（通信与信息系统专业论文）数字信号传播时延的测量和分析.pdf

论文摘要 矽3 4 9 467 本文从理论分析和实际应用两方面论述了数字移动通信 系统电波传播的特点与研究方法，重点阐述了由于多经传播 引起的时延扩展、相关带宽和随机调频对数字传输的影响， 介绍了国内外关于数字移动通信电波传播的研究动态和测试 方法。 在原北京市城市环境数字信号传播时延测量的基础上， 提出一种基于北方交通大学电磁兼容科研室的基本实验条 件，通过精心配置，组合改造并结合自行编制测试软件的方 法对铁路运行环境进行数字移动通信电波传播测量的方案。 根据原有测试数据、提出一种利用发射单脉冲信号间歇期的 噪声随机信号分析结果，在有用信号处理时做去除噪声影响 的预处理工作，产生了良好的效果，并对两种方法作了分析 比较 采用经典误差理论从系统误差、随机误差和疏失误差三 个角度对测试系统进行了误差分析，重点对引起系统误差的 各种因素进行了深入细致的分析，提出了减少、改善或消除 的建议。 五私司：誊孑私劲通 ， 誊拶俘星乏专静时嫂 日j 姐音f 艨。 需j 趟酗勘 钦畿瓣能f 号播， a b s t r a c t t h i sp a d e rd i s c u s s e st h ef e ：a t o r e sa n dr e s e a r c hm e t h o d so f r a d i ow a v ep r o p a g a t i o no fd i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m o nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n e m p h a s i z e so n d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo fd i g i t a lt r a n s p o r t a t i o nw i t ht h et i m e s p r e a d ，c o r r e l a t i n gb a n d w i d t ha n dr a n d o mf r e q u e n c ym o d u l a t i o nb e c a u s eo f m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n i n t r o d u c e st h er e s e a r c h t r e n da n ds u r v e ym e t h o d sa b o u tr a d i ow a v ep r o p a g a t o no f d i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi no u rc o u n t r ya n da b r o a d b ye l a b o r a t e l yc o n f i g u r i n ga n dw r i t i n gt e s t i n gs o f t w a r e ，an e w s c h e m ei si n t r o d u c e dt ot e s tt h er a d i ow a v ep r o p a g a t i o no f d i g i t a l m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma l o n gr a i l w a ye n v i r o n m e n tw h i c h i sb a s e do nb a s i cl a b o r a t o r yc o n d i t i o ni ne m cr e s e a r c hs e c t i o no f n o r t h e r nj i a o t o n gu n i v e r s i t y an e w d a t a - p r o c e s s i n gm e t h o di s a l s op r e s e n t e di n t h i sp a p e ro np r e - p r o c e s s i n gt h et e s t i n gd a t a t h r o u g hn o i s er a n d o ms i g n a la n a l y z i n gb e y o n dt h es i g r l a ld u r a t i o n b a s e do nt h ep r e v i o u st e s t i n gd a t ai nb e i j i n gu r b a ne n v i r o n m e n t u s i n gc l a s s i c a le r r o rt h e o r y ，as y s t e m e t i ca n a l y s i st o t h e m e a s u n n gs y s e mi sp r o c e e d e do ns y s t e me r r o r ，r a n d o me r r o ra n d c a r e l e s s n e s s e r r o r ，e m p h a s i z i n g o n a n a l y z i n g a l ls o r to f s y s t e m e t i ce r r o ro r i g i n a t i o na n da l s op r e s e n t i n gc o r r e s p o n d i n g m o d i f i n gp r o p o s i t i o n 第一章概述 第一章概述 1移动通信电波传播的特点 移动通信是2 0 世纪经济社会发展以及交通运输、通信技 术高速发展的产物人类社会从生产型社会向信息型社会过 渡，人们都希望能在任何时间、任何地点、向任何人 ( w h e n e v e r ，w h e r e v e r ，w h o e v e r ) 提供便捷可靠的信息交换，这个 理想目标的实现离不开移动通信的发展。 