（通信与信息系统专业论文）中频信道模拟系统关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 为了评价移动通信设备的性能，通常要对其进行反复的测试。现场测试的不 可重现性和为此付出的巨大的时间、人力和物力上的浪费，自然的需要一种新的 测试方法，它可以模拟真实的无线通信信道，让通信设备在实验室中进行测试。 在射频频段进行信道模拟的真实性较高但较复杂，在基带进行的信道模拟在 复杂度降低的同时，影响了真实性。本文提出的数字化无线中频信道模拟技术就 是针对射频信道模拟与基带信道模拟各自的优缺点，从真实性和实现难度折中的 角度出发，在降低工程实现难度的同时，而又保存了模拟的真实性。 本文提出了大尺度信道模型、多径传播模型以及衰落信道数学模型在中频的 等效实现，模拟模型经过了计算机仿真，仿真结果表明，本文所提出的等效实现 方案可以真实地再现传统经典信道模型对接收信号的影响，但和射频信道模拟相 比，易于在低频段使用数字信号处理方案实现。 关键词：中频信道模拟大尺度阴影衰落多径瑞利衰落莱斯衰落 中频信道模拟系统关键技术的研究 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h eg a l l o p i n gc o m m u n i c a t i o n r e s e a r c hf i e l d s ，b u tt h eo u t d o o rt e s to fw i r e l e s sp r o t o t y p e sc o s t st o om u c ha n dc a nn o t e a s i l yr e c u rw h e nt i m eo rl o c a t o nc h a n g e s b yc o n t r a s t ，c h a n n e ls i m u l a t o ri nt h el a b c a na r t i f i c i a l l yp r o d u c er e a l i s t i cr a d i oc h a n n e le f f e c t sb ys e t t i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r s w h i l em a i n t a i n st h em o s tf a c t i c i t i e s m o d e mc h a n n e ls i m u l a t o r sa r em o s tb a s e do nb a s eb a n da n dr a d i of r e q u e n c y s i m u l a t i o n t h e o r i e s a c c o r d i n gt o t h ew e l ld e v e l o p e dr a d i o nf r e q u e n c y 限f ) s i m u l a t i o n ，t h ec o m p l e x i t yo f b a s eb a n d ( b b ) s i m u l a t i o nd e g r a d e s ，b u tu n f o r t u n a t e l y , t h ep e r f o r m a n c ed e g r a d e st o o t h ec o m p r o m i s es c h e m ep r o p o s e di nt h i sp a p e ri st o d e v e l o pan e ws i m u l a t i o nt h e o r yf o ri n t e r m e d i a tf r e q u e n c y ( i f ) w h i c hc a np e r f o r m b e t t e rt h a nb a s eb a n ds i m u l m i o nb u ts t r e t c ht h em o s tp e r f o r m a n c eo fr fs i m u l a t i o n t h ep a p e rp r o p o s e de q u i v a l e n ta l g o r i t h mf o ri n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yo ft h r e e t y p e so fw i r e l e s sc h a n n e l ：l a r g es c a l ep r o p a g a t i o n ，m u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n d f a d i n gc h a n n e l t h es i m u l m i o nr e s u l t s h o w st h a tt h e e q u i v a l e n t s i m u l a t i o n a l g o r i t h m sf o ri