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1、1,第二章：无线信道（1/38）,信道是通信系统必不可少的组成部分，信道特性的好坏直接影响到系统的总特性。无线通信与一般通信的最主要不同之处，就在于其无线信道的特性。本节主要介绍信道的基本概念和常见信道的一般特性，以及不同信道对所传信号的影响和改善信道特性的办法。,2,第二章：无线信道（2/38）,信道的定义 信道是指以传输媒介(质)为基础的信号通路；具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。,3,第二章：无线信道（3/38）,通常，将仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道。与之对应的是广义信道
2、。信道的分类 狭义信道通常按具体媒介的不同类型可分为有线信道和无线信道。广义信道通常也可分为两种，调制信道和编码信道。,4,第二章：无线信道（4/38）,5,第二章：无线信道（5/38）,信道的模型1调制信道 通过对调制信道进行大量的考察之后，发现它有如下主要特性：(1)有一对(或多对)输入端，有一对(或多对)输出端。(2)绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理。(3)信号通过信道需要一定的延迟时间。(4)信道对信号有损耗(固定损耗或时变损耗)。(5)即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出(噪声)。由此看来，可用一个二对端(或多对端)的时变线性网络去替代调制信道作调制信道模型，如
3、图所示。,6,第二章：无线信道（6/38）,7,第二章：无线信道（7/38）,对于二对端的信道模型来说，它的输入和输出之间的关系式可表示成 为了进一步理解信道对信号的影响，把上式写成为一个信号与干扰相乘的形式：,8,第二章：无线信道（8/38）,我们期望的信道(理想信道)应是k(t)常数、n(t)0，即 实际中，乘性干扰k(t)一般是一个复杂的函数，它可能包括各种线性畸变、非线性畸变、交调畸变、衰落畸变等，而且往往只能用随机过程加以表述。,9,第二章：无线信道（9/38）,恒参信道：k(t)可看成不随时间变化或变化极为缓慢的一类信道；变参信道：或称为随参信道，它是非恒参信道的统称，或者说k(t
4、)是随时间随机变化的信道。一般情况下，认为有线信道绝大部分为恒参信道，而无线信道大部分为随参信道。,10,第二章：无线信道（10/38）,2编码信道 编码信道包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。它与调制信道模型有明显的不同：即调制信道对信号的影响是通过k(t)和n(t)使调制信号发生“模拟变化，而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。故有时把编码信道看成是一种数字信道。编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。,11,第二章：无线信道（11/38）,12,第二章：无线信道（12/38）,恒参信道及其对所传信号的影响 恒参信道等效于一个非时变的线性
5、网络。只要得到这个网络的传输特性，则利用信号通过线性系统的分析方法，就可求得调制信号通过恒参信道后的变化规律。网络的传输特性通常可用幅度频率特性和相位频率特性来表示。,13,第二章：无线信道（13/38）,1幅度频率畸变,14,第二章：无线信道（14/38）,2相位频率畸变 所谓相位频率畸变(群迟延畸变)，是指信道的相位频率特性偏离线性关系所引起的畸变。信道的相位频率特性经常采用群迟延频率特性来衡量：,15,第二章：无线信道（15/38）,16,第二章：无线信道（16/38）,17,第二章：无线信道（17/38）,18,第二章：无线信道（18/38）,3.减小畸变的措施 为了减小幅度-频率畸变
6、，一般再通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。称之为“均衡”。均衡的方式有时域均衡和频域均衡。相位频率畸变(群迟延畸变)如同幅频畸变一样，也是一种线性畸变。因此，采用相位均衡技术也可以补偿群迟延畸变。,19,第二章：无线信道（19/38）,变参信道及其对所传信号的影响 1.变参信道传输媒介通常具有以下特点：(1)对信号的衰耗随时间的变化而变化。(2)传输时延随时间也发生变化。(3)具有多径传播(多径效应)。,20,第二章：无线信道（20/38）,2产生多径效应的分析 多径传播后的接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。若设发射信号为A cosct，则经过n条路径传播后的接收
7、信号r(f)可用下式表述：,21,第二章：无线信道（21/38）,22,第二章：无线信道（22/38）,23,第二章：无线信道（23/38）,其中a(t)是多径信号合成后的包络，即而(t)是多径合成后的相位，即,24,第二章：无线信道（24/38）,可以得到如下结论：(1)从波形上看，多径传播的结果使单一载频信号Acosct变成了包络和相位都变化(实际上都受到调制)的窄带信号。(2)从频谱上看，多径传播引起了频率弥散(色散)，即由单个频率变成了一个窄带频率。(3)多径传播会引起选择性衰落。通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰落，而把由于多径效应引起的信号衰落称为快衰落，选择性
