現(xiàn)代無(wú)線通信

1、現(xiàn)代無(wú)線通信u對(duì)于無(wú)線通信：+ 噪聲 = 信道傳播影響11/4/2021 4:59 PMuOUTLINE 自由空間傳播模型 地面無(wú)線傳播物理模型 地面無(wú)線傳播統(tǒng)計(jì)模型 室內(nèi)傳播特性 多徑及衰落等局部傳播影響 統(tǒng)計(jì)散射模型 噪聲與干擾的影響 鏈路預(yù)算11/4/2021 4:59 PM 假設(shè)發(fā)射天線與接受天線相距R，如果兩者之間沒(méi)有阻隔，信號(hào)沿直線傳播，這就是自由空間傳播情況，對(duì)應(yīng)于視徑（LOS）信道模型。u2.2.1 全向輻射發(fā)射天線是全向天線（isotropic antenna）的情況。 功率通量密度（power flux density）：?jiǎn)挝幻娣e上通過(guò)的發(fā)射功率（W/m2）。 接收功率其中

2、Ae表示天線的有效面積或吸收截面，由天線的物理面積和天線效率決定24TRPR24TRReePPAAReAA11/4/2021 4:59 PM對(duì)于全向天線，其有效面積為： 那么，接收功率為：其中， 定義為自由空間傳播的路徑損耗（Path Loss）。u例2.1：一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳逃靡苿?dòng)接收機(jī)的靈敏度為-90dBm。假設(shè)有一個(gè)100mW發(fā)射機(jī)，介于發(fā)射和接收全向天線之間為自由空間，在傳輸頻率為800MHz時(shí)，這個(gè)接收機(jī)可工作的區(qū)域半徑為多少？接收機(jī)靈敏度為-90dBm，相當(dāng)于10-9mW 24isoA24TTRpPPPLR24pTRLP PR1110pTRLP P81163 10109.2444

3、800 10ppLcRLmkmf11/4/2021 4:59 PMu2.2.2 定向輻射大多數(shù)天線都是非全向的，一般都具有增益或者方向性 , 是方位角， 是仰角可以定義天線的發(fā)射增益為：根據(jù)定義可知，全向天線的發(fā)射增益為1。同樣可以定義接收增益為如果發(fā)射天線和接收天線完全相同，根據(jù)互易原理，天線在任意方向上的最大發(fā)射或接收增益為( ,)G ( ,)( ,)TG 方向上的功率通量密度全向天線的功率通量密度( ,)( ,)RG 方向上的有效區(qū)域全向天線的有效區(qū)域24( ,)( ,)eTReisotropicAGGAA 11/4/2021 4:59 PMu例2.2 拋物線天線增益：試計(jì)算一個(gè)用來(lái)接收

4、12GHz衛(wèi)星直播電視信號(hào)的0.6m拋物線天線的增益，假設(shè)天線效率為50%。以上討論的是正對(duì)天線軸向的情況，即最大天線增益情況，非軸向情況，即通信方向與天線軸向存在偏離情況可 參考p12-13。222434.54eisotropicADDGdBA11/4/2021 4:59 PMu2.2.3 Friis方程推廣到更一般的情況，當(dāng)發(fā)送與接收使用不同的各向異性天線時(shí)稱(chēng)為Friis方程。為簡(jiǎn)化計(jì)算通常寫(xiě)成： Friis方程是最基本的鏈路預(yù)算方程，反映了無(wú)線鏈路發(fā)射功率與接收功率之間的關(guān)系。對(duì)于閉合鏈路，要求上式右邊為接收機(jī)提供足夠的功率，以便可靠檢測(cè)發(fā)送的信息。TTRRpP G GPL()()()(

5、)()RTTRpP dBP dBGdBGdBLdB11/4/2021 4:59 PMu習(xí)題2.2 地面微波鏈路中，視距傳輸限制發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離約為40km。假設(shè)用一頻率為4GHz、功率為100mW 的發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)，而接受天線的有效區(qū)域?yàn)?.5m2，則a)接受功率是多少？b)在接收天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度是多少?（自由空間特性波阻抗120）c)如果接受天線終端與一個(gè)50歐姆的阻抗匹配，則發(fā)射信號(hào)在這些終端產(chǎn)生的電壓是多少？2221822222168100 0.25 16 10)55.649 1016 10TTeTeReRPP AP A faPAGdBmRRc R 26)2.778 100.37

