通信原理_第二章 信道

1、第二章第二章 信道信道 信道的定義及分類信道的定義及分類 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型 恒參信道舉例恒參信道舉例 恒參信道特性及其對(duì)恒參信道特性及其對(duì)信信 號(hào)傳輸?shù)挠绊懱?hào)傳輸?shù)挠绊?隨參信道舉例隨參信道舉例 隨參信道特性及其對(duì)隨參信道特性及其對(duì) 號(hào)傳輸?shù)挠绊懱?hào)傳輸?shù)挠绊?隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善 信道的加性噪聲信道的加性噪聲 小結(jié)小結(jié) 信道是通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，信道的特信道是通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，信道的特性將直接影響到系統(tǒng)的總特性。性將直接影響到系統(tǒng)的總特性。 恒參信道調(diào)制信道隨參信道廣義信道有記憶信道信道編碼信道無(wú)記憶信道無(wú)線信道狹義信道有線信道2.1 2.1 信道的定

2、義及分類信道的定義及分類 狹義信道：狹義信道：發(fā)射端和接收端之間傳輸媒質(zhì)的總發(fā)射端和接收端之間傳輸媒質(zhì)的總稱，是任何一個(gè)通信系統(tǒng)不可或缺的組成部分。稱，是任何一個(gè)通信系統(tǒng)不可或缺的組成部分。按傳輸媒質(zhì)的不同，狹義信道又可分為有線信按傳輸媒質(zhì)的不同，狹義信道又可分為有線信道與無(wú)線信道兩類。道與無(wú)線信道兩類。 廣義信道：廣義信道：除包括傳輸媒質(zhì)外，還包括有關(guān)的除包括傳輸媒質(zhì)外，還包括有關(guān)的變換裝置變換裝置(如發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、如發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等調(diào)制器、解調(diào)器等)。廣義信道按照它包含的功能，可以劃分為：廣義信道按照它包含的功能，可以劃分為： 調(diào)制信道：調(diào)

3、制信道：調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分。從調(diào)制和解調(diào)的角度來(lái)看，調(diào)制器輸出部分。從調(diào)制和解調(diào)的角度來(lái)看，調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質(zhì)，端到解調(diào)器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質(zhì)，不論其過(guò)程如何，只不過(guò)是對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行某不論其過(guò)程如何，只不過(guò)是對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行某種變換。種變換。 編碼信道：編碼信道：編碼器輸出端到譯碼器輸入端的編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。部分。調(diào)制器解調(diào)器收轉(zhuǎn)換器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì) 調(diào)制信道編 碼 信 道編碼器輸出譯碼器輸入調(diào)制信道與編碼信道調(diào)制信道與編碼信道 2.2 2.2 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型 一、調(diào)制信道一、調(diào)制信道 調(diào)制

4、信道的共性調(diào)制信道的共性 有一對(duì)有一對(duì)( (或多對(duì)或多對(duì)) )輸入端和一對(duì)輸入端和一對(duì)( (或多對(duì)或多對(duì)) )輸出端；輸出端； 絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足疊加原理；絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足疊加原理； 信號(hào)通過(guò)信道具有一定的遲延時(shí)間，而且它還會(huì)受到信號(hào)通過(guò)信道具有一定的遲延時(shí)間，而且它還會(huì)受到( (固定的或時(shí)變的固定的或時(shí)變的) )損耗；損耗； 即使沒有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍有一定的功率輸即使沒有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍有一定的功率輸出出( (噪聲噪聲) )。 調(diào)制信道的模型調(diào)制信道的模型二對(duì)端網(wǎng)絡(luò)二對(duì)端網(wǎng)絡(luò)多對(duì)端網(wǎng)絡(luò)多對(duì)端網(wǎng)絡(luò) 對(duì)于二對(duì)端的信道模型，其輸出與輸入的關(guān)系對(duì)于二

