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基于UHF频段的无线通信系统中,信号的传输受收发天线间周围环境的影响较大,造成信号的衰落。由于环境的复杂性导致信道衰落的多样性,给移动通信课程教学带来困难。本文从多径效应入手,给出了时延扩展和相关带宽、从多普勒效应入手给出了多普勒扩展和相干时间、从角度色散入手给出了角度扩展和相干距离等概念,并基于这些概念给出了各种衰落特点,分析了移动信道中各种衰落的概念和本质及其在分集中的应用。
多径效应 多普勒效应 角度色散 信道衰落
一、引言
现代移动通信系统,采用UHF频段的电磁波作为载体传输信号,而该波段的电磁波传播方式主要是通过直射和反射方式传播,而在城市等复杂环境中,由于建筑物和各种障碍物的影响,直射波很少,主要以反射方式传播,而且,构成收发天线间的反射路径很多,即多径。同时,对于大的建筑物遮挡,造成信号严重衰落。所以,移动信道的传输特征及其复杂,构成移动通信的主要研究内容,也成为移动通信课程教学的一个重点内容,由又于其复杂性,在信道建模和相关内容教学中成为一个难点。如从电磁波传播角度看信号的传输过程中的多径特点、从统计角度衡量信道衰落规律时多径、从信道冲击响应角度建立信道模型时的多径、信道均衡时的码间干扰、Rake接收机中分时多抽头技术等,分集接收时的最小时间、频率、空间间隔等问题。这些问题涉及时延扩展和相关带宽、多普勒扩展和相干时间、角度扩展和相干距离等概念。而且相应的将信道分成:平坦衰落信道和频率选择性衰落信道,慢衰落信道和快衰落信道等。这些概念既相互关联,又有不同特点,既有抽象的理论分析模型,又有具体的应用特点。对些概念的理解,不论对从事工程实践还是进一步科学研究者都至关重要。本文从多径效应、多普勒效应和角度色散入手,分析了移动信道中各种衰落的概念和本质及其在分集中的应用。
二、多径效应频率选择性衰落
以电磁波作为载体的信号传输中,对于特高频电磁波,其传播方式主要是直射和反射,而在城市等复杂环境中,由于建筑物和各种障碍物的影响,直射波很少,反射称为主要的传播途径,而且,构成收发天线间的反射路径很多,可以说有无数条路径,即多径。通过图例解释说明,这一点比较容易理解。实际的接收信号是这些多径信号的叠加。这些多径信号的场强随时间变化,达到接收天线的多径分量信号的相位关系也是随时间而变化的,因此,多径信号的叠加造成信号衰落,称之为多径效应,而且其衰落是一个随机量。
另一方面,由于多径问题,而每一条路径的信号达到接收天线的距离不同,达到时间就不同,因此,信号的达到时间被展宽,也叫时间色散现象。即多径效应导致时间色散。时间色散,使得信号的波峰和波谷可能错位叠加,造成信道衰落,影响信号的正确接收。不同环境、不同时刻的时间色散程度是不同的。为了衡量时间色散的程度,引入时延扩展。最简单的理解是用时延的方差来衡量时间色散程度。但为规范期间,同意定义为:其中 P(t)为接收端信号的功率延迟分布, 为平均时延。时延扩展越大,表明时间色散程度越严重。信道越不好。从统计角度来说,信道的衰落有一定的规律,若无可视路径,则多径幅度衰落服从瑞丽分布,若包含可视路径,则多径幅度衰落服从赖斯分布。
多径效应可能会造成传输码元之间相互干扰,给译码带来困难。具体地由时延扩展的大小来确定,若时延扩展大于一个码元的传输时间: 则相邻码元的信号传输过程中发生重叠,造成码间干扰(ISI),如何消除码间干扰已经成为移动通信的一个主要研究方向。
