第 1 章 通信信号处理基础知识2014

1、通信信号处理通信信号处理(I) （48学时）学时） 通信工程学院通信工程学院 冯文江冯文江 Email: 课程概况课程概况 教学目的教学目的 了解通信信号的描述形式、无线传输信道的特征和模型了解通信信号的描述形式、无线传输信道的特征和模型 了解通信信号处理的对象、目的和信号模型了解通信信号处理的对象、目的和信号模型 掌握通信信号的时域、频域、空域及其多域联合处理基本方法掌握通信信号的时域、频域、空域及其多域联合处理基本方法 跟踪通信信号处理的发展趋势和技术动态跟踪通信信号处理的发展趋势和技术动态 课程概况课程概况 教学内容教学内容 第一章第一章 通信信号处理基本知识：通信信号处理基本知识：通信

2、信号处理基础，通信信号的描述通信信号处理基础，通信信号的描述 形式，无线传输信道的特征和模型形式，无线传输信道的特征和模型 第二章第二章 信道均衡技术：信道均衡技术：符号间干扰符号间干扰 (ISI)产生的原因，均衡的作用，均产生的原因，均衡的作用，均 衡实现原理，均衡器结构分类，均衡性能评价准则，均衡算法衡实现原理，均衡器结构分类，均衡性能评价准则，均衡算法 第三章第三章 阵列信号处理：阵列信号处理：阵列天线系统种类、结构、特点和模型，阵列阵列天线系统种类、结构、特点和模型，阵列 信号处理涉及的信源数估计，信号处理涉及的信源数估计，DOA 估计和数字波束形成方法，重点学估计和数字波束形成方法，

3、重点学 习习MUSIC类和类和ESPRIT类算法的原理、描述、适用范围和特点，类算法的原理、描述、适用范围和特点，DBF的设的设 计准则、常用算法计准则、常用算法 和性能特点和性能特点 课程概况课程概况 教学内容教学内容 第四章第四章 空时二维信号处理：空时二维信号处理：空域处理和时域处理的等效性，空时处理空域处理和时域处理的等效性，空时处理 的作用，空时二维谱估计，空时信道估计，空时均衡技术，盲空时处的作用，空时二维谱估计，空时信道估计，空时均衡技术，盲空时处 理，空时理，空时RAKE接收技术接收技术 第五章第五章 多用户检测技术：多用户检测技术：CDMA 系统模型，多址干扰，远近效应，多系

4、统模型，多址干扰，远近效应，多 用户联合检测原理、准则、分类、性能指标，典型的线性类和非线性用户联合检测原理、准则、分类、性能指标，典型的线性类和非线性 类多用户检测算法，盲多用户检测的结构、原理和性能类多用户检测算法，盲多用户检测的结构、原理和性能 第六章第六章 分集接收技术：分集接收技术：分集接收的概念、任务、类型和作用，分集接收的概念、任务、类型和作用， 重点学重点学 习隐分集接收方法、信号合并方式、习隐分集接收方法、信号合并方式、RAKE 接收技术接收技术 课程概况课程概况 教学内容教学内容 第七章第七章 协同通信信号处理：协同通信信号处理：协同通信的概念、方式和特点；重点学习协同通信

5、的概念、方式和特点；重点学习 协同分集和协同中继相关技术的原理、方法、性能和特点以及目前关协同分集和协同中继相关技术的原理、方法、性能和特点以及目前关 注的重点研究内容注的重点研究内容 第八章第八章 MIMO检测技术：检测技术：CCI 特性，特性，MIMO 概念，概念，MIMO 信道；信道；MIMO 检测概述，检测概述，MIMO信号模型，最优信号模型，最优MIMO检测算法，线性检测算法，线性MIMO检测算检测算 法，干扰抵消法，干扰抵消 MIMO 检测算法，基于树搜索的检测算法，基于树搜索的 MIMO检测算法，基于检测算法，基于 格规约的格规约的 MIMO检测算法，基于概率数据关联的检测算法，

6、基于概率数据关联的 MIMO检测算法，基检测算法，基 于半定规划松弛的于半定规划松弛的MIMO检测算法，低秩和超载检测算法，低秩和超载MIMO系统检测算法系统检测算法 课程概况课程概况 课程定位课程定位 该课程定位是该课程定位是 “通信与信息系统通信与信息系统” 和和 “信号与信息处理信号与信息处理” 学科学术学科学术 型研究生的专业基础课型研究生的专业基础课 (学位课程学位课程)；是；是“电路与系统电路与系统”学科学术型研学科学术型研 究生的专业方向课究生的专业方向课 (非学位课非学位课)；是；是“电子与通信工程电子与通信工程”领域专业型研领域专业型研 究生的特色专业课究生的特色专业课 课程

7、概况课程概况 教学模式教学模式 围绕通信信号处理涉及的研究领域，培养学生发现问题和解决问题的围绕通信信号处理涉及的研究领域，培养学生发现问题和解决问题的 能力，采用逐步递进，理论与实际相结合的教学模式能力，采用逐步递进，理论与实际相结合的教学模式 工程应用背景 基本概念 处理算法 应用效果 实 际 需 要 改进措施 课程概况课程概况 开课形式开课形式 课堂讲授：基本概念、典型方法课堂讲授：基本概念、典型方法 课堂研讨：自由提问，指定发言课堂研讨：自由提问，指定发言 考核形式考核形式 撰写论文撰写论文 开闭卷考试开闭卷考试 课程概况课程概况 参考文献参考文献 张贤达、保铮：通信信号处理，国防工业

