一、信道的定義與分類

1.

狹義信道：僅指傳輸媒質(zhì)。分為：有線信道（包括架空明線、對稱電纜、同軸電纜以及光導(dǎo)纖維。）無線信道（包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波無線電視距離傳輸、衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。）2.廣義信道：除了傳輸媒質(zhì)外，還包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，如發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等。這種范圍擴大了的信道稱為廣義信道。分為以下兩種：調(diào)制信道研究調(diào)制與解調(diào)的角度定義7/22/20231編碼信道研究編碼和解碼的角度定義

圖3-1調(diào)制信道與編碼信道需要指出，無論何種廣義信道，傳輸媒質(zhì)是其主要部分，通信質(zhì)量的好壞，主要取決于傳輸媒質(zhì)的特性。7/22/20232

每個輸出符號只取決于當(dāng)前輸入符號，而和前面輸入符號無關(guān)信道的分類7/22/20233狹義信道一有線傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)：通信系統(tǒng)中連接收發(fā)雙方的物理通路，即通信過程中消息傳送的載體。分類：有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)。

系統(tǒng)的傳輸性能和質(zhì)量，不但與信號特性有關(guān)，還與傳輸介質(zhì)的特性有關(guān)。當(dāng)采用有線傳輸介質(zhì)時，傳輸介質(zhì)本身的特性對傳輸極限的影響極為重要。例如，介質(zhì)本身的帶寬就限制了系統(tǒng)的帶寬。常用有線傳輸介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜、光纖等。1.雙絞線類型:屏蔽型（STP）和非屏蔽型(UTP)。輸入阻抗：100Ω和150Ω兩種。7/22/20234傳輸模擬信號，每隔5km～6km需要一級放大；傳輸數(shù)字信號，每隔2km～3km要用轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)一次。遠程中繼線，最大傳輸距離為15Km。在局域網(wǎng)中，與集線器間的最大距離為100m。三類通常用于以太網(wǎng)和4Mb/s以下的令牌環(huán)局域網(wǎng)。五類支持100Mb/s的類別

