第四章信道與噪聲

1、第四章 信道與噪聲知識結(jié)構(gòu)- 信道的基本概念和數(shù)學(xué)模型- 恒參信道及其對所傳信號的影響- 隨參信道及其對所傳信號的影響（選講）- 信道的加性噪聲- 信道的容量教學(xué)目的- 了解信道的分類和傳輸模型、系統(tǒng)的無失真?zhèn)鬏斠约盀V波器- 掌握系統(tǒng)無失真?zhèn)鬏數(shù)膫鬏敽瘮?shù)，掌握信道容量的計算。教學(xué)重點- 信道的無失真?zhèn)鬏敆l件- 模擬信道的信道容量（香農(nóng)定理）教學(xué)難點- 離散信道的信道容量和信道疑義度的概念- 模擬信道容量的物理意義及應(yīng)用計算教學(xué)方法及課時- 多媒體授課（2學(xué)時）（1個單元）備注 單元六（2學(xué)時）§4.1 信道的基本概念及其模型知識要點：信道、狹義信道、廣義信道的定義 調(diào)制信道、編碼信道

2、的概念及其模型 恒參信道、隨參信道的概念 錯誤轉(zhuǎn)移概率§4.1.1信道的定義信道，通俗地說，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路。信道的作用是傳輸信號，它提供一段頻帶讓信號通過，同時又給信號加以限制和損害。通常，我們將僅指信號傳輸媒介的信道稱為狹義信道。目前采用的傳輸媒介有架空明線、電纜、光導(dǎo)纖維（光纜）、中長波地表波傳播、超短波及微波視距傳播（含衛(wèi)星中繼）、短波電離層反射、超短波流星余跡散射、對流層散射、電離層散射、超短波超視距繞射、波導(dǎo)傳播、光波視距傳播等?？梢钥闯觯M義信道是指接在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介（以上所列）。狹義信

3、道的定義直觀，易理解。在通信原理的分析中，從研究消息傳輸?shù)挠^點看，我們所關(guān)心的只是通信系統(tǒng)中的基本問題，因而，信道的范圍還可以擴大。它除包括傳輸媒介外，還可能包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換器，如饋線、天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等。通常將這種擴大了范圍的信道稱為廣義信道。在討論通信的一般原理時，通常采用的是廣義信道。為了進一步理解信道的概念，下面對信道進行分類。§4.1.2信道的分類由信道的定義可看出，信道可大體分成兩類：狹義信道和廣義信道。1. 狹義信道狹義信道通常按具體媒介的不同類型可分為有線信道和無線信道。（1）有線信道所謂有線信道是指傳輸媒介為明線、對稱電纜、同軸電纜、光纜及波導(dǎo)等一類能夠看得見的

4、媒介。有線信道是現(xiàn)代通信網(wǎng)中最常用的信道之一。如對稱電纜（又稱電話電纜）廣泛應(yīng)用于（市內(nèi)）近程傳輸。（2）無線信道無線信道的傳輸媒質(zhì)比較多，它包括短波電離層反射、對流層散射等?？梢赃@樣認為，凡不屬有線信道的媒質(zhì)均為無線信道的媒質(zhì)。無線信道的傳輸特性沒有有線信道的傳輸特性穩(wěn)定和可靠，但無線信道具有方便、靈活、通信者可移動等優(yōu)點。2. 廣義信道廣義信道通常也可分成兩種：調(diào)制信道和編碼信道。（1）調(diào)制信道調(diào)制信道是從研究調(diào)制與解調(diào)的基本問題出發(fā)而構(gòu)成的，它的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端，如圖4-1所示。因為，從調(diào)制和解調(diào)的角度來看，我們只關(guān)心解調(diào)器輸出的信號形式和解調(diào)器輸入信號與噪聲的最終特性

