第6章(6.16.1.1)衰落多径信道上的数字信号传输
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第6章 衰落多径信道上的数字信号传输
引言:着重讨论陆地移动通信中的信道及数字信号传输问题 本章内容:
6.1移动无线信道(课本14.1和14.2节)
6.2 在频率非选择性慢衰落信道上二进制数字信号传输
(14.3节)
6.3 多径衰落信道的分集技术(课本14.4节)
6.4 在频率选择性慢衰落信道中数字信号传输(课本14.5节)
6.1移动无线信道
本节讨论:
1. 移动无线信道的特性(6.1.1)
2. 信道的数学描述(6.1.2)
3. 信道的分类(6.1.3)
4. 移动信道的模型(6.1.4)
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6.1.1 移动无线信道的特性(物理信道) 引言:
1.物理描述— ?侧重于定性、概念性描述
?侧重于说明信道对信号传输的影响(衰落) 2.移动通信媒质(电磁波传播环境)
移动无线通信所传送的信息是通过电磁波承载在空中传播来实现的。
电磁波传播的途径就是无线信道,这种信道是一种开放性信道。
电磁波的传播特性就决定了无线信道的特性。
而电磁波的传播特性与电磁波的传播机制有密切关系。
1. 电磁波的传播机制
?最简单的情况,自由空间传播,即视距传播。这是一种直射的传播机制。
例:卫星通信系统和微波通信系统的无线视距链路中。
2d 电磁波在自由空间中。 传播路径损耗,2f
根据自由空间的路径损耗可以对视距无线链路进行
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
。
?移动通信系统中电磁波的传播环境(或通信媒质)比较复杂:
基站天线:30,100米,移动台天线 1,4米
通信媒质:大气,地形,自然物,建筑物,天气等
在移动通信系统中,电磁波的传播会遇到各种障碍物,同时移动台运动过程中电磁波的传播环境也在不断变化。
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因此,在移动通信系统中,电磁波的传播机制通常不是自由空间的视距传播~而是反射(reflection)、绕射(diffraction)和散射(scattering)等三种基本的传播机制。
反射—当电磁波传播时遇到尺寸比波长大得多的物体
表
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面时,会发,
生反射
现象。如地球表面、建筑物和墙壁表面都绘引起电磁波的反射。 绕射—当发射天线与接收天线之间存在密度比较大且尺寸比波长,大的物体,
就会在阻挡物的后面产生次级波,也就是说电磁波“绕过”障碍物继续
传播,这种现象称为绕射。当收发两端天线不存在视距路径(被障碍物
遮挡)时,电磁波通过绕射仍能到达接收机。
散射—当电磁波传播时遇到大的粗糙的表面,或尺寸与波长相当的物体表面 ,
时,电磁波的能量会发生散射或向各个方向反射。例如,引起电磁波
散射的物体有路灯、街道路标、树叶等。
2. 衰落的类型
由以上对电磁波的传播机制分析可知:
电磁波从发射天线到接收天线可通过直射,反射,绕射,散射,等多条路径。
电磁波传播特性除了在自由空间中基本的传播特性外,电磁波的传播受到周围复杂而变化环境的影响。也就是说,电磁波的传播环境具
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 209 有复杂性、时变性和随机性,这就决定了电磁波的传播特性(无线信道的特性)是复杂的并且随机时变的,它属于变参信道。由于该信道具有多径和衰落的特点,故又称为多径衰落信道(Multipath Fading)。
通常采用理论上的统计方法与实验测试相结合来建立无线信道的数学模型。然后根据信道的模型来对移动无线通信系统进行理论研究、系统设计和性能分析。
观察一移动台接收信号场强的测试记录(假如发射单音),如图所示。
r(x) dB或 r(t)m(t)
或 tx x=vt
接收信号电平可以表示为
()()()rtmtrt,0 或 ()()()rxmxrx,0
式中, 为称为大尺度(Large-scale)衰落分量(有时称为局m(t)
部均值,或长期衰落,几十米,),
r(t) 称为小尺度(small-scale)衰落分量(或短期衰落)(几0
米),信号处理(均衡、检测、估计)研究所依据的是小尺度衰落,一两秒时间持续。
x表示移动台的位移,v表示移动台运动的速度。
可见,移动无线信道的衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落两种类型。