8、出版社，张贤达、保铮：通信信号处理，国防工业出版社，2000 邱天爽：通信中的自适应信号处理，电子工业出版社，邱天爽：通信中的自适应信号处理，电子工业出版社，2005 郭业才：通信信号分析与处理，合肥工大出版社，郭业才：通信信号分析与处理，合肥工大出版社，2009 Joseph Boccuzzi著，刘祖军译著，刘祖军译: Signal Processing for Wireless Communications，电子工业出版社，电子工业出版社，2010 IEEE Transactions on Communications IEEE Transactions on Antennas and P

9、ropagation IEEE Transactions on Signal Processing 传输传输 有线传输有线传输 无线传输无线传输 基带传输基带传输 频带传输频带传输 模拟调制模拟调制(AM、FM、PM) 数字调制数字调制(FSK、PSK、ASK) 通信系统：通信系统：传输传输 + 容量容量 传输：传输：有效性有效性 (尽可能多尽可能多)、可靠性、可靠性 (尽可能好尽可能好) 第一章第一章 通信信号处理基础知识通信信号处理基础知识 通信的基本问题是如何在一点精确或近似再生来自另一点的信息通信的基本问题是如何在一点精确或近似再生来自另一点的信息 C. E. Shannon: The

10、 fundamental problem of communication is that of reproducing at one point either exactly or approximately a message selected at another point ( A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal, 27(3): 379423, 1948) 信源基带 信源编码 调制 信道编码 功放上变频 信宿基带 信源解码 解调选放下变频 信道解码 第一章第一章 通信信号处理

11、基本知识通信信号处理基本知识 组网组网 骨干网络骨干网络 (核心网络核心网络) 接入网络接入网络 (空中接口空中接口) 容量：容量：频谱效率、频谱利用率频谱效率、频谱利用率 1) 组网方式：点对点、点对多点、组网方式：点对点、点对多点、Ad Hoc、Mesh 2) 多址方式：多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA 3) 复用技术：蜂窝技术复用技术：蜂窝技术 4) 双工方式：单工、半双工、全双工双工方式：单工、半双工、全双工(FDD、TDD、ADD) 第一章第一章 通信信号处理基础知识通信信号处理基础知识 通信信号处理研究对象通信信号处理研究对象 通信信号的特点：通信信号的特点： 传输

12、环境复杂：多径效应、阴影效应、多普勒效应传输环境复杂：多径效应、阴影效应、多普勒效应 干扰：信道间干扰、用户间干扰、符号间干扰、数据流间干扰、小区干扰：信道间干扰、用户间干扰、符号间干扰、数据流间干扰、小区 间干扰、互调干扰、耦合效应等间干扰、互调干扰、耦合效应等 信号传输可靠性要求高信号传输可靠性要求高 信号传输有效性要求高信号传输有效性要求高 通信信号处理主要针对通信系统的接收部分通信信号处理主要针对通信系统的接收部分 利用通信信号处理技术改善接收性能，弥补传输环境造成的影响利用通信信号处理技术改善接收性能，弥补传输环境造成的影响 常用的通信信号处理技术常用的通信信号处理技术 时域：时域均

13、衡、时间分集时域：时域均衡、时间分集 (交织交织) 频域：频率分集接收和信号合并处理频域：频率分集接收和信号合并处理 空域：空间分集、空时分集、协同分集信号处理空域：空间分集、空时分集、协同分集信号处理 码域：多用户检测码域：多用户检测 空、时、频域以及多域联合信号处理空、时、频域以及多域联合信号处理 通信信号的表示和特征通信信号的表示和特征 通信信号分类通信信号分类 随机信号随机信号与确定信号与确定信号 (信号特性信号特性) 平稳信号和平稳信号和非平稳信号非平稳信号 (随机特性随机特性) 连续信号与连续信号与离散信号离散信号 (时域特性时域特性) 低通信号低通信号与带通信号与带通信号 (频域

14、特性频域特性) 有限功率信号有限功率信号与无限功率信号与无限功率信号 (功率特性功率特性) 通信信号具有通信信号具有随机特征随机特征 通信信号处理采用通信信号处理采用统计分析统计分析方法方法 平稳随机过程平稳随机过程 严格平稳过程严格平稳过程 (狭义平稳过程狭义平稳过程)：随机变量：随机变量 的概率分布函数与的概率分布函数与 的概率分布函数对所有的时延的概率分布函数对所有的时延都是相同的都是相同的 (高斯白噪声高斯白噪声AWGN) 广义平稳过程广义平稳过程 (弱平稳、协方差、二阶平稳弱平稳、协方差、二阶平稳) 数学期望为常数数学期望为常数 功率有限功率有限 协方差协方差 )(tx)(tx mt

15、xE)( )( 2 txE 222 ),()()()()()(mstRmstRmsxtxEmsxmtxE xx 平稳信号统计特性平稳信号统计特性 自相关函数关于时延自相关函数关于时延共轭对称共轭对称 功率谱密度是非负实数功率谱密度是非负实数 信号功率有限信号功率有限 信号通过信号通过LTI系统，平稳特性不变系统，平稳特性不变 )()( * xx RR ffPfP xx 0)()( * dffPRtxE xx )()0()( 2 )()()(,)()()(*)()( 2 fPfHfPduuthuxthtxty xy 循环平稳过程循环平稳过程 循环循环(周期周期) 平稳平稳( cyclostati

