WCDMA中自适应最大多普勒频移估计方法的研究
第22卷 第1期
2004年3月
应用科学学报
JOU RNAL O F A PPL IED SC IEN CES
V o l .22,N o.1 M arch 2004
收稿日期:2002209211; 修订日期:2003204201
基金项目:江苏东大通信技术有限责任公司(SeuComm )资助项目
作者简介:盛彬(19742),男,安徽芜湖人,博士生;尤肖虎(19622),男,江苏苏州人,教授,博导.
文章编号:025528297(2004)0120001205
W CDM A 中自适应最大多普勒频移
估计方法的研究
盛 彬, 尤肖虎
(东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096)
摘 要:提出了W CDM A 系统中一种利用信道估计相位变化的统计信息来估计最大多普勒频移的自适应方法,并在分析相对误差的基础上给出了校正公式.仿真结果表明该方法简便易行,精度高,并且不受功率控制等因素的影响,在3G 标准支持的宽广的多普勒频率范围内都能获得良好的估计效果.关键词:宽带码分多址;最大多普勒频移;相位变化中图分类号:TN 929.533 文献标识码:A
A Study on Adaptive M ax i m a l D oppler Frequency Esti m a tion for W CDM A System s
SH EN G B in , YOU X iao 2hu
(N a tiona l M obile Co mm un ica tions R esea rch L abora tory ,S ou theast U n iversity ,N anj ing 210096,Ch ina )
Abstract :In th is p ap er ,a schem e that adap tively esti m ates one of the m o st i m po rtan t channel p a 2ram eters ——m ax i m um Dopp ler frequency f D is p ropo sed fo r W CDM A system s .T he schem e u ses p hase variati on s of received p ilo t signals ,strongly related w ith f D in a fading environm en t .T he si m u lati on resu lts show that the p ropo sed schem e is very si m p le ,show ing good p erfo rm ance over w ide Dopp ler frequency range suppo rted by 3G standard .
Key words :W CDM A ;m ax i m um dopp ler frequency ;p hase variati on
从系统的观点来看,获得移动台多普勒频移信息的意义是十分重大的,因为通过它我们可以从底层的物理层以及高层的协议层来优化整个W CD 2
M A 系统的性能
.例如:作为接收机中关键技术的信道估计方法,如果知道了多普勒频移,就可以从最小均方误差(MM SE )的准则出发,利用维纳滤波的原理来优化估计器的性能;从多普勒频移计算出的移动台速度也可帮助我们优化小区的分配策略:低速移动的用户指定给微微小区(p ico 2cells );中速的用户被分配给微小区(m icro 2cells );而高速移动的用户为了避免频繁的切换将分配给宏小区(m acro 2cells ).估计最大多普勒频移的方法有多种,例如:根
据电平通过率(L CR )[1];运用谱分析以及自相关函数的知识[2];从信道估计的包络和幅角[3]中提取最大多普勒频移的信息,等等.使用L CR 估计最大多普勒频移是一种简便的方法,但是由于平均功率的测量受到距离引起的路径损失、茂密的树叶和大楼的背面引起的阴影衰落以及噪声等各种因素的影响,所以这种方法在低信噪比的实际应用中并不理想.在有功率控制的场合下,由于信道估计的包络无法反映衰落信道真实的统计特性,所以这种估计最大多普勒频移的方法有一定的局限性.而运用小波分析以及功率自相关函数的方法由于计算量和存储量大而限制了它们在实际中的应用.
考虑到上述方法的这些缺点,本文提出了一种自适应最大多普勒频移估计方法.由于它利用了信道估计相位变化的统计特性,所以不会受到功率控制的影响,并且计算简单,实现方便.
1 利用相位变化估计最大多普勒频移的方法
多普勒频移是由于接收机移动而产生的.当接收机移动速度为v,移动方向与反射体(散射体)的径向夹角为Η时,多普勒频移为f=v co sΗ Κ= f D co sΗ,其中,Κ为载波波长,f D=v Κ为最大多普勒频移.由于Jakes模型在无线蜂窝通信系统中被广泛采用,所以这里我们只考虑Jakes的经典谱模型.
