第三章 信道及干扰(1)

1、第三章：信道与干扰1本章介绍：本章介绍： 概述概述 恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响 变参信道及其对信号传输的影响变参信道及其对信号传输的影响 变参信道特性的改善（分集接收）变参信道特性的改善（分集接收） 信道中的噪声信道中的噪声 信道容量信道容量第三章第三章 信道与干扰信道与干扰第三章：信道与干扰2 通信系统模型：通信系统模型：3.1 概概 述述 “信道信道”是信号传递过程中必不可少的组成部分，而信号在是信号传递过程中必不可少的组成部分，而信号在信道中传输又不可避免的会受到各种各样的干扰。信道中传输又不可避免的会受到各种各样的干扰。第三章：信道与干扰33.1 概述概述

2、1 1） 为了更好地传输信号，有效地抵制来为了更好地传输信号，有效地抵制来自信道的干扰，克服或减小信道对信号传自信道的干扰，克服或减小信道对信号传输的影响。输的影响。2 2） 了解了各种信道对信号传输的影响，了解了各种信道对信号传输的影响，才能针对具体信道及干扰选择合适的传输才能针对具体信道及干扰选择合适的传输方式，以保证通信质量。方式，以保证通信质量。研究研究“信道与干扰信道与干扰”的意义的意义第三章：信道与干扰43.1 概述概述所谓所谓“信道信道”就是信号传输的通道。就是信号传输的通道。狭义信道：狭义信道：仅指传输信号的物理媒质。仅指传输信号的物理媒质。广义信道：广义信道：它是狭义信道的扩

3、展。它不它是狭义信道的扩展。它不仅包括传输信号的物理媒质，而且还包括仅包括传输信号的物理媒质，而且还包括一部分电子设备。因此，广义信道从某种一部分电子设备。因此，广义信道从某种意义上说是一种意义上说是一种传输系统。传输系统。一、信道的定义一、信道的定义第三章：信道与干扰5狭义信道 传输信号的物理媒质有多种，常用的有：传输信号的物理媒质有多种，常用的有： 有线信道：架空明线、电缆（同轴电缆、平有线信道：架空明线、电缆（同轴电缆、平衡电缆）光纤、等等衡电缆）光纤、等等 无线信道：中长波地表面传播、超短波及微无线信道：中长波地表面传播、超短波及微波视距传播，毫米波波导传播、短波电离层波视距传播，毫米

4、波波导传播、短波电离层反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射、超短波视对流层散射、超短波电离层散射、超短波视距绕射等等。距绕射等等。 第三章：信道与干扰6广义信道 调制信道调制信道 编码信道编码信道第三章：信道与干扰7 需要指出的是，广义信道中的主要需要指出的是，广义信道中的主要部分仍然是传输媒质。部分仍然是传输媒质。 实践证明，通信效果的好坏，在很实践证明，通信效果的好坏，在很大程度上将取决于狭义信道的特性。大程度上将取决于狭义信道的特性。第三章：信道与干扰81 1）它们都有一对或多对输入端和输出端；）它们都有一对或多对输入端

5、和输出端；2 2）大多数信道是）大多数信道是线性线性的，满足叠加原理；的，满足叠加原理；3 3）信号通过信道需要一定的）信号通过信道需要一定的延迟延迟时间，而且时间，而且还有还有损耗损耗；4 4）即使没有信号输入，在信号的输出端仍有）即使没有信号输入，在信号的输出端仍有一定的功率输出（即一定的功率输出（即噪声噪声功率输出）。功率输出）。调制信道共性：调制信道共性：二、信道模型二、信道模型第三章：信道与干扰9 因此调制信道可因此调制信道可等效为一个二对端或多对端的线等效为一个二对端或多对端的线性时变网络。性时变网络。而多数调制信道是等效成二对端线性时变网络。而多数调制信道是等效成二对端线性时变网

6、络。调制信道线性时变网络线性时变网络 二对端二对端Si（t）K（ ,t)多对端多对端线性时线性时变网络变网络K（ ,t)多对端多对端Son（t）Sin（t）So1（t）Si1（t）Si2（t）So2（t）第三章：信道与干扰10线性时变网络的传递函数为线性时变网络的传递函数为K(,t)K(,t)，它是，它是频率频率和和时间时间的函数。的函数。当已调制后的信号当已调制后的信号S Si i（）时，通过信道传输输出的信号为）时，通过信道传输输出的信号为S So o()()，其频域特性为，其频域特性为S So o（，t t）即）即 ntKStSio,调制信道 其中，传递函数其中，传递函数K K（，t t

7、）是一个复杂的函数，它由信道）是一个复杂的函数，它由信道特性所决定，特性所决定，一般不满足无失真传输条件一般不满足无失真传输条件。 n()n()为为加性加性噪声的频谱特性。噪声的频谱特性。 因此，输入信号的频谱与因此，输入信号的频谱与K K（，t t）相乘，会使通过调制）相乘，会使通过调制后的已调信号产生各种畸变，称为后的已调信号产生各种畸变，称为乘性干扰乘性干扰。第三章：信道与干扰11 从上面的式子中可以看出，调制信道从上面的式子中可以看出，调制信道对信号的影响可以归结为两个方面：对信号的影响可以归结为两个方面：1 1）由于）由于K K（，t t）对信号产生的）对信号产生的乘性干扰乘性干扰；

8、 2 2）由于）由于n n（t t）的存在对信号造成的）的存在对信号造成的加性干扰加性干扰，其中的其中的n n（t t）主要是指高斯白噪声（信道的热噪）主要是指高斯白噪声（信道的热噪声）和脉冲噪声（突发冲击性干扰）。声）和脉冲噪声（突发冲击性干扰）。调制信道对信号的影响调制信道对信号的影响第三章：信道与干扰12不同的信道不同的信道K K（，t t）和）和n n（t t）的）的具体形式是不同的具体形式是不同的但只要了解了但只要了解了K K（，t t）和和n n（t t）的具体特性）的具体特性信道对信号的信道对信号的影响就清楚了影响就清楚了对于对于n n（t t）的分析，对各信道来说差异不大）的分

9、析，对各信道来说差异不大K K（、t t）较）较复杂，差异大复杂，差异大不随时间而变或变化缓慢不随时间而变或变化缓慢有的随时间变化得很快有的随时间变化得很快调制信道对信号的影响调制信道对信号的影响第三章：信道与干扰13 按按K(,t)K(,t)随时间变化的快慢随时间变化的快慢不同不同, ,可把调制信可把调制信道分为两类：道分为两类：恒参信道恒参信道变参信道变参信道 K K（，t t）不随时）不随时间变化（或变化很慢），间变化（或变化很慢），所以所以K K（，t t） K K（），这时的信道模），这时的信道模型可等效为型可等效为线性时不变线性时不变网络网络信道参量随时间作随信道参量随时间作随机快

10、变化，信道模型机快变化，信道模型为为线性时变网络线性时变网络调制信道的分类调制信道的分类第三章：信道与干扰14 因为编码信道传输的是数字信号，所以通常用因为编码信道传输的是数字信号，所以通常用数字信号的转移概率数字信号的转移概率来描述。一个简单的编码信来描述。一个简单的编码信道的模型为下图所示：道的模型为下图所示：编码信道编码信道P（0/0）P（1/1）P（1/0）P（0/1）010101230123第三章：信道与干扰15 若解调器每个输出数字码元的差错是相互独立若解调器每个输出数字码元的差错是相互独立的，即前面的数字码元差错对后面无影响，这种的，即前面的数字码元差错对后面无影响，这种信道称为

11、信道称为“无记忆信道无记忆信道”。信道转移信道转移概率概率P P（0/00/0），）， P P（0/10/1），）， P P（1/01/0），）， P P（1/11/1），），P P（0/00/0）表示发端发）表示发端发“0 0”码，码，收端判收端判“0 0”码的概率码的概率P P（1/01/0）表示发端发）表示发端发“0 0”码，收端判码，收端判“1 1”码的概率码的概率编码信道编码信道第三章：信道与干扰16正确转移概率：正确转移概率：P P（0/00/0）和）和P P（1/11/1）错误转移概率：错误转移概率：P P（0/10/1）和）和P P（1/01/0）关系：关系：P P（0/10/

12、1）1 1 P P（1/11/1）P P（1/01/0）1 1 P P（0/00/0） 转移概率完全由编码信道的特性决定，一转移概率完全由编码信道的特性决定，一个特定的编码信道就相应有确定的转移概率关个特定的编码信道就相应有确定的转移概率关系。系。编码信道的转移概率编码信道的转移概率第三章：信道与干扰17几点补充：几点补充： 由无记忆二进制编码信道模型很容易推广到由无记忆二进制编码信道模型很容易推广到无记忆的任意多进制的情形中去。无记忆的任意多进制的情形中去。 如果编码信道中信码发生差错的事件不是如果编码信道中信码发生差错的事件不是独立事件，即前面码元差错会影响后面的码独立事件，即前面码元差错

13、会影响后面的码元差错时，则此种编码信道为元差错时，则此种编码信道为“有记忆信有记忆信道道”。有记忆信道的模型分析较为复杂，在。有记忆信道的模型分析较为复杂，在此不作讨论。此不作讨论。编码信道编码信道第三章：信道与干扰18由于信道特性基本上不随时间而变，故信道模型由于信道特性基本上不随时间而变，故信道模型可等效成可等效成线性时不变网络线性时不变网络，其传输函数为，其传输函数为K K（）仅仅与频率有关而与时间无关与频率有关而与时间无关。概述：概述：恒参信道是信道特性不随时间而变或变化很慢恒参信道是信道特性不随时间而变或变化很慢的信道。的信道。通常若在数字信号中几个最长字符时间内，信通常若在数字信号

14、中几个最长字符时间内，信道特性基本不变即可认为此信道为恒参信道。道特性基本不变即可认为此信道为恒参信道。其传输特性可用其传输特性可用幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性来表征来表征3.2恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响第三章：信道与干扰193.2.1 恒参信道举例 恒参信道是由架空明线、电缆、中长波地恒参信道是由架空明线、电缆、中长波地波传播，超短波及微波视距传播，人造为波传播，超短波及微波视距传播，人造为心卫星中继，光导纤维以及光波视距传播心卫星中继，光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道等传输媒质构成的信道 一、一、有线电信道有线电信道 通常指双绞线、同轴电缆

15、、架空明线、多通常指双绞线、同轴电缆、架空明线、多芯电缆和光纤。芯电缆和光纤。第三章：信道与干扰20双绞线 双绞线双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每又称为双扭线，它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。合而成。 采用这种采用这种绞合结构是为了减少对邻近线对绞合结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰的电磁干扰。 为了进一步提高双绞线的为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的丝编织而成的屏蔽。屏蔽。第三章：信道与干扰21屏蔽箔屏蔽双绞线非屏蔽双绞线双

