在继续深入讨论散射信道的建模、仿真和电路模拟之前,有必要先明确几个重要的变参信道参数的定义。
1.时延功率谱
设信道在时刻 t 0 的冲激响应为 c ( t ; t 0 ), c ( t ; t 0 )的傅里叶变换 C (j ω ; t 0 )是信道的瞬时频率响应, C (j ω ; t 0 )又称信道的时变转移函数。若 c ( t ; t 0 )是广义平稳的,它的自相关函数为 [5]
函数 ρ c ( τ 1 , τ 2 ,Δ t )有3个变量,即对信道进行观测的时延差Δ t 、 t 0 时刻信道冲激响应的时域自变量 τ 1 、 t 0 +Δ t 时刻信道冲激响应的时域自变量 τ 2 。对于对流层散射,若从散射体到达接收站有几条电波传播路径,这几条路径的衰落基本上是无关的。也就是说,如果发射机连续发射理想冲激脉冲,不管对接收信号 c ( t ; t 0 )的2次观测的时间间隔Δ t 取何值,只要 τ 1 与 τ 2 不同, ρ c ( τ 1 , τ 2 ,Δ t )≡0。这种信道被称为“非相关散射”信道。
在非相关散射的情况下式(2-18)可简化为
其中的变量Δ t 是对信道变化快慢的度量,如果Δ t =0, ρ c ( τ ;0)是信道在理想冲激脉冲下的功率输出,因此 ρ c ( τ ;0)被称为信道的“时延功率谱”。
P. A. Bello曾推导了对流层散射信道的时延功率谱计算公式 [6] 。图2-15是Bello曾计算的一个例子,条件为:载频850 MHz,抛物面天线口径18 m,天线主波束仰角0°。虽然Bello的公式用到更高的通信频段可能误差太大(正因如此这里不再介绍它,在第4章将给出估算时延展宽的其他一些更加实用的公式),但图2-15却清楚地显示了散射信道时延功率谱的特点,即:最先到达接收机的径一般不是信号最强径;最强径紧跟首径很快到来,之后信号有较大的“拖尾”;时延展宽随距离拓展快速增大。
图2-15 散射时延功率谱示例 [6]
2.频率相关函数
ρ c ( τ ;0)的傅里叶变换称为信道的“频率相关函数”:
3.多径时延展宽与相干带宽
假设 ρ c ( τ ;0)的最大值为 ρ m ,实际通信系统中存在一个门限 ρ T (例如比 ρ m 低10 dB),到达接收机的所有路径的信号之中,只有其电平高于 ρ T 对解调性能才有贡献,称 ρ c ( τ ,0)高于 ρ T 的时间为信道的“多径时延展宽” D c 。 D c 越大说明最早和最晚到达接收机的路径的时间跨度越大,在高速通信时码间干扰的现象越严重,若不采取措施信道支持的通信速率越低,因而 D c 的倒数可用于度量信道的“相干带宽”, D c 越大相干带宽越窄。虽然 ρ T 的选取在不同的文献中有所不同,但常见的相干带宽的定义是取多径时延展宽的倒数。
时延功率谱 ρ c ( τ ,0)是个统计值,下面为方便起见,称 p ( τ ; t 0 )为某一短时间内信道的瞬时时延功率谱,称 p ( τ ; t 0 )高于 ρ T 的时间为“瞬时多径时延展宽” D i ,即
时延功率谱 ρ c ( τ ,0)是对流层散射链路很重要的设计参数,它可以用宽带扩频信号进行测量。原理为:在发射端发射一个直接序列扩频信号或线性调频信号,接收端对该信号解扩(采用与发端相同码型匹配滤波,或采用滑动相关器相关运算)之后可获得 c ( t ; t 0 )和 p ( τ ; t 0 )的多个样本,对 p ( τ ; t 0 )进行平均即能得到时延功率谱 ρ c ( τ ,0)。
设已获得一组 p ( τ ; t 0 )样本,寻找一个门限 D c ,9 ( 0 或 D c ,99 ),使90%(或99%)的样本的瞬时多径时延展宽 D i 都小于 D c ,9 ( 0 或 D c ,99 ),称 D c ,9 ( 0 或 D c ,99 )为信道的90%(或99%)概率多径时延展宽。
4.信道相干时间
可以想象,如果时间Δ t 足够大,由于信道已经发生了非常显著的改变,对于任意的 τ 1 = τ 2 = τ , ρ c ( τ ,Δ t )也必将变为0。通俗解释,间隔Δ t 两次观测信道的冲激响应 c ( t ; t 0 )(或频率响应),当Δ t 超过一个门限值 T c 时,观测结果将变得“完全不同”。门限值 T c 称为散射信道的“相干时间”。相干时间越长表明信道的时变越缓慢,衰落的速率越低,因此相干时间的倒数可用于度量衰落速率。
最后说明,本节给出了散射信道的时延功率谱、频率相关函数、多径时延展宽、相干时间的定义,它们对各种散射通信设备的重要性是不同的,例如,一种波形对多径时延展宽敏感,而另一种可能对相干时间敏感。另外,虽然这些参数都有明确的定义,但它的估算公式却常是采用实测加数值拟合的方式得到的,单纯靠理论推导结果往往不佳,请参见第4章。