移动信道的空时频传播特征分析与教学

马社祥 孟鑫 宫铭举

基于UHF频段的无线通信系统中，信号的传输受收发天线间周围环境的影响较大，造成信号的衰落。由于环境的复杂性导致信道衰落的多样性，给移动通信课程教学带来困难。本文从多径效应入手，给出了时延扩展和相关带宽、从多普勒效应入手给出了多普勒扩展和相干时间、从角度色散入手给出了角度扩展和相干距离等概念，并基于这些概念给出了各种衰落特点，分析了移动信道中各种衰落的概念和本质及其在分集中的应用。

多径效应 多普勒效应 角度色散 信道衰落

一、引言

现代移动通信系统，采用UHF频段的电磁波作为载体传输信号，而该波段的电磁波传播方式主要是通过直射和反射方式传播，而在城市等复杂环境中，由于建筑物和各种障碍物的影响，直射波很少，主要以反射方式传播，而且，构成收发天线间的反射路径很多，即多径。同时，对于大的建筑物遮挡，造成信号严重衰落。所以，移动信道的传输特征及其复杂，构成移动通信的主要研究内容，也成为移动通信课程教学的一个重点内容，由又于其复杂性，在信道建模和相关内容教学中成为一个难点。如从电磁波传播角度看信号的传输过程中的多径特点、从统计角度衡量信道衰落规律时多径、从信道冲击响应角度建立信道模型时的多径、信道均衡时的码间干扰、Rake接收机中分时多抽头技术等，分集接收时的最小时间、频率、空间间隔等问题。这些问题涉及时延扩展和相关带宽、多普勒扩展和相干时间、角度扩展和相干距离等概念。而且相应的将信道分成：平坦衰落信道和频率选择性衰落信道，慢衰落信道和快衰落信道等。这些概念既相互关联，又有不同特点，既有抽象的理论分析模型，又有具体的应用特点。对些概念的理解，不论对从事工程实践还是进一步科学研究者都至关重要。本文从多径效应、多普勒效应和角度色散入手，分析了移动信道中各种衰落的概念和本质及其在分集中的应用。

二、多径效应频率选择性衰落

以电磁波作为载体的信号传输中，对于特高频电磁波，其传播方式主要是直射和反射，而在城市等复杂环境中，由于建筑物和各种障碍物的影响，直射波很少，反射称为主要的传播途径，而且，构成收发天线间的反射路径很多，可以说有无数条路径，即多径。通过图例解释说明，这一点比较容易理解。实际的接收信号是这些多径信号的叠加。这些多径信号的场强随时间变化，达到接收天线的多径分量信号的相位关系也是随时间而变化的，因此，多径信号的叠加造成信号衰落，称之为多径效应，而且其衰落是一个随机量。

另一方面，由于多径问题，而每一条路径的信号达到接收天线的距离不同，达到时间就不同，因此，信号的达到时间被展宽，也叫时间色散现象。即多径效应导致时间色散。时间色散，使得信号的波峰和波谷可能错位叠加，造成信道衰落，影响信号的正确接收。不同环境、不同时刻的时间色散程度是不同的。为了衡量时间色散的程度，引入时延扩展。最简单的理解是用时延的方差来衡量时间色散程度。但为规范期间，同意定义为：其中 P（t）为接收端信号的功率延迟分布， 为平均时延。时延扩展越大，表明时间色散程度越严重。信道越不好。从统计角度来说，信道的衰落有一定的规律，若无可视路径，则多径幅度衰落服从瑞丽分布，若包含可视路径，则多径幅度衰落服从赖斯分布。

多径效应可能会造成传输码元之间相互干扰，给译码带来困难。具体地由时延扩展的大小来确定，若时延扩展大于一个码元的传输时间： 则相邻码元的信号传输过程中发生重叠，造成码间干扰（ISI），如何消除码间干扰已经成为移动通信的一个主要研究方向。

对于接收端来说，由于多径产生了时延扩展，使信号通过该信道时引起衰落，由于信号中包含多个频率成分，不同的频率成分经过该信道后的衰落有可能不同，为了分析其内在的关系，将信号在时域发生的变化，反应在频域上，用相关（或相干）带宽来度量。相关带宽可以理解为新的频率成分，主要由于不同时延的达到信号叠加后形成新的波峰和波谷。定义相關带宽Bc为时延扩展的倒数，工程上通常依 估算。记信号的带宽为 Bs，若 BcBs，则称这种信道为平坦衰落信道（非频率选择性衰落信道）。

三、多普勒效应与时间选择性衰落

以电磁波作为载体的移动通信系统中，信道受电磁波的变化影响较大，而移动通信的主要特征是用户的移动性，若电磁波的发射端和接收端之间存在相对运动，会造成频率发生变化，也就是频移，称多普勒效应，这一概念的理解比较容易。但是需要特别强调的是，接收端收到的不一定只是直射波，而是包含大量的反射波，反射波是收发端中间的物体反射到接收端的信号，若反射物体有运动，同样也产生频移，所以多普勒效应是由于移动台运动或信道路径上的物理运动所引起。由于多普勒效应，接收信号的功率谱范围得到扩展，也称频率色散。从定量的角度，将扩展的值定义为多普勒扩展Bd，也就是最大频移的2倍。由于信号的频域特征与时域特征密不可分。多普勒扩展反应在时域的相应量称为相干时间，定义为 Tc=1/Bd。多普勒效应对传输信号的影响表现在，若 Tc

四、角度色散与空间选择性衰落

关于角度色散概念，移动通信课程中涉及较少，但难理解，尤其是初学者，教学过程中分别从发射和接收天线周围的信号能量分布说起，突出能量传播过程中由环境引起的的不均匀性。在发射端，距发射源相同距离的不同方向上信号的衰落可能不同，同样，在接收端，来自于不同方向的信号强弱（或衰落）可能不同，这种现象称为角度色散。衡量角度色散程度的物理量称为角度扩展。若归一化角度功率谱为 P（），则角度扩展定义为：

角度扩展描述了功率谱在空间的色散程度，取值范围在[0，360o]，角度扩展越大，表明信号在空间不同角度的强弱差异越大，角度扩展越小，表明天线周围的环境比较均匀，信号在空间不同角度的强弱差异较小。与角度扩展相关的概念是相关（或相干）距离 ，定义为信道冲击响应维持不变（或一定相关度）的空间间隔的统计平均值。在相干距离间隔内，信号的幅度衰落相同，或相近，即两个到达信号有很强的幅度相关性。一般相干距离按角度扩展的倒数 来计算。

对于多天线接收来说，若天线间的距离大于相干距离，则其接收的信号衰落不同，称信道为空间选择性衰落信道，否则，若天线间的距离小于相干距离，则其接收的信号衰落相同，称为非空间选择性衰落信道。

需要说明的是时延扩展和相关带宽与多径传播有关，而多普勒扩展和相干时间主要与移动台的运动速度有关，与多径效应无关。角度扩展和相干距离与多径、大障碍物遮挡和吸收、电磁干扰等有关。

五、信道衰落与分集接收

移动通信课程教学中，在抗信道衰落技术的分集中，虽然通过多种形式的分集可以提高通信性能，这个容易理解，但是，这是通过增加资源或降低传输效率为代价。从定量的角度，如何实现既起到分集的作用，又提高资源利用率，同时，又更好的理解分集和有关信道衰落概念，是微分集的关键，教学过程中更应突出。

对于分集接收，为了使接收分支信号间的衰落具有独立性，频率分集要求频率间隔大于相关带宽，时间分集中的时间间隔大于相干时间，空间分集中的天线空间间隔大于相干距离。

参考文献：

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