信道特性對信號傳輸影響

1、關(guān)于信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懙?頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四一、恒參信道及其對所傳信號的影響二、隨參信道及其對所傳信號的影響第2頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四一、恒參信道及其對所傳信號的影響本節(jié)知識要點：信號不失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件 幅度頻率失真相位頻率失真減小失真的措施非線性失真頻率偏移相位抖動第3頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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

2、信道后的變化規(guī)律。 第4頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四1、信號不失真?zhèn)鬏敆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 通常可用幅度-頻率特性 和相位-頻率特性 來表征 第5頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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（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（b）所示。其中t0為傳輸時延常數(shù)。 第6頁，共54頁，2022

3、年，5月20日，8點41分，星期四第7頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四網(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 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(c)所示。 第8頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四一般情況下，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-頻率失真和相位-頻率失真（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

4、度-頻率特性和相位-頻率特性，以及它們對信號傳輸?shù)?影響。 第9頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四1、幅度頻率失真所謂幅度-頻率失真，是指信道的幅度-頻率特性偏離圖（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。第10頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四如圖示出了典型音頻電話信道的總衰耗-頻率特性。(a) 插入損耗頻率特性第11頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四十分明顯，有線電話信道

5、的此種不均勻衰耗必然使傳輸信號的幅度-頻率發(fā)生失真，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)_）。 第12頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四相位頻率失真（群遲延失真）所謂相位-頻率失真，是指信道的相位-頻率特性或群遲延-頻率特性偏離 (b)、(c)所示關(guān)系而引起的失真。電話信道的相位-頻率失真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，相頻失真就更嚴(yán)重。 第13頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四圖示出的是一個典型 的電話信道的群遲延-頻率特性。不

6、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 而引起信號的失真。頻率(kHz)（ms）群延遲(b) 群延遲頻率特性第14頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四相頻失真對模擬話音通道影響并不顯著，這是因為人耳對相頻失真不太靈敏；但對數(shù)字信號傳輸卻不然，尤其當(dāng)傳輸速率比較高時，相頻失真將會引起嚴(yán)重的碼間串 擾，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)一定要重視相移失 真對信號傳輸可能帶來的影響。 第15頁，共54頁，2022年，5

7、月20日，8點41分，星期四減小失真的措施為了減小幅度-頻率失真，在設(shè)計總的電話信道傳輸特性時，一般都要求把幅度-頻率失真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(a)。這一補償措施通常稱之為“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。 第16頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四相位-頻率失真（群遲延失真）如同幅頻失真一樣，也是一種線性失真。因此，也可采取相位均衡技術(shù)補償群遲延失真。即為了減小相移失真，在調(diào)制信道內(nèi)采取相位均衡措施，使得信道的相頻特性盡量接近圖 (b)所示線性?；?/p>

8、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。 第17頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四恒參信道幅度-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（亦可稱為失真），例如非線性失真、頻率偏移及相位抖動等。非線性失真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；第18頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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

9、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。以上的非線性失真一旦產(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。 第19頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四二、隨參信道及其對所傳信號的影響本節(jié)知識要點：多徑傳播多徑衰落頻率彌散選擇性衰落相關(guān)帶寬分集接收：空間分集，頻率分集，角度分集，極化分集第20頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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

10、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。第21頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四但是，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?第22頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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8所示。圖8（a）為電離層反射傳輸示意圖，圖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

11、徑到達接收點，這種現(xiàn)象稱多徑傳播。第23頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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。 第24頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四第25頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四第26頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四概括起來，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；（2）信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機變化；（3）多徑傳播。 第27頁，共54頁，

12、2022年，5月20日，8點41分，星期四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。從兩個方面進行討論。1. 多徑衰落與頻率彌散 2. 頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬 第28頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四1. 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。 第29頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四多徑效應(yīng)分析：設(shè) 發(fā)射信號為 接收信號為第30頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四接收信號為(4.4-1)式中 由第i條路徑的隨機

13、相位； 由第i條路徑到達的接收信號振幅； 由第i條路徑達到的信號的時延；上式中的 都是隨機變化的。第31頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四應(yīng)用三角公式可以將式(4.4-1)改寫成： (4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機變化的。緩慢隨機變化振幅緩慢隨機變化振幅第32頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機變化的。式中 接收信號的包絡(luò) 接收信號的相位 第33頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四所以

14、，接收信號可以看作是一個包絡(luò)和相位隨機緩慢變化的窄帶信號，其波形與頻譜如圖4-18所示。 第34頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四由式（4.4-5）和圖4-18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。 第35頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四結(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應(yīng)變

15、成包絡(luò)起伏的窄帶信號。這種包絡(luò)起伏稱為快衰落 衰落周期和碼元周期可以相比。另外一種衰落：慢衰落 由傳播條件引起的。 第36頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四2. 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 。 第37頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四設(shè)發(fā)射信號為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時延不同 兩條路徑的接收信號為：A f(t - 0) 和 A f

16、(t - 0 - ) 其中：A 傳播衰減，0 第一條路徑的時延， 兩條路徑的時延差。 求：此多徑信道的傳輸函數(shù) 設(shè)f (t)的傅里葉變換（即其頻譜）為F()：第38頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四（4.4-8）則有上式兩端分別是接收信號的時間函數(shù)和頻譜函數(shù) 第39頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為上式右端中，A 常數(shù)衰減因子， 確定的傳輸時延， 和信號頻率有關(guān)的復(fù)因子，其模為第40頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)模值為第41頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分

17、，星期四按照上式畫出的模與角頻率關(guān)系曲線：圖4-18 多徑效應(yīng)第42頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四曲線的最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對時延差。而 是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱其為頻率選擇性衰落。第43頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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。 第44頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四多徑傳播時的相

18、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 這個頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相關(guān)帶寬。 第45頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四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。 第46頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四第47頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四2.3.3隨參信道特性的改善隨參信道的衰落，將

19、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，通常可采用多種措施，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2-8）。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

20、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。第48頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四2. 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（2-21），則各分散信號也基本互不相關(guān)。

21、（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。 第49頁，共54頁，2022年，5月20日，8點41分，星期四3. 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