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第1章通信信号处理基础知识2014汇总

归档日期:07-23       文本归类:简单信号通信      文章编辑:爱尚语录

  第1章通信信号处理基础知识2014汇总_工作总结/汇报_总结/汇报_实用文档。通信信号处理(I) (48学时) 通信工程学院 冯文江 课程概况 ? 教学目的 ? 了解通信信号的描述形式、无线传输信道的特征和模型 ? 了

  通信信号处理(I) (48学时) 通信工程学院 冯文江 Email: .cn 课程概况 ? 教学目的 ? 了解通信信号的描述形式、无线传输信道的特征和模型 ? 了解通信信号处理的对象、目的和信号模型 ? 掌握通信信号的时域、频域、空域及其多域联合处理基本方法 ? 跟踪通信信号处理的发展趋势和技术动态 课程概况 ? 教学内容 ? 第一章 通信信号处理基本知识:通信信号处理基础,通信信号的描述 形式,无线传输信道的特征和模型 ? 第二章 信道均衡技术:符号间干扰 (ISI)产生的原因,均衡的作用,均 衡实现原理,均衡器结构分类,均衡性能评价准则,均衡算法 ? 第三章 阵列信号处理:阵列天线系统种类、结构、特点和模型,阵列 信号处理涉及的信源数估计,DOA 估计和数字波束形成方法,重点学 习MUSIC类和ESPRIT类算法的原理、描述、适用范围和特点,DBF的设 计准则、常用算法 和性能特点 课程概况 ? 教学内容 ? 第四章 空时二维信号处理:空域处理和时域处理的等效性,空时处理 的作用,空时二维谱估计,空时信道估计,空时均衡技术,盲空时处 理,空时RAKE接收技术 ? 第五章 多用户检测技术:CDMA 系统模型,多址干扰,远近效应,多 用户联合检测原理、准则、分类、性能指标,典型的线性类和非线性 类多用户检测算法,盲多用户检测的结构、原理和性能 ? 第六章 分集接收技术:分集接收的概念、任务、类型和作用, 重点学 习隐分集接收方法、信号合并方式、RAKE 接收技术 课程概况 ? 教学内容 ? 第七章 协同通信信号处理:协同通信的概念、方式和特点;重点学习 协同分集和协同中继相关技术的原理、方法、性能和特点以及目前关 注的重点研究内容 ? 第八章 MIMO检测技术:CCI 特性,MIMO 概念,MIMO 信道;MIMO 检测概述,MIMO信号模型,最优MIMO检测算法,线性MIMO检测算 法,干扰抵消 MIMO 检测算法,基于树搜索的 MIMO检测算法,基于 格规约的 MIMO检测算法,基于概率数据关联的 MIMO检测算法,基 于半定规划松弛的MIMO检测算法,低秩和超载MIMO系统检测算法 课程概况 ? 课程定位 ? 该课程定位是 “通信与信息系统” 和 “信号与信息处理” 学科学术 型研究生的专业基础课 (学位课程);是“电路与系统”学科学术型研 究生的专业方向课 (非学位课);是“电子与通信工程”领域专业型研 究生的特色专业课 课程概况 ? 教学模式 ? 围绕通信信号处理涉及的研究领域,培养学生发现问题和解决问题的 能力,采用逐步递进,理论与实际相结合的教学模式 基本概念 处理算法 改进措施 实际需要 工程应用背景 应用效果 课程概况 ? 开课形式 ? 课堂讲授:基本概念、典型方法 ? 课堂研讨:自由提问,指定发言 ? 考核形式 ? 撰写论文 ? 开闭卷考试 课程概况 ? 参考文献 ? 张贤达、保铮:通信信号处理,国防工业出版社,2000 ? 邱天爽:通信中的自适应信号处理,电子工业出版社,2005 ? 郭业才:通信信号分析与处理,合肥工大出版社,2009 ? Joseph Boccuzzi 著,刘祖军译 : Signal Processing for Wireless Communications,电子工业出版社,2010 ? IEEE Transactions on Communications ? IEEE Transactions on Antennas and Propagation ? IEEE Transactions on Signal Processing 第一章 通信信号处理基础知识 通信的基本问题是如何在一点精确或近似再生来自另一点的信息 C. E. Shannon: The fundamental problem of communication is that of reproducing at one point either exactly or approximately a message selected at another point ( A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal, 27(3): 379–423, 1948) 通信系统:传输 + 容量 传输:有效性 (尽可能多)、可靠性 (尽可能好) 有线传输 传输 无线传输 基带传输 模拟调制(AM、FM、PM) 频带传输 数字调制(FSK、PSK、ASK) 第一章 通信信号处理基本知识 信道编码 信源 基带 调制 上变频 功放 信源编码 信道解码 信宿 基带 解调 下变频 选放 信源解码 第一章 通信信号处理基础知识 容量:频谱效率、频谱利用率 骨干网络 (核心网络) 组网 接入网络 (空中接口) 1) 组网方式:点对点、点对多点、Ad Hoc、Mesh 2) 多址方式:FDMA、TDMA、CDMA、SDMA 3) 复用技术:蜂窝技术 4) 双工方式:单工、半双工、全双工(FDD、TDD、ADD) 通信信号处理研究对象 ? 通信信号的特点: ? 传输环境复杂:多径效应、阴影效应、多普勒效应 ? 干扰:信道间干扰、用户间干扰、符号间干扰、数据流间干扰、小 区间干扰、互调干扰、耦合效应等 ? 信号传输可靠性要求高 ? 信号传输有效性要求高 ? 通信信号处理主要针对通信系统的接收部分 ? 利用通信信号处理技术改善接收性能,弥补传输环境造成的影响 常用的通信信号处理技术 ? 时域:时域均衡、时间分集 (交织) ? 频域:频率分集接收和信号合并处理 ? 空域:空间分集、空时分集、协同分集信号处理 ? 码域:多用户检测 ? 空、时、频域以及多域联合信号处理 通信信号的表示和特征 ? 通信信号分类 ? 随机信号与确定信号 (信号特性) ? 平稳信号和非平稳信号 (随机特性) ? 连续信号与离散信号 (时域特性) ? 低通信号与带通信号 (频域特性) ? 有限功率信号与无限功率信号 (功率特性) ? 通信信号具有随机特征 ? 通信信号处理采用统计分析方法 平稳随机过程 ? 严格平稳过程 (狭义平稳过程):随机变量 的概率分布函数与 的概率分布函数对所有的时延τ都是相同的 (高斯白噪声AWGN) ? 广义平稳过程 (弱平稳、协方差、二阶平稳) ? 数学期望为常数 ? 功率有限 ? 协方差 平稳信号统计特性 ? 自相关函数关于时延τ共轭对称 ? 功率谱密度是非负实数 ? 信号功率有限 ? 信号通过LTI系统,平稳特性不变 循环平稳过程 ? 循环(周期) 平稳( cyclostationary) 特性:信号的统计特性表现为周期 或多周期变化,本身是非平稳信号(通信信号的循环平稳特性是由于 正弦载波、训练序列、扩频序列、跳频序列、循环前缀等参数的周 期性所致) ? 一阶循环平稳过程:数学期望具有周期性 ? 二阶循环平稳过程:相关函数具有周期性 ? 高阶循环平稳过程:高阶统计量具有周期性 I ( A) ? N ? log P( A) H ? ?? pi log pi i ?1 一阶循环平稳过程 ? 随机信号的均值 (数学期望) 具有周期性 ? 对周期性均值执行Fourier级数展开 ? 循环频率 ? 循环均值 (Fourier级数展开的各项系数) Rx (t ,? ) ? E[ x(t ) x? (t ? ? )] 二阶循环平稳过程 ? 自相关函数 ? 相关函数的Fourier级数展开 具有时间周期性 ? 循环自相关函数 ? 循环功率谱 二阶循环平稳过程 几种调制信号的循环功率谱 二阶循环平稳过程性质 ? 二阶循环平稳信号通过LTI系统后的输出信号功率谱和互功率谱 ? 循环功率谱和循环互功率谱 ? 循环功率谱的相关系数 ? 用功率谱辨识非最小相位系统时存在多重性 ? 用循环功率谱可以辨识非最小相位系统 ? 信号检测:频谱感知、网络发现、调制模式识别等 解析信号 ? 在数字通信系统中,实际传输的是实信号,而信号处理既可以在实数域 进行,也可以在复数域进行,实数域信号处理直观、简单,但硬件实现 时存储资源占用多,效率低,而在复数域执行信号处理时,硬件实现运 算简单,复杂度低,效率高,即在对数字通信信号处理时,通常以复信 号为处理对象,为此,需要对接收信号做预处理,构造复信号 ? 解析信号的时域构造 ? 实部 ? 虚部 ? Hilbert滤波器传递函数 解析信号 ? Hilbert变换具有如下性质 ① 实信号经过Hilbert变换后,信号频谱幅度保持不变 ② 解析信号实部和虚部之间存在变换关系 ③ 实信号经过两次Hilbert变换后仅相差一个符号因子 ④ 如果 ,其Hilbert变换满足 解析信号 ? 解析信号的频域构造 ? 定义滤波器 ? 第一类解析信号(确定信号用频谱):频谱右半轴,幅度是原来的2倍 ? 第二类解析信号(随机信号用功率谱):功率谱右半轴,幅度是原来的2倍 基带信号 ? 实的窄带信号 ? 解析信号 ? 基带信号 (零中频信号) ? 解析信号与基带信号的关系 ? 窄带信号与基带信号的关系 ? 基带信号的直角坐标形式 基带信号是复信号,不存在双边谱 X , P( x) 基带信号 ? 当通信接收端存在带通滤波器 (选频放大器)时,其时域冲激响应 ? 冲激响应包络为 ,对应的基带冲激响应为 ? 此时时域输出信号为 ? 对应的时域基带输出信号为 平稳信号的基带表示 ? 平稳信号 ? 平稳基带信号与解析信号相关函数的关系 ? 平稳解析信号功率谱 ? 平稳基带信号功率谱 ? 平稳基带信号的相关函数和互相关函数 ? 平稳基带信号的功率谱和互功率谱 平稳信号的基带表示 ? 结论:实的平稳信号及其对应的基带信号、解析信号以及同相分量、正 交分量仍然是平稳信号 ① 基带信号同相分量和正交分量的相关函数相等,各占一半信号功率;互 相关函数是时延的奇函数 ② 基带信号的同相分量和正交分量统计特性相同 ③ 同一时刻采样,基带信号的同相分量和正交分量统计独立 ④ 载波是否存在初相位,不改变平稳基带信号的统计特性 循环平稳信号的基带表示 ? 实的循环平稳信号 ,其循环频率 ? 循环平稳基带信号与解析信号之间的关系 ? 一阶循环平稳基带信号的数学期望 ? 二阶循环平稳基带信号的相关函数 ? 循环谱和互循环谱 带限信号 ? 带限信号定义:如果实信号 功率谱 的Fourier变换的频谱 或 ,称为带限信号或低通信号 ,称为时限信号 ? 时限信号定义:如果实信号 ? 带限信号相关函数 ? 发射信号 通过带限信道后,其接收信号为 周期信号的相关函数 ? 