《信道和噪声》PPT课件.ppt

第二章第二章信道和噪声信道和噪声2.12.1信道的定义和数学模型信道的定义和数学模型 2.22.2恒恒参参信信道道特特性性及及其其对对信信号号传传输输的的影响影响 2.32.3随随参参信信道道特特性性及及其其对对信信号号传传输输的的影响影响 2.4 2.4信道的加性噪声信道的加性噪声 2.5 2.5随机信号分析随机信号分析 2.6 2.6随机过程通过线性系统随机过程通过线性系统 2.7 2.7信道容量及香农公式信道容量及香农公式1本章教学目的：了解各种实际信道、信道的数本章教学目的：了解各种实际信道、信道的数学模型和信道容量的概念。学模型和信道容量的概念。说明：信道是通信系统必不可少的组成部分。说明：信道是通信系统必不可少的组成部分。它与发送设备、接收设备一起组成通信系统。它与发送设备、接收设备一起组成通信系统。没有信道，通信就无法进行；信道的好坏直接没有信道，通信就无法进行；信道的好坏直接影响通信的质量。因此，有必要研究信道，根影响通信的质量。因此，有必要研究信道，根据信道的特点，正确地选用信道，合理地设计据信道的特点，正确地选用信道，合理地设计收发信设备，使通信系统达到最佳。收发信设备，使通信系统达到最佳。22.12.1信道的定义和数学模型信道的定义和数学模型信道的定义：信道的定义：具体而言，由有线或无线线路提具体而言，由有线或无线线路提供的信号通路；抽象而言，信道是指定的一段供的信号通路；抽象而言，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又对信号以限制和频带，它让信号通过，同时又对信号以限制和损害。损害。信道的分类：狭义信道（传输介质）；广义信信道的分类：狭义信道（传输介质）；广义信道（调制信道和编码信道；是一种扩大范围的道（调制信道和编码信道；是一种扩大范围的信道。不仅包括传输介质，还包括通信系统的信道。不仅包括传输介质，还包括通信系统的一些转换设备。主要讨论）一些转换设备。主要讨论）3狭义信道是发送设备和接受设备之间用以传输信号的狭义信道是发送设备和接受设备之间用以传输信号的传输介质（媒介，媒质）。狭义信道是直观的，习惯传输介质（媒介，媒质）。狭义信道是直观的，习惯于把它按传输介质是否是导线分为有线信道和无线信于把它按传输介质是否是导线分为有线信道和无线信道两大类。道两大类。广义信道：通常可分成两种，广义信道：通常可分成两种，调制信道和编码信道。调制信道和编码信道。将传输介质和各种信号形式的转换、耦合等设备都归将传输介质和各种信号形式的转换、耦合等设备都归纳在一起，凡信号经过的一切通道统称为广义信道。纳在一起，凡信号经过的一切通道统称为广义信道。2.12.1信道的定义和数学模型信道的定义和数学模型4例如狭义信道例如狭义信道有线信道有线信道 明线明线 双绞线双绞线 对称电缆对称电缆 同轴电缆同轴电缆 光导纤维光导纤维 波导波导无线信道无线信道 超短波及微波接力超短波及微波接力 卫星通信卫星通信 光波视距传播光波视距传播 中长波地表面波传播中长波地表面波传播 短波电离层反射短波电离层反射 超短波及微波对流层散超短波及微波对流层散射射 超短波超视距绕射超短波超视距绕射5调制信道模型调制信道模型调制信道对信号的影响是由信道的特性及调制信道对信号的影响是由信道的特性及外界干扰造成的，可以用一个二对端（或多对外界干扰造成的，可以用一个二对端（或多对端）的时变线性网络来表示，即只需关心调制端）的时变线性网络来表示，即只需关心调制信道输出信号与输入信号之间的关系。信道输出信号与输入信号之间的关系。调制信道模型调制信道模型时变线性网络ei(t)eo(t)时变线性网络ei1(t)ei2(t)eim(t)eo1(t)eo2(t)e0n(t)(m对输入)(n对输出)6调制信道模型调制信道模型 对于二对端的信道模型来说，其输出与输入对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：之间的关系式可表示成：将上式进一步简化可以写成：将上式进一步简化可以写成：这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰乘性干扰k(t)，二是加性干扰，二是加性干扰n(t)。不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及及n(t)。根据信道中根据信道中k(t)的特性不同，可以将信的特性不同，可以将信道分为：恒参信道和变参信道。道分为：恒参信道和变参信道。7调制信道具有的特性：调制信道具有的特性：（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；输出端；（2）在输入信号的动态范围内，信道是线性的，）在输入信号的动态范围内，信道是线性的，即满足叠加性和齐次性；即满足叠加性和齐次性；（3）信号在信道中传输时均被衰减和时延，具）信号在信道中传输时均被衰减和时延，具有随频率变化的振幅频率特性和相位频率特性；有随频率变化的振幅频率特性和相位频率特性；（4）即使信道输入端无信号输入，在输出端仍）即使信道输入端无信号输入，在输出端仍有一定的功率输出。