3.1、噪聲和干擾

信道在通信系統模型中的位置

信道中的噪聲和干擾有哪些？噪聲和干擾對信道的影響有哪些？
信道中除了傳輸的信號以外，還存在各種噪聲和干擾，包括接收機中產生的熱噪聲、進入天線的自然噪聲和人為噪聲等。這些噪聲和干擾可能會使信號失真并導致誤碼。

3.2、信道帶寬

決定信號可以通過信道的因素
不是所有頻率的信號都可以通過信道傳輸，信道的頻率響應決定了 哪些頻率的信號可以通過信道，如下圖所示。

從上圖中可以看出，可以通過信道傳輸的信號頻率范圍大小就是信道的帶寬。實際信道的帶寬總是有限的，因此要求在信道上傳輸的信號帶寬不能超過信道帶寬，否則信號會發生失真。

3.3、信道容量

信道容量的定義。
信道容量就是指在信道上進行無差錯傳輸所能達到的最大傳輸速率。

信道容量的計算公式，即香農公式。
信道容量可以利用香農公式計算得到，香農公式的計算式如下圖所示。

其中上圖中的式子中C表示信道容量，單位bit/s，B表示信道帶寬，單位Hz，S表示信號平均功率，單位W，N表示噪聲平均功率，單位W。
PS：信噪比和信號功率與噪音功率之比的關系。
信噪比（dB）= 10 * log10(S/N) (dB)
例如：當S/N=10時，信噪比為10dB；當S/N=1000時，信噪比為30dB

已知信噪比和帶寬求信道容量的例題。
以MODEM通信為例，計算一下電話線路的信道容量。MODEM通信模型如下圖所示。

假定：電話線路的信噪比為30dB，帶寬為3400Hz。由下式。

可得。

再將上式代入香農公式有：C=3 400×log2(1+1 000)=33.9kbit/s。

3.4、移動衰落信道

無線電波在傳播過程中遭受的衰減或損耗可以分為哪三類？
無線電波在傳播過程中會遇到各種建筑物、樹木、植被以及地形起伏的影響，引起能量的吸收和電波的反射、散射和繞射等，遭受到不同途徑的衰減或損耗，這些損耗可以分為三類：路徑損耗、大尺度衰落和 小尺度衰落，如下圖所示。

上圖中的虛直線表示路徑損耗，虛曲線表示大尺度衰落，實曲線表示小尺度衰落。
由于路徑損耗和衰落的影響，接收信號一般要比發射信號弱很多。

3.4.1、路徑損耗

路徑損耗的定義。
無線電波在自由空間傳播時產生的損耗被稱為路徑損耗。路徑損耗反映了在大范圍空間距離上接收信號電平的平均值變化趨勢。

3.4.2、大尺度衰落

大尺度衰落的定義。
無線電波在傳播路徑上受到建筑物及山丘等遮擋所產生的損耗被稱為陰影衰落。陰影衰落反映了在幾百倍波長量級的中等范圍內接收信號 電平的平均值變化趨勢，因此也被稱為大尺度衰落。

3.4.3、小尺度衰落

小尺度衰落的定義。
主要由于多徑傳播而產生的損耗被稱為多徑衰落。多徑衰落反映了 在幾十倍波長量級的小范圍內接收信號電平的平均值變化趨勢，因此也被稱為小尺度衰落。

什么是多徑？
多徑是指無線電波從發射天線經過多個路徑抵達接收天線的傳播現象，如下圖所示。

大氣層對電波的散射、電離層對電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對電波的反射都會造成多徑傳播，最終導致接收機收到的信號是直達波和多個反射波的合成。

以無線電視信號為例，多徑對通信質量有什么影響？
多徑對通信質量會有很大的影響。以無線電視信號的傳播為例，以較長路徑到達電視接收天線的信號分量比以較短路徑到達的信號稍遲。 因為電視的電子槍是從左向右掃描的，所以遲到的信號會在早到的信號形成的電視畫面上疊加一個稍稍靠右的虛像，導致重影，如下圖所示。

多徑傳播對移動通信中無線電波的影響是什么？
多徑傳播對移動通信中無線電波產生的影響是導致衰落。

衰落的定義。
一般在研究電波反射時，通常都是按照平面波處理的，假定在反射點的入射角度等于反射角度，因此造成電波反相。由于大氣折射是隨時間變化的，傳播路徑也會隨時間和地形地物而變化。到達接收機的多徑信號：如果同相，疊加后信號會增強；如果反相，疊加后信號會減弱。 由此造成接收信號的幅度變化，這就是衰落。
舉例：多徑信號同相疊加的例子。
假定發射機天線和接收機天 線之間有兩條傳播路徑，路程差為2.5個波長，如下圖所示。