16、绞线示意图双绞线示意图双绞线第三章：信道与干扰22同轴电缆 同轴电缆同轴电缆由内导线铜质芯线由内导线铜质芯线(单股实心线或多股绞合单股实心线或多股绞合线线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成料外层所组成(如图所示如图所示)。铝制编织导体(屏蔽)内部绝缘体内部导体外部绝缘体(a) 一段同轴电缆(b) 一段与连接器相连的同轴电缆同轴电缆结构示意图同轴电缆结构示意图第三章：信道与干扰23 同轴电缆的这种结构使其具有同轴电缆的这种结构使其具有高带宽高带宽和和较较好的抗干扰特性好的抗干扰特性，并且，并且可在共享通信线路可在共享通信线路上支持更

17、多的点上支持更多的点。 按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为两种，两种， 一种是一种是50的的基带同轴电缆基带同轴电缆 另一种是另一种是75的的宽带同轴电缆宽带同轴电缆。同轴电缆第三章：信道与干扰24 架空明线架空明线，即在电线杆上架设的互相平行，即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线，它是一种在而绝缘的裸线，它是一种在20世纪初就已世纪初就已经大量使用的通信介质。经大量使用的通信介质。 架空明线安装简单，传输损耗比电缆低，架空明线安装简单，传输损耗比电缆低，但但通信质量差，受气候环境等影响较大并通信质量差，受气候环境等影响较大并且对外界噪声干扰比较敏感且对

18、外界噪声干扰比较敏感，因此，在发，因此，在发达国家中早已被淘汰，在许多发展中国家达国家中早已被淘汰，在许多发展中国家中也已基本停止了架设，但目前在我国一中也已基本停止了架设，但目前在我国一些农村和边远地区或受条件限制的地方仍些农村和边远地区或受条件限制的地方仍有不少架空明线在工作着。有不少架空明线在工作着。架空明线第三章：信道与干扰25优缺点 明线（即平行绝缘线）明线（即平行绝缘线） 优点：传输损耗低优点：传输损耗低 缺点：噪声干扰敏感缺点：噪声干扰敏感 对称电缆（拧成扭绞状的电缆）对称电缆（拧成扭绞状的电缆） 优点：较稳定优点：较稳定 缺点：损耗较大缺点：损耗较大 同轴电缆同轴电缆 优点：外

19、导体接地、屏蔽干扰优点：外导体接地、屏蔽干扰 LAN用基带：用基带：50、93 CATV：75第三章：信道与干扰26光纤 光纤光纤(OpticalFiber) 光导纤维光导纤维(简称光纤简称光纤)是光纤通信系统的传是光纤通信系统的传输介质。输介质。 由于可见光的频率非常高，约为由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。质。第三章：信道与干扰27光纤 光纤呈圆柱形，由光纤呈圆柱形，由芯、封套和

20、外套芯、封套和外套三部分组成三部分组成(如图所示如图所示)。 芯芯是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细的是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细的玻璃玻璃或或塑塑料纤维线料纤维线构成。构成。 每根纤维线都有它自己的每根纤维线都有它自己的封套封套。由于这一。由于这一玻璃或塑料封套涂玻璃或塑料封套涂层层的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。 环绕一束或多束有封套纤维的环绕一束或多束有封套纤维的外套外套由若干由若干塑料或其它材料塑料或其它材料层层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压

21、等伤害。伤害。外套绝缘包层纤维芯第三章：信道与干扰28光纤通信系统组成基带电信号基带电信号（原始电信号）（原始电信号）基带电信号基带电信号（原始电信号）（原始电信号）基带处理基带处理光源光源光调制器光调制器光纤线路光纤线路光检测器光检测器基带处理基带处理产生载波光产生载波光解调电解调电信号信号第三章：信道与干扰29 根据根据光纤传输数据模式光纤传输数据模式的不同，它可分为多的不同，它可分为多模光纤和单模光纤两种。模光纤和单模光纤两种。 多模光纤多模光纤意指光在光纤中可能有多条不同角意指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播度入射的光线在一条光纤中同时传播,如图如图 (a)所

22、示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。 单模光纤单模光纤意指光在光纤中的传播没有反射，意指光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播而沿直线传播,如图如图 (b)所示。这种光纤的直径所示。这种光纤的直径非常细，就像一根波导那样，可使光线一直非常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。这两种光纤的性能比较见表。向前传播。这两种光纤的性能比较见表。多模光纤和单模光纤第三章：信道与干扰30吸收护套纤芯包层(a) 多模(b) 单模两种光纤传输示意图两种光纤传输示意图多模光纤和单模光纤第三章：信道与干扰31 单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较多模光纤和单模光纤第

23、三章：信道与干扰32 光纤光纤不易受电磁干扰和噪声影响不易受电磁干扰和噪声影响，可进，可进行远距离、高速率的数据传输，而且具行远距离、高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。有很好的保密性能。 但是，光纤的衔接、分岔比较困难，一但是，光纤的衔接、分岔比较困难，一般只适应于点到点或环形连接。般只适应于点到点或环形连接。 FDDI(光纤分布数据接口光纤分布数据接口)就是一种采用就是一种采用光纤作为传输介质的局域网标准光纤作为传输介质的局域网标准光纤第三章：信道与干扰33无线电视距中继 二、二、无线电视距中继无线电视距中继 工作频率在超短波和微波波段时电磁波基工作频率在超短波和微波波段时电磁波基本

24、上沿视线传播。本上沿视线传播。 通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。 相邻中继站间距离：相邻中继站间距离：4050Km第三章：信道与干扰34无线电中继信道的构成无线电中继信道的构成无线电视距中继第三章：信道与干扰35卫星中继信道 三、三、卫星中继信道卫星中继信道 是无线电中继的一种特殊形式是无线电中继的一种特殊形式 由通信卫星、地球站、上行线路及下构成行线路由通信卫星、地球站、上行线路及下构成行线路第三章：信道与干扰361 1）噪声）噪声2 2）线性畸变）线性畸变3 3）其它影响）其它影响3.2.2 数字信号在恒参信道中数字信号在恒参信道中传输受到的主要

