信道特性对信号传输的影响

信道特性对信号传输的影响一、恒参信道及其对所传信号的影响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本节知识要点：信号不失真传输的条件幅度—频率失真相位—频率失真减小失真的措施非线性失真频率偏移相位抖动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。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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。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)()(H)(H)()()(jeHH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：（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；（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。)(H)(网络的相位-频率特性还经常采用群迟延-频率特性来衡量。所谓群迟延-频率特性就是相位-频率特性对频率的导数，即可以看出，上述相位-频率理想条件，等同于要求群迟延-频率特性应是一条水平直线，如图(c)所示。dd)()()(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。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。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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。在通常的有线电话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，因此电话信道的幅度-频率特性总是不理想的。如图示出了典型音频电话信道的总衰耗-频率特性。(a)插入损耗～频率特性十分明显，有线电话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。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）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。电话信道的相位-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。图示出的是一个典型的电话信道的群迟延-频率特性。不难看出，当非单一频率的信号通过该电话信道时，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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。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为了减小幅度-频率失真，在设计总的电话信道传输特性时，一般都要求把幅度-频率失真控制在一个允许的范围内。这就要求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，使衰耗特性曲线变得平坦，接近于图(a)。这一补偿措施通常称之为“均衡”。在载波电话信道上传输数字信号时，通常要采用均衡措施。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。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。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。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。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。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；频率偏移通常是由于载波电话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；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。以上的非线性失真一旦产生，一般均难以排除。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本节知识要点：多径传播多径衰落频率弥散选择性衰落相关带宽分集接收：空间分集，频率分集，角度分集，极化分集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。其根本原因在于它包含一个复杂的传输媒质。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。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。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。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。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。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。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。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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2.频率选择性衰落与相关带宽1.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。多径效应分析：设发射信号为接收信号为tA0cos)(tR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。niiiniiitttttttR1010)](cos[)()]([cos)()()(ti)(ti)()(0ttii)(),(),(tttiii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niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()](cos[)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc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。式中－接收信号的包络－接收信号的相位)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs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。由式（4.4-5）和图4-18可以看出：（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；（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。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。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。这种包络起伏称为快衰落－衰落周期和码元周期可以相比。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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。下面通过一个例子来建立这个概念。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。设发射信号为：f(t)仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同两条路径的接收信号为：Af(t-0)和Af(t-0-)其中：A－传播衰减，0－第一条路径的时延，－两条路径的时延差。求：此多径信道的传输函数设f(t)的傅里叶变换（即其频谱）为F()：)()(Ftf（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)()(Ftf0)()(0jeAFtAf)(00)()(jeAFtAf)1()()()(000jjeeAFtAftAf故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，A－常数衰减因子，－确定的传输时延，－和信号频率有关的复因子，其模为)1()()1()()(00jjjjeAeFeeAFH0je)1(je2cos2sin)cos1(sincos1122jej故得出此多径信道的传输函数模值为2cos2)1()(0AeeAHjj按照上式画出的模与角频率关系曲线：图4-18多径效应曲线的最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差。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。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落。上述概念可推广到一般的多径传播中去。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。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。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这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带宽。mmcB1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。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。工程设计中，通常选择信号带宽为相关带宽的1/5～1/3。2.3.3随参信道特性的改善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。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。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。下面简单介绍分集接收的原理。1.分集接收的基本思想前面说过，快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各径分量的合成（见式2-8）。这样，如果能在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。这就是分集接收的基本思想。在此，分集两字的含义是，分散得到几个合成信号，而后集中（合并）处理这些信号。理论和实践证明，只要被分集的几个合成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。2.分散得到合成信号的方式为了获取互相独立或基本独立的合成信号，一般利用不同路径或不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来实现，于是大致有如下几种分集方式。（1）空间分集。在接收端架设几