这是因为信道内存在着各有一定的功率输出。这是因为信道内存在着各种噪声。种噪声。8编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，因此编码信道可以用数字的转移概率来描换，因此编码信道可以用数字的转移概率来描述。输入、输出都是数字信号，因而，是一种述。输入、输出都是数字信号，因而，是一种数字信道或离散信道；它关心的是误码率而不数字信道或离散信道；它关心的是误码率而不是信号失真情况，但误码是由调制信道造成的，是信号失真情况，但误码是由调制信道造成的，输入、输出数字序列之间的关系可以用输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转一组转移概率移概率来表征。来表征。当输入序列数目与输出序列数目相等时，称为当输入序列数目与输出序列数目相等时，称为对称信道对称信道；当每个输出符号只取决于当前的输；当每个输出符号只取决于当前的输入符号，而与前后其他的输入符号无关时，这入符号，而与前后其他的输入符号无关时，这种信道又称为种信道又称为无记忆信道无记忆信道；记忆信道记忆信道是码元发是码元发生错误前后是有联系的。生错误前后是有联系的。编码信道的数学模型编码信道的数学模型9离散无记忆信道的转移概率离散无记忆信道的转移概率一般情况下，发送符号集一般情况下，发送符号集X=xX=xi i，i=1i=1，2 2，,L,L，有有L L种符号；接受符号集种符号；接受符号集Y=yY=yj j，j=1j=1，2 2，M M，有有M M种种符号。离散无记忆信道的转移概率用下列矩阵表示：符号。离散无记忆信道的转移概率用下列矩阵表示：P(y1/x1)p(y2/x1)p(yM/x1)P(y1/x2)p(y2/x2)p(yM/x2)P(y1/xL)p(y2/xL)p(yM/xL)P(yj/xi)=模型中，把模型中，把 称为信道转移概率。以称为信道转移概率。以 为为例，其含义是例，其含义是“经信道传输，把经信道传输，把x x转移为转移为y y的概率的概率”。10二进制无记忆编码信道二进制无记忆编码信道0011P(0/0)P(1/1)P(0/1)P(1/0)其中，P(0/0)、p(1/1)，是正确转移概率，p(1/0)、p(0/1)是错误转移概率。p(1/0)又称为虚报概率，p(0/1)又称为漏报概率。由概率的性质知：p(0/0)=1-p(1/0)p(1/1)=1-p(0/1)转转移概率矩移概率矩阵阵：p(0/0)p(1/0)p(0/1)p(1/1)p(yj/xi)=11四进制无记忆编码信道四进制无记忆编码信道0012312312对称信道对称信道当信道转移概率矩阵中的各行和各列分别具有相同集当信道转移概率矩阵中的各行和各列分别具有相同集合的元素时，这类信道称为对称信道。如：合的元素时，这类信道称为对称信道。如：转移概率矩阵：输出的总的错误概率：pe=p(0)p(1/0)+p(1)p(0/1)二进制无记忆对称信道二进制无记忆对称信道p(yp(yj j/x/xi i)=)=p(0/0)p(1/0)p(0/1)p(1/1)13信道分类表信道分类表调制信道调制信道编码信道编码信道有线信道无线信道恒参信道随参信道有记忆信道无记忆信道狭义信道广义信道信道14如果信道参数不随时间变化，或其变化相对于信道上如果信道参数不随时间变化，或其变化相对于信道上传输的信号的变化极为缓慢，那么，从工程角度及研传输的信号的变化极为缓慢，那么，从工程角度及研究问题方面来看，这些变化均可以忽略。这种信道就究问题方面来看，这些变化均可以忽略。这种信道就称为恒（定）参（量）信道。称为恒（定）参（量）信道。有线信道为典型的恒参信道，无线信道中中长波通信、有线信道为典型的恒参信道，无线信道中中长波通信、超短波及微波视距通信等基本上也属于恒参信道。举超短波及微波视距通信等基本上也属于恒参信道。举例如下：例如下：2.2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15有线信道有线信道明线明线明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。它的优明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。它的优点是传输损耗低，但受气候和天气的影响，并且对外点是传输损耗低，但受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感。界噪声干扰较敏感。