设随机变量Φ表示相位差,Φ=<2-<1,-Π<Φ<Π且<2=<(t+Σ),<1=<(t).Φ的概率密度[4]可示为
p(Φ)=(1-Κ2)
2Π
1-Κ2co s2Φ+Κco sΦarcco s(-Κco sΦ)
(1-Κ2co s2Φ)3 2(1)其中Κ=J0(2Πf DΣ).相位差绝对值的均值通过积分可得到
E{ Φ }=∫Π-Π Φ p(Φ)dΦ=∫Π0ΦΠ(1-Κ2)
1-Κ2co s2Φ+Κco sΦarcco s(-Κco sΦ)
(1-Κ2co s2Φ)3 2dΦ
=arcco s(Κ)(2) 构造E{ Φ }的近似公式,如下
M=
1
N
∑N
n=1
显然,从co s(M)=J0(2Πf DΣ)求解f D并不简单,但是考虑到W CDM A[5]的标准,当f D最大为925H z (500km h,2GH z载频),导频符号周期Σ为66.6Λs 时,2Πf DΣ<0.4.这时 1-M 2 2+M 4 24 ≈co s(M)=J0(2Πf DΣ)≈ 1- (2Πf DΣ)2 4 + (2Πf DΣ)4 64 (4) 忽略掉4次项,则 f^D=M 2ΠΣ (5) 2 误差分析和校正方法2.1 虽然式(5)的近似带来了误差,但这是非常小的,主要的误差来自信道参数相角上叠加的噪声.现来考虑相对误差的大小,先将M写成f D的形式M=f(f D)=arcco s(J0(2Πf DΣ))(6)由上式及文献[6],可以得到 Ρ2f^ D ≈ 1 f′(f D) 2 Ρ2M=1-J20(2Πf DΣ) 2ΠΣ J1(2Πf DΣ) 2 Ρ2M (7)ΡfδD与f D的比值为估计的相对误差,表示如下 Ρfδ D f D =1-J 2 (2Πf DΣ) 2ΠΣ J1(2Πf DΣ) ΡM f D (8)其中ΡM=M-arcco s(J0(2Πf DΣ))为其估计值与均值之差. 从公式(8)可知,最大多普勒频移的估计方差与M的方差有关,实际上就是与信道估计的误差有关,而信道估计的误差与信道估计器的平均长度有关.考虑到信道估计的及时性和准确性,信道估计器的平均长度又是由最大多普勒频移确定的.所以,最大多普勒频移估计的精度与信道估计器的平均长度是相辅相成、相互作用的.最佳的平均长度可以获得最小的均方误差,从而得到较高精度的最大多普勒频移信息.而准确的最大多普勒频移信息又可以确定最佳的平均长度. 当然在实际环境中,我们既不知道准确的最大多普勒频移信息也不知道最佳的平均长度.在这种情况下,可以采用迭代的方法来自适应地调整平均长度并逐步逼近最大多普勒频移的真实值.具体的情况将在第3节中讨论. 2.2 MM SE准则下导频信道最佳积分长度的确定 相对于接收的多径衰落信号,R ake接收机每个相关器(finger)的输出可看作是一个经历了平坦瑞利衰落的信号.在无线通信环境中,信道参数Α(n)是一个低通高斯随机过程.它的功率谱 由于R ake接收机的各个F inger所分辨出的最 2 应 用 科 学 学 报第22卷 大多普勒频移是相同的,因此可以只利用最强径来进行估计.设由W CDM A 系统的公共导频信道(CP I CH )得到的去掉调制符号和信号幅度值后的最强径上第n 个符号处含有噪声的信道参数为 Αδ(n )=Α(n )+n (n ) A p (9)这里假定Α(t )在一个符号周期内是不变的且与n (n ) 之间非相关.n (n )是均值为0、方差为Ρ2 n 的高斯白噪声(AW GN )序列,它包含了扩频序列的相关特性不理想造成的多径干扰,其他用户引入的多址干扰以及高斯白噪声通过相关信道估计器后产生的输出. A p 是CP I CH 的信号幅度 .为了抑制噪声,初始的信道估计通过一个滑动平均滤波器,得到滤波后的第 n 个符号的信道估计为 Αλ(n )= 12M +1∑ M s =-M Α δ(n -s ) (10) 其中,2M +1是平均长度.则信道估计的均方误差 (M SE )可表示为 M S E =E [ Α(n )-Αλ(n ) 2 ]= R (0)- [ 22M +1 ∑M i =1 R (i )+ R (0) 2M +1]× 2+1 (2M +1)2∑M i =-M ∑ M J =-M R (j -i )+ Ρ2 n A 2 p (2M +1) (11) 其中,R (i )=E [Α(k )Α 3 (k +i )]表示信道自相关函数.根据式(11),并假设信道的平均功率和A p 为1, 可得到在MM SE 准则下不同车速的最佳平均长度和理论均方误差,如图1所示. 图1 不同车速,不同信噪比下信道估计的M S E 随积分长 度的变化曲线 F ig .1 M S E perfo rm ance of channel esti m ati on versu s av 2 erage length in differen t velocities and SN R s 从图中可以看出,在MM SE 准则下,最佳平均长度随着导频符号的信噪比以及移动台的移动速度 不同而不同,它实际上是信道估计的及时性与最大 可能地滤除带外噪声之间的一个折中点.由于不同信噪比下的最佳平均长度和最小均方误差相差并不大,为了简化处理,在下面的仿真中,最优平均长度是这样确定的: 表1 根据最大多普勒频移区间确定的最佳平均长度 Tab .1 D ecisi on of the op ti m al average length acco rding to the m ax i m um Dopp ler frequency 最大多普勒频移区间 H z 0～100100～250250～400400～600600～800>800M 16 10 5 4 3 2 2.3 相对误差的仿真及校正方法 基于上述的分析及描述,我们在CO SSA P 软件上建立了一个CP I CH 和一个用户数据信道的仿真平台,并且发射功率相等.根据W CDM A 标准,信号的信号调制方式为Q PSK ,Ch i p 速率为3.84M cp s s ,导频符号传输速率为15kSym b s ,数据符 号传输速率为30kSym b s .信道模型为M .1225衰 落信道模型,载波频率为2GH z ,仿真时假设在接收端Ch i p ,符号及帧已经完全同步,估计区间为1.6s .仿真结果如图2所示,这里的信噪比指的是导频信号的.从图中可以看出,最大多普勒频移估计相对误差的理论值与仿真结果之间是很接近的.当移动台速度低时,如100km h ,虽然信道估计的M SE 小,如图1所示,但由于此时的最大多普勒频移也小,所以相对误差较大,而移动台速度高时,如500km h ,虽然信道估计的M SE 大,但最大多普勒频移也大,所以相对误差反而较小.同时还注意到图中300km h 的曲线在8dB 附近出现波动,这是由于在 不同信噪比下,不同的最优平均长度的信道估计 M SE 相差比较大造成的 .