無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)課件：無線通信信道

無線通信信道2.1無線信道的概念與分類2.2電波傳播方式與無線信道的特性2.3信道對(duì)信號(hào)的影響2.4信號(hào)帶寬、系統(tǒng)帶寬與信道帶寬2.5信道容量本章小結(jié)習(xí)題與思考題

教學(xué)目標(biāo)

?了解無線信道的概念與分類。

?熟悉電波傳播方式與無線信道的特性。

?了解信道對(duì)信號(hào)的具體影響。

?掌握信道帶寬、系統(tǒng)帶寬與信號(hào)帶寬的概念。

?掌握信道容量的計(jì)算。

重點(diǎn)、難點(diǎn)

?無線信道的概念。

?無線電波的傳播方式。

?信道帶寬、系統(tǒng)帶寬與信號(hào)帶寬的概念。

?信道容量的計(jì)算。

2.1無線信道的概念與分類

2.1.1無線信道的概念

信道的應(yīng)用參考點(diǎn)不同,信道的概念及定義就不同。狹義的無線信道概念,是指以電磁波、紅外線、可見光波等為載體,在空間或宇宙中構(gòu)成的信號(hào)物理通路,或者說,是指空間或宇宙中電波通過的一段頻帶。

無線信道是非導(dǎo)向傳輸信道,無線電波在空間或宇宙中以自由直線方式傳播,傳播速度為3×108m/s,同時(shí)具有折射、反射、繞射和干涉等波的特性。(對(duì)于導(dǎo)向傳輸信道,如光纜、電纜、雙絞線等,光波或電磁波被導(dǎo)向沿此固體信道傳播。)

無線信道為開放性信道,時(shí)時(shí)刻刻受到人為因素或自然現(xiàn)象的影響與干擾,其傳輸特性不如有線信道穩(wěn)定和可靠,但無線信道具有方便、靈活,通信者可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代生活中越來越受到人們的重視。2.1.2無線信道的分類

無線信道的分類方法很多,依照無線電傳輸特性不同,無線信道可分為近地空間信道、對(duì)流層散射信道、電離層折射信道、流星余跡反射信道、衛(wèi)星通信信道等。對(duì)應(yīng)的通信方式為近地空超視距通信、對(duì)流層散射通信、電離層反射通信、地面視距通信、衛(wèi)星通信等。

依照無線信道中傳輸?shù)碾姴l率或波長(zhǎng)不同,可分為極低頻、超低頻、特低頻……、至高頻、光波頻段等,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為極長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波、特長(zhǎng)波……、絲米波、光波等,具體如表2－1所示。不同頻率范圍對(duì)應(yīng)的傳輸媒質(zhì)與用途如表2－2所示。

2.2電波傳播方式與無線信道的特性

無線電波的傳播方式有直射、反射、透射、折射、繞射和散射,傳輸信道則分為近地空間信道、對(duì)流層散射信道、電離層折射信道、衛(wèi)星通信信道等。不同信道的電波直射、反射、折射、繞射和散射特性不同。下面先介紹無線電波的傳播方式,然后介紹不同無線信道的傳輸特性。

2.2.1無線電波的傳播方式

無線電波的傳播分直射、反射、透射、折射、繞射、散射等方式(現(xiàn)象)。

1.直射

根據(jù)無線電波的特性,無線電波在無遮擋的均勻大氣媒質(zhì)中傳播時(shí),應(yīng)以恒定的速度沿直線傳播,由于能量的擴(kuò)散與大氣媒質(zhì)的吸收作用,傳輸距離越遠(yuǎn)信號(hào)強(qiáng)度越小,并且大氣媒質(zhì)的吸收衰減作用又與電波頻率有關(guān),頻率越高,衰減越大,如圖2－1所示。圖21大氣吸收損耗(衰減)

無線電波在非均勻的大氣媒質(zhì)中傳播時(shí),速度會(huì)發(fā)生變化,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生反射、透射、折射、繞射、散射的現(xiàn)象,其傳播能量一般會(huì)小于直射波。

