第03讲-信道(1)优秀PPT.ppt
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1、第03讲-信道(1)现在学习的是第1页,共50页第第0303讲:信道(讲:信道(1 1)现在学习的是第2页,共50页引言引言自由空间传播自由空间传播信道确定性模型信道确定性模型信道随机性一阶模型信道随机性一阶模型信道随机性二阶模型信道随机性二阶模型现在学习的是第3页,共50页引引 言言现在学习的是第4页,共50页 什么是无线信道?什么是无线信道?无线通信是利用空间电磁波的辐射,实现信息传输的一种通信方无线通信是利用空间电磁波的辐射,实现信息传输的一种通信方式。这种辐射电磁波的空间被称为无线通信的传播信道。式。这种辐射电磁波的空间被称为无线通信的传播信道。有线通信的信道是电缆等导体,通信信号的载
2、体是电流、电压,有线通信的信道是电缆等导体,通信信号的载体是电流、电压,无线通信的信道是空间,通信信号的载体是电磁场。为了将通无线通信的信道是空间,通信信号的载体是电磁场。为了将通信信号的电流、电压变换成电磁场,需要采用天线。信信号的电流、电压变换成电磁场,需要采用天线。在发送端,天线将发射机的发送电流、电压变换成电磁场辐射到在发送端,天线将发射机的发送电流、电压变换成电磁场辐射到空间。在接收端,天线将空间感应到电磁场变换成接收电流、电空间。在接收端,天线将空间感应到电磁场变换成接收电流、电压,送往接收机。压,送往接收机。现在学习的是第5页,共50页 传播信道模型传播信道模型无线传播信道应该只
3、包括传播空间。但是由于无线通信的收发信设备及通信信号处无线传播信道应该只包括传播空间。但是由于无线通信的收发信设备及通信信号处理都是基于理都是基于“路路”而不是基于而不是基于“场场”的,为了便于对信道进行测量、分析及建模,往往把天的,为了便于对信道进行测量、分析及建模,往往把天线也包含在传播信道模型之中。线也包含在传播信道模型之中。如果把天线也包含在传播信道中,在考虑信道特性时,还应该考虑天线特性。如果把天线也包含在传播信道中,在考虑信道特性时,还应该考虑天线特性。天线特性主要是:在天线特性主要是:在“路路”一侧的输入输出特性,以及在一侧的输入输出特性,以及在“场场”一侧的辐射特性。一侧的辐射
4、特性。电流、电压电流、电压电流、电压电流、电压电磁场电磁场发射机发射机接收机接收机无线传播信道无线传播信道现在学习的是第6页,共50页 传播信道的数学描述传播信道的数学描述信道参数包括:衰减信道参数包括:衰减a a,时延,时延,方向,方向GT(,),GR(,)此外还要考虑:此外还要考虑:1 1、多条路径的问题,、多条路径的问题,2 2、移动及时变的问题,、移动及时变的问题,3 3、随机的、随机的问题,问题,4 4、干扰的问题。、干扰的问题。s(t)a 传播衰减传播衰减 传播时延传播时延GT(,)GR(,)r(t)传播方向传播方向现在学习的是第7页,共50页 无线信道的物理过程无线信道的物理过程
5、天线天线天线天线无线发无线发无线收无线收直射直射反射反射散射散射绕射绕射地面地面散射体散射体移动移动障碍物障碍物干扰干扰热噪声热噪声现在学习的是第8页,共50页四种传播机制四种传播机制直射:自由空间传播直射:自由空间传播反射:当电磁波遇到比波长大得多的物体时,发生反射。反射发生反射:当电磁波遇到比波长大得多的物体时,发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。在地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射:当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡绕射:当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时,发生绕射。时,发生绕射。散射:当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位散射:当电磁波的传
6、播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时,发生散射。散射发生体积内这种障碍物体的数目非常巨大时,发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体,如:树叶、街道标志在粗糙表面、小物体或其它不规则物体,如:树叶、街道标志和灯柱等。和灯柱等。现在学习的是第9页,共50页 无线信道的分类无线信道的分类理想无线信道?非理想无线信道?理想无线信道?非理想无线信道?理想:无阻挡、无衰落、无时变、无干扰,自由空间传播。理想:无阻挡、无衰落、无时变、无干扰,自由空间传播。固定无线信道?移动无线信道?固定无线信道?移动无线信道?视距无线信道?非视距无线信道?视距无线信道?非视距