所以在实际应用中,为了精确计算,在知道信噪比的情况下,应同时根据信噪比和最大多普勒频移来调节平均长度. 由于误差主要来源于两个方面:一是信噪比高低;二是低速时的相对误差要明显高于高速时的.所 以误差校正也将从以下两个方面来进行,校正的方 法采用二次函数拟合的方法.从理论计算和仿真结果来看,当信噪比大于5dB 后,相对误差已经很小了.由于在实际的CDM A 系统中,太小的信噪比没有意义,而且CP I CH 比用户数据信道的功率高,一般占下行发射总功率的10%左右,所以可以近似认为估计器是在比较高的信噪比下估计最大多普勒频 3 第1期盛 彬等:W CDM A 中自适应最大多普勒频移估计方法的研究 率的,当然在实际环境下还要受到阴影衰落的影响.考虑到上述情况, 校正公式如下 图2 最大多普勒频移估计相对误差的理论曲线和计算机 仿真曲线 F ig .2 T he relative erro r of the esti m ated m ax i m um Dopp ler frequency Ρδf δD =0.28×(f D 1000)2-0.38×(f D 1000 )+0.16 (12)观察到相对误差曲线近似为下降的直线,所以当知道信噪比之后,从信噪比方面的修正公式为 Ρf δD =Ρδf δD 1.3 SN R -5 (13) 考虑到估计值一般大于真实值,最后得到修正后的最大多普勒频率为 f θD =f δD ×(1-Ρf δD )(14)表2是在CP I CH 信噪比为4dB ,6dB 和8dB 时经过 校正后的最大多普勒频率的相对误差. 表2 校正后的最大多普勒频移估计的相对误差 Tab .2 T he relative erro r of the co rrected value of the esti 2m ated m ax i m um Dopp ler frequency 50km h 100km h 200km h 300km h 400km h 500km h 4.0dB 0.0469 0.0085 0.0413 0.01110.00731 0.00686.0dB 0.0478 0.0030.0225 0.00680.01480.0048.0dB 0.0488 0.0019 0.009 0.01840.0248 0.0086 3 自适应的最大多普勒频移估计方法 和动态积分长度的调整 正如第2节所述,在实际环境中,既不知道准确的最大多普勒频移信息也不知道最佳的平均长度.在这种情况下,可以采用迭代的方法来自适应地调整平均长度并逐步逼近最大多普勒频移的真实值.自适应最大多普勒频移估计器如图3所示. 图3 自适应最大多普勒频移估计器的示意图 F ig .3 T he b lock diagram of the adap tive m ax i m um Dopp ler frequency esti m ato r 它的工作流程是这样的:首先依据各径的信道估计选择功率最强的一径,然后通过最强径的信道估计在一个估计区间内计算最大多普勒频移并进行校正.最后根据得到的最大多普勒频移所处的位置来选择下一个估计区间的最优平均长度.经过反复迭代直到估计器稳定在真实的最大多普勒频移附近.在下面的仿真中,最佳平均长度由表1确定.当然,如果系统能得到准确的信噪比,那么应该同时根据信噪比和最大多普勒频移来确定信道估计的最佳平均长度,这里的区间划分只是为了简化仿真和计 算. 图4给出了估计区间为1.6s 、导频信号信噪比为5dB 时移动台改变速度后的最大多普勒频移估计值的收敛曲线.它的仿真条件与3.3节是一样的. 图中L =21(L =2M +1)表示移动台原来速度为100km h 时的最佳平均长度,它的两条曲线分别表 示移动台速度现在变为300km h 和500km h 后的收敛曲线.当然在实际中,车速是不可能突变的,这里只是为了简化处理.我们发现在6s 以后(相当于4个迭代步长),估计器已经能够给出相当精确的最 4 应 用 科 学 学 报第22卷 大多普勒频移信息,并根据它调节了此时的最佳平均长度.同样L =9表示移动台由原来车速的300km h 改变为现在的500km h 和100km h 时,最大多普勒频率估计值的收敛曲线;而L =5表示移动台由原来车速的500km h 改变为现在的300km h 和100km h 时,最大多普勒频率估计值的 收敛曲线.由图中还可发现,移动台速度差改变得越小,收敛得越快,例如从300km h 变到500km h 时 . 图4 估计区间为1.6s 时估计的最大多普勒频移收敛曲线 F ig .4 T he convergence cu rve of the esti m ated m ax i m um Dopp ler frequency fo r an ob servati on in terval of 1.6s 图5表示了估计区间缩短为0.8s 后的最大多普勒频率估计的收敛曲线.在3s 后,估计器已经能得到相当准确的最大多普勒频移信息,并稳定在其附近.由此可见本文所提出的自适应最大多普勒频移方法具有快速跟踪性能、较高的估计精度和稳定性. 4 结 论 本文根据移动台的移动速度,利用信道估计相位变化的统计信息估计最大多普勒频移,并确定了在MM SE 准则下的最佳平均长度,从而最大限度地抑制了噪声和互相关的影响,提高了系统的性能.仿真结果表明该方法简便易行, 不受功率控制等因 图5 估计区间为0.8s 时估计的最大多普勒频移收敛曲线 F ig .5 T he convergence cu rve of the esti m ated m ax i m um Dopp ler frequency fo r an ob servati on in terval of 0.8s 素的影响,精度高,并在3G 标准中支持的宽广的多普勒频率范围内都能获得良好的效果,同时它也适用于cdm a 2000系统.参考文献: [1] L ee W C Y . 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P robab ility ,R andom V ariab les , and Stochastic P rocesses [M ].N ew Yo rk :M cGraw 2H ill , 1984. 5 第1期盛 彬等:W CDM A 中自适应最大多普勒频移估计方法的研究 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 城市环境下低轨道卫星信道模型及Rake接收 摘要: 对城市环境城市环境下低轨道卫星低轨道卫星的信道进行了研究和建模，并对城市环境下低轨卫星地面终端采用Rake接收的性能进行了研究。