2.反射

當(dāng)電波碰到的建筑物或其他障礙物的尺寸大于其波長(zhǎng)時(shí),會(huì)發(fā)生反射,如圖2－2所示。反射波的強(qiáng)度低于直射波,但多重反射會(huì)形成多條到達(dá)接收端的傳播路徑,即形成多徑反射波,并會(huì)造成多徑衰落。圖2－2無線電波反射

3.折射與透射

當(dāng)電波由一種媒質(zhì)進(jìn)入到另一種媒質(zhì),例如電波進(jìn)入水下、地下、大氣層或墻壁等時(shí),由于媒質(zhì)的密度、介電常數(shù)等的不同,傳播速度與路徑偏轉(zhuǎn)將不同,這種現(xiàn)象稱為無線電波折射,如圖2－3所示。電波由一種媒質(zhì)穿過另一種媒質(zhì),例如電波穿過墻壁、地板、家具,或電波穿過大氣層進(jìn)入外側(cè)空間等時(shí),稱為無線電波透射。

電波的折射強(qiáng)度與入射波的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、角度和障礙物的透射率等因素有關(guān),并且一般折射強(qiáng)度比直射波的差。圖2－3無線電波折射與透射

4.繞射

當(dāng)電波遇到較大的障礙物(如山丘、建筑物等)時(shí),會(huì)通過邊緣繞到其背后繼續(xù)傳播,這種現(xiàn)象稱為無線電波繞射,如圖2－4所示。繞射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào),其強(qiáng)度與反射波相當(dāng),并且波長(zhǎng)越長(zhǎng),其繞射能力越強(qiáng),但是當(dāng)障礙物尺寸遠(yuǎn)大于電波波長(zhǎng)時(shí),繞射就會(huì)變得微弱。圖2－4無線電波繞射

5.散射

當(dāng)電波遇到粗糙障礙物或小物體,如雨點(diǎn)、樹葉、微塵等時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量雜亂無章的反射,即漫反射,稱為無線電波散射,如圖2－5所示。散射造成能量的分散,加大了電波的損耗,使到達(dá)接收點(diǎn)的傳播信號(hào)強(qiáng)度減弱。圖2－5無線電波散射

2.2.2無線通信信道的特性

1.近地空間信道的特性

無線電波近地空間信道中會(huì)產(chǎn)生電波地表繞射、近地空間直射和地面反射,地面反射又可分為地表反射與地面物體反射。近地空間傳播信道的主要特性如下:

(1)大地對(duì)繞射波的吸收損耗很大,這個(gè)損耗與地表的導(dǎo)電性和電波頻率等有關(guān)。導(dǎo)電性越好,吸收越少,電波傳播損耗越小;電波頻率越低,損耗越小,繞射能力越強(qiáng)。

(2)受地球曲率和天線高度的影響,地面上兩點(diǎn)間的直線通信距離一般小于60km的視距范圍。若想在近地空間實(shí)現(xiàn)超視距直線通信,只能在地面與空中、空中與空中之間完成,工作頻率一般在30MHz以上。

(3)地表反射波與地面物體反射波是近地空間傳播存在的主要問題之一,其信號(hào)強(qiáng)度比直射波弱,帶來的多徑衰落會(huì)直接影響通信的正常進(jìn)行,所以要采取抗多徑衰落的分集接收技術(shù)或盡量避免其存在。

(4)無線電波在近地空間傳播時(shí),如果在傳播路徑中遇到障礙物,就會(huì)在障礙物的后面形成電波的陰影。接收機(jī)在移動(dòng)到陰影區(qū)時(shí),電波會(huì)發(fā)生非常大的陰影衰落,造成通信中斷,所以要采取衰落儲(chǔ)備措施,例如增加發(fā)射功率、增加發(fā)射天線或減小無線小區(qū)的覆蓋尺寸等。

2.對(duì)流層散射信道的特性

對(duì)流層距離地球表面大約10km(8~17km)的高度,冷暖空氣團(tuán)對(duì)流,有風(fēng)、雨、雷、電等氣象現(xiàn)象,如圖2－6所示。在對(duì)流層中會(huì)不斷產(chǎn)生大氣渦流(湍流),使溫度、濕度和氣壓