帶寬速率信號用途1很低≤100kbit/s模擬電話2≤2MHz2Mbit/s模擬/數(shù)字T-1線路316MHz10Mbit/s數(shù)字LAN420MHz20Mbit/s數(shù)字LAN5100MHz100Mbit/s數(shù)字LAN6200MHz200Mbit/s數(shù)字LAN7600MHz600Mbit/s數(shù)字LAN7/22/20235以太局域網(wǎng)及155Mb/sATM到桌面的連接。六類和七類將分別支持超過200Mb/s和600Mb/s的速率。計算機網(wǎng)絡(luò)中最常用三類和五類UTP。二者的不同：五類：每英寸3～4扭絞；三類：每英尺3～4扭絞。目前常用的雙絞線有100Ω的3類和5類UTP，150Ω的STP。5類比3類具有更好的性能，當(dāng)然價格也貴。目前3類雙絞線電纜通常用于10Mb/s以太網(wǎng)和4Mb/s以下的令牌環(huán)局域網(wǎng)。4類常用于16Mb/s的令牌環(huán)局域網(wǎng)，5類用于100Mb/s的以太局域網(wǎng)及155Mb/sATM到桌面的連接。下表給出了3類和5類UTP以及STP每百米衰減特性的比較，主要涉及100Ω非屏蔽雙絞線和150Ω的屏蔽雙絞線。隨著吉比特局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，更高性能的雙絞線電纜不斷推出，下表列出了這些新電纜標(biāo)準。FTP為金屬箔雙絞線，SSTP為屏蔽網(wǎng)雙絞線。7/22/20236頻率(MHz)3類UTP5類UTPSTP1416251003002.65.613.1———2.04.18.210.422.0—1.12.24.46.212.321.4類別類型帶寬費用（5類為1）3類C級UTP16Mbit/s0.75類D級UTP/FTP100Mbit/s15類E級UTP/FTP100Mbit/s1.26類E級UTP/FTP200Mbit/s1.57類F級SSTP600Mbit/s2.27/22/202372.同軸電纜分類：基帶（視頻）電纜和寬帶（射頻）電纜。基帶同軸電纜：用于直接傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)信號。寬帶同軸電纜：用于傳輸高頻信號。特性阻抗：50Ω和75Ω。50Ω的基帶同軸電纜只用于傳輸數(shù)字基帶信號，數(shù)據(jù)速率可達10Mb/s，用于局域網(wǎng)中；75Ω寬帶同軸電纜多用于無線電工程，用于傳輸模擬信號?；鶐S電纜：傳輸距離≤幾km。寬帶同軸電纜：傳輸距離≤幾十km。屏蔽性：優(yōu)于雙絞線。最大帶寬1000MHz左右7/22/202383.光纖是一種直徑為2～125μm的、柔軟的、能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，可由玻璃或塑料制成，使用超高純度石英玻璃制作的光纖具有很低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面，再用折射率較低的包層包住，就可以構(gòu)成一條光通道。外面再加一保護套，即構(gòu)成一條單芯光導(dǎo)纖維電纜，即單芯光纜。多條光纖放在同一保護套內(nèi)，就構(gòu)成多芯光纜。光纜是目前有線傳輸介質(zhì)中性能最好、最具發(fā)展前途的一種。7/22/20239光導(dǎo)纖維通過內(nèi)部全反射來傳輸光信號。纖芯的折射系數(shù)高于外包層，光波在纖芯與包層界面上產(chǎn)生全反射。以小角度進入光纖的光波沿纖芯以反射方式向前傳播。通過內(nèi)部全反射來傳輸光信號。分類:多模與單模。多模光纖：允許一束光沿纖芯反射傳播.單模光纖：僅允許單一波長的光沿纖芯直線傳播，在其中不產(chǎn)生反射。直徑：單模小，多模大。單模光纖頻帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，性能優(yōu)于多模光纖。單模光纖價格貴，多模光纖便宜。7/22/202310光纖對數(shù)據(jù)的傳輸是利用光脈沖的有無來代表數(shù)據(jù)的“1”和“0”的。發(fā)送端：可用發(fā)光二極管或激光二極管將電流脈沖轉(zhuǎn)換成光脈沖，然后耦合到光纖中進行傳輸。接收端：利用光電二極管把光纖中傳輸來的光脈沖再轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，然后，恢復(fù)出數(shù)據(jù)“1”和“0”。光纖特點：具有尺寸小、重量輕、頻帶寬，損耗小，數(shù)據(jù)傳輸速率高，誤碼率低，安全保密性好等，是目前最有發(fā)展前途的有線傳輸介質(zhì)。7/22/202311二無線傳輸介質(zhì)無線傳輸介質(zhì)的傳輸特性不如有線傳輸介質(zhì)的傳輸特性穩(wěn)定和可靠，易受干擾，通信中使用的技術(shù)也較復(fù)雜。無線傳輸介質(zhì)無需物理連接，通信方便和靈活，應(yīng)用廣泛。發(fā)送信號的帶寬對傳輸性能的影響起決定性作用。帶寬不同，允許的數(shù)據(jù)傳輸速率也不同。帶寬越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率就越高。常用無線傳輸介質(zhì)：無線電波、地面微波、衛(wèi)星鏈路、激光、紅外線等。1.無線電波即電磁波，每秒振動的次數(shù)稱為頻率?，單位為赫茲（Hz）。在真空中的傳播速度大約是300000km/s。但在銅導(dǎo)線或者光纖中，傳播速度大約降低到光速的2/3。反射，散射與折射7/22/2023121．反射波與散射波移動信道的傳播路徑和平滑表面反射2．折射波電波折射示意圖7/22/202313無線電波的傳播類型

傳播方式：以5種不同的方式進行傳播：地表傳播、對流層傳播、電離層傳播、視距傳播和空間傳播。無線電技術(shù)將大氣層分為兩層：對流層和電離層。對流層是距地面大約50公里的大氣層。電離層是在對流層之上而在太空以下的大氣層，它高于平常我們所說的大氣層，該層充滿電離的離子，電離層也是由此而得名。

