多普勒現(xiàn)象及車地通信中的多普勒效應

1、多普勒效應多普勒效應Doppler effect多普勒效應是為紀念奧地利物理學家及數(shù)學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。主要內容：由于波源和觀察者之間有相對運動，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為多普勒效應。如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；如果二者遠離，觀察者接收到的頻率減小。例子：遠方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細（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）。多普勒效應的成因多普勒效應的成因波源和觀察者無相對運動時波源和觀察者無相對運動時 單位時間內波源發(fā)出幾個

2、完全波，觀察者在單位時間內就接收到幾個完全波，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，向外發(fā)出一個波長的波，頻率表示單位時間內完成的全振動的次數(shù)。因此，波源的頻率等于單位時間內波源發(fā)出的完全波的個數(shù)；觀察者接收到的頻率就是單位時間內接收到的完全波的個數(shù)。觀察者遠離波源運動時觀察者遠離波源運動時 觀察者在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)減小，即接收到底頻率減小。觀察者朝波源運動時觀察者朝波源運動時 觀察者在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)增多，即接收到底頻率增大。波源朝觀察者運動時波源朝觀察者運動時 觀察者感覺到波變得密集，即波長減小，接收到底頻率增大。波源遠離觀察者運動時波源遠離

3、觀察者運動時 觀察者感覺到波變得稀疏，即波長增大，接收到底頻率增大。多普勒效應中觀測頻率的計算多普勒效應中觀測頻率的計算 假設波源 (Source) 處發(fā)射一種波，其發(fā)射頻率為f，在介質中傳播的速度為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 滿足下面關系：一 波源不動，觀察者相對介質以速度v0運動s觀察者向著波源移動s觀察者遠離波源移動fuvf)/1 (0fuvtf)/1 (100fuvvut1/11000二 觀察者不動，波源相對介質以速度vs運動s波源向著觀察者移動s波源遠離觀察者移動fvuTvuTvsssb)(fuuuufsb0suvff

4、uu三 波源與觀察者同時相對介質運動觀察者接收到波的頻率為：fuuufs相對論性多普勒效應相對論性多普勒效應 相對論性多普勒效應描述了光等高速傳播速度的波動，因為波源與觀察者的相對運動關系而有的頻率（及波長）上的變化，這里考慮了狹義相對論帶來的效應，與非相對論性的多普勒效應相比，其方程中列入了狹義相對論中的時間展長效應。假設觀察者與波源是以一相對速度v彼此遠離，以波源為參考系。設定有一波前抵達觀察者處，下一個波前則距離他有=c/f，既然波前移動速度為c,而觀察者遠離速度為v,，則在下面時間，波與觀察者會相遇：fcvvct1/110由于相對論中的時間展長，觀察者測量到的時間會是：fcvtt)/1

5、 (10其中：22/11cv所以相應的頻率為：fcvcvfcvtf/1/1)/1 (1當波源固定不變，觀察者移動方向與存在一夾角，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多普勒頻移在移動通信中的影響及解決方案 終端隨著列車運動而接收到的頻率與基站實際發(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： 根據多普勒頻移的計算公式：在終端移動過程中，多普勒頻移隨著終端位置的變化而變化，當終端移動方向和電磁波傳播方向相同，即=0時，多普勒頻移最大；完全垂直時，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，頻率偏移越大，并且多普勒頻移對移動通信系統(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、預校準 頻移校準時為了使終端基本穩(wěn)定在指定頻點上， 基站需采用頻偏預校準方式。終端以某基站頻率f 發(fā)送信號， 基站以頻點f接收經過上行高速信道的信號 該信號頻率為(f + f )， 基站可以估計出頻移 f。同理，發(fā)送信號經過下行高速信道，同樣可以估計。 設計上需要提高基站側做頻偏和校準的精確程度。終端高速移動情況下 基站一次性做頻偏估計、校準， 難度極大， 需要采用兩次頻偏估計、校準的方法， 即第一次頻偏估計范圍大、估計精度差， 能估計出2 0 0 0 H z 以上的頻偏， 而第二次頻偏估計范圍小、估計精度高， 能估計的頻偏范圍為8 0 0 H z 左右， 經過兩次頻偏估計、校準后能控制在2 0 0 H z 以內。 采用900M頻段、改進AFC算法 90