產(chǎn)生隨機(jī)變化,引起大氣折射指數(shù)發(fā)生變化。這種折射指數(shù)不斷起伏的區(qū)域構(gòu)成了散射體圖2－6對(duì)流層散射傳播示意圖對(duì)流層中散射波傳播主要特性如下:

(1)對(duì)流層散射傳播不受核爆炸以及太陽黑子、電離層擾動(dòng)、極光、磁暴等自然現(xiàn)象的影響,在軍事通信中不可或缺。

(2)對(duì)流層散射主要應(yīng)用在100MHz~10GHz的頻段,傳播距離為300~800km,適用于無法建立微波中繼站的地區(qū)(如海島之間,跨越湖泊、沙漠、雪山的地區(qū))。

(3)通信容量、質(zhì)量比短波通信高。

(4)對(duì)流層散射信道中電波傳播的特點(diǎn)和散射通信為窄波束定向通信的特性決定了這種通信方式的保密性、抗毀性和抗干擾性能均比衛(wèi)星通信好。

(5)對(duì)流層散射通信的缺點(diǎn)包括傳播損耗較大、存在多徑傳輸?shù)取?/p>

3.電離層折射信道的特性

大氣分子由于受太陽紫外線和高能粒子輻射,而產(chǎn)生游離,分裂為帶電電子和離子,由這些帶電電子和離子組成的大氣層稱為電離層,通常距地面50~500km。

另外,地球周圍的大氣層并不是一種均勻媒質(zhì)。因?yàn)榇髿獾拿芏取毫?、溫度與濕度都是隨著高度而變化的,所以,電波在大氣層中的傳播,實(shí)際上就是一個(gè)電波在不均勻媒質(zhì)中的傳播問題。電波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生大氣折射現(xiàn)象。

4.衛(wèi)星通信信道的特性

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號(hào)。根據(jù)衛(wèi)星距離地面的高度,衛(wèi)星系統(tǒng)可分為20000km以上的高軌道衛(wèi)星系統(tǒng)、5000~20000km的中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)和500~5000km的低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)了地面與電離層以外空間的電波傳輸,如圖2－7所示,所以其信道特性不同于其他無線信道。圖2－7衛(wèi)星通信示意圖

首先,衛(wèi)星通信的電波要穿透大氣層,進(jìn)入外層空間,本身通信距離長(zhǎng),信號(hào)在傳輸過程中損耗和延時(shí)就大。

其次,電波將受到電離層中自由電子、離子以及對(duì)流層中的氧分子、水蒸氣分子和云、霧、雨、雪等的吸收而產(chǎn)生損耗,衰減在1020

倍以上,故對(duì)電波的穿透能力提出了較高要求。一般工作頻段選擇在1~10GHz;最理想的頻率為4~6GHz。

另外,宇宙噪聲、太陽黑子、核爆炸等因素對(duì)衛(wèi)星通信影響較大。衛(wèi)星與地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),但靜止衛(wèi)星除外。

2.3信道對(duì)信號(hào)的影響

廣義信道中的調(diào)制信道分為恒參信道與變參信道兩類

2.3.1恒參信道對(duì)信號(hào)的影響

1.線性畸變與改善措施

通常,恒參信道產(chǎn)生的畸變叫線性畸變,它主要是因?yàn)楹銋⑿诺赖姆取l率特性和相位—頻率特性不理想造成的。線性畸變和非線性畸變的區(qū)別是線性畸變不會(huì)產(chǎn)生新的頻率成分。

現(xiàn)在我們以典型有線電話電纜信道為例,來說明恒參信道的線性畸變。

1)幅度—頻率特性及畸變

幅度—頻率畸變是由于信道的幅度—頻率特性不理想引起的,這種畸變又稱為頻率失真。

在通常的電話信道中可能存在各種濾波器,尤其是帶通濾波器,還可能存在混合線圈、串聯(lián)電容器和分路電感等,因此電話信道的幅度—頻率特性總是不理想。

例如,圖2－8為典型音頻電話信道的總衰耗頻率特性,其低頻截止頻率約從300Hz開始,300Hz以下的衰耗隨頻率的升高而減小;在300~1100Hz范圍內(nèi)衰耗比較平坦;在1100~2900Hz內(nèi),衰耗通常是線性上升的;在2900Hz以上,衰耗增加很快。圖2－8典型音頻電話信道的總衰耗頻率特性