5、，并不關(guān)心信號的中間變化過程。因此，定義調(diào)制信道對于研究調(diào)制與解調(diào)問題是方便和恰當(dāng)?shù)?。?）編碼信道在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果僅著眼于編碼和譯碼問題，則可得到另一種廣義信道編碼信道。這是因為，從編碼和譯碼的角度看，編碼器的輸出仍是某一數(shù)字序列，而譯碼器輸入同樣也是一數(shù)字序列，它們在一般情況下是相同的數(shù)字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。編碼信道示意圖也示于圖4-1。根據(jù)研究對象和關(guān)心問題的不同，還可以定義其它形式的廣義信道。§4.1.3信道的數(shù)學(xué)模型為了分析信道的一般特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?，我們在?/p>

6、道定義的基礎(chǔ)上，引入調(diào)制信道和編碼信道的數(shù)學(xué)模型。 1. 調(diào)制信道模型在頻帶傳輸系統(tǒng)中，調(diào)制器輸出的已調(diào)信號即被送入調(diào)制信道。對于研究調(diào)制與解調(diào)性能而言，可以不管調(diào)制信道究竟包括了什么樣的變換器，也不管選用了什么樣的傳輸媒質(zhì)，以及發(fā)生了怎樣的傳輸過程，我們只需關(guān)心已調(diào)信號通過調(diào)制信道后的最終結(jié)果，即只需關(guān)心調(diào)制信道輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系。通過對調(diào)制信道進行大量的分析研究，發(fā)現(xiàn)它們有如下共性：（1）有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端；（2）絕大部分信道都是線性的，即滿足疊加原理； （3）信號通過信道具有一定的遲延時間； （4）信道對信號有損耗（固定損耗或時變損耗）；（5）即使沒有

7、信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。根據(jù)上述共性，我們可用一個二對端（或多對端）的時變線性網(wǎng)絡(luò)來表示調(diào)制信道。這個網(wǎng)絡(luò)就稱作調(diào)制信道模型，如圖4-2所示。對于二對端的信道模型來說，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可表示成 （式4-1）式中-輸入的已調(diào)信號；-調(diào)制信道總輸出波形；-信道噪聲（或稱信道干擾），與無依賴關(guān)系，或者說獨立于。常稱為加性干擾（噪聲）；-表示已調(diào)信號通過網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的時變線性變換。 為了進一步理解信道對信號的影響，無妨假定可簡寫成。其中，依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，乘反映網(wǎng)絡(luò)特性對的“時變線性”作用。的存在，對來說是一種干擾，常稱為乘性干擾。于是，式（4-1）可寫成 （式4

8、-2）由以上分析可見，信道對信號的影響可歸納為兩點：一是乘性干擾；二是加性干擾。如果了解了和的特性，則信道對信號的具體影響就能確定。不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的及。我們期望的信道（理想信道）應(yīng)是常數(shù)，=0，即 （式4-3）實際中，乘性干擾一般是一個復(fù)雜函數(shù)，它可能包括各種線性畸變、非線性畸變。同時由于信道的遲延特性和損耗特性隨時間作隨機變化，故往往只能用隨機過程加以表述。不過，經(jīng)大量觀察表明，有些信道的基本不隨時間變化，也就是說，信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的；而有的信道卻不然，它們的是隨機快變化的。因此，在分析研究乘性干擾時，可以把調(diào)制信道粗略地分為兩大類：一類稱為恒參信

9、道（恒定參數(shù)信道），即它們的可看成不隨時間變化或變化極為緩慢；另一類則稱為隨參信道（隨機參數(shù)信道，或稱變參信道），它是非恒參信道的統(tǒng)稱，其是隨時間隨機快變的。通常，把我們前面所列的架空明線、電纜、波導(dǎo)、中長波地波傳播、超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼、光導(dǎo)纖維以及光波視距傳播等傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱為恒參信道，其它媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱為隨參信道。2. 編碼信道模型編碼信道是包括調(diào)制信道及調(diào)制器、解調(diào)器在內(nèi)的信道。它與調(diào)制信道模型有明顯的不同：即調(diào)制信道對信號的影響是通過(t)和n(t)使調(diào)制信號發(fā)生“模擬”變化，而編碼信道對信號的影響則是一種數(shù)字序列的變換，即把一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列。故有時把

