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1、数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输206第第 6 章章 衰落多径信道上的数字信号传输衰落多径信道上的数字信号传输引言：着重讨论陆地移动通信中的信道及数字信号传输问题引言：着重讨论陆地移动通信中的信道及数字信号传输问题本章内容：本章内容：6.1 移动无线信道（课本移动无线信道（课本 14.1 和和 14.2 节）节）6.2 在频率非选择性慢衰落信道上二进制数字信号传输（在频率非选择性慢衰落信道上二进制数字信号传输（14.3 节）节）6.3 多径衰落信道的分集技术（课本多径衰落信道的分集技术（课本 14.4 节）节）6.4 在频率选择性慢衰落信道中数字信号传输（课本在频率选
2、择性慢衰落信道中数字信号传输（课本 14.5 节）节）6.1 移动无线信道移动无线信道本节讨论：本节讨论：1. 移动无线信道的特性移动无线信道的特性(6.1.1)2. 信道的数学描述（信道的数学描述（6.1.2）3. 信道的分类（信道的分类（6.1.3）4. 移动信道的模型（移动信道的模型（6.1.4）数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输2076.1.1 移动无线信道的特性（物理信道）移动无线信道的特性（物理信道） 引言：引言：1.物理描述物理描述 侧重于定性、概念性描述侧重于定性、概念性描述侧重于说明信道对信号传输的影响（衰落）侧重于说明信道对信号传输的影响（衰落）2.
3、移动通信媒质（电磁波传播环境）移动通信媒质（电磁波传播环境）移动无线通信所传送的信息是通过移动无线通信所传送的信息是通过电磁波承载在空中传播电磁波承载在空中传播来实现的。来实现的。电磁波传播的途径就是无线信道，这种信道是一种开放性信道。电磁波传播的途径就是无线信道，这种信道是一种开放性信道。电磁波的传播特性就决定了无线信道的特性。电磁波的传播特性就决定了无线信道的特性。而电磁波的而电磁波的传播特性传播特性与电磁波的与电磁波的传播机制传播机制有密切关系。有密切关系。1. 电磁波的传播机制电磁波的传播机制最简单的情况最简单的情况自由空间传播，即视距传播。这是一种直射直射的传播机制。例：卫星通信系统
4、和微波通信系统的无线视距链路中。电磁波在自由空间中。22d f传播路径损耗根据自由空间的路径损耗可以对视距无线链路进行设计。移动通信系统中电磁波的传播环境（或通信媒质）比较复杂：移动通信系统中电磁波的传播环境（或通信媒质）比较复杂：基站天线：30100 米，移动台天线 14 米通信媒质：大气，地形，自然物，建筑物，天气等在移动通信系统中，电磁波的传播会遇到各种障碍物，同时移动台运动过程中电磁波的传播环境也在不断变化。因此，在移动通信系统中，电电磁波的磁波的传传播机制通常不是自由空播机制通常不是自由空间间的的视视距距传传播，而是播，而是反射反射(reflection)、 、绕绕射射(diffra
5、ction)和散射和散射(scattering)等三种基本的等三种基本的传传播播数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输208机制。机制。反射反射当电磁波传播时遇到尺寸比波长尺寸比波长大得多的物体表面大得多的物体表面时，会发生反射现象。如地球表面、建筑物和墙壁表面都绘引起电磁波的反射。绕绕射射当发射天线与接收天线之间存在密度比较大且尺寸比波长密度比较大且尺寸比波长大的物大的物体，就会在阻挡物的后面产生次级波产生次级波，也就是说电磁波“绕过”障碍物继续传播，这种现象称为绕射。当收发两端天线不存在视距路径（被障碍物遮挡）时，电磁波通过绕射仍能到达接收机。散射散射当电磁波传播时遇到
6、大的粗糙的表面，或尺寸与波长大的粗糙的表面，或尺寸与波长相当相当的物体表面时，电磁波的能量会发生散射或向各个方向反射。例如，引起电磁波散射的物体有路灯、街道路标、树叶路灯、街道路标、树叶等。2. 衰落的类型衰落的类型由以上对电磁波的传播机制分析可知：电磁波从发射天线到接收天线可通过直射，反射，绕射，散射，等多条路径。电磁波传播特性除了在自由空间中基本的传播特性外，电磁波的传播受到周围复杂而变化环境的影响。也就是说，电磁波的传播环境具有复复杂杂性、性、时变时变性和性和随机性随机性，这就决定了电磁波的传播特性（无线信道的特性）是复杂的并且随机电磁波的传播特性（无线信道的特性）是复杂的并且随机时变的
7、，它属于变参信道。时变的，它属于变参信道。由于该信道具有多径和衰落的特点，故又称为由于该信道具有多径和衰落的特点，故又称为多径多径衰落信道衰落信道(Multipath Fading)。通常采用理论上的统计方法统计方法与实验测试实验测试相结合来建立无线信道的数学模型。然后根据信道的模型来对移动无线通信系统进行理论研究、系统设计和性能分析。数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输209观察一移动台接收信号场强的测试记录(假如发射单音假如发射单音)，如图所示。r(x) dB 或 r(t)x 或 t x=vtm(t)接收信号电平可以表示为00( )( ) ( )( )( ) ( )r
8、 tm t r tr xm x r x或式中，为称为大尺度大尺度（Large-scale）衰落分量衰落分量（有时称为局部均局部均值值，)(tm或长长期衰落期衰落（几十米）（几十米） ，称为小尺度小尺度(small-scale)衰落分量衰落分量（或短期衰落短期衰落） （几米）（几米） ，信信)(0tr号处理（均衡、检测、估计）研究所依据的是小尺度衰落，一两秒时间持续。号处理（均衡、检测、估计）研究所依据的是小尺度衰落，一两秒时间持续。x 表示移动台的位移，v 表示移动台运动的速度。可见，移动无线信道的衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落两种类型。衰落的特性与电磁波的传播环境和三种基本的传播机制都有密
9、切的关系。在移动无线系统中：大尺度衰落大尺度衰落与宏观环境及其变化密切相关，它随时间(或位移)而缓慢变化；小尺度衰落小尺度衰落与微观环境及其变化密切相关，它随时间(或位移)快速变化。下面讨论：下面讨论： 1）大尺度衰落大尺度衰落（或慢衰落？）本节介绍（或慢衰落？）本节介绍2）小尺度衰落小尺度衰落（或快衰落？）（或快衰落？）后续小节重点分析后续小节重点分析3）噪声与干噪声与干扰扰本节介绍本节介绍数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输2103. 大尺度衰落大尺度衰落大尺度衰落可以由传传播路径播路径损损耗耗（可称为大尺度路径大尺度路径损损耗耗）来描述，包括：平均路径平均路径损损耗
10、耗和阴影阴影。对对平均路径平均路径损损耗耗影响有两个主要因素：影响有两个主要因素：一是基本因素一是基本因素，如电磁波的工作频率（f） ，发射和接收天线的高度(和) thrh，收发两天线之间的距离（d）等。二是二是环环境因素境因素（主要是环境的类型） ，与传播路径的宏观环境有关与传播路径的宏观环境有关。宏观环境对电磁波传播路径损耗的影响称为宏观环境对电磁波传播路径损耗的影响称为阴影效阴影效应应。宏观环境包括：自然自然环环境境（开阔区，平地，丘陵，山地等地形形状以及天气状况） ；人人为环为环境境（乡村，准郊区，郊区，城区，建筑物，树木等） 。非自由空间的环境因素使得传播路径损耗变大，与距离 d 的
11、 n 次方成正比，n 为路径路径损损耗指数耗指数，它与环境的类型有关，取值范围是)(nd。62n例如：自由空间，2n市区蜂窝，5 . 36 . 2n市区蜂窝阴影，53n被建筑物阻挡。64n数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输211在移动无线通信中，发送与接收天线之间电磁波传播路径经常遇到大的障碍物（如高楼、树木、山丘等） ，阴影效应是很明显的。阴影阴影 shadowing 表示在相同距离条件下，不同位置周围环境的差异引起的表示在相同距离条件下，不同位置周围环境的差异引起的路径路径损损耗的偏差耗的偏差。 。由于环境差异的随机性，因此路径损耗偏差是一个随机变量随机变量。通过大
12、量的测试和统计分析表明通过大量的测试和统计分析表明大尺度衰落大尺度衰落是一个随机过程是一个随机过程，任一时，任一时)(tm刻的幅度刻的幅度 m 是个是个服从对数正态分布服从对数正态分布随机变量。随机变量。若定义新的随机变量，则其概率密度函数为mXln22() /21( ) , (-)2xp xex 随机变量 X 是表示大尺度衰落的路径大尺度衰落的路径损损耗耗，均值为平均路径平均路径损损耗耗，为路径损耗的标标准偏差准偏差，它们都以为单位。对于典型的蜂窝环境，的取值范围dB是 512。dB现在已经建立了考虑大尺度衰落各种影响因素的平均路径损耗模型平均路径损耗模型。例如，在大城市使用的哈塔（哈塔（H
13、ata）模型）模型，其平均路径损耗可以表示为(dB)69.55 26.16log13.82log( ) (44.9 6.55log)logrttfha hhd(14-1-29) 式中，f 是以 MHz 为单位的工作频率（150 f 1500MHz） ，是以米（m）为单位的发射天线高度(m)，th20030th是以 m 为单位的接收天线高度(m)，rh101thd 是以公里（km）为单位的发射机与接收机之间的距离（km） 。201 d是移动天线的修正因子，其数值与环境有关，对大城市为)(rha数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输2122( )3.2(log11.75 )4.
14、97, 400MHzrra hhf因此，大尺度衰落是由无线信道的阴影效应引起的，并服从对数正态分布。因此，大尺度衰落是由无线信道的阴影效应引起的，并服从对数正态分布。数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输2134.4. 小尺度衰落小尺度衰落小尺度衰落与小尺度衰落与电电磁波磁波传传播的微播的微观环观环境有关境有关:电磁波从发射天线到接收天线可通过反射，绕射和散射等多种方式和多条多种方式和多条路径路径到达，而且移动无线终端的运动造成微观环境的快速变化运动造成微观环境的快速变化，每条路径达到的信号的幅度和时延（或时延产生的附加相移）都随时间而快速随机变化，合合成的成的接收信号包络
15、快速衰落接收信号包络快速衰落以及以及频率发生偏移频率发生偏移。这种微微观环观环境境对对接收信号的影响接收信号的影响称为移动无线信道的多径效多径效应应和多普勒效多普勒效应应。小尺度衰落又称为多径衰落或散射衰落等。相对比较而言，大尺度衰落是慢衰落，而小尺度衰落是快衰落。而小尺度衰落是由移动无线信道的多径效应和多普勒效应引起的。通常以接收信号的统计特性来描述小尺度衰落。通常以接收信号的统计特性来描述小尺度衰落。研究表明，接收信号的包研究表明，接收信号的包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。我们将在后面对此进行详细分析讨论。小结：衰落传播环境因素影响统计描述大尺度衰落大
16、尺度衰落宏观环境及其变化 （阴影效应）传传播路径播路径损损耗耗服从对对数正数正态态分布分布 均值：平均路径平均路径损损耗耗（基本因素、环境因素） 标准偏差：阴影阴影小尺度衰落小尺度衰落微观环境及其变化 （多径效应和 多普勒效应）接收信号统计特性： 包络服从瑞利分布瑞利分布 相位服从均匀分布均匀分布数字通信辅导材料 第 6 章 衰落多径信道上的数字信号传输2145. 关于小尺度衰落（快衰落）几种情况的分析关于小尺度衰落（快衰落）几种情况的分析引出“多普勒频率（移）多普勒频率（移）”和和“衰落频率衰落频率”的概念Dfdf设射频频率为，移动台以速度运动tf1）移动台周围无散射体）移动台周围无散射体( 单径传播单径传播 LOS)(射频) tftx 接收 机接收信