顯然,如上所述的不均勻衰耗必然使傳輸信號(hào)的幅度—頻率特性發(fā)生畸變,引起信號(hào)波形的失真。此時(shí)若要傳輸數(shù)字信號(hào),還會(huì)引起相鄰數(shù)字信號(hào)波形之間在時(shí)間上的相互重疊,造成碼間串?dāng)_。

2)相位—頻率特性及畸變

所謂相位—頻率畸變,是指信道的相位—頻率特性偏離線性關(guān)系所引起的畸變,如圖2－9中偏離虛線的部分。圖2－9電話信道的相位—頻率特性

信道的相位—頻率特性經(jīng)常采用群遲延—頻率特性來衡量,所謂群遲延—頻率特性,定義為相位—頻率特性的導(dǎo)數(shù),即

(2－1)

可以看出,如果φ(ω)~ω呈現(xiàn)線性關(guān)系(圖2－9中的虛線),則

τ(ω)~ω

將是一條水平直線,即信道不發(fā)生相位—頻率畸變時(shí),不同頻率的信號(hào)將有相同的遲延。

但實(shí)際的信道特性總是偏離理想特性的,為了減小幅度—頻率和相位—頻率線性畸變,可采取以下措施:

(1)嚴(yán)格限制已調(diào)制信號(hào)的頻譜,使它保持在信道的線性范圍內(nèi)傳輸。

(2)設(shè)計(jì)總的信道傳輸特性時(shí),注意改善信道中的濾波性能,把幅度—頻率畸變和相位—頻率畸變控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。

(3)通過增加線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),使衰耗特性曲線變得平坦,這一措施通常稱為“均衡”。均衡的方式有頻域均衡和時(shí)域均衡。

2.非線性畸變和其他影響

線性畸變是恒參信道對(duì)信號(hào)的主要影響。除此以外,信道對(duì)信號(hào)的損害還有非線性畸變、頻率偏移、相位抖動(dòng)、回波干擾等。

非線性畸變主要是由信道中的元器件(如磁芯、電子器件等)的非線性特性引起的,會(huì)造成信號(hào)失真或產(chǎn)生寄生頻率等。

頻率偏移通常是由于通信系統(tǒng)中接收端解調(diào)載波與發(fā)送端調(diào)制載波之間的頻率有偏差(例如解調(diào)載波可能沒有鎖定在調(diào)制載波上),而造成信道傳輸?shù)男盘?hào)的每個(gè)分量可能產(chǎn)生的頻率變化。

相位抖動(dòng)也是由調(diào)制和解調(diào)載波發(fā)生器的不穩(wěn)定性造成的,這種抖動(dòng)的結(jié)果相當(dāng)于發(fā)送信號(hào)附加上了一個(gè)小指數(shù)的調(diào)頻。

回波干擾是混合線圈不平衡所導(dǎo)致的。

以上的非線性畸變一旦產(chǎn)生,一般均難以排除,因而需要在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)從技術(shù)上加以重視。

3.噪聲干擾

恒參信道的傳輸函數(shù)K(ω)不隨時(shí)間而變,或變化極為緩慢,所以噪聲干擾主要是加性噪聲n(t)。

加性噪聲n(t)分為高斯白噪聲和脈沖噪聲兩類。

高斯白噪聲是指噪聲的概率密度函數(shù)服從高斯分布,功率譜服從均勻分布的一類噪聲,通信系統(tǒng)中的傳輸媒質(zhì)熱噪聲、設(shè)備熱噪聲和散彈噪聲以及由接收天線收到的輻射等均為高斯白噪聲,它是較穩(wěn)定的、不可避免的背景噪聲。