16有线信道有线信道双绞线双绞线双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成，这两双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则的螺线状绞合在一起。每一对线根线按照规则的螺线状绞合在一起。每一对线作为一根通信链路使用。通常，将许多这样的作为一根通信链路使用。通常，将许多这样的线结捆扎在一起，并用坚硬的、起保护作用的线结捆扎在一起，并用坚硬的、起保护作用的护皮包裹成一根电缆。将线对绞合起来是为了护皮包裹成一根电缆。将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串扰，且减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串扰，且相邻线对通常具有不同的绞合长度。相邻线对通常具有不同的绞合长度。17有线信道有线信道对称电缆对称电缆对称电缆是在同一保护套内有许多对相互对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输介质。导线材料是铝或铜，绝缘的双导线的传输介质。导线材料是铝或铜，直径为直径为0.41.4mm。为了减少各线对之间的为了减少各线对之间的相互干扰，相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。由于这些每一对线都拧成扭绞状。由于这些结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。由于这些结构上多，但其传输特性比较稳定。由于这些结构上的特点，的特点，故电缆的传输损耗比较大，故电缆的传输损耗比较大，但其传但其传输特性比较稳定，并且价格便宜、安装容易。输特性比较稳定，并且价格便宜、安装容易。对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路。对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路。18对称电缆对称电缆19有线信道有线信道同轴电缆同轴电缆同轴电缆由同轴的两个导同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱体构成，外导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲的同轴形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线织而成），内导体是金属线（芯线）。它们之间填充着（芯线）。它们之间填充着绝缘介质，可能是塑料，也绝缘介质，可能是塑料，也可能是空气。在采用空气绝可能是空气。在采用空气绝缘的情况下，内导体依靠有缘的情况下，内导体依靠有一定间距的绝缘子来定位。一定间距的绝缘子来定位。在有线电视网络中大量采用在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆这种结构的同轴电缆。20有线信道有线信道光纤光纤光纤是一种纤细（光纤是一种纤细（2125m）柔韧能够传柔韧能够传导光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造导光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造光纤，使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到光纤，使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到最低损耗。光纤的外形是圆柱体，由三个同轴最低损耗。光纤的外形是圆柱体，由三个同轴部分组成：芯、覆层以及防护罩。部分组成：芯、覆层以及防护罩。21无线信道无线信道微波中微波中继信道信道:微波频段的频率范围一般在几百兆赫至几几百兆赫至几十吉赫十吉赫，其传输特点是在自由空间沿视距传输。由于受地形和天线高度的限制，两点间的传输距离一般为3050 km，当进行长距离通信时，需要在中间建立多个中继站，如图所示。微波中继信道具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、投资少、维护方便等优点。因此，被广泛用来传输多路电话及电视等。22无线信道无线信道卫星中星中继信道信道卫星中星中继信道是利用人造信道是利用人造卫星作星作为中中继站构成的通信信道，站构成的通信信道，卫星中星中继信道与微波中信道与微波中继信道都是利用微波信号在自由空信道都是利用微波信号在自由空间直直线传播的特点。微波中播的特点。微波中继信道是由地面建立的端站和中信道是由地面建立的端站和中继站站组成。而成。