对于接收端来说,由于多径产生了时延扩展,使信号通过该信道时引起衰落,由于信号中包含多个频率成分,不同的频率成分经过该信道后的衰落有可能不同,为了分析其内在的关系,将信号在时域发生的变化,反应在频域上,用相关(或相干)带宽来度量。相关带宽可以理解为新的频率成分,主要由于不同时延的达到信号叠加后形成新的波峰和波谷。定义相关带宽Bc为时延扩展的倒数,工程上通常依 估算。记信号的带宽为 Bs,若 BcBs,则称这种信道为平坦衰落信道(非频率选择性衰落信道)。
三、多普勒效应与时间选择性衰落
以电磁波作为载体的移动通信系统中,信道受电磁波的变化影响较大,而移动通信的主要特征是用户的移动性,若电磁波的发射端和接收端之间存在相对运动,会造成频率发生变化,也就是频移,称多普勒效应,这一概念的理解比较容易。但是需要特别强调的是,接收端收到的不一定只是直射波,而是包含大量的反射波,反射波是收发端中间的物体反射到接收端的信号,若反射物体有运动,同样也产生频移,所以多普勒效应是由于移动台运动或信道路径上的物理运动所引起。由于多普勒效应,接收信号的功率谱范围得到扩展,也称频率色散。从定量的角度,将扩展的值定义为多普勒扩展Bd,也就是最大频移的2倍。由于信号的频域特征与时域特征密不可分。多普勒扩展反应在时域的相应量称为相干时间,定义为 Tc=1/Bd。多普勒效应对传输信号的影响表现在,若 Tc 四、角度色散与空间选择性衰落
关于角度色散概念,移动通信课程中涉及较少,但难理解,尤其是初学者,教学过程中分别从发射和接收天线周围的信号能量分布说起,突出能量传播过程中由环境引起的的不均匀性。在发射端,距发射源相同距离的不同方向上信号的衰落可能不同,同样,在接收端,来自于不同方向的信号强弱(或衰落)可能不同,这种现象称为角度色散。衡量角度色散程度的物理量称为角度扩展。若归一化角度功率谱为 P(),则角度扩展定义为:
角度扩展描述了功率谱在空间的色散程度,取值范围在[0,360o],角度扩展越大,表明信号在空间不同角度的强弱差异越大,角度扩展越小,表明天线周围的环境比较均匀,信号在空间不同角度的强弱差异较小。与角度扩展相关的概念是相关(或相干)距离 ,定义为信道冲击响应维持不变(或一定相关度)的空间间隔的统计平均值。在相干距离间隔内,信号的幅度衰落相同,或相近,即两个到达信号有很强的幅度相关性。一般相干距离按角度扩展的倒数 来计算。
对于多天线接收来说,若天线间的距离大于相干距离,则其接收的信号衰落不同,称信道为空间选择性衰落信道,否则,若天线间的距离小于相干距离,则其接收的信号衰落相同,称为非空间选择性衰落信道。
需要说明的是时延扩展和相关带宽与多径传播有关,而多普勒扩展和相干时间主要与移动台的运动速度有关,与多径效应无关。角度扩展和相干距离与多径、大障碍物遮挡和吸收、电磁干扰等有关。
五、信道衰落与分集接收
移动通信课程教学中,在抗信道衰落技术的分集中,虽然通过多种形式的分集可以提高通信性能,这个容易理解,但是,这是通过增加资源或降低传输效率为代价。从定量的角度,如何实现既起到分集的作用,又提高资源利用率,同时,又更好的理解分集和有关信道衰落概念,是微分集的关键,教学过程中更应突出。
对于分集接收,为了使接收分支信号间的衰落具有独立性,频率分集要求频率间隔大于相关带宽,时间分集中的时间间隔大于相干时间,空间分集中的天线空间间隔大于相干距离。
参考文献:
[1]王金龙,蔡跃明.数字移动通信课程教学改革[J].电气电子学报,2010,32(4):32-33.
[2]马社祥,孟鑫.移动信道的分析与教学[J].学园,2012,(2):3-4.
[3]张小飞.移动通信课程教学改革与实践[J].科技信息,2007,(33):313-314.