移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分。顾名思 义，移动通信就是双方至少有方在运动状态中进行信息交 换，例如，移动体( 车辆，船舶，飞机或行人) 与固定点之 间，或者移动体之间的通信都属于移动通信的范畴另外， 还有一种可移动的概念，即通信用户的位置是可变的，但在 通信过程中用户可能并不处于运动状态。这类通信也可称为 移动通信，但与严格意义的移动通信相比，其无线信道特性 有较大差异，不在本文讨论范围之列现代移动通信技术是 一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最 新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成 果目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶 段，并且正朝着个人通信这一更高阶段发展 移动通信系统的特点 1 无线电波传播模式的复杂性移动通信的移动台和基 地台所发射的无线电波，在传播中不仅存在大气( 自由空间) 的传播损耗，还有附加的传播多径损耗例如由于移动台在 不断运动中且天线很低，电波传播受地形轮廓的影响很大， 地形构造，粗糙程度和各种建筑物阻挡、屏蔽作用以及电磁 散射和多径反射等影响，都将使信号发生衰落，其中包括瑞 利衰落( 又称快衰落) 和阴影衰落( 也称慢衰落) 2 干扰比较严重。由于移动台在运动中进行通话时，有 第一章概述 时离基地台远，有时离基地台近，距离远时的信号场强变弱， 距离近时则相反，即存在“远近效应”。此外，还存在邻道、 互调和其他系统的干扰等，严重影响移动台的接受效果。 3 移动台工作环境恶劣，可靠性和工作条件要求高。 4 具有不同的扩大用户容量方法。与固定通信不同，为 扩大用户容量，主要是在有限的已有频段中采取更有效利用 频率的措施，如采取窄带化、缩小频道的间隔、频道重复利 用、信道分配技术等来解决，当然也可利用开拓新频段的方 法来扩容，但需要解决有关的协调问题和兼容问题。 5 入网方式和信令方式比较复杂。 二数字移动通信的特点 与模拟移动通信方式相比，数字移动通信有其独特的特 点。主要是： 1 容量大。例如数字蜂窝移动通信系统和模拟蜂窝系统 相比，可增加容量3 2 0 倍。 2 可提供多种业务这是因为该系统可采用高功能的信 令方式，可与i s d n 以及局域网互连，因此，可提供多种业务 的服务。 3 可有多种加密措施，容易确保通信的安全。 4 利用窄带调制和低比特率的语音编码技术，可得到较 高的频谱利用率( 比模拟系统高2 4 倍) 5 在数字编码语音信号中采用差错控制技术后，可恢复 质量较高的信号 6 缩短了频率重复使用间隔，从而提高了信道利用率 利用信道分配技术，可提高频道资源的利用率 7 便于与固定通信网、i s d n 的兼容，较易于实现非话 业务传输。 8 便于网络智能化，设备集成化与降低系统成本 其缺点是： 1 设备较复杂。 2 当采用小区制或微小区制后，增加了位置登记和越切 2 第一章概述 换次数，从而增加了技术难度。 三移动通信系统电波传播的特点 电波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的 问题。传播特性如何，直接关系到通信系统设备的能力、天 线高度的确定、通信距离的计算、以及为实现优质可靠的通 信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题 不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。 对工作于v h f 和u h f 频段的移动通信来说，电波传播的方 式主要是空间波，即直射波、反射波、散射波以及它们的合 成波。在我们研究的陆地移动通信系统中，移动台处于城市 建筑群之中或地形复杂的区域，其天线将接受从多条路径传 来的信号，再加上移动台本身的运动，使得移动台和基站之 间的无线信道变幻莫测，控制起来比较困难 与其它通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种举 例来说，模拟有线信道中典型信噪比约为4 6 d b ，也就是说， 信号电平要比噪声电平高4 0 0 0 0 倍。对有线信道特别有利的 是，其传输质量是可以控制的与此相对照，陆地移动无线 信道中信号强度的突然降低即所谓的衰落现象是经常发生 的，衰落深度可达3 0 d b 。在城市环境中，一辆快速行使车辆 上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十 次这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，影响通信可 靠性。