通信信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)

通信信號(hào)處理（I）

（48學(xué)時(shí)）通信工程學(xué)院馮文江Email:fengwj@

課程概況教學(xué)目的了解通信信號(hào)的描述形式、無(wú)線傳輸信道的特征和模型；了解通信信號(hào)處理的研究對(duì)象；掌握通信信號(hào)的時(shí)域、頻域、空域和碼域處理方法；跟蹤通信信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)動(dòng)態(tài)。課程概況教學(xué)內(nèi)容第一章：通信信號(hào)處理基本知識(shí)：通信信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)；通信信號(hào)的描述形式；無(wú)線傳輸信道的特征和模型。第二章：均衡技術(shù)：符號(hào)間干擾（ISI）產(chǎn)生的原因；均衡的作用；均衡實(shí)現(xiàn)原理；均衡器結(jié)構(gòu)分類；均衡性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；均衡算法。第三章：陣列信號(hào)處理：陣列天線系統(tǒng)種類、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和模型；陣列信號(hào)處理涉及的信源數(shù)估計(jì)、DOA估計(jì)和數(shù)字波束形成方法，重點(diǎn)學(xué)習(xí)MUSIC類算法的原理、描述、適用范圍和特點(diǎn)。

課程概況教學(xué)內(nèi)容第四章：多用戶檢測(cè)技術(shù)：系統(tǒng)模型、檢測(cè)準(zhǔn)則、性能指標(biāo)；MMSE多用戶檢測(cè)、自適應(yīng)多用戶檢測(cè)、盲多用戶檢測(cè)的結(jié)構(gòu)、原理和性能。第五章：分集接收技術(shù)：分集接收的概念、任務(wù)、類型和作用；重點(diǎn)學(xué)習(xí)隱分集接收方法、信號(hào)合并方式、RAKE接收技術(shù)。第六章：協(xié)同通信信號(hào)處理：協(xié)同通信的概念、方式和特點(diǎn)；重點(diǎn)學(xué)習(xí)協(xié)同分集、協(xié)同中繼和協(xié)同定位相關(guān)技術(shù)的原理、方法、性能和特點(diǎn)以及目前關(guān)注的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

課程概況教學(xué)內(nèi)容第七章：認(rèn)知無(wú)線電中的信號(hào)處理：認(rèn)知無(wú)線電、認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、多認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的概念；重點(diǎn)介紹頻譜感知技術(shù)、協(xié)同頻譜感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)與識(shí)別技術(shù)、認(rèn)知安全技術(shù)等。第八章：新一代寬帶無(wú)線通信中的信號(hào)處理：MassiveMIMO中的互耦檢測(cè)、FullDuplex通信中的干擾抵消。

課程概況課程定位該課程定位是“通信與信息系統(tǒng)”和“信號(hào)與信息處理”學(xué)科學(xué)術(shù)型研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課（學(xué)位課程）；是“電路與系統(tǒng)”學(xué)科學(xué)術(shù)型研究生的專業(yè)方向課（非學(xué)位課）；是“電子與通信工程”領(lǐng)域?qū)I(yè)型研究生的特色專業(yè)課。

課程概況教學(xué)模式圍繞通信信號(hào)處理涉及的研究領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，采用逐步遞進(jìn)，理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)模式。

