移動信道的空時頻傳播特征分析與教學(xué)

馬社祥 孟鑫 宮銘舉

基于UHF頻段的無線通信系統(tǒng)中，信號的傳輸受收發(fā)天線間周圍環(huán)境的影響較大，造成信號的衰落。由于環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致信道衰落的多樣性，給移動通信課程教學(xué)帶來困難。本文從多徑效應(yīng)入手，給出了時延擴展和相關(guān)帶寬、從多普勒效應(yīng)入手給出了多普勒擴展和相干時間、從角度色散入手給出了角度擴展和相干距離等概念，并基于這些概念給出了各種衰落特點，分析了移動信道中各種衰落的概念和本質(zhì)及其在分集中的應(yīng)用。

多徑效應(yīng) 多普勒效應(yīng) 角度色散 信道衰落

一、引言

現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)，采用UHF頻段的電磁波作為載體傳輸信號，而該波段的電磁波傳播方式主要是通過直射和反射方式傳播，而在城市等復(fù)雜環(huán)境中，由于建筑物和各種障礙物的影響，直射波很少，主要以反射方式傳播，而且，構(gòu)成收發(fā)天線間的反射路徑很多，即多徑。同時，對于大的建筑物遮擋，造成信號嚴(yán)重衰落。所以，移動信道的傳輸特征及其復(fù)雜，構(gòu)成移動通信的主要研究內(nèi)容，也成為移動通信課程教學(xué)的一個重點內(nèi)容，由又于其復(fù)雜性，在信道建模和相關(guān)內(nèi)容教學(xué)中成為一個難點。如從電磁波傳播角度看信號的傳輸過程中的多徑特點、從統(tǒng)計角度衡量信道衰落規(guī)律時多徑、從信道沖擊響應(yīng)角度建立信道模型時的多徑、信道均衡時的碼間干擾、Rake接收機中分時多抽頭技術(shù)等，分集接收時的最小時間、頻率、空間間隔等問題。這些問題涉及時延擴展和相關(guān)帶寬、多普勒擴展和相干時間、角度擴展和相干距離等概念。而且相應(yīng)的將信道分成：平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道，慢衰落信道和快衰落信道等。這些概念既相互關(guān)聯(lián)，又有不同特點，既有抽象的理論分析模型，又有具體的應(yīng)用特點。對些概念的理解，不論對從事工程實踐還是進一步科學(xué)研究者都至關(guān)重要。本文從多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)和角度色散入手，分析了移動信道中各種衰落的概念和本質(zhì)及其在分集中的應(yīng)用。

二、多徑效應(yīng)頻率選擇性衰落

以電磁波作為載體的信號傳輸中，對于特高頻電磁波，其傳播方式主要是直射和反射，而在城市等復(fù)雜環(huán)境中，由于建筑物和各種障礙物的影響，直射波很少，反射稱為主要的傳播途徑，而且，構(gòu)成收發(fā)天線間的反射路徑很多，可以說有無數(shù)條路徑，即多徑。通過圖例解釋說明，這一點比較容易理解。實際的接收信號是這些多徑信號的疊加。這些多徑信號的場強隨時間變化，達到接收天線的多徑分量信號的相位關(guān)系也是隨時間而變化的，因此，多徑信號的疊加造成信號衰落，稱之為多徑效應(yīng)，而且其衰落是一個隨機量。

另一方面，由于多徑問題，而每一條路徑的信號達到接收天線的距離不同，達到時間就不同，因此，信號的達到時間被展寬，也叫時間色散現(xiàn)象。即多徑效應(yīng)導(dǎo)致時間色散。時間色散，使得信號的波峰和波谷可能錯位疊加，造成信道衰落，影響信號的正確接收。不同環(huán)境、不同時刻的時間色散程度是不同的。為了衡量時間色散的程度，引入時延擴展。最簡單的理解是用時延的方差來衡量時間色散程度。但為規(guī)范期間，同意定義為：其中 P（t）為接收端信號的功率延遲分布， 為平均時延。時延擴展越大，表明時間色散程度越嚴(yán)重。信道越不好。從統(tǒng)計角度來說，信道的衰落有一定的規(guī)律，若無可視路徑，則多徑幅度衰落服從瑞麗分布，若包含可視路徑，則多徑幅度衰落服從賴斯分布。

多徑效應(yīng)可能會造成傳輸碼元之間相互干擾，給譯碼帶來困難。具體地由時延擴展的大小來確定，若時延擴展大于一個碼元的傳輸時間： 則相鄰碼元的信號傳輸過程中發(fā)生重疊，造成碼間干擾（ISI），如何消除碼間干擾已經(jīng)成為移動通信的一個主要研究方向。

