【文章內(nèi)容簡介】 信道從宏觀上講，任何一個通信系統(tǒng)均可視為由發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備三大部分組成。信道是通信系統(tǒng)的重要組成部分，其特性對通信系統(tǒng)的性能影響很大。實(shí)際信道都不是理想的，均具有非理想的頻率響應(yīng)特性，同時還不可避免地存在著噪聲干擾和其他干擾。信道在允許信號通過的同時又給信號以限制和損害，信道的特性將直接影響通信的質(zhì)量。研究信道及噪聲的最終目的是弄清它們對信號傳輸?shù)挠绊?，尋求提高通信的有效性與可靠性的方法。信道，就是信號的通路，分為狹義信道和廣義信道兩大類。狹義信道是指介于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的信號通路。它可分為有線信道和無線信道兩大類。有線信道如雙絞線、電纜、光纖、波導(dǎo)等。而廣義信道是將信號經(jīng)過的傳輸路徑都稱為信道，不僅包括傳輸媒質(zhì)，還包括通信系統(tǒng)中有關(guān)部件和電路，如天線與饋線、功率放大器、濾波器、調(diào)制器、解調(diào)器等。廣義信道又分為調(diào)制信道和編碼信道 。 ]2[在信道中發(fā)生的基本物理過程是電磁波的傳播。如果不管電磁波傳播的具體方式，則可以發(fā)現(xiàn)信道具有以下共同特征：(1)所有信道都具有輸入端和輸出端，待傳信號作用在輸入端，而輸出信號由輸出端送給接收設(shè)備；(2)觀察表明，絕大多數(shù)信道是線性的，亦即輸出和輸入量得關(guān)系滿足疊加原理，但在某些情況下信道可能存在非線性效應(yīng)；(3)信號通過信道后能量被衰減，或者說傳播過程中引入了損耗，而且損耗往往是隨時間變化的；(4)信號自輸入端到輸出端要經(jīng)歷一定的時延；(5)所有信道都存在噪聲或者干擾，也就是說，即使沒有輸入信號，信道也有輸出。根據(jù)以上描述，可以用如圖 21 所示的四端網(wǎng)絡(luò)來描述信道的模型，其輸入信號是 ()??)()(tnxfty??式中 代表輸入信號 的線性或者非線性變換， 代表加性噪聲。??)(txf )(tx信道等效 模型 ??)()(tnxfty?? )(t圖 21 信道模型在線性條件下，信道的傳輸特性決定于等效四端網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù) 。在一個相)(wHc當(dāng)長的時間內(nèi) 保持恒定的信道，稱為恒參信道；否則稱為變參信道。下面分別討)(wHc合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 4論他們的特性及對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?恒參信道恒參信道的傳輸函數(shù)可以表示為 ())()(wjcceH??式中： ，代表角頻率； 是信道的幅度特性； 是信道的相位特性。fw?2?w另外，群時延定義為 ()d)()(??任何一個現(xiàn)實(shí)的信號都將占據(jù)某一定的頻帶，即它是由許多不同頻率的分量構(gòu)成的。如果在信號頻帶內(nèi)，信道的幅度響應(yīng) 不是常數(shù)，信號的各頻率分量將受到不同的)(wHc衰減，在輸出端疊加后將發(fā)生波形的畸變或失真，這種失真稱為幅度失真。如果在信號頻帶內(nèi)， 不是頻率的線性函數(shù)，即 不是常數(shù)，那么信號的各個)(?)(w?頻率分量通過信道后將產(chǎn)生不同的時延，從而引起波形失真。這種失真稱為相位失真或群時延失真。一般來說，信道的帶寬總是有限的。這種帶限信道對數(shù)字信號傳輸?shù)闹饕绊懯且鸫a元波形的展寬，從而產(chǎn)生碼間干擾。為了使碼間干擾減少到最少的程度，就需要采用自適應(yīng)均衡技術(shù)。 變參信道信道的傳輸特性一般都是隨時間變化的。這些變化可以分為慢變化（或稱長期變化）和快變化（又稱短期變化） 。慢變化和快變化沒有明顯的分界，但一般認(rèn)為在 5 分鐘或者更長時間內(nèi)才顯現(xiàn)的變化屬于慢變化，而在分秒間顯現(xiàn)的變化屬于快變化。這兩種變化的原因截然不同的。慢變化是與傳播條件（如對流層氣象條件、電離層的狀態(tài)等）的變化相關(guān)聯(lián)的。而快變化，又稱為快衰落，表現(xiàn)為接收信號振幅和相位的隨機(jī)起伏，起源于電波的多徑傳播。(1)兩條射線的多徑 為了便于明確多徑傳播效應(yīng)，首先討論雙射線多徑信道。設(shè)第二條射線相對于第一條射線的時延為 ，這里 是 的平均值， 是 中隨時間變化的)()(0tt?????0?)(t)(t??部分。一般來說 是細(xì)微的，但它足以引起射頻相位的顯著變化。如果不考慮信道的固定衰減，則可以得到如圖 22 所示的信道等效模型，圖中 1 表示第一條射線，2 表示第二條射線， 是第二條射線相對于第一條射線的幅度比。顯然信道等效模型的傳輸函數(shù)為? () )]([)(01,(twjtjceH???????式中 ， 。)()(39。twt????f?2由式()，經(jīng)過一些代數(shù)運(yùn)算可得信道的振幅特性和群延時特性分別為 ()20)](cos[1),( ????ttA合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 5 ()200)](cos[21),( ????????twtwT 輸入 ? )(t?