对于数字传输来说，衰落将比特错误率( b e r ) 大大 增加。移动信道与非移动点对点无线信道相比，信号传输的 误比特率前者比后者高1 0 6 倍。 移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境不同的 环境，其传播特性也不尽相同例如，一个有很多高层建筑 的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大的不 同，两者的移动信道特性也大相庭经丽传播环境本身是相 当复杂的，这就使得移动信道特性也变得十分复杂 复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是由在运 动中进行无线通信这一方式本身所决定的对于移动通信来 第一章概述 说，恶劣的信道特性是不可回避的问题要在这样的传播条 件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来 抵消衰落的不良影响。这就是各种抗衰落技术，包括分集、 扩频倒6 频、均衡、交织和纠错编码等另外，信号传输方式， 如调制方式，对信道中的衰落也要有一定的适应能力。许多 抗衰落实用技术已成功地应用于模拟系统。在数字移动通信 系统中，针对数字传输的特点又发展出许多新技术。各种抗 衰落技术和数字传输技术的研究对发展数字移动通信系统是 十分重要的。 2移动通信电波传播信道特性 的数学描述 移动信道是一种时变信道无线电信号通过移动信道时 会遭受来自不同路径的衰减损害。一般来说，这些损害可归 纳为三类。若用公式表示，接收信号功率可表示为： l h p ( d ) = i d i s ( d ) r ( d ) 式中，矧表示移动台与基站的距离。这表明，接收信号的功 率是距离的函数，矢量d 表示了距离的方向性当移动台运动 时，距离又是时间的函数，上式可表示成时间函数形式p ( t ) 。 另外，对接收信号而言，知道其功率p ( t ) ，与知道场强e ( t ) 和 幅度r ( t ) 是等效的 ( 1 1 ) 式是移动信道对传输信号作用的一般表示式。这些 作用有三类 1 自由空间传播损耗与弥散，用矧表示，其中n 一般 为3 4 2 阴影衰落，用s ( d ) 表示这是由于传播环境中的地形 起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落 3 多经衰落，用r ( d ) 表示这是由于移动传播环境的多 4 第一章概述 经传输而引起的衰落。多经衰落是移动信道特性中的最具特 色部分。 一自由空间传播 无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最简单、 最基本的一种。所谓自由空间，严格地说应指真空，但通常 把满足一定条件的理想空间是为自由空间虽然在现实环境 中并不能找到这种理想自由空间，但在研究移动通信电波传 播问题时，自由空间的概念提供了一个比较各种传播环境的 标准，并可简化场强和传输损耗的计算 自由空间是满足下述条件的一种理想空间： 均匀无损耗的无限大空间； 各向同性； 电导率为零，相对介电常数和相对磁导率恒为1 ，即 介电常数和磁导率p 分别等于真空介电常数。和真空磁导率 p - o 在这种理想空间中，不存在电波的反射、折射、绕射、 色散和吸收等现象，而且电波传播速率等于真空中光速 c ( c = 3 0 1 0 8 米秒) 。 在现实环境中，电波传播总要受到传播介质或障碍物的 影响，这种影响的程度因具体传播环境的不同而不同如果 传播介质和障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略不 计，则这种条件下的电波传播可认为是自由空间传播 无线电通信中的一个基本问题是计算接收信号功率应 用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，接收信号 功率p ，可用下式计算： 喊( a 2 & 岛m 2 ， 式中，p 。为发射机送至天线的功率，g 。和g r 分别为发射和 接收天线增益，入为波长，d 为接收天线与发射天线的距离 在移动通信电路设计中，通常用传输损耗来表示电波通 第一章概述 过传输媒质时的功率损耗。定义发送功率p 。与接收功率p ，之 比为传输损耗，或称系统损耗。由式( 1 2 ) 可得出传输损耗k 的 表达式为： k 鲁= ( 等) 2 m 。， 损耗常用分贝来表示。由上式可得 l s 2 3 2 4 5 + 2 0 1 0 9 f + 2 0 1 0 9 d 一1 0 l o g ( g t g 。) ( i z 4 ) 式中，距离d 以k m 为单位，频率以m h z 为单位。 式( 1 4 ) 也可表示为： l s = l b s g i g ，( 1 - 5 ) l b s = 3 2 4 5 + 2 0 1 0 l g f + 2 0 1 0 9d( 1 - 6 ) 式中，g 。和g ，为发射和接收天线增益( d b ) l 。定义为 自由空间路径损耗，有时又称为自由空间基本传输损耗，它 表示自由空间中两个理想点源天线之间的传输损耗由此看 出，l b 。与收、发天线增益无关，仅与频率和距离有关，它反 映的确实是传输信道的特性 必须指出，自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。这 里所谓的自由空间传输损耗是指球面波在传播过程中，随着 传播距离增大，电磁能量在扩散过程中引起的球面波扩散损 耗实际上，接收天线所捕获的信号功率仅仅是发射天线辐 射功率的很小一部分，而大部分能量郡散失掉了，自由空间 损耗正反映了这一点。 