6、RUcPmWUmVR26)2.778 100.00145V/mRReefree spaceEbPmWAAER 11/4/2021 4:59 PMu2.2.4 極化極化（polarization）是指通過(guò)天線將電磁波在兩個(gè)正交方向發(fā)射。水平和垂直極化左手和右手循環(huán)極化11/4/2021 4:59 PMu2.3.1 反射和地面模型平坦地面模型： 發(fā)射和接收機(jī)之間由視徑和地面反射路徑組成的雙徑模型。如果用Ed和Er分別表示視徑和反射路徑在接收天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度，那么總的電場(chǎng)強(qiáng)度為反射： ，其中Ei表示入射電場(chǎng)，Er表示反射電場(chǎng)（并且使用低通等效形式），表示電場(chǎng)的衰減，表示由于反射引起的相位變化。所以，

7、其中，是路徑差引起的相位變化，是路徑差引起的衰減。jriEE ejjrdEE ee drEEE11/4/2021 4:59 PM1）假設(shè)發(fā)射和接收天線之間距離R遠(yuǎn)大于天線高度，可以近似認(rèn)為Rd Rr，那么 1，即兩徑對(duì)電場(chǎng)的衰減相同；2）由于R很大，反射的入射角就很小，趨近0，且對(duì)于平坦地面，3）雖然Rd Rr，因此我們忽略了電場(chǎng)的衰減，但是路徑差引起的相位差卻不能忽略由于R遠(yuǎn)大于天線高度，對(duì)上兩式可做泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)1je 22rdRRR22()rTRRRhh22()dTRRRhh222222()()()112TRTRrTRhhhhRRhhRRRR4TRh hR 所以，接收天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度為：1

8、jdrdEEEEe 1/2221 cossindE1/222 cosdE2sin2dE22sinTRdh hER11/4/2021 4:59 PM空間中某處的功率通量密度與電場(chǎng)強(qiáng)度之間存在關(guān)系:我們?cè)?.2節(jié)的例題中其實(shí)已經(jīng)使用了這一關(guān)系。由以上兩個(gè)式子我們可以得到接收功率由自由空間傳播模型：R大大于天線高度，所以上式可以簡(jiǎn)化為22sinTRdh hEER20E 2220024sindTRReeeEEh hPAAAR 20ddeEPA224TRTTRTdpG G PG G PPLR22242sin4TTRTRRP G Gh hPRR224TRRTTRh hPP G GR11/4/2021 4:

9、59 PMu地面?zhèn)鞑シ匠蹋憾x平坦地面模型（兩徑模型）的路徑損耗為地面?zhèn)鞑シ匠膛c自由空間傳播方程的差別：1）地面?zhèn)鞑ヅc載波頻率無(wú)關(guān)；2）地面?zhèn)鞑ソ邮展β逝c距離的四次方成反比，而自由空間是平方反比，可見(jiàn)地面?zhèn)鞑ブ泄β仕p要快很多；3）地面?zhèn)鞑ソ邮展β逝c天線高度成平方正比。而且從方程可以看出，天線高度、通信距離等參數(shù)微小的變化都可能造成接收功率的明顯不同。224TRRTTRh hPP G GR422pTRRLh h 11/4/2021 4:59 PMu習(xí)題2.3 畫(huà)出比較800MHz自由空間傳播和地面?zhèn)鞑煞N模型的路徑損耗（dB）與對(duì)數(shù)形式距離（從1km到40km）之間的關(guān)系，假設(shè)天線是各向同性的

10、且高度為10m。22TRRTh hPPR24RTPPR()()20 lg20 lg 4RTP dBP dBR()()20 lg40 lgRTTRPdBP dBh hR151015202530 35 40-150-140-130-120-110-100-90-80R/kmReceived Power/dBCamparison of Free Space Model & Ground Reflection Model800MHz Free Space ModelGround Reflect Model11/4/2021 4:59 PMu繞射（Diffraction）：電磁波在傳播過(guò)程中遇到

11、一個(gè)近似或小于波長(zhǎng)的物體阻擋，會(huì)繞過(guò)障礙物繼續(xù)向前傳播，也稱(chēng)為衍射。11/4/2021 4:59 PMuKnife Edge Model地面模型中，影響接受功率大小的最重要參數(shù)是繞射路徑與參考的視線路徑間的相位差：2R1212()()Rdddd2222221212121212()11()hhdhdhdddddddd212122hddRd d1221222ddhd d定義菲涅耳-基爾霍夫繞射參數(shù)(Fresnel-Kirchhoff diffraction parameter)12122 ddvhd d22v 11/4/2021 4:59 PMu菲涅耳區(qū)(Fresnel Zone)2nR1212n

