第2章移动信道精.ppt

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1、第2章移动信道第1页，本讲稿共115页2.1 引言引言 n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。n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。n对移动信道进行研究的基本方法有三种：理论分析、现场电波传播实测、移动信道的计算机模拟移动信道是连接发射机和接收机的媒介，其特性决定了信息论的容量，也决定了移动系统的表现。所以，理解移动信道是非常必要的。本章将回答传播的电磁现象传播的电磁现象，以及他们如何影响每一个多径分量多径分量（MultiPathComponent,MPC)。分析信道参数的统计规律，即不关心功率或场强如何

2、被特定的多径分量影响，而在于描述信道参数到达某个值得概率信道参数到达某个值得概率。本章最后给出链路计算链路计算的原理和方法第2页，本讲稿共115页 n移动环境中电波传播特性研究的结果往往用下述两种方式给出：q对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。q建立电波传播模型。n为解决移动通信系统的设计问题，必须搞清三个问题：q无线电信号在移动信道中可能发性的变化以及发生这些变化的原因。q对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响。q有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响。第3页，本讲稿共115页2.2 无线电波基本传播特性无线电波基本传播特性 n一、无线电波传播方式无线电波传播

3、方式 无线电波从发射机天线发出，可以沿着不同的途径和方式到达接收机天线。主要电波传播方式有地面波传播、天波传播、直射波传播以及地面反射波，见下图。第4页，本讲稿共115页（1）地面波传播 电波沿着地球表面传播的方式，要求天线的最大辐射方向沿地面，采用垂直极化。地面波的传播损耗随着频率升高急剧增加，传播距离迅速减小，在VHF和UHF频段，可以忽略（2）天波传播 从天线发射向高空的电波在电离层内被连续折射而返回地面到达接收天线的传播方式，以短波为主，可数千公里远距离传播。电离层特性的随机变化，天波信号的衰落现象比较严重第5页，本讲稿共115页（3）直射波传播从发射天线发出的电波直接到达在视距内的接

4、收天线的传播方式，又称视距传播，为VHF和UHF频段的主要传播方式（4）地面反射波 从发射天线发出经过地面反射到达接收天线的电波。在视距传播中，直射波与地面反射波之间的干涉构成对信号传播的主要影响，从而也成为地面移动通信中影响信号传播的重要因素第6页，本讲稿共115页二、自由空间电波传播自由空间电波传播-发射天线和一个接受天线存在于自由发射天线和一个接受天线存在于自由空间中空间中 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分别等于真空介电常数和真空磁导率。第7页，本讲稿共115页自由空间是电波传播的最简

5、化模型 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。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，程度因具体传播环境不同而不同。如果传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略，则这种条件下的电波传播可认为是自由空间传播。第8页，本讲稿共115页自由空间的传播损耗 示意图第9页，本讲稿共115页自由空间的传播损耗n在自由空间传播条件下，接收信号功率Pr可用下式计算：为发射天线的增益 qr是接收天线增益，是波长，d为传播距离。上式Friis定律，第二项也称“自由空间损耗因子”第10页，本讲稿共115页n在工程上，通常用传输损耗来

6、表示电波通过传输媒质时的功率损耗。将发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称系统损耗。可得出传输损耗Ls的表达式为：第11页，本讲稿共115页n损耗常用分贝表示。由上式可得式中，距离d 以km为单位，频率f 以MHz为单位。也可表示为：第12页，本讲稿共115页自由空间路径损耗nLbs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（增益系数G=1的天线）之间的传输损耗。应该指出，Lbs与收、发天线增益无关，仅与频率和距离有关。Lbs反映的确实是传输信道的特征。第13页，本讲稿共115页自由空间损耗是扩散损耗n自由空间是不吸收电磁能量的理想介质