7/22/202314對流層地球0~10km電離層60~300km平流層7/22/202315頻率：2MHz以下繞射：發(fā)生在波長～障礙物尺寸可比時通信距離：可達數(shù)百～數(shù)千km1)地表傳播（地波）通過地表大氣層傳播，緊靠地面。呈曲線向各個方向傳播，傳播距離取決于信號的能量，能量越大，傳播越遠。7/22/2023162）對流層傳播1、傳播距離約100~500km利用離地面10~12km以下的大氣對流層，對流層中大氣湍流運動產(chǎn)生不均勻性，引起電波的散射，可提供12~240頻分復(fù)用話路，可靠性99.9%。衰落1）慢衰落：氣象引起。每季月、日信號強度變化2）快衰落：多徑傳播。使信號的幅度和相位快速隨機變化。最典型的是對流層散射通信7/22/202317對流層散射路徑示意圖7/22/2023183）電離層傳播（天波）電離層是距地面50~400km的大氣層，在電離層傳播中，無線電波由電離層反射回地面，能以較低的能量傳播較遠的距離。單跳最大距離：4000km多跳可以環(huán)球頻率：2～30MHz電離層有反射通信與散射通信2種形式，前者常用7/22/202319頻率：>30MHz傳播距離:d2+r2=(h+r)2, 或 hD2/50(m)式中D單位是kmhr地面ddD4）視距傳播天線有方向性，二者相向7/22/2023202.地面微波微波通信：是指用微波頻率作載波攜帶信息，通過空間傳播進行通信的方式。特點：微波頻率高，帶寬寬，信道容量大，數(shù)據(jù)傳輸速率高。應(yīng)用：地面微波通信和無線局域網(wǎng)技術(shù)中。頻率范圍：300MHz～300GHz，應(yīng)用較多的是2～40GHz。5）空間傳播

利用衛(wèi)星中繼來代替空間大氣折射。地球站向衛(wèi)星發(fā)射信號，衛(wèi)星將該信號向地面廣播。衛(wèi)星像一個高度極高的天線，擴大了信號的傳播范圍。7/22/202321典型的數(shù)字微波通信系統(tǒng)參數(shù)地面微波直線傳播。由于地球表面的曲率和障礙物，在地面上的傳播距離受到了限制，為此，微波天線通常位于非常高的地方。傳播距離一般不超過50km。在地面上進行遠距離傳輸，必須通過多次中繼接力來實現(xiàn)。雙向傳輸需要兩個不同的頻率，一個用于正向傳輸，另一個用于反向傳輸，同一副天線可以收發(fā)公用。頻段（GHz）帶寬（MHz）速率（Mb/s）2712630901140135182202747/22/2023223.衛(wèi)星信道衛(wèi)星通信:利用衛(wèi)星作為中繼站，通過微波頻帶轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，實現(xiàn)遠距離、大范圍內(nèi)地球站之間的通信。在地球上設(shè)立地球站，包括陸地上、海洋中和大氣層內(nèi)的通信站點。地球站向衛(wèi)星發(fā)送信號或者接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號，分為發(fā)送地球站和接7/22/202323收地球站。衛(wèi)星信道也是利用微波頻帶。近年來，衛(wèi)星通信發(fā)展迅速，目前已廣泛應(yīng)用于電視廣播、長途電話、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)通信中常租用衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的遠距離傳輸。地球同步衛(wèi)星:運行于赤道上空，距地球表面約35786Km，與地球表面相對靜止。一顆地球同步衛(wèi)星發(fā)射的電磁波大約覆蓋地球表面的三分之一，3顆分別相隔120o的地球同步衛(wèi)星可以覆蓋除南北兩極地區(qū)以外的整個地球的大部分有人居住區(qū)，能實現(xiàn)全球通信。地球同步衛(wèi)星相當(dāng)于一個中繼站，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)可以實現(xiàn)地球站之間的通信。衛(wèi)星在一個頻段上接收信號，將信號放大和再生后從另一個頻段上轉(zhuǎn)發(fā)出去。上行信道:地球站向衛(wèi)星發(fā)送信號的信道。下行信道:衛(wèi)星向地球站轉(zhuǎn)發(fā)信號的信道。衛(wèi)星通信特點：費用與通信距離無關(guān)、覆蓋面積大、不受地理條件的限制、通信帶寬寬，是國際干線通信的主要手段。7/22/202324第2章