而卫星中星中继信道是以信道是以卫星星转发器作器作为中中继站与接收、站与接收、发送送地球站之地球站之间构成。若构成。若卫星运行星运行轨道在赤道平面，离地面高度道在赤道平面，离地面高度为35780km时，绕地球运行一周的地球运行一周的时间恰恰为24小小时，与地球自，与地球自转同步，同步，这种种卫星称星称为静止静止卫星。不在静止星。不在静止轨道运行的道运行的卫星称星称为移移动卫星。星。23无线信道无线信道卫星中继信道卫星中继信道24若以静止若以静止卫星作星作为中中继站，采用三个相差站，采用三个相差120的静止通信的静止通信卫星就可以覆盖地球的星就可以覆盖地球的绝大部分地域大部分地域(两极盲区除外两极盲区除外)，如，如图所示。所示。若采用中、低若采用中、低轨道移道移动卫星，星，则需要多需要多颗卫星覆盖地星覆盖地球。所需球。所需卫星的个数与星的个数与卫星星轨道高度有关，道高度有关，轨道越低所需道越低所需卫星数越多。星数越多。目目前前卫星星中中继信信道道主主要要工工作作频段段有有：L频段段(1.5/1.6GHz)、C频 段段(4/6GHz)、Ku频 段段(12/14GHz)、Ka频 段段(20/30GHz)。卫星星中中继信信道道的的主主要要特特点点是是通通信信容容量量大大、传输质量量稳定定、传输距距离离远、覆覆盖盖区区域域广广等等。另另外外，由由于于卫星星轨道道离离地地面面较远信信号号衰衰减减大大，电波波往往返返所所需需要要的的时间较长。对于于静静止止卫星星，由由地地球球站站至至通通信信卫星星，再再回回到到地地球球站站的的一一次次往往返返需需要要0.26s左左右右，传输话音音信信号号时会会感感觉明明显的的延延迟效效应。目前。目前卫星中星中继信道主要用来信道主要用来传输多路多路电话、电视和数据。和数据。25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（时不变的线性网络）。网络的传输特性可以表示为：2.2恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响26要要使使任任意意一一个个信信号号通通过过线线性性网网络络不不产产生生波波形形失失真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件：真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件：（1）网络的幅频特性网络的幅频特性 是一个不随频率变是一个不随频率变化的常数化的常数;（2）网络的相频特性网络的相频特性 应与频率成负斜率直应与频率成负斜率直线关系。线关系。信号不失真传输条件信号不失真传输条件幅频特性 相频特性 群迟延特性272.2恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道对信号的影响主要是线性畸变恒参信道对信号的影响主要是线性畸变幅频幅频特性和相频特性特性和相频特性（1）幅度频率畸变）幅度频率畸变 右图所示了典型音频电话信道的相对衰耗右图所示了典型音频电话信道的相对衰耗,若传输数字信号，会若传输数字信号，会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰。引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，即码间串扰。28恒参信道模型恒参信道模型H()=H()e j ()eo(t)=ei(t)h(t)+n(t)H()ei(t)eo(t)n(t)2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响h(t)H(w)H(w)h(t)H(w)H(w)H(w)k(H(w)k(常数常数)，产生幅频畸变。使原信号中不同频率振幅相对，产生幅频畸变。使原信号中不同频率振幅相对大小发生变化，导致信号波形失真。大小发生变化，导致信号波形失真。一般为线性时不变系统：一般为线性时不变系统：29303132333435信号无失真传输是一种理想情况，所信号无失真传输是一种理想情况，所谓无失真传输是指系统输出信号与输入谓无失真传输是指系统输出信号与输入信号相比，只有信号幅度大小和出现时信号相比，只有信号幅度大小和出现时间先后的不同，而波形上没有变化。即：间先后的不同，而波形上没有变化。即：在幅度上有固定的衰减，在时间上有在幅度上有固定的衰减，在时间上有固定的延时。固定的延时。