低轨道卫星移动通信系统方案

摘要

作为一种国家关键的基础通信设施，以及全球移动通信的有机组成部分，卫星移动通信系统在国家安全、紧急救援、互联网、远程教学、卫星电视广播以及个人移动通信等方面得到了广泛的应用。新一代宽带卫星通信系统可以提供个人电信业务、多信道广播、互联网的远程传送，是全球无缝个人通信、互联网空中高速通道的必要手段。近年来卫星通信新技术不断发展，特别是低轨道卫星移动通信系统受到了人们的广泛关注，其研究与应用已成为各国的战略发展重点。无线资源管理是低轨卫星移动通信系统研究中的一项重要内容，这主要是由于卫星系统的资源是非常昂贵的，因此如何合理而有效地管理并利用卫星系统的资源已成为关键。

通过对低轨道卫星无线通信信道的基本特点的研究，文章具体从无线信道的缺点进行分析，并进行了matlab仿真模拟，得出信号经过多径信道的幅频特性，多径信道对不同频率信号的衰减情况不同，即具有频率选择性，以及信号经过多径信道的衰减情况，以及码元间隔对传输信号的影响，信号的码元间隔必须远大于信号的时延差，才能尽量的减小码间干扰。

关键词：低轨卫星通信，信道，信道特性

Abstract

As a national key infrastructure communication, as well as an organic part of the global mobile communications, Star mobile communication system in national security,emergency rescue, Internet, satellite TV broadcasting, remote teaching and personal mobile communication has been widely used in such aspects. A new generation of broadband satellite communication system can provide personal telecommunication business, multicasting, remote transmission, the Internet is a global seamless personal communications, high-speed Internet air passage means necessary. Satellite communication technology development in recent years, especially in low orbit satellite mobile communication system has received the widespread attention, its research and application has become a national strategic priorities. Wireless resource management is the study of Leo satellite mobile communication system is an important content, this is mainly due to the satellite system resources is very expensive, therefore how to reasonable and effective management and use of the resources of satellite system has become a key.

Through the low orbit satellite studies the basic characteristics of wireless channel, the article specifically from wireless channel faults is analyzed, and the matlab simulation, it is concluded that the signal after a multipath channel amplitude frequency characteristics, multipath channel attenuation is different on different frequency signal, which has the frequency selectivity, as well as the attenuation of the signal through the multipath channel, and the influence of element spacing to transmission signal, the signal of the symbol interval must be greater than the signal delay is poor, can try to reduce intersymbol interference.

KEY WORDS: LEO satellite， Channel，Channel characteristics

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题研究背景 (1)

1.2 低轨卫星移动通信发展概述 (2)

1.2.1 低轨卫星移动通信现状 (2)

1.2.2 低轨卫星移动通信发展历程 (3)

1.2.3 低轨卫星移动通信在个人通信中的地位 (4)

1.3 本文研究内容及章节安排 (5)

第二章低轨道卫星移动通信系统 (6)

2.1工作原理 (6)

2.2 低轨卫星移动通信系统 (6)

2.3 低轨卫星通信系统的优缺点及其话务量特点 (7)

2.3.1 优点 (7)

2.3.2 缺点 (8)

2.3.3 业务量分布的特点 (8)

第三章无线信道 (9)

3.1 无线信道特性 (9)

3.2 多径传播 (9)

3.3多径衰落 (9)

3.3.1定义 (9)

3.3.2产生原因 (10)

3.3.3主要分类 (11)

3.4 多普勒频移 (12)

3.41 概述 (12)

3.42 发生原因 (13)

第四章多径传播的模拟实验 (15)

4.1 实验目的 (15)

4.2 实验原理 (15)

4.3 实验内容 (15)

4.5 实验心得 (20)