二传播介质模型 移动台接收到的无线电信号为： s ( t ) 2 e ( t ) e x p j oo ( t to ( t ) ) + j + o 】( 1 - 7 ) e ( t ) 。yo ( t ) aoe x p j ( vopc o s 0o ) ( ，) + 口y ，( t ) e x p j ( v j 3 c o s 0 ，) f jc oo t 加) 】 ( 1 - 8 ) ，= l y 。、t 。为接收信号主波束的衰减因子和延迟时间，t 6 第一章概述 和t ：为经传播产生的第i 条路径反射波的衰减因子和延迟 时间。即：这时接收的信号是经过衰减和延时的主波束与n 个反射波的叠加。 dc o s 0 v 为多普勒频移，v 为移动台运动速度，0 为 _ 运动方向与波束方向的夹角。p 为传播常数，p = 芸。 为了研究的方便，我们作如下简化： ( 1 ) 传播时间的延迟很小，不影响我们分析问题。可以不考 虑接收信号和基地台信号之间相对的时间关系，所以可取 ( t to ) t 。 ( 2 ) 相位因子中t 如) 不可忽略，但可以将诸多影响相位 的因素以总的随机相位表示，取( v ；p t c o s 0 ，一 0 ) oa x f ( t ) ) 斗( v o p t c o s 0o 十。) ( 3 ) 反射波的数量较大，n ( t ) 的变化不太明显，可认为 n ( t ) n 于是，移动接收信号的一般表达式为： s ( t ) = e ( t ) e x p u ( o + vo pc o s oo v + j oo 】( 1 - 9 ) 上 e ( t ) 2 yo ( r ) + y ，( t ) a oe x p ( 一砷，)( 1 _ 1 0 ) 造成多经效应的原因是( 1 9 ) 式包络部分的第二部分： 土 x 。( t ) 2 7 ，( f ) 0e x p ( 一砷，) ( 1 - 1 1 ) ，- 1 ) ( 1 l ( t ) 实际上是n 个二维矢量之和，分为实部和虚部， 令：r _ y ，( f ) c o s + ，( 1 - 1 2 ) 1 - 1 上 s - y 砸) s i n , ， ( 1 - 1 3 ) i = 1 于是，) ( | l ( t ) = 口0 限一j s ) = a ( t ) e x p 一却( f ) 】( 1 1 4 ) a ( t ) = 4 r 2 + s 2( 1 1 5 ) c p ( t ) = a r c t g ( 1 - 1 6 ) 第一章概述 r 、s 分别可视为n 个独立随机变量之和，当n 较大时， r 、s 趋向正态分布。若设： fd2 - - p ( r ) 2 了盖。x p ( 。驴l k ) ( 1 - 1 7 ) 102- p ( 8 ) 2 赢。p 驴j d ) ( 1 - 1 8 ) 因为r 、s 正交独立，其联合分布为： p ( r s ) 邮) p ( s ) = 嘉e x p ( s ( 1 - 1 9 ) 经过变换可得： p ( a ，( p ) = 嘉e x p ( 一等) ( 1 - 2 0 ) 脚) ：p ( 伽) 幽： 嘉0 s 平盟丌( 1 - 2 1 ) ” 【 o ，e l s e = 号等= e 醑等m m ：， 由此可知，接收信号的快衰落相位概率分布为均匀分 布，幅度概率为瑞利分布 从以上理想化的理论分析，我们可以知道：接收天线处的 场强变化是一个慢衰落和一个快衰落叠加而成的前者来源 于地形的变化，后者来源于环境的反射 3 数字移动通信电波传播的研究方法 移动通信系统工作在v i - i f 和u h f 频段，其电波传播的 主要方式是空间波，即直射波、反射波、散射波以及它们的 合成波。在陆地移动通信系统中，移动台处于城市建筑群之 中或处于地形复杂的区域，加上移动台本身可能以任意方 向、任意速度在不停的运动这样，处于移动台和基站之间 的无线信道变得十分复杂，控制起来显得很费周折 为了能够系统地研究和了解移动通信信道电波传播特 第一章概述 性，人们经过长期艰苦的努力，作了大量的现场实验以及周 密细致的理论分析，总结出不少经验和教训。在前人的工作 基础上，我们得到了很多有益的启示。归纳出对移动信道进 行研究的三种基本方法： 1 理论分析，即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动 环境中的传播特性，并用各种数学模型来描述移动信道。其 中往往要提出一些假设条件或简化措施，使信道模型来得更 简化，所以数学模型对信道的描述都是近似的即使这样， 信道的理论模型对人们认识和研究移动信道仍可起到良好的 指导作用如上一节中我们研究和分析了移动通信电波传播 信道特性的数学描述，包括自由空间传播和传输介质模型， 通过简洁明了、逻辑周密，层层推进的系统描述，我们可以 从数学概念和宏观角度上对移动通信电波传播信道特性有了 一个概括性的了解，对我们从事实际工作具有指导作用。 