移动通信原理与关键技术学习(4)

发布时间:2024年01月10日

1.小尺度衰落 Small-Scale Fading

由于收到的信号是由通过不同的多径到达的信号的总和,接收信号的增强有一定的减小。

小尺度衰落的特点

  • 信号强度在很小的传播距离或时间间隔内的快速变化;
  • 不同多径信号多普勒频移引起的随机调频;
  • 多径传播延迟引起的时间色散 (回波)。

关键因素

  • 终端移动速度:影响每个多径分量上的多普勒频移;
  • 周围物体移动速度:在多径分量上引起时变多普勒频移;只有当周围物体比移动台移动得更快时,效果才占主导地位;
  • 多径时延多径传播:通道中存在反射物体和散射体的结果;多径分量的随机幅度和相位导致小规模衰落和/或信号失真;通过较长的反射路径传播所引入的信号延迟导致信号模糊,称为符号间干扰;
  • 信号带宽:如果发射信号的带宽大于信道的相干带宽,则接收信号会因引入符号间干扰而失真。

多普勒频移 Doppler Shift

由于时间较短,上述两个θ可看为不变;

相位变化:\Delta \phi =\frac{2\pi\Delta l}{\lambda }=\frac{2\pi v_s\Delta t}{\lambda }

多普勒频移:f_d=\frac{1}{2\pi}\cdot \frac{\Delta \phi }{\Delta t}=\frac{v}{\lambda }\cdot \cos \theta

例题:考虑发射机辐射的正弦载波频率为1850MHZ。对于每小时60英里的移动车辆如果移动设备(a) 直接向着发射机移动, (b)直接反着向发射机移动, (c)在垂直于发射信号到达方向的方向移动,则计算接收载波频率。

答:

多径衰落信道Multipath Fading Channels

信道可视为线性时变滤波器,接收信号是发射信号与信道冲激响应之间的卷积;

y(t)=\sum_{n=0}^{N}x(t)\bigotimes h(t;n\Delta \tau )

信道冲激响应:用于表征信道;可通过向通道发送脉冲并记录接收器输出的通道来测量(尽管不方便);对于移动通信信道来说是随时间变化的。

信道对移动通信系统会呈现频率选择性频率非选择性快衰落慢衰落等重要特性,移动通信系统应针对不同的特性进行相应的设计。利于信道的正面作用,消除信道的负面影响,提高传输可靠性,提升资源利用率,降低系统能耗。

广义平稳(wide-sense stationary):

  • 随机变量的均值不随时间变化:m_h(\tau )=E[h(\tau ;t)]
  • 随机信号相关函数不随时间变化,仅与时间差相关:\phi _h(\tau _1,\tau _2;\Delta t)=\frac{1}{2}E[h^*(\tau _1;t)h^*(\tau _2;t+\Delta t)]

非相干散射 (uncorrelated scattering):

在统计意义上,不同多径统计量不相关,如幅度和相位:\phi _h(\tau _1,\tau _2;\Delta t)=\phi _h(\tau _1;\Delta t)\delta (\tau _2-\tau _1)

多径衰落信道的特性:延迟功率谱可以是离散的,也可以是连续的;

信道的相干带宽:多径扩展的倒数是信道的相干带宽的度量,信道冲激响应保持不变的频率宽度;

相干带宽: 该频率范围内,两个频率分量的信道冲激响应有强相关性,B_c\approx \frac{1}{\tau _d},其中\tau _d为多径时延;

相干时间,单个频点的冲激响应保持不变的时间;

相干时间:信道冲激响应维持不变 (输入信号不变,输出信号不变) 的时间间隔,并统计其平均值,T_c\approx \frac{1}{f_d},其中f_d为多普勒频移。

散射函数是描述多径衰落信道最常用的函数;

问:频率选择性衰落是快衰落信道,这种说法对吗? 为什么?

答:错误,频率选择性衰落与多径时延扩展相关,此时信号带宽大于信道相干带宽;快衰落与多普勒扩展相关,此时符号周期大于信道相干时间。

:一个物理信道可能是频率选择信道,也可能是频率非选择信道,这个说法对吗?为什么?