[4]啜钢,王文博,齐兆群等.移动通信精品课程教学改革实践与探讨[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2009,11(4):85-90.
[5]李建东,郭梯云,邬国扬.移动通信(第四版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.
[6]啜钢,王文博,常永宇等.移动通信原理与系统[M].北京:北京邮电大学出版社(第2版),2009.
多径效应 多普勒效应 角度色散 信道衰落
一、引言
现代移动通信系统,采用UHF频段的电磁波作为载体传输信号,而该波段的电磁波传播方式主要是通过直射和反射方式传播,而在城市等复杂环境中,由于建筑物和各种障碍物的影响,直射波很少,主要以反射方式传播,而且,构成收发天线间的反射路径很多,即多径。同时,对于大的建筑物遮挡,造成信号严重衰落。所以,移动信道的传输特征及其复杂,构成移动通信的主要研究内容,也成为移动通信课程教学的一个重点内容,由又于其复杂性,在信道建模和相关内容教学中成为一个难点。如从电磁波传播角度看信号的传输过程中的多径特点、从统计角度衡量信道衰落规律时多径、从信道冲击响应角度建立信道模型时的多径、信道均衡时的码间干扰、Rake接收机中分时多抽头技术等,分集接收时的最小时间、频率、空间间隔等问题。这些问题涉及时延扩展和相关带宽、多普勒扩展和相干时间、角度扩展和相干距离等概念。而且相应的将信道分成:平坦衰落信道和频率选择性衰落信道,慢衰落信道和快衰落信道等。这些概念既相互关联,又有不同特点,既有抽象的理论分析模型,又有具体的应用特点。对些概念的理解,不论对从事工程实践还是进一步科学研究者都至关重要。本文从多径效应、多普勒效应和角度色散入手,分析了移动信道中各种衰落的概念和本质及其在分集中的应用。
二、多径效应频率选择性衰落
以电磁波作为载体的信号传输中,对于特高频电磁波,其传播方式主要是直射和反射,而在城市等复杂环境中,由于建筑物和各种障碍物的影响,直射波很少,反射称为主要的传播途径,而且,构成收发天线间的反射路径很多,可以说有无数条路径,即多径。通过图例解释说明,这一点比较容易理解。实际的接收信号是这些多径信号的叠加。这些多径信号的场强随时间变化,达到接收天线的多径分量信号的相位关系也是随时间而变化的,因此,多径信号的叠加造成信号衰落,称之为多径效应,而且其衰落是一个随机量。
另一方面,由于多径问题,而每一条路径的信号达到接收天线的距离不同,达到时间就不同,因此,信号的达到时间被展宽,也叫时间色散现象。即多径效应导致时间色散。时间色散,使得信号的波峰和波谷可能错位叠加,造成信道衰落,影响信号的正确接收。不同环境、不同时刻的时间色散程度是不同的。为了衡量时间色散的程度,引入时延扩展。最简单的理解是用时延的方差来衡量时间色散程度。但为规范期间,同意定义为:其中 P(t)为接收端信号的功率延迟分布, 为平均时延。时延扩展越大,表明时间色散程度越严重。信道越不好。从统计角度来说,信道的衰落有一定的规律,若无可视路径,则多径幅度衰落服从瑞丽分布,若包含可视路径,则多径幅度衰落服从赖斯分布。
多径效应可能会造成传输码元之间相互干扰,给译码带来困难。具体地由时延扩展的大小来确定,若时延扩展大于一个码元的传输时间: 则相邻码元的信号传输过程中发生重叠,造成码间干扰(ISI),如何消除码间干扰已经成为移动通信的一个主要研究方向。
对于接收端来说,由于多径产生了时延扩展,使信号通过该信道时引起衰落,由于信号中包含多个频率成分,不同的频率成分经过该信道后的衰落有可能不同,为了分析其内在的关系,将信号在时域发生的变化,反应在频域上,用相关(或相干)带宽来度量。相关带宽可以理解为新的频率成分,主要由于不同时延的达到信号叠加后形成新的波峰和波谷。定义相关带宽Bc为时延扩展的倒数,工程上通常依 估算。记信号的带宽为 Bs,若 Bc