7、。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，而大部分能量都散失掉了，自由空间损耗正反映了这一点。n当f或d扩大一倍时，Lbs均增加6dB。第14页，本讲稿共115页三、三、平滑表面反射平滑表面反射（1）反射系数：入射波与其反射波的复振幅比值称为反射系数。第15页，本讲稿共115页n反射系数与入射角，电波极化方式和反射介质的特性有关。用公式表示为：其中反射介质的复介电常数第16页，本讲稿共115页表1 典型介电常数和电导率 介质介电常数(F/m)电导率(S/m)

8、铜15.8*107海水804淡水800.001郊区地面140.01市区地面30.0001地面（平均）150.005第17页，本讲稿共115页典型地面传播两径模型 在简化条件下，地面电波传播的典型模型是一个两径模型：由基站天线与移动台天线之间的直射波和两者之间经过地面的反射波组成第18页，本讲稿共115页当传播路径远大于天线高度时，并假设一定的简化条件，接收天线B处的总场强为 这里，是反射路径与直射路径的相位差，它与两者路径差的关系为第19页，本讲稿共115页反射公式当 时，可以推出近似公式 该公式称为反射公式，可用于典型地面传播环境中的场强计算。上式可以写成 其物理意义是，相对于自由空间单径传

9、播的场强 ，两径模型的场强 E 相当与乘了一个衰减因子A。第20页，本讲稿共115页四、光滑球面上电波传播（地球上的两径模型）n地球是一个球面体。当基站天线较高、覆盖范围较大时，对于地面反射波应该考虑球面的影响。n此时，将两径模型的反射面由平面变成球面更接近实际传播环境。求解的思路是将球面等效成光滑平面，并应用前面的结论，如图所示。第21页，本讲稿共115页第22页，本讲稿共115页n应用平面大地反射公式得到接收天线处场强为n实 际 情 况 是 地 球 半 径 很 大，经 简 化 可 以 推 导 出 第23页，本讲稿共115页五、大气中电波传播（“标准大气”）n假设电波沿直线传播，在均匀大气中

10、是正确的。而实际无线信道，电波是在对流层中传播。大气的温度、湿度和压力都随着地区和高度的不同而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、散射以及吸收的现象，（1）折射的基本概念n当电磁波从一种介质射入另一种介质时，传播方向会发生变化，这就是所谓折射现象，如图所示。其中 是入射波与反射面法线间的夹角，称为入射角；是折射波与法线间的夹角，称为折射角。第24页，本讲稿共115页折射现象第25页，本讲稿共115页折射率n折射定律表明，入射角的正弦与折射角的正弦成比例，即有 比例因子 与介质有关，称为介质2对介质1的相对折射率。当电磁波从真空射入某种介质时，所得到的折射率称为该介质的绝对折射率，或简称为折

11、射率第26页，本讲稿共115页大气折射指数n大气折射率n通常很接近与1。为了方便，工程上引入大气折射指数N与大气温度、压强和水蒸气压强的关系为 式中，T为绝对温度，单位卡尔文；e为水蒸气压强，单位毫巴；P为大气压强，单位毫巴。第27页，本讲稿共115页（2）大气折射 在大气对流层中，当高度不同时，参数T，e和P都会变化，因而大气折射率也随高度变化。这就导致电波在对流层中传播时会不断发生折射，从而传输轨迹弯曲，这种现象称为大气折射。当天线较高，电波覆盖面积较大时，计算电波传播问题就不能忽略大气折射的影响。工程上用等效的方法来处理，即将电波弯曲传播等效成直线传播。这就需要引入等效地球半径的概念。大

12、气折射率的变化对雷达定位、多普勒测速和红外光传输的有重要影响。17世纪物理学家卡西尼建立了大气折射理论吗9世纪ARAGO对大气折射率进行了测量；1981年Jones发现除了温度和气压，二氧化碳对折射率的影响，82年Matsumito指出水汽对近红外波段的吸收导致反常的折射效应，1994年，Birch对大气折射率公式进行多次修正，之后Rueger对可见光波段和近红外波段计算公式进行了修正和化简第28页，本讲稿共115页大气折射示意图 第29页，本讲稿共115页q设想将对流层大气分成许多很薄的与地球同心的球层，层高为h，如图所示。电波从A点由下层射入相邻的上层，入射角为。由于高度不同，折射率发生变