16、onary) 特性：信号的统计特性表现为周期特性：信号的统计特性表现为周期 或多周期变化，本身是非平稳信号或多周期变化，本身是非平稳信号(通信信号的循环平稳特性是由于通信信号的循环平稳特性是由于 正弦载波、训练序列、扩频序列、跳频序列、循环前缀等参数的周期正弦载波、训练序列、扩频序列、跳频序列、循环前缀等参数的周期 性所致性所致) 一阶循环平稳过程：数学期望具有周期性一阶循环平稳过程：数学期望具有周期性 二阶循环平稳过程：相关函数具有周期性二阶循环平稳过程：相关函数具有周期性 高阶循环平稳过程：高阶统计量具有周期性高阶循环平稳过程：高阶统计量具有周期性 一阶循环平稳过程一阶循环平稳过程 随机信

17、号的均值随机信号的均值 (数学期望数学期望) 具有周期性具有周期性 对周期性均值执行对周期性均值执行Fourier级数展开级数展开 循环频率循环频率 循环均值循环均值 (Fourier级数展开的各项系数级数展开的各项系数) )(log)(APAI)(log)(APAI)(log)(APAI N i ii ppH 1 log )()( 0 kTtMtM xx 0 2/ ( ) jmt T xx m MtM e 2/ 2/ 22 0 0 0 )()( 1 T Tt tjtj xx etxdtetM T M 0 /m T 二阶循环平稳过程二阶循环平稳过程 自相关函数自相关函数 具有时间周期性具有时间

18、周期性 相关函数的相关函数的Fourier级数展开级数展开 循环自相关函数循环自相关函数 循环功率谱循环功率谱 ),(),( 0 kTtRtR xx 2 0 ( , )( ),/ jt xx R tRem T 0 0 /2 2*2 /2 0 1 ( )( , )( )() T jtjt xx tT RR tedtx t x te T 2 ( )( ) jf xx PfRed )()(),( txtxEtRx )()(),( txtxEtRx 二阶循环平稳过程二阶循环平稳过程 几种调制信号的循环功率谱几种调制信号的循环功率谱 二阶循环平稳过程性质二阶循环平稳过程性质 二阶循环平稳信号通过二阶循环

19、平稳信号通过LTI系统后的输出信号功率谱和互功率谱系统后的输出信号功率谱和互功率谱 循环功率谱和循环互功率谱循环功率谱和循环互功率谱 循环功率谱的相关系数循环功率谱的相关系数 用功率谱辨识非最小相位系统时存在多重性用功率谱辨识非最小相位系统时存在多重性 用循环功率谱可以辨识非最小相位系统用循环功率谱可以辨识非最小相位系统 信号检测：信号检测：频谱感知、网络发现、调制模式识别等频谱感知、网络发现、调制模式识别等 )()()()(),()()( * 2 fPfHfHfPfPfHfP xxyy xy )()()()(),()()()( * fPfHfHfPfPfHfHfP xxyy xy )2/()

20、2/( )( )( fPfP fP f xx x x)()(ff xy 解析信号解析信号 在数字通信系统中，在数字通信系统中，实际传输的是实信号，实际传输的是实信号，而信号处理既可以在而信号处理既可以在实数域实数域 进行，也可以在进行，也可以在复数域复数域进行，实数域信号处理直观、简单，但硬件实现进行，实数域信号处理直观、简单，但硬件实现 时存储资源占用多，效率低，而在复数域执行信号处理时，硬件实现运时存储资源占用多，效率低，而在复数域执行信号处理时，硬件实现运 算简单，复杂度低，效率高，即算简单，复杂度低，效率高，即在对数字通信信号处理时，通常以复信在对数字通信信号处理时，通常以复信 号为处

21、理对象，号为处理对象，为此，需要对接收信号做预处理，构造复信号为此，需要对接收信号做预处理，构造复信号 解析信号的时域构造解析信号的时域构造 实部实部 虚部虚部 Hilbert滤波器传递函数滤波器传递函数 ) ( )()(ts jtstsA )(cos)()(ttats t tsthtsts 1 *)()(*)() ( 1)(fH 解析信号解析信号 Hilbert变换具有如下性质变换具有如下性质 实信号经过实信号经过Hilbert变换后，信号频谱幅度保持不变变换后，信号频谱幅度保持不变 解析信号实部和虚部之间存在变换关系解析信号实部和虚部之间存在变换关系 实信号经过两次实信号经过两次Hilbe

22、rt变换后仅相差一个符号因子变换后仅相差一个符号因子 如果如果 ，其，其Hilbert变换满足变换满足 )( )(tsHts )()()( 2 tsHtsHHts )(*)()( 21 txtxtx )(*)()(*)() ( 2121 txtxtxtxtx 解析信号解析信号 解析信号的频域构造解析信号的频域构造 定义滤波器定义滤波器 第一类解析信号第一类解析信号(确定信号用确定信号用频谱频谱)：频谱右半轴，幅度是原来的：频谱右半轴，幅度是原来的2倍倍 第二类解析信号第二类解析信号(随机信号用随机信号用功率谱功率谱)：功率谱右半轴，幅度是原来的：功率谱右半轴，幅度是原来的2倍倍 )sgn( 2

23、2 1 00 02/1 01 )(fj j f f f fU 00 0)( 0)(2 )()(2)( f ffS ffS fSfUfSA 00 0)( 0)(2 )()(2)( f ffP ffP fPfUfP s s ssA 基带信号基带信号 实的窄带信号实的窄带信号 解析信号解析信号 基带信号基带信号 (零中频信号零中频信号) 解析信号与基带信号的关系解析信号与基带信号的关系 窄带信号与基带信号的关系窄带信号与基带信号的关系 基带信号的直角坐标形式基带信号的直角坐标形式 基带信号是复信号，不存在双边谱基带信号是复信号，不存在双边谱 )( 2 1 )(2cos)()( )(2)(2ttfjt

