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頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落

無線通道的多徑效應導致的頻率選擇性衰落

總的來說,這屬於“靜”,所謂靜,就是指傳送和接收終端、以及導致電磁波的反射折射等的障礙物都處於靜止的狀態,而導致多徑效應的是這些多種多樣的障礙物形成的靜態的空間格局。自由空間中是沒有多徑效應的,有了這些障礙物,同一時刻從傳送天線出來電磁波就延不同的方向在不同的時間到達接收天線,在天線上場效應進行疊加而產生了多徑分量的混合。換句話說,就是這種複雜多樣的空間格局形成了綜合的磁波傳播環境,這種空間格局具有相應的物理尺寸,對不同頻率的電磁波的傳播特性是不一樣的,所以隨著在其中傳送的電磁波的頻率的變化,其通道響應也不停的變化,這也就是稱作頻率選擇性的本質原因。

 通道特性隨著電磁波頻率變化而變化,這種變化延頻率軸來看,有快慢、有大小,根據這個原理而定義出通道的對不同頻率電磁波的傳播特性維持“不變”(就是變化較小)的頻率寬度,這個頻率寬度稱作相干頻寬,也就是在此頻寬內的電磁波在這個複雜的空間格局中獲得近似的傳播特性,沒有明顯的畸變,也就不會導致時域上波形的劇烈變化。 相同地,從時域上來看,造成這種波形變化的原因就是不同的傳播路徑訊號的疊加。

以直射到達接收端的訊號為參考,最遲到達接收端的訊號相對直射訊號而產生的延後時間T代表了此移動傳播環境的多徑時延特徵,它的倒數正好對應著相干頻寬。這就是多經效應的基本原理。 

無線通道的多普勒頻移導致的時間選擇性衰落 

總的來說,這屬於“動”,這個動的意思就是指多普勒頻移的產生必須以相對運動為前提,比如接收端相對傳送端的運動,反射物相對接收端的運動,反射物相對傳送端的運動等等,這些相對運動都會導致接收端接收到的電磁波訊號的的頻率有所變化。換句話說,因為運動,所以是隨著時間而變化的,這也就是稱作時變性、時間選擇性的一個原因。

理論上來講,如果存在運動,通道的這種時變性就是存在的,只是變化有快慢、有大小。由此而定義出通道的衝激響應維持“不變”的時間間隔的統計平均為此通道的相干時間T。如果一個符號的時間長度短於此相干時間,那麼整個符號的波形在傳播期間能夠得到傳播通道較為“一致”的傳播,不會發生巨大的畸變。相反則產生時間選擇性衰落了。此相干時間的倒數就是最大多普勒頻偏,其本質意義對應相對運動的速度導致的頻率偏移。

通道的時變性是指通道的傳遞函式是隨時間而變化的,即在不同的時刻傳送相同的訊號,在接收端收到的訊號是不相同的。時變性在移動通訊系統中的具體體現之一就是多普勒頻移(Doppler shift),即單一頻率訊號經過時變衰落通道之後會呈現為具有一定頻寬和頻率包絡的訊號,這又可以稱為通道的頻率彌散性(frequency dispersion)。


相關係數

對於兩個平穩訊號S1(t)和S2(t),它們的相關係數的絕對值大於0小於1時,兩個訊號相關。相關係數等於1時,兩個訊號相干。當兩個訊號相干時,它們之間只相差一個復常數。復常數既一有幅度成分,又有頻率成分。由此我們可見,若是兩個訊號相干,它們其中一個可以看作是另一個的幅度的衰減,頻率上衰落造成的,其實二者可以看作同一個訊號。相關係數越是接近1,相關性越大。


相干時間、相干頻寬

相干時間和相干頻寬都是描述通道特性的引數。

當兩個發射訊號的頻率間隔小於通道的相干頻寬,那麼這兩個經過通道後的,受到的通道傳輸函式是相似的。由於通常的發射訊號不是單一頻率的,即一路訊號也是佔有一定頻寬的,如果,這路訊號的頻寬小於相干頻寬,那麼它整個訊號受到通道的傳輸函式是相似的,即通道對訊號而言是平坦特性的,非頻率選擇性衰落的。
 同樣在相干時間內,兩路訊號受到的傳輸函式也是相似的特性,通常發射的一路訊號由於多徑效應,有多路到達接收機,若這幾路訊號的時間間隔在相干時間之內,那麼他們具有很強的相關性,接收機都可以認為是有用訊號,若大於相干時間,則接收機無法識別,只能認為是干擾訊號。


ISI

多徑效應會引起符號間干擾。詳見:https://wenku.baidu.com/view/d0de78c450e79b89680203d8ce2f0066f4336457


總結

 

多徑效應

頻率選擇性衰落

原因:通道特性隨著電磁波頻率變化而變化,這種變化延頻率軸來看,有快慢、有大小

用通道的相干頻寬來判斷

多普勒效應

時間選擇性衰落

原因:通道的時變性 用通道的相干時間來判斷
相干頻寬 定義:通道的對不同頻率電磁波的傳播特性維持“不變”(就是變化較小)的頻率寬度,這個頻率寬度稱作相干頻寬

含義:相干頻寬是表徵多徑通道特性的一個重要引數,它是指某一特定的頻率範圍,在該頻率範圍內的任意兩個頻率分量都具有很強的幅度相關性,即在相干頻寬範圍內多徑通道具有恆定的增益和線性相位。也就是在相干頻寬內的電磁波可以獲得近似的傳播特性。

值:相干頻寬等於最大多徑時延的倒數(以直射到達接收端的訊號為參考,最遲到達接收端的訊號相對直射訊號而產生的延後時間T代表了此移動傳播環境的最大多徑時延)

用途:相干頻寬用來劃分平坦衰落通道和頻率選擇性衰落通道。從頻域看,如果相干頻寬小於傳送通道的頻寬,則該通道特性會導致接收訊號波形產生頻率選擇性衰落,即某些頻率成分訊號的幅值可以增強,而另外一些頻率成分訊號的幅值會被削弱。

相干時間 定義:通道的衝激響應維持“不變”的時間間隔的統計平均為此通道的相干時間

含義:相干時間在時域描述通道的頻率色散的時變特性。

值:如果通道的最大多普勒頻移為fm,那麼通道的相干時間Tc=0.423/fm;也有說相干時間是多普勒頻移的倒數,Tc=1/fm

用途:相干時間用來劃分快衰落(時間選擇性衰落)和慢衰落(時間非選擇性衰落)。如果基帶訊號的符號週期大於通道的相干時間,則在基帶訊號的傳輸過程中通道可能會發生改變,導致接收訊號發生失真,產生時間選擇性衰落,也稱快衰落;如果基帶訊號的符號週期小於通道的相干時間,則在基帶訊號的傳輸過程中通道不會發生改變,也不會產生時間選擇性衰落,也稱慢衰落。