12、n d dhrdd1221nnRnn 11/4/2021 4:59 PMu菲涅耳區(qū)(Fresnel Zone)11/4/2021 4:59 PMu例接收機(jī)和發(fā)射機(jī)高10m，相互間隔500m ，當(dāng)傳輸頻率為800MHz時(shí),求接收機(jī)與發(fā)射機(jī)中點(diǎn)位置處第一菲涅耳區(qū)的半徑。所以在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間應(yīng)確保障礙物高度低于34米才能確保800MHz頻率的自由空間傳播。0.375mcf121126.84md drdd11/4/2021 4:59 PMu習(xí)題2.4 某公司在一個(gè)城市擁有兩棟辦公樓，該公司想在這兩棟之間建一個(gè)4GHz的微波鏈路。樓高分別為100m和50m，相距3km。 在視線（LOS）內(nèi)和兩棟樓中

13、途有一棟高70米的樓房。試問(wèn)能不能在兩棟樓之間進(jìn)行視距傳輸？所以第一菲涅耳區(qū)位置應(yīng)當(dāng)是在67.582.5米之間，障礙樓高70米，在第一菲涅耳區(qū)中有2.5米，占33.3%，不能實(shí)現(xiàn)視距傳輸。121127.5d drmdd0.075mcf11/4/2021 4:59 PM0(dB)20 logEGEu刃型繞射的場(chǎng)強(qiáng)（復(fù)數(shù)菲涅耳積分）：進(jìn)一步,我們可以得到：這就是與自由空間傳播相比，刃型繞射的相對(duì)損耗，它是v的函數(shù)。201jexpd22vEEjtt11/4/2021 4:59 PMu習(xí)題2.5 習(xí)題2.4中，假設(shè)中間樓房高為80m，較低樓房高為30m。兩棟房子間相距2km。這種情況下的路徑損耗比自由

14、空間損耗增加了多少？假設(shè)傳輸頻率從4GHz降到400MHz，繞射損耗會(huì)受到什么影響？根據(jù)圖2.10，繞射引起的相對(duì)自由空間的損耗是23.7dB，當(dāng)傳輸頻率為400MHz時(shí)，v=1.1，損耗約為14.6dB。121222 (1000 1000)153.460.075 1000 1000ddvhd d0.075mcf11/4/2021 4:59 PM22200015200070hu中值路徑損耗與局部傳播損耗u2.4.1 中值路徑損耗（Median Path Loss） 考慮到傳輸過(guò)程中的多徑效應(yīng)，接收電場(chǎng)是由不同路徑到達(dá)接收機(jī)的電場(chǎng)疊加而成的根據(jù)在各種環(huán)境下的測(cè)試，無(wú)論是室內(nèi)還是室外信道，平均接收

15、功率與接收距離呈指數(shù)衰減：通常寫(xiě)作對(duì)數(shù)形式：1kNjdkkEEL e0nnTRPrrPr00(dB)(dB)10 lgpLnr r11/4/2021 4:59 PMu經(jīng)過(guò)測(cè)量在中值路徑損耗基礎(chǔ)上的隨機(jī)性可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布（Lognormal Distribution）表征：u可以得到xdB的累積分布函數(shù)圖象u當(dāng)發(fā)射功率歸一化后，由路徑損耗的累積分布函數(shù)等效于接收功率大于某門(mén)限值的概率為：22dB50dB2dBdB1()2xf xedBdBPrdB() dRPf xxdB00(dB)10lg(dB)xnr rx11/4/2021 4:59 PMdBdBdBPr()() dxf xx-12-10-

16、8-6-4-2024610-310-210-1100 1210864u例2.4 可用性（Availability）某個(gè)大城市可用損耗指數(shù)n=2.9 建模。這一損耗偏差為4.29dB，假設(shè)一個(gè)公共安全無(wú)線應(yīng)用要求99%的可用性，試問(wèn)覆蓋范圍是多少？假設(shè)接收機(jī)的靈敏度為-100dBm，10m處的測(cè)量功率為2mW。根據(jù)10m處的測(cè)量功率為2mW發(fā)射功率不變，且根據(jù)前面分析，在偏差為4.29dB時(shí)要保證99%的可用性，需要克服-10dB的路徑損耗，因此必須要求發(fā)射功率有10dB的裕量，所以11/4/2021 4:59 PM(dB)(dB)+(dB)TRPPPL00(dB)(dB)10 lgRPnr r