10、調(diào)制信道看成是一種模擬信道，而把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。由于編碼信道包含調(diào)制信道，因而它同樣要受到調(diào)制信道的影響。但是，從編/譯碼的角度看，這個影響已反映在解調(diào)器的輸出數(shù)字序列中，即輸出數(shù)字序列以某種概率發(fā)生差錯。顯然，調(diào)制信道越差，即特性越不理想和加性噪聲越嚴(yán)重，則發(fā)生錯誤的概率就會越大。因此，編碼信道的模型可用數(shù)字信號的轉(zhuǎn)移概率來描述。例如，最常見的二進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的一種簡單的編碼信道模型如圖4-3所示。之所以說這個模型是“簡單的”，是因為在這里假設(shè)解調(diào)器每個輸出碼元的差錯發(fā)生是相互獨立的。用編碼的術(shù)語來說，這種信道是無記憶的（當(dāng)前碼元的差錯與其前后碼元的差錯沒有依賴關(guān)系）。在這個模

11、型里，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)稱為信道轉(zhuǎn)移概率。以P(1/0)為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把0轉(zhuǎn)移為1”。具體地，我們把P(0/0)和P(1/1)稱為正確轉(zhuǎn)移概率，而把P(1/0)和P(0/1)稱為錯誤轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)概率性質(zhì)可知P(0/0)+P(1/0)=1 （式4-4）P(0/1)+P(1/1)=1 （式4-5）轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性決定，一個特定的編碼信道就會有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率。應(yīng)該指出，編碼信道的轉(zhuǎn)移概率一般需要對實際編碼信道作大量的統(tǒng)計分析才能得到。由無記憶二進制編碼信道模型容易推出無記憶多進制的模型。四進制時無記憶編碼信道模型如圖4-4所示。編

12、碼信道可細分為無記憶編碼信道和有記憶編碼信道。有記憶編碼信道是指信道中碼元發(fā)生差錯的事件不是獨立的，即當(dāng)前碼元的差錯與其前后碼元的差錯是有聯(lián)系的。在此情況下，編碼信道的模型要比圖4-3或圖4-4的模型復(fù)雜的多，在此不予討論。由于編碼信道包含調(diào)制信道，且其特性也緊密地依賴于調(diào)制信道，故在建立了編碼信道和調(diào)制信道的一般概念之后，有必要對調(diào)制信道作進一步的討論。如前所述，調(diào)制信道分為恒參信道和隨參信道，我們分別加以討論。§4.2 恒參信道及其對所傳信號的影響知識要點：信號不失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件 幅度頻率畸變 相位頻率畸變 頻率偏移 相位抖動由于恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兊幕蛘呤亲兓瘶O為緩

13、慢的，因而可以等效為一個非時變的線性網(wǎng)絡(luò)。從理論上講，只要得到這個網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，則利用信號通過線性系統(tǒng)的分析方法，就可求得已調(diào)信號通過恒參信道后的變化規(guī)律。§4.2.1 信號無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件對于信號傳輸而言，我們追求的是信號通過信道時不產(chǎn)生失真或者失真小到不易察覺的程度。 由信號與系統(tǒng)課程可知，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性通?？捎梅?頻率特性和相位-頻率特性來表征 （式4-6）要使任意一個信號通過線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性應(yīng)該具備以下兩個理想條件：（1）網(wǎng)絡(luò)的幅度頻率特性是一個不隨頻率變化的常數(shù)，如圖4-5（a）所示；（2）網(wǎng)絡(luò)的相位頻率特性應(yīng)與頻率成直線關(guān)系，如圖4-5