n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yc a ni m p a c tt h es a n l ee f f e c to nw i r e l e s ss i g n a l a st h er fs i m u l a t i o na l g o r i t h m sd ow h i t hm u c hl o w e r c o m p l e x i t y k e yw o r d s ：i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , c h a n n e l s i m u l a t i o n ，l a r g es c a l e ， s h a d o wf a d i n g ，m u l t i p a t h ，r a y l e i g hf a d i n g ，r i c ef a d i n g 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：浓晟继、 沙1 年 f 月【牛日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：季权辰够、 导师签名：翻乏芳 日期：川年多月f 归 日期：一年瑚尸日 第1 章绪论 第1 章绪论 移动通信已经成为当前通信领域中发展非常迅速的研究方向和现代化通信 强有力的手段之一。在移动通信系统的研究开发、工程设计过程中，需要对移动 通信设备进行误码性能测试。以往的移动通信设备测试主要有两种手段，一种是 信道模拟测试，一种是现场测试。 现场测试意味着使用真实的信道环境进行测试，这意味着开发者必须设计出 一套收发样机( 包括基带中频射频) ，才能在真实的信道中进行信息的发送和接 收。这不仅造成时间上、人力物力上的浪费，而且在不同的测试时间里，不可能 保持完全相同的测试条件。 信道模拟测试则是在实验室环境下，利用模拟出的信道对通信系统进行测 试，这意味着信道模拟测试在可重现性和可控制性方面，和传统的现场测试相比 有着明显的优势。 信道模拟器的关键技术，就是所模拟的信道数学模型是否真实可信，以及该 信道模型是否容易实现。 1 1 论文选题的背景和意义 1 、研究移动信道的重要性 研究和开发数字移动通信系统工程的首要工作就是认识移动信道本身的特 性，并研究无线信道所带来的一些相关特性。例如在规划和建设城市微蜂窝数字 移动通信网时，从选择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可用度 以及系统内和系统问的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对信道 及电波特性的了解。移动通信信道中的电波传播要受到频率、距离、天线高度、 地形、地物以及各种散射与反射体的电特性参数等多种因素的影响。在特定的环 境中，主要取决于频率、距离和天线高度。随着移动体种类的不同，传播环境的 变化以及使用频段的差异，移动通信的传播方式各不相同，其传播特性也不一样。 传播环境对移动信道特性起关键的作用。确定城市内某个特定区域传播环境的主 要因素包括自然地形、市区内人工建筑的数量、高度、分布等情况、天气状况、 自然的和人为的电磁噪声状况等。 城市移动信道的主要特征是多径传播。由于城市的建筑环境非常复杂，无线 中频信道模拟系统芙键技术的研究 电信号在传播过程中会遇到并种类型的散射和反射体，包括各种建筑物，纵横交 错的街道以及运动的大量行人和车辆等，这些都会引起信号能量的吸收和穿透， 以及电波的反射、散射和绕射。所以城市微蜂窝系统的无线电传输信道应看作一 种时变信道。如果移动通信系统的发射天线发出一种信号，经过移动信道传播后， 到达移动台天线的信号不是米自单一路径，而是来自许多路径的众多反射波的合 成，因此电波通过各个路径的距离和发射点的反射系数不同，所以来自各条路径 的反射波到达时间和相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同向 叠加而增强，有时反向叠加而减落。这样，接收信号在时域、频域和空域上都将 发生变化，其信号将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落就是多径衰落。 移动信道特性还受系统工作频率和移动台运动状况的影响，在相同地区当工 作频率不同时，则接收信号的衰落情况也有差异。而静止或低速游走的持机行人 所面临的移动环境与高速运动的车辆有很大的不同。 9 、研制信道模拟器的意义 为了评价移动通信设备的性能，通常要在以上提到的陆地移动环境中反复进 行长时问的现场测试。这不仅造成时间上、人力物力上的浪费，而且由于无线信 道的时变特性，在不同的测试时间里，很难保持完全相同的测试条件，从而给测 试工作带来很大的困难。为了解决这些问题，缩短研制周期，节省科研费用，在 实验室里进行移动无线信道模拟的设想很自然地被提出。 按照工作的频段的高低，目前成熟的信道模拟主要有射频信道模拟和基带信 道模拟两种。射频信道模拟一般在射频频段对信道进行模拟，真实性较高；基带 模拟就是对移动设备的基带人工施加一定的误码图样，测试接收端的恢复原始信 号的能力，复杂度低。