关键词：低轨道卫星; CDMA; Rake; 多径多径衰落 低轨道卫星信道高度低，重量轻，研发周期短，研发成本低，组成星座系统可以实现全球任何人、任何时间、任何地点的通信，因此，低轨道卫星移动通信系统近年来已成为全球卫星通信领域的研究热点。然而，由于低轨道卫星存在较大的多普勒频移，在复杂的地面接收环境下，卫星信号会受到建筑物和树木遮挡，其信道又具有时变和衰落的特性，尤其在城市环境下，终端所接收到的信号常常没有直视分量，进入接收机的主要是多径信号。为了在如此恶劣的信道环境下实现有效的通信，采用扩频通信体制是一种可以有效抵抗衰落和干扰的方法，全球星(GlobalStar)、铱星等卫星系统的成功充分证实了这一点。在复杂的地形环境下，由于电波在传播时会遇到各种物体的反射、散射、绕射等作用，到达接收天线的信号是由幅度和相位各不相同的路径分量组成的，此时的合成信号起伏很大，称为多径衰落信号。因此对城市环境下低轨卫星信道特性进行研究和建模，是低轨卫星通信系统设计中必须考虑的重要方面。在扩频通信体制下，克服这种多径衰落的有效办法是采用Rake接收机对多径信号进行分集接收，并根据每条多径信号的信噪比按相应的权重合并起来，获得分集增益，以对抗多径衰落的影响。本文讨论了城市环境下低轨道卫星信道的特点并给出了信道模型，对Rake接收技术和性能进行了分析和仿真。1 低轨道卫星移动通信信道特性对于低轨道卫星信道特性和建模的研究，必须建立在大量的实验数据基础上，美国、日本和欧洲已对卫星信道进行了大规模测量，取得了卫星移动信道下信号传播的实际数据，为卫星通信系统的建立和运营打下了基础。目前，国内外常用的研究低轨道卫星移动通信信道特性的模型有：C.LOO模型、Corazza模型和Lutz模型三种概率分布模型。此三种模型把低轨卫星信道信号所受到的衰落分为三种：莱斯衰落、瑞利衰落和对数正态高斯衰落。在低轨道卫星移动通信系统中，卫星地面通信接收终端所处的环境较为复杂，对于不同的接收环境，低轨道卫星移动通信信道各有不同的特点。根据卫星地面终端所处的环境，将低轨道卫星移动传输环境分为三类：(1) 开阔地地区：接收信号由直视信号分量和反射多径信号分量(由镜反射和漫反射造成)组成，且直视信号不受遮蔽和阻挡，此时的接收信号包络服从莱斯分布；(2) 农村和城郊地区：接收信号存在直视分量，且直视信号被部分阻挡，存在阴影遮蔽效应，此时，受阴影遮蔽效应影响的直视信号包络服从对数正态高斯分布；(3) 城市地区：分为“好状态”和“坏状态”。“好状态”时，用户相对卫星的仰角较高，接收信号存在直视信号分量，并且直视信号不被遮挡，属于莱斯衰落信道衰落信道；“坏状态”时，用户相对卫星的仰角较低，直视信号被完全阻挡，接收信号不存在直视信号分量，此时的接收信号只有多径信号分量组成，属于瑞利衰落信道。下面重点对城市环境下的低轨道卫星信道做建模分析：① “好状态”情况:在“好状态”情况下，地面接收信号存在直视信号分量，图1给出了城市环境“好状态”情况下低轨卫星地面终端接收情景模型[1]。 ，在“好状态”时，卫星到地面接收机的信号由直视分量和反射分量组成。直视路径和反射路径的路径差Δr=rd+rS-rLOS,其中，rd=r′+r′′，因此，反射信号相对直视信号的延时为：Δt=c·Δr，其中c为光速，利用下列公式：以及等式γ-ε+α=0和r′′=rLOS·cos(γ)可以得到下式：由于γ很小，反射源靠近接收机，并且接收机和反射源之间的距离可近似为：rS=h/sin(α)≈h/sin(ε)，则接收机端接收到的可解析路径数可由主径和次径时间差除以码片码片周期Tc求得，即：将Δr代入(6)式，则 多普勒频移 当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。 多普勒效应造成的发射和接收的频率之差称为多普勒频移。它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。 英文名称:Doppler Shift ，多普勒效应是为纪念克里斯琴·多普勒·约翰(Doppler, Christian Johann)而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为:物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)。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)。 定义 主要内容为:物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)。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)。 概述 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 当火车迎面驶来时，鸣笛声的波长被压缩，频率变高，因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时，声音波长就被拉长，频率变低，从而使得声音听起来减缓且低沉。 这种现象也存在于其他类型的波中，例如光波和电磁波。科学家们观察发现，从外太空而来的光波，其频率在不断变低，既向频率较低的红色波段靠拢，这是光波遵从多普勒效应从而引起多普勒频移的例证。对于电磁波，高度运动的物体上(例如高铁)进行无线通信，会出现信号质量下降等现象，就是电磁波存在多普勒频移现象的实例。 多普勒频移导致无线通信中发射和接收的频率不一致，从而使得加载在频率上的信号无法正确接收，甚至无法接收到。 发生原因 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 低轨卫星定轨综述 摘要： 本文首先介绍了卫星轨道的分类标准，随后简述了星载GPS低轨卫星定位系统的体系结构以及星载GPS定轨研究进展。最后重点分析了星载GPS低轨卫星的几种定轨方法 关键词： 低轨卫星定轨GPS接收机几何法运动法约化动力法 卫星运行轨道的分类标准 人造卫星的运行轨道按形状分类可以分为椭圆轨道和圆轨道： 椭圆轨道：偏心率不等于0的卫星轨道，卫星在轨道上做非匀速运动，适合高纬度地区通信。圆轨道：具有相对恒定的运动速度，可以提供较均匀的覆盖特性，适合均匀覆盖的卫星系统 按倾角（卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星轨道平面的倾角） 赤道轨道。i=0?，轨道面与赤道面重合；静止通信卫星就位于此轨道平面内。 极地轨道。i=90?，轨道面穿过地球南北极。 倾斜轨道。轨道面倾斜于赤道。根据卫星运动方向和地球自转方向的差别分为顺行倾斜轨道，0?< i<90? 逆行倾斜轨道，90?< i<180? 