周期信号集合 ? 集合中各元素容易与自身的时间偏移区分 ? 集合中各元素容易与其它元素区分 ? 周期信号 ? 周期信号相关函数和互相关函数 无线通信信道基础知识 ? 信道:收发两端传输媒体的总称 ? 有线信道 ? 无线信道 ? 前向连接downlink (下行链路) ? 后向连接uplink (上行链路) ? 无线通信系统性能与无线信道传播特性密切相关 ? 视距传播 (Line of Sight, LOS)、非视距传播 (NLOS) ? 无线信道的随机性 (位置变化、环境变化等) ? 导致:接收信号幅度、相位、频率畸变(空间差异性、时频变 无线电波分类及传播方式 ? 无线电波按传播方式划分为:地波、电离层反射波、对流层反射波、空 间波、自由空间波 ? 地波:沿地球表面传播,通过绕射可到达视线范围以外,在地波传播过 程中,地面会吸收电波能量,其强弱与电波频率、地面性质有关 ? 电离层反射波——天波传播:电波利用距地面60km高空的电离层反射传 播,在电波传播过程中,电离层也会吸收电波能量,其强弱与电波频率 和电离层的变化 (位置、层数、厚度) 有关 ? 对流层反射波——散射传播:电波利用大气层中距地面 10-20 km高空对 流层的不均匀性散射传播,传播距离可达 300-800km,电波反射强弱与 高度有关,越高越弱 无线电波分类及传播方式 ? 空间波 ——直射传播:电波沿直线传播 (直接波) ,也通过地球表面反 射传播 (地反射波) ,接收电场强度是二者的合成。直接波不受地面影 响,但地反射波会受反射点地质、地形影响。空间波通过大气层的底 层传播,传播距离与地球曲率半径有关 ? 自由空间波—— 直射传播:电波由地面发出,经过低空大气层和电离 层到达外层空间传播 (卫星通信、深空通信) ,自由空间 (真空) 电波传 播特性稳定 无线电波分类及传播方式 ? 无线电波按波长划分为:长波、中波、短波、超短波、微波等 ? 长波:波长 1000m以上,频率300kHz以下,其传播方式主要有地表面 传播和天波传播,地形地貌对地表面传播影响小,电离层对天波传播 吸收较弱,传播特性稳定。但由于地表面波衰减慢,对其他电台会形 成强干扰,由雷电产生的天电干扰对其影响大 ? 中波:波长100-1000m,频率300kHz-30MHz。其传播方式主要还是地 表面传播和天波传播,地形地貌对地表面传播影响小,但需要穿过电 离层较深处才能反射,波长在200-2000m的中长波主要用于广播,称 为广播波段,传播距离可达200-300km 无线电波分类及传播方式 ? 短波:波长10-100m,频率3MHz-30MHz,其传播方式主要靠电离层反 射,天波在电离层中的损耗小,可利用天波在电离层中的一次或多次 反射实现远距离传播,但由于电离层厚度、高度、密度随时变化,短 波通信信号会时强时弱 (白天更明显) ? 超短波:波长1-10m,频率30MHz-300MHz,其传播方式主要有散射传 播和直射传播,主要用于电视、调频广播、雷达等,传播距离可达30- 100km ? 微波:波长1m以下,频率300MHz-300GHz,其传播方式主要是直射传 播,主要用于通信、雷达等。由于地形、地貌、地物、气候等会引起 反射、绕射、散射和吸收,产生衰落和失真 无线电波传播方式总结 ? 归结起来,无线电波的传播方式主要有:直射波和地面反射波、对流 层反射波、电离层反射波和山体绕射波等 无线电波传播方式总结 ? 此外,电波遇到各种障碍物时会发生反射、绕射和散射现象,会对 直射波形成干涉 (多径效应) ;收发信机之间相对运动会产生多普勒 效应,多径效应和多普勒效应导致信号在时域和频域扩展,表现为 选择性衰落 ? 地表面波损耗随频率升高急剧减弱,随距离增加急剧减小 无线电波传播效应 ? 传输损失 :大范围内信号强度随距离变化(数百或数千米),表现为 电波能量扩散现象 ? n 为路径损失指数:自由空间为2;城区为2.7-3.5;城市阴影区为3-5; 直视楼房为1.6-1.8;阻塞楼房为4-6;厂区为2-3 无线电波传播效应 ? 阴影衰落 :中范围信号电平中值慢变(数百个波长) ? 由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起 的慢衰落,信号中值出现缓慢变动,衰落深度与频率、阻碍物有关 ? 多径衰落 :小范围信号瞬时值快变(数十个波长) ? 由于移动传播环境的多径传播而引起的快衰落,接收信号场强的瞬时 值呈现快速变化 ? 多径衰落是移动信道特性中最具特色的部分 无线电波传播效应 ? 由此可知,无线通信信道是一 种时变信道,无线电信号通过 信道时会遭受来自不同途径的 衰减损害,接收信号总功率表 现为三种效应的综合: 无线信道衰落 ? 根据无线电波传播效应,通常将无线信道衰落分为两类:大尺度衰落和 小尺度衰落 ? 大尺度衰落:路径损失、阴影衰落 ? 路径损失:无线电信号通过大尺度距离的信道传输时,随传输路径的增 加,电波能量扩散,导致接收信号平均功率衰减,其衰减量表现为传输 距离的函数 ? 阴影衰落:无线电信号在中尺度距离的信道中传输时,由于地形起伏或 高大建筑物群等障碍物遮挡,在阻碍物的背后形成阴影区,导致接收信 号平均功率随机变化 无线信道衰落 ? 小尺度衰落:当传输信道小尺度 (距离或时间) 变化时,无线电信号在传 输过程中受周围散射体反射、绕射和散射,其幅度或相位快速变化。