24、tfj c cc eetattftats tfjtj A c eetats 2)( )()( )( )()( tj B etats tfj BA c etsts 2 )()( )()()(sin)()(cos)()(tjststtjattats BQBIB 2 ( )Re( )Re( ) c jf t AB s tstst e 基带信号基带信号 当通信接收端存在带通滤波器当通信接收端存在带通滤波器 (选频放大器选频放大器)时，其时域冲激响应时，其时域冲激响应 冲激响应包络为冲激响应包络为 ，对应的基带冲激响应为，对应的基带冲激响应为 此时时域输出信号为此时时域输出信号为 对应的时域基带输出信号

25、为对应的时域基带输出信号为 )(,xPX)(,xPX tfj B tfj Bca cc ethethttfthth 2*2 )()()(2cos)()( )(tha )( )( 2 1 )( tj aB ethth tfj BB c ethtsthtsty 2 )(*)()(*)()( )(*)()(thtsty BBB 平稳信号的基带表示平稳信号的基带表示 平稳信号平稳信号 平稳基带信号与解析信号相关函数的关系平稳基带信号与解析信号相关函数的关系 平稳解析信号功率谱平稳解析信号功率谱 平稳基带信号功率谱平稳基带信号功率谱 平稳基带信号的相关函数和互相关函数平稳基带信号的相关函数和互相关函数

26、平稳基带信号的功率谱和互功率谱平稳基带信号的功率谱和互功率谱 22 ( )2Re( ),( )( ) cc jf tjf t BBA s tst estst e 2 ( )( ) c BA jf ss RRe ( )2 ( )( ) A ss PfU f P f ( )()2()() BA ssccsc PfPffU ffPff , , 1 ( )( )Re( ) 2 1 ( )()Im( ) 2 BIBQB BIBQBQBIB sss sssss RRR RRR , , 1 ( )( )( )() 4 1 ( )()( )() 4 BIBQBB BIBQBQBIBB ssss ssssss

27、PfPfPfPf PfPfPfPf j 平稳信号的基带表示平稳信号的基带表示 结论：结论：实的平稳信号及其对应的基带信号、解析信号以及同相分量、正实的平稳信号及其对应的基带信号、解析信号以及同相分量、正 交分量仍然是平稳信号交分量仍然是平稳信号 基带信号同相分量和正交分量的相关函数相等，各占一半信号功率；互基带信号同相分量和正交分量的相关函数相等，各占一半信号功率；互 相关函数是时延的奇函数相关函数是时延的奇函数 基带信号的同相分量和正交分量统计特性相同基带信号的同相分量和正交分量统计特性相同 同一时刻采样，基带信号的同相分量和正交分量统计独立同一时刻采样，基带信号的同相分量和正交分量统计独立

28、 载波是否存在初相位，不改变平稳基带信号的统计特性载波是否存在初相位，不改变平稳基带信号的统计特性 循环平稳信号的基带表示循环平稳信号的基带表示 实的循环平稳信号实的循环平稳信号 ，其循环频率，其循环频率 循环平稳基带信号与解析信号之间的关系循环平稳基带信号与解析信号之间的关系 一阶循环平稳基带信号的数学期望一阶循环平稳基带信号的数学期望 二阶循环平稳基带信号的相关函数二阶循环平稳基带信号的相关函数 循环谱和互循环谱循环谱和互循环谱 ( )s t 0 /m T 2 ( )( ) jt BA stst e 2 ( )( ) B jt sBA ME stE st e * 2 2 , ( , )(

29、, ) ( , )( , ) BA BBAA jt ss jt ssss RtRte RtRte * , ( )() ( )() BA BBAA ss ssss PfPf PfPf 带限信号带限信号 带限信号带限信号定义：如果实信号定义：如果实信号 的的Fourier变换的频谱变换的频谱 或或 功率谱功率谱 ，称为带限信号或低通信号，称为带限信号或低通信号 时限信号时限信号定义：如果实信号定义：如果实信号 ，称为时限信号，称为时限信号 带限信号相关函数带限信号相关函数 发射信号发射信号 通过带限信道后，其接收信号为通过带限信道后，其接收信号为 ( )s t BffS , 0)( BffPs ,

30、 0)( Ttts , 0)( BTkTRR s k ksxx 2/1, )()()( ) 2 (2sin)( B k tBct k 2 ( )Re ( ) c jf t s ta t e ( )( )* ( )( ) () LP rta th tah td 周期信号的相关函数周期信号的相关函数 周期信号集合周期信号集合 集合中各元素容易与自身的时间偏移区分集合中各元素容易与自身的时间偏移区分 集合中各元素容易与其它元素区分集合中各元素容易与其它元素区分 周期信号周期信号 周期信号相关函数和互相关函数周期信号相关函数和互相关函数 n cn nTtxtx)()()()(Ttxtx )()(Nnx

31、nx 1 0 , 1 0 , )(,)( N n knnyx N n knnxx yxkxxk 无线通信信道基础知识无线通信信道基础知识 信道：收发两端传输媒体的总称信道：收发两端传输媒体的总称 有线信道有线信道 无线信道无线信道 前向连接前向连接downlink (下行链路下行链路) 后向连接后向连接uplink (上行链路上行链路) 无线通信系统性能与无线信道传播特性密切相关无线通信系统性能与无线信道传播特性密切相关 视距传播视距传播 (Line of Sight, LOS)、非视距传播、非视距传播 (NLOS) 无线信道的无线信道的随机性随机性 (位置变化、环境变化等位置变化、环境变化等