25、影响传输受到的主要影响 由于恒参信道特性基本上不随时间而变，由于恒参信道特性基本上不随时间而变，故信道模型可等效成线性时不变网络，其传输故信道模型可等效成线性时不变网络，其传输函数为函数为K K（）仅与频率有关而与时间无关。）仅与频率有关而与时间无关。第三章：信道与干扰37噪声影响恒参信道由于传输函数恒参信道由于传输函数K K（）不随时间而变，）不随时间而变，所以噪声干扰主要是所以噪声干扰主要是加性噪声加性噪声n n（t t）描描 述述高斯噪声高斯噪声为背景噪声，是不可避免的，主要来源是为背景噪声，是不可避免的，主要来源是传输媒质的热噪声，设备中的热噪声和散传输媒质的热噪声，设备中的热噪声和散

26、弹噪声以及由接收天线收到的辐射等。弹噪声以及由接收天线收到的辐射等。脉冲噪声脉冲噪声它的来源有人为和天然两种。大部分脉冲它的来源有人为和天然两种。大部分脉冲噪声是因电气切换和通信设备开关的瞬态噪声是因电气切换和通信设备开关的瞬态引起的。天然的雷电也会引入脉冲噪声。引起的。天然的雷电也会引入脉冲噪声。第三章：信道与干扰38噪声的克服措施：措施： 以上噪声无法消除，只能设法减轻以上噪声无法消除，只能设法减轻它的影响。例如，用抗干扰能力强的调它的影响。例如，用抗干扰能力强的调制方法及最佳接收等。制方法及最佳接收等。第三章：信道与干扰39线性畸变 线性畸变是由于网络特性不理想所造成的畸变，线性畸变是由

27、于网络特性不理想所造成的畸变，主要是因为主要是因为网络幅频特性和相频特性不理想网络幅频特性和相频特性不理想造成的，造成的，线性畸变与非线性畸变的区别是线性畸变与非线性畸变的区别是线性畸变不会产生线性畸变不会产生新的频率成分新的频率成分。幅幅 度度频率畸变频率畸变相相 位位频率畸变和群延时畸变频率畸变和群延时畸变第三章：信道与干扰40幅频畸变 幅度幅度频率畸变即幅频畸变频率畸变即幅频畸变 它是由于信道幅频特性不理想造成的。理想的信道它是由于信道幅频特性不理想造成的。理想的信道幅频特性在通带内应是平的，这样幅频特性在通带内应是平的，这样信号的各个频率分信号的各个频率分量幅度比例不会因通过信道传输而

28、发生变化量幅度比例不会因通过信道传输而发生变化，所以没，所以没有幅频畸变。有幅频畸变。 理想信道的幅频特性如下图所示：理想信道的幅频特性如下图所示：第三章：信道与干扰41实际信道的幅频特性实际中的信道不可能有这样理想的幅频特性。下图示出了典实际中的信道不可能有这样理想的幅频特性。下图示出了典型音频电话信道的总衰耗频率特性：图中型音频电话信道的总衰耗频率特性：图中300Hz300Hz以下每频程以下每频程升高升高151525dB25dB， 300300 1100Hz1100Hz较平坦，较平坦， 11001100 2900Hz2900Hz衰耗特性衰耗特性线性上升，线性上升，2900Hz2900Hz以

29、上每频程升高以上每频程升高808090dB90dB。第三章：信道与干扰42一般数字信号是矩形波或升余弦波，它们都有丰富的频率成一般数字信号是矩形波或升余弦波，它们都有丰富的频率成分，如果我们利用幅频特性不均匀的信道来传输数字信号，分，如果我们利用幅频特性不均匀的信道来传输数字信号，显然显然由于信道幅频特性不理想，将使各频率成分受到不同的由于信道幅频特性不理想，将使各频率成分受到不同的衰耗，从而使波形发生畸变衰耗，从而使波形发生畸变。 由图可见，由于不同谐波衰耗不同，因此，合成的波形就出现了失真。由图可见，由于不同谐波衰耗不同，因此，合成的波形就出现了失真。第三章：信道与干扰43克服幅频畸变的措

30、施措施：措施： 幅度幅度频率畸变可采用频率畸变可采用均衡均衡的方的方法加以克服。即对信道的幅度法加以克服。即对信道的幅度频率频率特性进行补偿，使特性进行补偿，使特性曲线变得平坦、特性曲线变得平坦、理想即可理想即可。第三章：信道与干扰44相频畸变 相频畸变相频畸变是由于信道相频特性不理想造成是由于信道相频特性不理想造成的。理想的相频特性如下图所示：的。理想的相频特性如下图所示： 理想的相频特性是通过原点的斜线，相位理想的相频特性是通过原点的斜线，相位与频率成线性关系与频率成线性关系，即，即 （）=k=k，第三章：信道与干扰45相频畸变的影响 相频畸变对模拟话音通信影响并不显著，因相频畸变对模拟话

31、音通信影响并不显著，因为人耳对相频畸变不太敏感。但对数字信号传输为人耳对相频畸变不太敏感。但对数字信号传输却不然，尤其当传输速率高时，却不然，尤其当传输速率高时，相频畸变将会引相频畸变将会引起严重的码间串扰起严重的码间串扰，从而对通信带来很大的损害。，从而对通信带来很大的损害。若不是线性关系就会出现若不是线性关系就会出现群迟延畸变群迟延畸变，群迟延，群迟延畸变常用群迟延频率特性畸变常用群迟延频率特性 来衡量，来衡量，群迟群迟延频率特性是相频特性对频率的导数。延频率特性是相频特性对频率的导数。 第三章：信道与干扰46群时延特性 显然，若信道的显然，若信道的相频特性是理想的，相频特性是理想的， （