而研究和开发无线信道模拟器的首要任务就是了解和认识 无线通信信道的特点，以及如何模拟它对无线电信号所带来的一些影响。例如， 在对瑞利衰落模拟进行研发时，必须从无线信道及无线信道的了解出发，考虑通 信系统的覆盖范围并选择合适的衰减幅度，计算移动台的移动速度所带来的多普 勒扩展程度，使用相对的低通高斯噪声对无线信号的正交两路进行平衡调制。可 以认为，对无线信道模拟技术的研究是研发无线信道模拟设备所应了解的基本问 题，是具有实用性价值和理论性价值的问题。实际上，信道模拟与电波传播已成 为许多理论分析和现场实测的课题，并已经得到了一些的结果。 3 、研究中频信道模拟的意义 然而无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，并且由于移动信道 的复杂性和抽象性，使得仍有许多待研究的课题。例如射频模拟的工作频段太高， 不易于实现，工作频段固定，不易于扩展；基带模拟的真实性低，与实际信道存 在差距等。以射频信道模拟为例，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从 2 第l 章绪论 简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道 不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极大的随机性，尤其难以在高频频段 进行模拟。甚至通信系统所使用载波频率的微小改变都会要求信道模拟做出复杂 的改变。假设存在一个多径传播信道，从无线电基站向移动台发出的无线信号， 在传播的过程中不仅受到陆地传播路径的损耗，而且受到障碍物的反射。如果在 这个信道上发射一个非常窄的脉冲( 理想的情况是一个冲激信号) ，则接收信号 将呈现一个脉冲序列。所以多径传播信道的特性就是传播信号的多径时延扩展。 多径时延扩展意味着时域的滤波，使得无线电信号的各个频率分量，随着多径到 达出现幅度大小的变化，变化的程度取决于无线电信号的带宽、接收序列脉冲数 目的多少以及延迟的大小。传统的模拟技术采用的是“磁滞延迟线”，用不同延 迟线所产生的延迟代替实际信号的时延扩展，用合路器代替信道的线性叠加效 应，这是合理的。但是，磁滞延迟线的工作频段并不是宽带的，它在一定的频带 内可以精确的模拟不同路径的延迟，如果射频频段发生变化，磁滞延迟线产生的 延迟将和预期延迟产生较大的出入。 针对射频信道模拟以及基带信道模拟的局限性，中频信道模拟有着特殊的优 势。中频频率远低于射频频率，可以有较大的频率适应范围，且中频信号也属于 载波信号，可以避免基带信道模拟的失真。 但是射频信道模拟的理论不能直接运用于中频信道模拟。同样以多径传播为 例，同样的多径传播环境对不同频率的载波产生的影响是不同的。对于频率较低 的信号，信道的时延扩展如果能够控制在比一个载波周期小很多的范围之内，那 么多径信道对其影响就很小；相对于频率较高的信号，多径传播对其幅度的影响 较大，不同路径之间相位距离很远，有的路径叠加加强，有的路径叠加减弱。举 一个很极端的例子来说，同样的多径传播环境，对零频率( 直流) 信号是完全没 有影响的，因为直流信号没有起伏，不论延迟到什么程度，信号只会叠加增强而 不会叠加衰减；而对于频率信号来说，信号波形有起伏，如果延迟刚好半个周期， 信号就会叠加减弱至零，如果延迟刚好等于一个周期，信号就会叠加增强。 应该注意到，由于中频信道模拟的工作频段并不在射频频段，不能使用传统 信道的模型。全新的中频信道模型应该是从经典射频信道模型出发，考虑信道对 不同频率无线电信号的影响，经过归纳和推导得出。 综上所述，建立移动通信系统的中频信道模型显得极其重要，同时有必要 对中频信道的相关特性及经典信道模型的相关特性进行深入的研究和分析，以揭 示中频无线信号的更为细致的规律，这对于无线通信的理论研究和工程应用都有 着十分重要的意义。 中频信道模拟系统关键技术的研究 1 2 信道模拟的国内外发展现状分析 1 、信道模拟器的发展历程和实现方法 信道建模非常复杂，但任何事物都是由简到繁，由不完善到完善，信道模拟 器的研制也是如此。早期的模拟器，常常只能复制瑞利分布路径及其路径损耗的 功率谱，而实际场合下，真正的路径损耗呈频率选择性。早期的模拟器多数没有 考虑到频率选择性，是因为在当时的试验条件下，系统的射频带宽远远小于不产 生频率选择性衰落的介质带宽。另一类信道模拟器把射频信道作为一个具有时变 抽头增益和相位的延迟线模型来做。模拟的衰落具有频率选择性。新的数字通信 技术对路径模拟器提出了更精确的要求，例如频率选择性的模拟功能就是宽带的 数字通信所必需的。更新一代的模拟器还模拟了阴影效应，以及存在直达分量的 情况。 模拟器的实现方法不尽相同。按照载波频率，信道模拟则可以分为射频信道 模拟【，中频信道模拟和基带信道模拟三种。按照所使用的器件分类，有用纯硬 件实现的，有用纯软件实现的，也有软硬件结合的；有用模拟器件的，有用d s p 电路【2 】的。而近些年来，多采用数字方法实现，特别是采用现场可编程门阵列p j ( f p g a ) 。 2 、信道模拟器发展中遇到的问题 基带模拟就是对移动设备的基带人工施加一定的误码图样，测试接收端的恢 复原始信号的能力，复杂度低，但由于基带模拟所处理的信号不是载波信号，真 实性不如射频信道模拟。