依 据多径效应产生的时延扩展,将小尺度衰落划分为频率选择性衰落和频 率非选择性 (平坦) 衰落;依据多普勒效应产生的多普勒扩展,将小尺度 衰落划分为快衰落和慢衰落 无线信道衰落 大尺度衰落 小尺度衰落 路径损失 阴影衰落 多径效应 多普勒效应 频率选择 性衰落 平坦衰落 快衰落 慢衰落 自由空间传播模型 ? 自由空间传播模型是表征电波传播路径损失的基础模型 ? 自由空间定义 ? 均匀无损耗无限大空间; ? 各向同性 ? 介质的相对介电常数和相对磁导率为1 ? 自由空间传播模型 (仅考虑能量扩散引起的传输损耗) ? 电场强度: ? 磁场强度: ? 大尺寸传播模型: 自由空间传播模型 ? 路径损失:有效发射功率与有效接收功率之比 (有效功率等于实际功率 和天线增益的共同效应) ? 意味着传输距离增加10倍,路径损失增大20dB ? 大尺寸传播模型只适用于Fraunhofer区域 (天线远场区域) ? Fraunhofer距离 (天线孔径的最大尺寸与波长之比) ? 远场区域 ? 经验公式 地面实际应用 ? 大气折射效应:大气介电常数与大气温度、湿度、气压、海拔高度有 关,由于大气折射,电波不再按直线传播,而是按曲线传播,根据不 同折射效应分为正折射、负折射和无折射 ? 介质折射率与相对介电常数的关系 ? 电波传播速度与介质折射率成反比 ? 大气折射导致电波传播方向和速度均发生变化 地面实际应用 ? 视距传播极限距离:受地球曲率半径、收发天线高度影响,视距 传播极限距离为: ? 标准大气折射条件下,地球有效半径是实际半径的1.33倍,约为 8500km。上述表达式中极限距离单位是km,天线高度单位是m 无线电波不规则传播 ? 理论上,收发信机之间距离相同,路径损失也相同。但实测发现,收 发信机之间距离相同的不同方位,接收功率也存在差异,甚至不同时 刻同一接收点的接收功率也存在差异。这是由于在实际环境中,无线 电波传播还受到不规则散射体分布影响,在估算路径损失时,应考虑 不同地区地形地貌因素。地形地貌可能从平坦的平原地区到高耸的山 地,而树木、建筑物和其他障碍物在计算时也应考虑。已有很多经验 模型用于预测不规则地形的路径损失,如 Durkin模型、Okumura 模型 和Hata模型等 ? c ? ? r ? j60?? 反射 ? 当电波传播中遇到两种不同介质的界面,且界面尺寸比电波波长大得 多时,就会产生反射,如地球表面、大型建筑物、墙壁表面等 ? 界面的反射特性用反射系数表征,定义为反射波场强与入射波场强之 比 ? 水平极化波和垂直极化波的反射系数分别为 ? 反射介质复介电常数 ? c ? ? r ? j60?? 反射 ? 对于频率大于150MHz,入射角小于1度, ? 反射波场强幅度等于入射波场强幅度,但地面反射时会产生反相,即 反射波和入射波相位相差 ? 直射波与反射波间的路程差 ? 由路程差和反相引起的附加相移 ? 接收信号场强 ? 直射波和反射波的合成场强随反射系数和路程差变化,时而同相相加, 时而反相相减,造成合成波衰落 绕射 ? 当收发天线之间的路径被尖锐的边缘阻挡时会发生绕射。根据Huygens原 理,波前的所有点可看成是产生二次波的源,由这些源产生的所有子波 在传播方向上会形成一个新的波前,分布于整个空间,包括阻挡物的背 面(绕过阻碍物) ? 当收发天线之间不存在直视路径时,围绕阻碍物也会产生波的弯曲 ? 在高频段,绕射效应与阻碍物的形状和绕射点入射波的振幅、相位和极 化方式有关 ? 直射波与绕射波的程差 ? 绕射系数 ? 相位差 散射 ? 在电波传播的介质中存在小于波长的物体,且单位体积内阻碍物 的个数非常多时,会发生散射 ? 散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体上,在实际通 信系统中,树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射 ? Rayleigh准则:表面隆起临界高度 ? 散射损失因子 ? 其中 是表面高度相对于平均表面高度的标准差, 是第一类零 阶Bessel函数 地面实际应用 ? 在地面实际应用中,电波传播受环境因素和人为因素影响 ? 环境因素 ? 自然地形(高山、丘陵、平原、水域) ? 地物分布、密度、材质 ? 地貌植被 ? 气候条件 ? 人为因素 ? 市区、郊区、农村 地面实际应用 ? 将阻碍物引起的传播损耗称为绕射损耗:与菲涅尔余隙有关 ? 正余隙、负余隙 ? 第一菲涅尔半径 地面实际应用 ? 电波在建筑物内部传播会产生穿透损耗 ? 隔墙阻挡:5-20dB ? 厚玻璃损耗:6-10dB ? 楼层阻挡:20dB ? 室内损耗:1.9dB/层 ? 家具损耗:2-15dB ? 火车车厢损耗:15-30dB ? 电梯穿透损耗:30dB ? 茂密树叶损耗:10dB 地面实际应用 ? 地形地物对电波传播的影响效应 ? 地形分类 ? 中等起伏地形:在地形剖面上地面起伏高度不超过20m,且起伏缓慢,峰 点与谷点之间的水平距离大于起伏高度 ? 不规则地形:丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形 ? 地物分类 ? 第一类:开阔地:在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物,呈开 阔状地面,如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等 ? 