信息與信道C頻段是目前使用較多的一個頻段，位于衛(wèi)星通信最佳頻段（1～10GHz范圍內(nèi))。該頻段面臨飽和，出現(xiàn)了Ku和Ka頻段。這兩個頻段信號衰減嚴重。7/22/202325在C頻段，地球站使用5.925GHz～6.425GHz頻帶（上行頻率）向衛(wèi)星發(fā)送信號，衛(wèi)星使用3.7GHz～4.2GHz頻帶（下行頻率）向地球站轉(zhuǎn)發(fā)信號。將二者統(tǒng)稱為4/6GHz頻段。上行頻率和下行頻率不同，是為了使衛(wèi)星發(fā)射和接收不產(chǎn)生干擾。波段頻率范圍上行頻率下行頻率UHF400MHz/201GHz2GHz400MHz200MHzL1GHz~2GHz1.6GHz1.5GHzS2GHz~4GHz

C4GHz~8GHz6GHz4GHzX8GHz~12GHz8GHz7GHzKu12GHz~18GHz14GHz12GHzK18GHz~27GHz

Ka27GHz~40GHz30GHz20GHzV40GHz~75GHz

7/22/202326衛(wèi)星距地球較遠，信號傳輸延遲時間長，從地球到衛(wèi)星或者從衛(wèi)星到地球信號單程延遲時間大約是270ms。天氣對衛(wèi)星信號傳輸也有影響。衛(wèi)星通信覆蓋地域廣、通信距離遠、費用與通信距離無關(guān)、通信鏈路頻帶寬、通信容量大、可靠性高、不受地理條件限制等優(yōu)點，目前已成為國際干線通信的主要手段。20世紀90年代以來，出現(xiàn)了中、低軌道衛(wèi)星移動通信的新方法，作為陸地移動通信系統(tǒng)的補充和擴展，與地面公用通信網(wǎng)有機結(jié)合，可實現(xiàn)全球個人移動通信。中軌道衛(wèi)星距地球表面為5000~15000km，低軌道衛(wèi)星距地球表面為500~2000km。中、低軌道衛(wèi)星高度比較低，每顆衛(wèi)星覆蓋地球表面要比地球同步衛(wèi)星小得多，可利用多顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球的覆蓋。由于衛(wèi)星數(shù)目眾多，在地球上任何地點每時每刻都有一顆衛(wèi)星對其覆蓋，以保證地面與衛(wèi)星之間的通信。衛(wèi)星之間通過接力通信，從而實現(xiàn)全球通信?？臻g衛(wèi)星通信網(wǎng)也將對計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。低軌道衛(wèi)星通信工作在L頻段，衛(wèi)星之間通信使用Ku頻段。7/22/2023274.激光

激光能在空中直接傳輸，并能在長距離內(nèi)聚焦，具有高度的方向性，采用激光進行通信無需申請頻率分配。激光傳輸信號必須配置激光收發(fā)器，需要安裝視線范圍內(nèi)。激光通信用于不同建筑物局域網(wǎng)之間的連接，可避免敷設(shè)電纜的困難，這稱為“無線光通信”（FSO）。激光通信有很好的防竊聽和抗干擾能力，但易受環(huán)境的影響。激光使用方便、工作穩(wěn)定而且易于安裝。負責(zé)發(fā)送和接收激光信號的裝置通常安裝在兩幢建筑物的頂部，在兩幢樓之間收發(fā)信號，使用光纖連接每一建筑物內(nèi)的網(wǎng)路。

5.紅外線

紅外線通信：紅外線作載波傳送信息，通過收發(fā)紅外線脈沖來實現(xiàn)信息傳輸。頻率范圍：是3×1011~2×1014Hz。7/22/202328特點：紅外線不受電磁干擾，不受國家無線電管理委員會的限制，1993年紅外線技術(shù)成為了PC的一項通信標(biāo)準。紅外線穿透非透明物體的能力極差，不能穿透墻壁。一般限制在室內(nèi)和近距離傳輸，有效通信距離不超過50m。紅外線設(shè)備相對比較便宜，無需天線。發(fā)送器和接收器可任意安裝在室內(nèi)或室外，但需使它們之間處于視線范圍內(nèi)，中間不能有障礙物。紅外線具有很強的方向性，很難被竊聽和干擾，但雨雪、沙塵、云霧和障礙物等影響其傳輸。紅外技術(shù)的成本要比激光技術(shù)低得多，且設(shè)備壽命長，同時受天氣的影響也小。紅外、激光和微波都是沿直線傳播，它們都需要在收發(fā)之間有一條視線通路。三者對環(huán)境氣候較為敏感，例如對雨、霧、雷電等。相對來說，微波對一般雨和霧的敏感度要低一些。