工程應(yīng)用背景

基本概念

處理算法

應(yīng)用效果

實(shí)際需要改進(jìn)措施

課程概況參考文獻(xiàn)張賢達(dá)、保錚：通信信號(hào)處理，國(guó)防工業(yè)出版社，2000邱天爽：通信中的自適應(yīng)信號(hào)處理，電子工業(yè)出版社，2005郭業(yè)才：通信信號(hào)分析與處理，合肥工大出版社，2009JosephBoccuzzi著，劉祖軍譯:SignalProcessingforWirelessCommunications，電子工業(yè)出版社，2010IEEETransactionsonCommunicationsIEEETransactionsonAntennasandPropagationIEEETransactionsonSignalProcessing傳輸有線傳輸無(wú)線傳輸基帶傳輸頻帶傳輸模擬調(diào)制（AM、FM、PM）數(shù)字調(diào)制（FSK、PSK、ASK）通信系統(tǒng)：傳輸+容量傳輸：有效性（盡可能多）、可靠性（盡可能好）第一章：通信信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)信源基帶信源編碼調(diào)制信道編碼功放上變頻信宿基帶信源解碼解調(diào)選放下變頻信道解碼第一章通信信號(hào)處理基本知識(shí)組網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)（核心網(wǎng)絡(luò)）接入網(wǎng)絡(luò)（空中接口）容量：頻譜效率、頻譜利用率1）組網(wǎng)方式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、AdHoc、Mesh2）多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA3）復(fù)用技術(shù)：蜂窩技術(shù)4）雙工方式：?jiǎn)喂?、半雙工、全雙工（FDD、TDD）第一章：通信信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)通信信號(hào)處理研究對(duì)象通信信號(hào)的特點(diǎn)：傳輸環(huán)境復(fù)雜：多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)、多普勒效應(yīng)干擾：互調(diào)干擾、多址干擾、耦合效應(yīng)信號(hào)傳輸可靠性要求高信號(hào)傳輸有效性要求高通信信號(hào)處理主要針對(duì)通信系統(tǒng)的接收部分利用通信信號(hào)處理技術(shù)改善接收性能，彌補(bǔ)傳輸環(huán)境造成的影響常用的通信信號(hào)處理技術(shù)時(shí)域：時(shí)域均衡、時(shí)間分集（交織）頻域：頻率分集接收和信號(hào)合并處理空域：空間分集、空時(shí)分集、協(xié)同分集信號(hào)處理碼域：多用戶檢測(cè)空、時(shí)、頻、碼域多維聯(lián)合信號(hào)處理通信信號(hào)的表示和特征通信信號(hào)分類隨機(jī)信號(hào)與確定信號(hào)平穩(wěn)信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)低通信號(hào)與帶通信號(hào)有限功率信號(hào)與無(wú)限功率信號(hào)通信信號(hào)具有隨機(jī)特征通信信號(hào)處理采用統(tǒng)計(jì)分析方法平穩(wěn)隨機(jī)過程嚴(yán)格平穩(wěn)過程（狹義平穩(wěn)過程）

隨機(jī)變量的概率分布函數(shù)與的概率分布函數(shù)對(duì)所有的時(shí)延τ都是相同的。（高斯白噪聲AWGN）廣義平穩(wěn)過程（弱平穩(wěn)、協(xié)方差、二階平穩(wěn)）數(shù)學(xué)期望為常數(shù)功率有限協(xié)方差

平穩(wěn)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性自相關(guān)函數(shù)關(guān)于時(shí)延τ共軛對(duì)稱功率譜密度是非負(fù)實(shí)數(shù)信號(hào)功率有限信號(hào)通過LTI系統(tǒng)，平穩(wěn)特性不變循環(huán)平穩(wěn)過程周期平穩(wěn)（cyclostationary）特性：統(tǒng)計(jì)特性表現(xiàn)為周期或多周期平穩(wěn)變化，本身是非平穩(wěn)信號(hào)（通信信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性是由于正弦載波、訓(xùn)練序列、擴(kuò)頻序列、跳頻序列、循環(huán)前綴等參數(shù)的周期性所致）一階循環(huán)平穩(wěn)過程：數(shù)學(xué)期望具有周期性二階循環(huán)平穩(wěn)過程：相關(guān)函數(shù)具有周期性高階循環(huán)平穩(wěn)過程：高階統(tǒng)計(jì)量具有周期性一階循環(huán)平穩(wěn)過程隨機(jī)信號(hào)的均值（數(shù)學(xué)期望）均值的Fourier級(jí)數(shù)展開循環(huán)頻率α=m/T0；循環(huán)均值二階循環(huán)平穩(wěn)過程自相關(guān)函數(shù)具有時(shí)間周期性相關(guān)函數(shù)的Fourier級(jí)數(shù)展開循環(huán)相關(guān)系數(shù)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)循環(huán)功率譜二階循環(huán)平穩(wěn)過程二階循環(huán)平穩(wěn)過程性質(zhì)隨機(jī)信號(hào)通過LTI系統(tǒng)，輸出信號(hào)功率譜和互功率譜循環(huán)功率譜和循環(huán)互功率譜譜相關(guān)系數(shù)用功率譜辨識(shí)非最小相位系統(tǒng)時(shí)存在多重性用循環(huán)功率譜可以辨識(shí)非最小相位系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)：頻譜感知、網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、調(diào)制模式識(shí)別等解析信號(hào)在通信系統(tǒng)中實(shí)際傳輸?shù)氖菍?shí)信號(hào)，而在信號(hào)處理時(shí)則以復(fù)信號(hào)為處理對(duì)象，為此，需要對(duì)接收信號(hào)預(yù)處理，構(gòu)造出復(fù)信號(hào)解析信號(hào)實(shí)部虛部Hilbert濾波器傳遞函數(shù)解析信號(hào)Hilbert變換性質(zhì)實(shí)信號(hào)經(jīng)過Hilbert變換，信號(hào)頻譜幅度保持不變解析信號(hào)實(shí)部和虛部之間存在實(shí)信號(hào)的Hilbert變換如果Hilbert變換滿足解析信號(hào)解析信號(hào)描述定義濾波器第一類解析信號(hào)第二類解析信號(hào)基帶信號(hào)

