無(wú)線信道傳播特性分析總結(jié)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上無(wú)線信道傳播特性分析總結(jié)班級(jí) 學(xué)號(hào) 姓名 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信已經(jīng)滲透到我們生活的各個(gè)方面，對(duì)我們的生活工作有著巨大的影響。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，無(wú)線通信的信道的特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著巨大的影響。1、無(wú)線信道的概念要想搞明白無(wú)線信道具有哪些特性，就要先了解什么是無(wú)線信道。信道是對(duì)無(wú)線通信中發(fā)送端和接收端之間的通路的一種形象比喻，對(duì)于無(wú)線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端，其間并沒(méi)有一個(gè)有形的連接，它的傳播路徑也有可能不只一條，但是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋霭l(fā)送端與接收端之間的工作，我們想象兩者之間有一個(gè)看不見(jiàn)的道路銜接，把這條銜接通路稱為信道。信道具有一定的頻率帶寬，正如公路有

2、一定的寬度一樣。與其它通信信道相比,無(wú)線信道是最為復(fù)雜的一種,其衰落特性取決于無(wú)線電波傳播環(huán)境。不同的環(huán)境,其傳播特性也不盡相同。無(wú)線信道可能是很簡(jiǎn)單的直線傳播,也可能會(huì)被許多不同的因素所干擾,例如:信號(hào)經(jīng)過(guò)建筑物,山丘,或者樹(shù)木所有反射而產(chǎn)生的多徑效應(yīng),使信號(hào)放大或衰落。在無(wú)線信道中,信號(hào)衰落是經(jīng)常發(fā)生的,衰落深度可達(dá)30 B。對(duì)于數(shù)字傳輸來(lái)說(shuō),衰落使比特誤碼率大大增加。這種衰落現(xiàn)象嚴(yán)重惡化接收信號(hào)的質(zhì)量,影響通信可靠性。移動(dòng)信道與非移動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線信道相比,信號(hào)傳輸?shù)恼`比特率前者比后者高106倍。另外,在陸地移動(dòng)系統(tǒng)中,移動(dòng)臺(tái)處于城市建筑群之中或處于地形復(fù)雜的區(qū)域,其天線將接收從多條路徑傳來(lái)

3、的信號(hào),再加移動(dòng)臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng),使得信號(hào)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),并且信道的特性也隨時(shí)間變化而變化,增加了信號(hào)的不確定性,使得移動(dòng)臺(tái)和基站之間的無(wú)線信道多變且難以控制。所以,與傳統(tǒng)模型相比,無(wú)線信道多徑數(shù)目增多,時(shí)延擴(kuò)展加大,衰落加快。2、無(wú)線信道的特性信號(hào)從發(fā)射天線到接收天線的傳輸過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷各種復(fù)雜的傳播路徑，包括直射路徑、反射路徑、衍射路徑、散射路徑以及這些路徑的隨機(jī)組合。同時(shí)，電波在各條路徑的傳播過(guò)程中，有用信號(hào)會(huì)受到各種噪聲的污染，包括加性噪聲(如高斯白噪聲)、乘性噪聲的污染，因而會(huì)出現(xiàn)不同情形的損傷，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使有用信號(hào)難以恢復(fù)。無(wú)線信號(hào)在傳播時(shí)，不僅存在自由空間固有的傳輸損耗，還會(huì)受到由于

4、建筑物、地形等的阻擋而引起信號(hào)功率的衰減，這種衰減還會(huì)由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和信道環(huán)境的改變出現(xiàn)隨機(jī)的變化。下面將對(duì)無(wú)線信道的一些特性來(lái)進(jìn)行分析。2.1 大尺度衰落通常情況下，當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的相對(duì)位置在1-lOm的范圍內(nèi)變化時(shí)，接收信號(hào)功率的平均值基本保持不變。但當(dāng)它們的相對(duì)位置的改變遠(yuǎn)超過(guò)上述范圍時(shí)，接收信號(hào)的平均功率將會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。大尺度衰落正是用來(lái)描述接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離有大尺度變化時(shí)，接收信號(hào)平均功率值的變化規(guī)律。在自由空間傳播條件下，接收機(jī)接收的平均功率Pr可由下式給出： Pr=Pt4dgtgr (2-1)其中：Pt是發(fā)射功率；gt是發(fā)射天線增益；gr是接收天線增益；是電