注意實際的發射機和接收機之間的距離不可能只有8個波長，這里為了描述得更清楚才做了這個假設。
發射機發射的信號如下圖所示。

接收機從兩條傳播路徑接收到的信號如下圖所示。

由于接收到的兩路信號剛好同相，合成后信號增強，如下圖所示。

舉例：多徑信號反相疊加的例子。
假定發射機天線和接收機天線之間有兩條傳播路徑，路程差為兩個波長，如下圖所示。

發射機發射的信號如下圖所示。

接收機從兩條傳播路徑接收到的信號如下圖所示。

由于接收到的兩路信號剛好反相，合成后相互抵消，如下圖所示。

以上舉了兩個特例來描述多徑傳播對信號的影響：一個是相同幅度的反射信號與直射信號同相疊加，合成信號增強：幅度翻倍；另一個是相同幅度的反射信號與直射信號反相疊加，合成信號抵消：幅度為零。不過一般情況下，到達接收機的直射信號和反射信號不會正好是同相或者反相，而且直射信號和反射信號的幅度也不同，反射信號的幅度小于直射信號。假定信號頻率為f，反射信號比直射信號延遲時間τ到達接收機，直射信號的幅度為A1，反射信號的幅度為A2。
直射信號：s1=A1cos(2πft)
反射信號：s2=A2cos[2πf(t-τ)+π]
合成信號：s1+s2=A1cos(2πft)+A2cos[2πf(t-τ)+π]
如果將直射信號和反射信號看作是如下圖所示兩個旋轉向量在實軸上的投影

那么合成信號就是這兩個旋轉向量的合成向量在實軸上的投影，如下圖所示。

從上圖中可以看出合成向量的長度為下圖中的式子。

當A1=A2=A0，且τ=2.5/f時，合成信號的幅度：A=2A0，這就是前面 所講的反射信號和直射信號同相疊加、幅度翻倍的情況。
當A1=A2=A0，且τ=2/f時，合成信號的幅度：A=0，這就是前面所講 的反射信號和直射信號反相疊加、幅度為零的情況。
當A1=1，A2=0.5，且τ=0.005s時，合成信號的幅度為下式。

合成信號幅度隨信號頻率的變化曲線如下圖所示。

當信號頻率為200Hz、400Hz、600Hz等頻率時，信號的幅度處于波谷；當信號頻率為100Hz、300Hz、500Hz等頻率時，信號的幅度處于波 峰。波峰和波峰之間、波谷和波谷之間的頻率間隔剛好為時延τ的倒數。

相干帶寬的定義。
一般將多徑信道最大時延τm，即多徑現象中第一個到達的波和最后一個到達的波的時間差，的倒數定義為多徑信道的相干帶寬，即Bc=1/τm。

什么是頻率選擇衰落？
一般的信號都不是單一頻率，而是具有一定帶寬，即發射出來的信號頻率不是固定的，而是在一定范圍內變化的。如果信號的帶寬遠大于信道的相干帶寬，即：B>>Bc，信號中不同頻率成分經多徑傳輸 后到達接收機時的幅度增益差別很大，這種衰落就是頻 率選擇性衰落，如下圖所示。

在頻率選擇性衰落場景下，信號會發生嚴重失真。

什么是平坦衰落？
為了避免信號嚴重失真，一般要求信號的帶寬B小于信道的相干帶寬Bc，即：B<Bc，這樣信號中不同頻率成分經多徑傳輸后到達接收機時的幅度增益差別不大，這種衰落就是平坦衰落，如下圖所示。

什么是多普勒效應？
多普勒效應是奧地利一位名叫多普勒的數學及物理學家發現的。 1842年的一天，多普勒在路過一個鐵路交叉路口時，恰逢一列火車從身旁疾馳而過，他發現了一個有趣的現象：當火車由遠而近時汽笛聲變強，音調變尖，而火車由近而遠時汽笛聲變弱，音調變低。他對這個現象產生了極大興趣，通過研究發現正是由于聲源與觀察者之間存在著相對運動，使得觀察者聽到的聲音頻率不同于聲源頻率：當聲源逐漸遠離觀察者時，聲波的波長增加，頻率降低，音調變得低沉；當聲源逐漸接近觀察者時，聲波的波長減小，頻率升高，音調變高。如下圖所示。

多普勒效應是波動過程共有的特征，不只是聲波，光波和電磁波也 同樣存在多普勒效應。以移動通信為例，當移動臺向基站移動時，基站 接收到的電磁波信號頻率會變高；當移動臺遠離基站時，基站接收到的 電磁波信號頻率會變低。