图1 按高度分类 根据卫星运行轨道距离地面的高度h，可分为 低轨道(LEO)：500 实验01 实时卫星位置解算和多普勒频移计算 一、目的 1．理解实时卫星位置解算在GPS 接收机导航位置解算过程中的作用及完成卫星位置解算所需的条件。 2．了解卫星导航电文的格式、主要内容及各部分作用。了解星历的内容、周期。 3．了解多普勒频移产生的原因、作用及根据已知条件预测多普勒频移的方法。 二、内容 运行NewStar150 程序，获取可视卫星的实时导航数据（包括 GPS 时间、各卫星的星历等），分析星历的构成、周期，根据卫星的星历，推算出该卫星在 11 小时58 分后的ECEF 坐标系下的大致位置，验证卫星的额定轨道周期。根据实验数据编程求解多普勒频移。 三、知识准备 GPS 实时卫星位置解算方法，导航电文的格式和主要内容，星历表的构成。多普勒频移计算方法。 四、实习过程 1．运行NewStar150 程序，如图 1 所示获取当前可视卫星的星历信息，并作记录； 2．分析星历的构成和周期； 3．如图2 所示，选择GPS 时刻和卫星号，在“卫星位置信息”列表框中会出现所选卫星在所选的GPS 时刻对应的仰角、ECEF 坐标系下的三维坐标、所选时刻加一秒和加两秒后的GPS 时间所对应的ECEF 坐标系下的三维坐标以及接收机在ECEF 坐标系下的初始位置坐标，根据这些数据求解多普勒频移； 4．根据卫星在所选GPS 时间发送的星历推算出这颗卫星在 11 小时58 分后的ECEF 坐标系下的大致位置，验证卫星的额定轨道周期； 实验02 GPS接收机单点定位实验 一、目的 1．掌握GPS 接收机单点定位原理； 2．理解将接收机和卫星钟差作为一个参量进行定位解算的原因和目的； 3．理解钟差对于多普勒频移求解产生的影响； 4．能够根据实验数据编写单点定位解算的相关程序。 二、内容 运行NewStar150 程序，同时观测4 颗可视卫星的实时导航数据（包括GPS 时间、各卫星的星历等），实时传输误差、伪距等，建立接收机位置解算方程，解出接收机位置和钟差。 三、资料准备 GPS 接收机位置解算方法，接收机和卫星钟差产生的原因、对信号搜索和定位精度的的影响。 四、实习过程 第7期2003年7月 电子学报 ACTAELECTRONICASINICAVol.31No.7 July2003 卫星通信中多普勒频移的快速捕获 黄振1,陆建华1,杨士中2 (1.清华大学电子工程系,北京100084;2.重庆大学通信工程学院,重庆400044) 摘要:本文提出了一种适用于低轨卫星扩频通信系统的多普勒频移快捕方法.该方法基于数字匹配滤波器及 自动频率控制环路,利用数字匹配滤波器的PN码快捕特性及其输出主相关峰值对频偏的敏感性,缩短多普勒频移的捕获时间.论文首先推导了多普勒频移的平均捕获时间表达式,然后根据数值分析结果得到了准最佳捕获判决策略,最后通过比较验证了该快捕方法相对于传统串行捕获方法在性能上的提高. 关键词:卫星通信;数字匹配滤波器;自动频率控制环路;多普勒频移捕获中图分类号:TN92文献标识码:A文章编号:037222112(2003)0721052205 RapidAcquisitionofDopplerShiftinSatelliteCommunications HUANGZhen1,LUJian2hua122 (1.DepartmentofElectronicEngineering,Tsinghua,; 2.SchoolofCommunications,,) Abstract: InisproposedforaLEOsatellitespread2spectrumcommuni2cationsfilter(DMF)andautomat icfrequencycontrol(AFC)loop,twocharacteristicsoftheDMFareacquisitiontime(MAT)of Dopplershift,namely,therapidacquisitionpropertyofPNcodeandahighsensitivitymaximu mcorrelationvaluetofrequencyoffset.AnexpressionoftheMATisderived,andasuboptimald ecisionofacquisitionisgivenoutfromnumericalresults.Finally,theperformanceofthepropos edacquisitionschemeiscomparedwiththetradi2tionalserialscheme,showingasignificantim provementachieved. 多普勒频移 英文名称：Doppler Effect ，多普勒效应是为纪念克里斯琴·多普勒·约翰（Doppler, Christian Johann）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）。 物理现象 概述 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 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 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+-v1)/(c-+v2) 括号中分子和分母的加、减运算分别为“接近”和“远离”之意。 2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 姓名：张玉宣学号：2014020175 班级：研1405 综述： 在高动态环境下，由于发送端与接收端之间存在较大的径向速度，使接收端接收信号存在较大的多普勒频移，高达几十kHz 甚至几百kHz。较大的多普勒频移一直制约着通信技术的发展。如何在高动态环境下实现高效、准确的多普勒频移估计，是现代移动通信研究的一个热点问题，也是本文研究的主要目标。多普勒频移估计的准确性直接影响接收机的性能，对多普勒频移的补偿有利于系统性能的提高。 本文首先介绍了无线信道的特性，着重分析信道的多普勒效应。其次，在高动态环境下，分析了多普勒频移对通信信号的影响，主要包括匹配滤波器输出信噪比和差分相位调制信号的解调。然后，研究了多普勒频移估计理论，针对高动态两种环境展开讨论。最后，重点研究了基于卡尔曼滤波估计算法(EKF)的多普勒频移估计。 第一章无线信道的特性 1.1 无线信道基本特征 为了更好的研究和阐述无线信道的特性，首先整体介绍下影响无线通信信道特性的基本情况：直射发射、多径传播、阴影衰落及多普勒频移等。 1) 直射发射，当卫星或飞行器与地面终端之间的无线信道上不存在任何障碍物，从发送端沿着直线路径（即视距传播路径）到达接收端。