5、對(duì)端的信道模型，其輸出與輸入的關(guān)系應(yīng)該有應(yīng)該有 其中，其中， 為輸入的已調(diào)信號(hào)；為輸入的已調(diào)信號(hào)； 為信道總輸為信道總輸出波形；出波形； 為加性噪聲為加性噪聲/ /干擾，且與干擾，且與 相互相互獨(dú)立。獨(dú)立。 表示已調(diào)信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的表示已調(diào)信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的( (時(shí)變時(shí)變) )線性變換。線性變換。 若設(shè)若設(shè) ，則有，則有 oistfs tn t( )iS t( )oS t( )n t( )iS t ifs t ( ) ( )iifs tk t s t tntstktsio)()( 加性干擾加性干擾 乘性干擾乘性干擾 通常乘性干擾是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，包括各種線性畸變、非通常乘性干擾是一個(gè)復(fù)雜

6、的函數(shù)，包括各種線性畸變、非線性畸變，同時(shí)由于信道的遲延特性和損耗特性隨時(shí)間作線性畸變，同時(shí)由于信道的遲延特性和損耗特性隨時(shí)間作隨機(jī)變化，往往用隨機(jī)過(guò)程來(lái)表述。隨機(jī)變化，往往用隨機(jī)過(guò)程來(lái)表述。 在分析乘性干擾時(shí)，可以把信道粗略分為兩大類：在分析乘性干擾時(shí)，可以把信道粗略分為兩大類： 恒參信道：恒參信道： 不隨時(shí)間變化或基本不變化；不隨時(shí)間變化或基本不變化； 隨參信道：隨參信道： 是隨機(jī)快變化的。是隨機(jī)快變化的。 n t( )k t( )k t( )k t調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響對(duì)信號(hào)的影響是一種數(shù)字序列的變換，即把對(duì)信號(hào)的影響是一種數(shù)字序列的變換，即把一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字

7、序列；一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列；一般把編碼信道則看成是一種數(shù)字信道；一般把編碼信道則看成是一種數(shù)字信道；編碼信道模型可以用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述；編碼信道模型可以用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述；可分為有記憶編碼信道和無(wú)記憶編碼信道?？煞譃橛杏洃浘幋a信道和無(wú)記憶編碼信道。二、編碼信道二、編碼信道編碼信道的轉(zhuǎn)移概率編碼信道的轉(zhuǎn)移概率模型中，把模型中，把P(0/0)P(0/0)、P(1/0)P(1/0)、P(0/1)P(0/1)、P(1/1)P(1/1)稱為信道轉(zhuǎn)移概率。以稱為信道轉(zhuǎn)移概率。以P(1/0)P(1/0)為例，其含義是為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把經(jīng)信道傳輸，把0 0轉(zhuǎn)移為轉(zhuǎn)移為1 1的概率

8、的概率”。2.3 2.3 恒參信道舉例恒參信道舉例 恒參信道：恒參信道：對(duì)信號(hào)的影響是固定的或變化極為對(duì)信號(hào)的影響是固定的或變化極為緩慢的；架空明線和電纜、中長(zhǎng)波地波傳播、緩慢的；架空明線和電纜、中長(zhǎng)波地波傳播、超短波及微波視距傳播、人造衛(wèi)星中繼、光導(dǎo)超短波及微波視距傳播、人造衛(wèi)星中繼、光導(dǎo)纖維以及光波視距傳播等信道是恒參信道。纖維以及光波視距傳播等信道是恒參信道。1 1、有線電信道及其特性、有線電信道及其特性明線：平行而相互絕緣的架空裸線線路。傳輸損耗低；明線：平行而相互絕緣的架空裸線線路。傳輸損耗低；易受氣候和天氣的影響；對(duì)外界噪聲干擾敏感。易受氣候和天氣的影響；對(duì)外界噪聲干擾敏感。對(duì)稱電