17、00(dB)3dBm+(dB)10 lg 10TPnr00003dBm+(dB)10lg 10(dB)+(dB)10lgRnrPnr r16.1kmr 11(dB)(dB) 10 lg/RRPPnr ru習(xí)題2.6 一個(gè)簡(jiǎn)短的測(cè)量表示了北美某一中等規(guī)模城市在420MHz處的中值路徑損耗可用n=2.8和=25dB建模，即假設(shè)一個(gè)蜂窩接收機(jī)靈敏度為-95dBm，那么能夠在一個(gè)半徑為10km的區(qū)域內(nèi)提供服務(wù)的發(fā)射機(jī)功率應(yīng)為多少？假設(shè)測(cè)量為最佳且n=3.1更加合適。此時(shí)，相應(yīng)的發(fā)射功率為多少？如果n=3.1，相應(yīng)的發(fā)射功率應(yīng)為24dB。11/4/2021 4:59 PM25dB 10 2.8 lgpL

18、r0(dB)(dB)(dB)(dB) 10 2.8 lgTRpRPPLPr43095 dB+25dB+28 lg 1012dB u室內(nèi)傳播的情況與空間傳播情況相類(lèi)似，路徑損耗：u例2.5 室內(nèi)傳播假設(shè)辦公室內(nèi)位于工作站的一個(gè)2.4GHz發(fā)射機(jī)距離網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（接收機(jī)）35m，發(fā)射機(jī)必須穿過(guò)5m的辦公室、石膏板墻和很大的開(kāi)放區(qū)域。該傳播首先用5m的自由空間來(lái)建模，然后用損耗指數(shù)為n=3.1的模型來(lái)建模余下的距離。石膏板墻產(chǎn)生6dB的信號(hào)衰減。各向同性發(fā)射機(jī)輻射為20dBm。若接收機(jī)靈敏度為-75dBm，試問(wèn)鏈路能否閉合？ 11/4/2021 4:59 PM 011(dB)(dB)10 lgWAFF

19、AFQPnppqLr rpq參數(shù)參數(shù)值值注釋注釋發(fā)射功率20dBm自由空間損耗（5m，2.4GHz）54dB墻體衰減6dB開(kāi)放區(qū)域損耗26.2dB接收機(jī)功率-66.2dBm24pLR11(dB)(dB) 10 lg/RRPPnr r123(dB)(dB)RTpppPPLLLu習(xí)題 2.7 利用例2.5的模型，預(yù)測(cè)圖2.12中所示位置的路徑損耗。假設(shè)墻壁引起5dB的衰減，地面帶來(lái)10dB的衰減。11/4/2021 4:59 PM參數(shù)參數(shù)值值注釋注釋發(fā)射功率20dBm自由空間損耗（4m，2.4GHz）52.1dB墻體衰減5dB 2開(kāi)放區(qū)域損耗24.1dB自由空間損耗1dB接收機(jī)功率-66.2dBm

20、24pLR3.10024 4pLr rr r20027 24pLr rr ru移動(dòng)通信的傳播影響 慢衰落（slow fading） 快衰落（fast fading）11/4/2021 4:59 PMu考慮便攜式終端情況，由于多徑效應(yīng)，接收到的信號(hào)的復(fù)數(shù)低通等效信號(hào)（復(fù)包絡(luò)）表示為：u考慮其中任一條路徑u因此復(fù)包絡(luò)的期望：u復(fù)包絡(luò)的方差：uZr和Zi都是0均值的高斯分布：u因此復(fù)包絡(luò)的幅度 符合瑞利分布：11/4/2021 4:59 PM1nNjnnEE e jriZZ201d02nnjjjnnnE eEeEeEEEE0E E22011111nmnmNNNNNjjjnmnmnnmnmnEE eE

21、 eE EeEP EEE2221e2rrzzrfz22riRzz 2222erRrfru瑞利（Rayleigh)概率密度函數(shù)：u累積分布函數(shù)：u瑞利分布的均值：u方差：u均方根幅度11/4/2021 4:59 PM 2222erRrfr 2220Prd1eRRRrRfrr 0d2RRRr frrE 22220d2RRrmsRrfrrR E2rmsR-40-35-30-25-20-15-10-5051010-410-310-210-110020 lgrmsR Ru例2.6 瑞利衰落裕量如果接收機(jī)要99%在門(mén)限以上工作，瑞利衰落的裕量功率為多少？11/4/2021 4:59 PM-40-35-30

22、-25-20-15-10-5051010-410-310-210-110020 lgrmsR Ru存在直接路徑時(shí)的復(fù)包絡(luò)：u萊斯衰落復(fù)包絡(luò)幅度的概率密度函數(shù)：其中，參數(shù)s指主信號(hào)幅度的峰值，通常用參數(shù)K描述萊斯分布11/4/2021 4:59 PM01nNjnnEEE e 2222022ersRrrsfrI22(dB)10 lg2sKu多普勒頻移：由接收機(jī)與信源之間快速的相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的頻率變化。u接收頻率：u定義多普勒頻率為：11/4/2021 4:59 PM 02,ejftx crt xA x0 xxvt 0020exvtjftcrtA xvt00 0220eejfv c tjf xcA x