+ 輸出 1 2 圖 22 雙射線信道等效模型由式()可以看出，當(dāng) 時，出現(xiàn)幅度谷點(diǎn)。響應(yīng)有???)12()0??ntw ??miA ?0inT當(dāng) 時，出現(xiàn)幅度峰值，相應(yīng)有???ntw2)(0?? ???1maxA ?0inT因?yàn)?是隨時間變化的，故峰值和谷點(diǎn)在頻率軸上的未知也是隨著時間不斷移動)(?的。信道的這種時變特性對信號傳輸?shù)挠绊懣煞譃橄铝袃煞N情況：(a)窄帶信號：這是指信號頻帶 B 的情況。窄帶信號通過信道后，則頻率分量0/1?的幅度和相位一致的（或相關(guān)的）隨時間變化，因?yàn)椴ㄐ尾粫д?，這種情況稱為平坦衰落。主要問題是信號電平隨機(jī)起伏，在某些時間下降到指定的門限以下，甚至導(dǎo)致通信暫時中斷。此外，衰落引起的相位隨機(jī)抖動對于某些傳輸系統(tǒng)也是必須考慮的因素。(b)寬帶信號：當(dāng)信號帶寬與 可相比較時，信號的各頻率分量將經(jīng)受不相關(guān)的衰0/1?落，這就是所謂的頻率選擇性衰落。它的主要影響是引起信號波形失真。對于數(shù)字通信來說，其主要危害是造成碼間干擾。由前面的分析可以知道，引起快衰落的主要原因是路徑時延差 。因)(t??， 的細(xì)小變化就會使射頻信號變化 2 弧度，兩條射線時而同相相)(*)(twt????t ?加，時而相反抵消，故合成信號的幅度發(fā)生大起大落。但衰落的深度即頻率選擇性決定于幅度比 與時延差的均值 。 越接近 1，衰落深度越大。 越大，色散（各頻率分量?0??0?傳播速度不同）越嚴(yán)重，信道允許通過的信號頻帶越低。(2)N 條射線的多徑設(shè)信道輸入為 （幅度為 1 的正弦波） ，則信道的輸出為?jwetx?)( ()??jwNitjeatyi][)()(???式中 分別是第 條射線的幅度和相位。ia?,i時延 合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 6考慮到 )()(ttii????? ?Ni1且有理由假定 是與時間無關(guān)的常數(shù)，式()可變成? () )()(][)(?????ijwNitjeatyi式中， ，而 對信號傳輸是無影響的，故可得信道傳輸函數(shù)為)(*)(twtii???? ())(,()(tjxteHsctjNii????這里 而??Ni Niisic atxatx .n)(,o)(? () )(|),(| 2txttjwAscc?? () arn][)( tHrgc?從某一時刻去觀察 、 均為 N 個零均值獨(dú)立的隨機(jī)變量之和。當(dāng) N 很大，由中心cxs極限定定理， 、 將服從一維正態(tài)分布。由概率論知識可知，在這種情況下信號的幅cs度 A 將服從銳利分布，相位將服從均勻分布，即有 ()0,)(2??yeyfA? ()???????|21,0，其 他f上式中 、 分別代表信道輸出信號幅度和相位的概率密度，而 等于正態(tài))(yfA)(??f 2?隨機(jī)變量 、 的方差，即 = = 。cxs2?cx2s許多信道（例如散射信道、移動信道）都包含大量的傳播路徑，因此接收信號的幅度往往服從瑞利分布。這種快速衰落常常稱為瑞利衰落 。]3[ 通信信道模型前面討論了恒參信道和隨參信道傳輸特性以及對信號傳輸?shù)挠绊憽３酥?，信道的加性噪聲同樣會對信號傳輸產(chǎn)生影響。加性噪聲與信號獨(dú)立，并且始終存在，實(shí)際上只能采取措施減少加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。各種加性噪聲都可以認(rèn)為是一種起伏噪聲，且功率譜密度在很寬的范圍內(nèi)都是常數(shù)。因此，通常近似認(rèn)為通信系統(tǒng)的噪聲是加性高斯白噪聲( )，其雙邊功率譜密度為AWGN /(2(0ZnHwP? ()自相關(guān)函數(shù)為合肥學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 7 ())(2)(0??nR?式()說明，零均值高斯白噪聲在任意兩個不同時刻的取值是不相關(guān)的，因而也是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。通信信道模型如圖 23 所示，發(fā)射端發(fā)送的信號 經(jīng)過信道傳送時，首先受信道傳)(ts輸?shù)挠绊?，再?jīng)由加性高斯白噪聲( )惡化，便成為接收端收接收到的信號。AWGN )(ts信道 + tr AWGN 圖 23 通信信道仿真模型信號 經(jīng)過這樣一個信道濾波器，再和加性高斯白噪聲( )相疊加，)ts采用均值為 0 的隨機(jī)復(fù)數(shù)序列形式，經(jīng)過疊加的信號可以認(rèn)為是接收端得接收信AWGN號 ，接下來就是對接收信號 進(jìn)行均衡，其目的是恢復(fù)發(fā)送端的發(fā)射信號 。(tr )(tr )(ts 碼間干擾由前面的討論可知，大多數(shù)物理信道不僅是帶限，而且還會使信號產(chǎn)生失真，而失真對于數(shù)字通信來說最大的危害是產(chǎn)生碼間干擾，使得判決器發(fā)生誤判，從而系統(tǒng)的誤碼率上升。在加性高斯白噪聲(AWGN) 信道中實(shí)現(xiàn)信號的全通或者非色散幾乎是不可能的。根據(jù)圖 23，可以得出常用的信道數(shù)學(xué)模型為