4.4 信道特性对信号传输的影响2011

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。
－ 由第i条路径的随机相位；
i (t ) － 由第i条路径到达的接收信号振幅；
i (t )
上式中的
－ 由第i条路径达到的信号的时延；
i (t ), i (t ), i (t )
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)
R(t ) i (t ) cos i (t ) cos 0t i (t ) sin i (t ) sin 0t

1 e j 1 cos j sin (1 cos ) sin 2 cos
2 2

2

故得出此多径信道的传输函数模值为
H ( ) A e 2 A cos
j 0
(1 e
j
)

2
按照上式画出的模与角频率关系曲线：
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。 Nhomakorabea
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。



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 d ( )



( )
d
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。
i 1 i 1
缓慢随机变化振幅
n
n
缓慢随机变化振幅
R(t ) X c (t ) cos 0t X s (t ) sin 0t V (t ) cos[0t (t )]
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。






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：A f(t - 0) 和 A f(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()：
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。



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。

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。



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；

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。
(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。
4.4 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。

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
V (t ) X c2 (t ) X s2 (t ) － 接收信号的包络
1


(t ) tan
X s (t ) X c (t )
－接收信号的相位

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。
j 0
(1 e
j
)
上式两端分别是接收信号的时间函数和频 谱函数

故得出此多径信道的传输函数为
AF ( )e j 0 (1 e j ) j 0 j H ( ) Ae (1 e ) F ( )
上式右端中，A － 常数衰减因子， j 0 e － 确定的传输时延， j (1 e ) － 和信号频率有关的复因子，其模为
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。

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。
群（ 延 迟） ms
频率(kHz)
(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。

多径效应分析：
设 发射信号为
A cos 0 t
R(t )
接收信号为
接收信号为
R(t ) i (t ) cos 0 [t i (t )]
i 1
n
i (t ) cos[0t i (t )]
i 1
n
(4.4-1)
式中
i (t ) 0 i (t )




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。