结语 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

第1章绪论

1.1 课题研究背景

卫星移动通信系统扩大了陆地移动通信系统地理覆盖和业务覆盖的范围，可以为空中、海面和复杂地理结构的地面区域的各类移动终端提供服务，特别适用于航海、航空、低业务量地区、地面网覆盖有限的应用环境。在军民两用、平战结合、应急通信等方面具有不可替代的作用和重要意义。例如，为了保证覆盖用户可能的各种操作环境，全球化个人通信网采用层次型的多重蜂窝结构，其中卫星段提供包括海洋和极地在内的全球覆盖，是地面网在某些地区的延伸，同时可用于缓解地面网的通信拥塞，使得无需增加地面网的无线频谱即能支持更多的用户和更大的通信量。市场的巨大需求、卫星通信的实时性、终端的小型化等要求促成了中、低轨道（MEO：Median Earth Orbit；LEO：Low Earth Orbit）卫星移动通信的发展。MEO/LEO卫星移动通信的特点是中、低轨道卫星快速围绕地球旋转，即使终端没有移动，它与卫星间的通信链路也在不停地改变，用户和卫星的双重移动性与卫星用户呼叫业务的多样性，以及移动终端运动模式的变化，使得卫星移动通信系统中的信道分配与切换控制变得更为复杂，并且有其独特之处，如卫星在规定轨道上运行，终端与卫星间通信链路的改变具有可预测性、规律性和周期性等特征。由于卫星移动通信系统所具有的独特优势，人们对它能够提供的业务也提出了多种要求，包括通过卫星终端进行话音、多媒体业务、可视电话等通信，Internet 业务，如E-mail、WWW 浏览、电子商务等在移动网上的应用也更为普遍。信息、教育类业务具有很好的应用前景。这些业务对无线基础设施的要求有：可靠的无线网络保证用户可以在任意时刻、任意地点使用所需的业务；支持多播；具有位置管理能力；在多个异构网中具有漫游能力；安全性要求：鉴权和通信保密；自动协商能力；业务质量要求，如时延、丢信率等；

支持多媒体应用。

由于不同的业务具有不同的传输速率，同时用户对QoS 要求的不断提高，因此，如何有效地利用有限的无线资源，以满足各种不同速率业务的QoS 需求，已经成为通信系统能否取得成功的关键。无线资源管理是对卫星移动通信系统空间段与地面段之间的空中接口资源进行规划和调度，研究的目的是利用

有限的无线资源，在保证波束覆盖和服务质量要求的情况下，尽可能地接入更多的用户。

如果没有良好的无线资源管理技术，即使再好的传输技术也无法发挥出其应有的优势。由于卫星移动通信系统研发、维护运行的成本昂贵，所以提高无线资源利用率一直是追求的主要目标。

通常无线资源管理包括频谱、时间、功率、空间以及特征码等要素，涉及到一系列与无线资源分配有关的过程，这些过程都要求能够实时地完成。在卫星移动网络中，不但用户是动态的，随时都有可能发起呼叫或终止呼叫，并在网络内部移动；空中接口的空间段卫星也是动态的，LEO 卫星在空间轨道上围绕地球快速旋转，卫星脚印覆盖时间是分钟级的，点波束的覆盖时间是秒级的，这造成网络内频繁的切换。陆地移动通信中业务量主要随着白天和夜晚的变化而变化，每天的变化规律大致相同；而在卫星系统中，对业务量变化有重要影响的因素有多种，除了当地时间是白天还是夜晚外，卫星在一个轨道运行周期中越过大陆、海洋和极地等地区，导致业务量在短时间的剧烈变化；其他因素还有地球自转、地区经济发展不平衡等，使得业务量的变化在每个卫星轨道运行周期也不相同。

综合考虑这些因素，卫星移动通信系统中无线资源管理的复杂程度要远远高于陆地移动通信系统，陆地移动通信系统中的无线资源管理及信道分配策略也无法适应卫星移动通信系统。无线资源管理的核心是对呼叫请求合理地分配无线资源，在保障服务质量的同时，充分提高信道利用率。

1.2 低轨卫星移动通信发展概述

1.2.1 低轨卫星移动通信现状

作为一种延时小、全球无缝覆盖的系统，低轨卫星移动通信系统在近四十年来得到迅猛发展。据截至2006 年12 月27 日的统计结果，在轨运行的各类卫星多达844颗，低轨卫星有390 颗，在低轨卫星中提供区域和全球通信服务的有197 颗。西方国家在低轨卫星通信技术方面的研究已成体系，已建立并投入使用的中低轨道及小卫星星座移动通信系统就已达20 多个，其中最具代表性是铱星Iridum 系统、全球星GlobalStar 系统、ORBCOMM 系统、Cosmos 系统以及ICO 系统等。宽带卫星通信系统是目前的发展方向，目前正在研发中的提供宽带业务的系统有Teledesic、Skybridge、Orblink、M-star、Celestri 等。这些卫