第二类:郊区:在靠近终端近处有障碍物但不稠密,如有少量低层房屋或 小树林等 ? 第三类:市区:有较密集的建筑物和高层楼房 地面实际应用 ? 地形波动高度定义 ? 天线有效高度定义 地面实际应用 ? 市区环境:传播损耗与电波频率、传播距离有关;不同天线高度能获 得不同的增益 地面实际应用 ? 郊区和开阔地环境:传播损耗与电波频率、传播距离有关;不同天线 高度能获得不同的增益 ? 郊区场强中值与基准场强中值之差称为修正因子,郊区修正因子、开 阔地、准开阔地修正因子如图 地面实际应用 ? 丘陵环境:不同地形参数对应的修正因子如图 地面实际应用 ? 斜坡地形和水陆混合路径环境:不同地形参数对应的修正因子如图 阴影衰落 ? 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被(高大的树林)等障碍 物的遮挡时,会产生电磁场的阴影 ? 当移动终端通过阴影区域时,接收场强的中值会变化,由此形成的衰 落就是阴影衰落。阴影衰落变化速率慢,又称为慢衰落、长期衰落 ? 慢衰落效应取决于传播环境,包括接收天线周围地形、山丘起伏、建 筑物分布与高度、街道走向、天线位置与高度、移动速度、电波频率 等 阴影衰落 ? 阴影衰落会使预测的路径损失产生很大变化 ? 阴影衰落会影响移动通信小区的覆盖范围 (如GSM终端发射功率为1W 或2W,覆盖小区边缘的接收灵敏度为-104dBm,利用路径损失模型计 算得到的结果满足要求,但由于阴影衰落,可能有 50%的区域不满足 要求) ? 阴影衰落会导致通信覆盖盲区 ? 解决途径:在系统设计时设置更大的衰落余量,在网络规划时合理选 择基站站址 阴影衰落模型 ? 阴影衰落特点:接收信号在时域慢速扰动,衰落深度大 (30-40dB), 一 般用对数正态分布 (lognormal)统计模型描述,其概率密度函数 ? 其中 为接收信号的平均包络电平, 为均值,取决于发射功率、收发 天线高度和距离; 为标准差,取决于地形地物和电波频率 阴影衰落模型 ? 对数正态分布 (lognormal)统计模型存在以下不足 ? 接收信号包络分布不具有封闭形式,不利于评估衰落信道的性能 ? 在统计衰落信道特性时,在适度阴影 (重阴影和轻阴影之间) 环境中与 信号包络分布的吻合度较差 ? K分布是 Jakeman和 Pusey在1978年提出的,通过在超宽带通信系统短 时衰落和阴影试验的统计分析发现,K分布与试验数据的吻合最优 ? 接收信号包络的概率密度函数为 ? 其中 是参数, 是第二类Bessel函数, 是标准gamma函数 阴影衰落模型 ? 在K分布模型中,信号包络是两个因子的乘积,第一个因子服从瑞利分 布,称为斑点分量(即快变化分量),由大量散射体反射叠加而成;第二 个因子服从 分布,称为基本幅度调制分量(即慢变化分量),反映了散 射束在空间变化的平均电平,其相关时间较长 ? 为了突出K分布的参数特性,概率密度函数还有一种形式 ? 其中 率为 是第二类Bessel函数, 是形状因子, 是尺寸因子,平均功 多径衰落 ? 电波传播过程中遇到建筑物、树木、植被或起伏地形等阻碍物时,会引 起反射,到达接收天线的信号是许多传播路径信号的合成。由于电波通 过各条路径的距离不同,各路反射信号到达时间不同,相位和幅度也不 同。多路信号在接收端 (时空) 叠加,有时同相叠加增强,有时反相叠加 减弱,导致接收信号幅度急剧变化,即产生了衰落。这种衰落是由于多 径现象引起的,称为多径衰落 多径衰落模型 ? 为了导出多径效应的统计特性,假设: ? 在收发信机之间没有直射波 ? 有大量反射波存在,且到达接收天线?内均 匀分布 ? 各个反射波的幅度和相位统计独立 多径衰落模型 ? 正交分量和同相分量都是随机变量,当多径路数很大时,根据中心 极限定理,大量独立随机变量之和趋近于正态分布,即正交分量和 同相分量是高斯随机过程,服从正态分布,其概率密度为: ? 正交分量和同相分量统计独立,联合概率密度为 多径衰落模型 ? 在(0,∞)区间内对 r 积分,得到相位 ? 的概率分布 ? 在[0,2?]区间内对 ? 积分,得到幅度 r 的概率分布 ? 接收信号相位服从 0-2? 的均匀分布,接收信号包络服从瑞利分布 0.7 0.6 0.5 0.4 p(r) sigma=1 sigma=2 sigma=3 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 包 络 电 平 r[v] 8 10 多径衰落模型 ? 多径信号的一些统计量 ? 包络r的累积分布函数 ? 一阶矩 ? 二阶矩 ? 满足P(r≤rm) = 0.5的rm值称为信号包络样本区间中值 多径衰落模型 ? 接收信号包络服从瑞利分布的前提是多径信号之间统计独立,且没有 直达信号,但当收发天线之间距离较近时,直达信号是存在的 ? 理论分析表明,如果存在占支配地位分量的大量随机变量之和应服从 莱斯分布(Rician Distribution) 0.7 0.6 0.5 K=-40dB K=0dB K=3dB K=6dB ? 其中 p(r) 0.3 0.2 0.1 0 0 分别是占支配地位分量的幅度和相位 0.4 1 2 3 4 5 包 络 电 平 r[v] 6 7 8 多径衰落模型 ? 上述多径衰落模型存在如下不足: ? 在城市传播环境中,强的直视信号并不总是存在,甚至多数时间不存 在,此时用Rician分布对多径衰落建模不符合实际 ? Rayleigh分布在统计各向同性介质的散射特性时性能良好,但对各向异 性介质差强人意,与实测数据的吻合度差 ? 