實(shí)的窄帶信號(hào)解析信號(hào)基帶信號(hào)（零中頻信號(hào)）解析信號(hào)與基帶信號(hào)的關(guān)系窄帶信號(hào)與基帶信號(hào)的關(guān)系基帶信號(hào)的直角坐標(biāo)形式基帶信號(hào)是復(fù)信號(hào)，但不存在雙邊譜基帶信號(hào)接收端存在帶通濾波器時(shí)沖激響應(yīng)包絡(luò)，基帶沖激響應(yīng)輸出信號(hào)（時(shí)域）基帶輸出信號(hào)平穩(wěn)信號(hào)的基帶表示

平穩(wěn)信號(hào)平穩(wěn)基帶信號(hào)與解析信號(hào)相關(guān)函數(shù)的關(guān)系平穩(wěn)解析信號(hào)功率譜平穩(wěn)基帶信號(hào)功率譜平穩(wěn)基帶信號(hào)的相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)平穩(wěn)基帶信號(hào)的功率譜和互功率譜平穩(wěn)信號(hào)的基帶表示結(jié)論：實(shí)的信號(hào)、基帶信號(hào)、解析信號(hào)、同相分量、正交分量都是平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)基帶信號(hào)同相分量和正交分量的相關(guān)函數(shù)相等，各占一半信號(hào)功率；互相關(guān)函數(shù)是時(shí)延的奇函數(shù)基帶信號(hào)的同相分量和正交分量統(tǒng)計(jì)特性相同同一時(shí)刻采樣，基帶信號(hào)的同相分量和正交分量統(tǒng)計(jì)獨(dú)立載波是否存在初相位，不改變平穩(wěn)基帶信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的基帶表示實(shí)的循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)，循環(huán)頻率循環(huán)平穩(wěn)基帶信號(hào)與解析信號(hào)的關(guān)系一階循環(huán)平穩(wěn)基帶信號(hào)的數(shù)學(xué)期望二階循環(huán)平穩(wěn)基帶信號(hào)的相關(guān)函數(shù)循環(huán)譜和互循環(huán)譜帶限信號(hào)帶限信號(hào)定義：如果實(shí)值信號(hào)的Fourier變換的頻譜或功率譜，稱為帶限信號(hào)或低通信號(hào)。時(shí)限信號(hào)定義：如果實(shí)值信號(hào)，稱為時(shí)限信號(hào)。帶限信號(hào)相關(guān)函數(shù)發(fā)射信號(hào)，通過帶限信道，接收信號(hào)為周期信號(hào)的相關(guān)函數(shù)周期信號(hào)集合各子信號(hào)容易與自身的時(shí)間偏移區(qū)分；各子信號(hào)容易與其它子信號(hào)區(qū)分周期信號(hào)周期信號(hào)相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)信道：收發(fā)兩端傳輸媒體的總稱有線信道無(wú)線信道前向連接downlink（下行鏈路）后向連接uplink（上行鏈路）無(wú)線通信系統(tǒng)性能與無(wú)線信道傳播特性密切相關(guān)視距傳播（LOS）、非視距傳播（NLOS）無(wú)線信道的隨機(jī)性（位置變化、環(huán)境變化等）導(dǎo)致：接收信號(hào)幅度、相位、頻率偏移、時(shí)變無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)無(wú)線電波按照傳播方式分類：地波、電離層反射波、對(duì)流層反射波、空間波、自由空間空間波地波——地表面?zhèn)鞑ィ弘姴ㄑ氐厍虮砻鎮(zhèn)鞑ィㄟ^繞射到達(dá)視線范圍以外。地面會(huì)吸收地波，其強(qiáng)弱與電波頻率、地面性質(zhì)有關(guān)；電離層反射波——天波傳播：電波利用距地面60km高空的電離層反射傳播。