32、）是）是的线性的线性函数，则函数，则 常常数，即数，即无论什么频率无论什么频率成分它的延迟时间都成分它的延迟时间都是相同的是相同的。 第三章：信道与干扰47相频特性不理想的影响若信道的相频特性不是线性函数，则若信道的相频特性不是线性函数，则 便与便与有关，这样不同频率成分将于不同时有关，这样不同频率成分将于不同时间到达，合成的信号必然会出现失真。间到达，合成的信号必然会出现失真。 第三章：信道与干扰48 它由基波和它由基波和3次谐波合成，由于相频特性不理想，次谐波合成，由于相频特性不理想，经传输后经传输后基波基波相位变化相位变化 ，而，而3次谐波相位却变化次谐波相位却变化2 2 ，不为线性关系

33、。，不为线性关系。该波形不仅失真了，而且有该波形不仅失真了，而且有拖尾，因此会造成码间干扰。拖尾，因此会造成码间干扰。第三章：信道与干扰49一、变参信道（也称：随参信道）一、变参信道（也称：随参信道） 是是信道特性随时间变化信道特性随时间变化很快很快的信道的信道，其变化速率甚至能与波形传输速率相比其变化速率甚至能与波形传输速率相比拟，即在一个码元时间内它的特性就可拟，即在一个码元时间内它的特性就可能发生很大的变化。能发生很大的变化。3.3 变参信道及其对信号传输的影响变参信道及其对信号传输的影响第三章：信道与干扰50 比较典型的这类传输媒质为电离层反比较典型的这类传输媒质为电离层反射和散射，对

34、流层散射及流星余迹散射射和散射，对流层散射及流星余迹散射等。它们均属无线信道。等。它们均属无线信道。（1 1）对流层散射）对流层散射（2 2）流星余迹散射）流星余迹散射（3 3）电离层反射和散射）电离层反射和散射典型随参信道第三章：信道与干扰51（1）对流层散射通常是指无线电电磁波在大气对流层和平流通常是指无线电电磁波在大气对流层和平流层散射传播。层散射传播。对流层：对流层：大气的最低层，它经常存在很多的大大气的最低层，它经常存在很多的大气湍流，形成很多的涡流单元，由于大小、尺气湍流，形成很多的涡流单元，由于大小、尺寸和温度湿度的不同，涡流单元的介电系数不寸和温度湿度的不同，涡流单元的介电系数

35、不同。电波作用于这些不均匀气团时就要产生折同。电波作用于这些不均匀气团时就要产生折射和散射。射和散射。平流层：平流层：高空大气层，其散射距离可达高空大气层，其散射距离可达60060010001000公里。公里。第三章：信道与干扰52（2）流星余迹散射 流星运动的速度和动能都比较大，在流星运动的速度和动能都比较大，在和大气相碰撞时，足以使部分流星物理电和大气相碰撞时，足以使部分流星物理电离，形成一个柱形的电离区（称为流星余离，形成一个柱形的电离区（称为流星余迹）。存在的时间约为迹）。存在的时间约为1 1秒，利用它可以进秒，利用它可以进行散射通信行散射通信。第三章：信道与干扰53（3）电离层反射和

36、散射 电离层主要是由于太阳光中的紫外线照射高空大电离层主要是由于太阳光中的紫外线照射高空大气层使之电离而形成的。电离层一般分为气层使之电离而形成的。电离层一般分为4 4层。层。D D层：层：只有白天日照时存在，主要对长波起反射只有白天日照时存在，主要对长波起反射作用，对短波和中波则起吸收作用。作用，对短波和中波则起吸收作用。E E层：层：白天晚上都存在，由氧原子电离形成，可白天晚上都存在，由氧原子电离形成，可反射中波和短波。反射中波和短波。F1 F1 只有白天存在只有白天存在F2 F2 白天和晚上都存在。白天和晚上都存在。F F层的反射作用，可进层的反射作用，可进行短波远距离通信。行短波远距离

37、通信。 电离层由于电子浓度不均匀，还可用来进行电离层由于电子浓度不均匀，还可用来进行散射通信。散射通信。第三章：信道与干扰54变参信道的传输媒质有三个变参信道的传输媒质有三个共同特点共同特点：1 1）对信号的损耗随时间的变化而变；）对信号的损耗随时间的变化而变；2 2）传输的时延随时间而变；）传输的时延随时间而变；3 3）多径传播）多径传播信号在这些媒质中传输可示意于下图：信号在这些媒质中传输可示意于下图：变参信道的共同特点第三章：信道与干扰55多径传输 由于电离层反射，散射及对流层散射，电由于电离层反射，散射及对流层散射，电波从发射点出发可能经过多条路径到达接收点，波从发射点出发可能经过多条

38、路径到达接收点，这种现象称这种现象称“多径传输多径传输”。第三章：信道与干扰56 就每条路径的信号而言，它的衰耗和时延都就每条路径的信号而言，它的衰耗和时延都是随信号而变的，也随电离层和对流层的机理变是随信号而变的，也随电离层和对流层的机理变化而变的。化而变的。因此多径传播后的接收信号将是衰减因此多径传播后的接收信号将是衰减和时延随时间随机变化的各条路径信号的合成和时延随时间随机变化的各条路径信号的合成（矢量和）（矢量和）。虽然每条路径信号的振幅和相位的。虽然每条路径信号的振幅和相位的变化可能是缓慢的，但合成信号则可能产生快速、变化可能是缓慢的，但合成信号则可能产生快速、剧烈、复杂的变化。剧烈

