信道特性对信号传输的影响

4.4 信道特性对信号传输的影响n一、恒参信道及其对所传信号的影响n二、随参信道及其对所传信号的影响一、恒参信道及其对所传信号的影响n本节知识要点：n 信号不失真传输的条件 n 幅度—频率失真 n 相位—频率失真n 减小失真的措施 n 非线性失真 n 频率偏移 n 相位抖动n由于恒参信道对信号传输的影响是固定 不变的或者是变化极为缓慢的，因而可 以等效为一个非时变的线性网络n从理论上讲，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，就可求得已调信号通过恒参信道 后的变化规律 1、信号不失真传输条件n对于信号传输而言，我们追求的是 信号通过信道时不产生失真或者失 真小到不易察觉的程度n 由《信号与系统》课程可知，网络 的传输特性 通常可用幅度-频 率特性 和相位-频率特性 来表征 n 要使任意一个信号通过线性网络不产 生波形失真，网络的传输特性应该具 备以下两个理想条件： n（1）网络的幅度－频率特性 是 一个不随频率变化的常数，如图（a） 所示；n（2）网络的相位－频率特性 应 与频率成直线关系，如图（b）所示。

其中t0为传输时延常数 n网络的相位-频率特性还经常采用群迟 延-频率特性 来衡量n所谓群迟延-频率特性就是相位-频率特 性对频率的导数，即n n可以看出，上述相位-频n率理想条件，等同于要n求群迟延-频率特性 应是n一条水平直线，如图(c)n所示 n一般情况下，恒参信道并不是理想网络 ，其参数随时间不变化或变化特别缓慢 n它对信号的主要影响可用幅度-频率失 真和相位-频率失真（群迟延-频率特性 ）来 衡量n下面我们以典型的恒参信道――有线电 话的音频信道和载波信道为例，来分析 恒参信道等效网络的幅度-频率特性和 相位-频率特性，以及它们对信号传输 的 影响 1、幅度－频率失真n 所谓幅度-频率失真，是指信道的幅度- 频率特性偏离图（a）所示关系所引起 的畸变这种畸变又称为频率失真n 在通常的有线信道中可能存在各 种滤波器，尤其是带通滤波器，还可能 存在混合线圈、串联电容器和分路电感 等，因此信道的幅度-频率特性总 是不理想的n如图示出了典型音频信道的总衰耗 -频率特性a) 插入损耗～频率特性n十分明显，有线信道的此种不均匀 衰耗必然使传输信号的幅度-频率发生 失真，引起信号波形的失真。

n此时若要传输数字信号，还会引起相邻 数字信号波形之间在时间上的相互重叠 ，即造成码间串扰（码元之间相互串扰 ） 相位－频率失真（群迟延失真）n所谓相位-频率失真，是指信道的相位- 频率特性或群迟延-频率特性偏离 (b)、 (c)所示关系而引起的失真n信道的相位-频率失真主要来源于 信道中的各种滤波器及可能有的加感线 圈，尤其在信道频带的边缘，相频失真 就更严重 n图示出的是一个典型 的信道的群 迟延-频率特性不难看出，当非单一 频率的信号通过该信道时，信号频 谱中的不同频率分量将有不同的迟延， 即它们到达的时间先后不一，从 而引 起信号的失真频率(kHz)（ms） 群延迟(b) 群延迟～频率特性n相频失真对模拟话音通道影响并不显著 ，这是因为人耳对相频失真不太灵敏； 但对数字信号传输却不然，尤其当传输 速率比较高时，相频失真将会引起严重 的码间串 扰，给通信带来很大损害n所以，在模拟通信系统内往往只注意幅 度失真和非线性失真，而将相移失真放 在忽略的地位但是，在数字通信系统 内一定要重视相移失 真对信号传输可 能带来的影响 减小失真的措施n为了减小幅度-频率失真，在设计总的 信道传输特性时，一般都要求把幅 度-频率失真控制在一个允许的范围内 。

n这就要求改善信道中的滤波性能， 或者再通过一个线性补偿网络，使衰耗 特性曲线变得平坦，接近于图(a)n这一补偿措施通常称之为“均衡”在载 波信道上传输数字信号时，通常要 采用均衡措施 n相位-频率失真（群迟延失真）如同幅 频失真一样，也是一种线性失真n因此，也可采取相位均衡技术补偿群迟 延失真即为了减小相移失真，在调制 信道内采取相位均衡措施，使得信道的 相频特性尽量接近图 (b)所示线性n或者严格限制已调信号的频谱，使它保 持在信道的线性相移范围内传输 n恒参信道幅度-频率特性及相位-频率特 性的不理想是损害信号传输的重要因素 n此外，也还存在其它一些因素使信道的 输出与输入产生差异（亦可称为失真） ，例如非线性失真、频率偏移及相位抖 动等n非线性失真主要由信道中的元器件（如 磁芯，电子器件等）的非线性特性引起 ，造成谐波失真或产生寄生频率等；n频率偏移通常是由于载波系统中接收 端解调载波与发送端调制载波之间的频率 有偏差（例如，解调载波可能没有锁定在 调制载波上），而造成信道传输的信号之 每一分量可能产生的频率变化；n相位抖动也是由调制和解调载波发生器的 不稳定性造成的，这种抖动的结果相当于 发送信号附加上一个小指数的调频。