星移动系统提供实时移动通信业务，主要用于话音、数据通信、多媒体通信、位置信息服务等方面。

1.2.2 低轨卫星移动通信发展历程

卫星移动通信始于20 世纪70 年代，早期的卫星非常简单，只能支持用于车辆和飞行器的通信，不能支持大量的小型终端用户，这是因为当时人们对卫星移动通信信道的理解还不够深入，移动终端小型化的技术也不成熟。在随后的20 年中，很多研究机构和大学对卫星移动通信信道开展了大量的实验和研究。为了实现在任何时间、任何地点与任何人通信的美好愿望，以及对市场的乐观估计，相继有多个非静止轨道卫星移动通信系统被开发出来并投入运行。铱星系统在1998 年投入使用，是世界上第一个投入商业运行的全球覆盖低轨卫星移动通信系统，它可以提供话音、传真、数据和寻呼等业务。但是卫星个人移动通信的发展道路却十分坎坷。铱星系统采用了直到现在仍然较为先进的星上处理和星间链路技术，它解决了卫星网与地面蜂窝网之间、蜂窝网之间的跨协议漫游，实现了卫星终端手机化，实现了全球个人移动通信的设想。但同时也暴露出一些问题，在技术问题上是切换掉话率高达15％，其他问题主要是非技术因素，包括业务收费高、有地区差异、手机价格高并且供货不足等。铱星系统原计划在1995年投入运营，它的市场策略和价格策略都是基于当时地面移动通信网很不发达的情况制定的，但是由于技术复杂、研制周期长、成本高等原因，它在1998 年底才投入运行。但这时地面蜂窝网络已经焕然一新，GSM、IS-95 等系统终端比卫星终端重量轻、价格低，64kb/s 的数据速率远高于铱星 2.4kb/s 速率，通信也较铱星系统可靠，运营成本远低于铱星系统。凭借这些优势，地面蜂窝网络迅速占领了拥有最大用户群体的城市地区，铱星系统完全失去了原先所设想的目标用户和市场领域，并导致卫星个人移动通信系统在与陆地无线蜂窝网络的竞争中惨遭失败，“铱星”、“轨道通信卫星”等低轨道星座的公司在2000 年前后相继破产，“全球星”系统的市场经营也一直萎靡不振。自此卫星个人移动通信系统的发展跌至低谷。

时至今日，局面已经很清楚，全球卫星个人移动通信系统在与陆地无线蜂窝网络的竞争中是没有优势的，卫星移动通信不应与其竞争，而应成为陆地通信网络的延伸和补充。通过这一场你死我活的较量，新的铱卫星公司（Iridium Satellite LLC）从老铱星公司的失败和挫折中获得了深刻的教训和宝贵的经验。价值50

亿美元的铱系统被新的铱公司以2500 万美元收购，并于2001 年3 月28 日由新的铱卫星公司重新提供服务。在破产保护法注销了老铱星公司30 亿美元的沉重债务的前提下，他们在市场定位、经营策略、增加业务种类、增多用户层面、降低手机价格、增加终端种类以及推行与主要电信供应商合作的发展战略等诸多方面进行了重大的调整，并付之实施，取得了卓有成效的业绩。并且发射了补充卫星，目前在轨卫星数达到78 颗。全球星系统也采取了类似的措施，到2006 年8 月为止，它已在120 多个国家拥有业务合作伙伴，。它为关键的工业领域用户，包括商业运输、林业、航空、能源、矿业、边远地区建筑业和海事活动等，以及紧急救援、政府机要通信、军事领域等提供不可替代的通信服务。不论从发射补充卫星还是从经营业绩来看，以上事实充分说明卫星移动通信系统正在恢复活力。