13、化，分别为n和n+n，并引起折射，折射角为+。q 求电波传播曲线在A点处的曲率半径。设电波在上一层中传播到B点，作A点和B点的法线交于O 点。当AB长度趋近于零时，O A的极限位置就是A点的曲率半径。q应用折射定理，并考虑简化 条件，可以得到其中分母是折射率n随高度变化的梯度第30页，本讲稿共115页等效地球半径n电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效，如图所示。第31页，本讲稿共115页所谓等效就是直线传播轨迹上任一点到等效地面的距离与曲线传播轨迹上的相应点到实际地面的距离相等。根据几何学原理，如果两组曲线的曲率之差相等，则它们之间的距离相等，可

14、得第32页，本讲稿共115页等效地球半径系数n定义K为等效地球半径系数等效地球半径与实际地球半径的关系为可以看出，等效地球半径系数与大气折射率随高度变化的梯度 有关第33页，本讲稿共115页大气折射的类型第34页，本讲稿共115页大气折射的类型n无折射无折射：大气是均匀的，电波沿直线传播，n负负折折射射：大气折射率随着高度的增加而增加，电波传播向上弯曲，n正正折折射射：大气折射率随着高度的增加而减少，电波传播向下弯曲。正折射分为三种情况：（i）标准大气折射标准大气折射：,在标准大气折射下的等效地球半径 。（ii）临界折射;（iii）超折射第35页，本讲稿共115页(3)视距传播的极限距离 n由

15、于地球表面的弯曲，视线传播有一个极限距离。并且，视线传播是一种远距离传播，必须考虑大气折射。应该采用等效地球半径。第36页，本讲稿共115页n可以得到A和B的距离为在标准大气折射的情况下，Re=8500Km，上式化简得到视距传播的极限距离为式中，h1和h2的单位是米，d的单位是千米第37页，本讲稿共115页六、粗糙不平坦地面上电波传播 n以上讨论，将地面假设为光滑的，对电波的反射是理想的镜面反射。实际传播环境中地面都是起伏不平的。镜面反射仅在一定条件下存在。n工程中要解决的问题是，在什么条件下，可以认为地面会引起理想的镜面反射；在什么条件下必须将地面看为是粗糙不平坦的。n这个问题与多种因素有关

16、，其中主要是工作频率和地面起伏程度。第38页，本讲稿共115页粗糙地面简化模型 第39页，本讲稿共115页n假设有如图中所示的由两个平行面构成的地面，高度差为h。现在分析两条平行的射线分别经过地面凹底部分反射和凸起部分反射后的行程差。所谓行程差就是射线从波阵面A到波阵面B所经过的路径。这里，还假设电波为平面波，入射角为。n瑞利准则，可以得出光滑地面应该满足的条件是 n可以推出 第40页，本讲稿共115页七、障碍物的影响及绕射损耗 在实际陆地无线通信中，发射与接收之间的传播路径上，往往有山丘、建筑物、树木等障碍物存在。此时，电波根据绕射原理越过障碍物的，由此而引起的损耗称为绕射损耗。（1）电波传

17、播的费涅尔区 绕射损耗与电波传播费涅尔区的概念紧密相关。由于波动特性，电波从发射端到接收端传播时的能量传送是分布在一定空间内的。费涅尔提出一种简单的方法给出了这种传输空间区域的分布特性。第41页，本讲稿共115页费涅尔区的概念 发射点天线T，接收天线R，发射波球面传播第42页，本讲稿共115页第一费涅尔区n费涅尔区是以收发天线为焦点的椭圆绕长轴旋转而构成的椭球体所占的空间（对第一费涅尔区而言），或者相邻椭球体之差所占的空间（对其他费涅尔区而言）。所谓第费涅尔区就是以上 时所构成的费涅尔区。n第费涅尔区 分布在收发天线的轴线上，是能量传送的主要空间区域。理论分析表明，通过第费涅尔区到达接收天线的