日本科学家Nakagami发现,当收发信机之间传输路径较少,信道环境 中散射体空间分布不对称,远近分布不均匀时,瑞利分布对多径衰落 效应描述准确性较差,提出Nakagami分布 多径衰落模型 ? Nakagami分布是通过实测,并利用基于变参Gamma分布的密度函数来 拟合信道。大量实测验证,Nakagami 分布与实测近似度好,比瑞利分 布、莱斯分布更接近实际信道 ? Nakagami 分布没有物理模型,其接收信号包络和相位的概率密度函数 为 ? 其中 射场的平均功率, 的信号衰落程度, 化莱斯分布; 为Gamma函数, 为二阶中心矩,表征多径散 为衰落因子,表征多径效应造成 退化为高斯分布; 表示无衰落 退化为瑞利分布; 退 信道衰落统计量 ? 电平穿越率(LCR)和平均衰落持续时间(AFD)是衡量衰落信道的两个重要的 二阶统计量,对通信系统设计有重要意义 ? 电平穿越率:单位时间内信号包络以正斜率通过规定电平 于描述接收信号的衰落程度。包络电平为 已知二者的联合概率密度函数,LCR为 的次数,用 ,且 ,包络正斜率为 信道衰落统计量 ? 电平穿越率的物理意义:假设接收门限为固定的包络电平,电平穿越率 为在单位时间内信号包络低于门限的次数。由于信号包络的幅度起伏是 随机的,所以LCR也是不确定的 ? 平均电平穿越率 ? 其中速度 v 的单位为km/h,频率 f 的单位为 MHz,平均电平穿越率 A的 单位为Hz (如运动时速120km/h,900MHz频段,A=200Hz) 信道衰落统计量 ? 平均衰落持续时间:信号包络电平低于固定门限 的平均持续时间。虽 然包络衰落持续时间的概率密度函数无法获知,但仍可计算平均衰落持 续时间。根据平均电平穿越率与平均衰落持续时间之间的相关性导出平 均衰落持续时间为 ? 其中 为包络电平的累积分布函数 ? 平均衰落持续时间的物理意义:如果设置固定门限为接收门限,AFD 就 是信号包络低于接收门限的平均持续时间。由于信号包络的起伏变化是 随机的,所以平均衰落持续时间也是随机的 信道衰落统计量 ? 电平穿越率和平均衰落持续时间对通信系统设计的指导作用:在多径衰 落信道中,信号包络波动会导致接收性能降低,通常用LCR和AFD这两个 信道衰落统计量来描述信号包络波动的趋势。如 AFD刻画了衰落信道中 差错发生的持续长度,如果在衰落信道中存在较大的 AFD,长帧数据就 比短帧数据更易受到衰落影响,在为信道编码选择帧长、优化梳状滤波 器结构以及为调制方案选择预处理时长等操作时,都应该充分考虑这一 因素 多普勒效应 ? 当收发信机之间存在径向运动时,接收信号频率会发生变化,称 为多普勒效应,由此引起的附加频移称为多普勒频移 I ( A) ? N ? log P( A) H ? ?? pi log pi i ?1 衰落信道动态特性 出3种效应:路径损失、阴影衰落、多径衰落 ? 前述分析表明:电波传播有4种方式:直射、反射、绕射、散射,表现 ? 衰落产生的原因:多径效应和多普勒效应。对于宽带信号而言,多普勒 效应就是色散效应 ? 用 表示信道时域冲激响应, 表示信道频域传递函数。为了描述 信道的动态特性,涉及如下变量 ? 时延τ:多径效应的每条路径传播存在的相对时延 ? 时间差 ? 频率差 :表征多普勒效应的用户移动时间 :表征色散效应导致不同频率信号有不同的多普勒频移 I ( A) ? N ? log P( A) H ? ?? pi log pi i ?1 衰落信道动态特性 ? 时延-时间差相关函数 ? 频率差-时间差相关函数 ? 时延-多普勒功率谱 ? 频率差-多普勒功率谱 衰落信道动态特性 ? 一维动态特性函数 ? 功率时延剖面 ? 时间差相关函数 ? 频率差相关函数 ? 多普勒功率谱 衰落信道动态特性 ? 信道特征参数 ? 信道相干时间 (时间差相关函数) ? 信道相干带宽 ? 信道多径扩展 (频率差相关函数) (功率时延剖面) ? 信道多普勒频移 ? 信道多普勒扩展 ? 信道最大时延扩展 ? 信道扩展因子 (多普勒功率谱) (多径扩展和多普勒扩展) 衰落信道的时域特征和频域特征 ? 时延扩展:在一串接收脉冲中,最大传输时延和最小传输时延之差记为 △。如果发送脉冲宽度为 T,则接收信号宽度就是T+△ ? 由于时延扩展,接收信号的一个码元波形会扩展到相邻码元周期中,引 起码间串扰 ? 时延谱的均方根值等于时延扩展 ? 市区1.0-3.0us,郊区0.2-2us 衰落信道的时域特征和频域特征 ? 分析频率分别为 f1 和 f2 的两个信号的包络相关性,包络为r1和r2,频率差 为?f,则其包络相关系数 ? 相关函数 ? 分析频域相关性 ? 信号包络相关系数等于0.5时对应的频率间隔定义为相干带宽 ? 相干带宽等于时延扩展的倒数,时延扩展导致频率选择性衰落 衰落信道的时域特征和频域特征 ? 时延扩展导致频率选择性衰落,衰落效应的形成机理和条件 ? 频率非选择性 (平坦) 衰落:如果信道带宽大于信号带宽,且在带宽范围 内具有恒定增益和线性相位,则接收信号经历平坦衰落过程。在平坦衰 落下,信道的多径效应不影响信号的频谱特性,但受多径影响,信道增 益会变化,接收信号强度仍会随时间起伏 ? 频率选择性衰落:若信道的线性相位响应带宽小于信号带宽,信号通过 信道传输会产生频率选择性衰落,此时,信道冲激响应的时延扩展大于 信号带宽的倒数,接收信号由存在衰落和时延的多径信号叠加而成,造 成接收信号失真。