7/22/202329二、信道數(shù)學(xué)模型一、調(diào)制信道模型1．特性（1）有一對或多對輸入和一對或多對輸出（2）絕大部分信道是線性的，滿足疊加定理（3）具有延遲作用和損耗（4）沒有輸入時（0輸入）也有輸出——噪聲2．模型——時變線性網(wǎng)絡(luò)表示式中是輸入的已調(diào)信號；7/22/202330是信道總的輸出；是加性噪聲（或稱加性干擾），與不發(fā)生依賴關(guān)系,或者說獨立于。作為數(shù)學(xué)上的一種簡潔：依賴于網(wǎng)絡(luò)特性，它對來說是一種乘性干擾。討論：（1）調(diào)制信道對信號的干擾有兩種：乘性干擾和加性干擾。分析信道對信號的具體影響，在于了解與的特性。7/22/202331

（2）分析乘性干擾的影響時，可把調(diào)制信道分為兩大類：恒參信道，即隨時間緩變或不變；隨參信道，即隨機快變化。通常，將架空明線、電纜、光導(dǎo)纖維、超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等視為恒參信道。而將短波電離層反射信道、各種散射信道、超短波移動通信信道等視為隨參信道。2.編碼信道模型編碼信道的特性可用信道轉(zhuǎn)移概率（條件概率）來描述。以二進制無記憶編碼信道為例。7/22/202332圖3-3二進制編碼信道模型正確轉(zhuǎn)移概率：P(0/0)、P(1/1)錯誤轉(zhuǎn)移概率：P(1/0)、P(0/1)且有（由于編碼信道包含調(diào)制信道，因而它的特性在很大程度上依賴于調(diào)制信道。調(diào)制信道又分為恒參信道和隨參信道，故將重點加以討論。7/22/202333三、恒參信道的特性及其對信號的影恒參信道是指乘性干擾基本不隨時間變化的信道。因此，恒參信道可等效為一個線性時不變網(wǎng)絡(luò)?？捎煤凸餐瑏砻枋?。1.

傳輸特性

幅頻特性

相頻特性

一般信道的特性應(yīng)用H（w,t）來描述7/22/2023341．不失真條件

引入群遲延—頻率特性，它定義為相頻特性的導(dǎo)數(shù)，即若呈線性關(guān)系，則曲線是一條水平直線，如圖3-4所示。這時，信號的不同頻率成分將有相同的時延，因而信號經(jīng)過該信道傳輸后將不發(fā)生失真。7/22/202335

理想的相頻特性及群遲延—頻率特性2．兩種失真及其影響實際的信道特性并不理想，必然對信號產(chǎn)生兩種失真：7/22/202336

幅頻失真指信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的衰減。它對模擬通信影響較大，導(dǎo)致信號波形畸變，輸出信噪比下降。相頻失真（或群遲延失真）指信號中不同頻率的分量分別受到信道不同的時延。它對數(shù)字通信影響較大，會引起嚴重的碼間干擾，造成誤碼。綜述：恒參信道通常用它的幅頻特性及相頻特性來表述。這兩個特性的不理想，將是損害信號傳輸特性的重要因素。實際中常采用“均衡”措施去補償信道的傳輸特性。7/22/202337信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺?~非時變線性網(wǎng)絡(luò)振幅~頻率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音頻電話信道特性7/22/202338相位~頻率特性: 線性失真:頻率失真和相位失真：屬于線性失真 可用“線性補償網(wǎng)絡(luò)”糾正，－“均衡”非線性失真:

振幅特性非線性、頻率偏移、相位抖動…

非線性失真－難以消除ω()0理想特性理想特性()07/22/202339群遲延產(chǎn)生信號畸變示意圖接收端信號：三次諧波基波合成波

三次諧波基波合成波發(fā)送端信號：7/22/202340四、隨參信道的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