7、无线信道?视距(视距(LOS-Line of SightLOS-Line of Sight),如:地面视距、卫星。),如:地面视距、卫星。非视距,如:地面绕射、对流层散射、电离层折射。非视距,如:地面绕射、对流层散射、电离层折射。有干扰无线信道?无干扰无线信道?有干扰无线信道?无干扰无线信道?干扰,如:系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。干扰,如:系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。现在学习的是第10页,共50页 无线信道的参数无线信道的参数一阶参数一阶参数传播衰减传播衰减衰减的平均值衰减的平均值衰减的最大值衰减的最大值衰减的统计特性衰减的统计特性传播时延传播时延时延的
8、平均值时延的平均值时延的最大值时延的最大值时延的统计特性时延的统计特性传播方向传播方向二阶参数二阶参数时间扩展时间扩展 对信道色散效应的描述对信道色散效应的描述频率扩展频率扩展 对信道时变效应的描述对信道时变效应的描述空间扩展空间扩展 对信道弥散效应的描述对信道弥散效应的描述 干扰参数干扰参数 干扰的性质干扰的性质 干扰的强度干扰的强度现在学习的是第11页,共50页自由空间传播自由空间传播现在学习的是第12页,共50页什么叫自由空间传播什么叫自由空间传播 什么叫自由空间?无任何大气衰减、无任何地形阻挡、无任何传播多径的空间。什么叫自由空间?无任何大气衰减、无任何地形阻挡、无任何传播多径的空间。
9、以下两种收发天线配置情况下,可以实现零衰减的自由空间传播。以下两种收发天线配置情况下,可以实现零衰减的自由空间传播。发送天线发送天线定向定向波束波束接收天线接收天线全向波束全向波束(,)波束发送波束发送发送天线发送天线全向波束全向波束接收天线接收天线球体球体球体天线接收球体天线接收现在学习的是第13页,共50页自由空间传播的能量扩散自由空间传播的能量扩散 由于天线的物理面积是有限的,以上由于天线的物理面积是有限的,以上给出的收发天线配置实际上是无法实给出的收发天线配置实际上是无法实现的。现的。无线电波在自由空间传播时,其单位面无线电波在自由空间传播时,其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种能
10、积中的能量会因为扩散而减少。这种能量扩散,是自由空间传播衰减的主要来量扩散,是自由空间传播衰减的主要来源。源。如图所示,发射功率为如图所示,发射功率为P PT T,发射天线,发射天线为各向均匀辐射,则以发射源为中心,为各向均匀辐射,则以发射源为中心,d d为半径的球面上单位面积的功率为:为半径的球面上单位面积的功率为:S S P PT T/4/4 d d2 2球面上的功率流球面上的功率流PTd现在学习的是第14页,共50页 自由空间传播衰减自由空间传播衰减由于天线有方向性(设发射天线增益由于天线有方向性(设发射天线增益为为G GT T),故在主波束方向通过单位面积的),故在主波束方向通过单位面
11、积的功率为:功率为:S=GS=GT T P PT T/4/4 d d2 2设接收天线的有效面积为设接收天线的有效面积为A A,则接收,则接收天线所截获的功率为:天线所截获的功率为:P Pr r=S A=A=S A=A G GT T P PT T/4/4 d d2 2对于抛物面天线,假定天线口面场具对于抛物面天线,假定天线口面场具有等相、等幅分布,则天线的有效面有等相、等幅分布,则天线的有效面积为:积为:A=GA=Gr r 2 2/4/4 其中其中G Gr r为接收天线增益,为接收天线增益,为自由空为自由空间波长间波长代入代入P Pr r公式。得到:公式。得到:P Pr r=G=Gr r G G
12、T T P PT T(/4/4 d)d)2 2令:令:P Pr r /P/PT T=G=Gr r G GT T/L/LS S其中其中L LS S定义为自由空间传播损耗。定义为自由空间传播损耗。则:则:L LS S=(4=(4 d d/)2 2 =(4(4 f d f d/c c )2 2现在学习的是第15页,共50页 自由空间传播衰减(续)自由空间传播衰减(续)以分贝数表示:以分贝数表示:L LS S=92.4+20 lg f=92.4+20 lg f(GHz)(GHz)+20 lg d+20 lg d(km)(km)dBdB几点结论:几点结论:自由空间传播衰减,和通信距离的二次方成比例。自由