18、电磁波能量约占该天线接收到的总能量的12。如果在这个区域内有障碍物存在，将会对电波传播产生较大的影响。第43页，本讲稿共115页（2）刃形障碍物的绕射 n当障碍物的宽度与其高度相比较很小，称为刃形障碍物。对于刃形障碍物，可以不考虑宽度对电波传播的影响。下图为刃形障碍物对电波传播影响的示意图。n为了衡量障碍物对传播通路影响的程度，定义一个费涅尔余隙费涅尔余隙的概念。如图中所示，障碍物定顶点P到发射端与接受端的连线TR的距离x称为费涅尔余隙。当障碍物阻挡视通时，规定余隙为负；不阻挡视通时，规定余隙为正。第44页，本讲稿共115页费涅尔余隙第45页，本讲稿共115页第一费涅尔区半径n由上图可以推导出

19、，对于第一费涅尔区，n1，其半径为 式中，d的单位是km，的单位是mm，的单位是m。在工程上，根据障碍物的费涅尔余隙与第一费涅尔区在障碍物处横截面半径之比，求出相对于自由空间的绕射附加损耗，并制成图表，如图所示。第46页，本讲稿共115页 绕射附加损耗该图标理论依据？查资料第47页，本讲稿共115页n当 时，障碍物对于直射波的传播基本没有影响，计算可按自由空间处理；n 当 时，直射波低于障碍物的顶点，衰减急剧增加；n当x0，即TR射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗为6dB。第48页，本讲稿共115页2.3 移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 n陆地移动信道的主要特征是多径传播多径传播。

20、传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射。n到达移动台天线的信号是许多路径来的众多反射波的合成。n电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，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，称为多径衰落。第49页，本讲稿共115页n移动信道环境第50页，本讲稿共115页一、概述 n移动信道是一种时变信道。n接收信号功率可表示为：n这些作用有三类。q自由空间传播损耗与弥散。q阴影衰落。q多径衰落。第51页，本讲稿共115页n三种效应表现在不同距离范围内：q在数十波长的范围

21、内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征。这就是多径衰落，其衰落特性符合瑞利分布。（小尺度衰落）q在数百波长的区间内，信号的短区间中值也出现缓慢变动的特征。这就是阴影衰落。在较大区间内对短区间中值球平均可得长区间中值。（大尺度衰落）q长区间中值随距基站的距离而变，其衰减特性一般服从距离的负指数律。它表明的是在以公里计的较大范围内较收信号的变化特性。第52页，本讲稿共115页 陆地移动传播特性 第53页，本讲稿共115页二、多普勒频移 n移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移这里是入射电波与移动台运动方向的夹角（见下图），是运动速度，是波

22、长。上式中，与入射角度无关，是fd的最大值,称为最大多普勒频移。第54页，本讲稿共115页第55页，本讲稿共115页三、多径接收信号的统计特征三、多径接收信号的统计特征 n考虑到多普勒频移，处于运动之中的移动台的接收信号可以表示为：n这里，fD是多普勒频移，0为电波到达相位l 为传播路径长度第56页，本讲稿共115页为了对多径信号作出数学描述，首先给出下列假设：（1）在发信机与收信机之间没有直射波通路；（2）有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，且在02内均匀分布；（3）各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。一般说来，在离基站较远、反射物较多的地区，是符合上述假设的