隨參信道的傳輸特性主要依賴于其傳輸媒質(zhì)，它以電離層反射信道、對流層散射信道為主要代表。1．傳輸媒質(zhì)特點：（1）對信號的衰耗隨時間而變；（2）傳輸?shù)臅r延隨時間而變；（3）多徑傳播。7/22/2023412．引起多徑傳播的原因所謂多徑傳播，是指由發(fā)射點出發(fā)的電波可能經(jīng)過多條路徑達到接收點，其示意圖如圖3-5所示。由于每條路徑對信號的衰減和時延都隨電離層或?qū)α鲗拥臋C理變化而變化，所以接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各路徑信號的合成。

圖3-5多徑傳播示意圖7/22/202342多徑形式示意圖

(a)一次反射和兩次反射；(b)反射區(qū)高度不同；(c)尋常波與非尋常波；(d)漫射現(xiàn)象

地球磁場引起的電波分裂（尋常波和非尋常波）7/22/202343單頻余弦波來研究7/22/2023447/22/202345式中V(t)是合成波R(t)的包絡(luò)，其一維分布為瑞利分布；是合成波R(t)的相位，其一維分布為均勻分布。于是，R(t)可視為一個窄帶過程（波形頻譜類似），又稱R(t)為衰落信號。3．多經(jīng)傳播對信號傳輸?shù)挠绊懀?）

產(chǎn)生瑞利型衰落（快衰落）從波形上看，幅度恒定頻率單一的載波信號變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號。（2）

引起頻率彌散7/22/202346從頻譜上看，單個頻率變成了窄帶頻譜,7/22/202347R(t)特性1、R(t)為窄帶高斯過程2、包絡(luò)V(t)為一維瑞利分布3、φ(t)為一維均勻分布7/22/202348（3）

造成頻率選擇性衰落當(dāng)發(fā)送信號是具有一定頻帶寬度的信號時，多徑傳播除了會使信號產(chǎn)生瑞利型衰落之外，還會產(chǎn)生頻率選擇性衰落。頻率選擇性衰落是多徑傳播的又一重要特征。為了分析方便，我們假設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條，其中，a為兩條路徑的衰減系數(shù)，τ為兩條路徑信號傳輸相對時延差。7/22/202349設(shè)：只有兩條多徑傳播路徑，且衰減相同，時延不同； 發(fā)射信號為f(t)，接收信號為af(t-0)和af(t-0-)； 發(fā)射信號的頻譜為F()。則有 f(t)F() af(t-0)aF()e-j0

af(t-0-)aF()e-j(0+)

af(t-0)

+af(t-0-)aF()e-j0(1+e-j)H()=aF()e-j0(1+e-j)/F()=ae-j0(1+e-j) |1+e-j|=|1+cos-jsin|=|[(1+cos)2+sin2]1/2|=2|cos(/2)|頻率選擇性衰落7/22/202350可以看出,信道傳輸特性主要由項決定。信道幅頻特性為上式表示，對于信號不同的頻率成分，信道將有不同的衰減。顯然，信號通過這種傳輸特性的信道時信號的頻譜將產(chǎn)生失真。當(dāng)失真隨時間隨機變化時就形成頻率選擇性衰落。特別是當(dāng)信號的頻譜寬于時，有些頻率分量會被信道衰減到零，造成嚴重的頻率選擇性衰落。

7/22/202351另外，相對時延差通常是時變參量，即一般應(yīng)表示為，故傳輸特性中零點、極點在頻率軸上的位置也隨時間隨機變化，這使傳輸特性變得更復(fù)雜。設(shè)最大多經(jīng)時延差為,則定義相鄰傳輸零點的頻率間隔為相關(guān)帶寬信號頻譜大于這個頻率間隔會產(chǎn)生明顯的選擇性衰落，數(shù)字信號產(chǎn)生嚴重的碼間串?dāng)_7/22/202352設(shè)最大多經(jīng)時延差為,則定義相鄰傳輸零點的頻率間隔為相關(guān)帶寬為減小選擇性衰落，往往要限制數(shù)字信號的傳輸數(shù)率，實際上等于限制了數(shù)字信號的頻譜寬度，即信號頻帶(）必須小于相關(guān)帶寬。一個工程上經(jīng)驗公式即數(shù)字信號的碼元脈沖寬度7/22/202353分集接收技術(shù)