14、（b）所示。其中為傳輸時延常數(shù)。網(wǎng)絡(luò)的相位-頻率特性還經(jīng)常采用群遲延-頻率特性來衡量。所謂群遲延-頻率特性就是相位-頻率特性對頻率的導(dǎo)數(shù)，即 （式4-7）可以看出，上述相位-頻率理想條件，等同于要求群遲延-頻率特性應(yīng)是一條水平直線，如圖4-5(c)所示。一般情況下，恒參信道并不是理想網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)隨時間不變化或變化特別緩慢。它對信號的主要影響可用幅度-頻率畸變和相位-頻率畸變（群遲延-頻率特性）來衡量。下面我們以典型的恒參信道有線電話的音頻信道和載波信道為例，來分析恒參信道等效網(wǎng)絡(luò)的幅度-頻率特性和相位-頻率特性，以及它們對信號傳輸?shù)挠绊憽?#167;4.2.2 幅度頻率畸變所謂幅度-頻率畸變，

15、是指信道的幅度-頻率特性偏離圖4-5（a）所示關(guān)系所引起的畸變。這種畸變又稱為頻率失真。在通常的有線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的。圖4-6示出了典型音頻電話信道的總衰耗-頻率特性。十分明顯，有線電話信道的此種不均勻衰耗必然使傳輸信號的幅度-頻率發(fā)生畸變，引起信號波形的失真。此時若要傳輸數(shù)字信號，還會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，即造成碼間串?dāng)_（碼元之間相互串?dāng)_）。§4.2.3 相位頻率畸變所謂相位-頻率畸變，是指信道的相位-頻率特性或群遲延-頻率特性偏離4-5(b)、

16、(c)所示關(guān)系而引起的畸變。電話信道的相位-頻率畸變主要來源于信道中的各種濾波器及可能有的加感線圈，尤其在信道頻帶的邊緣，相頻畸變就更嚴(yán)重。圖4-7示出的是一個典型的電話信道的群遲延-頻率特性。不難看出，當(dāng)非單一頻率的信號通過該電話信道時，信號頻譜中的不同頻率分量將有不同的遲延，即它們到達的時間先后不一，從而引起信號的畸變。相頻畸變對模擬話音通道影響并不顯著，這是因為人耳對相頻畸變不太靈敏；但對數(shù)字信號傳輸卻不然，尤其當(dāng)傳輸速率比較高時，相頻畸變將會引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_，給通信帶來很大損害。所以，在模擬通信系統(tǒng)內(nèi)往往只注意幅度失真和非線性失真，而將相移失真放在忽略的地位。但是，在數(shù)字通信系統(tǒng)內(nèi)一

17、定要重視相移失真對信號傳輸可能帶來的影響。§4.2.4 減小畸變的措施為了減小幅度-頻率畸變，在設(shè)計總的電話信道傳輸特性時，一般都要求把幅度-頻率畸變控制在一個允許的范圍內(nèi)。這就要求改善電話信道中的濾波性能，或者再通過一個線性補償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦，接近于圖4-5(a)。這后一措施通常稱之為“均衡”。在載波電話信道上傳輸數(shù)字信號時，通常要采用均衡措施。均衡的方式有時域均衡和頻域均衡，時域均衡的具體技術(shù)將在第7章（數(shù)字信號的基帶傳輸系統(tǒng)）中介紹。相位-頻率畸變（群遲延畸變）如同幅頻畸變一樣，也是一種線性畸變。因此，也可采取相位均衡技術(shù)補償群遲延畸變。即為了減小相移失真，在調(diào)制

18、信道內(nèi)采取相位均衡措施，使得信道的相頻特性盡量接近圖4-5(b)所示線性。或者嚴(yán)格限制已調(diào)信號的頻譜，使它保持在信道的線性相移范圍內(nèi)傳輸。恒參信道幅度-頻率特性及相位-頻率特性的不理想是損害信號傳輸?shù)闹匾蛩?。此外，也還存在其它一些因素使信道的輸出與輸入產(chǎn)生差異（亦可稱為畸變），例如非線性畸變、頻率偏移及相位抖動等。非線性畸變主要由信道中的元器件（如磁芯，電子器件等）的非線性特性引起，造成諧波失真或產(chǎn)生寄生頻率等；頻率偏移通常是由于載波電話系統(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)男盘栔恳环至靠赡墚a(chǎn)生的頻率變化；相位抖動也