脈沖噪聲是指重復(fù)出現(xiàn)的持續(xù)時(shí)間很短的脈沖波形,這種噪聲可能是人為產(chǎn)生的,也可能是自然產(chǎn)生的,大部分脈沖噪聲是因電氣切換和通信設(shè)備開關(guān)的瞬態(tài)引起的。另外,微波衰落和維護(hù)工作中的偶然碰撞也會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的突發(fā)脈沖噪聲;天然雷電也會(huì)引起脈沖噪聲。這些噪聲均為隨機(jī)性影響,無法徹底消除,只能增加抗干擾能力來減弱它的影響。

2.3.2變參信道對(duì)信號(hào)的影響

衛(wèi)星通信信道、短波電離層反射信道、對(duì)流層散射信道、地面移動(dòng)通信信道等無線信道都為變參信道。

變參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多,對(duì)信號(hào)的影響也要嚴(yán)重得多,其根本原因在于它包含一個(gè)非常復(fù)雜的傳輸媒質(zhì)。

變參信道傳輸媒質(zhì)通常具有以下特點(diǎn):

(1)存在多徑傳播現(xiàn)象,造成多徑衰落。

(2)當(dāng)發(fā)送端和接收端相對(duì)快速移動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。

(3)傳輸特性隨環(huán)境與位置的不同而不同。

1.多徑傳播、頻率彌散和選擇性衰落

衛(wèi)星通信、微波移動(dòng)通信、電離層反射和散射、對(duì)流層散射等無線通信過程中,始終存在著可能不斷變化的反射和散射物體,使直射波、反射波、散射波經(jīng)多條路徑傳播到達(dá)接收端,這種現(xiàn)象稱為多徑傳播,如圖2－10所示。由于到達(dá)接收天線的信號(hào)幅度、相位、時(shí)延以及入射角度不同,造成接收到的信號(hào)合成后起伏很大,使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重且快速的衰落,這就是多徑衰落。圖2－10多徑傳播示意圖

多徑傳播會(huì)引起以下情況:

(1)使單一載頻信號(hào)變成了包絡(luò)和相位均發(fā)生變化(實(shí)際上受到調(diào)制)的窄帶信號(hào),也就是說,多徑傳播引起了頻率彌散,使單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜。

(2)引起頻率選擇性衰落。所謂頻率選擇性衰落,是指信號(hào)頻譜中某一些分量衰耗特別大(傳輸增益為0),而另一些頻譜分量衰耗卻比較小,經(jīng)過傳輸后信號(hào)出現(xiàn)畸變。

(3)引起時(shí)間選擇性衰落。所謂時(shí)間選擇性衰落,是指時(shí)延不同,造成衰落不同。

(4)引起空間選擇性衰落。所謂空間選擇性衰落,是指空間環(huán)境的不同,造成衰落不同。由于信號(hào)在無線信道傳播時(shí),其所經(jīng)歷的衰落取決于發(fā)送信號(hào)和信道的特性,也就是信號(hào)參數(shù)與信道參數(shù)決定了不同的發(fā)送信號(hào)將經(jīng)歷不同類型的衰落,所以在不同的空間、頻率和時(shí)間上其衰落特性是不一樣的。

根據(jù)發(fā)送信號(hào)的周期(頻率)與信道變化快慢程度的比較,可以將信道分為快衰落信道和慢衰落信道?？焖ヂ湫诺赖臎_激響應(yīng)在信號(hào)周期內(nèi)變化很快,也就是信道的相干時(shí)間比發(fā)送信號(hào)的周期短(注:相干時(shí)間就是信道保持恒定的最大時(shí)間差范圍。如果發(fā)射端的信號(hào)在相干時(shí)間之內(nèi)到達(dá)接收端,則信號(hào)的衰落特性相似,接收端認(rèn)為是一個(gè)信號(hào))。慢衰落信道的沖激響應(yīng)變化率大大小于發(fā)送的基帶信號(hào)的周期,因此,可以認(rèn)為在一個(gè)或幾個(gè)信號(hào)周期內(nèi),信道為非時(shí)變的。