23、。第57页，本讲稿共115页n在上述假设条件，多径接收信号可以表示为：通过数学推导，可以将接收信号分解成角频率相同的同相和正交两个分量第58页，本讲稿共115页n根据概率论中的中心极限定理，可以推导出多径接收信号的相位和包络（振幅）的概率密度函数，上两式表明，接收信号的相位服从02的均匀分布，接收信号包络服从瑞利分布。第59页，本讲稿共115页有关接收信号包括的统计量 n一阶矩（均值）：二阶矩（均方值，平均功率）：中值：满足P（rrm）=0.5的rm值称为信号包络样本区间的中值最大值发生在r=则信号包络的累积分布函数？第60页，本讲稿共115页瑞利分布概率密度 函数第61页，本讲稿共115页2

24、023/2/20西安电子科技大学信息科学研究所62第62页，本讲稿共115页瑞利分布的理解n多径传播下，接收信号的场强包络的衰落变化服从瑞利分布。在许多实际应用场合，是一个极好的近似n它描述了在没有主导分量的前提下的最差情形，存在大量的衰落陷n它仅仅依赖于一个单一的参数，平均功率。用测量和预测的方法获得这一单一参数比在其他复杂的信道模型获得多参数简单和容易n例题：设一个接收信号为振幅为瑞利分布的信号，接收信号功率比平均功率低20dB,6dB,3dB,或以上的概率是多少？n结论：累积分布函数给出了某一场强电平不会被超过的概率，也即达到x%的中断概率第63页，本讲稿共115页一个计算机实验n计算机

25、产生8个波，假设接收端足够远，这8个波则可以看成均匀平面波。n求接收端场强实部幅值的分布？n求接收端场强相位的分布？（直方图）n求虚部幅值和相位的分布？n求场强的概率密度分布？n如果8个波中有一个幅值为5的直射波，情况如何？第64页，本讲稿共115页nE1(x,y)=1.0expjk0(xcos(169o)+ysin(169o)exp(j311o)nE2(x,y)=0.8expjk0(xcos(213o)+ysin(213o)exp(j32o)nE3(x,y)=1.1expjk0(xcos(87o)+ysin(87o)exp(j161o)nE4(x,y)=1.3expjk0(xcos(256o

26、)+ysin(256o)exp(j356o)nE5(x,y)=0.9expjk0(xcos(17o)+ysin(17o)exp(j191o)nE6(x,y)=0.7expjk0(xcos(126o)+ysin(126o)exp(j126o)nE7(x,y)=0.9expjk0(xcos(343o)+ysin(343o)exp(j268o)nE8(x,y)=1.0expjk0(xcos(297o)+ysin(297o)exp(j131o)n其中，k0是真空中均匀平面电磁波一个周期T所对应的2相位角与波长的比值，称为波数，又叫相位常数，它代表电磁波传播过程中沿传播方向单位长度上所改变的相位角。第6

27、5页，本讲稿共115页仿真结果图第66页，本讲稿共115页第67页，本讲稿共115页。第68页，本讲稿共115页程序清单1nclear;nclc;n%取电磁波的频率为900MHz,则波长为0.33m;nx=0:0.005:1.65;ny=0:0.005:1.65;nl=length(x);nk0=6*pi;no=ones(1,l);nx1=(1.0)*exp(1i*(311*pi/180)*exp(1i*k0*(o*x*cos(169*pi/180)+y*o*sin(169*pi/180);nrx1=real(x1);nx2=(0.8)*exp(1i*(32*pi/180)*exp(1i*k0

28、*(o*x*cos(213*pi/180)+y*o*sin(213*pi/180);nrx2=real(x2);nx3=(1.1)*exp(1i*(161*pi/180)*exp(1i*k0*(o*x*cos(87*pi/180)+y*o*sin(87*pi/180);nrx3=real(x3);nx4=(1.3)*exp(1i*(356*pi/180)*exp(1i*k0*(o*x*cos(256*pi/180)+y*o*sin(256*pi/180);nrx4=real(x4);nx5=(0.9)*exp(1i*(191*pi/180)*exp(1i*k0*(o*x*cos(17*pi/1