對于接收端來說，由于多徑產(chǎn)生了時延擴展，使信號通過該信道時引起衰落，由于信號中包含多個頻率成分，不同的頻率成分經(jīng)過該信道后的衰落有可能不同，為了分析其內(nèi)在的關(guān)系，將信號在時域發(fā)生的變化，反應(yīng)在頻域上，用相關(guān)（或相干）帶寬來度量。相關(guān)帶寬可以理解為新的頻率成分，主要由于不同時延的達到信號疊加后形成新的波峰和波谷。定義相關(guān)帶寬Bc為時延擴展的倒數(shù)，工程上通常依 估算。記信號的帶寬為 Bs，若 BcBs，則稱這種信道為平坦衰落信道（非頻率選擇性衰落信道）。

三、多普勒效應(yīng)與時間選擇性衰落

以電磁波作為載體的移動通信系統(tǒng)中，信道受電磁波的變化影響較大，而移動通信的主要特征是用戶的移動性，若電磁波的發(fā)射端和接收端之間存在相對運動，會造成頻率發(fā)生變化，也就是頻移，稱多普勒效應(yīng)，這一概念的理解比較容易。但是需要特別強調(diào)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，反射波是收發(fā)端中間的物體反射到接收端的信號，若反射物體有運動，同樣也產(chǎn)生頻移，所以多普勒效應(yīng)是由于移動臺運動或信道路徑上的物理運動所引起。由于多普勒效應(yīng)，接收信號的功率譜范圍得到擴展，也稱頻率色散。從定量的角度，將擴展的值定義為多普勒擴展Bd，也就是最大頻移的2倍。由于信號的頻域特征與時域特征密不可分。多普勒擴展反應(yīng)在時域的相應(yīng)量稱為相干時間，定義為 Tc=1/Bd。多普勒效應(yīng)對傳輸信號的影響表現(xiàn)在，若 Tc

四、角度色散與空間選擇性衰落

關(guān)于角度色散概念，移動通信課程中涉及較少，但難理解，尤其是初學(xué)者，教學(xué)過程中分別從發(fā)射和接收天線周圍的信號能量分布說起，突出能量傳播過程中由環(huán)境引起的的不均勻性。在發(fā)射端，距發(fā)射源相同距離的不同方向上信號的衰落可能不同，同樣，在接收端，來自于不同方向的信號強弱（或衰落）可能不同，這種現(xiàn)象稱為角度色散。衡量角度色散程度的物理量稱為角度擴展。若歸一化角度功率譜為 P（），則角度擴展定義為：

角度擴展描述了功率譜在空間的色散程度，取值范圍在[0，360o]，角度擴展越大，表明信號在空間不同角度的強弱差異越大，角度擴展越小，表明天線周圍的環(huán)境比較均勻，信號在空間不同角度的強弱差異較小。與角度擴展相關(guān)的概念是相關(guān)（或相干）距離 ，定義為信道沖擊響應(yīng)維持不變（或一定相關(guān)度）的空間間隔的統(tǒng)計平均值。在相干距離間隔內(nèi)，信號的幅度衰落相同，或相近，即兩個到達信號有很強的幅度相關(guān)性。一般相干距離按角度擴展的倒數(shù) 來計算。

對于多天線接收來說，若天線間的距離大于相干距離，則其接收的信號衰落不同，稱信道為空間選擇性衰落信道，否則，若天線間的距離小于相干距離，則其接收的信號衰落相同，稱為非空間選擇性衰落信道。

需要說明的是時延擴展和相關(guān)帶寬與多徑傳播有關(guān)，而多普勒擴展和相干時間主要與移動臺的運動速度有關(guān)，與多徑效應(yīng)無關(guān)。角度擴展和相干距離與多徑、大障礙物遮擋和吸收、電磁干擾等有關(guān)。

五、信道衰落與分集接收

移動通信課程教學(xué)中，在抗信道衰落技術(shù)的分集中，雖然通過多種形式的分集可以提高通信性能，這個容易理解，但是，這是通過增加資源或降低傳輸效率為代價。從定量的角度，如何實現(xiàn)既起到分集的作用，又提高資源利用率，同時，又更好的理解分集和有關(guān)信道衰落概念，是微分集的關(guān)鍵，教學(xué)過程中更應(yīng)突出。

對于分集接收，為了使接收分支信號間的衰落具有獨立性，頻率分集要求頻率間隔大于相關(guān)帶寬，時間分集中的時間間隔大于相干時間，空間分集中的天線空間間隔大于相干距離。

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