9、纜：同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)相互絕緣的雙導(dǎo)線對(duì)稱電纜：同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳輸媒質(zhì)；導(dǎo)線材料是鋁或銅，直徑為的傳輸媒質(zhì)；導(dǎo)線材料是鋁或銅，直徑為0.40.41.4mm1.4mm；為減小各線對(duì)之間的相互干擾，每一對(duì)線都擰成扭絞為減小各線對(duì)之間的相互干擾，每一對(duì)線都擰成扭絞狀；由于這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，電纜的傳輸損耗比明線狀；由于這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，電纜的傳輸損耗比明線大得多，但其傳輸特性比較穩(wěn)定。大得多，但其傳輸特性比較穩(wěn)定。明線明線對(duì)稱電纜（雙絞線）對(duì)稱電纜（雙絞線） 同軸電纜：由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形同軸電纜：由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的空管的空管(金屬

10、絲網(wǎng)金屬絲網(wǎng))，內(nèi)導(dǎo)體是金屬線，內(nèi)導(dǎo)體是金屬線(芯線芯線)，中間填充著介，中間填充著介質(zhì)；外導(dǎo)體接地，起屏蔽作用，外界噪聲很少進(jìn)入其內(nèi)部質(zhì)；外導(dǎo)體接地，起屏蔽作用，外界噪聲很少進(jìn)入其內(nèi)部。2 2、光纖信道及其基本特性、光纖信道及其基本特性 定義：定義：光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)為傳輸媒質(zhì)、光波為載波的光纖信道 ；特點(diǎn)：特點(diǎn)：損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、重量輕、可彎曲半徑小、不怕腐蝕、節(jié)省有色金屬以及不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)；組成：組成：光源、光纖線路及光電探測(cè)器等三個(gè)部分 光源是光載波發(fā)生器，廣泛應(yīng)用半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)做光源； 在接收端是一個(gè)直接檢波式的光探測(cè)器，常用PIN光電二極

11、管或雪崩光電二極管(APD管)來(lái)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的檢測(cè)； 中繼器有兩種類型：直接中繼器和間接中繼器。在數(shù)字光纖信道中，為了減小失真以及防止噪聲的積累，每隔一定距離需加入再生中繼器。 單模光纖：?jiǎn)文９饫w：當(dāng)光纖中只能傳輸一種光波的模式； 由于光波波長(zhǎng)極短，傳光特性較好；但是光纖的 芯徑極小、截面尺寸小，在制造、耦合和連接上 都比較困難； 多模光纖：多模光纖：光纖中能傳輸?shù)哪Ｊ讲恢挂粋€(gè)；多模 光纖的截面尺寸較大，在制造、耦合和連接上都 比單模光纖容易。 分類分類 光纖信道的技術(shù)參數(shù)：光纖信道的技術(shù)參數(shù)： 損耗損耗（是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤幔?；（是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤幔?色散色散（是指信號(hào)的群

12、速度隨頻率或模式不同而引（是指信號(hào)的群速度隨頻率或模式不同而引起的信號(hào)失真這種物理現(xiàn)象）。起的信號(hào)失真這種物理現(xiàn)象）。 光纖信道的簡(jiǎn)化方框圖光纖信道的簡(jiǎn)化方框圖 光源基帶處理基帶處理光探測(cè)器光纖線路光調(diào)制器基帶電信號(hào)基帶電信號(hào)調(diào)制電信號(hào)解調(diào)電信號(hào)已調(diào)光信號(hào)3 3、無(wú)線電視距中繼信道、無(wú)線電視距中繼信道 定義定義：工作頻率在超短波和微波波段時(shí)，電磁波基本上沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸的無(wú)線電線路；相鄰中繼站間距離一般在4050km；適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合：長(zhǎng)途干線、移動(dòng)通信網(wǎng)及某些數(shù)據(jù)收集(如水文、氣象數(shù)據(jù)的測(cè)報(bào))系統(tǒng)中；組成：組成：終端站、中繼站及各站間的電波傳播路徑；特點(diǎn)：特點(diǎn)：傳輸容量大

