有线信道

无线信道

无线信道是现代通信系统中较为复杂的信道，也是制约系统性能的重要因素。它一般是随机时变的，因此信道往往不能简单地用线性时不变冲激响应函数h(t)来表示，也往往需要很多复杂的自适应信号处理技术对信道特性进行估计和跟踪。由于信道中反射体引起的多径传播，加上收发设备、环境物体的移动性，电磁波通过各路径到达的时间和相位也不同，从而产生衰落。相位变化的随机性导致接收信号的幅度的急剧(30dB甚至40dB)变化。

不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号互相抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现较大差错，致完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道情况发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒(Doppler)效应会产生更为严重的失真。无线信道对信号的影响可表现为以下几个方面。

衰减作用

无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小。它由传输路径的长度、直达信号路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。无线通信中的衰减作用主要体现在以下3个方面:

1.路径损耗

当发射机和接收机之间的距离在较大尺度上(数百米或数千米)变化时，接收信号的平均功率值与信号传播d的n次方成反比。n称为路径损耗指数，n值的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，n取2

2.阴影衰落

电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。

3. 小尺度衰落

电波经过的各条路径距离不同，因而各条路径中发射机到接收机的时间、相位都不同。不同相位的多个信号在接收端叠加在一起，如果同相叠加会使信号幅度加强，而反相叠加则会削弱信号幅度。当发射机和接收机之间的距离在较小尺度(数个波长)变化时，接收信号的功率发生急剧的变化，称之为小尺度衰落。
路径损耗和阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓慢起伏变化，所以也称慢衰落。大尺度衰落主要指的是路径损耗，也叫传播损耗，是指在传输过程中囚传输介质所引起的损耗，它随着距离的2~5.5次方迅速衰减，克服此类衰落的办法是增大发射机的发射功率或者提高收发两端天线的增益等。中尺度衰落也叫阴影衰落，主要是由阴影效应引起的衰落。小尺度衰落又称快衰落，它反映了无线信号在较短的距离或时间之内的快速变化特性。其主要特性是多径传播。它是由信号在多径传输中时域、频域和角度域扩散所引起的颂域、时间和空间选择性衰落，也叫多径衰落。实际测量发现，快衰落情况下，在非常短的距离内，接收机信号的起伏可10~30dB

多径效应

1.瑞利/莱斯衰落

在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或者独立多径分量情况下接收信号包络统计特性的一种典型分布类型。如果发射机和接收机之间的多径传播中存在一个主要的静态信号(非衰落)分量，还存在视距传播路径，则接收信号的包络服从莱斯(Rice)分布。在这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随机多径分量上叠加一个支流分量。

2.时延扩展

发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这使得接收信号的能量在时间上被扩展。最大时延扩展是第一个到达接收天线的信号分量与最后到达的信号分量之间的时间差。

3.相干带宽—频率选择性衰落

从频域看，如果多径信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围(称为相干带宽)小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即不同频率成分的信号幅值衰减幅度不同。频率选择性衰落是由信道对信号的时间色散引起的，并引起数字信号传输出现ISI。

非频率选择性衰落是指信号经过传输信道后，各频率分量的衰落是相关的，具有一致性，衰落波形不失真。
相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关。相干带宽是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相干性。如果相干带宽定义为频率相关系数大于0.9的某特定带宽，则相干带宽近似为

时变性

1.多普勒频移

当无线电发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将发生偏移。当两者作相向运动，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而言，因为多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度，可以将这种频率偏移写为

2.多普勒扩展

多普勒扩展描述了无线信道的时变所引起的接收信号的频谱展宽程度。当发射机在无线信道上发送一个频率为f0的单频正弦波时，由于多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为(f0-fd,f0+fd)的频谱分量，其中fd为多普勒频移，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于0的频率范围定义为多普勒扩展，用Bd来表示。如果所传送的基带信号的带宽Bs远大于Bd ,则在接收机中多普勒扩展的影响可以忽略，这种信道可看作慢衰落信道。通常，根据Bs和Bd的关系，我们将无线信道分为快衰落信道(Bs<Bd)和慢衰落信道(Bs>Bd)。

3.相干时间

多普勒扩展相对应的一个时间参量是相干时间T，它在时域描述信道的频率色散的时变特性。相干时间和多普勒扩展成反比，它是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也就是在相干时间内信道特性没有明显变化。如果基带信号的符号周期TS大于信道的相干时间，则在基带信号的传输过程中信道可能发生改变，导致接收信号发生失真。相干时间可定义为: