中國(guó)3G標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)鏈又添新兵商用步伐加快教材

1、3.3隨參信道及其傳輸特性隨參信道及其傳輸特性 隨參信道是指信道傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快速變化的信道。 常見(jiàn)的隨參信道有陸地移動(dòng)信道、短波電離層反射信道、超短波流星余跡散射信道、超短波及微波對(duì)流層散射信道、超短波電離層散射以及超短波超視距繞射等信道。我們首先介紹兩種典型的隨參信道。 3.3.1陸地移動(dòng)信道陸地移動(dòng)信道 陸地移動(dòng)通信工作頻段主要在VHF和UHF頻段，電波傳播特點(diǎn)是以直射波為主。但是， 由于城市建筑群和其他地形地物的影響，電波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生反射波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜，因此移動(dòng)信道是典型的隨參信道。 1. 自由空間傳播 在VHF、UHF移動(dòng)信道中，電波傳播方

2、式主要有自由空間直射波、地面反射波、大氣折射波、建筑物等的散射波等當(dāng)移動(dòng)臺(tái)和基站天線(xiàn)在視距范圍之內(nèi)，這時(shí)電波傳播的主要方式是直射波。直射波傳播可以按自由空間傳播來(lái)分析。由于傳播路徑中沒(méi)有阻擋，所以電波能量不會(huì)被障礙物吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射和折射。設(shè)發(fā)射機(jī)輸入給天線(xiàn)的功率為PT(瓦特)，則接收天線(xiàn)上獲得的功率為 PR=PTGTGR 2)4(d式中， GT為發(fā)射天線(xiàn)增益，GR為接收天線(xiàn)增益，d為接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)之間的直線(xiàn)距離， 為各向同性天線(xiàn)的有效面積。當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)增益和接收天線(xiàn)增益都等于1時(shí)，式(3.3 - 1)簡(jiǎn)化為 PR=PT 422)4(d自由空間傳播損耗定義為 Lfs= RTPp 代入式(

3、3.3 - 2)可得 Lfs=用dB可表示為L(zhǎng)fs=20lg =32.44+20lgd+20lgf (dB) (3.3 - 5)d4 式中，d為接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)之間直線(xiàn)距離，單位為km； f為工作頻率，單位為MHz。由式(3.3 - 4)可以看出，自由空間傳播損耗與距離d的平方成正比，距離越遠(yuǎn)損耗越大。圖 3 - 16 給出了移動(dòng)信道中自由空間傳播損耗與頻率和距離的關(guān)系。 2)4(d 2. 反射波與散射波反射波與散射波 當(dāng)電波輻射到地面或建筑物表面時(shí)， 會(huì)發(fā)生反射或散射， 從而產(chǎn)生多徑傳播現(xiàn)象，如圖 3 - 17 所示。這些反射面通常是不規(guī)則和粗糙的。為了分析方便，可以認(rèn)為反射面是平滑表面，

4、 此時(shí)電波的反射角等于入射角，分析模型如圖 3 - 18 所示。 不同界面的反射系 R= (3.3 - 6)其中: z=zzsinsin020cos z= (水平極化) (3.3 - 8) 0=-j60 (3.3 - 9)式中，為介電常數(shù)，為電導(dǎo)率，為波長(zhǎng)。 3. 折射波折射波 電波在空間傳播中，由于大氣中介質(zhì)密度隨高度增加而減小， 導(dǎo)致電波在空間傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射、散射等，如圖 3 - 19 所示。大氣折射對(duì)電波傳輸?shù)挠绊懲ǔ？捎玫厍虻刃О霃絹?lái)表征。地球的實(shí)際半徑和地球等效半徑之間的關(guān)系為 k= 20cos0rre 式中，k稱(chēng)為地球等效半徑系數(shù)， r0=6370km為地球?qū)嶋H半徑， re為地球

5、等效半徑。在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下， 地球等效半徑系數(shù)k= ， 此時(shí)地球等效半徑為34kmkrre84936370340 3.3.2短波電離層反射信道短波電離層反射信道 短波電離層反射信道是利用地面發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電波在電離層， 或電離層與地面之間的一次反射或多次反射所形成的信道。 由于太陽(yáng)輻射的紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)，使離地面60600 km的大氣層成為電離層。電離層是由分子、原子、離子及自由電子組成。 當(dāng)頻率范圍為330 MHz(波長(zhǎng)為10100m)的短波(或稱(chēng)為高頻)無(wú)線(xiàn)電波射入電離層時(shí)， 由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)生反射，返回地面，從而形成短波電離層反射信道。 電離層厚度有數(shù)百千米，可分為D、E、F1和F2

6、四層， 如圖3 - 20所示。由于太陽(yáng)輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時(shí)間隨機(jī)變化，因此短波電離層反射信道也是隨參信道。 在白天，由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)，所以D、E、F1和F2四層都存在。 在夜晚，由于太陽(yáng)輻射減弱，D層和F1層幾乎完全消失，因此只有E層和F2層存在。由于D、E層電子密度小，不能形成反射條件，所以短波電波不會(huì)被反射。D、E層對(duì)電波傳輸?shù)挠绊懼饕俏针姴ǎ闺姴芰繐p耗。F2層是反射層，其高度為250300 km，所以一次反射的最大距離約為4000 km。 由于電離層密度和厚度隨時(shí)間隨機(jī)變化，因此短波電波滿(mǎn)足反射條件的頻率范圍也隨時(shí)間變化。通常用最高可用頻率給出工作頻率上限。 最高可

7、用頻率是指當(dāng)電波以0角入射時(shí)，能從電離層反射的最高頻率，可表示為 fMUF=f0 sec0 (3.3 - 11) 式中，f0為0=0時(shí)能從電離層反射的最高頻率(稱(chēng)為臨界頻率)。 在白天，電離層較厚，F(xiàn)2層的電子密度較大，最高可用頻率較高。 在夜晚，電離層較薄，F(xiàn)2層的電子密度較小，最高可用頻率要比白天低。 短波電離層反射信道最主要的特征是多徑傳播， 多徑傳播有以下幾種形式: (1) 電波從電離層的一次反射和多次反射； (2) 電離層反射區(qū)高度所形成的細(xì)多徑； (3) 地球磁場(chǎng)引起的尋常波和非尋常波； (4) 電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象。 以上四種形式如圖 3 - 21 所示。 圖 3 - 2

8、1多徑形式示意圖 (a) 一次反射和兩次反射； (b) 反射區(qū)高度不同； (c) 尋常波與非尋常波； (d) 漫射現(xiàn)象ABAB(a)(b)ABAB(c)(d ) 3.3.3隨參信道特性隨參信道特性 由上面分析的陸地移動(dòng)信道和短波電離層反射信道這兩種典型隨參信道特性知道，隨參信道的傳輸媒質(zhì)具有以下三個(gè)特點(diǎn)： (1) 對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化； (2) 信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化； (3) 多徑傳播。 由于隨參信道比恒參信道復(fù)雜得多，它對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸脖群銋⑿诺绹?yán)重得多。下面我們將從兩個(gè)方面進(jìn)行討論。 1. 多徑衰落與頻率彌散多徑衰落與頻率彌散 陸地移動(dòng)多徑傳播示意圖如圖 3 - 17 所示

9、。 基站天線(xiàn)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)多條不同的路徑到達(dá)移動(dòng)臺(tái)。我們假設(shè)發(fā)送信號(hào)為單一頻率正弦波，即 s(t)=A cosct (3.3 - 12)多徑信道一共有n條路徑，各條路徑具有時(shí)變衰耗和時(shí)變傳輸時(shí)延且從各條路徑到達(dá)接收端的信號(hào)相互獨(dú)立，則接收端接收到的合成波為 = (3.3 -13)式中， ai(t)為從第i條路徑到達(dá)接收端的信號(hào)振幅，i(t)為第i條路徑的傳輸時(shí)延。傳輸時(shí)延可以轉(zhuǎn)換為相位的形式， 即 r(t)= 式中 i(t)=-ci(t) (3.3 - 15)(cos)(1ttwtaicniir(t)=a1(t) cosct-1(t)+a2(t) cosct-2(t)+an(t) cosct-

10、n(t) )()(cos)(1ttwtacnii為從第i條路徑到達(dá)接收端的信號(hào)的隨機(jī)相位。 式(3.3 - 14)可變換為niciiciniitwtatwtatr11sinsin)(coscos)()(twtytwtXccsin)(cos)(式中niiitatx1cos)()(niiitaty1sin)()( 由于X(t)和Y(t)都是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量之和，根據(jù)概率論中心極限定理，大量獨(dú)立隨機(jī)變量之和的分布趨于正態(tài)分布。 因此， 當(dāng)n足夠大時(shí)， X(t)和Y(t)都趨于正態(tài)分布。 通常情況下X(t)和Y(t)的均值為零，方差相等，其一維概率密度函數(shù)為)2exp(21)(22xxxxf)2ex