13、、發(fā)射功率小、通信穩(wěn)定可靠，以及和同軸電纜相比，可以節(jié)省有色金屬等優(yōu)點(diǎn)。 無(wú)線電中繼信道的構(gòu)成無(wú)線電中繼信道的構(gòu)成 4 4、衛(wèi)星中繼信道及其基本特性、衛(wèi)星中繼信道及其基本特性 定義：定義：無(wú)線電中繼信道的一種特殊形式；同步通信衛(wèi)星：同步通信衛(wèi)星：軌道在赤道平面上的人造衛(wèi)星，當(dāng)它離地面高度為35860km時(shí)，繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間恰為24小時(shí)，采用三個(gè)適當(dāng)配置的同步衛(wèi)星中繼站就可以覆蓋全球(除兩極盲區(qū)外)；具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋地域廣、傳播穩(wěn)定可靠、傳輸容量大等突出的優(yōu)點(diǎn)；組成：組成：由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路構(gòu)成；上行與下行線路是地球站至衛(wèi)星及衛(wèi)星至地球站的電波傳播路徑，而信道設(shè)備集中

14、于地球站與衛(wèi)星中繼站中。 衛(wèi)星中繼信道的概貌衛(wèi)星中繼信道的概貌 2.4 2.4 恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺捞匦约捌鋵?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺缹?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?恒參信道對(duì)信號(hào)的影響是確定的或者是變化極其緩慢的，可以等效為一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可用幅度頻率特性及相位頻率特性來(lái)表征。 設(shè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為 其中， 是幅頻特性， 為相頻特性。 jHAe A( ) 幅度幅度頻率畸變頻率畸變 舉例舉例 有線電音頻信道的帶寬為300Hz3400Hz，其幅度頻率畸變是由幅度頻率特性的不理想所引起的，低頻端截止頻率約在300Hz以下，每倍頻程衰耗升高1525d

15、b，在3001100Hz范圍內(nèi)衰耗比較平坦，在11002900Hz之間，衰耗通常是線性上升的，在2900Hz以上，衰耗增加很快，每倍頻程增加8090db。 典型音頻電話信道的相對(duì)衰耗典型音頻電話信道的相對(duì)衰耗 影響：影響：不均勻衰耗使傳輸信號(hào)的幅度隨頻率發(fā)生畸變，引起信號(hào)波形的失真；傳輸數(shù)字信號(hào)，還會(huì)引起相鄰碼元波形在時(shí)間上的相互重疊，造成碼間串?dāng)_。抑制措施：抑制措施：為了減小幅度頻率畸變，在設(shè)計(jì)總的電話信道傳輸特性時(shí)，一般都要求把幅度頻率畸變控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)；即通過(guò)一個(gè)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦，這一措施通常稱之為“均衡”；在載波電話信道上傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，通常要采取均衡措施。

16、相位頻率畸變相位頻率畸變 相位一頻率畸變相位一頻率畸變：相位頻率特性偏離線性關(guān)系所引起的畸變。生成原因舉例生成原因舉例：電話信道的相位頻率畸變主要來(lái)源于信道中的各種濾波器及可能有的加感線圈，尤其是在信道頻帶的邊緣畸變更為嚴(yán)重；特點(diǎn)特點(diǎn)：相頻畸變對(duì)模擬話音通信影響并不顯著，這是因?yàn)槿硕鷮?duì)相頻畸變不太靈敏；但對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸卻不然，尤其當(dāng)傳輸速率高時(shí)，相頻畸變會(huì)引起嚴(yán)重的碼間串優(yōu)，造成誤碼。群遲延頻率特性群遲延頻率特性 定義：定義：相位頻率特性對(duì)頻率的導(dǎo)數(shù)，若相位頻率特性為 ，則 若 呈線性關(guān)系，那么 曲線將是一條水平直線，如下圖所示。此時(shí)信號(hào)的不同頻率成分將有相同的群遲延，因而信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后不會(huì)發(fā)