2 现场电波传播测量，即在不同的传播环境中，做电波传 播实测试验测试参数包括接收信号幅度、时延以及其它反 映信道特征的参数，对实测数据进行统计分析，可以得到一 些有用的结果由于移动环境的多样性，现场实测一直被作 为研究移动信道的重要方法 3 移动信道的计算机模拟，这是近年来随着计算机技术的 发展而出现的研究方法如前所述，任何理论分析，都要假 设一些简化条件，而实际上移动传播环境是千变万化的这 就限制了理论结果的应用范围现场实测又比较费时费力， 并且也是针对某个特定的环境进行的，有其难以克服的局限 性计算机在硬件支持下，具有很强的计算能力，能够灵活 快速地模拟各种移动环境，“真实”地再现移动通信电波传 播的信道特性因而，计算机模拟越来越成为研究移动信道 的重要方法 三种方法可以说是相辅相成，在许多实际研究工作中， 用于研究移动信道研究进程的不同阶段 另外，移动环境中电波传播特性研究的结果往往用以下 两种方式给出： 第一，对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述 9 第一章概述 例如，理论分析和实测试验结果表明，在移动环境中接收信 号的幅度在大多数情况下符合瑞利分布，而在有些情况下则 更符合莱斯分布。电波传播衰落特性的统计规律，为研究移 动信道抗衰落技术提供了基本依据。 第二，建立电波传播模型，模型可包括图表、近似计算 公式等。近年来，在计算机上模拟电波传播的特性也越来越 流行。运用电波传播模型可对无线电波在传播过程中的损耗 进行预测，直接为系统工程服务。 由于移动通信电波传播的特殊性，经典的电波传播理论 不易求得理想的计算结果，必须针对不同类型的区域进行现 场电波传播试验，根据大量的实测得到的数据利用数理统计 的方法研究移动通信的电波传播规律 移动通信电波传播的规律可分为以下几种：场强分布规 律、多经时延规律、信道脉冲反映规律以及数字信道的误码 率规律到目前为止，还未能得到一种令人满意的统一的电 波传播规律的计算模型。不过，国内外的研究人员多年来不 辞辛劳，做了大量的试验，总结出许多针对不同传播环境的 场强计算模型。对于较完善的计算方法，c c i r 也已经有了相 应一整套的推荐报告。在这方面，国外的研究工作开展的比 较早，在我们国内，有关部门也做过许多现场试验，积累了 可观的试验数据 通常说来，模拟移动通信系统的电波传播规律主要用场 强分布规律来表征，而与数字移动通信系统息息相关的是脉 冲响应规律( 包括多径规律) 和数字信道误码率因为数字 信道误码率规律是电波传播移动信道的二次函数，作为信道 一次函数的脉冲响应规律的研究是最基本的，而是很有必要 的。这方面国内和国外的研究水平差距比较大，在国外，多 家仪器厂商已推出系列化专用测量仪器，各地也根据需要完 成了大量的相关测试，据此而建立起来的数字移动通信网覆 盖区域相当广阔，已逐步实现商业化和实用化；国内正方面 的工作开展的还不够广泛深入，有关部门应加强重视，大力 扶植和促进数字移动通信系统电波传播特性的测试和研究工 作，建立和完善我们自己国内的传播测试系统和具有地区特 1 0 第一章概述 色的电波传播模型，为更好地服务于电信事业作出贡献。 第二章多径效应及其测量 1 多径效应与数字信号时延扩展 一引言 陆地移动信道的主要特征是多径传播传播过程中会遇到 各种建筑物、树木、植被以及变幻起伏的地形，这些都会引每 能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等。这样，移 动信道是充满了反射波的传播环境，如图2 - 1 所示 t 蛄夭蛙 件- 路径曩耗 f l 事叠囊誓医t 图2 一l 移动信道环境 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径 来的，而是许多路径来的众多反射波的合成由于电波通 1 2 第二章多经效应及其测量 过各个路径的距离不同，因而各条路径来的反射波到达b 寸l 日- i 不 同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时 同相叠加而加强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅 度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引 起的，称为多径衰落。 移动通信中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的 低天线。例如，基站天线通常高3 0 m ，最高可达9 0 m ；移动 台天线通常为2 3 m 以下这样，引起多径的主要原因是同 时台周围的建筑物和各种反射体，包括车辆、甚至行人。移动 台周围的区域称为近端区域( n e a r - i nr e g i o n ) ，该区域内的物体 造成多径效应的主要原因。离移动台较远的区域称为远端区域 ( f a r o u tr e g i o n ) ，在远端区域，只有高层建筑的反射才能对该 移动台构成多径。并且，这些路径要比近端区域中建筑物所引 起的多径的长度要长离移动台更远的区域，例如较高的山 峰，也能对该移动台构成多径，不过路径将更长这几个区域 的反射情况如图2 - 2 所示。 山区 近区 田2 - 2 各种参径反射 第二章多经效应及其测量 所谓近端区域和远端区域都是对某个移动台而言，并没 有严格的界限划分。而且，当移动台运动时，近端区和远端 区都是在变化的。不过有一点是确定的，即离移动台越近的 物体对引起多径的贡献越大，而在较远区域，只有高层建筑 和山峰才能引起多径。其原因就在于移动台用的是接近地面 的低天线。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从空 间和时间两方面描述与测量。从空间角度来看，沿移动台运 动方向，接收信号的幅度随距离变动呈现衰减，如图2 - 3 所 示，其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变 化，其局部均值( 1 0 c a lm e a n ) 为随距离而起伏下降的曲线，反 映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗 圈2 - 3 接收信号幅度变化 从时域角度，各个路径的长度不同，因而信号到达时间 就不相同这样，若从基站发射一个脉冲信号，则接收信号 中不但包括该脉冲，而且还包括它的延迟信号，如图2 - 4 所 示。