5、波波長(zhǎng)；d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。將式(2-1)代入以B為單位的路徑損耗公式?？傻贸觯篜LB=-10logPrPt=32.45+20logf+20logd-Gt-Gr (2-2)其中：f為電磁波頻率；Gt和Gr分別為發(fā)射和接收天線增益(dB)。由式(2-1)可以看出。自由空間中，接收信號(hào)的功率與距離的平方成反比，即：Pr1d2 (2-3)在實(shí)際的移動(dòng)環(huán)境中，傳輸損耗要比自由空間中的大許多，接收信號(hào)的功率與距離的關(guān)系通常用下式表示：Pr1da (2-4)其中：a2，稱為路徑損耗系數(shù)，一般可取為3-4。除了路徑損耗，大尺度衰落還包括陰影衰落。陰影衰落使得實(shí)際的損耗成為一個(gè)隨機(jī)變量，由式(2-1

6、)求出的是與發(fā)射機(jī)的距離為班的平均路徑損耗，一般認(rèn)為實(shí)際的損耗服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。綜合考慮路徑損耗和陰影衰落，大尺度衰落下路徑損耗可以表示為：PLdB=常量+10logd+dB (2-5)其中中：dB表示由陰影衰落引起的路徑損耗(dB)，是一個(gè)正態(tài)分布的隨 機(jī)變量，均值為0，方差為dB2，在大多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式中，標(biāo)準(zhǔn)差dB可以取4.12 dB。大尺度衰落對(duì)于業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域有一定的影響。2.2 小尺度衰落無(wú)線信道的小尺度衰落是無(wú)線通信環(huán)境的重要衰落特征，包括因多徑效應(yīng)而引起的衰落和信道時(shí)變性引起的衰落。其中。由于反射、散射等影響，使得實(shí)際到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)是發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多條傳播路徑后信號(hào)分量疊加而成，被

7、稱之為多徑效應(yīng)；信道的時(shí)變性是指信道的傳遞函數(shù)是隨時(shí)間而變化的，即在不同的時(shí)刻發(fā)送相同的信號(hào)，在接收端收到的信號(hào)是不相同的。多徑時(shí)變信道根據(jù)無(wú)線移動(dòng)環(huán)境的統(tǒng)計(jì)，信道可以劃分為幾種典型的信道，其劃分依據(jù)主要從兩個(gè)角度出發(fā)：(1)多徑時(shí)延擴(kuò)展特性（信號(hào)包絡(luò)的隨機(jī)衰落）；(2)時(shí)變特性(信號(hào)相位的隨機(jī)衰落)。多徑效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)的時(shí)域彌散性，與多徑時(shí)延擴(kuò)展有關(guān)的一個(gè)重要概念就是多徑信道的相干帶寬(Coherent Bandwidth)Bc，它反映了不同頻率分量所經(jīng)歷衰落的相互關(guān)系(即其包絡(luò)的相關(guān)性)。信道的相干帶寬與均方根時(shí)延擴(kuò)展t成反比，如果將相關(guān)函數(shù)大于0.5認(rèn)為相關(guān)，一般有下面的關(guān)系：Bc15t

8、 （2-6）相干帶寬反映了無(wú)線移動(dòng)信道對(duì)信號(hào)包絡(luò)的衰落具有頻率選擇性。小尺度衰落主要對(duì)于信號(hào)傳輸質(zhì)量有一定的影響。圖1 大、小尺度衰落對(duì)信號(hào)平均功率的影響2.3 快衰落和慢衰落根據(jù)時(shí)變信道條件下信號(hào)的符號(hào)周期和時(shí)變信道的相關(guān)時(shí)間的關(guān)系，可以將時(shí)變信道分為快衰落信道和慢衰落信道。2.3.1 快衰落若時(shí)變信道的相干時(shí)間小于信號(hào)的符號(hào)周期，這時(shí)的時(shí)變信道稱為快衰落信道。類似于頻率選擇性衰落，快衰落信道也稱為時(shí)間選擇性衰落。快衰落原因 （1）多徑效應(yīng)。 1、時(shí)延擴(kuò)展：多徑效應(yīng)（同一信號(hào)的不同分量到達(dá)的時(shí)間不同）引起的接受信號(hào)脈沖寬度擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為時(shí)延擴(kuò)展。時(shí)延擴(kuò)展（多徑信號(hào)最快和最慢的時(shí)間差）小于碼元