H()vi(t)vo(t)=K0vi(t-td)2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响36 2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响信号通过线性系统不失真的条件是该系统的传输信号通过线性系统不失真的条件是该系统的传输函数函数H()=H()ej()满足下述条件满足下述条件 H()=K0 ()=td H()=K0()=td37 2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响在信道有效的传输带宽内，在信道有效的传输带宽内，H()不是恒定不是恒定不变的，而是随频率的变化有所波动。这种振不变的，而是随频率的变化有所波动。这种振幅频率特性的不理想导致信号通过信道时波形幅频率特性的不理想导致信号通过信道时波形发生失真，称为幅度频率失真。发生失真，称为幅度频率失真。H(H()k()k(常数常数)，产生幅频畸变，也称产生幅频畸变，也称频率失真，属于线性频率失真，属于线性失真。失真。恒参信道对信号的影响主要是线性畸变恒参信道对信号的影响主要是线性畸变幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性38 2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响（2）相位频率畸变（群延迟畸变）相位频率畸变（群延迟畸变）用群迟延频率特性来描述相频特性：用群迟延频率特性来描述相频特性：理想信道的相频特性理想信道的相频特性信号的不同频率成分在信道传输时有相同的群延迟，信号不发生畸变。信号的不同频率成分在信道传输时有相同的群延迟，信号不发生畸变。工程设计时，应使工程设计时，应使H()H()畸变范围及畸变范围及()()误差范围符合要求。采用误差范围符合要求。采用均衡技术可减小信号的畸变。均衡技术可减小信号的畸变。39vi(t)=sint+1/2sin3tvo(t)=1/2sint+1/2sin3t(a)输入信号波形(b)输出信号波形只对基波衰减的信道产生的失真只对基波衰减的信道产生的失真2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响40信号相位频率失真信号相位频率失真群延迟失真群延迟失真由于信号的各次谐波通过信道后的相由于信号的各次谐波通过信道后的相位关系发生改变，叠加后波形就产生了位关系发生改变，叠加后波形就产生了失真，称为相位频率失真。由于相位频失真，称为相位频率失真。由于相位频率特性的非线性性转化为时延不一致而率特性的非线性性转化为时延不一致而导致的失真，以称为群时延频率失真。导致的失真，以称为群时延频率失真。()-)-t td d ，产生相位畸变。产生相位畸变。2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响41恒参信道相频特性及群延迟频率特性恒参信道相频特性及群延迟频率特性t td d()=-d()/d()=-d()/d42通过对基波相移通过对基波相移、对三次谐波相移对三次谐波相移2的信道产生的失真的信道产生的失真vi(t)=sint+1/2sin3tvo(t)=sin(t-T/2)+1/2sin3(t-T/3)(a)输入信号波形(b)输出信号波形2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响43当前大多数的数据通信都是通过恒参当前大多数的数据通信都是通过恒参信道（或近似恒参信道）进行的，如有信道（或近似恒参信道）进行的，如有线信道、微波信道、卫星信道等都是恒线信道、微波信道、卫星信道等都是恒参信道。参信道。恒参信道的主要特点是可以把信道等恒参信道的主要特点是可以把信道等效成一个线性时不变网络，传输技术主效成一个线性时不变网络，传输技术主要解决由线性失真引起的符号间干扰和要解决由线性失真引起的符号间干扰和由信道引入的加性噪声所造成的判断失由信道引入的加性噪声所造成的判断失误。误。2.2 2.2 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响44减小畸变的措施减小畸变的措施 减小幅度减小幅度-频率畸变的措施：改善电话信道中频率畸变的措施：改善电话信道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络，使的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为“均衡均衡”。减小相位减小相位-频率畸变的措施：采取相位均衡技频率畸变的措施：采取相位均衡技术补偿群迟延畸变。术补偿群迟延畸变。除此之外，还存在其它类型影响信号传输的因除此之外，还存在其它类型影响信号传输的因素。素。452.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道的特性随时间变化较快，它的特性比随参信道的特性随时间变化较快，它的特性比恒参信道复杂的多，对信号影响较为严重，随参恒参信道复杂的多，对信号影响较为严重，随参信道均为信道均为“无线信道无线信道”。