當(dāng)然，電離層也會(huì)吸收電波，其強(qiáng)弱與電波頻率和電離層的變化(位置、層數(shù)、厚度)有關(guān)；對(duì)流層反射波——散射傳播：利用大氣層中距地面10-20km高空對(duì)流層的不均勻性來(lái)散射電波，傳播距離可達(dá)300-800km，電波反射強(qiáng)弱與高度有關(guān)，越高越弱；無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)空間波——直射傳播：電波沿直線傳播(直接波)，也通過地球表面反射傳播(地反射波)，接收電場(chǎng)強(qiáng)度是二者的合成。直接波不受地面影響，但地反射波會(huì)受反射點(diǎn)地質(zhì)、地形影響?？臻g波通過大氣層的底層傳播，傳播距離與地球曲率半徑有關(guān)；自由空間波——直射傳播：電波由地面發(fā)出，經(jīng)過低空大氣層和電離層到達(dá)外層空間傳播(衛(wèi)星通信、深空通信)，自由空間(真空)電波傳播特性穩(wěn)定。無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)無(wú)線電波按照波長(zhǎng)大小分類：長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波等長(zhǎng)波：波長(zhǎng)1000m以上，頻率300kHz以下。其傳播方式主要有地表面?zhèn)鞑ズ吞觳▊鞑ィ匦蔚孛矊?duì)地表面?zhèn)鞑ビ绊懶?，電離層對(duì)天波傳播吸收較弱，傳播特性穩(wěn)定。但由于地表面波衰減慢，對(duì)其他電臺(tái)形成的干擾嚴(yán)重，由雷電產(chǎn)生的天電干擾對(duì)其影響大；中波：波長(zhǎng)100-1000m，頻率300kHz-30MHz。其傳播方式主要還是地表面?zhèn)鞑ズ吞觳▊鞑?，地形地貌?duì)地表面?zhèn)鞑ビ绊懶?，但需要穿過電離層較深處才能反射。波長(zhǎng)在200-2000m的中長(zhǎng)波主要用于廣播，稱為廣播波段，傳播距離可達(dá)200-300km。無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)短波：波長(zhǎng)10-100m，頻率3MHz-30MHz。其傳播方式主要靠電離層反射，天波在電離層中的損耗小，可利用天波在電離層中的一次或多次反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播。但由于電離層厚度、高度、密度隨時(shí)變化，短波通信信號(hào)會(huì)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱(白天更明顯)；超短波：波長(zhǎng)1-10m，頻率30MHz-300MHz。其傳播方式主要有散射傳播和直射傳播，主要用于電視、調(diào)頻廣播、雷達(dá)等，傳播距離可達(dá)30-100km。微波：波長(zhǎng)1m以下，頻率300MHz-300GHz。其傳播方式主要有直射傳播，主要用于通信、雷達(dá)等。由于地形、地貌、地物、氣候等會(huì)引起反射、繞射、散射和吸收，產(chǎn)生衰落和失真。無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)歸結(jié)起來(lái)，無(wú)線電波的傳播途徑主要有：直射波和地面反射波、對(duì)流層反射波、電離層反射波和山體繞射波等無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)此外，電波遇到各種障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射、繞射和散射現(xiàn)象，會(huì)對(duì)直射波形成干涉（多徑效應(yīng)）；收發(fā)信機(jī)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)在時(shí)域和頻域擴(kuò)展，表現(xiàn)為選擇性衰落地表面波損耗隨頻率升高急劇減弱，隨距離增加急劇減小。無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)電波傳播效應(yīng)傳輸損失：大范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度隨距離變化(數(shù)百或數(shù)千米)，表現(xiàn)為電磁波的能量擴(kuò)散現(xiàn)象n為路徑損失指數(shù)：自由空間為2；城區(qū)為2.7-3.5；城市陰影區(qū)為3-5；直視樓房為1.6-1.8；阻塞樓房為4-6；廠區(qū)為2-3。