29、80)+y*o*sin(17*pi/180);nrx5=real(x5);nx6=(0.5)*exp(1i*(56*pi/180)*exp(1i*k0*(o*x*cos(126*pi/180)+y*o*sin(126*pi/180);nrx6=real(x6);nx7=(0.7)*exp(1i*(268*pi/180)*exp(1i*k0*(o*x*cos(343*pi/180)+y*o*sin(343*pi/180);nrx7=real(x7);nx8=(0.9)*exp(1i*(131*pi/180)*exp(1i*k0*(o*x*cos(297*pi/180)+y*o*sin(297*p

30、i/180);nrx8=real(x8);第69页，本讲稿共115页程序清单2nz=rx1+rx2+rx3+rx4+rx5+rx6+rx7+rx8;%叠加nfigure(1);nmesh(x,y,z);%三维图nxlabel(X);nylabel(Y);nzlabel(Re(E);nfigure(2);nh,h1=hist(z(:),13);%直方图nn=sum(h);nbar(h1,h/n);nholdon;n%m=mean(z(:);n%v=var(z(:);nmm,vv=normfit(z(:);nyy=normpdf(6:0.01:6),mm,vv);nplot(6:0.01:6,yy

31、);nxlabel(Re(E);nylabel(Re(E)pdf);nbeta=angle(e);nX4Y4=ksdensity(beta(:);%任意一组数据的概率密度nplot(Y4,X4)nholdonnY5=unifpdf(beta(:),pi,pi)%均匀分布的概率密度nplot(beta(:),Y5)nlegend(仿真数据,标准数据)nxlabel(相位)nylabel(概率)ntitle(接受相位的概率密度曲线)第70页，本讲稿共115页莱斯分布n在离基站较近的区域中，通常有较强的直射波，理论上可以推出，存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从莱斯分布（RicianDistri

32、bution）。莱斯分布的概率密度函数为：n在有直射波存在条件下接收信号幅度服从莱斯分布。其中I0是第一类修正贝塞尔函数，节数为0。随机变量的均方值？定义：莱斯因子=？莱斯因子对深衰落的影响？另一个广泛应用的场强概率分布是Nakagami分布，请查阅资料第71页，本讲稿共115页n莱斯分布：式中：r为接收到的信号包络;为多径分量的方差;s为主信号包络的峰值,为第一类0阶修正贝塞尔函数。莱斯分布常用参数K来描述，K定义为确定视距分量功率与多径分量方差之比，称为莱斯因子K：第72页，本讲稿共115页 莱斯 PDF曲线查阅资料，matlab编程画出第73页，本讲稿共115页四、多径衰落信号的统计特征

33、量四、多径衰落信号的统计特征量（1）衰落率 n衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。n衰落率与发射频率、移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关。n平均衰落率可用下式表示：第74页，本讲稿共115页n例例若f=800MHz，v=50km/h，移动台沿电波传播方向行驶，则接收信号的平均衰落率为：也就是说，接收信号包络低于中值电平的衰落次数在1秒钟之内可这74次。第75页，本讲稿共115页（2 2）电平通过率，（可以理解为衰落深陷）电平通过率，（可以理解为衰落深陷的发生率，希望获得任意衰落深陷的电平通的发生率，希望获得任意衰落深陷的电平通过率过率n观察实测的衰落信号可以发现

34、，衰落速率与衰落深度有关。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁。例如，电场强度从衰减20dB的概率约为1%，衰减30dB和40dB的概率分别为0.1%和0.01%。n定量地描述这一特征的参量就是电平通过率n电平通地率NR的定义为：信号包络在单位时间内以正斜率通过某一规定电平R的平均次数。第76页，本讲稿共115页电平通过率和平均电平持续时间 在上图中，信号包络在时刻1、2、3、4、以正斜通过给定的电平R=A，也就是在T期间内，信号电平4次衰落至电平A以下。这样，电平通过率为NA=4/T第77页，本讲稿共115页n在上图中，信号包络在时刻1、2、3、4、以正斜通过给定的电平R=A，也