23、vt01rffv c00Drvffffc 11/4/2021 4:59 PMcoslvt 02()lcf02cosDfvtc 0cosDvffcu例2.7 飛機(jī)多普勒效應(yīng)假設(shè)一架飛機(jī)以500km/h的速度向控制塔飛行，飛行路線與地面夾角20o，飛行臺(tái)與飛機(jī)之間安全通信的頻率大概是128MHz，求接收信號(hào)的多普勒頻移。u習(xí)題2.9如果飛機(jī)上有一個(gè)衛(wèi)星接收器，它工作在航空移動(dòng)-衛(wèi)星頻帶上，頻率為1.5GHz。試問(wèn)該接收機(jī)上觀察到的多普勒頻移是多少？假設(shè)對(duì)地靜止衛(wèi)星相對(duì)機(jī)場(chǎng)的仰角為45o。11/4/2021 4:59 PM56085 10 3600cos128 10cos 2055Hz3 10Dvf

24、fc59085 10 3600cos1.5 10cos 45491Hz3 10Dvffcu修正的接收信號(hào)復(fù)包絡(luò)模型（Clark模型）：u復(fù)包絡(luò)的自相關(guān)：11/4/2021 4:59 PM 21nnNjf tnnE tE e *ERE tEtE221enNjfnnE EE2211eemmnnNNjftjf tnmnmEEE0coscosnnDnvfffcuf還是多普勒頻移，代入后可以得到：u功率譜函數(shù)：11/4/2021 4:59 PM 20ejfERP E201NnnPE E 2cos0eDjfERPE2cos01ed2DjfP002DP Jf EESfRF0210DDDPffffff11/4

25、/2021 4:59 PM-10-8-6-4-20246810-0.500.51u習(xí)題2.10 以800MHz載波頻率發(fā)射帶寬為100Hz的數(shù)據(jù)信號(hào)。該信號(hào)可被移動(dòng)速度為100km/h的車(chē)輛接收。接收機(jī)輸入端濾波器的最小帶寬應(yīng)為多少？移動(dòng)速度100km/h引起的最大多普勒頻移為：所以接收機(jī)輸入端濾波器的最小帶寬應(yīng)該是175Hz。11/4/2021 4:59 PM580810 36008 1074.175Hz3 10Dvffc u得到的結(jié)論： 由單一反射引起的破壞性干擾會(huì)使接收信號(hào)功率大大降低 障礙物不一定能阻擋無(wú)線通信 接收機(jī)附近的大量反射能引起接受電場(chǎng)的巨大變化，而且這些變化對(duì)位置和高度很敏

26、感 接收機(jī)的移動(dòng)使得各種反射的建設(shè)性、破壞性作用發(fā)生變化，引起接收電場(chǎng)的變化，變化速度由運(yùn)動(dòng)速度決定11/4/2021 4:59 PM大尺度效應(yīng)(Large-scale Effect)小尺度效應(yīng)(Small-scale Effect)u空間中某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度u低通等效復(fù)包絡(luò)u實(shí)際發(fā)射信號(hào)其中表示調(diào)制信號(hào)復(fù)包絡(luò)。u無(wú)線信道沖激響應(yīng)的一般形式為u輸出11/4/2021 4:59 PM 0cos 2E tEft0ejEE cos 2s tm tftt 2Reejfts t( , )h t( )( , ) ()dx th ts t( )( , ) ()dx th ts t ejts tm tu首先將快衰

27、落信道模型擴(kuò)展到發(fā)射信號(hào)為用復(fù)包絡(luò)調(diào)制電場(chǎng)的情況，那么接收信號(hào)：其中，分別表示第n條路徑的衰減和相位旋轉(zhuǎn)。u復(fù)包絡(luò)形式u快衰落信道的沖激響應(yīng)：11/4/2021 4:59 PM 1cos 2Nnnnx tt m tfttt 21ReeenNjtjftnnts t ejts tm t nt nt 1Nnnx tt s tt s t( )( , ) ()dx th ts t ,h tt 11/4/2021 4:59 PM ,h tt xhsSfSf Sf ,d,x th ts th tsu頻域描述：u在大尺度效應(yīng)作用下，接收信號(hào)的復(fù)包絡(luò)表示為：其中 ， 分別表示第l條路徑的復(fù)增益和延時(shí)。u信道的沖