什么是多普勒頻移？
由多普勒效應造成的接收信號頻率和發射信號頻率之差被稱為多普勒頻移。

關于移動接受臺與波源在一條直線上的多普勒頻移的原理解釋。
假設波源位于S點，波的頻率：f0=c/λ，移動臺以速度v由A點向B點移動。對于移動臺來講，波的相對傳播速度為：c+v，移動臺在單位時間內接收到的波的個數為：(c+v)/λ，也就是說移動臺接收到的波的頻率：f=(c+v)/λ，多普勒頻移：fd=f-f0=v/λ。如下圖所示。

上圖是移動方向與波源在一條直線上的多普勒頻移（接近波源）。
如果移動臺反方向移動，波源位于S點，波的頻 率：f0=c/λ，移動臺以速度v由B點向A點移動。對于移動臺來講，波的 相對傳播速度為：c-v，移動臺在單位時間內接收到的波的個數為：(c- v)/λ，也就是說移動臺接收到的波的頻率：f=(c-v)/λ，多普勒頻 移：fd=f-f0=-v/λ。如下圖所示。

上圖是移動方向與波源在一條直線上的多普勒頻移（遠離波源）。
綜上所述： 當移動臺以速度v向著波源移動時，多普勒頻移：fd=v/λ。當移動臺以速度v遠離波源移動時，多普勒頻移：fd=-v/λ。例如：基站部署在鐵路沿線，高鐵運行速度為350km/h，高鐵上的 移動臺發出的信號頻率為2.5GHz，波長為(3×108)/(2.5×109)=0.12m， 則基站接收信號的多普勒頻移為：(350×103)/(3 600×0.12)=810Hz。

關于移動接受臺與波源不在一條直線上的多普勒頻移的原理解釋。
波源位于S點，波的頻率：f0=c/λ，移動臺以速度 v由A點向B點移動。對于移動臺來講，波的相對傳播速度為c+vcosθ，移動臺在單位時間內接收到的波的個數為(c+vcosθ)/λ，也就是說移 動臺接收到的波的頻率：f=(c+vcosθ)/λ，多普勒頻移：fd=f- f0=vcosθ/λ。如下圖所示。

上圖是移動方向與波源不在一條直線上的多普勒頻移（接近波源）。
如果移動臺反方向移動，波源位于S點，波的頻 率：f0=c/λ，移動臺以速度v由B點向A點移動。對于移動臺來講，波的 相對傳播速度為：c-vcosθ，移動臺在單位時間內接收到的波的個數 為：(c-vcosθ)/λ，也就是說移動臺接收到的波的頻率：f=(c- vcosθ)/λ，多普勒頻移：fd=f-f0=-vcosθ/λ。如下圖所示。

上圖是移動方向與波源不在一條直線上的多普勒頻移（遠離波源）。
綜上所述： 當移動臺以速度v向著波源移動時，多普勒頻移：fd=vcosθ/λ，當移動臺以速度v遠離波源移動時，多普勒頻移：fd=-vcosθ/λ 很明顯，當θ=0時，cosθ=1，對應的多普勒頻移表達式與前面移動方向與波源在一條直線上的多普勒頻移表達式是一致的。

關于多徑傳播情況下的多普勒頻移，即多普勒擴展，的原理解釋。
在多徑傳播的場景下，頻率為f的信號經不同傳播路徑到達接收機，不同傳播路徑的多普勒頻移不同，導致接收信號頻率擴展到[f- fd，f+fd]范圍內，這就是多普勒擴展，如下圖所示。

什么是相干時間？
一般將最大多普勒頻移fd的倒數1/fd定義為多徑信道的相干時間， 即：Tc=1/fd。
舉個例子：基站部署在鐵路沿線，高鐵運行速度為 350km/h，高鐵上的移動臺發出的信號頻率為2.5GHz，基站接收信號的 最大多普勒頻移：fd=810Hz，多徑信道的相干時間為：1/810=0.001 23s=1.23ms。

什么是快衰落？
如果符號持續時長遠大于信道的相干時間，即：T>>Tc，符號持續期間的信號幅度波動很大，這種衰落被稱為快衰落，如下圖所示。

什么是慢衰落？
為了避免符號持續期間信號幅度的大幅波動，一般要求符號持續時 長小于信道的相干時間，即：T<Tc，這樣可以保證符號 持續期間的信號幅度變化不大，這種衰落被稱為慢衰落，如下圖所示。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的3、信道的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。