35、就是在T期间内，信号电平4次衰落至电平A以下。这样，电平通过率为NA=4/T。n可以求出电场分量的NR的表达式为 其中fm是最大多普勒频移，为信号包络的均方根电平第78页，本讲稿共115页电平通过率第79页，本讲稿共115页（3 3）平均衰落持续时间（）平均衰落持续时间（ADFADF）n接收信号电平低于接收机门限电平时，就可能造成话音中继或误比特率突然增大。因此，了解接收信号包络低于某个门限的持续时间的统计规律，就可以判断话音受影响的程度，或者可以确定是否会发生突发错误以及突发错误的长度，这对工程设计具有重要意义。由于每次衰落的持续时间也是随机的，所以只能给出平均衰落持续时间第80页，本讲稿共

36、115页n平均衰落持续时间定义为信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比，可用下式表示：第81页，本讲稿共115页n时间统计平均：n概率平均衰落持续时间为n对于平稳随机过程，两者是相等的第82页，本讲稿共115页例25设移动台车速为24km/h，工作频率为850MHz，已知接收信号包络服从瑞利分布。求接收包络低于中值电平的平均衰落时间。解：由f=850MHz，v=24km/h，可以求得本题给定电平为接收信号包络中值，则有第83页，本讲稿共115页可以计算出所以第84页，本讲稿共115页n综上，研究了多径传播对正弦传输信号的接收场强和时变性的影响，这种经典的考虑对窄带系统是

37、正确的。n那么宽带呢？1信道的传递函数式频率选择性的2信道的冲击响应不是derta函数，到达的持续时间比发送信号的长，这就是时延色散。n1=2，时域和频域，用傅里叶变化转换2023/2/20西安电子科技大学信息科学研究所85第85页，本讲稿共115页2.4多径衰落的时域特征和频域特征一、时延扩展 n在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展（TimeDelaySpead），或称时延散布。n时延扩展为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为。第86页，本讲稿共115页n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他码元周期中，引起码间串扰（InterSymbolI

38、nterference，ISI）。n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Rb小于时延扩展的倒数。即第87页，本讲稿共115页n当码元速率较高时，应该采用相关的技术来消除或减少码间串扰的影响。n时延扩展可以用实测信号的统计平均的方法来定义。利用宽带伪噪声信号所测得的典型时延谱如下图所示。所谓时延谱是由不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱，P（）是归一化的时延特征曲线。图中横坐标为时延，纵坐标为相对功率密度。第88页，本讲稿共115页时延扩展n定义P（）的一阶矩为平均时延平均时延m，nP（）的均方根值为时延扩展时延扩展n最大多径时延Tm，即归一化的包

39、络特征曲线P（）下降到30dB处所对应的时延差。第89页，本讲稿共115页 时延扩展典型实测数据 第90页，本讲稿共115页二、相关（干）带宽，二、相关（干）带宽，WSSWSS（广义平稳）（广义平稳）USUS（非相关散射）信道（非相关散射）信道 n根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落。n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。n所谓非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，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。第

40、91页，本讲稿共115页n对于移动信道来说，存在一个相关带宽。n当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落。n当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。n频率分别为f1和f2两个信号的包络的相关性可由两信号的相关系数，即归一化的相关函数得出 第92页，本讲稿共115页 相关系数曲线 相关系数曲线第93页，本讲稿共115页n在仅考虑频域相关性时，可以推出n将信号包络相关系数等于0.5时所对应的频率间隔定义为相关带宽Bc，可以得出第94页，本讲稿共115页n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。n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。n实际应用中

41、，常用最大时延Tm的倒数来规定相关带宽，即第95页，本讲稿共115页三、随机调频三、随机调频 n由于移动台运动，接收信号会产生多普勒频移。在多径环境，多个方向的来波的不同频偏，这种频移会成为多普勒频展。衰落信号中频率的这种随机变化称为随机调频（RandomFM）。n若接收信号为N条路径来的电波，其入射角都不尽相同，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。第96页，本讲稿共115页多普勒频展n当发射信号为未调制载波信号时，由于多径传播和移动台运动，接收信号的功率谱为n下图给出多普勒效应引起的接收功率谱。尽管发射频率为单频fc，但接收电波的功率谱S(f)却展宽到fcfm到fc+fm范