短波电离层反射信道短波电离层反射信道和和对流层散射信道对流层散射信道是两是两种典型的随参信道。它们的特点是都存在时变多种典型的随参信道。它们的特点是都存在时变多径传播引起的选择性衰落，常常统称为衰落信道。径传播引起的选择性衰落，常常统称为衰落信道。这两种信道都包括大气层，具有很强的大气噪声这两种信道都包括大气层，具有很强的大气噪声是它们共同的特征。是它们共同的特征。46信号在随参信道中传输的特点信号在随参信道中传输的特点（1）多径传播现象。即由发射端发出的信号可）多径传播现象。即由发射端发出的信号可能通过多条路径到达接收点。能通过多条路径到达接收点。（2）就每条路径的信号而言，它相对于发射信）就每条路径的信号而言，它相对于发射信号的衰减和时延都是随时间作不规则的随机变号的衰减和时延都是随时间作不规则的随机变化。化。2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响47（波长（波长10010m，频率频率330MHz）离地面离地面60600km的的大气层称为电离层。实际观察表明，电离层可分为大气层称为电离层。实际观察表明，电离层可分为D、E、F1、F2四层。四层。F2是反射层，其高度为是反射层，其高度为250300km，故一次反射的最大距离约为故一次反射的最大距离约为4000km，如果通过两次反射，通信距离可达如果通过两次反射，通信距离可达8000km。短波电离层反射短波电离层反射当电波在这样的电离层中传播时，因逐步折射使轨道发生弯曲，从而在某当电波在这样的电离层中传播时，因逐步折射使轨道发生弯曲，从而在某一高度将产生全反射。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。一高度将产生全反射。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响482.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响多径传播多径传播在短波电离层反射信道中，引起多径传播的主要原因如下：在短波电离层反射信道中，引起多径传播的主要原因如下：(1)电波经电离层的一次反射和多次反射；电波经电离层的一次反射和多次反射；(2)几个反射层高度不同；几个反射层高度不同；(3)电离层不均匀性引起的漫射现象；电离层不均匀性引起的漫射现象；(4)地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。以上四种情况下，多径传播的示以上四种情况下，多径传播的示意如图所示。由于第一种情况下意如图所示。由于第一种情况下的路程时延差最大，可达几毫秒，的路程时延差最大，可达几毫秒，故它不仅引起快衰落，而且还会故它不仅引起快衰落，而且还会产生多径时延失真。相比之下，产生多径时延失真。相比之下，其它三种情况属于细多径，主要其它三种情况属于细多径，主要的影响是快衰落。的影响是快衰落。快衰落信号的振幅大体上服丛快衰落信号的振幅大体上服丛广义瑞利分布，通常，为了克服广义瑞利分布，通常，为了克服快衰落的影响，一般采用分集接快衰落的影响，一般采用分集接收的办法。收的办法。49多径传播对信号产生的影响：多径传播对信号产生的影响：（1）产生瑞利型衰落，从波形上看，波幅恒定频率单一的）产生瑞利型衰落，从波形上看，波幅恒定频率单一的载波信号变成了包络和相位受到调制的窄带信号。载波信号变成了包络和相位受到调制的窄带信号。（2）引起频率弥散，单一频率变成窄带频谱。）引起频率弥散，单一频率变成窄带频谱。（3）频率选择性衰落。）频率选择性衰落。502.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响应用应用短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信道之一。这是因为道之一。这是因为(1)要求的功率较小，终端设备的成本较低；要求的功率较小，终端设备的成本较低；(2)传播距离远；传播距离远；(3)受地形限制较小；受地形限制较小；(4)有适当的传输频带宽度；有适当的传输频带宽度；(5)不易受到人为破坏。这一点在军事通信上有重要意义。不易受到人为破坏。这一点在军事通信上有重要意义。但是，它也存在以下缺点：但是，它也存在以下缺点：(1)传输可靠性差，电离层中的异常变化传输可靠性差，电离层中的异常变化(如电离层骚动、电如电离层骚动、电离层暴变等离层暴变等)会引起较长时间的通信中断，传播可靠性一般只能达会引起较长时间的通信中断，传播可靠性一般只能达到到0.9；(2)需要经常更换工作频率，因而使用较复杂；需要经常更换工作频率，因而使用较复杂；(3)存在快衰落与多径时延失真；存在快衰落与多径时延失真；(4)干扰电平高。干扰电平高。