39、、复杂的变化。多径传输第三章：信道与干扰572 2、频率选择性衰落和时间弥散、频率选择性衰落和时间弥散1 1、频率弥散与快衰落、频率弥散与快衰落3 3、慢衰落、慢衰落二、变参信道对信号传输的影响二、变参信道对信号传输的影响第三章：信道与干扰58 我们用变参信道传送我们用变参信道传送单频信号单频信号来说明频率弥散快来说明频率弥散快衰落现象。衰落现象。 设发射波为设发射波为AcosAcosc ct t，则经过，则经过n n条路径传播，接收条路径传播，接收信号信号R R（t t）可用下式表示：）可用下式表示： niciicniiiniiciniicittttttttttttR1111sinsinco

40、scoscoscos第第i i条路径的信号幅度条路径的信号幅度第第i i条路径的信条路径的信号时延号时延频率弥散与快衰落第三章：信道与干扰59 经过大量实际观测得知，经过大量实际观测得知， 和和 随时间变化的随时间变化的周期与发射载波的周期相比通常要缓慢得多，即可认周期与发射载波的周期相比通常要缓慢得多，即可认为为 及及 是是缓慢变化的随机过程缓慢变化的随机过程。这样。这样 和和 就可认为是就可认为是 及及 的包络。的包络。 ti ti ttiicos ttiisintccostcsin ;cos1niiictttX niiistttX1sin若令若令 tttVttXttXtRccscccos

41、sincos则则 ti ti频率弥散与快衰落第三章：信道与干扰60式中式中V V（t t）为合成波）为合成波R R（t t）的包络；）的包络；（t t）为合成波）为合成波R R（t t）的相位：）的相位： tXtXtgtcs1 tXtXtVsc22式中式中X Xc c（t t）和和X Xs s（t t）均为平稳的高斯随机过程。）均为平稳的高斯随机过程。于是于是R R（t t）可视为一个窄带随机过程。）可视为一个窄带随机过程。 R R（t t）的波形和频谱如图所示：）的波形和频谱如图所示：频率弥散与快衰落第三章：信道与干扰61由于多径传输使确定的由于多径传输使确定的单一载频信号单一载频信号变成了

42、包络和变成了包络和相位受到调制的相位受到调制的窄带信号窄带信号。 这样的信号，因包络有随机起伏，通常称之为衰落信号。这样的信号，因包络有随机起伏，通常称之为衰落信号。包络的随机起伏现象叫做包络的随机起伏现象叫做“衰落现象衰落现象”或或“快衰落快衰落”。而频。而频谱由单频变成了一个窄带频谱叫谱由单频变成了一个窄带频谱叫“频率弥散频率弥散”现象。现象。频率弥散与快衰落第三章：信道与干扰62 由公式可知，由公式可知， R R（t t）的统计特性）的统计特性V V（t t）和）和 （t t）的统计特性说明的统计特性说明V V（t t）和）和（t t）与）与X Xc c（t t）及）及X Xs s（t

43、t）有关。有关。下面我们将分析接收信号下面我们将分析接收信号R R（t t）的统计特性。）的统计特性。频率弥散与快衰落 tttVttXttXtRccscccossincos第三章：信道与干扰63 在任意时刻在任意时刻t t上，上， X Xc c（t t）及）及X Xs s（t t）是）是n n个随机变个随机变量之和。当量之和。当n n（路径数）足够大时（多径传播通常满足（路径数）足够大时（多径传播通常满足这一条件），在这一条件），在“和和”中的每一个随机变量可以认为中的每一个随机变量可以认为是独立出现的，且对总的是独立出现的，且对总的X Xc c（t t）及）及X Xs s（t t）的作用是）

44、的作用是均匀的小，因此，根据概率论的均匀的小，因此，根据概率论的中心极限定理中心极限定理知知X Xc c（t t）、）、X Xs s（t t）为）为正态分布。正态分布。 由于它与时间起点无关，所以由于它与时间起点无关，所以X Xc c（t t）及）及X Xs s（t t）为为平稳高斯随机过程平稳高斯随机过程。 因此，因此，R R（t t）是一个窄带高斯过程，）是一个窄带高斯过程，包络包络V V（t t）服从瑞利分布，相位服从瑞利分布，相位（t t）的服从均匀分布。）的服从均匀分布。第三章：信道与干扰64 信号的包络服从瑞利分布的衰落，通常称之为信号的包络服从瑞利分布的衰落，通常称之为瑞利型衰落

45、瑞利型衰落。设瑞利型衰落信号的包络值记为。设瑞利型衰落信号的包络值记为V V，则随机变量则随机变量V V的一维概率密度函数的一维概率密度函数f f（V V）为）为 002222VeVVfV相位相位（t t）的一维概率密度函数为）的一维概率密度函数为 2021f第三章：信道与干扰65瑞利衰落具有如下特性：瑞利衰落具有如下特性：（1 1）V V时时f f（V V）有极大值）有极大值 eeVf1121 254. 12222020dVeVVdVVVfVEV（2 2）V V的数学期望的数学期望瑞利衰落第三章：信道与干扰66（3 3）V V的均方值（二阶原点距）的均方值（二阶原点距） dVeVVdVVfV