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 210
衰落的特性与电磁波的传播环境和三种基本的传播机制都有密切的关系。
在移动无线系统中:
, 大尺度衰落与宏观环境及其变化密切相关,它随时间(或位移)而缓慢
变化;
, 小尺度衰落与微观环境及其变化密切相关,它随时间(或位移)快速变
化。
下面讨论: 1)大尺度衰落(或慢衰落,),本节介绍
2)小尺度衰落(或快衰落,)—后续小节重点分析
3)噪声与干扰,本节介绍
3. 大尺度衰落
大尺度衰落可以由传播路径损耗(可称为大尺度路径损耗)来描述,
包括:平均路径损耗和阴影。
对平均路径损耗影响有两个主要因素:
一是基本因素,如电磁波的工作频率(f),发射和接收天线的高度
hh(和) ,收发两天线之间的距离(d)等。 tr
二是环境因素(主要是环境的类型),与传播路径的宏观环境有关。
宏观环境对电磁波传播路径损耗的影响称为阴影效应。
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 211 宏观环境包括:
, 自然环境(开阔区,平地,丘陵,山地等地形形状以及天气状
况);
, 人为环境(乡村,准郊区,郊区,城区,建筑物,树木等)。
非自由空间的环境因素使得传播路径损耗变大,与距离d的
nn次方成正比,n为路径损耗指数,它与环境的类型有关,取(d)
n,2~6值范围是。
例如:
n,2 自由空间,
n,2.6~3.5 市区蜂窝,
n,3~5 市区蜂窝阴影,
n,4~6 被建筑物阻挡。
在移动无线通信中,发送与接收天线之间电磁波传播路径经常遇到大的障碍物(如高楼、树木、山丘等),阴影效应是很明显的。 阴影shadowing表示在相同距离条件下,不同位置周围环境的
差异引起的路径损耗的偏差。由于环境差异的随机性,因此路径损
耗偏差是一个随机变量。
通过大量的测试和统计分析表明大尺度衰落是一个随机过m(t)
程,任一时刻的幅度m是个服从对数正态分布随机变量。
X,lnm若定义新的随机变量,则其概率密度函数为
221,,()/2x,,pxex,,,,, () , (-)
,,2
,随机变量X是表示大尺度衰落的路径损耗,均值为平均路径损耗,
dB,为路径损耗的
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
偏差,它们都以为单位。对于典型的蜂窝环
dB,境,的取值范围是5,12。
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 212
现在已经建立了考虑大尺度衰落各种影响因素的平均路径损耗模型。例如,在大城市使用的哈塔(Hata)模型,其平均路径损耗可以表示为
,(dB)69.5526.16log13.82log()(44.96.55log)log,,,,,,fhahhdrtt
(14-1-29)
式中, f 是以MHz为单位的工作频率(150 < f <1500MHz),
是以米(m)为单位的发射天线高度(m), h30,h,200tt
是以m为单位的接收天线高度(m), 1,h,10htr
d是以公里(km)为单位的发射机与接收机之间的距离
1,d,20(km)。
是移动天线的修正因子,其数值与环境有关,对大城市为a(h)r
2 ahhf()3.2(log11.75)4.97, 400MHz,,,rr
因此,大尺度衰落是由无线信道的阴影效应引起的,并服从对数正态分布。
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 213 4. 小尺度衰落
小尺度衰落与电磁波传播的微观环境有关:
电磁波从发射天线到接收天线可通过反射,绕射和散射等多种方式和多条路径到达,而且移动无线终端的运动造成微观环境的快速变化,每条路径达到的信号的幅度和时延(或时延产生的附加相移)都随时间而快速随机变化,合成的接收信号包络快速衰落以及频率发生偏移。
这种微观环境对接收信号的影响称为移动无线信道的多径效应和多普勒效应。
小尺度衰落又称为多径衰落或散射衰落等。
相对比较而言,大尺度衰落是慢衰落,而小尺度衰落是快衰落。而小尺度衰落是由移动无线信道的多径效应和多普勒效应引起的。
通常以接收信号的统计特性来描述小尺度衰落。研究表明,接收信号的包络服从瑞利分布,相位服从均匀分布。我们将在后面对此进行详细分析讨论。
小结:
衰落 传播环境因素影响 统计描述
传播路径损耗服从对数正态分布 大尺度衰落宏观环境及其变化 均值:平均路径损耗(基本因素、环境因素) (阴影效应) 标准偏差:阴影
微观环境及其变化 接收信号统计特性: 小尺度衰落(多径效应和 包络服从瑞利分布 多普勒效应) 相位服从均匀分布
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 214 5. 关于小尺度衰落(快衰落)几种情况的分析
