第03讲-无线信道

清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2004年10－12月清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程第03讲：无线信道（1）清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程•引言•信道传递特性•信道统计特性•自由空间传播•地面视距传播清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程引言清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程无线信道的分类•理想无线信道？非理想无线信道？理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。•固定无线信道？移动无线信道？•视距无线信道？非视距无线信道？视距，如：地面视距、卫星。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。•有干扰无线信道？无干扰无线信道？干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程无线信道的指标•传播衰减－衰减的平均值－衰减的最大值－衰减的统计特性•传播时延－时延的平均值－时延的最大值－时延的统计特性•时延扩展－对信道色散效应的描述•多普勒扩展－对信道时变效应的描述•干扰－干扰的性质－干扰的强度清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程无线信道的物理过程天线天线无线发无线收直射反射散射绕射地面散射体移动障碍物干扰热噪声清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程四种传播机制•直射：自由空间传播•反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。•绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。•散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程信道影响的物理描述•传播机理:直射反射绕射散射移动形成多径效应及时延扩展使信号波形产生失真，场强产生衰落形成时变效应及多普勒扩展使信道参数产生变化清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程信道影响的物理描述（续）•干扰机理:热噪声内干扰外干扰有意干扰说明：内干扰？外干扰？使信号波形产生污染，降低有效的信噪比清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程信道影响的工程描述•误码门限公式•由于信道的影响其中表示多径衰落及内干扰引起的等效信号能量的减少，N0＋NI表示热噪声及外干扰引起的总的噪声能量。I0b0bNN/EN/E0bbf0rN/EfkTNP清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程信道传递特性清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程无线信道传递模型的要点•暂不考虑信道干扰及噪声的影响•暂不考虑信道非线性的影响•主要考虑信道的两个效应：－多径效应－时变效应清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时变多径信道模型清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时变多径信道的传递特性•发送信号•接收信号•接收信号的复包络tf2je^cetxRtxtf2jeN1nttf2jnne^cncetrRettxtRtrN1nntf2jnttxettrnc清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时变多径信道的传递特性（续）•信道的时域冲激响应N1nntf2jntett,hdtxt,htxthtrn0清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时变多径信道的传递特性（续）•信道的频域传递函数（时域响应对的傅里叶变换）•这也是一个时变的传递函数，还可以对t再进行一次傅里叶变换•其中为多普勒频移的变量。det,ht,hFt,fHf2jdtet,fHt,fHF,fHt2jt清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时变多径信道的传递特性（续）•时变多径信道传递特性的数学描述实际上是一个二维傅里叶变换的问题。可以有四种表达方式：－全时域：时变的时延扩展函数，h(,t)－频时域：时变的频率传递函数，H(f,t)－时频域：时延扩展/多普勒扩展函数，H(,)－全频域：频率传递/多普勒扩展函数，H(f,)清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时变多径信道的传递特性（续）h(,t)H(f,t)H(,)H(f,)F1fFtFtFF1F1fF1F清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程多普勒频移讨论•不考虑多径问题，只考虑由于移动引起的时变，即存在多普勒效应。•发送频率：fc•接收频率：fc+v(t)其中：v(t)=V(fc/c)cos(t)•例：V=120km/小时,f=900MHz,(t)=0,求得：v(t)=100Hz。V(t)发收清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程多普勒频移的讨论（续）•假定不同路径的传播时延都相等，为0，且不随时间变化，则信道的时变冲激效应为：•发送信号为x(t)，接收信号为：•接收信号的频域：•讨论：多普勒扩展N1ntjn0nett其中：Z,tZt,h0txtZdtxt,htr0f2jefXtZFtrFfR清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程信道统计特性清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程无线信道统计模型的要点•实际信道特性及参数都是随机的，即：信道的冲激响应及传递函数h(,t)，H(f,t)，h(,)，H(f,)都是随机过程。我们必须研究他们的统计特性，由于这些过程的均值为0，只研究二阶统计特性，即：相关函数。•两点假定：－信道的冲激响应h(,t)是广义平稳的随机过程；－对任意t及12，h(1,t)和h(2,t)是不相关的。以上信道称为广义平稳非相关散射（WSSUS）信道。清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程全时域的相关函数•先求全时域，即时变的时延扩展函数h(,t)的自相关函数：•其中：•以上用了两点假定：－信道的冲激响应h(,t)是广义平稳的随机过程；－对任意t及12，h(1,t)和h(2,t)是不相关的。t,t,tt,ht,hE21t,,t,t,,h211h2121h2121hdt,,t,hh清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程全时域的相关函数（续）•令：t=0，h(,0)=h()就是信道的平均功率输出，它是信道时延扩展的函数，称为多径强度分布，或时延功率谱。•平均时延扩展•均方根时延扩展其中Tm为多径时延扩展的标称值。ddhh0m2/1Thh20dd清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时延扩展的典型值多径时延扩展的典型值如下表所示清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程全频域的相关函数•再求全频域，即频率传递/多普勒扩展函数H(f,)的自相关函数：•其中：•以上也用了两点假定：－信道的冲激响应h(,t)是广义平稳的随机过程；－对任意t及12，h(1,t)和h(2,t)是不相关的。,f,f,fH,fHE21,,f,fH211H22112121Htdet,f,ft2jHH清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程全频域的相关函数（续）•令：f=0，H(0,)=H()就是信道由于时变引起的多普勒功率谱。•平均多普勒频移•均方根多普勒扩展其中Bd多普勒扩展的标称值。ddHH0d2/1BHH20dd清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程频率-时间相关函数•考虑时变的频率传递函数H(f,t)的相关函数•其中：为信道的频率-时间相关函数。•以上用了两点假定：－信道的冲激响应h(,t)是广义平稳的随机过程；－对任意t及12，h(1,t)和h(2,t)是不相关的。t,fdet,det,tt,fHt,fHE21t,f,ft,t,f,fHf2jhff2jh2121H2121H12t,fH清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程频率相关函数及时延功率谱•令：t＝0，得到频率相关函数：它是延时功率谱h()的傅里叶变换。•信道相干带宽det,ffHt,fHE21ff2jhHmcT1f清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程时间相关函数及多普勒功率谱•令：f＝0，得到时间相关函数：它是多普勒功率谱H()的傅里叶反变换。•信道相干时间dett,fHt,fHE21tt2jHHdcB1t清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程信道相关函数及信道参数总结清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程基于多径时延扩展平衰落1.信号带宽相干带宽2.时延扩展符号周期频率选择性衰落1.信号带宽相干带宽2.时延扩展符号周期基于多普勒扩展快衰落1.信号带宽多普勒扩展2.相干时间符号周期慢衰落1.信号带宽多普勒扩展2.相干时间符号周期衰落信道的分类清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程自由空间传播清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程什么叫自由空间传播•什么叫自由空间？无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。•无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。•如图所示，发射功率为PT，发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，d为半径的球面上单位面积的功率为：S＝PT/4d2•球面上的功率流PTd清华大学微波与数字通信国家重点实验室第03讲无线信道(1)无线通信工程自由空间传播衰减•由于天线有方向性（设发射天线增益为GT），故在主波束方向通过单位面积的功率为：S=GTPT/4d2•设接收天线的有效面积为A，则接收天线所截获的功率为：Pr=SA=AGTPT/4d2•对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布