第2章2现代无线通信原理无线信道.ppt

第二章无线信道,2.1电磁波传播机制2.2自由空间传播模型2.3大尺度衰落模型2.4小尺度衰落与多径效应2.5多径信道的统计模型,2.4小尺度衰落与多径效应2.4.1小尺度衰落概述(1/2),小尺度衰落无线信号在经过短时间（秒级）或短距离（波长级）传播后其幅度快速衰落。,小尺度传播的主要效应：信号强度的快速变化时变引起的多普勒频移多径引起的延时扩展,2.4.1小尺度衰落概述(2/2),小尺度多径衰落传播模型描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短时间上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应该采取的技术措施。,2.4.2影响小尺度衰落的因素,多径传播移动台的运动速度多普勒频移环境物体的运动速度信号的传输带宽信号带宽大于信道带宽，接收失真。结论：小尺度信号强度和短距传输后信号模糊的可能性与多径信道的特定幅度、时延和传输信号的带宽有关。,2.4.3多径衰落概述（1/6）,发射信号,2.4.3多径衰落概述（2/6）,多径效应带来的衰落称为多径衰落（多径干扰）。衰落变化快，也称为快衰落。,以两径为例：y1=A1cos2f0ty2=A2cos2f0(t-)合成信号是y(t)=y1+y2，即y(t)=C(f0,)cos2f0(t+(f0,)其中C(f0,)=(A12+2A1A2cos2f0+A22)1/2(f0,)=-arctan(A2cos2f0/(A1+A2cos2f0),2.4.3多径衰落概述（3/6）,合成信号的幅度C(f0,)是随着时延在|A1-A2|和|A1+A2|之间变化。如果f0=2GHz，波长=c/f0=15cm，即衰落发生在7.5cm的距离范围。实际上，多径数大于2，当频率很高时，信号幅度随发射点与接收点的相对移动发生剧烈变化，变化范围可达几十dB。从空间角度讲，发射或接收天线在移动几十厘米之内时，可能发生这种变化。,2.4.3多径衰落概述（4/6）,多径效应不但导致衰落，还产生信号的时延扩展,1,0,1,0,1,0,路径1,路径2,合成,(11100101)时延扩展及ISI,2.4.3多径衰落概述（5/6）,时延扩展的程度与反射体以波长计算的远近有关：近的时延小，远的时延大。如果已调制信号的持续时间比传播路径迟延展宽大得多，信道对信号的影响小，甚至不带来线性失真。此时信道是平衰落（FLAT）的，或频率非选择性（Frequency-nonselective）衰落信道。若调制信号的持续时间比传播路径迟延展宽小，则信道对信号造成线性失真。信道属于频率选择性衰落（FrequencyselectiveFading）信道。,2.4.3多径衰落概述（6/6）,近距离反射体产生的多径衰落是平衰落,远距离反射体。产生的多径衰落是频率选择性衰落。频率选择性衰落带来信号的频率失真，特别是相位失真会造成脉冲展宽，引起码间干扰。,2.4.4Doppler效应（1/4）,收发信机之间的相对运动，引起接收信号的射频频率变化，叫做多普勒效应。多普勒扩展（DopplerSpread）指多普勒频谱不等于零的频率范围。如果发送的频率为单频，频率为:fc,接收信号的频谱为多普勒频谱，频率范围:fcfd到fc+fd，fd为多普勒频移。多普勒扩展使信道产生时间选择性。多普勒扩展与多径扩展互为对偶，前者的影响是时变的包络和相移特性；后者是频率相关的衰减和相移特性。,2.4.4Doppler效应（2/4）,移动台以恒定速率v移动，同时收到信号源发出的信号，如果移动台分别在相距d的两点X和Y接收信号，则信号经历的路径差为：ldcos=vtcos式中,t是移动台从X到Y所需的时间;是入射角。由于源端距离很远，假定X、Y处的是相同的。由路程差造成的接收信号相位变化值=2l/=2vtcos/,2.4.4Doppler效应（3/4）,由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd：,若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正。若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负。,2.4.4Doppler效应（4/4）,2.4.5信道的冲激响应模型（1/17）,信道响应为h(,t)，可以表示色散和时变假设：线性信道、加性干扰,2.4.5信道的冲激响应模型（1/16）,信道函数,信道的冲激响应h(,t)时变传输函数H(f,t）多普勒扩展函数H(f,v)时延多普勒扩展H(,v),四个函数对描述LTV信道是等价的,选取哪个函数取决于发射/接收信号是时域表示还是频域表示。