三、多普勒效应与时间选择性衰落
以电磁波作为载体的移动通信系统中,信道受电磁波的变化影响较大,而移动通信的主要特征是用户的移动性,若电磁波的发射端和接收端之间存在相对运动,会造成频率发生变化,也就是频移,称多普勒效应,这一概念的理解比较容易。但是需要特别强调的是,接收端收到的不一定只是直射波,而是包含大量的反射波,反射波是收发端中间的物体反射到接收端的信号,若反射物体有运动,同样也产生频移,所以多普勒效应是由于移动台运动或信道路径上的物理运动所引起。由于多普勒效应,接收信号的功率谱范围得到扩展,也称频率色散。从定量的角度,将扩展的值定义为多普勒扩展Bd,也就是最大频移的2倍。由于信号的频域特征与时域特征密不可分。多普勒扩展反应在时域的相应量称为相干时间,定义为 Tc=1/Bd。多普勒效应对传输信号的影响表现在,若 Tc
关于角度色散概念,移动通信课程中涉及较少,但难理解,尤其是初学者,教学过程中分别从发射和接收天线周围的信号能量分布说起,突出能量传播过程中由环境引起的的不均匀性。在发射端,距发射源相同距离的不同方向上信号的衰落可能不同,同样,在接收端,来自于不同方向的信号强弱(或衰落)可能不同,这种现象称为角度色散。衡量角度色散程度的物理量称为角度扩展。若归一化角度功率谱为 P(),则角度扩展定义为:
角度扩展描述了功率谱在空间的色散程度,取值范围在[0,360o],角度扩展越大,表明信号在空间不同角度的强弱差异越大,角度扩展越小,表明天线周围的环境比较均匀,信号在空间不同角度的强弱差异较小。与角度扩展相关的概念是相关(或相干)距离 ,定义为信道冲击响应维持不变(或一定相关度)的空间间隔的统计平均值。在相干距离间隔内,信号的幅度衰落相同,或相近,即两个到达信号有很强的幅度相关性。一般相干距离按角度扩展的倒数 来计算。
对于多天线接收来说,若天线间的距离大于相干距离,则其接收的信号衰落不同,称信道为空间选择性衰落信道,否则,若天线间的距离小于相干距离,则其接收的信号衰落相同,称为非空间选择性衰落信道。
需要说明的是时延扩展和相关带宽与多径传播有关,而多普勒扩展和相干时间主要与移动台的运动速度有关,与多径效应无关。角度扩展和相干距离与多径、大障碍物遮挡和吸收、电磁干扰等有关。
五、信道衰落与分集接收
移动通信课程教学中,在抗信道衰落技术的分集中,虽然通过多种形式的分集可以提高通信性能,这个容易理解,但是,这是通过增加资源或降低传输效率为代价。从定量的角度,如何实现既起到分集的作用,又提高资源利用率,同时,又更好的理解分集和有关信道衰落概念,是微分集的关键,教学过程中更应突出。
对于分集接收,为了使接收分支信号间的衰落具有独立性,频率分集要求频率间隔大于相关带宽,时间分集中的时间间隔大于相干时间,空间分集中的天线空间间隔大于相干距离。
参考文献:
[1]王金龙,蔡跃明.数字移动通信课程教学改革[J].电气电子学报,2010,32(4):32-33.
[2]马社祥,孟鑫.移动信道的分析与教学[J].学园,2012,(2):3-4.
[3]张小飞.移动通信课程教学改革与实践[J].科技信息,2007,(33):313-314.
[4]啜钢,王文博,齐兆群等.移动通信精品课程教学改革实践与探讨[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2009,11(4):85-90.
[5]李建东,郭梯云,邬国扬.移动通信(第四版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.
[6]啜钢,王文博,常永宇等.移动通信原理与系统[M].北京:北京邮电大学出版社(第2版),2009.