32、) 导致：导致：接收信号幅度、相位、频率畸变接收信号幅度、相位、频率畸变(空间差异性、时频变空间差异性、时频变 无线电波分类及传播方式无线电波分类及传播方式 无线电波按传播方式划分为：无线电波按传播方式划分为：地波、电离层反射波、对流层反射波、空地波、电离层反射波、对流层反射波、空 间波、自由空间波间波、自由空间波 地波：地波：沿地球表面传播，通过绕射可到达视线范围以外，在地波传播过沿地球表面传播，通过绕射可到达视线范围以外，在地波传播过 程中，地面会吸收电波能量，其强弱与电波频率、地面性质有关程中，地面会吸收电波能量，其强弱与电波频率、地面性质有关 电离层反射波电离层反射波天波传播：天波传播

33、：电波利用距地面电波利用距地面60km高空的电离层反射传高空的电离层反射传 播，在电波传播过程中，电离层也会吸收电波能量，其强弱与电波频率播，在电波传播过程中，电离层也会吸收电波能量，其强弱与电波频率 和电离层的变化和电离层的变化 (位置、层数、厚度位置、层数、厚度) 有关有关 对流层反射波对流层反射波散射传播：散射传播：电波利用大气层中距地面电波利用大气层中距地面 10-20 km高空对高空对 流层的不均匀性散射传播，传播距离可达流层的不均匀性散射传播，传播距离可达 300-800km，电波反射强弱与，电波反射强弱与 高度有关，越高越弱高度有关，越高越弱 无线电波分类及传播方式无线电波分类及

34、传播方式 空间波空间波 直射传播：直射传播：电波沿直线传播电波沿直线传播 (直接波直接波) ，也通过地球表面反也通过地球表面反 射传播射传播 (地反射波地反射波) ，接收电场强度是二者的合成。接收电场强度是二者的合成。直接波直接波不受地面影不受地面影 响，但响，但地反射波地反射波会受反射点地质、地形影响。空间波通过大气层的底会受反射点地质、地形影响。空间波通过大气层的底 层传播，传播距离与地球曲率半径有关层传播，传播距离与地球曲率半径有关 自由空间波自由空间波 直射传播：直射传播：电波由地面发出，经过低空大气层和电离电波由地面发出，经过低空大气层和电离 层到达外层空间传播层到达外层空间传播 (

35、卫星通信、深空通信卫星通信、深空通信) ，自由空间，自由空间 (真空真空) 电波传电波传 播特性稳定播特性稳定 无线电波分类及传播方式无线电波分类及传播方式 无线电波按波长划分为：无线电波按波长划分为：长波、中波、短波、超短波、微波等长波、中波、短波、超短波、微波等 长波：长波：波长波长 1000m以上，频率以上，频率300kHz以下，其传播方式主要有以下，其传播方式主要有地表面地表面 传播和天波传播，传播和天波传播，地形地貌对地表面传播影响小，电离层对天波传播地形地貌对地表面传播影响小，电离层对天波传播 吸收较弱，吸收较弱，传播特性稳定。传播特性稳定。但由于但由于地表面波衰减慢，地表面波衰减

36、慢，对其他电台会形对其他电台会形 成强干扰，由雷电产生的成强干扰，由雷电产生的天电干扰天电干扰对其影响大对其影响大 中波：中波：波长波长100-1000m，频率，频率300kHz-30MHz。其传播方式主要还是。其传播方式主要还是地地 表面传播和天波传播，表面传播和天波传播，地形地貌对地表面传播影响小，但需要穿过电地形地貌对地表面传播影响小，但需要穿过电 离层较深处才能反射，波长在离层较深处才能反射，波长在200-2000m的中长波主要用于广播，称的中长波主要用于广播，称 为广播波段，传播距离可达为广播波段，传播距离可达200-300km 无线电波分类及传播方式无线电波分类及传播方式 短波：短

37、波：波长波长10-100m，频率，频率3MHz-30MHz，其传播方式主要靠，其传播方式主要靠电离层反电离层反 射，射，天波在电离层中的损耗小，可利用天波在电离层中的一次或多次天波在电离层中的损耗小，可利用天波在电离层中的一次或多次 反射实现远距离传播，但由于电离层厚度、高度、密度随时变化，短反射实现远距离传播，但由于电离层厚度、高度、密度随时变化，短 波通信信号会时强时弱波通信信号会时强时弱 (白天更明显白天更明显) 超短波：超短波：波长波长1-10m，频率，频率30MHz-300MHz，其传播方式主要有，其传播方式主要有散射传散射传 播和直射传播，播和直射传播，主要用于电视、调频广播、雷达

38、等，传播距离可达主要用于电视、调频广播、雷达等，传播距离可达30- 100km 微波：微波：波长波长1m以下，频率以下，频率300MHz-300GHz，其传播方式主要是，其传播方式主要是直射传直射传 播，播，主要用于通信、雷达等。由于地形、地貌、地物、气候等会引起主要用于通信、雷达等。由于地形、地貌、地物、气候等会引起 反射、绕射、散射和吸收，产生衰落和失真反射、绕射、散射和吸收，产生衰落和失真 无线电波传播方式总结无线电波传播方式总结 归结起来，无线电波的传播方式主要有：归结起来，无线电波的传播方式主要有：直射波和地面反射波、对流直射波和地面反射波、对流 层反射波、电离层反射波和山体绕射波等