9、周期可以避免碼間串?dāng)_，超過(guò)一個(gè)碼元周期（WCDMA中一個(gè)碼片）需要用分集接受，均衡算法來(lái)接受。2、相關(guān)帶寬：相關(guān)帶寬內(nèi)各頻率分量的衰落時(shí)一致的也叫相關(guān)的，不會(huì)失真。載波寬度大于相關(guān)帶寬就會(huì)引起頻率選擇性衰了使接收信號(hào)失真。 （2）多普勒效應(yīng)。f頻移 = V相對(duì)速度/（C光速/f電磁波頻率）×cos（入射電磁波與移動(dòng)方向夾角）。多普勒效應(yīng)引起時(shí)間選擇性衰落，是由于相對(duì)速度的變化引起頻移度也隨之變化。這時(shí)即使沒(méi)有多徑信號(hào)，接收到的同一路信號(hào)的載頻范圍隨時(shí)間不斷變化引起時(shí)間選擇性衰落。范圍隨時(shí)間不斷變化引起時(shí)間選擇性衰落。交織編碼可以克服時(shí)間選擇性衰落。大范圍衰落主要會(huì)導(dǎo)致整體信號(hào)的電平衰

10、落。路徑衰減極其依賴于距離。它對(duì)設(shè)備的影響是，由于降低了接收的信號(hào)功率，從而降低了信噪比（SNR）。陰影效應(yīng)和大范圍反射表現(xiàn)為在這種平均路徑衰減上的偏差。2.3.2 慢衰落由于移動(dòng)臺(tái)的不斷運(yùn)動(dòng)，電波傳播路徑地形地貌是不斷變化的，因而局部中值也是不斷變化的這種變化所造成的衰落比多徑效應(yīng)引起的快衰落要慢得多，稱為慢衰落。慢衰落是由大氣折射、大氣湍流、大氣層結(jié)等平均大氣條件的變化而引起的，通常與頻率的關(guān)系不大，而主要與氣象條件、電路長(zhǎng)度、地形等因素有關(guān)。慢衰落一般服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。慢衰落產(chǎn)生的原因： （1）路徑損耗，這是慢衰落的主要原因。 （2）障礙物阻擋電磁波產(chǎn)生的陰影區(qū)，因此慢衰落也被稱為陰影衰

11、落。 （3）天氣變化、障礙物和移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速度、電磁波的工作頻率等有關(guān)。慢衰落的影響在于會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)。移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中，由于大型建筑物和其他物體對(duì)電波的傳輸路徑的阻擋而在傳播接收區(qū)域上形成半盲區(qū)，從而形成電磁場(chǎng)陰影，這種隨移動(dòng)臺(tái)位置的不斷變化而引起的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)中值的起伏變化叫做陰影效應(yīng)。2.4 頻率選擇性衰落和平坦衰落信號(hào)通過(guò)移動(dòng)信道時(shí)，會(huì)引起多徑衰落，根據(jù)衰落與頻率的關(guān)系，可將衰落分成兩類：即頻率選擇性衰落和非頻率選擇性衰落（平坦衰落）假設(shè)信號(hào)碼元長(zhǎng)度為T，第i條傳輸路徑的信號(hào)時(shí)延與信號(hào)平均時(shí)延之差為t,則二者的不同組合可產(chǎn)生三種不同的衰落現(xiàn)象。（1）當(dāng)信號(hào)碼元長(zhǎng)度 T 較小，且 tT 時(shí)，

12、將引起“平坦衰落”；（2）當(dāng)信號(hào)碼元長(zhǎng)度 T 較長(zhǎng)，且 tT 時(shí)，將引起“時(shí)間選擇性衰落”； （3）當(dāng)信號(hào)碼元長(zhǎng)度 T 比較小，而 t 比較大，且不滿足 tT ，將引起“頻率選擇性衰落”（這是時(shí)間擴(kuò)散在頻域中的反映）。2.4.1 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落是指在不同的頻率衰落特性不同的現(xiàn)象，引發(fā)頻率選擇性衰落的原因多是時(shí)延擴(kuò)展，時(shí)域的時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致的不同頻率的信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率選擇性衰落信道的時(shí)候具有不同的響應(yīng)，如圖2所示。圖2 頻率選擇性衰落產(chǎn)生頻率選擇性衰落的因素：由信號(hào)和信道兩方面因素決定。對(duì)頻率選擇性衰落，傳輸信道對(duì)信號(hào)中不同頻率成分有不同的隨機(jī)響應(yīng)。由于信號(hào)中不同頻率分量衰落不一致，所以衰