17、生畸變； dd 00kk00kk理想的相位-頻率特性及群時(shí)延-頻率特性 實(shí)際的信道特性總是偏離理想的相位頻率特性及群時(shí)延-頻率特性，下圖給出一個(gè)典型的電話信道的群遲延頻率特性。 舉例：舉例：當(dāng)非單一頻率的信號(hào)通過(guò)該信道時(shí)，信號(hào)頻譜中的不同頻率分量將有不同的群遲延，即它們到達(dá)的時(shí)間不一樣，從而引起信號(hào)的畸變。 圖(a)是待發(fā)送的原信號(hào)，由基波和三次諧波組成，幅度比為2：1；經(jīng)受不同的遲延，基波相移，三次諧波相移2，合成波形與原信號(hào)的波形有了明顯的差別。恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)钠渌绊懞銋⑿诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)钠渌绊?非線性畸變：非線性畸變：由信道中元器件的振幅特性非線性引起的，造成諧波失真及若干

18、寄生頻率等；頻率偏移：頻率偏移：由信道中接收端解調(diào)載頻與發(fā)送端調(diào)制載頻之間偏差造成的；相位抖動(dòng)：相位抖動(dòng)：由調(diào)制和解調(diào)載頻不穩(wěn)定造成的，相位抖動(dòng)相當(dāng)在發(fā)送信號(hào)上附加一個(gè)小指數(shù)的調(diào)頻。2.5 2.5 隨參信道舉例隨參信道舉例1、短波電離層反射信道短波電離層反射信道短波的定義：短波的定義：波長(zhǎng)為10010m(相應(yīng)的頻率為330MHz)的無(wú)線電波；短波信道：短波信道：既可沿地表面?zhèn)鞑ィ部捎呻婋x層反射傳播； 地波傳播：地波傳播：一般是近距離的，限于幾十公里范圍； 天波傳播：天波傳播：借助于電離層的一次反射或多次反射可傳輸幾千公里，乃至上萬(wàn)公里的距離；電離層的相關(guān)知識(shí)：電離層的相關(guān)知識(shí)：離地面高606

19、00km的大氣層稱為電離層，是短波通信的主要路徑；電離層是由分子、原子、離子及自由電子組成的；形成電離層的主要原因是太陽(yáng)輻射的紫外線和x射線；信號(hào)經(jīng)電離層一次反射的最大傳輸距離約為4000km；如果通過(guò)兩次反射，那么通信距離可達(dá)8000km。短波信道電離層反射傳播短波信道電離層反射傳播天波通信頻率的選?。禾觳ㄍㄐ蓬l率的選?。簽閷?shí)現(xiàn)短波通信，在選用工作頻率時(shí)要考慮兩點(diǎn)：工作頻率應(yīng)小于最高可用頻率、選用頻率的電磁波在電離層的吸收較小；天波通信中的多徑傳輸：天波通信中的多徑傳輸：由電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射以及反射層高度不同等原因引起的；天波通信的特點(diǎn)：天波通信的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)很明顯，要求的功率較

20、小，終端設(shè)備的成本較低，傳播距離遠(yuǎn)，受地形限制較小，以及不易受到人為破壞；因此短波電離層反射信道現(xiàn)在仍然是遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹匾诺乐弧?duì)流層散射信道：對(duì)流層散射信道：一種超視距的傳播信道，其一跳的傳播距離約為100500km，可工作在超短波和微波波段。對(duì)流層簡(jiǎn)介：對(duì)流層簡(jiǎn)介：離地面1012km以下的大氣層。在對(duì)流層中，由于大氣湍流運(yùn)動(dòng)等原因產(chǎn)生了不均勻性，故引起電波的散射；散射具有強(qiáng)方向性。流層散射信道中的衰落流層散射信道中的衰落：可分為慢衰落和快衰落；前者取決于氣象條件，后者由多徑傳播引起。2 2、對(duì)流層散射信道、對(duì)流層散射信道 散射信道是典型的多徑信道；多徑傳播不僅引起信號(hào)電平的快衰落，而且

