无线电波传播特性资料课件

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1、第四章 无线电波传播特性,华北电力大学电子系 赵建立 2011年,主要内容,无线电波传播特性分析 移动无线信道及特性参数 移动环境下的信道分析 其他无线信道,4.1 无线电波传播特性,移动通信环境下场强变化剧烈 场强变化的平均值随距离增加而衰减 场强特性曲线的中值呈慢速变化-长期慢衰落（大尺度路径损耗传播模型） 由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的。 场强特性曲线的瞬时值呈快速变化-短期快衰落（小尺度多径衰落传播模型） 由收发信双方的相对运动和环境地点的变化而产生。,大尺度衰落与小尺度衰落,衰落特性的算式描述,衰落特性的算式描述 式中，r(t)表示信道的衰落因子

2、；m(t)表示大尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落。,图41 无线信道中的大尺度和小尺度衰落,接收功率,信道的分类,信道的分类 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为 根据信号与信道变化快慢程度的比较分为,大尺度衰落与小尺度衰落,多径传播,陆地室外移动信道的主要特征是多径传播。 传播过程中会遇到很多建筑物，树木和以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射，散射及绕射等，这样，移动信道是充满了反射波的传播环境。 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。 由于电波通过各个路径的距离不同，因而个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。 不同

3、相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而加强，有时反向迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。 这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。,多径传播模型,无线电传播特性的研究,考虑问题 衰落的物理机制 功率的路径损耗 接收信号的变化和分布特性 应用成果 传播预测模型的建立 为实现信道仿真提供基础 基本方法 理论分析方法（如射线跟踪法） 应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预 测模型 现场测试方法（如冲激响应法） 在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统 计分析，来建立预测模型,4.2 电波的传播方式,自由空间的电波传播,自由空间的传播损耗 在理

4、想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗 接收功率 式中，Pt为发射功率，以球面波辐射， ，为工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。 自由空间的传播损耗 当Gt=Gr=1时， 分贝式 接收换算,反 射,理想介质表面的反射 极化特性 多径信号 两径传播模型 多径传播模型,理想介质表面的反射,如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来 反射系数（R） 入射波与反射波的比值 入射角 式中 (垂直极化） （水平极化） 而 其中，为介电常数，为电导率，为波长。,极 化 特 性,极化：电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和

5、幅度随时间变化的状态。 电磁波的极化形式： 线极化、圆极化和椭圆极化。 线极化的两种特殊情况 水平极化（电场方向平行于地面） 垂直极化（电场方向垂直于地面） 极化反射系数： 对于地面反射，当工作频率高于150MHz（ ）时， ，算得 应用 接收天线的极化方式同被接收的电磁波的极化形式一致 时，才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配 不同极化形式的天线也可以互相配合使用,地面二次效应 可忽略,直射波,反射波,地表面波 可忽略,直射波,反射波,图4-2 两径传播模型,发射天线,接收天线,多 径 信 号,两径传播模型,多径传播模型,移动通信环境的场强测试曲线,阴影衰落的基本特性,阴影衰落（慢衰落）

6、 移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应 特点 衰落与传播地形和地物分布、高度有关 表达式 传播路径损耗和阴影衰落 分贝式 式中, r 移动用户和基站之间的距离 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差dB的对数正态分布 m 路径损耗指数 实验数据表明m4，标准差8dB，是合理的,4.2 移动无线信道及特性参数,多径衰落的基本特性 多普勒频移 多径信道的信道模型 描述多径信道的主要参数 多径信道的统计分析 多径衰落信道的分类 衰落特性的特征量,1、多径衰落的基本特性,幅度衰落 接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落

7、 空间角度 模拟通信系统的主要考虑对象 原因 本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落 地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落 时延扩展 接收信号中脉冲的宽度扩展 时间角度 数字通信系统的主要考虑对象 原因 信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号。,2、多 普 勒 频 移,原因 移动体在x轴上以速度v移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移 表达式 多普勒频移 cos 式中 v 移动速度 波长 v 入射波与移动台移动方向之间的夹角 最大多普勒(Doppler)频移 说明 多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹

8、角有关： 若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。 信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。,入射电波,3、多径信道的信道模型,原理 多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。 将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性 推导冲击响应 只考虑多径效应 再考虑多普勒效应 多径和多普勒效应对传输信号的影响 多径信道的冲击响应,只考虑多径效应,传输信号 假设第i径的路径长度为xi、衰落系数（或反射系数）为 接收信号