衰落由信道时间色散引起,不同频率分量受到不同影 响 衰落信道的时域特征和频域特征 ? 多普勒扩展:如果接收信号有N条路径,入射角不同。当N较大时,多 普勒频移成为占有一定宽度的多普勒频展 ? 相位差 ? 多普勒频移 Δl=v Δtcosθ θ d ? 接收天线为全向天线? 的均匀分布,即多径波均匀 来自各个方向,? 到 ?+d? 之间到达的电波功率为 Pav×d?/2? ,Pav是 所有到达电波的平均功率 ? 来自? 和?? 的电波引起相同的多普勒频移,信号频率为 fc + fmcos? ? 多普勒频移 fD 为入射角? 的函数,当入射角从? 变化到? + d? 时,信 号频率从 f 变化到 f + df 衰落信道的时域特征和频域特征 ? 接收信号功率谱 ? 尽管发射频率为单频 fc ,但接收功率谱 S( f )却扩展到 fc ? fD 到 fc + fD 范围,相当 于单频电波通过多径信道时受到随机调 频(Random FM) ? 接收信号的这种功率谱展宽称为多普勒 频展 ? 多普勒扩展导致时间选择性衰落 衰落信道的时域特征和频域特征 ? 多普勒扩展导致时间选择性衰落,衰落效应的形成机理和条件 ? 快衰落:在一个符号周期内,快衰落信道冲激响应发生较大起伏,即信 道相干时间小于发射信号周期。多普勒扩展造成频率色散,导致信号失 真。从频域看,多普勒扩展越大,快衰落导致的信号失真越严重 ? 慢衰落:信道冲激响应的变化率低于发送信号的变化率,可认为在有限 个发送符号周期内,信道是静态的。从频域看,多普勒扩展比信号带宽 小得多 衰落信道的时域特征和频域特征 ? 需要注意:不能根据信道的快衰落和慢衰落特性 (即时间选择性) 来判断 信道是平坦衰落还是频率选择性衰落 (频率选择性) ,因为时间选择性衰 落由相对运动 (多普勒效应) 引起,而频率选择性衰落可将信道冲激响应 近似为一个无时延的 函数,即无论是频率非选择性 (平坦) 衰落,还是 频率选择性衰落,快衰落信道任意多径分量的幅度、相位及时间变化率 都快于发送信号的变化率 衰落信道的时频特征总结 小尺寸衰落 (基于多径时延扩展) 平坦衰落 信号带宽信道带宽 时延扩展符号周期 频率选择性衰落 信号带宽信道带宽 时延扩展符号周期 小尺寸衰落 (基于多普勒扩展) 快衰落 高多普勒频移 相干时间符号周期 信道变化快于基带信号变化 慢衰落 低多普勒频移 相干时间符号周期 信道变化慢于基带信号变化 复合信道模型 ? 实际传输信道环境复杂、差异大,如城市环境和农村环境的散射体形 态体积各异、分布错综复杂。电波传输必定同时受到快速小尺度衰落 和慢速阴影衰落的共同影响。单一信道模型已不适用,必须采用复合 信道模型表征其传播特性。典型的复合信道模型有Rayleigh-Lognormal 模型、Nakagami- Lognormal模型、Rician-Lognormal模型,应用最广的 是Rayleigh-Lognormal模型,也称为Suzuki(铃木)分布模型 Suzuki复合信道模型 ? Suzuki 复合信道模型由描述慢衰落的对数正态分布和描述快衰落的瑞 利分布联合构成。当信号受到障碍物阻挡形成反射和绕射时,叠加信 号包络服从对数正态分布;而当信号由于散射形成多径传输时,每条 路径具有大致相同的幅度和均匀分布的相位,叠加信号包络服从瑞利 分布。瑞利分布的参数服从对数分布,最终形成混合分布。 Suzuki 分 布表示为瑞利分布与对数正态分布的乘积 ? 瑞利分布 ? 对数正态分布 p(r) 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 2 4 6 8 10 包 络 电 平 r[v] 12 14 16 ? Suzuki分布的概率密度函数为 Nakagami-K复合信道模型 ? 适用于城乡结合地区的 Nakagami-K 复合信道模型 ? Nakagami分布和K分布均适用于散射体分布不均匀、不对称传播场景 ? Nakagami分布用于描述由多径效应引起的信号包络快变特性,而K分布 用于描述由阴影效应引起的信号包络缓变特性 ? Nakagami-K 复合信道模型的信号包络用 Nakagami 分布衰落过程和 K分 布阴影过程的乘积表示 ? 假定两个随机过程统计独立, Nakagami-K分布的概率密度函数为 ? 其中 是衰落因子, 是形状因子, 是尺度因子 角度扩展与空间选择性衰落 ? 角度扩展和相干距离是描述无线信道角度色散和空间选择性的主要参数 ? 由于收发信机周围散射环境不同,多径信号按照空间方向分布,导致在 不同空间位置的衰落不同,这就是角度色散和空间选择性 ? 角度扩展:信号功率谱密度在角度上的分布,即角度功率谱二阶中心矩 的平方根就是角度扩展。在阵列天线中,定义信号到达或离开角度与平 均角度之间的最大偏离 (扩散) 为角度扩展 ? 相干距离: 信道冲激响应保持强相关之间的空间间隔 (信号包络的空间 相关系数等于0.5之间的空间间隔)。相干距离与角度扩展成反比: ? 空间选择性衰落由角度扩展所致 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? Okumura模型 :用于描述准平坦地形城区的路径损耗中值 ? 市区中值路径损耗 ? Lbs为自由空间路径损耗 ? 