射频信道模拟一般使用噪声管产生高斯噪声源模拟噪声 或使用“磁滞延迟线”模拟多径，真实性高，但比基带信号要复杂。 以多径传播信道为例，早在1 9 6 6 年，国外就进行了射频多径信道的仿真模 拟器的设计，但是由于参考模型为射频信道模型，不得不使用高频“磁滞延迟线” ( m a g n e t o s t r i c t i v ed e l a yl i n e ) ，该射频模拟系统的复杂度高，近几十年来都没有 长足的发展，多径数目也不过3 条( 其中一条是直射信道) 。在国内，1 9 9 6 年广 州通信研究所的瑞利衰落模拟别2 1 】也采用射频信道模拟，这使得该方案不得不使 用大量的分路、合路器和模拟调制器，复杂度高。大连海事大学的短波信道模拟 器1 2 j 的基本思想是射频信号模拟，使用的是数字方案的信道模拟器，所以仅适用 于射频频率低于二分之一采样频率的射频信号。 中频信道模拟是一个全新的研究方向，目前的中频信道模拟理论发展明显不 足，即便有一些信道模拟系统可以接收中频信号，但是它们还都是基于射频信道 模拟理论而设计的。这些系统虽然留下了中频信号的接口，但是在模拟器的系统 内部，中频信号还是被调制到射频频段，进行信道模拟之后，再下变频送回到中 4 第1 章绪论 频输出端。由于信道模拟发生射频频段，所以这些模拟器的本质还是射频信道模 拟器。 3 、中频信道模拟的含义 本文所研究的中频信道模拟就是将射频信道模型作为中频信道模型的一部 分，将频率变化对接收信号的影响考虑在内，对此无线中频信道模型进行分析推 导。由于中频信号也属于载波信号，但频率远低于射频。所以可以这么说，中频 信道模拟是针对射频信道模拟和基带信号模拟的优缺点，在真实性和复杂度方面 进行的折衷。 1 3 论文研究的对象、内容和主要成果 信道模拟急需一种射频信道在低中频的等效实现，而这种中频频段的信道模 拟及其实现就是本论文的研究对象。具体地说，本文的研究对象包括： 1 分析无线通信信道的电波传播特性以及大尺度衰落、阴影衰落的基本特 征，这些是无线信道模拟的最基本功能。定量分析电波传播特性以及大 尺度衰落、阴影衰落对无线电信号的影响，这将有助于无线中频信道模 拟器软件的参数设置。 2 无线信道模拟实现目标信噪比的方案。通过定量分析热噪声和数字化的 信道模拟器必备器件一振荡器和a d g 给系统引入的噪声，定量计算信 道模拟器硬件实现和理论模型之间所存在信噪比误差。 3 分析无线多径传播信道的基本特征，定量分析多径传播对对无线电中频 信号的影响。通过分解定量模型引出实现方案，从而将传统的射频多径 信道模拟引入中频。 4 定性分析无线衰落信道物理模型，总结无线衰落信道的统计特性，考虑 该信道对射频信号和中频信号的影响，提出一个物理上可以实现的模 型，在中频频段上实现衰落信道的模拟。 中频信道模拟的数学模型应当以目前已经得到厂。泛应用的经典射频信道模 型为基础，研究这些经典模型在数字中频的等效算法；同时该等效算法的实现模 型应当是采用目前最为流行的基于软件无线电思想的数字信号处理方案，充分挖 掘可编程逻辑器件( f p g a ) 的高速并行数字信号处理能力和现代个人计算机的 高速处理能力。本研究就是基于以上资源，对以下内容进行研究： 1 将经典射频信道模型考虑进巾频信道的建模过程 2 建立模型并寻找适于数字信号处理的等效算法 3 将等效算法转换成硬件上易于实现的框图 中频信道模拟系统关键技术的研究 射频信道模型与基带信道模拟各有优缺点。本课题从真实性和实现难度折中 的角度出发，降低了工程实现的难度，而义保存了一定真实性，取得如下成果： 1 实现了大尺度信道模型模拟的实现框图，提出并使用了全新的高斯分布 样本的一维查表法。该一维查表法避免了变换法速度慢和- 维查表法占 用内存空间巨大的缺点，在取得可靠的高斯分布样本的同时，提高了样 本产生速度，减小了占用空间。 2 提出了射频多径传播模型在中频的等效实现算法，该算法- 口j 以在同一的 中频频段，模拟任何射频频段的多径传播模型，工作频率低。且在该模 型中，需要的参数只有多径分布结构和频差( 射频和中频的频率差) 。 3 提出了射频衰落信道模型在中频的等效实现模型。该模型可以模拟瑞利 衰落和莱斯衰落两种信道结构。通过调整信道参数可以分别实现“快衰 落”和“慢衰落”。 本论文建立的等效模型及算法适于数字信号处理，这使研究具有很强实际意 义。论文所提出工程设计框架，对中频信道模拟器的后期研发具有指导意义。 1 4 论文的组织 本文的各章节安排如下： 第二章在介绍无线通信信道研究中的几个基本概念的基础上，对无线通信信 道进行分析和归纳。给出无线通信信道传播特性所涉及到的三个概率分布函数， 并给出这些概率分布函数的详细推导过程。 第三章详细介绍了大尺度信道模型的各个部分，它们包括自由空间传播损耗 及其修正模型，阴影衰落模型。提出人工产生噪声的方法，并使用三种分析方法 对人工产生的噪声质量进行评价。计算了仿真器硬件可能引入的非理想噪声，并 分析了其对模拟器目标信噪比的影响。 第四章首先通过分析多径信道的物理模型推导出其对中频信道的影响。通过 分析射频多径信道和中频多径信道的关系，提出实现算法，并通过合理的公式分 解，进而提出实现模型，并对新模型进行计算机仿真。 第五章分析了射频衰落信道的物理模型，接着给出接收信号的数学表达式。 通过分析接收信号的统计特性和射频衰落信道的模拟方法，推导出射频衰落信道 在中频频段上的等效实现模型，并对新模型进行计算机仿真。 