無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)電波傳播效應(yīng)陰影衰落：中范圍信號(hào)電平中值慢變(數(shù)百個(gè)波長(zhǎng))由于傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其他障礙物對(duì)電波遮蔽所引起的慢衰落，信號(hào)中值出現(xiàn)緩慢變動(dòng)，衰落深度與頻率、阻礙物有關(guān)多徑衰落：小范圍信號(hào)瞬時(shí)值快變(數(shù)十個(gè)波長(zhǎng))由于移動(dòng)傳播環(huán)境的多徑傳播而引起的快衰落，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值呈現(xiàn)快速變化多徑衰落是移動(dòng)信道特性中最具特色的部分無(wú)線通信信道基礎(chǔ)知識(shí)電波傳播效應(yīng)由此可知，無(wú)線通信信道是一種時(shí)變信道，無(wú)線電信號(hào)通過信道時(shí)會(huì)遭受來(lái)自不同途徑的衰減損害，接收信號(hào)總功率表現(xiàn)為三種效應(yīng)的綜合：自由空間傳播模型自由空間定義均勻無(wú)損耗無(wú)限大空間；各向同性介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率為1自由空間傳播模型（僅考慮能量擴(kuò)散引起的傳輸損耗）電場(chǎng)強(qiáng)度：磁場(chǎng)強(qiáng)度：大尺寸傳播模型：自由空間傳播模型路徑損失：有效發(fā)射功率與有效接收功率之比大尺寸傳播模型只適用于Fraunhofer區(qū)域（天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域）Fraunhofer距離（天線孔徑的最大尺寸與波長(zhǎng)之比）遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域經(jīng)驗(yàn)公式地面實(shí)際應(yīng)用大氣折射效應(yīng)：大氣介電常數(shù)與溫度、濕度、氣壓、海拔高度有關(guān)，由于大氣折射，電波不再按直線傳播，而是按曲線傳播，根據(jù)不同折射效應(yīng)分為正折射、負(fù)折射和無(wú)折射介質(zhì)折射率與相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系電波傳播速度與介質(zhì)折射率成反比大氣折射導(dǎo)致電波傳播方向和速度均發(fā)生變化地面實(shí)際應(yīng)用視距傳播極限距離：受地球曲率半徑、收發(fā)天線高度影響，視距傳播極限距離為：標(biāo)準(zhǔn)大氣折射條件下，地球有效半徑是實(shí)際半徑的1.33倍，約為8500km。上述表達(dá)式中極限距離單位是km，天線高度單位是m無(wú)線電波不規(guī)則傳播基于不規(guī)則度（degreeofirregularity,DOI）建立不規(guī)則無(wú)線傳播模型無(wú)線傳播距離存在一個(gè)上界和一個(gè)下界：超出上界，通信終止；位于下界范圍內(nèi)，能正常通信；如果在上下界之間，通信的有效性取決于不同方向上的實(shí)際傳播距離，有3種現(xiàn)象：對(duì)稱通信；不對(duì)稱通信；通信中斷無(wú)線傳播不規(guī)則模型（radioirregularitymodel,RIM），將能量模型（含干擾）和DOI因子結(jié)合反射當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的界面，且界面尺寸比電波波長(zhǎng)大得多時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射，如地球表面、大型建筑物、墻壁表面等。界面的反射特性用反射系數(shù)表征，定義為反射波場(chǎng)強(qiáng)與入射波場(chǎng)強(qiáng)之比：水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)分別為反射介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)反射對(duì)于頻率大于150MHz，入射角小于1度，反射波場(chǎng)強(qiáng)幅度等于入射波場(chǎng)強(qiáng)幅度，但地面反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生反相，即反射波和入射波相位相差直射波與反射波間的路程差由路程差和反相引起的附加相移接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)直射波和反射波的合成場(chǎng)強(qiáng)隨反射系數(shù)和路程差變化，時(shí)而同相相加，時(shí)而反相相減，造成合成波衰落繞射當(dāng)收發(fā)天線之間的路徑被尖銳的邊緣阻擋時(shí)會(huì)發(fā)生繞射。