: 正确

信道是否为频率选择信道,取决于传输信号带宽Bs和信道相干带宽Bc。物理传输信道确定,则信道相干带宽保持不变,但信号带宽会发生改变。

当该信道传输宽带信号时,Bs >Bc,Ts <Tc,则信道为频率选择信道,如下图;

频率选择性衰落

当该信道传输窄带信号时, Bs <Bc,Ts> Tc,则信道为频率非选择信道,如下图:

平坦衰落

常用的小尺度衰落模型有Rayleigh Fading和Rician Fading;

小尺度衰落是无线信道非常重要的特性,是无线传输质量的决定因素之一;

小尺度衰落主要包括多径时延扩展(时域扩展)和多普勒频移(频域扩展);

根据频域和时域不同的特性,无线信道可以分为:平坦衰落信道和频率选择性信道;慢衰落信道和快衰落信道。

WSSUS信道是Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering:广义平稳非相关散射信道

如果一个 WSSUS 信道进一步受瑞利衰落,则该信道为高斯 WSSUS 信道,即 GWSSUS 信道。

Rayleigh fading 的产生:在无线通信信道中,由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径,各条路径延时时间是不同的,而各个方向分量波的叠加,又产生了驻波场强,从而形成信号快衰落称为瑞利衰落;

Rician fading 的产生:如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外, 还有从发射机直接到达接收机 (如从卫星直接到达地面接收机)的信号,那么总信号的强度服从分布莱斯, 故称为莱斯衰落。

2.无线信道小尺度衰落主要包含哪两种?

答:主要分为多径时延扩展和多普勒频移两种原因造成,有瑞利和莱斯两种衰落模型。频率选择性衰落会导致符号间干扰,平坦衰落不会。快衰落会使单个符号持续时间内信号发生变化,而慢衰落不会。

3.平坦衰落信道就是慢衰落信道。这个说法对吗?为什么?

答:不对,前者是多径的相干带宽大于信号带宽,信号各频段有同样的衰落;后者是多普勒相干时间大于符号周期,信号发生变化。

4.Rayleigh 衰落信道就是多径信道。这个说法对吗?为什么?

答:不对,Ravleigh 衰落信道模型是不可分辨多径信道,而一般的多径信道是可分辨的。Rayleigh 衰落信道模型是一种无直射传播路径的平坦衰落信号型,利用中心极限定理,将信道影响分解为不相关的两个高斯随机变量。

5.无线信道小尺度衰落时延互功率谱函数的物理意义是什么?

答:时延互功率谱函数中\phi _H(\Delta f,\Delta t)为信道h(,t)关于时延傅里叶变换函数h(τ,t)的自相关,也是时延互功率密度函数\phi _h(\tau ,\Delta t) 关于时延的傅里叶变换;\phi _H(\Delta f,\Delta t)仅与时间差和频率差相关,可用于分析信道特性,如评估信道频率相干性和时间相干性;\phi _H(\Delta f,0)分析相干带宽,图中▲f=1/Tm为相干带宽,Tm 为多径时延。▲f范围内的频率信道冲激响应,h(τ,t)具有强相关性。

6.请给出GWSSUS信道的定义

答:信道冲激响应函数h(τ,t)在时域为广义平稳,时延上为非相干散射。当信号发送时间t和传播时延τ确定,h(τ,t)统计特性服从Rayleigh Fading

7.请给出Rayleigh Fading瑞利衰落的定义

答:接收机接收360°各向无差别的多个随机信号,其中无直射径信号,“该场景的小尺度衰落服从Rayleigh Fading,信道冲激响应h服从为零均值的复高斯分布;信道h =x +jy在cos(I路)方向的衰减x服从高斯分布N(0,\sigma ^{2}),h在sin(Q路)方向的衰减y服从高斯分布N(0,\sigma ^{2})

8.请给出Rician Fading莱斯衰落的定义

答:接收机接收具有方向性的多个信号,其中有直射径信号,该场景的小尺度衰落信道为Rician Fading;信道冲激响应h服从非零均值的复高斯分布;信道h = x + jy在cos(l路)方向的衰减x服从高斯分布N(m_x,\sigma ^{2}),h在sin(Q路)方向的衰减y服从高斯分布N(m_x,\sigma ^{2})

9.请给出调制的定义,解释为何无线通信系统需要调制

答:用信号源的信息改变高频信号参数,使信号源变为适用于信道传输的形式,该过程称为调制
调制能使信号适用于信道传输 (可靠性),传输多路基带信号 (有效性)。

文章来源:https://blog.csdn.net/yyfloveqcw/article/details/135489540
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