生码间干扰，就要求发射 信号速率远小于1/Δ的间隔。 图2-12中多径时散的平均延时时间d和 标准方差可表示如下（式2-29）和（式230）：
d tE (t )dt
0

（式2-29） （式2-30）
t E (t )dt d2
2 2 0
由于移动天线低，最多不超过3m，故地形起 伏和建筑物对电波阻挡、屏蔽的影响不可忽视。 大量统计数据表明：当信号电平发生快衰落的同 时，其局部中值电平还随时间、地点以及移动台 速度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计， 故称这种衰落为慢衰落或地形阴影衰落。这种衰 落的规律服从对数正态分布，即以分贝数表示的 信号电平为正态分布。分布的标准偏差随地形波 动的高度和频率变化而变化。用σL、σξ分别表示 接收信号中值场强随位置分布和时间分布的标准 偏差，见表2-1，表中d为收发间距离，单位为km。
2.2.5 多径时散与相关带宽 1．多径时散
多径效应在时域上将造成数字信号波形的 展宽。假设基站发射一个脉冲信号Si（t） =a0δ（t）给移动台，由于多径效应使移动台 接收到的信号实际上为一串到达时间不等的脉 冲迭加，结果数字脉冲信号波形被展宽，这称 为多径时散现象，如图2-12所示。移动台接收 到的脉冲信号为：
1.5 ～ 2.5 µs 450 ～ 750 m 5.0 ～12.0 µs 1.5 ～ 3.6 km
0.1 ～ 0.2 µs 30 ～ 600 m 0.3 ～ 7.0 µs 0.9 ～ 2.1 km 0.2 ～ 2.0 µs 0.5 µs 2.0 µs
延时扩展Δ 的范围 1.3 ～ 3.0 µs 平均延时扩展 1.3 µs
最大有效延时扩展 3.5 µs
可见，时延的大小主要取决于地物 （如高大建筑物）和地形的影响。一般情况 下，市区的时延要比郊区大，如表中市区最 大延时时间高达12μs，而郊区平均延时扩 展仅为0.5μs。也就是说，从多径时散的角 度上看，市区的传播条件更为差。另外，任 何超过2MHz的信号速率都可能引起码间干 扰，除非采用某些改进措施。这样，在移动 无线电环境下，多径衰落导致传输的码速率 降低，并使码速率随着接收机要求的比特误 码率的减小而降低。因此，在无抗多径措施 的
反射波
直射波
图2-7 几种传播路径
直射波、反射波或散射波在接收地点形 成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落, 这种衰落称为快衰落，如图2-8所示。图中， 虚线表示的是信号的局部中值，其含义是在 局部时间中，信号电平大于或小于它的时间 50%。由于移动台的不断运动，电波传播 路径上的地形、地物是不断变化的，因而局 部中值也是变化的。这种变化所造成的衰落 比多径效应所引起的快衰落要慢得多，所以 称作慢衰落。
（1）镜面反射：当无线电波投射到两种不 同媒质间的平滑分界面，并且界面线尺寸与 辐射信号波长相比相差很大的情况下，则发 生镜面反射，并服从斯涅耳定律。
（2）漫反射：当无线电波投射到粗糙表面， 且表面粗糙程度与辐射信号波长相似时，则产 生漫反射，它服从惠更斯原理。—般情况下， 漫反射无线电波的强度小于镜面反射无线电波 的强度，因为沿不平表面传播时散射了能量， 使反射无线电波沿发散路径前进。 （3）绕射：当无线电波由于地形外廓的变化， 遮避住其传播路径时，则会出现绕射。 在移动无线电通信中，仅出现镜面反射和漫反 射的情况，被认为是视距传播，而绕射则被认 为是非视距传播。

式中，Δ表示多径时散散布的程度。Δ越大， 时延扩展越严重；Δ越小，时延扩展越轻。最大 时延τmax是以强度下降30dB时测定的时延值， 如下图2-13所示。
图2-13 典型多径时延的信号包络
多径时散的参数典型范围总结如下表2-2所示： 表2-2 多径时散参数典型值
参 数 市 区 郊 区
平均延时时间 相应路径长度 最大延时时间 相应路径长度
海
9
14
20
450
11
15
18
水路 3
7
9
900
6.5
8
14
18
21
此外，还有一种随时间变化的慢衰落，它 也服从对数正态分布。这是由于大气折射率的 平缓变化，使得同一地点处所收到的信号中值 电平随时间作慢变化，这种因气象条件造成的 慢衰落其变化速度更缓慢（其衰落周期常以小 时甚至天为量级计），因此常可以忽略不计。 为了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起 的通信中断，在信道设计中，必须使信道的电 平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。 这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小 取决于地形、地物、工作频率和要求的通信可 靠性指标。通信可靠性也称为可通率，并用T表 示，它与中断率的关系是T=1-R。
2.2
移动信道的特征
• 传播路径与信号衰落 • 多普勒效应 • 多径效应与瑞利衰落 • 慢衰落特性和衰落储备 • 多径时散与相关带宽
2.2.1传播路径与信号衰落
移动无线电波传播路径损耗，主要是由 于地形、传播路径上的无线电散射体等原因 产生的，是直射加上镜面反射、漫反射和绕 射等的综合结果，如图2-7所示。
利用多径时散包络的拉普拉斯变换的归一化值， 即可得到信号的相关函数C（f）。图2-14（a） 为脉冲响应模型的理想表示，相应的带宽相关 函数值如图2-14（b）所示。
图2-14 信道脉冲响应模型
相关带宽的定义有多种，一种典型的定义为 （式2-31），其适用范围为100kHz~1MHz。 （式2-31）
入射波的方向运动，则频移为负，即接收频 率降低。因此，信号经不同方向传播，其多 径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而 增加了信号带宽。
图2-9 多普勒效应示意图
2.2.3 多径效应与瑞利衰落 从发射机到接收机，一般均有多条不 同时延的直射或反射传输路径，这种现象 称为多径效应，如图2-10所示，这样到达 接收机的信号是来自不同传播路径的信号 之和。多径现象易造成多径衰落和脉冲展 宽（也称多径时散，见2.2.5节）等。
图2-8 典型信号衰落特性
2.2.2 多普勒效应
假设移动台以恒定的速率移动时，会 接收到来自远方信号源发出的信号电波， 并设信号电波与移动台运动方向的夹角为， 如图2-9所示，则频移值可表示为（式224）：
f cos
（式2-24）
若移动台朝向入射波的方向运动，则频 移为正，即接收频率升高；反之，若移动台 逆向
由于存在不同的时间延迟，将导致这两个信 号相关。允许这一条件成立的频率间隔取决 于多径时散Δ，这种频率间隙就称为“相干” 或“相关”带宽Bc。 用来描述延时扩展包络的模型包含两部 分，“脉冲响应”和“衰减指数响应”，前 者对应于接收到的反射能量，后者对应于接 收到的散射能量。假定起始的脉冲是沿着一 条非飘移路径无失真地到达接收点，而衰减 部分是沿大量散射路径到达，因此，具有有 限的相关带宽。
图2-10 移动信道的传播路径
衰落一般指接收信号电平的随机起伏， 即不规则变化。多径衰落后的信号包络服 从瑞利分布，其公式描述可如下（式2-25） 和（式2-26）所示，所以多径衰落又称作 瑞利衰落。
1 2
2
p(r )