21、還會(huì)導(dǎo)致波形失真；如圖所示，窄脈沖經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度的路程到達(dá)接收點(diǎn)，由于經(jīng)過(guò)的路程不同使得到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)刻也不同，結(jié)果脈沖被展寬了，稱為信號(hào)的時(shí)間擴(kuò)展。 對(duì)流層散射信道中的多徑傳輸對(duì)流層散射信道中的多徑傳輸 脈沖信號(hào)通過(guò)帶限系統(tǒng)后，波形也被展寬，而且系統(tǒng)頻帶越窄，波形展寬越多；散射信道好像是一個(gè)帶限濾波器，其允許頻帶定義為 式中： 是最大多徑時(shí)延差；當(dāng)信號(hào)帶寬小于信道的允許頻帶時(shí)，波形不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重失真。C1B 允許頻帶允許頻帶 對(duì)流層散射信道的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)流層散射信道的應(yīng)用場(chǎng)合 干線通信需要每隔300km左右建立一個(gè)中繼站，構(gòu)成無(wú)線電中繼線路，以達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信主要應(yīng)用于海島與陸地、邊遠(yuǎn)地

22、區(qū)與中心城市之間的通信。2.6 2.6 隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨S參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?隨參信道的傳輸媒質(zhì)三個(gè)特點(diǎn): 對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化 傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變 多徑傳播移動(dòng)通信信道移動(dòng)通信信道 移動(dòng)通信信道建模移動(dòng)通信信道建模 移動(dòng)通信信道是一種隨參信道，無(wú)線電信號(hào)通過(guò)移動(dòng)信道時(shí)會(huì)受到各個(gè)方面的衰減損失，接收信號(hào)功率可表示為 其中 表示距離向量，其絕對(duì)值表示移動(dòng)用戶與基站的距離。 dRdSddPnd自由空間的路徑損失自由空間的路徑損失 ：移動(dòng)臺(tái)與基站之間距離的函數(shù)，描述的是大尺度區(qū)間(數(shù)百或數(shù)千米)內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度隨發(fā)射接收距離而變化的特性；陰影衰落陰影衰落 ：由傳輸環(huán)境

23、中的地形起伏、建筑物和其它障礙物對(duì)電波的阻塞或遮蔽而引起的衰落；陰影衰落描述的是中等尺度區(qū)間(數(shù)百波長(zhǎng))內(nèi)信號(hào)電平中值的慢變化特性；陰影衰落常稱慢衰落，也稱長(zhǎng)期衰落，主要來(lái)自建筑物和其它障礙物的阻塞效應(yīng)；多徑衰落多徑衰落 ：由移動(dòng)傳播環(huán)境中的多徑傳輸而引起的衰落；描述的是小尺度區(qū)間(數(shù)個(gè)或數(shù)十波長(zhǎng))內(nèi)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值的快速變化特性；多徑衰落常稱快衰落，又稱短期衰落或Rayleigh衰落，由移動(dòng)用戶附近的多徑散射產(chǎn)生。nd S d 移動(dòng)通信信道中的三種效應(yīng)移動(dòng)通信信道中的三種效應(yīng)( )R d 衰落信號(hào)的路徑損失、慢衰落與快衰落衰落信號(hào)的路徑損失、慢衰落與快衰落 多徑傳輸?shù)臄?shù)學(xué)建模多徑傳輸?shù)臄?shù)

24、學(xué)建模 多徑傳播后的接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路徑的信號(hào)的合成，設(shè)發(fā)射波為 則經(jīng)過(guò)n條路徑傳播后的接收信號(hào)可用下式表述： 式中， 為第i條路徑的接收信號(hào)的振幅； 為第i條路徑的傳輸時(shí)延，它隨時(shí)間不同而變化； 第i條路徑信號(hào)的相位是0cosAt 00coscosnniiiiiiR ttttttt ti ti ttii0 和 隨時(shí)間的變化與發(fā)射載頻的周期相比，通常要緩慢的多，即 和 可以認(rèn)為是緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程，因此 設(shè) ， 則 式中， 為合成波 的包絡(luò)； 為合成波 的相位。 ti ti ti ti niiiniiitttttttR00sinsincoscos niiictttXcos