n以上的非线性失真一旦产生，一般均难以 排除n这就需要在进行系统设计时从技术上加以 重视 二、随参信道及其对所传信号 的影响n本节知识要点：n多径传播n多径衰落n频率弥散 n选择性衰落n相关带宽 n 分集接收：空间分集，频率分集，角度分集 ，极化分集n随参信道的特性比恒参信道要复杂得多 ，对信号的影响也要严重得多n其根本原因在于它包含一个复杂的传输 媒质n虽然，随参信道中包含着除媒质外的其 它转换 器，自然也应该把它们的特性 算作随参信道特性的组成部分n但是，从对信号传输影响来看，传输媒 质的影响是主要的，而转换器特性的影 响是次要的，甚至可以忽 略不计因 此，本节仅讨论随参信道的传输媒质所 具有的一般特性以及它对信号传输的影 响 n属于随参的传输媒质主要以电离层反射 、对流层散射等为代表，信号在这些媒 质中传输的示意图如图8所示n图8（a）为电离层反射传输示意图，图 8（b）为对流层散射传输示意图n它们的共同特点是：由发射点出发的电 波可能经多条路径到达接收点，这种现 象称多径传播n就每条路径信号而言，它的衰耗和时延 都不是固定不变的，而是随电离层或对 流层的变化机理随机变化的n因此，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 。

n概括起来，随参信道传输媒质通常具有 以下特点：（1）对信号的衰耗随时间随机变化；（2）信号传输的时延随时间随机变化 ；（3）多径传播 随参信道对信号传输的影响n 由于随参信道的上述特点，它对信号 传输的影响要比恒参信道严重得多从 两个方面进行讨论1. 多径衰落与频率弥散n 2. 频率选择性衰落与相关带宽 n1. 多径衰落与频率弥散由上面讨论可知，信号经随参信道传 播后，接收的信号将是衰减和时延随时 间变化的多路径信号的合成 n多径效应分析：设 发射信号为接收信号为接收信号为(4.4-1) 式中－ 由第i条路径的随机相位；－ 由第i条路径到达的接收信号振幅；－ 由第i条路径达到的信号的时延；上式中的 都是随机变化的应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成： (4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组 成的这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的 缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅n上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两 个分量组成的这两个分量的振幅分别是 缓慢随机变化的n式中n n － 接收信号的包络n n －接收信号的相位 n所以，接收信号可以看作是一个包络和相 位随机缓慢变化的窄带信号，其波形与频 谱如图4-18所示。

n由式（4.4-5）和图4-18可以看出：n （1）从波形上看，多径传播的结果 使确定的载频信号变成了包络和相位都 随机变化的窄带信号，这种信号称为衰 落信号；n （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 了一个窄带频谱n 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 n结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接 收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信 号n这种包络起伏称为快衰落 － 衰落周期和码 元周期可以相比n另外一种衰落：慢衰落 － 由传播条件引起 的 2. 频率选择性衰落与相关带 宽 n当发送的信号是具有一定频带宽度的信 号时，多径传播会产生频率选择性衰落 n下面通过一个例子来建立这个概念n为分析简单起见，假定多径传播的路径 只有两条，且到达接收点的两路信号的 强度相同，只是在到达时间上差一个时 延 n设发射信号为：f(t)n 仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同 n 两条路径的接收信号为：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) n其中：A － 传播衰减，n0 － 第一条路径的时延，n － 两条路径的时延差。

n 求：此多径信道的传输函数n 设f (t)的傅里叶变换（即其频谱）为F()：（4.4-8） 则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频 谱函数 n故得出此多径信道的传输函数为n上式右端中，A － 常数衰减因子，n － 确定的传输时延，n － 和信号频率有关的复因子，其模为n故得出此多径信道的传输函数模值为按照上式画出的模与角频率关系曲线：图4-18 多径效应n曲线的最大和最小值位置决定于两条路 径的相对时延差n而 是随时间变化的，所以对于给定频 率的信号，信号的强度随时间而变，这 种现象称为衰落现象n由于这种衰落和频率有关，故常称其为 频率选择性衰落n上述概念可推广到一般的多径传播中去 n虽然这时信道的传输特性要复杂的多， 但出现频率选择性衰落的基本规律将是 相同的，即频率选择性将同样依赖于相 对时延差 n多径传播时的相对时延差通常用最大多径时 延差来表征，并用它来估算传输零极点在频 率轴上的位置n设信道的最大时延差为 ，则相邻两个 零点之间的频率间隔为 n这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关 带宽 n如果传输信号的频谱比相关带宽宽，则 将产生明显的选择性衰落。

n由此看出，为了减小选择性衰落，传输 信号的频带必须小于多径传输信道的相 关带宽n工程设计中，通常选择信号带宽为相关 带宽的1/5～1/3 n3 随参信道特性的改善n 随参信道的衰落，将会严重降低通信 系统的性能，必须设法改善 n对于慢衰落，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n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、抗 衰落接收技术及扩频技术等其中明显 有效且常用的抗衰落措施是分集接收技 术n多径效应的影响：n多径效应会使数字信号的码间串扰增大 为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元 传输速率因为，若码元速率降低，则信号 带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之 减轻n接收信号的分类 – 确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信 号 – 随相信号：接收码元的相位随机变化 – 起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随 机变化 通过多径信道传输的信号都具有这种 特性 。