19、是由調(diào)制和解調(diào)載波發(fā)生器的不穩(wěn)定性造成的，這種抖動的結(jié)果相當(dāng)于發(fā)送信號附加上一個小指數(shù)的調(diào)頻。以上的非線性畸變一旦產(chǎn)生，一般均難以排除。這就需要在進行系統(tǒng)設(shè)計時從技術(shù)上加以重視。§4.3 隨參信道及其對所傳信號的影響（選講）知識要點：多徑傳播 多徑衰落 選擇性衰落 分集接收隨參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多，對信號的影響也要嚴(yán)重得多。其根本原因在于它包含一個復(fù)雜的傳輸媒質(zhì)。雖然，隨參信道中包含著除媒質(zhì)外的其它轉(zhuǎn)換器，自然也應(yīng)該把它們的特性算作隨參信道特性的組成部分。但是，從對信號傳輸影響來看，傳輸媒質(zhì)的影響是主要的，而轉(zhuǎn)換器特性的影響是次要的，甚至可以忽略不計。因此，本節(jié)僅討論隨參信

20、道的傳輸媒質(zhì)所具有的一般特性以及它對信號傳輸?shù)挠绊憽?#167;4.3.1 隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點屬于隨參的傳輸媒質(zhì)主要以電離層反射、對流層散射等為代表，信號在這些媒質(zhì)中傳輸?shù)氖疽鈭D如圖4-8所示。圖4-8（a）為電離層反射傳輸示意圖，圖4-8（b）為對流層散射傳輸示意圖。它們的共同特點是：由發(fā)射點出發(fā)的電波可能經(jīng)多條路徑到達接收點，這種現(xiàn)象稱多徑傳播。就每條路徑信號而言，它的衰耗和時延都不是固定不變的，而是隨電離層或?qū)α鲗拥淖兓瘷C理隨機變化的。因此，多徑傳播后的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。概括起來，隨參信道傳輸媒質(zhì)通常具有以下特點：（1）對信號的衰耗隨時間隨機變化；（

21、2）信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機變化；（3）多徑傳播。§4.3.2 隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懹捎陔S參信道的上述特點，它對信號傳輸?shù)挠绊懸群銋⑿诺绹?yán)重得多。下面從兩個方面進行討論。1. 多徑衰落與頻率彌散由上面討論可知，信號經(jīng)隨參信道傳播后，接收的信號將是衰減和時延隨時間變化的多路徑信號的合成。設(shè)發(fā)射信號為，則經(jīng)過條路徑傳播后的接收信號可用下式表述 （式4-8）式中，第i條路徑的接收信號振幅，隨時間不同而隨機變化第i條路徑的傳輸時延，隨時間不同而隨機變化；第i條路徑的隨機相位，其與相應(yīng)，即大量觀察表明，和隨時間的變化比信號載頻的周期變化通常要緩慢得多，即和可看作是緩慢變化的隨機過程。因此

22、式（4-8）又可寫成 （式4-9）令                    （式4-10）                    （式4-11）代入式（4-9）后得    

23、0;      （式4-12）其中是多徑信號合成后的包絡(luò)，即                  （式4-13）而是多徑信號合成后的相位，即                   （式4-14）由于和是緩

24、慢變化的隨機過程，因而、及包絡(luò)、相位也都是緩慢變化的隨機過程。于是，可視為一個窄帶隨機過程，其波形與頻譜如圖4-9所示。由式（4-12）和圖4-9可以看出：（1）從波形上看，多徑傳播的結(jié)果使確定的載頻信號變成了包絡(luò)和相位都隨機變化的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號；（2）從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散（色散），即由單個頻率變成了一個窄帶頻譜。通常將由于電離層濃度變化等因素所引起的信號衰落稱為慢衰落；而把由于多徑效應(yīng)引起的信號衰落稱為快衰落。下面討論的頻率選擇性衰落即為快衰落之一。2. 頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬當(dāng)發(fā)送的信號是具有一定頻帶寬度的信號時，多徑傳播會產(chǎn)生頻率選擇性衰落。下面通過一個例