39、层反射波、电离层反射波和山体绕射波等 无线电波传播方式总结无线电波传播方式总结 此外，电波遇到各种障碍物时会发生反射、绕射和散射现象，会对此外，电波遇到各种障碍物时会发生反射、绕射和散射现象，会对 直射波形成干涉直射波形成干涉 (多径效应多径效应) ；收发信机之间相对运动会产生收发信机之间相对运动会产生多普勒多普勒 效应，多径效应和多普勒效应导致信号在时域和频域扩展，表现为效应，多径效应和多普勒效应导致信号在时域和频域扩展，表现为 选择性衰落选择性衰落 地表面波地表面波损耗随频率升高急剧减弱，随距离增加急剧减小损耗随频率升高急剧减弱，随距离增加急剧减小 无线电波传播效应无线电波传播效应 传输损

40、失传输损失 ：大范围内信号强度随距离变化：大范围内信号强度随距离变化(数百或数千米数百或数千米)，表现为，表现为 电波能量扩散现象电波能量扩散现象 n 为路径损失指数：自由空间为为路径损失指数：自由空间为2；城区为；城区为2.7-3.5；城市阴影区为；城市阴影区为3-5； 直视楼房为直视楼房为1.6-1.8；阻塞楼房为；阻塞楼房为4-6；厂区为；厂区为2-3 n d 无线电波传播效应无线电波传播效应 阴影衰落阴影衰落 ：中范围信号电平中值慢变：中范围信号电平中值慢变(数百个波长数百个波长) 由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物

41、对电波遮蔽所引起 的慢衰落，信号中值出现缓慢变动，衰落深度与频率、阻碍物有关的慢衰落，信号中值出现缓慢变动，衰落深度与频率、阻碍物有关 多径衰落多径衰落 ：小范围信号瞬时值快变：小范围信号瞬时值快变(数十个波长数十个波长) 由于移动传播环境的多径传播而引起的快衰落，接收信号场强的瞬时由于移动传播环境的多径传播而引起的快衰落，接收信号场强的瞬时 值呈现快速变化值呈现快速变化 多径衰落是移动信道特性中最具特色的部分多径衰落是移动信道特性中最具特色的部分 )(dS )(dR 无线电波传播效应无线电波传播效应 由此可知，无线通信信道是一由此可知，无线通信信道是一 种时变信道，无线电信号通过种时变信道，

42、无线电信号通过 信道时会遭受来自不同途径的信道时会遭受来自不同途径的 衰减损害，接收信号总功率表衰减损害，接收信号总功率表 现为现为三种效应的综合：三种效应的综合： )()()(dRdSddP n 无线信道衰落无线信道衰落 根据无线电波传播效应，通常将根据无线电波传播效应，通常将无线信道衰落分为两类：大尺度衰落和无线信道衰落分为两类：大尺度衰落和 小尺度衰落小尺度衰落 大尺度衰落：大尺度衰落：路径损失、阴影衰落路径损失、阴影衰落 路径损失：路径损失：无线电信号通过大尺度距离的信道传输时，随传输路径的增无线电信号通过大尺度距离的信道传输时，随传输路径的增 加，电波能量扩散，导致接收信号平均功率衰

43、减，其加，电波能量扩散，导致接收信号平均功率衰减，其衰减量表现为传输衰减量表现为传输 距离的函数距离的函数 阴影衰落：阴影衰落：无线电信号在中尺度距离的信道中传输时，由于地形起伏或无线电信号在中尺度距离的信道中传输时，由于地形起伏或 高大建筑物群等障碍物遮挡，在阻碍物的背后形成阴影区，导致接收信高大建筑物群等障碍物遮挡，在阻碍物的背后形成阴影区，导致接收信 号平均功率随机变化号平均功率随机变化 无线信道衰落无线信道衰落 小尺度衰落：小尺度衰落：当传输信道当传输信道小尺度小尺度 (距离或时间距离或时间) 变化时，无线电信号在传变化时，无线电信号在传 输过程中受周围散射体反射、绕射和散射，其幅度或

44、相位快速变化。依输过程中受周围散射体反射、绕射和散射，其幅度或相位快速变化。依 据多径效应产生的时延扩展，将小尺度衰落划分为据多径效应产生的时延扩展，将小尺度衰落划分为频率选择性衰落和频频率选择性衰落和频 率非选择性率非选择性 (平坦平坦) 衰落；衰落；依据多普勒效应产生的多普勒扩展，将小尺度依据多普勒效应产生的多普勒扩展，将小尺度 衰落划分为衰落划分为快衰落和慢衰落快衰落和慢衰落 自由空间传播模型自由空间传播模型 自由空间传播模型是表征电波传播自由空间传播模型是表征电波传播路径损失路径损失的基础模型的基础模型 自由空间定义自由空间定义 均匀无损耗无限大空间；均匀无损耗无限大空间； 各向同性各

45、向同性 介质的相对介电常数和相对磁导率为介质的相对介电常数和相对磁导率为1 自由空间传播模型自由空间传播模型 (仅考虑能量扩散引起的传输损耗仅考虑能量扩散引起的传输损耗) 电场强度：电场强度： 磁场强度：磁场强度： 大尺寸传播模型：大尺寸传播模型： 0 30/ t EPd Ld GGP dP rtt r 22 2 )4( )( 2 4 e A G 0 30/ tt EPGd 0 30/120 t HPd 0 30/120 tt HPGd 自由空间传播模型自由空间传播模型 路径损失：路径损失：有效发射功率与有效接收功率之比有效发射功率与有效接收功率之比 (有效有效功率等于实际功率功率等于实际功率