第六章是全文的总结。 6 第2 章无线通信的信道模型 第2 章无线通信的信道模型 无线移动通信系统和有线通信系统的最主要区别就在于传输的媒介。无线通 信通过无线信号的空间辐射进行通信，它的传输媒介是无线信道。无线信道所引 入的干扰比有线信道严重的多，这也是制约无线通信性能的主要因素。 无线信道通常被认为是自然界中的一种最恶劣的通信介质，无线信道不像有 线信道那样固定并可预见，发射机与接收机之问的传播路径非常复杂，从简单的 视距传播到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等，特别难以分析。 无线射频信道的建模一般采用线性叠加原理和数学统计的方法，而无线中频 信道则基于无线射频信道的模型，根据射频和中频的制约关系，推导出中频信号 所受的影响，从而建立中频信道模型。 2 1 无线信道概述 发射方的基带信号作为信源，经过第一次上变频成为中频信号。中频信号经 过滤波放大，上变频至射频频段。射频信号经过功率放大器后，获得足够的能量， 通过天线进行无线电辐射。 无线电的传播大致分为两类，视距传播( l i n eo f s i g h t ，l o s ) 和非视距传播 ( n o n l i n eo f s i g h t ，n l o s ) 。当发射方和接收方之间的传播信道上不存在任何障 碍物，发射端信号沿单一路径( 即视距传播路径) 到达接收端，这种传播模式称 为视距传播，该信号称为直射信号( 或l o s 信号) 。当发射方和接收方之间的传 播信道上存在障碍物，发射端的信号无法沿直线路径( 即视距传播路径) 到达接 收端，必须通过折射、散射或者绕射到达接收端，这种传播模式称为非视距传播， 该信号称为非直射信号( 或n l o s 信号) 。 一般来说，接收方接收到的信号，既包含l o s 信号分量，也包含n l o s 信 号分量。此外，接收方接收到的信号，还受到发射方和接收方之间的相对位移引 起的d o p p l e r 效应的影响，波形往往会发生严重畸变。将畸变的信号下变频至中 频直至基带，从而导致中频信号和基带信号的质量也随之急剧下降。一个无线通 信系统的信号流程以及基本结构，如图2 - 1 所示。 中频信道模拟系统犬键技术的研究 射频信道 广，、 弋，- j 中藏穑道 图2 1 射频多径信道结构 其中，射频信道模型一般是指从发射方天线到接收方天线的信号传输通路， 是中频信道的一部分，射频信号受到射频信道的直接影响；而中频信道则是一个 抽象的信道，它描述的是信号是从发射方的中频到接收方中频的信号传输通路， 中频信道对中频信号的影响实际上是射频信道对中频信号影响的间接反映。 中频信道模型和射频信道模型的确有一些相通的之处，例如都需要研究无线 电波在无线信道中的传播特性，但它们之间的不同点是主要的，归纳起来有如下 几点： 1 中频信道模型是抽象的信道模型，是间接的；射频信道模型所描述的无 线信道是具体的和直接的。 2 中频信道模型比射频信道模型包含更多的内容，例如相同中频频率但是 不同射频频率的信号受无线信道的影响，以及中频信道器件( 例如a d c ) 的非 理想性等。 3 中频信道模型的实现是可数字化的，而射频信道模型只能通过模拟信号 处理实现。 中频信道模型和射频信道模型之间的异同点正是本论文的核心，放在以后各 章详细分析和求证。它们之间共同的研究对象无线电波传播特性，将在本章 加以描述。 2 2 无线电波传播特性啡5 】【6 】【7 】 在复杂的移动无线通信环境中，无线电波受到传播噪声的干扰之外，还受到 无线通信信道多种多样的影响，总体上可以归结为散射、反射和绕射。在城市的 蜂窝无线环境中，由于周围高大建筑物的遮挡，从发射机和接收机之间很少有可 视路径传播信号( l o s ) ，到达接收机的信号都经历了各种障碍物的绕射、反射 和散射。 8 第2 章无线通信的信道模型 各种散射、反射和绕射信号在接收方相互叠加组成接收信号。由于各个信号 的传播路径和传播时间不同，它们到达接收机的时问、幅度和相位也各不相同， 这些信号的叠加作用造成了接收信号的瞬时相位和幅度的随机波动。在郊区或农 村，虽然少有高大建筑物，但是接收信号的相位和幅度，依然在某种程度上，也 体现着一定的随机波动性。 接收信号的波动性虽然在统计上是随机的，但是它可以看成是波动部分的和 相对稳定部分的和，并用两种传播模型来解释。这两种传播模型是根据距离尺度 大小来区分的。 小尺度的信道模型用来解释接收信号中的波动部分，它描述的是以波长计的 区域范围内，信号包络的迅速变化。它通常服从瑞利分布或者莱斯分布，因而称 为瑞利或莱斯衰落。 大尺度的信道模型用来解释接收信号中较稳定的部分，它由传播路径损耗和 阴影衰落组成。传播路径损耗用来描述以公里计的区域范围内的接收信号中值， 它具有幂定律传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比。阴影 衰落用来描述以百米计的区域范围内的接收信号均值的波动。阴影衰落是重叠在 接收信号中值电平上的平均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋向于正态( 高 斯) 分布，通常称为对数正态阴影。