通常,多徑效應(yīng)引起的選擇性衰落為快衰落,電離層濃度變化等因素所引起的信號(hào)衰落為慢衰落,亦稱為平坦性衰落。

2.多普勒頻移與多普勒衰落

當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體達(dá)到一定的速度時(shí)(如急速行駛的汽車、超音速飛機(jī),人造衛(wèi)星發(fā)射等),固定點(diǎn)接收到的從運(yùn)動(dòng)體發(fā)來的載波頻率將隨物體運(yùn)動(dòng)速度的不同產(chǎn)生不同的頻移,導(dǎo)致信號(hào)頻率擴(kuò)展,通常把這種現(xiàn)象稱為多普勒頻移(或擴(kuò)散、擴(kuò)展)。

3.陰影效應(yīng)與衰落

當(dāng)電波在傳播路徑上遇到建筑物、樹木、森林等的阻擋時(shí),會(huì)形成電磁場(chǎng)的陰影。陰影效應(yīng)主要表現(xiàn)為樹木和建筑物對(duì)直射波的吸收、散射或繞射引起直射波的衰減變化,以

及相關(guān)多徑分量對(duì)直射波的干涉作用。衰減量取決于樹葉和枝干的濃密度、電波穿越樹冠的路徑以及建筑物的大小。

當(dāng)移動(dòng)用戶通過不同障礙物的陰影時(shí),會(huì)造成接收?qǐng)鰪?qiáng)中值的變化。這種由于陰影效應(yīng)導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)中值隨著地理位置改變而出現(xiàn)緩慢變化的現(xiàn)象稱為陰影衰落。這種衰落是一種慢衰落,衰落率與移動(dòng)物的速度以及阻擋物的分布有關(guān)。

4.變參信道特性的改善

變參信道特性的改善措施可以在發(fā)送端或接收端進(jìn)行,或者在兩端共同進(jìn)行。前者作為預(yù)防,后者作為補(bǔ)救,具體方案有冗余法與均衡法。

1)冗余法

冗余法是指采用一個(gè)以上的鏈路來傳輸信號(hào),以減少傳輸失敗的概率,包括分集技術(shù)、糾錯(cuò)編碼、重發(fā)技術(shù)等。例如發(fā)送分集是同一個(gè)信號(hào)由若干個(gè)天線向同一個(gè)接收機(jī)發(fā)送,接收分集是若干接收天線接收同一個(gè)信號(hào)。

2)均衡法

均衡法是指通過頻域均衡、時(shí)域均衡、信源的適應(yīng)等技術(shù)改善信道特性。冗余法和均衡法這兩種方法互不排斥,在實(shí)際使用時(shí)可以組合。對(duì)于平坦性衰落(慢衰落),主要采用加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)增加自動(dòng)增益控制的技術(shù);對(duì)于快衰落,通?？刹捎枚喾N措施,例如各種抗衰落的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)及接收技術(shù)等,其中較為有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。

3)分集接收技術(shù)

按照廣義信道的含義,分集接收可看作是變參信道中的一個(gè)組成部分或一種改造形式,而改造后的變參信道,其衰落特性將能夠得到明顯改善。下面簡(jiǎn)單介紹分集接收的原理。

互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的一些信號(hào),一般可利用不同路徑、不同頻率、不同角度、不同極化等接收手段來獲取,大致有如下幾種分集方式。

(1)空間位置分集(多天線)。在接收端架設(shè)幾副天線,天線的相對(duì)位置要求有足夠的間距(一般在100個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)左右),以保證各天線上獲得的信號(hào)彼此基本獨(dú)立。

(2)空間角度分集(智能天線)。這是利用天線波束指向不同方向上的信號(hào)(有不同相關(guān)性)的原理形成的一種分集方法,例如在微波天線上設(shè)置若干個(gè)反射器,產(chǎn)生相關(guān)性很小的幾個(gè)波束。

