_射频信号的传播与衰落

Title: RF Signal Propagating and Fading

Key Word: RF, Fadingf, Doppler, RICIAN Fading, RAYLEIGH Fading, LOG NORMAL Fading

Abstract: This paper introduces the principle of propagating and fading of RF signal in GSM system. Discussed the characteristics of Rayleigh fading , Rician fading and LOG NORMAL fading.

在GSM 无线通信系统中, 射频信号在空间的传播路经十分复杂，射频信号在空间传播时，会受到障碍物的反射，而这种传播和反射均会造成信号幅度的衰落和相位或延时的变化，从而对通信的质量产生非常重要的影响．因此, 对于射频信号在空间的传播及其衰落的规律应该有一个清楚的了解．

1. 信号在自由空间的传播

在GSM 无线通信系统中，发射机和接收机是通过无线电波在空间的传播来达到信息交换的目的．

如果无线电信道的传播特性没有指定，我们可以认为信号是在理想的自由空间中传播的，这时，可以采用自由空间模型．在自由空间模型中，发射机和接收机的天线之间没有任何的反射或吸收无线电信号能量的物体．信号幅度的衰减与传播的距离有关．而且在自由空间模型中，空气被认为是理想的均匀的不吸收能量的介质，地面被认为是离传播的信号无限的远，或者说地面的反射系数可以忽略不计．

在这种理想的自由空间模型中，射频信号在发射机和接收机之间传播时，信号能量的损失或衰减与距离的平方成反比例．接收机收到的功率是发射机发射的功率乘以一个衰减系数　，这个系数称为路经传播损耗或自由空间损耗．如果接收机的天线是各向同性的，该自由空间损耗可以写成：

式中的是发射机和接收机之间的距离，是传播信号的波长．由此可见，在这种理想的自由空间模型中，只要发射功率和传播距离已知，接收机接收到的功率是可以准确地计算出来的．

但是在实际的应用中，RF信号是在大气中传播的，而且离地面很近，上述的自由空间模型不能准确地用来描述这种实际的情况，当然也不能用来准确地计算电波的传播了．在无线移动通信系统中，RF信号从发射机传到到接收机，中间要经过许多次的反射，如建筑物的墙壁，山坡及其它的自然或人造障碍物等．这就产生了许多条传播的路经，这种现象称为多经(multipath)传播．多经传播会造成接受到的信号幅度，相位，及传播的角度的起伏变化，这称为多经衰落(multipath fading)垂直搜索产品，用以描述RF信号由于多经传播而引起的随机起伏或衰落．

通常我们在建立系统模型和进行系统设计时，只考虑高斯白噪声(AWGN)的存在及其对系统性能的影响．但是，为了考虑多经衰落对通信质量的影响，就要在建立系统模型和进行系统设计时考虑到多经衰落的存在，并采取相应的措施来减少它的影响，但是，这往往是比较困难的．

2. Rayleigh 衰落

医用拉链Rayleigh tek062衰落是多经衰落中常见的一种类型．这种衰落是由于接收到许多的多经信号而引起的，这些多经信号都服从高斯分布，这时，移动天线接收到大量的反射波或散射波，但没有一条信号是未经反射而从发射机直接传到接收机的，换句话说，在这些多经信号中没有一条信号起主导作用．由于波的低消效应，移动天线接收到的信号功率随时间发生随机的变化，并且与天线的位置有关．

假定传输的信号是未加调制的连续波，即传输的信号波可以写成：

下面就来讨论移动接收的基本原理．

多普勒效应 (Doppler Effect)

设第n条被反射的红领巾小五年规划RF信号的幅度为，相位为，相对于天线的运动方向为，如下图所示．

Figure 2-1 Doppler Effect

多普勒 (Doppler) 频移可以写出：

式中为天线运动的速度，为传播信号的频率，为波长，为光速．

可见，多普勒频移与传波信号的频率成正比例．　当天线的运动方向与波的传播方向相反时多普勒频移为最大，传输信号的频率增加，当天线的运动方向与波的传播方向相同时，传输信号的频率减少，如果天线围绕着发射机运动则传输信号的频率不变．

假定汽车的运动速度为每小时140公里，朝向行驶，可以算出这时的多普勒频移在GSM 900MHz频段为：

这个频率偏移是不能被忽略的．

假定移动天线移动了一个短距离，第n条被反射的RF信号相对于天线的运动方向为，则由于多普勒效应而引起的相位变化为：

如果所有的反射波均有不同的相位变化，则合成的接收波的幅度就会发生明显的幅度变化．对于高速运动的移动站，这种变化会非常快速．下面将要述及的Rayleigh 衰落即会造成这种信号幅度和相位的快速波动．

云杉镇快速衰落与慢速衰落

按照多经衰落的变化速率与传输数据率之间的关系，多经衰落还分为快速衰落与慢速衰落，设传输数据的周期为，衰落的固有时间（Coherence Time）为，则当时称为慢衰落，当时称为快衰落．

相量图

天线的运动会引起各个反射波的相位随时而变，如果只有一条反射波存在，多普勒频移不会影响正常接收，因为接收机可以比较容易地加以补偿．但是，如果有许多反射波存在，相位各不相同且随时间而变化，这时，天线接收到的未调制波是各个路经传输的波的矢量和，合成波的相位及幅度的变化从下面的矢量合成图可以很清楚地看出来．合成波的幅度及相位的变化速率则由多普勒效应决定．

Quadrature-Phase

In-Phase

Figure 2-2 Phasor diagram of Multipath Signal

本文发布于:2024-09-23 16:14:21，感谢您对本站的认可！

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