在无线通信中，当卫星或飞行器与地面终端之间存在着视距传播路径时，接收信号中就含有直射信号分量。 2) 多径传播，从发送端发出的电波信号在传播过程中，由于信道中诸如建筑物、地表等物体反射，就会构成了一个消耗信号能量的环境，导致信号幅度、时间和相位的变化。这些因素会使发送信号到达接收端时形成了在时间、空间上相互叠加的多个无线电波。不同多径成分具有不同的相位和幅度引起了信号能量波动，导致幅度衰落、波形失真等现象。多径传播会使信号到达接收端时间的延长，造成由于码间干扰而引起的信号模糊。 3) 阴影衰落，当信号电波在传播路径上受到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡以及宇宙辐射、大气粒子的影响会使信号电波产生衰耗，从而造成接收信号电平的衰减。通信终端在通信过程中经过不同的障碍物的阴影时，信号电平会产生不同程度的损耗，使得接收端信号的幅度在一定的范围内起伏变化，这就产生了阴影衰落，这是 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 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+-v1)/(c-+v2) 括号中分子和分母的加、减运算分别为“接近”和“远离”之意。 多普勒频移最基本的计算公式是： 例如在一个运动速度为100 km/h的列车上，使用GSM 900 MHz的手机进行通话，假设发射频率为900 MHz，则最大的多普勒频移为 fm=100000/3600/300*900*1=83 Hz，此时列车移动的方向与无线电波发射的方向一致。如果列车运动的方向与发射方向成90°角，则无多普勒频移，夹角在两者之间时，为0~83 Hz的范围值。如列车移动方向与无线电波发射的方向相反或呈90°~180°角，则频移为负值，范围为-83 Hz~0。无线通话中频率误差的标准一般为0.05 ppm，即百万分之0.05，则900 MHz允许的频率误差为900*0.05=45 Hz。 多普勒频移 当移动台以恒定的速率v在长度为d，端点为X和Y的路径上运动时收到来自远端源S发出的信号，如下图所示。 Wideband Doppler frequency shift measurement and direction ambiguity resolution using optical frequency shift and optical heterodyning Bing Lu,1Wei Pan,1Xihua Zou,1,2,*Xianglei Yan,1Lianshan Yan,1and Bin Luo1 1School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu611756,China 2Institute of Optoelectronics,University of Duisburg-Essen,Duisburg47057,Germany *Corresponding author:zouxihua@https://www.wendangku.net/doc/6213840538.html, Received February24,2015;revised April7,2015;accepted April17,2015; posted April20,2015(Doc.ID235203);published May11,2015 A photonic approach for both wideband Doppler frequency shift(DFS)measurement and direction ambiguity res- olution is proposed and experimentally demonstrated.In the proposed approach,a light wave from a laser diode is split into two paths.In one path,the DFS information is converted into an optical sideband close to the optical carrier by using two cascaded electro-optic modulators,while in the other path,the optical carrier is up-shifted by a specific value(e.g.,from several MHz to hundreds of MHz)using an optical-frequency shift module.Then the optical signals from the two paths are combined and detected by a low-speed photodetector(PD),generating a low-frequency electronic signal.Through a subtraction between the specific optical frequency shift and the mea- sured frequency of the low-frequency signal,the value of DFS is estimated from the derived absolute value,and the direction ambiguity is resolved from the derived sign(i.e.,+or?).In the proof-of-concept experiments,DFSs from ?90to90kHz are successfully estimated for microwave signals at10,15,and20GHz,where the estimation errors are lower than 60Hz.The estimation errors can be further reduced via the use of a more stable optical frequency shift module.?2015Optical Society of America OCIS codes:(060.5625)Radio frequency photonics;(060.2360)Fiber optics links and subsystems;(070.6020) Continuous optical signal