多普勒現(xiàn)象及車地通信中的多普勒效應(yīng)

1、多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)Doppler effect多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯蒂安約翰多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容：由于波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；如果二者遠(yuǎn)離，觀察者接收到的頻率減小。例子：遠(yuǎn)方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細(xì)（即頻率變高，波長變短），而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉（即頻率變低，波長變長）。多普勒效應(yīng)的成因多普勒效應(yīng)的成因波源和觀察者無相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)波源和觀察者無相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出幾個(gè)

2、完全波，觀察者在單位時(shí)間內(nèi)就接收到幾個(gè)完全波，故觀察者接收到的頻率等于波源的頻率。 聲音完成一次全振動(dòng)，向外發(fā)出一個(gè)波長的波，頻率表示單位時(shí)間內(nèi)完成的全振動(dòng)的次數(shù)。因此，波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)；觀察者接收到的頻率就是單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)。觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)時(shí) 觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)減小，即接收到底頻率減小。觀察者朝波源運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察者朝波源運(yùn)動(dòng)時(shí) 觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，即接收到底頻率增大。波源朝觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)波源朝觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí) 觀察者感覺到波變得密集，即波長減小，接收到底頻率增大。波源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)波源遠(yuǎn)離

3、觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí) 觀察者感覺到波變得稀疏，即波長增大，接收到底頻率增大。多普勒效應(yīng)中觀測(cè)頻率的計(jì)算多普勒效應(yīng)中觀測(cè)頻率的計(jì)算 假設(shè)波源 (Source) 處發(fā)射一種波，其發(fā)射頻率為f，在介質(zhì)中傳播的速度為u，則波長=u/f。觀察者 (Observer)所接收到的頻率為f，則發(fā)射頻率f與接收頻率f 滿足下面關(guān)系：一 波源不動(dòng)，觀察者相對(duì)介質(zhì)以速度v0運(yùn)動(dòng)s觀察者向著波源移動(dòng)s觀察者遠(yuǎn)離波源移動(dòng)fuvf)/1 (0fuvtf)/1 (100fuvvut1/11000二 觀察者不動(dòng)，波源相對(duì)介質(zhì)以速度vs運(yùn)動(dòng)s波源向著觀察者移動(dòng)s波源遠(yuǎn)離觀察者移動(dòng)fvuTvuTvsssb)(fuuuufsb0suvff

4、uu三 波源與觀察者同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)觀察者接收到波的頻率為：fuuufs相對(duì)論性多普勒效應(yīng)相對(duì)論性多普勒效應(yīng) 相對(duì)論性多普勒效應(yīng)描述了光等高速傳播速度的波動(dòng)，因?yàn)椴ㄔ磁c觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系而有的頻率（及波長）上的變化，這里考慮了狹義相對(duì)論帶來的效應(yīng)，與非相對(duì)論性的多普勒效應(yīng)相比，其方程中列入了狹義相對(duì)論中的時(shí)間展長效應(yīng)。假設(shè)觀察者與波源是以一相對(duì)速度v彼此遠(yuǎn)離，以波源為參考系。設(shè)定有一波前抵達(dá)觀察者處，下一個(gè)波前則距離他有=c/f，既然波前移動(dòng)速度為c,而觀察者遠(yuǎn)離速度為v,，則在下面時(shí)間，波與觀察者會(huì)相遇：fcvvct1/110由于相對(duì)論中的時(shí)間展長，觀察者測(cè)量到的時(shí)間會(huì)是：fcvtt)/1

5、 (10其中：22/11cv所以相應(yīng)的頻率為：fcvcvfcvtf/1/1)/1 (1當(dāng)波源固定不變，觀察者移動(dòng)方向與存在一夾角，如圖：一種常見情形則觀察者接收到的頻率為：fuvf)/cos1 (則頻率的該變量為：fuvfffcos我們稱之為多普勒頻移（Doppler frequency shift）。Handover schemes and algorithms of high-speed mobile environment: A surry多普勒頻移在移動(dòng)通信中的影響及解決方案 終端隨著列車運(yùn)動(dòng)而接收到的頻率與基站實(shí)際發(fā)射功率的頻率有偏差，這種現(xiàn)象稱為多普勒頻移(fd)。假設(shè)基站發(fā)射頻率

6、為 f0，終端接收頻率為 f0+fd，則基站接收頻率變?yōu)?f0+2fd。如下圖： 根據(jù)多普勒頻移的計(jì)算公式：在終端移動(dòng)過程中，多普勒頻移隨著終端位置的變化而變化，當(dāng)終端移動(dòng)方向和電磁波傳播方向相同，即=0時(shí)，多普勒頻移最大；完全垂直時(shí)，沒有多普勒頻移。cos0fcvfd以下為幾種典型頻率的最大多普勒頻移表（=0）： 從表中可看出頻率越高時(shí)，頻率偏移越大，并且多普勒頻移對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響最大是兩倍頻率頻移。多普勒頻移的解決方案 頻移估計(jì)、預(yù)校準(zhǔn) 頻移校準(zhǔn)時(shí)為了使終端基本穩(wěn)定在指定頻點(diǎn)上， 基站需采用頻偏預(yù)校準(zhǔn)方式。終端以某基站頻率f 發(fā)送信號(hào)， 基站以頻點(diǎn)f接收經(jīng)過上行高速信道的信號(hào) 該信號(hào)頻率為(f + f )， 基站可以估計(jì)出頻移 f。同理，發(fā)送信號(hào)經(jīng)過下行高速信道，同樣可以估計(jì)。 設(shè)計(jì)上需要提高基站側(cè)做頻偏和校準(zhǔn)的精確程度。終端高速移動(dòng)情況下 基站一次性做頻偏估計(jì)、校準(zhǔn)， 難度極大， 需要采用兩次頻偏估計(jì)、校準(zhǔn)的方法， 即第一次頻偏估計(jì)范圍大、估計(jì)精度差， 能估計(jì)出2 0 0 0 H z 以上的頻偏， 而第二次頻偏估計(jì)范圍小、估計(jì)精度高， 能估計(jì)的頻偏范圍為8 0 0 H z 左右， 經(jīng)過兩次頻偏估計(jì)、校準(zhǔn)后能控制在2 0 0 H z 以內(nèi)。 采用900M頻段、改進(jìn)AFC算法 90