1.2.3 低轨卫星移动通信在个人通信中的地位

目前，第二代（2G）蜂窝移动通信系统在市场上仍占主导地位，第三代系统（3G），如UMTS 也已崭露头角，而第四代系统（4G）正处于酝酿阶段。国际移动通信标准IMT-2000（International Mobile Telecommunications-2000）提供了一个兼容现存的和将来的通信系统的同一框架，为了支持任何人、任何时间、任何地点的通信，它将低轨卫星移动通信系统纳入其框架内，如S-UMTS （Satellite-UMTS）系列协议，制定了卫星空中接口标准以及与地面网络的互连互通协议等。卫星段的主要作用是提供全球覆盖、提供地面网络的替代方式和无缝覆盖等。

卫星通信为那些不能建立地面链路的地方提供连接，例如，在一些发展中国家，由于维护宽广地域的地面基础通信设施费用昂贵，如果不利用卫星通信技术，就会限制现代通信技术的应用。从长远观点看，陆地通信网络向农村和边远地区发展越来越不经济，也越来越困难，卫星个人移动通信占领这一阵地只是时间迟早的问题。在通信基础设施贫乏的地区，如两个岛屿之间，卫星通信可以提供无缝覆盖能力。

当前地面频谱资源的日益紧张，逐步向更高频段发展，同时也造成信道传输的新问题，如建筑物遮挡和屏蔽问题更加突出。但是，由于卫星天线居高临下，可以克服部分遮挡问题。目前，卫星移动通信系统已经在使用Ku 和Ka 频段，具有更多的可用频率。因此，可以预见卫星移动通信系统的发展将有光明的前景。

1.3 本文研究内容及章节安排

第一章为绪论，简单介绍了课题研究背景，接着低轨道卫星移动通信的现状，发展历程与它在个人移动通信中的地位做了说明。

第二章首先对低轨道卫星移动通信系统的工作原理做了简单的介绍，着重分析了低轨道卫星地动通信系统的优缺点。

第三章从信道的特征出发对信道传输的过程中产生问题进行具体分析。

第四章为多径传播的信道模拟。

第2章低轨道卫星移动通信系统

2.1工作原理

低轨道卫星移动通信系统的工作原理与前面介绍的“蜂窝”式移动通信的原理相似。如图2-1尽管每颗卫星所能覆盖的地域低轨道卫星比同步卫星小得多，

图2-1 卫星分布

但比移动通信中基地台所覆盖的面积却大多了。实际上，一颗低轨道卫星就相当於陆地移动通信系统中的一个“基地台”，而形成覆盖区域的天线和无线电中继设备都安在卫星上。不同的是，這个“基地台”不是建立在地面上，而是被倒挂在天空中。地面站与空间卫星的联系，以及卫星与卫星间的联系是在“K”频带上建立的；而卫星与地面移动台如车、船和手持移动电话机的人之间的信息联系则建立在“L”频带之上的。

“铱”系统卫星通信计划的实施，实现了人們在地球上的任何地方，无论陆地、空中和海洋，只要拨通一个电话号码便可与远隔千山万水的亲人通话的目的。

2.2 低轨卫星移动通信系统

卫星移动通信系统包括三个部分，即空间段、控制段和地面段。如图2-2所示。其中，空间段由空中所有的卫星组成。这些卫星分布在多个轨道面上，形成一种特定的卫星星座结构。一颗卫星的覆盖区域有限，卫星移动通信要求在全球的任何位置，在任何时刻至少被一颗卫星所覆盖，所以必须采用多颗卫星组成卫星网络的方式协同工作，该卫星网络被称为卫星星座。通常一个卫星星座由多个位于不同轨道平面的卫星环组成，每个卫星环又由多颗在同一轨道内不同相位上运行的卫星组成。星座设计也是卫星应用中的重要问题。

图 2-2低轨卫星移动通信系统

控制段由卫星通信系统的所有地面控制和管理设施组成，对运行的卫星实施跟踪、遥测和控制等管理功能，对卫星通信网各网络节点、链路进行监测、控制及日常维护。地面段包括用户终端、业务地面站等。用户终端中有手机、便携设备、舰载或航空器上的通信终端、移动站和甚小孔径终端（VSAT）等，它们将用户直接连接到空间段。业务地面站又称为关口站、地面站（GS：Ground Station），相当于陆地蜂窝网中的移动交换中心MSC/VLR，负责交换和通信控制等功能，并且通过它实现卫星通信网络与地面通信网络互连。与陆地蜂窝网相似，低轨卫星通信网中存储用户所有签约信息的数据库也称为HLR，当用户漫游到某个关口站服务范围时，通过位置更新过程，将用户在HLR 中的信息复制到该关口站的VLR 中。