processing;(350.4010)Microwaves. https://www.wendangku.net/doc/6213840538.html,/10.1364/OL.40.002321 Doppler frequency shift(DFS)measurement has at-tracted much attention due to its important applications in many fields,such as in wireless communications, scientific measurement,medical imaging,electronic war-fare,and radar systems[1–3].Recently,most approaches for DFS estimation are implemented using conventional electronic technology,which exhibit excellent perfor-mances of high stability and fine resolution.However, it is difficult for the electrical approaches to provide a wide operation frequency range covering from MHz to hundreds of GHz,due to the electrical bottleneck[4]. Photonic techniques are characterized by large instan-taneous bandwidth,low loss,compact size,and immun-ity to electromagnetic interference(EMI),which have been widely used for generation,transmission,control, and processing of wideband microwave/millimeter-wave signals[5–7].In the field of microwave measurement,a number of photonic approaches for frequency estimation [8–16],spectrum analysis[17–19],angle-of-arrival mea-surement[20–22],and DFS measurement have been proposed.For the DFS measurement in Ref.[23],a direc-tional ambiguity might exist in a single setup,although the value of the DFS is obtained. In this Letter,a novel photonic approach to the mea-surement of wideband DFS of interest is proposed and demonstrated.In the proposed approach,an optical frequency shift module and an optical heterodyning configuration are employed,where the microwave/ millimeter-wave DFS of interest is converted into a low-frequency electrical signal by using just a low-speed photodetector(PD).The value and the direction of DFS can be simultaneously obtained through spectrum analysis of this low-frequency signal.The novelty of the approach lies in that both the value and the direction of the DFS that can be obtained over a wide frequency range in a single photonic setup. The proposed approach is schematically shown in Fig.1(a).A light wave from a laser diode(LD)is divided into two paths.In the upper path,two electro-optic mod-ulators(i.e.,EOM-I and EOM-II)are cascaded,of which the first one is employed to optically carry a replica of the transmitted signal under the carrier-supressed single-sideband(CS-SSB)modulation,and the second one is used to receive the echo signal with an unknown DFS. In the lower path,the optical carrier is up-shifted by a specific value(from MHz to hundreds of MHz)in an op-tical frequency shift module.The optical signals from the two paths are sent to an optical coupler(OC),and then detected by using a low-speed PD,leading to the gener-ation a low-frequency electrical signal.The value as well as the direction of DFS can be obtained through spectrum analysis of this low-frequency signal,just by comparing the measured frequency of the low-frequency signal with the specified optical frequency shift. Mathematically,the optical field at the output of the EOM-I under the CS-SSB modulation,can be ex-pressed by E1 t 2 p P0 p J1 β1 exp j 2π f c f m t ;(1) where P0,f c are the power and the frequency of the light wave from LD,β1is the modulation index in EOM-I,J1 · represents the first-order Bessel function of the first kind, and f m is the frequency of the transmitted signal. Then the generated single sideband in Eq.