46、VEV2220022222dVVdtVt2222若令若令022222dtteVEt则则瑞利衰落第三章：信道与干扰67（4 4）V V的方差（二阶中心距）的方差（二阶中心距） 22222243. 022VEVEVEVEVD（5 5）当）当 Vdxxf021177. 12ln2V 所以所以V V1.1771.177被称为被称为V V的中值的中值，即，即V V有有5050时间信号包络小于时间信号包络小于1.1771.177；也有；也有5050时间信号时间信号包络大于包络大于1.1771.177（时间指一个较长的观察时间）（时间指一个较长的观察时间）瑞利衰落第三章：信道与干扰68（6 6）信号低于）信

47、号低于的概率约为：的概率约为： 信号包络信号包络V V超过某一指定值超过某一指定值KK的概率为：的概率为： 39. 01210edVVf KKedVVf22 这里的这里的K K为大于零的实数，由此式可求出为大于零的实数，由此式可求出V V超超过任意值的概率。过任意值的概率。瑞利衰落第三章：信道与干扰69瑞利衰落第三章：信道与干扰70对于衰落特性的描述，通常用对于衰落特性的描述，通常用“衰落深度衰落深度”和和“衰落速度衰落速度”两个参量来衡量。两个参量来衡量。衰落深度：衰落深度：是用来描述接收信号电平变化的范围大是用来描述接收信号电平变化的范围大小的。它定义为图小的。它定义为图3 31010曲线

48、中纵坐标曲线中纵坐标10109090所所对应的横坐标上的衰耗或接收电平之差。对应的横坐标上的衰耗或接收电平之差。衰落速度：衰落速度：用来描述电平变化的快慢情况。它定用来描述电平变化的快慢情况。它定义为每分钟以正斜率通过中值电平的平均次数。义为每分钟以正斜率通过中值电平的平均次数。瑞利衰落第三章：信道与干扰71频率弥散与时间选择性衰落 频率弥散频率弥散产生产生时间选择性衰落时间选择性衰落（也称快衰落），由（也称快衰落），由信道时变性引起，具体体现之一是信道时变性引起，具体体现之一是多普勒频移多普勒频移。 相干时间相干时间是是最大多普勒频移最大多普勒频移fm的倒数，表明信道冲的倒数，表明信道冲击响

49、应维持不变的时间间隔统计平均值，在此时间击响应维持不变的时间间隔统计平均值，在此时间间隔内，两个到达信号具有很强的幅度相关性间隔内，两个到达信号具有很强的幅度相关性。 如果符号间隔大于信道的相干时间，那么信号的波如果符号间隔大于信道的相干时间，那么信号的波形可能会发生变化，造成信号畸变，产生时间选择形可能会发生变化，造成信号畸变，产生时间选择性衰落。反之，如果符号宽度小于相干时间，则认性衰落。反之，如果符号宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。为是非时间选择性衰落，即慢衰落。第三章：信道与干扰72频率选择性衰落：频率选择性衰落： 是指信号频谱中的某一些分量衰耗特是指信号频谱中的

50、某一些分量衰耗特别大，而另一些频谱分量衰耗却比较小。别大，而另一些频谱分量衰耗却比较小。这样传输后的信号就会出现畸变。这样传输后的信号就会出现畸变。下面通过例子来建立这个概念：下面通过例子来建立这个概念：频率选择性衰落第三章：信道与干扰73两径衰落第三章：信道与干扰74以下我们求此模拟电路的传输特性：以下我们求此模拟电路的传输特性：设设f f（t t）的频谱函数为）的频谱函数为F F（），即），即 jtjtjjtjtjeeFVeFVttVttVtfeeFVttVeFVttVFtf00000000000000000两径衰落第三章：信道与干扰75电路的传递函数电路的传递函数H H（）为：）为： )

51、1 (1000000000jtjjtjjtjtjeeVFeeFVFeFVeFVFFH两径衰落第三章：信道与干扰76取取H H（）的模值，则）的模值，则 2cos2cos12sincos1sincos110022000VVVjVeVHj两径衰落第三章：信道与干扰77当当 时，时， 出现零点。出现零点。12K H当当 时，时， 有极大值有极大值2 , 1 , 02KK H由图可见，两条路径传播的幅频特性依赖于由图可见，两条路径传播的幅频特性依赖于cos(cos(/2)/2)，即对，即对不同的频率有不同的衰减。不同的频率有不同的衰减。第三章：信道与干扰78 因为相对时延因为相对时延 是随时间变化的，

52、故传输特是随时间变化的，故传输特性出现的零点与极点在频率轴上的位置也是性出现的零点与极点在频率轴上的位置也是随时间变化的。随时间变化的。 显然，当被传输的波形频谱宽于显然，当被传输的波形频谱宽于1/1/ (t)时时 ( ( (t) 表示有时变的相对时延表示有时变的相对时延) )，传输波形的各，传输波形的各频谱成分将受到不同的衰减从而造成畸变，这频谱成分将受到不同的衰减从而造成畸变，这种畸变就是所谓的种畸变就是所谓的频率选择性衰落频率选择性衰落所引起的。所引起的。两径衰落第三章：信道与干扰79 将上述讨论的概念推广到多径传播中去，虽将上述讨论的概念推广到多径传播中去，虽然传输特性要复杂得多，但出

53、现的频率选择性然传输特性要复杂得多，但出现的频率选择性衰落的基本规律是同样的。衰落的基本规律是同样的。 频率选择性衰落同样依赖于相对时延差频率选择性衰落同样依赖于相对时延差 ，多，多径传播的相对时延差通常用径传播的相对时延差通常用最大多径时延差最大多径时延差来来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。位置。设最大多径时延差为设最大多径时延差为 m ，则定义，则定义mf1为相邻传输零点的频率间隔。为相邻传输零点的频率间隔。频率选择性衰落第三章：信道与干扰80 这个频率间隔常称多径传播媒质的这个频率间隔常称多径传播媒质的“相关带宽相关带宽”。如果传输波