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现 象，称为时延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) 扩展的时间可用第一 个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来测量一般来 说，郊区的时延扩展为o 5 灿，市区为3 雌作为讨论的重点， 下面主要从时域角度描述一下多径传播问题。 1 4 第二章多经效应及其测量 。饧 固2 4 对延扩展 二多径传播及其对数字传输的影响 1 时延扩展 研究多径传播问题可以从不同角度进行，既可从接收信 号包络变化来研究反映多径衰落特性，如瑞利衰落特性、电 平通过率和平均衰落持续时间等；又可从时域角度来研究脉 冲信号经传播后的时延特性，这对于数字信号传播来讲是十 分重要的。下面对后者作一讨论： 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展( t i m e d e l a ys p r e a d ) ，或称时延散布当发射端发送一个极窄的脉冲 信号瓯( f ) = a 0 6 ( f ) 至移动台时，由于存在着多条不同的传播 路径，路径长度不一样，则发射信号沿各个路径到达接收天 线的时间就不一样，并且传播路径又随移动台的运动而变 化，因而移动台所接收到的信号s ( t ) 由许多不同时延的脉冲组 成，可表示为： s ( f ) ：。兰口，6 0 t ，) p 一，( 2 1 ) i s l = e ( t ) e 。 这里n 为脉冲个数，t 为第i 条路径的时延，a ，为反射 系数。由于移动台在经常不断的运动着，n 、t ，和q 都是变 化的。对于不同的传播信道，接收信号中的各个时延脉冲可 能是离散的，也可能联成一片。 一，上 第二章多经效应及其测量 时延扩展可以直观地理解为在一串接受脉冲中，最大传 输时延和最小传输时延的差值，也就是最后一个可分辨的延 时信号与第一个延时信号到达时间的差值，记为。实际上， 就是脉冲展宽的时间。若发送的窄脉冲宽度为t ，则接收 信号宽度为t + ，如图2 5 所示。一般来说，模拟无线通信 中主要考虑多径效应所引起接收信号的幅度变化，而数字无 线通信中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。 这是因为，时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的 传输质量。 乡 荔二 陶2 5 脉冲展宽 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的 波形会扩展到其它码元周期中去，引起码间串扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。为了避免码间串扰，应使码元周期大于多 径效应引起的时延扩展，或者等效地说码元速率r 应小于 时延扩展的倒数即 r 6 l z x( 2 - 2 ) 上面对时延扩展的解释虽然很直观，但不是确切定义 实际上，由于移动传输环境十分复杂，在不同的地域、不同 的地点，甚至不同的时间，实测的时延差都不尽相同，因而 要定量地给出时延扩展的值，只能是大量实测数据的统计平 均。时延扩展可以用实测信号的统计平均的方法来定义 利用宽带伪燥声信号所测得的典型时延谱如图2 - 6 所 示所谓时延谱是不同时延的信号分量具有的平均功率所构 成的谱，p 0 ) 是归一化的时延特征曲线 图中横坐标为时延t ，t 铷表示p o ) 的前沿，纵坐标为 相对功率谱密度 定义p 0 ) 的一阶矩为平均时延t ，p o ) 的均方根值为时 1 6 第二章多经效应及其测量 一心 o h i r 图2 6 典型的时延潜 延扩展，即 t 。= 卜p o ) d x( 2 - 3 ) 一 柚 一 = l ( t t 。) 2 p 0 ) 疵( 2 - 4 ) 另外，还定义了一个参量：最大多经时延差瓦，即归一 化的包络特征曲线p 0 ) 下降到一3 0 d b 处所对应的时延差 由( 2 4 ) 式给出的时延扩展是对多径信道时延特性的统 计描述，其含义是表示时延谱扩展的程度值越小，时延 扩展就越轻微。反之，值越大，时延谱扩展就越严重 表2 1 给出了时延扩展的一些实测数据 表2 1时延扩展典型实测数据 参数市区郊区 平均时延t 。 1 5 2 5 u j0 1 2 0 瞄 时延扩展 1 0 3 0 蚶 0 2 2 0 9 s 最大时延弓( 3 0 d b ) 5 0 1 2 0 吣 3 0 7 , 0 l a s 平均时延扩展 1 3k t s0 5 u 0 从表2 - 1 给出的实测结果可知，市区的传播时延娶比郊区 长在市区4 k m 长的传播路径上，相对于包络最高值一3 0 d b 处所测得的最大时延可达1 2 ( 上述表格中的数据为测量美 国城市电波传播环境统计所得到的) 在没有采用分集接收或 第二章多经效应及其测量 均衡等抗衰落措施时，要求比特速率小于1 l ，即低于 8 3 k b s ，否则将引起码间串扰。 在作理论分析时，我们可以找到合适的理想化的数学模 型来描述时延扩展。