46、 和天线增益的共同效应和天线增益的共同效应) 意味着意味着传输距离增加传输距离增加10倍，路径损失增大倍，路径损失增大20dB 大尺寸传播模型只适用于大尺寸传播模型只适用于Fraunhofer区域区域 (天线远场区域天线远场区域) Fraunhofer距离距离 (天线孔径的最大尺寸与波长之比天线孔径的最大尺寸与波长之比) 远场区域远场区域 经验公式经验公式 )4/(log10)/log(10)( 222 dGGPPdBPL rtrt /2 2 Dd f ,dD d n d d dLP )()( 0 地面实际应用地面实际应用 大气折射效应：大气折射效应：大气介电常数与大气温度、湿度、气压、海拔高

47、度有大气介电常数与大气温度、湿度、气压、海拔高度有 关，由于大气折射，电波不再按直线传播，而是按曲线传播，根据不关，由于大气折射，电波不再按直线传播，而是按曲线传播，根据不 同折射效应分为正折射、负折射和无折射同折射效应分为正折射、负折射和无折射 介质折射率与相对介电常数的关系介质折射率与相对介电常数的关系 电波传播速度与介质折射率成反比电波传播速度与介质折射率成反比 l 大气折射导致电波传播方向和速度均发生变化大气折射导致电波传播方向和速度均发生变化 r n /vc n 地面实际应用地面实际应用 视距传播极限距离：视距传播极限距离：受地球曲率半径、收发天线高度影响，视距受地球曲率半径、收发天

48、线高度影响，视距 传播极限距离为：传播极限距离为： 标准大气折射条件下，地球有效半径是实际半径的标准大气折射条件下，地球有效半径是实际半径的1.33倍，约为倍，约为 8500km。上述表达式中极限距离单位是。上述表达式中极限距离单位是km，天线高度单位是，天线高度单位是m 12 2()4.12() etrtr dddRhhhh 无线电波不规则传播无线电波不规则传播 理论上，收发信机之间距离相同，路径损失也相同。但实测发现，理论上，收发信机之间距离相同，路径损失也相同。但实测发现，收收 发信机之间距离相同的不同方位，接收功率也存在差异，甚至不同时发信机之间距离相同的不同方位，接收功率也存在差异，

49、甚至不同时 刻同一接收点的接收功率也存在差异。刻同一接收点的接收功率也存在差异。这是由于在实际环境中，这是由于在实际环境中，无线无线 电波传播还受到不规则散射体分布影响，电波传播还受到不规则散射体分布影响，在估算路径损失时，应考虑在估算路径损失时，应考虑 不同地区地形地貌因素。地形地貌可能从平坦的平原地区到高耸的山不同地区地形地貌因素。地形地貌可能从平坦的平原地区到高耸的山 地，而树木、建筑物和其他障碍物在计算时也应考虑。已有很多经验地，而树木、建筑物和其他障碍物在计算时也应考虑。已有很多经验 模型用于预测不规则地形的路径损失，如模型用于预测不规则地形的路径损失，如 Durkin模型、模型、O

50、kumura 模型模型 和和Hata模型等模型等 反射反射 当电波传播中遇到两种不同介质的界面，且界面尺寸比电波波长大得当电波传播中遇到两种不同介质的界面，且界面尺寸比电波波长大得 多时，就会产生反射，如地球表面、大型建筑物、墙壁表面等多时，就会产生反射，如地球表面、大型建筑物、墙壁表面等 界面的反射特性用界面的反射特性用反射系数反射系数表征，定义为反射波场强与入射波场强之表征，定义为反射波场强与入射波场强之 比比 水平极化波和垂直极化波的反射系数分别为水平极化波和垂直极化波的反射系数分别为 反射介质复介电常数反射介质复介电常数 j RR e 2 1/2 2 1/2 sin(cos) sin(

51、cos) c h c R 2 1/2 2 1/2 sin(cos) sin(cos) cc v cc R 60 cr j 60 cr j 反射反射 对于频率大于对于频率大于150MHz，入射角小于，入射角小于1度，度， 反射波场强幅度等于入射波场强幅度，但地面反射时会产生反相，即反射波场强幅度等于入射波场强幅度，但地面反射时会产生反相，即 反射波和入射波相位相差反射波和入射波相位相差 直射波与反射波间的路程差直射波与反射波间的路程差 由路程差和反相引起的附加相移由路程差和反相引起的附加相移 接收信号场强接收信号场强 直射波和反射波的合成场强随反射系数和路程差变化，时而同相相加，直射波和反射波的

52、合成场强随反射系数和路程差变化，时而同相相加， 时而反相相减，造成合成波衰落时而反相相减，造成合成波衰落 60 cr j 1 hv RR 2222 1212 12 ()()()() 2/() trtr tr dabc ddhhddhh hhdd 2/d () 0(1 ) j EER e 绕射绕射 当收发天线之间的路径被尖锐的边缘阻挡时会发生当收发天线之间的路径被尖锐的边缘阻挡时会发生绕射。绕射。根据根据Huygens原原 理，波前的所有点可看成是产生二次波的源，由这些源产生的所有子波在理，波前的所有点可看成是产生二次波的源，由这些源产生的所有子波在 传播方向上会形成一个新的波前，分布于整个空间