28、激響應(yīng)：11/4/2021 4:59 PM 1Llllx ts tll1,Llllh t u例2.8 頻率選擇性信道考慮一個(gè)沖激響應(yīng)為的兩徑信道，其中2表示第二條路徑的延遲。如果我們對(duì)這個(gè)信道進(jìn)行數(shù)字模擬，取樣間隔為2 ，則對(duì)不同的2值，求信道的頻率響應(yīng)11/4/2021 4:59 PM 22,h t -0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.500.20.40.60.811.21.41.61.822j 20.522j 2221ejfHfh Fu在頻率選擇性信道和時(shí)間選擇性信道的基礎(chǔ)上，我們可以得到更一般的信道模型，首先還是考慮接收信號(hào)：u信道的沖擊響應(yīng)應(yīng)表示為u定

29、義時(shí)頻響應(yīng)：11/4/2021 4:59 PM 1Llllx tt s tt 1,Llllh tttt( )( , ) ()dx th ts t,H t fh tFu例2.9 時(shí)變沖激響應(yīng)考慮一個(gè)信道，其時(shí)變沖激響應(yīng)為這里 是獨(dú)立的瑞利過(guò)程。在每個(gè)時(shí)刻t=t0，我們對(duì)沖激響應(yīng)進(jìn)行傅立葉變換，并確定出其結(jié)果的功率譜。在圖中我們畫(huà)出了這種衰落信道轉(zhuǎn)移函數(shù)在時(shí)間上的傳播。11/4/2021 4:59 PM 122,h ttt itu時(shí)間色散和頻率色散u時(shí)散由于多徑的不同延遲，使得接收信號(hào)比發(fā)射信號(hào)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，時(shí)間色散/彌散u頻散由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，使得接收信號(hào)比發(fā)射信號(hào)有更大的帶寬，頻率

30、色散/彌散u多徑引起的時(shí)散會(huì)引起接收信號(hào)在頻域發(fā)生變化相干帶寬u多普勒頻移引起的頻散會(huì)引起接收信號(hào)在時(shí)域發(fā)生變化相干時(shí)間11/4/2021 4:59 PMu廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射信道（Wide Sense Stationary with Unrelated Scattering Channel）u廣義平穩(wěn)：期望是常數(shù)，自相關(guān)只與時(shí)間差有關(guān)u非相關(guān)散射：多徑信道中一個(gè)延遲處的增益和相位差與另一個(gè)延遲處的增益和相位差無(wú)關(guān)11/4/2021 4:59 PM,h t 常數(shù)*11221212,;,hh thtRtt 121212112;,;whhRttRtt u例2.10 非相關(guān)散射假設(shè)信道沖激響應(yīng)為而且散

31、射過(guò)程是不相關(guān)的。確定信道的自相關(guān)函數(shù)。信道的自相關(guān)函數(shù)為：11/4/2021 4:59 PM 1,Llllh tt *1212112211, ,LLhllkklkRt ttt E *121211LLlklklktt E *12121Lllllltt E *120122lllDttPJftt E12120121121, ,2LhlDllRt tPJftt u相關(guān)時(shí)間：存在信道 時(shí)間響應(yīng) 強(qiáng)相關(guān)性 的周期也就是對(duì)于有意義的t的變化范圍。u信道的多普勒功率譜u定義相干時(shí)間11/4/2021 4:59 PM121,;,;whhRt ttRt ;0wDhSfRtF12coherenceDTfu例2.1

32、1 平坦衰落信道的相干時(shí)間對(duì)于2.6.4節(jié)介紹的快衰落的Clarke模型，信道的相關(guān)時(shí)間是多少？Clarke模型給出的平坦衰落信道 衰落過(guò)程的歸一化自相關(guān)函數(shù)為：定義相干時(shí)間為相關(guān)值大于0.5的變化范圍，代入得：11/4/2021 4:59 PM0;02wwhhDRtRtJft0;020.5whcoherenceDRTJft1010.30.522coherenceDDTJffu相干時(shí)間與多普勒頻移的反比關(guān)系為信道特征提供了一種新的度量：如果相干時(shí)間是有限的，那么信道就是時(shí)間選擇性的，即時(shí)變的；如果相干時(shí)間是無(wú)限的，信道就是平坦的，即時(shí)不變的。11/4/2021 4:59 PMu碼元周期與相干時(shí)