由于阴影衰落的作用范围介于大尺度信道模 型和小尺度信号模型之间，有的时候被单独归类，成为中尺度信号模型引。 大尺度信道模型和小尺度信道模型不是相互独立的，在同一个无线信道中， 既存在大尺度衰落也存在小尺度衰落。般而言，大尺度表征了接收信号在一定 时间内的均值随传播距离和环境的缓慢变化情况，小尺度表征了接收信号短时间 内的快速波动。 图2 - 2 对移动无线信道的模型进行了概括捕述。 中频信道模拟系统荚键技术的研究 2 2 1 传播噪声嗍 图2 2 无线通信信道模型分类图 信道中的随机噪声可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。 单频噪声是一种连续波的人为干扰，它可视为一个已调的正弦波。其幅度、 频率和相位通常是不可预知的，且其在频率轴上是固定不变。单频噪声并不是在 所有通信系统中都存在。 脉冲噪声是在时间上无规则的突发的短粗噪声，例如工业上的点火辐射以及 电气开关通断等产生的噪声。该噪声的特点是突发脉冲幅度大，但是持续时间短 且相邻突发脉冲的间隔时间长，拥有较宽的功率谱。因此从功率谱上看，脉冲噪 声的功率谱强度很小。 起伏噪声是以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表。它们在时间上还是在频 域内都是始终存在且不可避免的，因此它是传播噪声的主体，是影响通信质量的 主要因素。它在分布上是高斯的，在功率谱上是白色的。 2 2 2 大尺度模型 大尺度信道模型1 0 1 描述的是发射机和接收机之间长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化，所以被称为大尺度传播模型。经典的大尺度信道模型的统计特性 可以由传播路径损耗中值和对数正态分布的阴影衰落来表示。 传播路径损耗中值主要反映自由空间传播损耗与传播中的弥散损耗，同时也 1 0 第2 章无线通信的信道模型 决定了移动台经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功率衰减( 区域中值) ， 如图2 - 3 所示。传播路径损耗中值的研究结果表明，路径损耗的估计值是一个以 距离为因子的函数，它以距离为因子呈现幂定律特征。对传播路径损耗中值的研 究用于估计无线覆盖范围。在较早的受接收机噪声限制的移动通信系统( 通常称 为噪声受限系统) 中，路径损耗确定了信噪比( s n r ) 和最大覆盖范围。在频率 复用的移动蜂窝通信系统( 通常称为干扰受限系统) 中，路径损耗确定了同频、邻 频的干扰程度，因此也就关系到可以采用什么样的复用方案。 阴影衰落主要反映了预测的路径损耗与实测值之间存在的随机误差。在以基 站为圆心的圆形路线( 也就是保持基站和移动台之间的传播路径长度不变的路 线) 上收集数据时，接收信号功率并不是预测值，而是围绕预测值呈现一定的上 下波动。这是由于接收机周围地形的不同造成的，例如山地、丘陵、湖泊、建筑 物高度、街道走向等。但这种波动是在几百米的范围内是相同的，当接收机穿过 这些地形的时候，将对接收信号造成不同程度的阴影遮挡，产生不同程度的慢速 衰落( 称为慢衰落) 。实际的信道测量结果表明，这种慢衰落如果用分贝表示时， 在正态概率纸上呈现线性分布，因而称为对数正态阴影衰落。如图2 - 3 中“阴影 衰落”所示。 与发射台的距离 图2 3 大尺度范围内的接收信号功率 总之，大尺度信道模型所描述的是，在大范围内叠加在区域均值上的平均功 率变化程度。 2 2 3 小尺度模型 当移动台在极小范围( 几个波长) 内移动时，无线信号的强度将在短时问快 速波动，波动范围远远偏离出大尺度信道模型所预测的接收信号强度。小尺度模 型【描述的就是接收信号强度在短距离( 小到半个波长) 和短时间内的快速变化。 小尺度模型和大尺度模型分别体现了信号能量在微观和宏观上的变化。小尺 中频信道模拟系统关键技术的研究 度模型在几个波长范喇内的均值体现了大尺度模型；大尺度模型在微观上则表现 为是小尺度模型。如图2 - 4 所示。 图2 - 4 小尺度范围内的接收信号功率 小尺度信道模型基于两种传播现象，一种是信道时间色散，另一种是信道时 变特性。信道时间色散在时域描述成多径时延，在频域中描述为信道相干带宽 ( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。时变机理在时域描述成信道相干时间( c o h e r e n c et i m e ) ， 在频域中则描述成信道衰落速率或者d o p p l e r 扩展。 1 、时间色散信道 信道时间色散源于多径信号传播模型。在多径传播条件下，不同路径的接收 信号产生不同的时延扩展，当发送方发送一个极窄的脉冲信号，接收端受到不同 时延的脉冲合成信号。这从频率上看，信道对发送的信号进行了滤波，而信号中 不同的频率分量所受到的衰落幅度不一样。在频率轴上很接近的分量，它们受到 的衰落也很接近，而在频率轴上相隔很远的分量，受到的衰落差别很大。因此， 根据信道对信号频率的选择性，也就是时延扩展和相干带宽，把这种由于多径传 播引起的衰落信道分为平坦衰落信道和频率选择性信道。 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道相干带宽大于发送信号带宽，即信道的时延扩展远远小于码元 周期，则接收信号就会经历平坦衰落过程。