2.2.2 多径衰落信道的物理特性
移动信道是一种多径衰落信道,发射的信号要经过多条传播路径才能到达接收端,而且随着移动台的移动,各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化,所以接收到的信号的电平是起伏不定的,这些多径信号相互叠加就形成了衰落。多径传播对于数字信号传输有特殊的影响,包括角度扩展、时延扩展和频率扩展。
(1)角度扩展——空间选择性衰落
角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽,同样,发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展,接收信号产生空间选择性衰落,也就是说,接收信号幅值与天线的空间位置有关。
空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大空间距离。相干距离越短,角度扩展越大;反之,相干距离越长,则角度扩展越小。
(2)时延扩展——频率选择性衰落
在多径传播条件下,接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极窄的脉冲信号δ(t)时,由于不同路径的传播距离不一样,信号沿各个路径到移动台的时间也就不同,接收信号r(t)由不同时延的脉冲组成,见公式(2-2)。
这里hn(t)是第n条路径的反射系数,τn(t)是第n条路径的时延。
最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间之差为最大时延扩展,记作τmax,由于时延的扩展,接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中,引起码间串扰。多径接收信号如图2-2所示。
图2-2 多径接收信号
与时延扩展有关的一个重要概念就是相干带宽,通常用最大时延的倒数定义相干带宽,见公式(2-3)。
多径衰落信道对信号中不同的频率分量所造成的衰落是不同的。根据衰落与频率的关系,可将衰落分为两种:频率选择性衰落和非频率选择性衰落。对于移动信道来说,当信号带宽小于相干带宽时,发生非频率选择性衰落,即传输后,信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的,因而衰落信号的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时,发生频率选择性衰落,即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应,所以衰落信号波形将产生失真。
一般来说,窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落,而宽带扩频信号将引起频率选择性衰落。
(3)频率扩展——时间选择性衰落
如果无线信道环境中存在运动的物体,会使到达接收天线的某些多径分量随时间变化。如果移动物体处于发射或接收天线附近且具有较高的速度,这时,移动环境中运动物体引起的Doppler频移对信号的影响就必须加以考虑。移动台在运动中通信时,接收信号频率会发生变化,称为多普勒效应,其导致的附加频移称为多普勒频移,见公式(2-4)。
其中α是入射电波与移动台运动方向的夹角,v是运动速度,λ是波长。是fD的最大值,称为最大多普勒频移。在无线移动系统中,需要使用很高的载波频率进行信号传送。如果移动台相对于基站运动,由于各入射信号的入射角不相同,各路径分量受到不同的Doppler频率调制,使接收到的复合信号产生非线性失真。若所使用的载波频率一定,移动台的移动速度越高,Doppler频移对接收信号的影响就越严重。宽带信号和窄带信号在多径信道中表现出不同的衰落特性。如果传送信号的物理带宽比“信道带宽”(相干带宽)更宽,接收信号将产生失真。但如果信号带宽比Doppler带宽大很多,信号对Doppler频移引起的失真将不敏感。如果传送信号的物理带宽比信道带宽窄,则接收信号波形在时间上不会引起明显的失真。但如果信号带宽窄到可以与Doppler带宽近似时,信号对Doppler频移引起的失真将较为敏感。