54、形的频谱大于如果传输波形的频谱大于ff，则该波形将产生明显，则该波形将产生明显的频率选择性衰落。的频率选择性衰落。 为了不引起明显的选择性衰落，为了不引起明显的选择性衰落，传播波形的频带传播波形的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽必须小于多径传输媒质的相关带宽ff。 时间弥散时间弥散为频率选择性衰落造成的波形畸变。为频率选择性衰落造成的波形畸变。相关带宽第三章：信道与干扰81有关时间弥散的直观分析见下图所示。有关时间弥散的直观分析见下图所示。时间弥散第三章：信道与干扰82由于时间弥散可能会造成由于时间弥散可能会造成前后数字波形的重叠前后数字波形的重叠，出现出现码间干扰码间干扰。为减少这种影响，

55、必须满足。为减少这种影响，必须满足 这样就大大降低了数字波形的传输速度。所以由于这样就大大降低了数字波形的传输速度。所以由于多径时延的影响，数字波形的传输速度被大大的限多径时延的影响，数字波形的传输速度被大大的限制了。制了。sT综上所述，变参信道的综上所述，变参信道的多径传播多径传播对数字信号的传对数字信号的传输带来的影响是严重的，这也是变参信道对数字输带来的影响是严重的，这也是变参信道对数字信号传输的主要影响。信号传输的主要影响。时间弥散第三章：信道与干扰83变参信道对信号传输的最大危害是：变参信道对信号传输的最大危害是：危危 害害措措 施施多径传播引起多径传播引起的快衰落现象的快衰落现象为

56、了抗快衰落通常可采用多种为了抗快衰落通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术及接收技术等。其制解调技术及接收技术等。其中，较为有效且常用的抗衰落中，较为有效且常用的抗衰落措施就是措施就是分集接收技术分集接收技术。多径时延多径时延3.4 变参信道特性的改善（分集接收）变参信道特性的改善（分集接收）第三章：信道与干扰84快衰落信号有如下特点：快衰落信号有如下特点： 1 1）在）在任意接收位置上任意接收位置上，接收信号电平的瞬时，接收信号电平的瞬时起伏几乎与相距一定距离的另一接收位置上的信起伏几乎与相距一定距离的另一接收位置上的信号的瞬时起伏完全独立。号的瞬时起伏

57、完全独立。 2 2）在）在间隔很大的两个时刻上间隔很大的两个时刻上，同一接收信号，同一接收信号电平也几乎是相互独立的。电平也几乎是相互独立的。 3 3）同一位置经同一信道传输来的）同一位置经同一信道传输来的两个频率间两个频率间隔很远的信号隔很远的信号，衰落也是独立的，不同天线极化，衰落也是独立的，不同天线极化方向或不同角度天线所接收的信号也具有类似的方向或不同角度天线所接收的信号也具有类似的独立衰落性质。独立衰落性质。快衰落信号特点第三章：信道与干扰85 就是设法取得就是设法取得n n组相互独立的信号在按适组相互独立的信号在按适当的方法集中起来，以便衰落强度相互补偿，当的方法集中起来，以便衰落

58、强度相互补偿，使总的接收信号比较平稳，从而克服或减弱使总的接收信号比较平稳，从而克服或减弱信号包络的起伏。采用分集接收的信号质量信号包络的起伏。采用分集接收的信号质量可以大大提高，因此，变参信道中分集接收可以大大提高，因此，变参信道中分集接收是抗快衰落的有效方法。是抗快衰落的有效方法。所谓分集接收：所谓分集接收：分集接收第三章：信道与干扰86（1 1）空间分集）空间分集 在收端，使用在收端，使用n n付同样的天线将它们安置在有一付同样的天线将它们安置在有一定距离的不同位置，以降低不同天线接收信号间的定距离的不同位置，以降低不同天线接收信号间的相关性。天线放置的位置不同，效果不同。相关性。天线放

59、置的位置不同，效果不同。（2 2）极化分集）极化分集 有时候衰落的部分原因是由于信号通过传输媒有时候衰落的部分原因是由于信号通过传输媒质极化方向发生了变化。在短波电离层反射信道中，质极化方向发生了变化。在短波电离层反射信道中，接收信号的水平极化分量和垂直极化分量间的相关接收信号的水平极化分量和垂直极化分量间的相关性很小。这时可用两个位置很近但极化方向不同的性很小。这时可用两个位置很近但极化方向不同的天线分集接收。天线分集接收。第三章：信道与干扰87（3 3）角度分集）角度分集 是利用天线波束指向不同方向间隔增大而相是利用天线波束指向不同方向间隔增大而相关性减小的特性进行分集的。关性减小的特性进

60、行分集的。（4 4）频率分集）频率分集 是利用同一途径传输的两个不同载波的包络是利用同一途径传输的两个不同载波的包络的相关系数随其频率间隔的增加而减小的特性，的相关系数随其频率间隔的增加而减小的特性，如载频差大于最大多径时延的倒数时，可认为不如载频差大于最大多径时延的倒数时，可认为不同载波的信号基本上不相关，即可按不同的频率同载波的信号基本上不相关，即可按不同的频率进行分集。进行分集。第三章：信道与干扰88（5 5）时间分集）时间分集 同一信号在不同的时间重发，只要时间间同一信号在不同的时间重发，只要时间间隔足够大，则得到的隔足够大，则得到的n n个信号便为不相关的。个信号便为不相关的。 以上