这种衰落是最常见的一种。在平坦衰 落情况下，从频域上看，可以认为发送信号的不同频率分量经历了相同的衰落； 从时域上看，接收信号只经历了一个可分辨径的衰落，码问串扰( i s i ) 可以忽 略不计。 ( 2 ) 频率选择性衰落 如果无线信道相干带宽小于发送信号带宽，即信道的时延扩展大于码元周 期，则接收信号就会经历频率选择性衰落。在频率选择性衰落情况下，从频域上 看，发送信号的不同频率分量经历了不同的衰落；从时域上看，接收信号经历了 1 2 第2 章无线通信的信道模型 多个可分辨径的衰落，出现了严重的码问串扰( i s i ) 。 频率选择性衰落信道的建模比平坦衰落信道的建模更困难，冈此必须对每一 个多径信号建模，且必须把信道视作一个线性滤波器。为此要进行宽带多径测量， 并在此基础上建模。通常认为，若信道时延扩展大于码元周期的十分之一，则该 信道可以被视作频率选择性的，但这一范围依赖所使用的调制类型。 2 、时变信道 信道时变特性源于移动台和基站的相对运动，或者传播路径中障碍物的运 动。例如在高楼林立的市区，移动天线的高度比周围建筑物矮得多，因而不存在 从移动终端到发射机之间的直射路径。信号经过地面与周围建筑物的反射，电磁 波以不同的传播方向到达移动台，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度， 且随时间不断变化。移动台所收到的信号都由这些电磁波叠加组成，或增强或减 弱，接收信号呈现着快速的变化。即使移动接收机处于静止状态，接收信号也会 由于所处环境中物体的运动，而产生快速的变化。正是这种随时间变化的信道特 性，产生了时变信道( 时间选择性信道) 。根据发送信号码元速率和信道参数变 化速率的大小，可以将此类信道分为快衰落信道和慢衰落信道。 ( 1 ) 快衰落信道 如果无线信道相干时间小于发送信号码元周期，即相关带宽大于发送信号带 宽，则认为接收信号受到快衰落。在快衰落信道中，从时域上看，信道冲激响应 在发送信号码元周期内变化很快，从而导致信号失真；从频域可看出，信号失真 随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。 ( 2 ) 慢衰落信道 如果无线信道相干时间大于发送信号码元周期，即相关带宽小于发送信号带 宽，则接收信号将经历慢衰落。在慢衰落信道中，从时域上看，信道冲激响应在 发送信号码元周期内是稳定的，因此可假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信 道均为静态信道；从频域可看出，信道的多普勒扩展比基带信号带宽小得多，可 以忽略不计。 就前面讨论的四种小尺度信道模型，综合考虑时间色散参数( 相干带宽和时 延扩展) 和频率色散参数( 相干时问和相关带宽) 将信道进一步分成“频平时 慢”、“频选时慢”、“频平时快”和“频选时快”四类。如图2 - 5 所示。 中频信道模拟系统关键技术的研究 信号带宽 相i ：带宽 相干时同 码元周期 图2 5 小尺度信道模型分类 其中，“频平时慢”又称平坦慢衰落，是指信号带宽小于相干带宽( 码元周 期大于时延扩展) 且信号带宽大于相关带宽( 码元周期小于相干时间) 。 “频选时慢”又称频率选择性慢衰落，是指信号带宽大于相干带宽( 码元 周期小于时延扩展) 且信号带宽大于相关带宽( 码元周期小于相干时间) 。 “频平时快”又称平坦快衰落，是指信号带宽小于相干带宽( 码元周期大 于时延扩展) 且信号带宽小于相关带宽( 码元周期大于相干时间) 。 “频选时快”又称频率选择性快衰落，是指信号带宽大于相干带宽( 码元 周期小于时延扩展) 且信号带宽小于相关带宽( 码元周期大于相干时间) 。 需要注意的是，当信道被认为是快衰落或慢衰落信道时，就不用再指它为平 坦衰落或频率选择性衰落信道。平坦和频率选择性衰落仅与多径传播引起的时间 色散有关；快慢衰落仅与运动引起的信道参数变化速率有关。 2 3 无线信道模型常用概率密度函数 由于无线通信信道特性具有随机性，故适合使用概率分布模型对其进行描 述。概率分布模型建立在无线通信信道传播特点的基础上，对实际情况作了简化 假设，分析过程比较简单，物理意义比较明确，且仿真结果比较符合实际情况。 因此，在对无线通信信道的研究中，首先必须对这些采用的概率分布模型有所了 解。 大尺度信道模型多用对数正态( l o g n o r m a l ) 概率密度函数来描述。含有直 射分量的小尺度信道模型多用莱斯( r i c i a n ) 概率密度函数来描述。不含自射分 量的小尺度信道模型多用瑞利( r a y l e i g h ) 概率密度函数来描述。本节将具体介 绍这些分布函数的特点，并根据信道模拟的需要，作相关的推导。 1 4 第2 章无线通信的信道模型 2 3 1r i c i a n 概率密度函数 现场测试的结果表明，经过建筑物、树木或其它反射物造成的反射作用，到 达移动台的无线电信号由多径信号分量与直射波信号分量组成，合成后的接收信 号的包络服从r i c i a n 分布【1 2 】，用r i c e ( v ，仃2 1 表示。r i c i a n 分布的概率密度函数及 ，、o r 2 的意义如式所示， 氏。( 小，仃) = 7 r p - 可厶( 暑) 2 - 1 其中，厶( ) 代表第一类零阶修正贝塞尔函数。 