观察图2 - 6 的时延谱可以看出，时延信号 的包络e ( x ) 近似为指数曲线。因而，该时延谱的数学模型可 用下式来表示： 17 p ( x ，) = e x p ( ) t 0 ( 2 5 ) 1 - 此模型可理解为，接收信号由n 个等间隔的脉冲组成， 脉冲的幅度为指数函数，如图2 7 ( a ) 所示。 黝 翻2 7多径信道楱强 另一种模型为：接收信号由n 个等幅度的脉冲组成，其 延时概率服从指数分布。 1f i - p ( x ) 2 玄。x p ( 一( 2 - 6 ) 按照这种模型，大部分反射波到达较早，只有少数反射波到 达较迟，如图2 - 7 ( b ) 所示这两种模型是等效的，只是后者更 便于数学处理 2 相关带宽 与时延扩展有关的一个重要概念是相关带宽当信号通 过移动信道时，会引起多径衰落那么，对于信号中不同频 率分量，所遭受的衰落是否相同? 这个问题的答案对于不同 的信道和不同的信号是不一样的根据衰落与频率的关系， 可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落， 后者称为平坦衰落 第二章多经效应及其测量 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频 率有关，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机的 响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号 波形将产生失真。所谓非频率选择性衰落是指信号中各分量 的衰落与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受 的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。 频率选择性衰落可由电场实测证实，图2 - 8 给出了在某大 城市测得的结果，由图可知，不同频率分量上的场强有较大的 变化。 9 1 79 1 8g i99 2 n 鞭奉t m h z l 实渊振幅一颤率特性 一个很自然的问题是，在什么情况下发生频率选择性衰 落什么情况下发生非频率选择性衰落? 这要由信号和信道两 方面因素来决定。实际上，对于移动信道来说，存在一个相 关带宽。当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性 衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落 为了解释这个问题，这里考虑频率分别为f 1 和f ：两个信 的络的相关性。这种相关性可由两信号的相关系数，即归一 化相关函数得出。设这两个信号的包络为r ，和r 2 ，频率差 v = 一 i ，则其包络相关系数为： p ，( 厂、。) ：1 丝! 篁：! 三三当兰垒三 ( 2 7 ) 【 一 2 一 2 】 这里r ，( a f ，t ) 为相关函数 r ，( v ，i ) = = 【n p ( ，r o 嘲啦 ( 2 8 ) 若信号衰落服从瑞利分布，则可得出p ，( v ，t ) 的近似表达式 为： 苫?捌智幂侧赢蚌翻 第二章多经效应及其测量 p ，( 蛳) “器 ( 2 - 9 ) 式中j 。( ) 为特殊函数，厶。= 为最大多普勒频移，为移 动信道的时延扩展。由于这里讨论的是两个信号在频率域的 相关性，可设t = 0 。在这种情况下，上式就变成： pr ( v ) 2 雨蒜( 2 - 1 0 ) 由p ，( 厂) 的表达式可知，相关系数与信道的时延扩展有 关。将a 设为参变量，可得到不同a 值时p ，( a f ) 的曲线，如 图2 - 9 所示。 4 f i m h z 图2 9相关系数曲线 图中还给出了若干实测数据，实测是在郊区进行，工作 频率为8 3 6 m h z 。可以看出，实测数据接近于时延扩展的理 论曲线。 由公式( 2 - 1 0 ) 可知，当两信号频率间隔增加时，相关系数 减少，也就是信号的不一致性增加。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毋 它的表达式如下： & = ，i对于p ，( m ) = o 5( 2 1 1 ) 由式( 2 - 1o ) 可知 要使p ，( ) = o 5 ，只须2 冗a a = i ，所以 第二章多经效应及其测量 芝= a f , = 去( 2 - 1 2 ) 例如，当时延扩展a = g s 时，相关带宽b ，= 6 4 0 k h z 。 这里，对相关带宽再作一些说明。 相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率 间隔。也就是说，衰落信号中的两个频率分量，当其频率间 隔小于相关带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性；当 频率间隔大于相关带宽时，它们就不相关了，其衰落不具有 一致性。对于具有某一时延扩展值的移动信道，衰落信号 中的两个频率分量是否相关，取决于它们的频率间隔。 相关带宽实际上是对移动信道传输具有一定带宽信号的 能力的统计度量。对于某个移动环境，其时延扩展可由大 量实测数据经过统计处理计算出来，并可进一步确定这个移 动信道的相关带宽& 。也就是说，相关带宽是移动信道的一 个特性。