2.3 低轨卫星通信系统的优缺点及其话务量特点

2.3.1 优点

经过五十多年的发展，GEO 卫星在通信、电视转播等方面的应用已经趋于成熟，它的缺点也越来越显著，如体积大、重量大，需要大型助推火箭，发射准备时间长；只有一个轨道面，可容纳卫星数量有限；不能覆盖极地地区；距离地球遥远，通信延时长，波束覆盖区大，频谱利用率低，容量有限；终端发射功率大，不易小型化等。相对GEO 卫星通信系统，MEO/LEO 卫星通信系统有诸多优势，对用户而言通信时延缩短，数据传输速率更高，终端重量、体积与普通陆地移动通信终端相差无几，还可以与陆地移动通信系统兼容，真正做到全球无缝接入。对运营商而言，卫星体积小、重量轻，利用现代发射技术可以一箭两星同

时发射入轨，系统频谱利用率高，容量增大。因此，随着卫星制造技术的进步和市场需求的逐渐旺盛，MEO/LEO 卫星通信系统的发展方兴未艾。

2.3.2 缺点

低轨卫星通信系统也存在着固有的缺点，如需要卫星数量较多，这样它的地面控制、维护系统就比较复杂。对通信来讲，影响较大的问题是波束切换和星间切换。低轨卫星相对地球高速运动，使得终端在通信过程中需要频繁的切换到其他波束或卫星上才能继续通话，以铱星系统为例，其最小切换时间间隔10.3s，平均切换时间间隔277.7s。实现切换需要一系列信令操作过程，频繁的切换加重了系统的信令负荷。切换越频繁，切换失败的概率也越大，铱星在系统运行初期切换成功率只有85％，后来经过改进达到92％～98％，与陆地移动通信系统的切换掉话率不高于5×10-4的指标相比相差甚远。切换产生掉话的主要原因是切换发生时，系统带宽资源不能满足切换呼叫最低的带宽需求。

2.3.3 业务量分布的特点

昂贵的卫星信道成本是影响卫星通信市场发展的主要瓶颈之一，如何在保证服务质量的前提下提高信道利用率是有效降低通话成本的关键。低轨卫星系统中，卫星轨道高度为500km～1500km，相对地面运动速度7km/s，卫星点波束的覆盖半径为200~500km，绕地轨道运行周期约为2～4 小时。一般来说，由于地球自转，卫星运行第二个周期开始时，其星下点的位置相对第一个周期偏移2000km～4000km。低轨卫星的这种运行特点，导致了通信系统中的业务量不但受到当地时间、人口分布和经济发展的影响，还受到非均匀的地理分布的严重影响。在短暂的运行周期中，卫星不断地越过大陆、海洋或极地，越过海洋或极地上空时，业务量几乎为零，而越过大陆上空时，业务量陡然上升，形成冲激脉冲形态的业务量变化。

第三章无线信道

3.1 无线信道特性

信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。

3.2 多径传播

从发射机天线发射的无线电波（信号），沿两个或多个路径到达接收机天线的传播现象。

无线电波是一种电磁波，其传播的主要方式是空间波，即直射波、反射波、折射波、绕射波以及它们的合成波。当无线电波遇到物体时，产生反射、折射和散射，而在电波传播的过程中会遇到不同的物体，因而会产生不同的发射、折射和散射，所以在任何一个接受点上均可能收到来自不同路径的同源电磁波，这就是多径传播。

接收端接收到的信号是直达波和多个反射波的合成。由于大气折射是随时间变化的，传播路径差也会随时间和地形地物而变化。那么多径信号如果同相，则相加；如果反相，则抵消。由此造成接收端信号的幅度变化，称为衰落。由于这种衰落是由多径引起的，因此称之为多径衰落。

