6.1.4 移动信道的模型(多径衰落信道)
一、时变线性滤波器模型及其响应
1.带通系统分析
2()Re[()c l j f t s t s t e π=2()Re[()]
c l j f t t r t e π=
(1)离散多径
)(t 1
α)(t 2α)
(t 3α)
(t 4α)(t 1τ)(
t 2τ)
(t 3τ)(t 4ττ
信道:信道系数()n t α,即(,)n t ατ,时延()n t τ
响应:
()()(())(,)(())
n n n
n n n
x t t s t t t s t t αταττ=-=-∑∑ (14-1-2)
(2)连续多径
信道:)(),,(t t ττα,即(,)t ατ表示在0时刻的冲激在τ时刻的响应。
响应:()(,)()x t t s t d ατττ∞
-∞
=
-⎰ (14-1-6)
2.等效低通分析
(l s t ()
l t )
;(t c τ
(1)离散多径
由带通信道模型:
()()(())(,)(())n n n n n
n
x t t s t t t s t t αταττ=-=-∑∑
其中()(,)n n t t αατ=为实函数,所以有
22(())
Re ()e Re ()(())e c c n j f t j f t t n n l l n
r t t s t t ππτατ-⎡⎤⎡⎤=-⎣⎦⎣⎦∑
即得到等效低通模型为
2()()()e (())c n j f t n n l l n
r t t s t t πτατ-=-∑
所以得到:
信道系数:2()()c n j f t n t e πτα-或2()(;)c n j f t n t e πτατ- (14-1-5) 响应:2()()()(())c n j f t l n l n n
r t t e s t t πτατ-=-∑ (14-1-4)
其中()(;)n n t t αατ@。
若令2()(;)()(())c n j f t n n n
c t t e t πτταδττ-=-∑,则
()(;)()l l r t c t s t d τττ∞
-∞
=-⎰
2()()(())()c n j f t n
n l n
t e t s t d πτα
δττττ∞
--∞
=--∑⎰
2()()(())c n j f t n l n n
t e s t t πτατ-=-∑
可见(;)c t τ是0时刻的冲激通过信道后在τ时刻上的响应。
(2)连续多径
信道: 2()
(;)(;)c j f t c t t e
πττατ-= (14-1-8)
响应:2()()(;)()(;)()c j f t l l l r t c t s t d t e s t d πττττατττ∞
∞--∞
-∞
=-=-⎰⎰
二、多径衰落信道的统计特性
1.等效低通信道
论冲激响应:即0时刻的冲激通过信道后在τ时刻上的响应。
离散多径:()(;)()(())n j t n
n n
c t t e t θτα
δττ-=
-∑ 其中()2()n c n t f t θπτ= 连续多径:()(;)(;)j t c t t e θτατ-= 其中()2()c t f t θπτ=
2.分析:(;)c t τ由许多时变随机向量组成
幅度系数()n t α-随移动台运动而随机变化;相位偏移()n t θ-在[0,2π)内随
机变化。
且各条路径是独立的,各个向量分量是独立随机变量,且零均值的。
3. 初步结论
(1)根据中心极限定理,合成的时变随机向量);(t c τ是零均值,低通复高斯过程 其幅度);(t c τ服从Rayleigh 分布,相位()n t θ服从(0,2π)均匀分布。
(2)信道传输函数:2(;)(;)j f C f t c t e d πτττ∞
--∞=⎰ (线性变换)
故);(t f C 也是零均值、低通复高斯过程。
称为时变传递函数。
(3)若其中有一条路径的分量相当强(如直射分量LOS ,超过其他分量之总和), 则合成向量幅度服从Rice 分布。
三. 频率非选择性慢衰落信道模型-瑞利衰落模型
引言:利用信道的统计特性,在非色散信道条件下,建立信道的数学模型。
1.分析:等效低通
设发送信号为未调制射频波(干净的载波),()1l s t = 信道-离散:()(;)()(())n j t n n n