,LTI信道:线性时不变LTV信道:线性时变,2.4.5信道的冲激响应模型（2/16）,线性信道模型,LTI信道:线性时不变LTV信道:线性时变,2.4.5信道的冲激响应模型（3/16）,信道函数-冲激响应,定义：LTV信道冲激响应h(,t)是信道在t时刻对于t-时刻作用于信道的输入冲激响应,r(t)是信道的输出,t表示由于移动产生的时间变化，表示时间t一定时传播的多径时延。,2.4.5信道的冲激响应模型（4/16）,接收信号的复包络,N个不同的反射体的信道,信道冲激响应为,2.4.5信道的冲激响应模型（5/16）,2.4.5信道的冲激响应模型（6/16）,2.4.5信道的冲激响应模型（7/16）,信道函数-时变传输函数,定义：LTV信道的时变传输函数是冲激响应h(,t)关于时延变量的傅里叶变换。,设H(f,t)表示信道传输函数，则有如下傅里叶变换对：,2.4.5信道的冲激响应模型（8/16）,2.4.5信道的冲激响应模型（9/16）,式中，,且,其中，时间变量t可认为是一个参数。接收信号可以用发射信号和传输函数表示为：,2.4.5信道的冲激响应模型（10/16）,多普勒频移,信道的时变冲激响应近似地用下式表示：,2.4.5信道的冲激响应模型（11/16）,信道产生的总的效果是,给发射信号引入一个复时变增益Z(t)和传输时延。,2.4.5信道的冲激响应模型（12/16）,在频域中,接收信号为:,式中,X(f)=Fx(t),若信道增益Z(t)随时间而变化,其傅里叶变换在频域中存在一个有限但非零的脉冲宽度,卷积使R(f)的脉冲宽度比X(f)的更宽，即信道扩展了发射信号的频谱频率色散。,2.4.5信道的冲激响应模型（13/16）,信道函数-多普勒扩展函数H(f,v),该函数是在频域中由信道输入信号与输出信号之间的关系定义的。设X(f)和R(f)分别表示发射信号x(t)和接收信号r(t)的傅里叶变换，则H(f,v)由下式定义：,2.4.5信道的冲激响应模型（14/16）,v:信道所引入的表示多普勒频移的变量。H(f,v):输入信号频率为f时的多普勒频移v有关的信道增益。,2.4.5信道的冲激响应模型（15/16）,信道函数-时延多普勒扩展函数H(,v),定义：为信道冲激响应h(,t)关于t傅里叶变换,输入信号为x(t),信道的输出信号为:,2.4.5信道的冲激响应模型（16/16）,四个信道函数之间的关系图,1、线性时不变信道LTI,小结：线性时变信道的一般分析方法1/2,2、线性时变信道LTV,3、线性频变信道4、线性时、频双重变化信道见四个信道函数之间的关系图因为随机性，只能在统计意义上成立，因此引入相关函数，相关函数与统计距函数之间也互为傅氏变换对。,小结：线性时变信道的一般分析方法2/2,2.4.6信道的相关函数和功率谱(1/16),信道的相关函数和功率谱定义了多径衰落信道特性，在信道的动态分析中起着关键的作用。假定条件:信道的冲激响应h(,t)是广义平稳(WSS)随机过程。如果对任意t，12时刻的冲激响应h(1,t)和h(2,t)是不相关的。满足上述两个条件的信道称为广义平稳非相关散射（WSSUS）信道。,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续1/15）,自相关函数,1、2及t是h(,t)的函数，并与t无关。（）表示复共扼。相关函数表示为：,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续2/15）,上式表示信道的平均功率输出，称为延时功率谱或多径强度分布,当t=0时，自相关函数定义为：,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续3/15）,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续4/15）,时间色散的统计量,为时延的n阶矩,为时延的一阶矩，表示平均传播时延,为均方根时延扩展,Tm,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续5/15）,频率和时间相关函数,由h(,t)与H（f,t）的关系得到：h(,t)是广义平稳(WSS)随机过程，H（f,t）也是广义平稳(WSS)随机过程。