33、間的關(guān)系11/4/2021 4:59 PMu在WSSUS信道中，定義功率-延遲分布（多徑強(qiáng)度分布）函數(shù)：u多徑的平均延遲通?？梢杂脙蓚€(gè)不同的參數(shù)表征：u平均時(shí)延擴(kuò)展（delay spread）：其中平均功率u均方根延遲（root mean square.）：功率-延遲分布的二階中心矩（方差）：11/4/2021 4:59 PM 0;whhPR2,h tE 01dDhmTPP 0dmhPP 22220011ddDhhDmmTPPTPP2rmsTu由信道時(shí)頻響應(yīng) 可以定義時(shí)頻響應(yīng)的自相關(guān)：由WSS假設(shè)，只與時(shí)間間隔t和頻率間隔f有關(guān)。u定義信道的相干譜（coherence spectrum）：相干

34、譜與功率-延遲函數(shù)之間是一對(duì)傅立葉變換u相干帶寬：11/4/2021 4:59 PM,H t fh tF*1212,;,HRfftH t fHtt f E;0,;0HHPfRf ff ;0HhPfPF112cohMrmsBWTTu信號(hào)帶寬與相干帶寬間的關(guān)系11/4/2021 4:59 PM11/4/2021 4:59 PMu信道的非平穩(wěn)性（以地面信道為例） 通信過(guò)程的不連續(xù)性，比如建筑物或地形的阻隔 環(huán)境本身是非平穩(wěn)的 其他用戶的同頻干擾11/4/2021 4:59 PMu從時(shí)間和頻率(帶寬)兩個(gè)角度分析在一定的時(shí)間內(nèi),信道是否發(fā)生變化時(shí)間平坦信道(時(shí)不變信道)時(shí)間選擇性信道(時(shí)變信道) 快衰

35、落信道 慢衰落信道在一定的頻帶內(nèi),信道對(duì)個(gè)頻率分量的增益是否相同頻率平坦信道頻率選擇性信道兩個(gè)重要的概念：相干時(shí)間、相干帶寬11/4/2021 4:59 PMu習(xí)題2.11 測(cè)量得到一個(gè)800MHz的無(wú)線信道的相干帶寬大概是100kHz，那么這個(gè)信道能承受最小碼間干擾時(shí)的最大碼元速率是多少？答：由多普勒頻移產(chǎn)生的相干帶寬為100kHz，那么均方根時(shí)延擴(kuò)展約為1/100k（s）=10s 假設(shè)能承受的最小碼間干擾為碼元寬度的10%，那么碼元寬度為100 s，碼元速率即為104Baud11/4/2021 4:59 PMu習(xí)題2.12 計(jì)算以下HF無(wú)線電信道的均方根時(shí)延擴(kuò)展其中是以ms為單位的，假設(shè)在

36、該信道上傳輸一5kHz帶寬的信號(hào)，時(shí)延擴(kuò)展會(huì)不會(huì)造成問(wèn)題？需不需要某種形式的補(bǔ)償（比如均衡）？11/4/2021 4:59 PM 0.60.30.20.10.4P 22201dhDmPTP20.134rmsTms 01dDhmTPP 0dmhPP13.82cohrmsBWkHzTu習(xí)題2.13 如式2.84所示的時(shí)變沖激響應(yīng)與時(shí)不變沖激響應(yīng)通過(guò)下式聯(lián)系起來(lái)試解釋公式涵義。式2.84時(shí)變沖激響應(yīng)代入得也就是表明，信道增益是由延遲時(shí)間完全確定的，而與激勵(lì)時(shí)間無(wú)關(guān)。11/4/2021 4:59 PM ,h tt varvar,time inianttimeianththt t var,timeian

37、tht ttt varvar,timeianttime iniantht ttthh u2.8.1 熱噪聲均值均方值熱噪聲的功率譜密度（W/Hz）白噪聲的自相關(guān)11/4/2021 4:59 PM0v 222223k TvRh 022S fkTN 02nNRn t n t Eu在室溫條件下，10M金屬電阻兩端的rms電壓是多少？假設(shè)測(cè)量設(shè)備帶寬為1GHz，其輸入阻抗為10M。此時(shí)測(cè)得的電壓是多少？將結(jié)果與習(xí)題2.5定義的信號(hào)通過(guò)天線時(shí)在其兩端產(chǎn)生的電壓進(jìn)行比較。為什么電路設(shè)計(jì)時(shí)要避免使用大的電阻？熱電阻傳遞給負(fù)載的最大功率密度是多少？均方電壓為均方根電壓熱電阻在1GHz帶寬下傳遞給負(fù)載的最大功率