9、式中，c为光速；为波长。 又因为 所以 式中 为时延。 实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时 延都不同的各个路径的总和。,再考虑多普勒效应,考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应 设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为 路径的变化量 输出复包络 简化得 （） 其中， 为最大多普勒频移。,在相位中 不可忽略,数量级小 可忽略,多径信道的冲击响应,多径和多普勒效应对传输信号的影响 令 式中 代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟 在任何时刻t，随机相位 都可产生对 的影响，引起多径衰落。 冲击响应 由（）式得 冲击响应 式中， 、 表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位

10、包含了在第i个增量延迟内一 个多径分量所有的相移； 为单位冲击函数。 如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不变性，信道冲击响应可以简化为 此冲击响应完全描述了信道特性，相位 服从 的均匀分布,多径延迟影响,多普勒效应影响,4、描述多径信道的主要参数,由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。 通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散 多径信道的主要参数 定量描述这些色散时常用的一些特定参数,功率延迟分布 PDP,时间色散,多普勒功率谱密度 DPSD,角度谱 PAP,频率色散,角度色散,功率延迟分布（PDP） 基于固定时延

11、参考 的附加时延 的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到 市区环境中近似为指数分布 式中，T是常数，为多径时延的平均值 时间色散特性参数 平均附加延时 rms时延扩展 其中 最大附加延时扩展(XdB) 高于某特定门限的多径分量的时间范围，即多径 能量从初值衰落到低于最大能量(XdB)处的时延 图2-5中， 为归一化的最大附加延时扩展(XdB)； 为归一化平均附加延时； 为归一化rms时延扩展,图2-5 典型的归一化时延扩展谱,时间色散参数,从时延扩展角度说明相关带宽,两径情况 接收信号 等效网络传递函数 信道的幅频特性 当 时，信号同相叠加，出现峰点 当 时，信号反相相减，出现谷点 相邻

12、两个谷点的 ,两相邻场强 为最小值的频率间隔与两径时延 成反比 多径情况 应为rms时延扩展 是随时间变化的，可由大量实测数据经过统计处理计算出来 说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关,图2-6 两径信道模型,图2-7 通过两径信道的接收信号幅频特性,从包络相关性角度推导相关带宽,设两个信号的包络为 和 ， 频率差为 ，则 包络相关系数 此处，相关函数 若信号衰落符合瑞利分布，则 式中， 为零阶Bessel函数， 为最大多普勒频移。 不失一般性，可令 ，简化后 通常，根据包络的相关系数 来测度相关带宽 代入得 相关带宽 (),衰落的分类及判定,判定 由信道和信号两方面决定,数字通信系统

13、,信号带宽小于信道相关带宽 BsBc,信号带宽远大于信道相关带宽 BsBc,平坦衰落,频选衰落,码间干扰,频 率 色 散,频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相关时间是与多普勒扩展相对应的参数 时变特性 原因 移动台运动或信道路径中的物体运动 用普勒扩展和相关时间来描述 多普勒扩展 （功率谱） 相关时间 相关时间是信道冲激响应应维持不变的时间间隔的统计平均值，即在此间隔内信道特性没有明显的变化。 表征了时变信道对信号的衰落节拍 推导相关时间 时间选择性衰落,推导相关时间,从多普勒扩展角度 时间相关函数与多普勒功率谱之间是傅立叶变换关系 所以多普勒扩展的倒数就是对信道相关时间的度量，即 此时入

14、射波与移动台移动方向之间的夹角=0 式中 为多普勒扩展（有时也用 表示），即多普勒频移。 从包络相关性角度 通常将信号包络相关度为0.5时的时间间隔定义为相关时间 ,包络相关系数 令 ， =0.5 推出,时间选择性衰落,时间选择性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，即信道在时域具有选择性 要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真，就必须保证传输符号速率远大于相关时间的倒数 在现代数字通信中，常规定 为上页两式的几何平均作为经验关系,码元间隔大于信道相关时间 TsTc,时选衰落,误码,5多径信道的统计分析,主要讨论多径信道的包络统计特性。 接收信号的包络根据不同的无线环境

15、一般服从 瑞利分布 莱斯分布,瑞 利 分 布,环境条件 通常在离基站较远、反射物较多的地区符合 （如下图） 发射机和接收机之间没有直射波路径 存在大量反射波，到达接收天线的方向角随机,且02均匀分布 各反射波的幅度和 相位都统计独立,Play,接收信号的幅度相位分布,瑞利分布的概率分布密度,包络 r 服从瑞利分布，在02内服从均匀分布 瑞利分布的均值 瑞利分布的方差,莱斯分布的环境条件,直射系统中，接收信号中有视距信号成为主导分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上 非直射系统中，源自某一个散射体路径的信号功率特别强,Play,莱斯分布的概率密度函数,概率密度函数 式中, A是主信号的峰值 I0()是0阶第一类