13、落信號(hào)波形將產(chǎn)生失真。對(duì)于非頻率選擇性衰落，各頻率分量所遭受的衰落具有一致性（即相關(guān)性），因而衰落信號(hào)的波形不失真。2.4.2 平坦衰落若多徑信道的相干帶寬大于信號(hào)的帶寬，這時(shí)，由于多徑信號(hào)的時(shí)域彌散性而造成的衰落為平坦衰落。在這種條件下。發(fā)射信號(hào)的頻譜特性通過(guò)多徑信道后，在接收端信號(hào)的頻譜仍然可以得到保持。下圖是衰落信道類型和信號(hào)、信道參數(shù)的關(guān)系圖3 衰落信道類型和信號(hào)、信道參數(shù)的關(guān)系2.5 相干時(shí)間和相干帶寬相干帶寬是描述時(shí)延擴(kuò)展的：相干帶寬是表征多徑信道特性的一個(gè)重要參數(shù)，它是指某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)的任意兩個(gè)頻率分量都具有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性，即在相干帶寬范圍內(nèi)，多徑信道具有恒

14、定的增益和線性相位。通常，相干帶寬近似等于最大多徑時(shí)延的倒數(shù)。從頻域看，如果相干帶寬小于發(fā)送信道的帶寬， 則該信道特性會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)波形產(chǎn)生頻率選擇性衰落，即某些頻率成分信號(hào)的幅值可以增強(qiáng)，而另外一些頻率成分信號(hào)的幅值會(huì)被削弱。 而相干時(shí)間是描述多譜勒擴(kuò)展的：相干時(shí)間在時(shí)域描述信道的頻率色散的時(shí)變特性。相干時(shí)間與多普勒擴(kuò)展成反比，是信道沖激響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。如果基帶信號(hào)的符號(hào)周期大于信道的相干時(shí)間，則在基帶信號(hào)的傳輸過(guò)程中信道可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致接收信號(hào)發(fā)生失真，產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落，也稱快衰落； 如果基帶信號(hào)的符號(hào)周期小于信道的相干時(shí)間，則在基帶信號(hào)的傳輸過(guò)程中信道不會(huì)發(fā)生改

15、變，也不會(huì)產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落，也稱慢衰落。 定義相干帶寬一般是用來(lái)劃分平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道的量化參數(shù)。如果信道的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展為Tm，那么信道的相干帶寬Bc=1/Tm；若發(fā)射信號(hào)的射頻帶寬BBc，那么認(rèn)為接收信號(hào)經(jīng)歷的是頻率選擇 性衰落，此時(shí)除了接收信號(hào)的包絡(luò)起伏變化，一般還存在碼間串?dāng)_，其信號(hào)模型為r(t)=h(t-tao0)s(t-tao0)+h(t- tao1)s(t-tao1)+.+n(t)，其中tao0、tao1、.等為可分辨多徑的時(shí)延，每個(gè)h(t-tao)一般為瑞利分布的隨機(jī)變量。 定義相干時(shí)間一般是用來(lái)劃分時(shí)間非選擇性衰落信道和時(shí)間選擇性衰落信道，或叫慢衰落信道和快

16、衰落信道的量化參數(shù)。如果信道的最大多普勒頻移為fm，那么信道的相干時(shí)間Tc=0.423/fm。若發(fā)射信號(hào)的符號(hào)周期TTc，那么認(rèn)為接收信號(hào)經(jīng)歷的是快衰落，即h(t)的變化速度快與符號(hào)速率，此時(shí)如果對(duì)信道進(jìn)行比較精確的估計(jì)或是均衡都是十分困難的。 相干時(shí)間和相干帶寬都是描述信道特性的參數(shù)，當(dāng)兩個(gè)發(fā)射信號(hào)的頻率間隔小于信道的相干帶寬，那么這兩個(gè)經(jīng)過(guò)信道后的，受到的信道傳輸函數(shù)是相似的，由于通 常的發(fā)射信號(hào)不是單一頻率的，即一路信號(hào)也是占有一定帶寬的，如果，這路信號(hào)的帶寬小于相干帶寬，那么它整個(gè)信號(hào)受到信道的傳輸函數(shù)是相似的，即信道對(duì)信 號(hào)而言是平坦特性的，非頻率選擇性衰落的。同樣在相干時(shí)間內(nèi)，兩路信號(hào)受到的傳輸函數(shù)也是相似的特性，通常發(fā)射的一路信號(hào)由于多徑效應(yīng)，有多路到達(dá)接收機(jī)，若這幾路信號(hào)的時(shí)間間隔在相干時(shí)間之內(nèi)， 那么他們具有很強(qiáng)的相關(guān)性，接收機(jī)都可以認(rèn)為是有用信號(hào)，若大于相干時(shí)間，則接收機(jī)無(wú)法識(shí)別，只能認(rèn)為是干擾信號(hào)。3、總結(jié)通過(guò)以上的信道特性分析可見(jiàn)，由于無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境本身十分復(fù)雜。這使得無(wú)線信道特性也十分復(fù)雜。復(fù)雜、惡劣的傳播條件是無(wú)線信道的特征，