25、子來建立這個概念。為分析簡單起見，假定多徑傳播的路徑只有兩條，且到達接收點的兩路信號的強度相同，只是在到達時間上差一個時延。令發(fā)送信號為，它的頻譜密度函數(shù)為，即                       （式4-15）則到達接收點的兩路信號可分別表示為及。這里，假定兩條路徑的衰減皆為，第一條路徑的時延為。顯然，有如下關(guān)系存在    &#

26、160;         （式4-16）當(dāng)這兩條傳輸路徑的信號合成后得               （式4-17）相應(yīng)于它的傅氏變換對為        （式4-18）因此，信道的傳遞函數(shù)為           

27、   （式4-19）其幅頻特性為              （式4-20）的特性曲線如圖4-10所示（在此，設(shè)K=l）。由圖4-10可知，兩徑傳輸時，對于不同的頻率，信道的衰減不同。例如，當(dāng)（n為整數(shù)）時，出現(xiàn)傳播極點；當(dāng)（n為整數(shù)）時，出現(xiàn)傳輸零點。另外，相對時延差一般是隨時間變化的，故傳輸特性出現(xiàn)的零極點在頻率軸上的位置也是隨時間而變的。顯然，當(dāng)一個傳輸信號的頻譜寬于1/時，傳輸信號的頻譜將受到畸變，致使某些分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為

28、頻率選擇性衰落，簡稱選擇性衰落。上述概念可推廣到一般的多徑傳播中去。雖然這時信道的傳輸特性要復(fù)雜的多，但出現(xiàn)頻率選擇性衰落的基本規(guī)律將是相同的，即頻率選擇性將同樣依賴于相對時延差。多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差來表征，并用它來估算傳輸零極點在頻率軸上的位置。設(shè)信道的最大時延差為，則相鄰兩個零點之間的頻率間隔為                     （式4-21）這個頻率間隔通常稱為多

29、徑傳播信道的相關(guān)帶寬。如果傳輸信號的頻譜比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生明顯的選擇性衰落。由此看出，為了減小選擇性衰落，傳輸信號的頻帶必須小于多徑傳輸信道的相關(guān)帶寬。工程設(shè)計中，通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的1/51/3。§4.3.3 隨參信道特性的改善隨參信道的衰落，將會嚴(yán)重降低通信系統(tǒng)的性能，必須設(shè)法改善。對于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機內(nèi)采用自動增益控制等技術(shù)和方法。對于快衰落，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)、抗衰落接收技術(shù)及擴頻技術(shù)等。其中明顯有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。下面簡單介紹分集接收的原理。1. 分集接收的基本思想前面說過，快衰

30、落信道中接收的信號是到達接收機的各徑分量的合成（見式4-8）。這樣，如果能在接收端同時獲得幾個不同的合成信號，并將這些信號適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號，將有可能大大減小衰落的影響。這就是分集接收的基本思想。在此，分集兩字的含義是，分散得到幾個合成信號，而后集中（合并）處理這些信號。理論和實踐證明，只要被分集的幾個合成信號之間是統(tǒng)計獨立的，那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍苁瓜到y(tǒng)性能大為改善。2. 分散得到合成信號的方式為了獲取互相獨立或基本獨立的合成信號，一般利用不同路徑或不同頻率、不同角度、不同極化等接收手段來實現(xiàn)，于是大致有如下幾種分集方式。（1）空間分集。在接收端架設(shè)幾副天線，天線間要求有足夠的距離（一