在FM（调频）无线电广播中，在发射台和接收机之间，信号出现了二个或更多个的传播途径的情况。多径传播效应是由于大型建筑物或山脉反射信号所引起的。接收天线将会收到直达信号和经反射而有延迟的信号。多径效应会产生失真，在收看电视节目时，多径传播效应便会让图像出现“重影”。

3.3多径衰落

3.3.1定义

在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变

性，导致接收信号呈衰落状态；这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的，而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源。对于数字通信、雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响。1、多径衰落是指在微波信号的传播过程中，由于受地面或水面反射和大气折射的影响，会产生多个经过不同路径到达接收机的信号，通过矢量叠加后合成时变信号。多径衰落可分为平衰落和频率选择性衰落。2、信道时变多径特性造成接收信号电平的起伏现象被称为多径衰落，通常在移动信道中信号电平的起伏呈瑞利分布时这种信道称为瑞利衰落信道。3、由于这种衰落由多径引起的所以称为多径衰落，在移动通信中多径衰落多径环境。以瑞利(Rayleigh)衰落为主，他是移动台在移动中受到不同路径来的同一信号源的折射或反射等信号所产生，他的变化是随机的,因此只能用统计或概率的观点来定量描述。4、前者是由多径引起的，因此又称为多径衰落,它服从瑞利(Rayleigh)分布。它可能包含一段Text文本或一幅图片。g为真实重力值5、因此合成信号起伏很大，称为多径衰落.在分析卫星移动信道传播特性的概率分布模型时，多径效应主要是用瑞利分布描述衰落，简单的说是指接收点信号电平因受各种因素影响而随时间变化叫衰落。多径传播是由于无线传播环境的影响，在电波的传播路径上电波产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到接收天线时，信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。因为电波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了所谓的多径衰落。

3.3.2产生原因

对于不同波段，不同传播方式，形成多径传播的机理不尽相同。三张附图说明了短波电离层反射信道与超短波、微波对流层散射信道和移动通信的多径衰落产生的原理。

3.3.3主要分类

一、瑞利衰落

如果各条路径传输时延差别不大，而传输波形的频谱较窄（数字信号传输速率较低），则信道对信号传输频带内各频率分量强度和相位的影响基本相同。此时，接收点的合成信号只有强度的随机变化，而波形失真很小。这种衰落称为一致性衰落，或称平坦型衰落。

如果发送端发射一个余弦波Acosωt，接收端接收到的一致性衰落信号是一个具有随机振幅和随机相位的调幅调相波，从频域来看，由单一频率变成了一个

窄带频谱，这叫频率弥散。可见衰落信号实际上成为一个窄带随机过程，它的包络的一维统计特性服从瑞利分布，所以通常又称为瑞利衰落。

二、频率选择性衰落

如果各条路径传输时延差别较大，传输波形的频谱较宽（或数字信号传输速率较高），则信道对传输信号中不同频率分量强度和相位的影响各不相同。此时，接收点合成信号不仅强度不稳定而且产生波形失真，数字信号在时间上有所展宽，这就可能千万前后码元的波形重叠，出现码间（符号间）干扰。这种衰落称为频率选择性衰落，有时也简称选择性衰落。

3.3.4基本特性与防范措施

一、基本特性

多径衰落的基本特性表现在信号幅度的衰落和时延扩展。从空间角度考虑多径衰落时，接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落，其中本地反射物所引起的多径效应表现为较快的幅度变化（快衰落），而其局部均值是随距离增加而起伏的，反映了地形变化所引起的衰落以及空间扩散损耗（慢衰落）；从时间角度考虑，由于信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，当基站发出一个脉冲信号时，接收信号不仅包含该脉冲，还将包括此脉冲的各个延时信号，这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象称为时延扩展。

二、防范措施

衰落作为一种乘性干扰，严重影响着通信系统的性能，因此必须采取相应的措施加以克服。比较有效的抗衰落措施有：分集接收就是将在接收端分散接收到的几个衰落情况不同（相互统计独立）的合成信号，再以一定的方式将它们合并集中，使总接收信号的信噪比得到改善，衰落的影响减小。这是一种历史较久、应用较广的克服衰落影响的有效方法。可用的分集方式有：空间分集、频率分集，角度分集、极化分集、时间分集等。