11、p(21)(22yyyyf且x=y。 式(3.3 - 16)也可以表示為包絡(luò)和相位的形式，即 r(t)=V(t)cosct+(t) (3.3 - 21) 式中 V(t)=X2(t)+Y2(t) (3.3 - 22) (t)=arctan (3.3 - 23) 由第 2 章隨機(jī)信號(hào)分析理論我們知道， 包絡(luò)V(t)的一維分布服從瑞利分布，相位(t)的一維分布服從均勻分布，可表示為)()(txty)2exp()(22vvvvvff()= 20 ,21其他, 0 且有x=y=v=。 對(duì)于陸地移動(dòng)信道、 短波電離層反射信道等隨參信道， 其路徑幅度ai(t)和相位函數(shù)i(t)隨時(shí)間變化與發(fā)射信號(hào)載波頻率相

12、比要緩慢得多。因此，相對(duì)于載波來(lái)說(shuō)V(t)和(t)是慢變化隨機(jī)過(guò)程，于是r(t)可以看成是一個(gè)窄帶隨機(jī)過(guò)程。由2.5節(jié)窄帶隨機(jī)過(guò)程分析我們知道，r(t)的包絡(luò)服從瑞利分布，r(t)是一種衰落信號(hào)，r(t)的頻譜是中心在fc的窄帶譜，如圖 2 - 7 所示。由此我們可以得到以下兩個(gè)結(jié)論: (1) 多徑傳播使單一頻率的正弦信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號(hào)，這種信號(hào)稱(chēng)為衰落信號(hào)，即多徑傳播使信號(hào)產(chǎn)生瑞利型衰落； (2) 從頻譜上看， 多徑傳播使單一譜線(xiàn)變成了窄帶頻譜， 即多徑傳播引起了頻率彌。 2. 頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬 當(dāng)發(fā)送信號(hào)是具有一定頻帶寬度的信號(hào)時(shí)， 多徑傳

13、播除了會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生瑞利型衰落之外，還會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。頻率選擇性衰落是多徑傳播的又一重要特征。為了分析方便，我們假設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條，信道模型如圖 3 - 22 所示。 其中， k為兩條路徑的衰減系數(shù)，(t)為兩條路徑信號(hào)傳輸?shù)南鄬?duì)時(shí)延差。 當(dāng)信道輸入信號(hào)為si(t)時(shí)，輸出信號(hào)為 so(t)=ksi(t)+ksit-(t)Y (3.3 - 26)其頻域表示式為圖 3 22 兩條路徑信道模型 kk延遲(t)si(t)so(t) So()=kSi()+kSi()e-j(t) =kSi()1+e-j(t) (3.3 - 27) 信道傳輸函數(shù)為H()=So() Si() =k1+e-j(t

14、) (3.3 - 28)可以看出，信道傳輸特性主要由1+e-j(t)項(xiàng)決定。 信道幅頻特性為)(sin)(cos11 )()(twjtkekWHtrjw2)(cossin22)(cos22)(2twjtwktw2)(sincos2)(cos22)(twjtwktw2)(cos2twk 對(duì)于固定的i，信道幅頻特性如圖 3 - 23(a)所示。 式(3.3 - 29)表示，對(duì)于信號(hào)不同的頻率成分，信道將有不同的衰減。顯然，信號(hào)通過(guò)這種傳輸特性的信道時(shí)， 信號(hào)的頻譜將產(chǎn)生失真。當(dāng)失真隨時(shí)間隨機(jī)變化時(shí)就形成頻率選擇性衰落。 特別是當(dāng)信號(hào)的頻譜寬于 時(shí)，些頻率分量會(huì)被信道衰減到零， 造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。 )(1t圖 3 23 信道幅頻特性|H()|2kOf2i1i1|H()|2kO2(t)1f(a)(b) 另外，相對(duì)時(shí)延差(t)通常是時(shí)變參量，故傳輸特性中零點(diǎn)、極點(diǎn)在頻率軸上的位置也隨時(shí)間隨機(jī)變化，這使傳輸特性變得更復(fù)雜，其特性如圖 3 - 23(b)所示。 對(duì)于一般的多徑傳播，信道的傳輸特性將比兩條路徑信道傳輸特性復(fù)雜得多，但同樣存在頻率選擇性衰落現(xiàn)象。多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差來(lái)表征。設(shè)信道最大多徑時(shí)延差為