(1)serving as an optical carrier is injected into EOM-II.When an echo signal reflected from a moving object is received, a relative frequency shift(i.e.,DFS)occurs between May15,2015/Vol.40,No.10/OPTICS LETTERS2321 0146-9592/15/102321-04$15.00/0?2015Optical Society of America 仿真程序说明文档 1． 平坦衰落信道仿真 1.1仿真设计 1.产生频率为c ω的01N +路正弦余弦信号； 2.产生在[0,2)π均匀分布的随机相位，产生在[,]m m f f -均匀分布的频率偏移，将随机相位和频率偏移加入到第一步产生的每路正余弦信号中； 3.产生每路信号的衰减cos n β，将第二步产生的每路信号乘以衰减cos n β； 4.将加入随机相位频率偏移以及乘以衰减以后的正弦信号叠加，得到同相分量，将加入随机相位频率偏移以及乘以衰减以后的余弦信号叠加，得到正交分量； 5.由同相和正交信号分别作为实部()c T t 和虚部()s T t 得到平坦衰落信道的输出； 1.2程序流程图 ()()() c s T t T t jT t =+cos() t ωsin() t sin() t ω 1.3仿真结果 下面给出了仿真的平坦衰落信道的统计特性 图1 通过信道后的接收信号包络 在图1中用信道的最大增益对衰落进行了归一化。可以看出，仿真的数据流能够较好的符合典型的Rayleigh衰落信号。信道在某些点会引起深度衰落。 图2 通过仿真信道信号的包络概率密度函数 在图2中，绘出了当N =34时的包络分布。可以看出当N =34时，包络分布与标准的瑞利分布基本吻合。随着N 的增加，包络更加趋向瑞利分布，且分布函数与时间t 无关，这一点满足广义平稳过程的要求。 图3 通过仿真信道信号的自相关函数 可以看出自相关函数趋近贝赛尔(Bessel)函数。 以上我们讨论了仿真信道产生的随机过程是广义平稳的，并且其信号包络、包络概率分布、自相关性等统计特性，都能与Clarke 模型较好的吻合，因此能够较真实的反映信道。 2． LCR 仿真 2.1仿真设计 1.信号采样：首先对接收信号进行采样，得到输入信号的离散序列()g n ； 2.计算包络：根据输入的()g n 序列，计算相应的包络()()n g n α=； 3.确定电平R ：计算()n α的均方根包络电平rms R ，使rms R R =； 4.估计LCR L ：根据第二、第三步计算()n α和rms R 估计()n α每秒通过rms R 的次数LCR L ； 5.求解v ：进行数值计算，求LCR 法的速度估计值v ； 大学生物理论文及科技制作竞赛 多普勒效应原理及其应用 虞金花（08009203） （东南大学自动化学院，南京，211189） 摘要：多普勒效应是波源和观察者有相对运动时观察者接收到的波的频率与波源发出不同频率的现象。 本文首先介绍声波和光波中多普勒效应的原理，然后结合原理阐述多普勒效应在我们现在生活中的广泛应用。 关键词：多普勒效应；原理；应用 Doppler Effect’s Principle and Application Yu Jin Hua (Department of Automation Southeast University, Nanjing, 211189) Abstract: Doppler Effect is a phenomenon that when the waves and observers have relative motion, the frequency the observers receive is different from the frequency that it originally was. First，this paper introduces the principle of Doppler Effect, then explain its wide use in our daily life with the combination of its principle. Key words:Doppler Effect;principle;appplication 多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。多普勒认为，物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移)。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。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。1多普勒效应的原理 波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。 假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v：当观察者走近波源时观察到的波源频率为（c+v）/λ，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为（c-v）/λ。 1.1声波中的原理 设声源的频率为v，声波在媒质中的速度为V，波长λ=V/v。声波在媒质中传播的速度与波源是否运动无关，故总是以决定于媒质特性的速度V来传低轨道卫星移动通信系统方案
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