,引出“多普勒频率(移)”和“衰落频率”的概念 ffdD
设射频频率为,移动台以速度运动 f,t
1)移动台周围无散射体( 单径传播LOS)
x,,t
射射,射
(射射)ft
stAjftx()exp(2cos,,,,, 接收信号(复) ,,rt
式中, 为射频电磁波传播方向上,单位距离移动引起的接收,,2,,
信号相位变化
, 为射频电磁波传播方向与移动台位移方向之间夹角
为在位移方向的附加相移 ,xcos,
,,,则 ,,StAjftAjfftr()exp2(cos)exp2(),,,,,,,ttD,,,,,,,
,f,cos,令 多普勒频移Doppler shift D,
f物理意义:由接收机与媒质相对运动引起的接收信号射频的附加频D
率偏移。
f,f,f 接收信号频率: rtD
sr(t),Af,0 接收信号包络: (恒包络,无衰落现象),所以 d
,,f,cos,,D 因此,在周围无散射物体情况下 ,,
,,f0d,
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 215
2)有一个正面散射体
Sr1(t)Sr2(t)
反射
,
ststst()()(),,rrr12
其中由基站发射波而来, st(),,,,,0,fDr1
0其中由基站反射波而来, st(),,,,,,180,fr2D
vjfvtjfvtjft2()2()2,,,,,,,ttt()2cos(2),,,, 所以, stAeAeAter,两波合成结果为一驻波
,stAt()2cos(2),的包络: st(),rr,
其中, f,,, 衰落频率:表示接收信号包络变化频率 d
, 在这种情况下:?ff, ,合成 f,0 ?f,,,,在一个内衰减2次 Drtd
,1,23)两个电波从两个不同方向(和)到达移动台
,
,1,2
接收合成波:
,,jftjft2(cos)2(cos),,,,,,tt12stAA(),,,, ,,eer
,,jft2[(coscos)/2]t,,,,,12, ,,2cos[2(coscos)]At,,,12e2,
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 216
,,,则 stAtr()2cos2(coscos),,,,,12,,,,,
, 故 接收信号:? ; f,,(coscos)/2st(),,,,D12r,
, ? ; f,,(coscos)ff,,,d12Dd2,
讨论: 特殊情况下
,,,f,cos,,,D,1,,2,, a)两波同方向() 则与第1)种情况相同 ,,,
,,f,0d,,
0 b) 两波反方向() ,,,,,,0,180121
f,0,D, fd取决于,1,,,1,,當,,0,,,,,,,,,1max,ddfff,,,cosd,,,,
,jt2cos,,1jft2,t, 此时 StAee(),r
用复信号形式(指数函数)表示包络,并将因子2归一化。
4)接收N个反射波,无直射波,且(0,2,)方向上N个波均匀分布(均匀散射环境Isotropic Scattering),等概率到达,则
N
接收信号, StSt()(),,rri,1i
,N2ijt2cos,,tjft2,,所以, StAee(),, r,,i1
,N2ijt2cos,,,StAe(), r,,i1
《数字通信》辅导材料 第6章 衰落多径信道上的数字信号传输 217
S(t)可看作由(N/2)对方向相反的合成波相加 r
其中,N/2个 ,,,,,,,,,,,iN11/2
其余 N/2个 ,,,,,,,i,,,,,,,(),(),,()12/2N
故接收信号包络的衰落频率由N/2个衰落频率为合成波Sr(t)fdi
所决定
, f,cos ,dii,
显然, ;而 f,,,,, (0)當if,0maxDd
小结:衰落频率与多普勒频率(移)的区别
1)多普勒频率(移),表示接收信号频率相对射频频率的偏fDfrft移
衰落频率 ,表示接收包络变化的频率 fd
,f,cos 2)表达式: ,D,
,f,cos1 , 一般情况下,不同于 f,fddD,
(两个方向相反波时,f才与表达式相同) fdD三、噪声与干扰
噪声:自然噪声(热噪声,大气噪声,宇宙噪声),人为噪声
干扰:同频道及邻频道干扰,互调干扰,近端,远端比干扰
“互调干扰”—多个频率通过非线性器件(如功放,限幅器等)产
生的非线性产物。
“近端,远端比干扰”—两个移动台离基站远近不同,造成基站
接收该两台的信号强弱不同而引起的干扰。
在数字移动无线通信系统中,还存在多址干扰、子信道间干扰
等。
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