至于信号通过时，是出现频率选择性衰落还是平坦， 就取决于信号本身的带宽对于数字移动通信来说，当码元 速率较低时，信号带宽远小于信道相关带宽时，信号通过信 道传输后各频率分量的变化具有一致性，则信号波形不失 真，无码间串扰，此时的衰落为平坦衰落；反之，当码元速 率较高，信号带宽大于相关带宽时，信号通过信道传输后各 频率分量的变化是不一致的，将引起波形失真，造成码间串 扰，此时的衰落为频率选择性衰落。 实际应用中，常用最大时延l 的倒数来规定相关带宽， 即 玩= 寺 ( 2 - 1 3 ) 例如某市区实测最大时延l = 3 5p 则相关带宽为： e = 寺观s 咖z 此时，对于带宽为2 5 k h z 的窄带数字信号，由多径效应引起 的衰落为平坦衰落。 一般来说，窄带信号通过移动信道时将引起平坦衰落， 2 l 第二章多经效应及其测量 而宽带扩频信号将引起频率选择性衰落。 3 随机调频 前面对衰落现象的分析主要着眼于信号包络，实际上， 衰落信号的相位也是随机变化的。前面已经提到，由于移动 台运动，接收信号会产生多普勒频移在多径环境，这种频 移会成为多普勒频展。衰落型号中频率的这种随机变化称为 随机调频( r a n d o mf m ) 移动信道的多径环境，可用图2 - 1 0 来说明。 b 图2 1 0 多径环境示意图 图中t 为发射台( 基站) ，r 为接收台( 移动台) ，虚线 表示移动台运动轨迹。当移动台r 处于点时，从发射到接收 的传播路径中，对于所有时延为t 的路径，其反射点都在以t 和r 为焦点的一个椭圆上而时延为t + 缸的传播路径的反 射点都在更大一些的椭圆上。 图中给出了两种极端情况。对于路径t a r 和t c r 来说， 传播时延相差缸，因而相互之间引起时延扩展但其入射角 相同，所以由它们引起的多普勒频移相同对于路径t a r 和 t b r 来说，时延相同，因而相互之间不引起时延扩展但其 入射角不相同，所以会引起不同的多普勒频移对于大多数 路径来说，时延和入射角都是不同的 若接收信号为n 条路径来的电波，其入射角频移都是不 第二章多经效应及其测量 相同的，当n 较大时，多普勒频移就成为占有一定宽度的多 普勒频展。 设发射频率为丘，对于到达移动台的单个路径，若入射 角为0 【，则多普勒频移为厶= 厶c o s o 【，这里厶= ，为最大 多普勒频移。 假设移动台天线为全向天线，且入射角仪服从0 2n 的均匀分布，即多径播均匀地来自各个方向，则角度n 到 a + d c t 之间到达电波的功率为导l d a i ，这里匕是所有到达 电波的平均功率 来自角度0 1 , 和一a 的电波引起相同的多普勒频移，使信 号的频率为： f = 六+ l c o s ( ：l ( 2 - 1 4 ) 多普勒频移厶为人射角a 的函数，当入射角从a 变化到 仪+ d a 时，信号的频率从饺化至扩+ 因此，在频率域从 饺化至妒+ 之间的射频功率为： s ( ，) 例= 2 。等蚓 o o 【 t f ( 2 1 5 ) 这里，s ( 厂) 为接收信号功率谱。上式还考虑到了多普勒频移 关于入射角的对称性。 由式( 2 - 1 5 ) ，有 s ( 舻鲁酬( 2 - 1 6 ) 根据( 2 1 4 ) 式 = - a , s i n c e d a ( 2 - 17 ) 又 s i n 。【：扛丽焉：，1 一( 华) ： ( 2 - 1 8 ) v，m 代人( 2 1 6 ) 式，可得 第二章多经效应及其测量 s ( f ) = 二号 1 一( l 了生) 2 2 ( 2 1 9 ) 呵w- ，w 图2 1 1 给出了多普勒效应引起的接收功率谱。尽管发射 频率为单频正，但接收电波的功率谱s ( f ) 却展宽到从 z 一六，至怃+ 。的范围。这相当于单频电波在通过多径移动信 道时受到随机调频。接收信号的功率谱展宽就是多普勒频展。 若丘= 9 0 0 m h z ，v = 5 0 k m h ，则谱宽约为8 0 h z 。 功率话 s f 1 j p 。i 咄j7 i i 田2 一i i 多警勒糍移功率谱 用表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义干时间： i = i 1 ( 2 - 2 。) 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是 由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段 上，换句话说，就是信道在时域具有选择性因此，这种衰 落又称为时间选择性衰落，其速率时间选择性衰落对数 字信号的误码率有明显影响，为了减少其影响，要求码元速 率远大于衰落节拍的速率。 4 衰落信道的类型 如上所述，多径信道中存在两类扩展：多径效应引起的 北方交通大学硕士学位论文敦字信号传播时延的测量和分析2 4 第二章多经效应及其测量 在时间上的时延扩展和多普勒效应引起的多普勒频展r ， 这实际上是移动信道的电波传播特性在时域和频域两个方面 的表现。 时延扩展在时域上使接收信号的波形展宽，并相应在频 域上规定了相关带宽。 多普勒频展在频域上使接收信号的频谱展宽，并响应在 时域上规定了相干时间。 无论时域中或频域中的扩展都意味着弥散，即本来分开 的波形或频谱出现了交叠。出现了弥敖的信道称为弥散信 道。从严格意义上说，移动信道都是弥散信道然而，根据 数字信号的码元周期t 和发射的信号带宽w 与时延扩展和 多普勒频展r 的关系将移动衰落分为四种类型。 1 非弥散信道 当下面条件满足时，就构成非弥散的衰落信道： 亭且 去 ( 时间弥散) 而 1 f d ( 频域弥散) = 1 ( 时间非弥散) 丁 。 在这种信道中，接收信号所遭受的衰落为时间选择性衰 落，因而又称为频率平坦衰落 4 时间一频率弥散信道 在这种信道中，接收信号既遭受频率选择