31、般在100個信號波長以上），以保證各天線上獲得的信號基本相互獨立。（2）頻率分集。用多個不同載頻傳送同一個消息，如果各載頻的頻差相隔比較遠例如，頻差選成多徑時延差的倒數(shù)，參見式（4-21），則各分散信號也基本互不相關(guān)。（3）角度分集。這是利用天線波束不同指向上的信號互不相關(guān)的原理形成的一種分集方法，例如在微波面天線上設(shè)置若干個反射器，產(chǎn)生相關(guān)性很小的幾個波束。（4）極化分集。這是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。一般說，這兩種波是相關(guān)性極小的（在短波電離層反射信道中）。當(dāng)然，還有其它分集方法，這里就不加詳述了。但要指出的是，分集方法均不是互相排斥的，在實際使用時可以互相組合。例

32、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。3. 集中合成信號的方式對各分散的合成信號進行合并的方法有多種，最常用的有：（1）最佳選擇式。從幾個分散信號中設(shè)法選擇其中信噪比最好的一個作為接收信號。（2）等增益相加式。將幾個分散信號以相同的支路增益進行直接相加，相加后的結(jié)果作為接收信號。（3）最大比值相加式?？刂聘髦吩鲆?，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。以上合并方式在改善總接收信噪比上均有差別，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。從總的分集效果來說，分集接收除能提高接收信號的電平外（例如二重空間分集在不增加發(fā)射機功率情況下，可使接收信

33、號電平增加一倍左右），主要是改善了衰落特性，使信道的衰落平滑了、減小了。例如，無分集時，若誤碼率為，則在用四重分集時，誤碼率可降低至左右。由此可見，用分集接收方法對隨參信道進行改善是非常有效的。§4.4 信道的加性噪聲知識要點：各類噪聲的來源和避免方法前面已經(jīng)指出，調(diào)制信道對信號的影響除乘性干擾外，還有加性干擾（即加性噪聲）。加性噪聲雖然獨立于有用信號，但它卻始終存在，干擾有用信號，因而不可避免地對通信造成危害。本節(jié)討論信道中的加性噪聲，內(nèi)容包括信道內(nèi)各種噪聲的分類及性質(zhì)，以及定性地說明它們對信號傳輸?shù)挠绊憽Ｐ诺乐屑有栽肼暤膩碓词呛芏嗟?，它們表現(xiàn)的形式也多種多樣。根據(jù)它們的來源不同，

34、一般可以粗略地分為四類，即（1）無線電噪聲。它來源于各種用途的外臺無線電發(fā)射機。這類噪聲的頻率范圍很寬廣，從甚低頻到特高頻都可能有無線電干擾存在，并且干擾的強度有時很大。不過，這類干擾有個特點，就是干擾頻率是固定的，因此可以預(yù)先設(shè)法防止或避開。特別是在加強了無線電頻率的管理工作后，無論在頻率的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及諧波輻射等方面都有嚴(yán)格的規(guī)定，使得信道內(nèi)信號受它的影響可減到最小程度。（2）工業(yè)噪聲。它來源于各種電氣設(shè)備，如電力線、點火系統(tǒng)、電車、電源開關(guān)、電力鐵道、高頻電爐等。這類干擾來源分布很廣泛，無論是城市還是農(nóng)村，內(nèi)地還是邊疆，各地都有工業(yè)干擾存在。尤其是在現(xiàn)代化社會里，各種電氣設(shè)備越來越多

35、，因此這類干擾的強度也就越來越大。但它也有個特點，就是干擾頻譜集中于較低的頻率范圍，例如幾十兆赫茲以內(nèi)。因此，選擇高于這個頻段工作的信道就可防止受到它的干擾。另外，我們也可以在干擾源方面設(shè)法消除或減小干擾的產(chǎn)生，例如加強屏蔽和濾波措施，防止接觸不良和消除波形失真。（3）天電噪聲。它來源于閃電、大氣中的磁暴、太陽黑子以及宇宙射線（天體輻射波）等?？梢哉f整個宇宙空間都是產(chǎn)生這類噪聲的根源。因此它的存在是客觀的。由于這類自然現(xiàn)象和發(fā)生的時間、季節(jié)、地區(qū)等很有關(guān)系，因此受天電干擾的影響也是大小不同的。例如，夏季比冬季嚴(yán)重，赤道比兩極嚴(yán)重，在太陽黑子發(fā)生變動的年份天電干擾更為加劇。這類干擾所占的頻譜范圍