38、密度功率為此時(shí)測(cè)得的電壓為 11/4/2021 4:59 PM222322222722342 3.141.37 102902101.57v33 6.62 10k TvRvh1.25vrmsv 124 10WPSfB6.3 vvP Rm 214 10W HzS fkTu描述噪聲對(duì)設(shè)備的影響主要用兩種方法：等效噪聲溫度和等效噪聲系數(shù)。u等效噪聲溫度（equivalent noise temperature）是指將于熱噪聲特性相類(lèi)似的其他噪聲源等效成熱噪聲源，并得到其等效溫度u例2.13 地球輻射為接收地面終端發(fā)射的信號(hào)，衛(wèi)星天線應(yīng)直接朝向地球。地球的平均溫度約為T(mén)0=290oK，象任何暖物體那樣，

39、其輻射能量與這個(gè)溫度成正比。在頻帶內(nèi)，輻射能量是白色的。那么接收天線的等效噪聲溫度是多少？11/4/2021 4:59 PMu噪聲系數(shù)（noise figure）表示以輸入端為參考點(diǎn)時(shí)放大器輸出端增加的噪聲。u噪聲系數(shù)與等效噪聲溫度的關(guān)系（假設(shè)放大器功率增益G為常數(shù)）：11/4/2021 4:59 PM noniSfFG f Sf0000eeG kTkTTTFGkTT01eTFTu例2.14 噪聲系數(shù)和接收機(jī)靈敏度假設(shè)一個(gè)無(wú)線接收機(jī)的噪聲系數(shù)為8dB，并且包含一個(gè)調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器的信噪比（SNR）為12dB，工作帶寬為5kHz。試問(wèn)接收機(jī)的靈敏度是多少？天線引入的噪聲功率為：分貝表示：接

40、收機(jī)靈敏度：11/4/2021 4:59 PM0NF kTB10dBmdBm-sKdBKdBdBHzNkTFB198.6 10lg2908 10lg5000 129.0dBm SSNRNdBdBdBm117dBmSSNRN u脈沖噪聲u諧波干擾（帶外傳輸干擾）u多址干擾11/4/2021 4:59 PMu頻率重用u蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)11/4/2021 4:59 PM22Niijju重用距離D使用相同信道（頻率）的最靠近小區(qū)中心之間的距離u歸一化重用距離：重用距離與小區(qū)半徑的比u結(jié)合中值路徑損耗模型，對(duì)于調(diào)制方式和發(fā)射功率類(lèi)似的用戶，平均載干比（carrier-interference ratio）近

41、似為：11/4/2021 4:59 PM3DNRCN用戶期望的接收功率干擾用戶的接收功率00nddkknTddnnkTkk dk dPrrrrPr ru例2.16 考慮一個(gè)1-in-N重用模式的蜂窩系統(tǒng)，其基站接收機(jī)位于每個(gè)蜂窩小區(qū)中心。假設(shè)在蜂窩系統(tǒng)中六個(gè)最接近的干擾源帶來(lái)大部分干擾，而且這些干擾源位于其蜂窩小區(qū)中心。為了獲得最小的載干比（C/I）min，最好的重用模式是什么？為了便于計(jì)算，考慮蜂窩小區(qū)邊緣的用戶情況，根據(jù)載干比的公式：取最小載干比為18dB，路徑損耗為3.1，那么11/4/2021 4:59 PMndkdnkk drCNr, dkrR rDmin66nndnnkrRCrDI

42、2min16153nCNIu鏈路預(yù)算：用以保證接收機(jī)中有足夠功率以閉合該鏈路并保證一定的SNR。u基本鏈路預(yù)算方程：u對(duì)于衛(wèi)星通信：u 是載波噪聲密度比（dB-Hz）u 是發(fā)射機(jī)等效全向輻射功率（dBW）u 是路徑損耗（dB）u 是接收天線增益與噪聲溫度之比（dB-K-1）uk是玻耳茲曼 常數(shù)（-228.6dBW-sK-1）11/4/2021 4:59 PM0RTRTpePP G GNL kT0pCEIRPLG TkN0C NTTEIRPG PpLReG TGTu例2.17 衛(wèi)星G/T的比值考慮一個(gè)對(duì)地同步衛(wèi)星，其覆蓋范圍包括所有可見(jiàn)的地球表面。地球的平均半徑為6400km，衛(wèi)星高度為36000km。因此，相對(duì)于各向同性的情況，衛(wèi)星天線增益等效于地球跨區(qū)面積（cross-sectional area）與半徑為36000km的球面積比值的倒數(shù)：衛(wèi)星天線直接面對(duì)地球，其等效噪聲溫度為290o K ，因此11/4/2021 4:59 PM22224436000126.621.0dB6400