53、，传播方向上会形成一个新的波前，分布于整个空间，包括阻挡物的背面包括阻挡物的背面 (绕过阻碍物绕过阻碍物) 当收发天线之间不存在直视路径时，围绕阻碍物也会产生波的弯曲当收发天线之间不存在直视路径时，围绕阻碍物也会产生波的弯曲 在高频段，绕射效应与阻碍物的形状和绕射点入射波的振幅、相位和极化在高频段，绕射效应与阻碍物的形状和绕射点入射波的振幅、相位和极化 方式有关方式有关 直射波与绕射波的程差直射波与绕射波的程差 绕射系数绕射系数 相位差相位差 21 21 2 2 )( dd ddh 21 21 )(2 dd dd h 2 2 dteE j E tj d 2 2 1 0 2 1 散射散射 在电波

54、传播的介质中存在小于波长的物体，且单位体积内阻碍物在电波传播的介质中存在小于波长的物体，且单位体积内阻碍物 的个数非常多时，会发生的个数非常多时，会发生散射散射 散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体上，在实际通散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体上，在实际通 信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射 Rayleigh准则：表面隆起临界高度准则：表面隆起临界高度 散射损失因子散射损失因子 其中其中 是表面高度相对于平均表面高度的标准差，是表面高度相对于平均表面高度的标准差， 是第一类零是第一类零 阶阶Bessel函数函数 i c h

55、 sin8 2 0 2 ) sin (8) sin (8exp ihih s J h 0. J 地面实际应用地面实际应用 在地面实际应用中，电波传播受环境因素和人为因素影响在地面实际应用中，电波传播受环境因素和人为因素影响 环境因素环境因素 自然地形自然地形(高山、丘陵、平原、水域高山、丘陵、平原、水域) 地物分布、密度、材质地物分布、密度、材质 地貌植被地貌植被 气候条件气候条件 人为因素人为因素 市区、郊区、农村市区、郊区、农村 地面实际应用地面实际应用 将阻碍物引起的传播损耗称为绕射损耗：与将阻碍物引起的传播损耗称为绕射损耗：与菲涅尔余隙菲涅尔余隙有关有关 正余隙、负余隙正余隙、负余隙

56、第一菲涅尔半径第一菲涅尔半径 11212 /()xd ddd 地面实际应用地面实际应用 隔墙阻挡：隔墙阻挡：5-20dB 楼层阻挡：楼层阻挡：20dB 室内损耗：室内损耗：1.9dB/层层 家具损耗：家具损耗：2-15dB 厚玻璃损耗：厚玻璃损耗：6-10dB 火车车厢损耗：火车车厢损耗：15-30dB 电梯穿透损耗：电梯穿透损耗：30dB 茂密树叶损耗：茂密树叶损耗：10dB 电波在建筑物内部传播会产生电波在建筑物内部传播会产生穿透损耗穿透损耗 地面实际应用地面实际应用 地形地物对电波传播的影响效应地形地物对电波传播的影响效应 地形分类地形分类 中等起伏地形：中等起伏地形：在地形剖面上地面起

57、伏高度不超过在地形剖面上地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰，且起伏缓慢，峰 点与谷点之间的水平距离大于起伏高度点与谷点之间的水平距离大于起伏高度 不规则地形：不规则地形：丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形 地物分类地物分类 第一类：第一类：开阔地：在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开开阔地：在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开 阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等 第二类：第二类：郊区：在靠近终端近处有障碍物但不稠密，如有少量低层房屋或郊区：在靠近终端近处有障碍物但不稠密，如有少

58、量低层房屋或 小树林等小树林等 第三类：第三类：市区：有较密集的建筑物和高层楼房市区：有较密集的建筑物和高层楼房 地面实际应用地面实际应用 地形波动高度定义地形波动高度定义 天线有效高度定义天线有效高度定义 地面实际应用地面实际应用 市区环境：市区环境：传播损耗与电波频率、传播距离有关；不同天线高度能获传播损耗与电波频率、传播距离有关；不同天线高度能获 得不同的增益得不同的增益 地面实际应用地面实际应用 郊区和开阔地环境：郊区和开阔地环境：传播损耗与电波频率、传播距离有关；不同天线传播损耗与电波频率、传播距离有关；不同天线 高度能获得不同的增益高度能获得不同的增益 郊区场强中值与基准场强中值之

59、差称为修正因子，郊区修正因子、开郊区场强中值与基准场强中值之差称为修正因子，郊区修正因子、开 阔地、准开阔地修正因子如图阔地、准开阔地修正因子如图 地面实际应用地面实际应用 丘陵环境：丘陵环境：不同地形参数对应的修正因子如图不同地形参数对应的修正因子如图 地面实际应用地面实际应用 斜坡地形和水陆混合路径环境：斜坡地形和水陆混合路径环境：不同地形参数对应的修正因子如图不同地形参数对应的修正因子如图 阴影衰落阴影衰落 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被(高大的树林高大的树林)等障碍等障碍 物的遮挡时，会产生电磁场的阴影物的遮挡时，会产生电磁场的

60、阴影 当移动终端通过阴影区域时，接收场强的中值会变化，由此形成的衰当移动终端通过阴影区域时，接收场强的中值会变化，由此形成的衰 落就是阴影衰落。落就是阴影衰落。阴影衰落变化速率慢，又称为慢衰落、长期衰落阴影衰落变化速率慢，又称为慢衰落、长期衰落 慢衰落效应取决于传播环境，包括接收天线周围地形、山丘起伏、建慢衰落效应取决于传播环境，包括接收天线周围地形、山丘起伏、建 筑物分布与高度、街道走向、天线位置与高度、移动速度、电波频率筑物分布与高度、街道走向、天线位置与高度、移动速度、电波频率 等等 阴影衰落阴影衰落 阴影衰落会使预测的路径损失产生很大变化阴影衰落会使预测的路径损失产生很大变化 阴影衰落