相关函数H（f1,f2,t）可以用相关函数h（,t）表示：,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续6/15）,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续7/15）,t=0，频域表示写为时延功率谱密度的傅里叶变换,H(f)：无线信道的频率相关函数，Rc()表示衰落信道的时域特性，H(f)表示衰落信道的频域特性。,2.4.6信道的相关函数和功率谱（续8/15）,频率相关函数与信道相干带宽,(f)c符号周期Ts信道变化慢于基带信号变化,2.4.8衰落信道的类型（3/5）,平坦衰落,2.4.8衰落信道的类型（4/5）,性能特点（Characteristics）：,频率选择衰落,2.4.8衰落信道的类型（5/5）,Flat平坦Fading衰落,1）阴影效应2）远近效应：以强压弱3）多径效应4）多普勒效应：高于70km/h时考虑,2.4.9无线信道4种主要效应,1）第一类多径干扰，ms快速移动，产生多普勒频率扩散，时间选择性衰落2）第二类多径干扰，远处物体的反射，空域上对应波束角度的扩展，引起空间选择性衰落，时域上的时延扩展，引起频率选择性衰落。3）第三类多径干扰，近处物体的反射，严重影响到达天线信号入射角度的分布，引起空间选择性衰落。由时延扩展引起频率选择性衰落较小。,2.4.103类选择性衰落产生的条件,典型环境下的典型扩散值,2.5多径信道的统计模型2.5.1多径信道的统计模型概述,多径传输是影响移动通信性能的关键问题，由于移动信道的时变性和随机性，使得接收信号的包络呈随机性。研究表明，包络一般服从瑞利分布、莱斯分布两种分布。,2.5.2瑞利衰落分布(1/6),在移动无线信道中，瑞利衰落分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收中包络的时变特性的一种衰落类型。在信道中不存在一个较强的直达径时，其信号包络服从瑞利分布。,2.5.2瑞利衰落分布（2/6）,接收信号的包络概率密度函数为,上式就是瑞利分布的概率密度函数，所以将多径时变信道称为瑞利衰落信道。,2.5.2瑞利衰落分布（3/6）,相位失真服从0,2的均匀分布,2.5.2瑞利衰落分布（4/6）,经过,2.5.2瑞利衰落分布（5/6）,2.5.2瑞利衰落分布（6/6）,瑞利衰落信号的特征：均值：均方值：方差：,2.5.3莱斯衰落分布（1/3）,当信号中有一直达的（或反射的）强径时，接收信号的包络服从莱斯分布，相应的信道称为莱斯信道。概率密度函数为,参数A0为直射波的幅度峰值，J0为修正的零阶第一类贝塞尔函数。,2.5.3莱斯衰落分布（2/3）,莱斯分布常用参数K描述，K定义为强径信号的功率与多径分量的方差之比，用dB表示为：,参数K称为莱斯因子，完全刻画了莱斯分布。K趋近于时，莱斯分布就是瑞利分布。,2.5.3莱斯衰落分布（3/3）,包络,2.5.4平坦衰落的Clarke模型（1/7）,这是一种基于散射的统计模型。接收信号的包络服从瑞利分布。,射频信号受到多普勒衰落影响的功率谱密度如图所示。,2.5.4平坦衰落的Clarke模型（2/7）,频谱,未调制的,载波,2.5.4平坦衰落的Clarke模型（3/7）,频谱的密度,包络,探测,2.5.4平坦衰落的Clarke模型（4/7）,高斯,2.5.4平坦衰落的Clarke模型（5/7）,2.5.4平坦衰落的Clarke模型（6/7）,独立复杂的线性谱高斯样本,2.5.4平坦衰落的Clarke模型（7/7）,2.5.5双线瑞利衰落模型,直线传播距离：,反射路径传播距离：,双线模型,2.5.5双线瑞利衰落模型,Clarke模型及瑞利衰落统计模型只适用于平衰落，而不考虑多径时延。为此，采用一种常用的独立双线瑞利衰落信道模型。其冲激响应为：,2.5.5双线瑞利衰落模型（续1/1）,2.5.6Saleh和Valenzuela室内统计模型,根据测试结果，提出一个简单的室内信道多径模型。该模型假设多径分量以簇的形式到达。接收信号的幅度是独立的瑞利随机变量，相位在（0，2）之间独立分布。各个簇和簇内的多径分量构成不同速率的泊松过程，到达次数成指数分布。,2.5.6SIRCIM和SMRCIM室内和室外统计模型,基于离散冲激响应信道模型提出了一个来源于实际的统计模型，并编写了计算机程序SIRCIM。后来又有人编写了一个类似的程序SMRCIM，用以产生市区蜂窝及微蜂窝信道的冲激响应。目前全世界有100多家机构使用这种程序。,2.5.6SIRCIM和SMRCIM室内和室外统计模型（续1/