8、衰落就是其中之一。,25,第二章：无线信道（25/38）,可知，当两条路径传输时，信道的H()对于不同的频率具有不同的衰减(或增益)。特别是在(2n+1)(n为整数)时，出现传递函数为零，即信道衰减为无限大。这就是说，在接收到的合成信号内将损失掉这些频率分量，使信号频谱遭受到破坏。由于这种现象和信号通过选择性的衰耗网络相似，故常称为选择性衰落(亦称频率选择性衰落)。相应地，将前述非选择性衰落亦称为平坦性衰落。,26,第二章：无线信道（26/38）,27,第二章：无线信道（27/38）,3变参信道特性的改善 对于平坦性衰落(慢衰落)，主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制等技术和方法即
9、可。对于快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术及接收技术等。其中较为有效且常用的抗衰落措施乃是分集接收技术。只要被分集的几个信号之间是统计独立的那么经适当的合并后就能使系统性能大为改善。,28,第二章：无线信道（28/38）,常用的分集方式有：(1)空间分集。(2)频率分集。(3)角度分集。(4)极化分集。各分散的合成信号进行合并的方法通常有：(1)最佳选择式。(2)等增益相加式。(3)最大比值相加式。,29,第二章：无线信道（29/38）,因此，综合得到无线信道的特征：1.衰减作用 无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小。它由传输路径的长度、直达信号路径中的障碍情况
10、决定。无线通信中的衰减作用体现在以下3个方面：(1)路径损耗：当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上(数百米或数千米)变化时，接收信号的平均功率值与信号传播距离d的n次方成反比。n称为路径损耗指数，n值的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播n取2。,30,第二章：无线信道（30/38）,(2)阴影衰落：电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。(3)小尺度衰落：在无线通信中，由于电波经过多条路径的距离不同，因而各条路径中
11、的发射波到达接收机的时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。当发射机和接收机之间的距离在较小的尺度上(数个波长)变化时，接收信号的功率发生急剧的变化，称之为小尺度衰落。,31,第二章：无线信道（31/38）,32,第二章：无线信道（32/38）,2.多径效应（1）瑞利莱斯衰落 在无线通信中，到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或独立多径分量情况下接收信号包络统计特性的一种典
12、型分布类型。如果发射机和接收机之间的多径传播中存在一个主要的静态信号(非衰落)分量，还存在视距传播路径，则接收信号的包络服从莱斯(Rice)分布。,33,第二章：无线信道（33/38）,（2）时延扩展 发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这就使得接收信号的能量在时间上被扩展。最大时延扩展是第一个到达接收天线的信号分量与最后到达的信号分量之间的时间差。在数字通信系统中，由于多径传播的影响，前后发送符号的各条路径分量叠加起来，会造成符号间干扰(ISI)。强的ISI会使得接收机的符号判决性能出现严重的下降。,34,第二章：无线信道（34/38）,(3)相干带
13、宽频率选择性衰落 从频域看，如果多径悟道具有恒定增益和线性相位的带宽范围(称为相干带宽)小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分的信号的幅值却衰减。相干带宽Bc是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性。,35,第二章：无线信道（35/38）,3.时变性（1）多普勒频移（2）多普勒扩展 多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。当发射机在无线信道上发送一个频率为f0的单频正弦波时，出于前述的多普勒效应，接收信号的频谱被展
14、宽，将包含频率为f0-fd到f0+fd的频谱分量。称为多普勒扩展。,36,第二章：无线信道（36/38）,（3）相干时间 与多普勒扩展相对应的一个时间参量是相干时间Tc。它在时域描述信道的频率色散的时变特性。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，接收信号的幅值具有很强的相关性。如果基带信号的符号周期Ts大于信道的相干时间，则在基带信号的传输过程中信道可能会发生改变导致接收信号发生失真。,37,第二章：无线信道（37/38）,我们可以根据基带信号的符号周期Ts和Tc的关系，将信道分为慢衰落信道(Ts Tc)和
15、快衰落信道(Ts Tc)。,38,第二章：无线信道（38/38）,本章小结 信道是为信号提供的通路，它允许信号通过，但又给信号以限制和衰耗。狭义信道通常可以分为无线信道和有线信道，亦可分为数字信道和模拟信道；广义信道可以分为调制信道和编码信道。恒参信道的参数随时间不变化，或缓慢变化，它对信号的主要影响可用幅度频率畸变和相位频率畸变(群迟延频率特性)来衡量。减少畸变的主要措施是采用均衡技术。变参信道的参数随时间在变化。由于信道中参数变化所引起的信号衰落叫做慢衰落，也叫做平坦性衰落。由于多径传播造成的信号衰落叫做快衰落，选择性衰落(频率选择性衰落)就是一种快衰落。多径传播会产生频率弥散现象。变参信道的改善通过分集接收方法实现。,39,SNR=40dB AWGN信道,40,SNR=10dB AWGN信道,41,SNR=10dB 多径信道,42,SNR=10dB AWGN信道,43,SNR=10dB 多径信道,44,SNR=20dB AWGN信道,45,SNR=20dB 多径信道,46,SNR=30dB AWGN信道,47,SNR=30dB 多径信道,