陸地移動信道、短波電離層反射信道等隨參信道引起的多徑時散、多徑衰落、頻率選擇性衰落、頻率彌散等，會嚴重影響接收信號質(zhì)量，使通信系統(tǒng)性能大大降低。為了提高隨參信道中信號傳輸質(zhì)量，必須采用抗衰落的有效措施。常采用的技術(shù)措施有抗衰落性能好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、擴頻技術(shù)、功率控制技術(shù)、與交織結(jié)合的差錯控制技術(shù)、分集接收技術(shù)等。其中分集接收技術(shù)是一種有效的抗衰落技術(shù)，已在短波通信、移動通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。7/22/202354所謂分集接收，是指接收端按照某種方式使它收到的攜帶同一信息的多個信號衰落特性相互獨立，并對多個信號進行特定的處理，以降低合成信號電平起伏，減小各種衰落對接收信號的影響。從廣義信道的角度來看，分集接收可看作是隨參信道中的一個組成部分，通過分集接收使包括分集接收在內(nèi)的隨參信道衰落特性得到改善。分集接收包含有兩重含義：一是分散接收，使接收端能得到多個攜帶同一信息的、統(tǒng)計獨立的衰落信號；二是集中處理，即接收端把收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行適當(dāng)?shù)暮喜ⅲ瑥亩档退ヂ涞挠绊懀纳葡到y(tǒng)性能。7/22/202355一分集方式為了在接收端得到多個互相獨立或基本獨立的接收信號，一般可利用不同路徑、不同頻率、不同角度、不同極化、不同時間等接收手段來獲取。因此，分集方式也有空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集、時間分集等多種方式。

1.空間分集空間分集是接收端在不同的位置上接收同一個信號，只要各位置間的距離大到一定程度，則所收到信號的衰落是相互獨立的。因此，空間分集的接收機至少需要兩副間隔一定距離的天線，發(fā)送端用一副天線發(fā)射，接收端用N副天線接收。7/22/202356圖空間分集示意圖7/22/202357為了使接收到的多個信號滿足相互獨立的條件，接收端各接收天線之間的間距應(yīng)滿足d≥3λ式中，d為接收端各接收天線之間的間距，λ為工作頻率的波長。通常，分集天線數(shù)(分集重數(shù))越多，性能改善越好。但當(dāng)分集重數(shù)多到一定數(shù)時，分集重數(shù)繼續(xù)增多，性能改善量將逐步減小。因此，分集重數(shù)在2~4重比較合適。7/22/202358

2.頻率分集頻率分集是將待發(fā)送的信息分別調(diào)制到不同的載波頻率上發(fā)送，只要載波頻率之間的間隔大到一定程度，則接收端所接收到信號的衰落是相互獨立的。在實際中，當(dāng)載波頻率間隔大于相關(guān)帶寬時，則可認為接收到信號的衰落是相互獨立的。因此，載波頻率的間隔應(yīng)滿足Δf≥Bc=式中，Δf為載波頻率間隔，Bc為相關(guān)帶寬，Δτm為最大多徑時延差。在移動通信中，當(dāng)工作頻率在900MHz頻段，典型的最大多徑時延差為5μs，此時有7/22/202359Δf≥Bc=

3.時間分集時間分集是將同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，則各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是相互獨立的。時間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號。在移動通信中，多卜勒頻移的擴散區(qū)間與移動臺的運動速度及工作頻率有關(guān)。因此，為了保證重復(fù)發(fā)送的數(shù)字信號具有獨立的衰落特性，重復(fù)發(fā)送的時間間隔應(yīng)滿足Δt≥7/22/202360式中，fm為衰落頻率，v為移動臺運動速度，λ為工作波長。若移動臺是靜止的，則移動速度v=0，此時要求重復(fù)發(fā)送的時間間隔Δt為無窮大。這表明時間分集對于靜止?fàn)顟B(tài)的移動臺是無效果的。以上介紹的是幾種顯分集方式，在CDMA系統(tǒng)中還采用Rake接收機形式的隱分集方式。另外，在實際應(yīng)用中還可以將多種分集結(jié)合使用。例如在CDMA移動通信系統(tǒng)中，通常將空間分集與Rake接收相結(jié)合，改善傳輸條件，提高系統(tǒng)性能。除此之外，常用的還有角度分集（天線指向不同）和極化分集（接收水平、垂直極化波）