根據(jù)Huygens原理，波前的所有點(diǎn)可看成是產(chǎn)生二次波的源，由這些源產(chǎn)生的所有子波在傳播方向上會(huì)形成一個(gè)新的波前，分布于整個(gè)空間，包括阻擋物的背面（繞過阻礙物）當(dāng)收發(fā)天線之間不存在直視路徑時(shí)，圍繞阻礙物也會(huì)產(chǎn)生波的彎曲在高頻段，繞射效應(yīng)與阻礙物的形狀和繞射點(diǎn)入射波的振幅、相位和極化方式有關(guān)直射波與繞射波的程差繞射系數(shù)相位差散射在電波傳播的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體，且單位體積內(nèi)阻礙物的個(gè)數(shù)非常多時(shí)，會(huì)發(fā)生散射散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體上，在實(shí)際通信系統(tǒng)中，樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等都會(huì)發(fā)生散射Rayleigh準(zhǔn)則：表面隆起臨界高度散射損失因子是表面高度相對(duì)于平均表面高度的標(biāo)準(zhǔn)差，是第一類零階Bessel函數(shù)地面實(shí)際應(yīng)用在地面實(shí)際應(yīng)用中，電波傳播受環(huán)境因素和人為因素影響環(huán)境因素：自然地形(高山、丘陵、平原、水域)；地物分布、密度、材質(zhì)；地貌植被；氣候條件。人為因素：市區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村地面實(shí)際應(yīng)用將阻礙物引起的傳播損耗稱為繞射損耗：與菲涅爾余隙有關(guān)正余隙、負(fù)余隙第一菲涅爾半徑地面實(shí)際應(yīng)用隔墻阻擋：5-20dB；樓層阻擋：20dB；室內(nèi)損耗：1.9dB/層家具損耗：2-15dB厚玻璃損耗：6-10dB火車車廂損耗：15-30dB電梯穿透損耗：30dB茂密樹葉損耗：10dB電波在建筑物內(nèi)部傳播會(huì)產(chǎn)生穿透損耗地面實(shí)際應(yīng)用地形地物對(duì)電波傳播的影響效應(yīng)地形分類中等起伏地形：在地形剖面上地面起伏高度不超過20m，且起伏緩慢，峰點(diǎn)與谷點(diǎn)之間的水平距離大于起伏高度不規(guī)則地形：丘陵、孤立山岳、斜坡和水陸混合地形地物分類第一類：開闊地：在電波傳播路徑上無(wú)高大樹木、建筑物等障礙物，呈開闊狀地面，如農(nóng)田、荒野、廣場(chǎng)、沙漠和戈壁灘等；第二類：郊區(qū)：在靠近終端近處有障礙物但不稠密，如有少量低層房屋或小樹林等第三類：市區(qū)：有較密集的建筑物和高層樓房地面實(shí)際應(yīng)用地形波動(dòng)高度定義天線有效高度定義地面實(shí)際應(yīng)用市區(qū)環(huán)境：傳播損耗與電波頻率、傳播距離有關(guān)；不同天線高度能獲得不同的增益地面實(shí)際應(yīng)用郊區(qū)和開闊地環(huán)境：傳播損耗與電波頻率、傳播距離有關(guān)；不同天線高度能獲得不同的增益郊區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值與基準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)中值之差稱為修正因子，郊區(qū)修正因子、開闊地、準(zhǔn)開闊地修正因子如圖地面實(shí)際應(yīng)用丘陵環(huán)境：不同地形參數(shù)對(duì)應(yīng)的修正因子如圖地面實(shí)際應(yīng)用斜坡地形和水陸混合路徑環(huán)境：不同地形參數(shù)對(duì)應(yīng)的修正因子如圖陰影衰落（長(zhǎng)期衰落）當(dāng)電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的樹林）等障礙物的遮擋時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影當(dāng)移動(dòng)終端通過陰影區(qū)域時(shí)，接收?qǐng)鰪?qiáng)的中值會(huì)變化，從而引起衰落——陰影衰落。陰影衰落變化速率慢，又稱為慢衰落慢衰落效應(yīng)取決于傳播環(huán)境，包括接收天線周圍地形、山丘起伏、建筑物分布與高度、街道走向、天線位置與高度、移動(dòng)速度、電波頻率等陰影衰落（長(zhǎng)期衰落）陰影衰落特征：接收信號(hào)在時(shí)域上慢速擾動(dòng)，衰落深度大（30-40dB），用對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量描述路徑損失均值取決于發(fā)射功率、收發(fā)天線高度和距離；標(biāo)準(zhǔn)差取決于地形地物和電波頻率陰影衰落（長(zhǎng)期衰落）陰影衰落會(huì)使預(yù)測(cè)的路徑損失產(chǎn)生很大變化陰影衰落會(huì)影響移動(dòng)通信小區(qū)的覆蓋范圍(如GSM終端發(fā)射功率為1W或2W，覆蓋小區(qū)邊緣的接收靈敏度為-104dBm，利用路徑損失模型計(jì)算得到的結(jié)果滿足要求，但由于陰影衰落，可能有50%的區(qū)域不滿足要求)陰影衰落會(huì)導(dǎo)致通信覆蓋盲區(qū)解決途徑：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置更大的衰落余量，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)合理選擇基站站址多徑衰落電波傳播過程中遇到各種建筑物、樹木、植被以及起伏地形等阻礙物時(shí)，會(huì)引起反射，到達(dá)接收天線的信號(hào)是許多傳播路徑信號(hào)的合成。由于電波通過各條路徑的距離不同，各路反射信號(hào)到達(dá)時(shí)間不同，相位和幅度也不同。多路信號(hào)在接收端疊加，有時(shí)同相疊加增強(qiáng)，有時(shí)反相疊加減弱，導(dǎo)致接收信號(hào)幅度急劇變化，即產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由于多徑現(xiàn)象引起的，稱為多徑衰落。多徑衰落為了導(dǎo)出多徑效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性，假設(shè)：在收發(fā)信機(jī)之間沒有直射波有大量反射波存在，且到達(dá)接收天線的方向、相位隨機(jī)，在0-2