当仃= l ，1 ，= 0 、0 5 、l 、2 、4 和仃= o 2 5 ，= 0 、0 5 、l 、2 、4 时，r i c i a n 分布的概率分布曲线如图2 - 6 所示。 图2 6r i c i a n 分布的概率密度函数曲线 莱斯分布和正态分布有着密切的联系。若存在一对相互独立的正态分布的随 机变量x 和】，其均值分别为v c o s 0 和v s i n0 ，方差均为仃2 ，其中，v 、0 和口2 均为实数。则，用f x ( xiv c o s 0 ，盯) 表示x 的概率密度函数，用石( ylv s i n 0 ，仃) 表 示j ，的概率密度函数，有 ， ( 。) 2 f x ( z iv c o s 0 ，仃) = 杀p 2 2 2 o - v z , t i 1 ( y - v s i n o ) 2 石( y l v s i n 0 ，仃) = 杀口2 2 3 o v l 已知x 与】，相互独立，那么x 与】，的联合概率密度函数用厶( x ，y ) 表示， 有 ，吖( x ，ylv c o s o ，v s i n o ，仃) = ( x tv c o s o ，仃) 六( ylv s i no ，盯) ： 譬 o 掣 1 一( x z + y 2 ) + ( v ze o s z o + v z ：s 。i n ：2 0 ) - 2 x v 。o s o - 2 y v s i n o 2 _ 4 = - 一e 2 4 2z _ ：土眨宅芋竺 o - 2 2 7 t ：一1 。竺竺孥剑 不妨，令，= x = r c o s 9 j ，2 r s i l lc p ：a r c t a n 兰，则 y 2 5 2 6 将式2 - 5 和式2 - 6 代入式2 - 4 ，并将x 与y 的联合概率密度函数化为，和妒的 极坐标形式，则，与9 的联合概率密度函数，用正rr ，9 v c o s o ，v s i n0 ，盯) 表示， 有 厶r ( ，- ，妒iv c o s o ，v s i n 0 ，盯) ：厶【x ，y lv c o s o ，v s i n o ，仃) m 2 - 7 r 一r 2 + v 2 - 2 r e 0 0 $ ( p + 0 l = 二一e 2 一 其中，j 为雅可比( j a c o b i a n ) 行列式 j = 渊= 留s i n 训s i n s ；a ( ，9 )l 9 x ll 妒 - r s i n q o i l2 ， r c o s 9l 在9 的( 一7 r ，万】区间内，对厶r ( ，妒l v c o s o , v s i n 0 ，仃) 进行积分，则可得到尺的 概率密度函数，用厶( ，i1 ，仃) 表示( 积分结果表明r 的概率密度函数只和为y 与 口有关，而和0 无关) ，有 厶( ，1v ，仃) = 厶r ( ，9 v c o s o , v s i n0 ，仃) d 妒 r 2 + ，2 2 v r c o s ( 9 + 0 1 ：r p 1 i 厂一咖 2 l 石产 ” 却 = 六p 一可广i - ，tp 丁却 仃2 2 7 r 专p 等厶( 兰o r ) ：之p 可厶l 兰1 仃 一 ：每侈刽叱( 肌。) = o p 、。o n i 厂 r 记j 仃 2 8 第2 章无线遥信的信道模型 其中，k 胁为莱斯因子，厶( ，k 胁) 为第一类零阶修正贝塞尔函数 k 触= j 2 9 i o ( r k 脓。) = 去p 佃卯咖 2 - 1 0 式2 8 说明r 的概率密度函数符合r i c i a n 分布。 由此，得出r i c i a n 分布有关的重要性质： 令r = , x 2 + y 2 ，1 ，、0 和仃2 均为实数。当x 属于均值为v c o s 0 ，方差为仃2 的正态分布，用x n ( v c o s o ，仃2 1 表示；】，属于均值为v s i n 0 ，方差为仃2 的正 态分布，用】，n ( v s i np ，t 3 r 21 表示。如果x 与】，相互独立，那么尺属于参数为1 ， 和仃2 的莱斯分布，用尺r i c e ( v ，盯2 1 表示。 2 3 2r a y l e i g h 概率分布函数 现场测试的结果表明，若不存在直射波信号分量，则到达移动台的无线电信 号完全由多径信号分量组成。合成后的接收信号的包络服从r a y l e i g h 分布【1 2 】， 用r a y l e i g h ( o r 2 ) 表示。r a y l e i g h 分布的概率密度函数及仃2 的意义如式2 - 1 1 所示 ，2 钿( 巾) = 虿 2 - 1 1 当仃= 0 5 、1 、2 、3 、4 时，r a y l e i g h 分布的概率分布曲线如图2 7 所示。 图2 7r a y l e i g h 分布的概率密度函数曲线 瑞利分布和正态分布也有着密切的联系。 协厢, t p = a r c s i n 南= a r c c o s 两y a n 娥 中频信道模拟系统关键技术的研究 如果存在两个随机变量x 与y ，x 属于均值为0 ，方差为盯2 的正态分布，用 x n ( o ，盯2 ) 表示，】，属于均值为0 ，方差为盯2 的正态分布，用y n ( o ，仃2 ) 表 示，x 与】，相互独立，那么用极坐标表示的x 与】，的联合