25、 niiistttXsin 000cossincoscsR tXttXttV ttt t R t V t R t有： ， 由于 和 是緩饅變化的，因而， 、 及包絡(luò) ，相位 ，也是緩慢變化的，因此 可視為一個(gè)窄帶過(guò)程。 ti ti cXt sXt V t t R t 22csV tXtXt scXttarctgXt多徑傳輸?shù)奶匦远鄰絺鬏數(shù)奶匦詮牟ㄐ紊峡?，多徑傳播的結(jié)果使確定的載波信號(hào) 變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào)，即衰落信號(hào)；從頻譜上看，多徑傳輸引起了頻率彌散，即由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜；信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利分布律的衰落，通常稱之為瑞利型衰落；多徑效應(yīng)產(chǎn)生選擇性衰落：包括時(shí)間選擇性衰落

26、、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落。0cosAt 時(shí)間選擇性衰落：時(shí)間選擇性衰落：一種由多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過(guò)程的頻率擴(kuò)散； 空間選擇性衰落：空間選擇性衰落：在通信系統(tǒng)（例如移動(dòng)通信系統(tǒng)）的接收端，多徑信號(hào)到達(dá)天線陣列的到達(dá)角度的展寬。多徑傳輸中的頻率選擇性衰落多徑傳輸中的頻率選擇性衰落 接收信號(hào)為個(gè)不同路徑的散射信號(hào)之和，即 式中， 是第i條路徑(信道)的衰減系數(shù)； 為第i條路徑的相對(duì)傳輸時(shí)間差(簡(jiǎn)稱時(shí)延)。 為一階矩表示平均多徑時(shí)延， 的均方根代表多徑時(shí)延散布，常稱為時(shí)延擴(kuò)展，平均多徑時(shí)延 和時(shí)延擴(kuò)展 可分別表示為：式中： 表示時(shí)延擴(kuò)展的散布程度， 越大，時(shí)延擴(kuò)展越嚴(yán)重； 越小，時(shí)延擴(kuò)展

27、越輕。 MiibirttSatS1ia ti( )E t( )E t 0dtttE 022dttEt 設(shè)雙路徑信道，并以第一條路徑為參考。設(shè)路徑“1”的散射信號(hào)為 ，信道“2”的散射信號(hào)為 ， 表示雙路徑散射信號(hào)幅值關(guān)系的比例常數(shù)，而 代表路徑2與參考路徑1的時(shí)變相對(duì)時(shí)延。顯然，移動(dòng)用戶的接收信號(hào)為: tSi tjietrSr t tjiretStS10雙路徑信道的等效信道 等效信道的傳遞函數(shù)為 等效信道的幅度特性為 tjiretStSjtH1,0 trrtjrtrjtHtAcos21sincos1,2 若 （n為整數(shù)）即兩路徑信號(hào)同相時(shí)，接收信號(hào)出現(xiàn)峰點(diǎn)；而當(dāng) 即兩路徑信號(hào)反相時(shí)，接收信號(hào)出

28、現(xiàn)谷點(diǎn)，如下圖所示。 nt2 ) 12(nt等效信道的幅頻特性 相鄰兩個(gè)峰點(diǎn)的相位差為故有 或?qū)懽?。式中，Bcoh是兩個(gè)相鄰場(chǎng)強(qiáng)均為最大值（即兩信道保持強(qiáng)相關(guān)）時(shí)的最大頻率間隔，它就是相干帶寬。在工程應(yīng)用中，對(duì)于角度調(diào)制信號(hào)，相干帶寬可用下式估算： 式中為時(shí)延擴(kuò)展 2t 2t tBcoh1221cohB 總之，相干帶寬是信道頻率選擇性的測(cè)度。相干帶寬與信號(hào)帶寬之比越小，信道的頻率選擇性越強(qiáng)；反之，相干帶寬與信號(hào)帶寬之比越大，信道的頻率選擇性就越弱。 頻率選擇性衰落是由發(fā)射碼在信道內(nèi)的時(shí)間擴(kuò)散引起的，會(huì)引起碼間干擾。從頻域看，接收信號(hào)頻譜的某個(gè)頻率分量的增益就會(huì)比其它分量的增益大，從而使接收信