內(nèi)均勻分布各個(gè)反射波的幅度和相位統(tǒng)計(jì)獨(dú)立多徑衰落正交分量和同相分量都是隨機(jī)變量，當(dāng)多徑路數(shù)很大時(shí)，根據(jù)中心極限定理，大量獨(dú)立隨機(jī)變量之和趨近于正態(tài)分布，即正交分量和同相分量是高斯隨機(jī)過程，服從正態(tài)分布，其概率密度為：正交分量和同相分量統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，聯(lián)合概率密度為多徑衰落在(0，∞)區(qū)間內(nèi)對(duì)r積分，得到相位

的概率密度：在[0，2

]區(qū)間內(nèi)對(duì)

積分，得到幅度r的概率密度：接收信號(hào)相位服從0-2

的均勻分布，接收信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布多徑衰落多徑信號(hào)的一些統(tǒng)計(jì)量：包絡(luò)r的累積分布函數(shù)：一階矩：二階矩：滿足P(r≤rm)

=

0.5的rm值稱為信號(hào)包絡(luò)樣本區(qū)間中值多徑衰落接收信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布的前提是多徑信號(hào)之間統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，且沒有直達(dá)信號(hào)，但當(dāng)收發(fā)天線之間距離較近時(shí)，直達(dá)信號(hào)是存在的理論分析表明，如果存在占支配地位分量的大量隨機(jī)變量之和應(yīng)服從萊斯分布（RicianDistribution）μ，θ分別是占支配地位分量的幅度和相位衰落信號(hào)的特征量衰落率：信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過中值電平的次數(shù)平均衰落率速度v的單位為km/h，頻率f的單位為MHz，平均衰落率A的單位為Hz（如運(yùn)動(dòng)時(shí)速120km/h，900MHz頻段，A=200Hz）衰落信號(hào)的特征量電平通過率（LevelCrossRate，LCR）：信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過某一規(guī)定電平R的平均次數(shù)電平通過率的數(shù)學(xué)表達(dá)式電場(chǎng)分量的表達(dá)式fm是最大多普勒頻移；為包絡(luò)的均方根電平衰落信號(hào)的特征量平均衰落持續(xù)時(shí)間：信號(hào)包絡(luò)低于某個(gè)給定電平值的概率與該電平所對(duì)應(yīng)的電平通過率之比對(duì)于瑞利衰落電場(chǎng)分量的平均衰落持續(xù)時(shí)間多普勒效應(yīng)當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間存在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移衰落信道動(dòng)態(tài)特性前述分析表明：電波傳播有4種方式：直射、反射、繞射、散射，表現(xiàn)出3種效應(yīng)：路徑損失、陰影衰落、多徑衰落衰落產(chǎn)生的原因：多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)。對(duì)于寬帶信號(hào)而言，多普勒效應(yīng)就是色散效應(yīng)用表示信道沖激響應(yīng)。為了描述信道的動(dòng)態(tài)特性，涉及如下變量時(shí)延τ：多徑效應(yīng)的每條路徑傳播存在的相對(duì)時(shí)延時(shí)間差：表征多普勒效應(yīng)的用戶移動(dòng)時(shí)間頻率差：表征色散效應(yīng)導(dǎo)致不同頻率信號(hào)有不同的多普勒頻移衰落信道動(dòng)態(tài)特性時(shí)延-時(shí)間差相關(guān)函數(shù)頻率差-時(shí)間差相關(guān)函數(shù)時(shí)延-多普勒功率譜頻率差-多普勒功率譜衰落信道動(dòng)態(tài)特性一維動(dòng)態(tài)特性函數(shù)功率時(shí)延剖面時(shí)間差相關(guān)函數(shù)頻率差相關(guān)函數(shù)多普勒功率譜衰落信道動(dòng)態(tài)特性信道特征參數(shù)信道相干時(shí)間（時(shí)間差相關(guān)函數(shù)）信道相干帶寬（頻率差相關(guān)函數(shù)）信道多徑擴(kuò)展（功率時(shí)延剖面）信道多普勒頻移（多普勒功率譜）信道多普勒擴(kuò)展信道最大時(shí)延擴(kuò)展信道擴(kuò)展因子（多徑擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展）衰落信道的時(shí)域特征和頻域特征時(shí)延擴(kuò)展：在一串接收脈沖中，最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延的差值，記為△。如果發(fā)送的窄脈沖寬度為T，則接收信號(hào)寬度為T+△由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中一個(gè)碼元的波形會(huì)擴(kuò)展到其他碼元周期中，引起碼間串?dāng)_時(shí)延譜的均方根值等于時(shí)延擴(kuò)展市區(qū)1.0-3.0us，郊區(qū)0.2-2us衰落信道的時(shí)域特征和頻域特征分析頻率分別為f1和f2的兩個(gè)信號(hào)的包絡(luò)相關(guān)性，包絡(luò)為r1和r2，頻率差為