c t t e t θταδττ-=-∑
连续: ()(;)(;)j t c t t e θτατ-= (1)时域分析
接收信号-离散 ()()()()(())=()n n j t j t l n
n n n
n
r t t e t d t e θθα
δτττα∞---∞=-∑∑⎰
连续 ()()(;)(;)(0;)j t l r t t e d c t d C t θαττττ∞
∞--∞
-∞
===⎰⎰
所以,与前面);(t c τ分析相类似,()l r t 是零均值、低通复高斯过程。
(2)频域分析
带通
c f f
∆f
假定信道是理想的频率非选择性衰落信道,c f W )(∆<<
信道带宽c f W )(∆<<,在信号带宽内);(t f C 为常数。
即);0();(t C t f C =。
注:0是典型的频率,因为);(t f C 为复基带传递函数。
等效低通
)
;(t f C f
则接收信号为:2()()(;)j ft l l r t S f C f t df e π∞-∞
=⎰
2(0;)()j ft l C t S f df e π∞
-∞
=⎰
(注:上式来自于()(;)()l l r t c t s t d τττ
∞-∞
=-⎰。
由Parseval 公式
()()()()G f F f df g f d τττ∞
∞
*
*-∞
-∞
=⎰
⎰)
所以, ()(0;)()l l r t C t s t =
()l r t 的幅度()l r t 服从瑞利分布,相位)(t θ服从均匀分布。
()l s t ()
l t
因此,
● 当发送为射频单音信号(()1l s t =)时,()(0;)l r t C t =为零均值低通复高斯过程。
● 接收信号复包络等于发送信号复包络乘以复高斯过程。
2.讨论
(1)理想的频率非选择性衰落信道在数学上等效于乘性高斯噪声信道。
亦即,对发送信号引入乘性高斯噪声(或乘性瑞利衰落)。
(2)实际的频率非选择性衰落信道(包括移动信道和短波信道)
是比较接近于理想频率非选择性衰落情况,尤其是在信号包络电平较低时。
(3)()(0;)()l l r t C t s t =, 关于“慢衰落”与“快衰落” ()l r t 幅度衰落快慢取决于T 与c t )(∆的关系:
● 当c t T )(∆<<时,为“慢衰落”(信道分类的第一、二种情况)
)(1
d d f B T
>>,信道的衰减(即);0(t C 值)至少在一个T 内不变。
● 当c t T )(∆>>时为“快衰落”(信道分类第三、四种情况,“时间选择性衰落信道”)
)(1
d d f B T
<<,信道的衰减();0(t C 值)在一个T 内就发生变化。
(4)关于频率“非选择性”与“选择性”衰落信道
● 对于频率非选择性衰落信道,满足c f W )(∆<<
接收信号的多径分量是不可分辩的,信道模型是单一的路径(瑞利衰落)。
● 对于频率选择性衰落信道,满足c f W )(∆>> 接收信号的多径分量是可分辩的,其分辨率为W
1。
所以信道模型为抽头延迟线模型。
(课本14-5节)
3.模型的建立
乘性高斯噪声信道模型(等效低通):
()
l s
t ()
l r t 乘性高斯噪声
加性高斯噪声
若发送信号为角度调制信号,()1l s t =
则()()()()l l r t t s t t ηη== (瑞利分布) (令噪声z (t )=0) 故,又称为瑞利衰落信道
()l r t 的幅度()l r t 服从瑞利分布,称为瑞利衰落信号。
可以证明:无噪声下,()l r t 的包络()l r t 的功率谱为
()()0
l D
r f f S f S f f
η≤==⎩ 当其它
其中D v
f λ
=
为最大多普勒频移。
()
l r S f 0
D
f -D
f f
)(t η可由WGN 通过一个LPF 来实现,LPF 的传输函数由()l r S f 来确定
因此瑞利衰落信道完整模型如下: 等效低通模型:
()
l t (l s t
带通模型:
()Re ()l s t s t ⎡=⎣
2()Re ()c j f t
n t z t e π⎡⎤
=⎣⎦
2()Re ()c j f t
l x t r t e π⎡⎤
=⎣
⎦。