36、很寬，并且不像無線電干擾那樣頻率是固定的，因此對它所產(chǎn)生的干擾影響很難防止。（4）內(nèi)部噪聲。它來源于信道本身所包含的各種電子器件、轉(zhuǎn)換器以及天線或傳輸線等。例如，電阻及各種導(dǎo)體都會在分子熱運動的影響下產(chǎn)生熱噪聲，電子管或晶體管等電子器件會由于電子發(fā)射不均勻等產(chǎn)生散彈噪聲。這類干擾的特點是由無數(shù)個自由電子作不規(guī)則運動所形成的，因此它的波形也是不規(guī)則變化的，在示波器上觀察就像一堆雜亂無章的茅草一樣，通常稱之為起伏噪聲。由于在數(shù)學(xué)上可以用隨機過程來描述這類干擾，因此又可稱為隨機噪聲，或者簡稱為噪聲。以上是從噪聲的來源來分類的，優(yōu)點是比較直觀。但是，從防止或減小噪聲對信號傳輸影響的角度考慮，按噪聲的性

37、質(zhì)上來分類會更為有利。從噪聲性質(zhì)來區(qū)分可有：（1）單頻噪聲。它主要指無線電干擾。因為電臺發(fā)射的頻譜集中在比較窄的頻率范圍內(nèi)，因此可以近似地看作是單頻性質(zhì)的。另外，像電源交流電，反饋系統(tǒng)自激振蕩等也都屬于單頻干擾。它的特點是一種連續(xù)波干擾，并且其頻率是可以通過實測來確定的，因此在采取適當(dāng)?shù)拇胧┖缶陀锌赡芊乐?。?）脈沖干擾。它包括工業(yè)干擾中的電火花，斷續(xù)電流以及天電干擾中的閃電等。它的特點是波形不連續(xù)，呈脈沖性質(zhì)。并且發(fā)生這類干擾的時間很短，強度很大，而周期是隨機的，因此它可以用隨機的窄脈沖序列來表示。由于脈沖很窄，所以占用的頻譜必然很寬。但是，隨著頻率的提高，頻譜幅度逐漸減小，干擾影響也就減弱

38、。因此，在適當(dāng)選擇工作頻段的情況下，這類干擾的影響也是可以防止的。（3）起伏噪聲。它主要指信道內(nèi)部的熱噪聲和散彈噪聲以及來自空間的宇宙噪聲。它們都是不規(guī)則的隨機過程，只能采用大量統(tǒng)計的方法來尋求其統(tǒng)計特性。由于起伏噪聲來自信道本身，因此它對信號傳輸?shù)挠绊懯遣豢杀苊獾?。根?jù)以上分析，我們可以認為，盡管對信號傳輸有影響的加性干擾種類很多，但是影響最大的是起伏噪聲，它是通信系統(tǒng)最基本的噪聲源。通信系統(tǒng)模型中的“噪聲源”就是分散在通信系統(tǒng)各處加性噪聲（以后簡稱噪聲）主要是起伏噪聲的集中表示，它概括了信道內(nèi)所有的熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲等。需要說明的是，雖然脈沖干擾在調(diào)制信道內(nèi)的影響不如起伏噪聲那樣大，因此在一般的模擬通信系統(tǒng)內(nèi)可以不必專門采取什么措施來對付它。但是在編碼信道內(nèi)這類突發(fā)性的脈沖干擾往往對數(shù)字信號的傳輸帶來嚴(yán)重的后果，甚至發(fā)生一連串的誤碼。因此為了保證數(shù)字通信的質(zhì)量，在數(shù)字通信系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)常采用差錯控制技術(shù)，它能有效地