29、號(hào)發(fā)生畸變。2.7 隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善分集接收分集接收 分集接收技術(shù)的定義 利用不同路徑、不同頻率、不同電波到達(dá)角、不同時(shí)間和不同集化等方式去接收載有同一信息的信號(hào)，并將同一信息的各個(gè)信號(hào)分量按某種原則加以合并的信息處理技術(shù)。 分集接收技術(shù)的實(shí)質(zhì) 包含兩方面內(nèi)容，即信號(hào)的分散接收與合并輸出。分集技術(shù)主要解決兩個(gè)問題：一是如何獲得同一信號(hào)的多個(gè)彼此盡可能不相關(guān)的接收信號(hào)；二是如何有效的利用所接收到的各支路信號(hào)，采取妥善的方式將它們合并。分集接收技術(shù)的分類分集接收技術(shù)的分類 空間分集空間分集：在接收端架設(shè)幾副天線，各天線的位置間要求有足夠的間距(一般在100個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)以上)，以保

30、證各天線上獲得的信號(hào)基本互相獨(dú)立。頻率分集頻率分集：采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇。要求兩個(gè)分集接收信號(hào)相關(guān)性較小。角度分集角度分集：利用天線波束指向不同使信號(hào)不相關(guān)的原理構(gòu)成的一種分集法。極化分集極化分集：分別接收水平極化和垂直極化波而構(gòu)成的一種分集方法，兩個(gè)極化方向上的電磁波相關(guān)性極小。分集集中技術(shù)的分類分集集中技術(shù)的分類 選擇式集中選擇式集中：從幾個(gè)分散信號(hào)中設(shè)法選擇其中信噪比最好的一個(gè)作為接收信號(hào)；等增益相加式等增益相加式：將幾個(gè)分散信號(hào)以相同的支路增益進(jìn)行直接相加，相加后的信號(hào)作為接收信號(hào)；最大比值相加式最大比值相加式：控制各支路增

31、益，使它們分別與本支路的信噪比成正比，然后再相加獲得接收信號(hào)。以上各合并方式改善總接收信噪比的能力不同。最大比值合并方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳選擇方式最差。2.8信道的加性噪聲信道的加性噪聲 加性噪聲的分類加性噪聲的分類 人為噪聲人為噪聲：源于無(wú)關(guān)的其他信號(hào)源，例如外臺(tái)信號(hào)、開關(guān)接觸噪聲、工業(yè)的點(diǎn)火輻射及熒光燈干擾等。自然噪聲自然噪聲：源于自然界存在的各種電磁波源，例如閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲及其他各種宇宙噪聲等。內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲：源于系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，例如：在電阻一類的導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)(常稱為熱噪聲)、真空管中電子的起伏發(fā)射和半導(dǎo)體中載流于的起伏變化(常稱為

32、散彈噪聲)及電源哼聲等。隨機(jī)噪聲的分類隨機(jī)噪聲的分類 單頻噪聲單頻噪聲：一種連續(xù)波干擾，可視為己調(diào)正弦波，其幅度、頻率或相位事先不能預(yù)知的；主要特點(diǎn)是占有極窄的頻帶，在頻率軸上的位置可以實(shí)測(cè)。脈沖噪聲脈沖噪聲：在時(shí)間上無(wú)規(guī)則地突發(fā)短促噪聲，例如工業(yè)上的點(diǎn)火輻射、閃電及偶然的碰撞和電氣開關(guān)通斷等產(chǎn)生的噪聲；主要特點(diǎn)是突發(fā)的脈沖幅度大，持續(xù)時(shí)間短，相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間有較長(zhǎng)的安靜時(shí)段；從頻譜上看，有較寬的頻譜，頻率越高，頻譜強(qiáng)度就越小。起伏噪聲起伏噪聲：以熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的噪聲；其特點(diǎn)是無(wú)論在時(shí)域內(nèi)還是在頻域內(nèi)總是普遍存在和不可避免的。起伏噪聲的分類起伏噪聲的分類 熱噪聲：熱噪聲：由電阻等導(dǎo)體中自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的噪聲；電子的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交流電流成分，即熱噪聲；服從高斯分布。散彈噪