51对流层散射信道对流层散射信道对流层散射信道对流层散射信道在对流层中，由于大气湍流运动等原因，产生了不均匀性，故引起电在对流层中，由于大气湍流运动等原因，产生了不均匀性，故引起电波的散射。对流层散射信道是一种超视距的传播信道，其中一跳的传输波的散射。对流层散射信道是一种超视距的传播信道，其中一跳的传输距离为距离为100500km，可工作在超短波和微波波段。设计良好的对流层可工作在超短波和微波波段。设计良好的对流层散射线路可提供散射线路可提供12240个频分复用个频分复用(FDM)的话路，而传播可靠性可达的话路，而传播可靠性可达999。经研究表明，散射具有强方向性，接收到的能量大致与经研究表明，散射具有强方向性，接收到的能量大致与sin5(/2)成成反比，这里反比，这里是入射线与散射线的夹角。这意味着主要能量集中于小是入射线与散射线的夹角。这意味着主要能量集中于小角角方向，即集中于前方，故又称方向，即集中于前方，故又称“前向散射前向散射”。2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响522.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响衰落衰落散射信号电平是不断随时间变化的，这些变化分为散射信号电平是不断随时间变化的，这些变化分为慢衰落（长期变化慢衰落（长期变化)和快衰落（短期变化）。前者取决和快衰落（短期变化）。前者取决于气象条件；后者由多径传播引起。于气象条件；后者由多径传播引起。理论与实测均表明，散射接收信号理论与实测均表明，散射接收信号振幅服从瑞利分振幅服从瑞利分布布，相位服从均匀分布相位服从均匀分布。克服快衰落影响的有效办法。克服快衰落影响的有效办法是分集接收。是分集接收。传播损耗传播损耗无线电波经散射传播能量的总损耗包括两部分：无线电波经散射传播能量的总损耗包括两部分：(1)自由空间的能量扩散损耗；自由空间的能量扩散损耗；(2)散射损耗。散射损耗。532.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响信道的允许频带信道的允许频带散射信道是典型的多径信道。多径传播不仅引起信号电平的快散射信道是典型的多径信道。多径传播不仅引起信号电平的快衰落，而且还会导致波形失真。图示出了一个例子。衰落，而且还会导致波形失真。图示出了一个例子。散射信道好像是一个带限滤波器，其允许频带定义为散射信道好像是一个带限滤波器，其允许频带定义为:B1/m式中式中m最大多径时延差。最大多径时延差。即为相邻传输零点的频率间隔。这个频率间隔称为多径传播介质的相即为相邻传输零点的频率间隔。这个频率间隔称为多径传播介质的相关带宽。为了不引起明显的失真，传输信号的频带必须小于多径传输介关带宽。为了不引起明显的失真，传输信号的频带必须小于多径传输介质的相关带宽质的相关带宽B。图中，某时刻发出的窄脉冲经过不同图中，某时刻发出的窄脉冲经过不同长度的路程到达接收点。由于经过的长度的路程到达接收点。由于经过的路程不同，因而到达接收点的时刻也路程不同，因而到达接收点的时刻也不同，结果脉冲被展宽了。这种现象不同，结果脉冲被展宽了。这种现象称为信号的时间扩散，简称多径时散。称为信号的时间扩散，简称多径时散。542.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响应用：应用：对流层散射信道的应用场合可分为：对流层散射信道的应用场合可分为：(1)干线通信，通常每隔干线通信，通常每隔300km左右建立一个中继左右建立一个中继站，构成无线电中继线路，以达到远距离传输；站，构成无线电中继线路，以达到远距离传输；(2)点对点通信，例如，海岛与陆地、边远地区与中点对点通信，例如，海岛与陆地、边远地区与中心城市之间的通信。心城市之间的通信。随参信道传输媒质的三个特点：随参信道传输媒质的三个特点：(1)对信号的衰落随时间而变。对信号的衰落随时间而变。(2)传输的时延随时间而变。传输的时延随时间而变。(3)多径传输。多径传输。55随参信道模型随参信道模型H(,t)=H(,t)ej(,t)eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)ei(t)eo(t)n(t)k(t)乘性噪声加性噪声2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响在多径传输的随参信道中，每条路径的信号的衰减和时在多径传输的随参信道中，每条路径的信号的衰减和时延都是随机变化的，接收信号是各路信号的合成。延都是随机变化的，接收信号是各路信号的合成。