42、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。接收信号的这种功率谱展宽就称为多普勒频展。第97页，本讲稿共115页 多普勒频展功率谱 第98页，本讲稿共115页n用FD表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义为相干时间：n相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由于多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，信道在时域具有选择性。因而这种衰落又称为时间选择性衰落，其速率就是1/Tc。n时间选择性衰落对数字信号的误码性能有明显影响，为了减少其影响，要求码元速率远大于衰落节拍的速率。第99页，本讲稿共115页2.5 阴影效应阴影效应(大尺度衰落大尺度衰落)n所谓慢衰落是接收天

43、线处的场强中值随移动台运动时周围地形、建筑物等的变化而出现的波动，其变化速率较为缓慢。n移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，这种衰落因而又称为阴影衰落。n接收信号场强场强的局部均值rlm近似服从对数正态分布:第100页，本讲稿共115页 慢衰落测试 第101页，本讲稿共115页 标准偏差(dB)第102页，本讲稿共115页 2.6 电波传播的路径损耗预测电波传播的路径损耗预测 一、地形环境分类一、地形环境分类 1）、地形特征定义（1）地形波动高度h：沿通信方向，距接收地点10km范围内，10%高度线和90%高度线之高度差。地形波动高度h第103页

44、，本讲稿共115页（2）天线有效高度：移动台天线有效高度定义为移动台天线距地面的实际高度。基站天线有效高度hb定义为沿电波传播方向，距基站天线315km的范围内平均地面高度以上的天线高度。图3基站天线有效高度第104页，本讲稿共115页2）、地形分类实际地形从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。地形h(m)非常平坦地形05平坦地形510准平坦地形1020小土岗式起伏地形2040丘陵地形4080小山区80150山区150300陡峭山区300700特别陡峭山区700第105页，本讲稿共115页3）、传播环境分类（1）开阔地区：在电波传播方向上没有建筑物或高大树木等障碍的开阔

45、地带。另外在电波传播方向300400m以内没有任何阻挡的小片场地也可视为开阔区。（2）郊区：有12层楼房，但分布不密集，还可有小树林等。城市外围以及公路网可视为郊区。（3）中小城市地区：建筑物较多，有商业中心，可有高层建筑，但数量较少，街道也比较宽。（4）大城市地区：建筑物密集，街道较窄，高层建筑也较多。第106页，本讲稿共115页二、二、Okumura（奥村）模型nOkumura（奥村）模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。nOkumura模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值或路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。第107页，

46、本讲稿共115页1、准平坦地形大城市区的中值路径损耗2、不规则地形及不同环境中的中值路径损耗 3、传播损耗的经验公式（Hata模型）Am基本中值损耗，Hb：基站天线高度增益银子；Hm：移动台天线高度增益因子第108页，本讲稿共115页n由于大城市和中小城市建筑物状况相差较大，故修正因子是分别给出。（1）中小城市修正因子（2）大城市修因子（建筑物平均高度超过15m）f200MHz时f400MHz时第109页，本讲稿共115页n准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗第110页，本讲稿共115页基站天线高度增益因子 第111页，本讲稿共115页n移动台天线高度增益因子第112页，本讲稿共115页例2-8某移动通信系统，工作频率为450MHz，基站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平坦地形，通信距离为20km，求传播路径的中值路径损耗。解：自由空间的传播损耗为=111.5（dB）考虑到工作在准平坦地形的市区环境，由图227查得（dB）第113页，本讲稿共115页由图228查得 （dB）由图229查得 （dB）所以，可得到该传播路径的中值路径损耗为（dB）第114页，本讲稿共115页其它模型第115页，本讲稿共115页