其中Am(f,d) 为市区基站天线m、移动台天线m时 相对于自由空间的中值损耗(基本中值损耗);Hb(hb,d) 为基站天线高度 增益因子 (dB),即实际基站天线高度相对于标准天线m 的 增益,为距离的函数; Hm(hm,f ) 为移动台天线高度增益因子 (dB),即 实际移动台天线高度相对于标准天线m的增益,为频率的函 数 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? Okumura模型 :基本中值损耗 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? Okumura模型 :天线高度增益因子 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? Hata模型:适用于天线高于周围建筑物的宏蜂窝场景 ? 市区中值路径损耗 ? 终端天线高度修正因子 ? 郊区中值路径损耗 ? 农村地区中值路径损耗 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? COST231模型:适用800MHz-2GHz (宏蜂窝和微蜂窝传播损耗预测) ? 可视路径损耗 ? 非可视路径损耗 ? 自由空间传播损耗 ? 屋顶和街道绕射/散射损耗 ? 多重屏蔽绕射损耗 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? Longley-Rice模型:适用40MHz-10GHz。利用路径几何学和对流层绕射性 预测大尺度中值传播损耗,即根据输入路径参数进行点对点预测或区域 预测,缺点是不能提供对环境因素修正,未考虑多径效应 ? Durkin模型:用于预测不规则地形场强,被ITU用于无线覆盖评估,但不 能预测由于树叶、建筑物等引起的传播效应,不能计算除地面反射以外 的多径传播 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? Stanford大学模型:适用于 30 GHz-300 GHz。毫米波的绕射能力和反射能 力差,易受环境中阻碍物遮挡形成阻塞,在 LOS 下,距离增加 10倍,路 径损失增加20dB,而在NLOS下,距离增加10倍,路径损失增加40dB,且 还有15-40dB的附加阻塞损失 ? 其中 为基准距离处的路径损失, 是0均值,标准差为 分别是电波频率和接收天线 高度因子, ? 的随机阴影衰落变量 是覆盖区域地形地貌相关系数,丘陵植被丰富地区 X , P( x) 典型的经验传播模型 ? 在纽约、奥斯丁和德克萨斯等地对28GHz和38GHz的毫米波的传播特性进 行实测和统计拟合,获得如下统计数据 ? 表中校正因子(slope correction factor)是指实测统计与斯坦福大学模型之 间的相关度 信号模型 1. 上行连接SU-SISO信号模型基本形式: 2. 上行连接SU-SISO信号模型多径形式: 3. 上行连接SU-SIMO信号模型: 4. 上行连接MU-SIMO信号模型: 5. 下行连接SU-MISO信号模型: 6. 下行连接MU-MISO信号模型: 信号模型 ? 通信信号处理的处理对象是经过无线信道传输后的接收信号,不同的 通信系统会抽象出不同的信号模型 ? 就数字域而言,通常采用离散信号模型描述和表征接收信号 ? 平坦信道和选择性信道的特性差异很大,对应的发射信号设计和接收 信号处理已有很大差异,构建信号模型应分别进行 ? 典型的信号模型包括:SISO 信号模型、SIMO 信号模型、MISO信号模 型以及MIMO信号模型 信号模型 ? SISO信号模型(单发射天线、单接收天线) ? 其中 是传输的数据码元序列, 是按照数据码元速率 抽样的信 道系数 (广义信道包括发端脉冲成型效应、收端滤波处理效应和物理信 道) ? 平坦衰落信道 (无记忆信道) 下的信号模型: 信号模型 ? SISO信号模型(单发射天线、单接收天线) ? 频率选择性衰落信道 (色散记忆信道) 下的信号模型: ? T个接收信号样本组合(堆叠)形式: ? H为Toeplitz矩阵 信号模型 ? SIMO信号模型(单发射天线、多接收天线) ? 平坦衰落信道下的信号模型: ? 频率选择性衰落信道下的信号模型: 信号模型 ? T个接收信号样本组合(堆叠)形式: 信号模型 ? MISO信号模型(多发射天线、单接收天线) ? 平坦衰落信道下的信号模型: ? 频率选择性衰落信道下的信号模型: 信号模型 ? T个接收信号样本组合(堆叠)形式: 信号模型 ? MIMO信号模型(多发射天线、多接收天线) ? 平坦衰落信道下的信号模型: ? 频率选择性衰落信道下的信号模型: 信号模型 ? T个接收信号样本组合(堆叠)形式: 人有了知识,就会具备各种分析能力, 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书,广泛阅读, 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍,我们能丰富知识, 培养逻辑思维能力; 通过阅读文学作品,我们能提高文学鉴赏水平, 培养文学情趣; 通过阅读报刊,我们能增长见识,扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操, 给我们巨大的精神力量, 鼓舞我们前进。

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