56 2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响设发射单频信号设发射单频信号 AcostAcost，经经m m条路径传播后的接收信号为：条路径传播后的接收信号为：合成波的相位合成波的相位由于由于u ui i(t)(t)及及 是缓慢变化的是缓慢变化的(相对于相对于coscos0 0t)t)，因为因为Xc(t)Xc(t)、Xs(t)Xs(t)、V(t)V(t)也是缓慢变化的，所以也是缓慢变化的，所以R(t)R(t)可视为一个窄带随可视为一个窄带随机过程。机过程。式中式中合成波的包络合成波的包络57 2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响均匀分布：均匀分布：瑞利分布：瑞利分布：第一，从波形上看，多径传播的结果使确定的载波信号第一，从波形上看，多径传播的结果使确定的载波信号Acos0t变成了包变成了包络和相位受到调制的窄带信号，这样的信号通常称之为衰落信号；络和相位受到调制的窄带信号，这样的信号通常称之为衰落信号；第二，从频谱上看，多径传输引起了频率弥散，即由单个频率变成了一个第二，从频谱上看，多径传输引起了频率弥散，即由单个频率变成了一个窄带频谱。窄带频谱。多径传输不仅会造成衰落和频率弥散，同时还会发生频率选择性衰落。多径传输不仅会造成衰落和频率弥散，同时还会发生频率选择性衰落。58 2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 V0迟延t0+V0f(t)V0f(t-t0-)V0 迟延t0V0f(t)V0f(t-t0)+V0f(t-t0)+V0f(t-t0-)f(t)设发射频带信号以两路径为例，且衰减是恒定的；设发射频带信号以两路径为例，且衰减是恒定的；设设f(t)的频谱密度函数为的频谱密度函数为F()，即有即有f(t)F()则则V0f(t-t0)V0F()e-jt0V0f(t-t0-)V0F()e-j(t0+)V0f(t-t0)+V0f(t-t0-)V0F()e-jt0(1+e-j)频频率率选选择择性性衰衰落落：频频谱谱中中某某些些分分量量的的一一种种衰衰落落。它它是是多多径径传传输输中的又一重要特征。中的又一重要特征。59 2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响(1+e-j)=1+cos-jsin=2cos2(/2)-j2sin(/2)cos(/2)=2 cos(/2)于是，两径传输模型的传输特性为：于是，两径传输模型的传输特性为：H()=V0e-jt0(1+e-j)其等效传输模型为其等效传输模型为 V0e-jt0(1+e-j)由此可见，对不同的频率，两径传播的结果将有由此可见，对不同的频率，两径传播的结果将有不同的衰减，这就是所谓的频率选择性衰落。显不同的衰减，这就是所谓的频率选择性衰落。显然，当一个传输波形的频谱宽于然，当一个传输波形的频谱宽于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，传输波形的频谱将受，传输波形的频谱将受到畸变。到畸变。（后一个网络的幅频特性）后一个网络的幅频特性）60改善随参信道信号传输质量的方法：改善随参信道信号传输质量的方法：（1）最基本的抗衰落措施是分集接收技术。分）最基本的抗衰落措施是分集接收技术。分集接收就是分散接收，集中汇总输出。集接收就是分散接收，集中汇总输出。（2）针对由多径延迟造成的符号间干扰使传输）针对由多径延迟造成的符号间干扰使传输受损的情况，采用展宽符号宽度的方法克服多受损的情况，采用展宽符号宽度的方法克服多径延迟的影响。径延迟的影响。（3）采用频谱扩展技术，以带宽来换取可靠性。）采用频谱扩展技术，以带宽来换取可靠性。2.3 2.3 随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响61分集接收技术分集接收技术 分分别别接接收收若若干干个个独独立立的的携携带带同同一一信信息息的的信信号号，并并将将它它们们合合并并在在一一起起，因因这些信号不可能同时被衰减掉，因而可改善随参信道的传输特性。这些信号不可能同时被衰减掉，因而可改善随参信道的传输特性。分集方法分集方法 （1 1）频频率率分分集集 各各频频率率之之差差大大于于相相关关带带宽宽，不不可可能能同同时时被被衰衰落落掉掉，频频率间隔应大于相关带宽。率间隔应大于相关带宽。（2 2）时时间间分分集集 用用同同一一频频率率在在不不同同时时刻刻传传输输同同一一信信息息，在在不不同同时时刻刻不不可能同时衰落掉同一载频信号。可能同时衰落掉同一载频信号。（3 3）时频分集）时频分集 (混合分集之一混合分集之一)例如：四时四频分集例如：四时四频分集 信息代码信息代码 时频编码时频编码 00 00 f1f1、f2f2、f3f3、f4 f4 收一个码元宽度时间收一个码元宽度时间TsTs等分四份为等分四份为4 4 01 01 f2f2、f1f1、f4f4、f3 f3 个时间段，分别传输个时间段，分别传输4