13、空间传播衰减,和通信距离的二次方成比例。自由空间传播衰减,和工作频率的二次方成比例。自由空间传播衰减,和工作频率的二次方成比例。自由空间传播衰减是无线通信计算路径衰减的基础。自由空间传播衰减是无线通信计算路径衰减的基础。在计算实际路径的传播衰减时,还要考虑多径、阻挡、移动及地在计算实际路径的传播衰减时,还要考虑多径、阻挡、移动及地形、气候等因素。形、气候等因素。现在学习的是第16页,共50页信道确定性模型信道确定性模型现在学习的是第17页,共50页信道确定性模型的要点信道确定性模型的要点暂不考虑信道干扰噪声的影响暂不考虑信道干扰噪声的影响,暂不考虑信道的随机性。暂不考虑信道的随机性。主要考虑信
14、道的三个效应:主要考虑信道的三个效应:色散效应色散效应时变效应时变效应弥散效应弥散效应 现在学习的是第18页,共50页色散效应频率选择性衰落色散效应频率选择性衰落 f00+Tmf1/Tm色散色散信道输入为:时域信道输入为:时域函数,函数,频频域均匀域均匀谱谱。由于多径色散,信道由于多径色散,信道输输出出为为:时时域有域有扩扩展,展,频频域有起伏。域有起伏。时时域域变变量量和和频频域域变变量量 f 构成一构成一对对傅里叶傅里叶变换变换,频频域的起伏周期域的起伏周期为为1/Tm,其中,其中Tm为时间扩为时间扩展。展。现在学习的是第19页,共50页时变效应时间选择性衰落时变效应时间选择性衰落 t1/
15、Bd时变时变 0 0+Bd信道输入为:频域信道输入为:频域函数,时域单频等幅载波。函数,时域单频等幅载波。由于时变效应,信道输出为:频域有扩展(多普勒扩展),时域包络有起伏。由于时变效应,信道输出为:频域有扩展(多普勒扩展),时域包络有起伏。时域变量时域变量 t 和频域变量和频域变量构成一对傅里叶变换,时域的起伏周期为构成一对傅里叶变换,时域的起伏周期为1/Bd,其中,其中Bd为频率扩展,即多为频率扩展,即多普勒扩展。普勒扩展。t现在学习的是第20页,共50页弥散效应空间选择性衰落弥散效应空间选择性衰落 弥散弥散 00Attttrr3r2r1r/A现在学习的是第21页,共50页弥散效应空间选择
16、性衰落(续)弥散效应空间选择性衰落(续)信道输入为:角度域信道输入为:角度域函数,时域单频等幅载波。函数,时域单频等幅载波。由于角度弥散,信道输出为:角度域有扩展,空间域有起伏。由于角度弥散,信道输出为:角度域有扩展,空间域有起伏。角度域变量角度域变量 和空间域变量和空间域变量r构成一对傅里叶变换,空间域的起伏周期为构成一对傅里叶变换,空间域的起伏周期为/A,其中,其中A为角度扩展。为角度扩展。对弥散及角度扩展的物理解释:对弥散及角度扩展的物理解释:1、无线电波在传播过程中产生角度扩展的现象,称为弥散。、无线电波在传播过程中产生角度扩展的现象,称为弥散。2、如果发送天线能够形成、如果发送天线能
17、够形成波束,则即使存在多径,也不会出现弥散。波束,则即使存在多径,也不会出现弥散。3、弥散只会出现在发送天线为非、弥散只会出现在发送天线为非波束的情况,这时产生弥散的原因之一是发波束的情况,这时产生弥散的原因之一是发送天线本身的角度扩展,原因之二是多径传播引入的角度扩展。送天线本身的角度扩展,原因之二是多径传播引入的角度扩展。现在学习的是第22页,共50页色散色散-时变时变-弥散信道的传递特性弥散信道的传递特性 描写信道传递特性的参数共有描写信道传递特性的参数共有6个个:f f,色散效应的时间(时间响应)及频率(频率响应),色散效应的时间(时间响应)及频率(频率响应),对应频率选择性,对应频率
18、选择性 t t,时变效应的时间(时间变化)及频率(多普勒频移),时变效应的时间(时间变化)及频率(多普勒频移),对应时间选择性,对应时间选择性 r r,弥散效应的角度及距离,对应空间选择性,弥散效应的角度及距离,对应空间选择性各自都组成傅里叶变换的关系。各自都组成傅里叶变换的关系。现在学习的是第23页,共50页色散色散-时变时变-弥散信道的传递特性(续)弥散信道的传递特性(续)色散色散-时变时变-弥散信道传递特性的数学描述实际上是一个三弥散信道传递特性的数学描述实际上是一个三维傅里叶变换的问题。根据时、频、空的不同组合,可以维傅里叶变换的问题。根据时、频、空的不同组合,可以构成构成8个不同的传
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