7/22/2023612合并方式在接收端采用分集方式可以得到N個衰落特性相互獨立的信號，所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的各個獨立衰落信號相加后合并輸出，從而獲得分集增益。合并可以在中頻進行，也可以在基帶進行，通常是采用加權(quán)相加方式合并。假設(shè)N個獨立衰落信號分別為r1(t),r2(t),…,rN(t)，則合并器輸出為r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)+…+aNrN(t)=式中，ai為第i個信號的加權(quán)系數(shù)。選擇不同的加權(quán)系數(shù)，就可構(gòu)成不同的合并方式。常用的三種合并方式是：選擇式合并、等增益合并和最大比值合并。表征合并性能的參數(shù)有平均輸出信噪比、合并增益等。7/22/202362

1.選擇式合并選擇式合并是所有合并方式中最簡單的一種，其原理是檢測所有接收機輸出信號的信噪比，選擇其中信噪比最大的那一路信號作為合并器的輸出，其原理圖如下圖所示。選擇式合并的平均輸出信噪比為合并增益為7/22/202363

圖選擇式合并原理圖

7/22/202364式中，為合并器平均輸出信噪比，為支路信號最大平均信噪比。可見，對選擇式分集，每增加一條分集路徑，對合并增益的貢獻僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。

2.等增益合并等增益合并原理如下圖所示。當(dāng)加權(quán)系數(shù)k1=k2=…=kN時，即為等增益合并。假設(shè)每條支路的平均噪聲功率是相等的，則等增益合并的平均輸出信噪比為

合并增益為7/22/202365圖等增益合并、最大比值合并原理

7/22/202366式中，為合并前每條支路的平均信噪比。

3.最大比值合并最大比值合并方法最早是由Kahn提出的，其原理可參見上頁圖。最大比值合并原理是各條支路加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。信噪比越大，加權(quán)系數(shù)越大，對合并后信號貢獻也越大。若每條支路的平均噪聲功率是相等的，可以證明，當(dāng)各支路加權(quán)系數(shù)為ak=時，分集合并后的平均輸出信噪比最大。式中，Ak為第k條支路信號幅度，σ2為每條支路噪聲平均功率。7/22/202367最大比值合并后的平均輸出信噪比為

合并增益為

可見，合并增益與分集支路數(shù)N成正比。三種分集合并的性能如下圖所示?？梢钥闯?，在這三種合并方式中，最大比值合并的性能最好，選擇式合并的性能最差。當(dāng)N較大時，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。7/22/202368圖三種分集合并的性能比較

7/22/202369五、信道的加性噪聲

加性噪聲是分散在通信系統(tǒng)中各處噪聲的集中表示。它獨立于有用信號，卻始終干擾有用信號。加性噪聲的主要代表是起伏噪聲（包括熱噪聲、散彈噪聲、和宇宙噪聲）。這類噪聲是不能回避的客觀存在，是影響通信質(zhì)量的主要因素之一。為了研究噪聲背景下通信系統(tǒng)的性能，必須了解噪聲的統(tǒng)計特性。分析表明：熱噪聲、散彈噪聲、和宇宙噪聲均為高斯噪聲，且在很寬的頻率范圍內(nèi)都具有平坦的功率譜密度，故今后一律把起伏噪聲定義為高斯白噪聲。其雙邊功率譜密度為7/22/202370其一維概率密度函數(shù)為當(dāng)研究調(diào)制與解調(diào)問題時，起伏噪聲往往先通過一個帶通濾波器才到達解調(diào)器輸入端，此處的噪聲將是一個窄帶高斯白噪聲。也就是說，調(diào)制信道的加性噪聲可直接表述為窄帶高斯白噪聲。設(shè)帶通型噪聲的功率譜密度如下圖所示，它可以由高斯白噪聲通過一個帶通濾波器而得到。7/22/202371五、信道的加性噪聲