(3)頻率分集。用多個(gè)不同頻率信號(hào)傳送同一個(gè)信息,如果各載頻的頻差相隔比較大,則各分散信號(hào)彼此間也基本不相關(guān)。

(4)時(shí)間分集。對(duì)于隨機(jī)衰落信號(hào),如果對(duì)其振幅進(jìn)行順序取樣,那么時(shí)間間隔大于相干時(shí)間的兩個(gè)采樣點(diǎn)是互不相關(guān)的。時(shí)間分集就是根據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行的。將信號(hào)按間隔一定的時(shí)隙重復(fù)傳輸L次,只要時(shí)間間隔大于相干時(shí)間,就可得到L條獨(dú)立的分集支路。

(5)極化分集。這是分別接收兩種不同極化信號(hào)(水平極化和垂直極化)而構(gòu)成的一種分集方法,一般這兩種波在信道中的相關(guān)性極小。

(6)場(chǎng)分集。場(chǎng)分集是利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào)分別傳輸信號(hào)的,以取得互不相關(guān)的信號(hào)副本。這是由于任一點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量是互不相關(guān)的。

當(dāng)然,還有其他分集方法,這里不再贅述。需要指出的是,分集方法均不是互相排斥的,在實(shí)際使用時(shí)可以相互組合。例如由二重空間分集和二重頻率分集組成四重分集系統(tǒng)等。

從總的分集效果來說,分集接收除能提高接收信號(hào)的電平外,主要是改善了衰落特性,使信道的衰落更加平滑、更小了。例如,無分集時(shí),若誤碼率為10-2,則在用四重分集時(shí),誤碼率可降低至10-7左右。由此可見,用分集接收方法對(duì)變參信道進(jìn)行改善是非常有效和必要的。

2.4信號(hào)帶寬、系統(tǒng)帶寬與信道帶寬

帶寬(bandwidth)即通頻帶寬度,指波長(zhǎng)、頻率或能量帶的范圍。

所有帶寬均用符號(hào)B表示,單位為Hz。不同帶寬的計(jì)算方法類似,而表示的概念不同,所以用到帶寬時(shí)都需要說明是哪種帶寬。

對(duì)通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)姆治鲋?經(jīng)常會(huì)遇到信號(hào)帶寬、系統(tǒng)帶寬、信道帶寬;實(shí)際帶寬與理想帶寬;絕對(duì)帶寬與相對(duì)帶寬;窄帶、寬帶、超寬帶等不同種類帶寬的概念。

下面分別說明這些帶寬的概念。

1.信號(hào)帶寬、系統(tǒng)帶寬、信道帶寬

(1)信號(hào)帶寬:表示信號(hào)能量譜密度或功率譜密度在頻域的分布規(guī)律,由信號(hào)的特點(diǎn)決定。

(2)系統(tǒng)帶寬:表示電路系統(tǒng)的頻率傳輸特性。若信號(hào)在系統(tǒng)帶寬內(nèi),則能較好地通過;若信號(hào)在系統(tǒng)帶寬外,則被抑制。系統(tǒng)帶寬特性主要由構(gòu)成系統(tǒng)的電路、電子器件等決定。

(3)信道帶寬:任何實(shí)際的信道所能傳輸?shù)男盘?hào)頻率有一定的范圍,這一范圍稱為該信道頻帶的寬度,即信道帶寬。

(4)實(shí)際帶寬的大小關(guān)系。

在模擬信號(hào)通信過程中,要求信號(hào)不失真?zhèn)鬏?一般要求實(shí)際帶寬的大小關(guān)系滿足下式:

(2－2)

在數(shù)字信號(hào)通信過程中,不考慮信號(hào)失真問題,僅考慮無碼間串?dāng)_,要求實(shí)際帶寬的大小關(guān)系滿足下式:(2－３)

2.實(shí)際帶寬與理想帶寬

圖2－11所示為系統(tǒng)實(shí)際帶寬與系統(tǒng)理想帶寬示意圖。在信號(hào)與系統(tǒng)理論分析中,信號(hào)和系統(tǒng)的頻率取值域?yàn)?-∞,+∞),但負(fù)頻率實(shí)際不存在,所以把實(shí)際存在的正頻率區(qū)域帶寬稱為實(shí)際帶寬,例如,信號(hào)實(shí)際帶寬、系統(tǒng)實(shí)際帶寬、信道實(shí)際帶寬等。圖2－11系統(tǒng)實(shí)際帶寬與系統(tǒng)理想帶寬示意圖

理想帶寬是指在通信系統(tǒng)分析中,假設(shè)信道或系統(tǒng)分析對(duì)象為理想情況下呈現(xiàn)的頻帶寬度。例如,假設(shè)通信系統(tǒng)為理想低通濾波器時(shí),對(duì)外呈現(xiàn)出的帶寬就是理想帶寬,這樣可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)理論分析。

3.絕對(duì)帶寬與相對(duì)帶寬

下面以系統(tǒng)帶寬為分析對(duì)象,說明絕對(duì)帶寬與相對(duì)帶寬的概念。設(shè)通信系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為H(f

),在中心頻率為f0的Δf寬度內(nèi)的信號(hào)可以完全通過本系統(tǒng),則稱Δf

為系統(tǒng)的絕對(duì)帶寬,Δf/f0

為相對(duì)帶寬,如圖2－12所示。圖2－12絕對(duì)帶寬與相對(duì)帶寬示意圖

4.窄帶、寬帶與超寬帶

依據(jù)帶寬的大小可將其分為窄帶、寬帶與超寬帶,但窄帶、寬帶與超寬帶之間沒有嚴(yán)格界限,不同通信系統(tǒng)和國家對(duì)此的規(guī)定不同。下面給出一個(gè)常見的數(shù)值,僅供大家參考。

窄帶:Δf

/f

0<1%;

寬帶:1%<Δ

f

/f

0

<25%;

超寬帶:Δf

/f

0

>25%(美國的定義);

超寬帶:Δf/f

0

→100%(俄羅斯的定義)。

2.5信道容量

信道能傳輸信息的最大能力稱為信道容量或最大數(shù)據(jù)速率。通常以信道每秒所能傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為單位,記為“

b/s”、“比特/秒”或“位/秒”。

信道容量越大,信道的傳輸能力就越強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中,信道容量應(yīng)大于傳輸速率,否則高的傳輸速率得不到充分發(fā)揮和利用。

2.5.1香農(nóng)信道容量

在假設(shè)信道(或系統(tǒng))無碼間串?dāng)_,信號(hào)與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時(shí),信道的理想帶寬為B(Hz),理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘緾可以由香農(nóng)(Shannon)定理確定,香農(nóng)定理公式為

(2－4)

其中信號(hào)功率為S(W),加性高斯白噪聲單邊功率譜密度為n0(W/Hz),令信道的噪聲功率N=n0

B=σ2

,則得到香農(nóng)定理的另一表達(dá)式為(2－5)

根據(jù)式(2－5)得出以下結(jié)論:

(1)提高S/N或B

,則信道容量增加。

(2)在給B、S/N的情況下,信道的極限傳輸能力為C,且此時(shí)能做到無差錯(cuò)傳輸。實(shí)際傳輸速率(一般地)要求不能大于C,除非允許存在一定的差錯(cuò)率。

(3)在給B，n0→0的情況下,則C→∞,這意味著不考慮系統(tǒng)碼間串?dāng)_時(shí),無干擾信道容量為無窮大。

(4)C可以通過B及S/N的互換而保持不變。香農(nóng)定理又告訴我們，要維持同樣大小的信道容量，可以通過調(diào)整信道的B及S/N來達(dá)到，即信道容量可以通過系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。。

(5)如果S、n0一定，則無限增大B并不能使C值也趨于無限大，這是因?yàn)檫@時(shí)的噪聲功率n0B也趨向于無限大。

香農(nóng)定理給出了通信系統(tǒng)所能達(dá)到的極限信息傳輸速率,達(dá)到極限信息傳輸速率的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng)。

香農(nóng)定理描述了無碼間串?dāng)_時(shí),在有限帶寬、有隨機(jī)熱噪聲的情況下,信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信噪比之間的關(guān)系。

要想提高信息的傳輸速率,或者提高傳輸線路的帶寬,或者提高所傳輸信號(hào)的信噪比,此外沒有任何其他辦法。但是,香農(nóng)定理只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”,卻沒有指出這種通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

2.