所谓信号设计就是针对信道的情况，设计具有较强抗衰落能力的信号，并在发端收端采用相应的调制和检测技术。如采用多进制信号、时频相调制技术以及时频调制信号、伪噪声编码（伪随机编码）等扩频通信技术。

3.4 多普勒频移

3.41 概述

图3-4多普勒效应示意图

多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度

3.42 发生原因

1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象。因为，声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应”。

把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你每走一步时，面前的声源发出的脉冲相对于你的传播距离比你站立不动时近了一步，而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。

所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。声音的传播也存在多普勒效应，当声源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的声波频率f'与声源频率f存在多普勒频移Δf(doppler shift)即

Δf=f'-f(3-1)当接收体与声源相互靠近时，接收频率f'大于发射频率f即：Δf>0

当接收体与声源相互远离时，接收频率f'小于发射频率即：Δf<0

可以证明若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为v，声速为c，则接收体接收声波的多普勒频率为：

f'= f·(c+-v

)/(c-+v2)(3-2)

1

括号中分子和分母的加、减运算分别为“接近”和“远离”之意。

3.43 应用实例

多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波形，包括光波。科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远处银河系的光线频率在变低，即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移，或称红移。若银河系正移向蓝端，光线就成为蓝移。

在卫星移动通信中，当飞机移向卫星时，频率变高，远离卫星时，频率变低，而且由于飞机的速度十分快，所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。另外一方面，由于非静止卫星本身也具有很高的速度，所以现在主要用静止卫星与飞机进行通信，同时为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了卫星移动通信的复杂性。

声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩超。彩超简单的说就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先说说超声频移诊断法，即D超，此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移，D超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声（即彩超）既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实际应用受到了广泛的重视和欢迎，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。

第4章多径传播的模拟实验

4.1 实验目的

通过实验掌握多径传播、信道的频率选择性、相干带宽等概念，理解多径信道对信号传输的影响。

4.2 实验原理

多径信道指信号传输的路径不止一条，接收端同时收到来自多条传输路径的信号，这些信号可能同向相加或反向相消。由于各径时延差不同，每径信号的衰减不同，因此数字信号经过多径信号后有码间干扰。通常情况下，如果信号的码元间隔远大于多径间的最大时延差，此时信号经过多径后不会产生严重的码间干扰；相反，如果信号码元间隔与多径间的时延差可比，则信号经过多径传输后会产生严重的码间干扰，此时接收端需要考虑采用均衡和其他消除码间干扰的方法才能正确接收信号。

由于多径，信道幅频特性不为常数，对某些频率产生较大的衰减，对某些频率的衰减小，即信道具有频率选择性。当输入信号的带宽远小于信道带宽时（第一个零点带宽），则信道对输入信号的所有频率分量的衰减几乎相同，这种情况下，信号经历平坦性衰减，当输入信号的带宽与信道带宽可比时，此时信号各频率分量经过信道的衰减不同，即信号经过了频率选择性的衰减。通常可用信道的时延扩展m τ来表示信道的多径扩展情况，多径时延扩展的倒数称为信道的相干

带宽m

B τ1=设输入信号的码元间隔为s T ，当s BT >>1时，信号的衰减是平坦的； 反之，信号的衰减是频率选择性的。

数字信号经过多径非时变信道后，输出信号为

)()(1i L

i i t b t s τμ-=∑=

(4-1)

从频域观点看

)()())(()(21f H f B e f B f S i f j L i i ==-=∑τπμ

(4-2)

4.3 实验内容

设三径信道5.01=μ，707.02=μ，5.03=μ，01=τ，s 12=τ，s 23=τ。

1. 用Matlab 画出信道的幅频响应特性和相频响应特性；

实验代码：

clc,clear all

f=-2:0.001:2

h1=0.5*exp(-j*2*pi*f*0)

h2=0.707*exp(-j*2*pi*f*1)

h3=0.5*exp(-j*2*pi*f*2)

h=h1+h2+h3

subplot(2,1,1)

plot(f,h)

grid on

axis([-2 2 -0.5 2])

subplot(2,1,2)

plot(f,angle(h)/pi)

grid on

实验结果：

图4-1信道的幅频特性与相频特性