f，則其包絡(luò)相關(guān)系數(shù)相關(guān)函數(shù)分析頻域相關(guān)性信號(hào)包絡(luò)相關(guān)系數(shù)等于0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率間隔定義為相干帶寬相干帶寬等于時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)，時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致頻率選擇性衰落衰落信道的時(shí)域特征和頻域特征多普勒擴(kuò)展：如果接收信號(hào)有N條路徑，入射角不同。當(dāng)N較大時(shí)，多普勒頻移成為占有一定寬度的多普勒頻展相位差多普勒頻移接收天線為全向天線，入射角

服從0-2

的均勻分布，即多徑波均勻來(lái)自各個(gè)方向，

到

+d

之間到達(dá)的電波功率為Pav×d

/2

，Pav是所有到達(dá)電波的平均功率來(lái)自

和?

的電波引起相同的多普勒頻移，信號(hào)頻率為

fc

+

fmcos

多普勒頻移fD為入射角

的函數(shù)，當(dāng)入射角從

變化到

+d

時(shí)，信號(hào)頻率從f變化到f

+

dfdθΔl=vΔtcosθ

衰落信道的時(shí)域特征和頻域特征接收信號(hào)功率譜盡管發(fā)射頻率為單頻fc，但接收功率譜S(f)卻擴(kuò)展到fc

?

fD到fc

+

fD范圍，相當(dāng)于單頻電波通過多徑信道時(shí)受到隨機(jī)調(diào)頻（RandomFM）。接收信號(hào)的這種功率譜展寬稱為多普勒頻展多普勒擴(kuò)展導(dǎo)致時(shí)間選擇性衰落衰落信道的時(shí)頻特征總結(jié)角度擴(kuò)展與空間選擇性衰落角度擴(kuò)展和相干距離是描述無(wú)線信道角度色散和空間選擇性的主要參數(shù)由于收發(fā)信機(jī)周圍各自的散射環(huán)境不同，多徑信號(hào)按照空間方向分布，導(dǎo)致在不同空間位置的衰落特性不同，這就是角度色散和空間選擇性角度擴(kuò)展：信號(hào)功率譜密度在角度上的分布(角度功率譜)，角度功率譜二階中心矩的平方根就是角度擴(kuò)展。在陣列天線中，定義信號(hào)到達(dá)或離開角度與平均角度之間的最大偏離(擴(kuò)散)為角度擴(kuò)展相干距離：信道沖激響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)之間的空間間隔(信號(hào)包絡(luò)的空間相關(guān)系數(shù)等于0.5之間的空間間隔)。相干距離與角度擴(kuò)展成反比：空間選擇性衰落由角度擴(kuò)展所致典型的大尺寸傳播模型Okumura模型

：用于描述準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的路徑損耗中值市區(qū)中值路徑損耗

Lbs為自由空間路徑損耗Am(f,d)為大城市地區(qū)基站天線高度hb=200m、移動(dòng)臺(tái)天線高度hm=3m時(shí)相對(duì)于自由空間的中值損耗(基本中值損耗)；Hb(hb,d)為基站天線高度增益因子(dB)，即實(shí)際基站天線高度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)天線高度hb=200m的增益，為距離的函數(shù)；Hm(hm,f)為移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子(dB)，即實(shí)際移動(dòng)臺(tái)天線高度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)天線高度hm=3m的增益，為頻率的函數(shù)典型的大尺寸傳播模型Okumura模