随参信道特性及其对信号传输的影响

1.随参信道的传输特性

随参信道的传输特性主要取决于传输媒质（电离层、对流层等）。随参信道的传输媒质有以下3个特点：

1）对信号幅度的衰减随时间变化。

2）对信号的传输时延随时间变化。

3）多径传播。多径传播是指从发射点发出的信号经由多条路径传输后到达同一接收点。不同的路径，对信号的衰减和时延不同，而且由于信道的时变特性，每条路径对信号的衰减和时延都随时间随机变化，所以接收端收到的信号将是衰减和时延都随机变化的各路径信号的合成。如图3-6所示。

图3-6 多径传播示意图

2.多径传播对信号传输的影响

（1）多径衰落与频率弥散

在图3-6中，设发送信号为单频余弦波s（t）=Acosω_ct，其波形和功率谱示意图如图3-7a、图3-7b所示。则经n条路径传播后的接收信号为

式中，V（t）是合成波r（t）的包络；φ（t）是合成波r（t）的相位；它们都是缓慢变化的随机过程。当n足够大时，包络V（t）的一维分布服从瑞利分布，相位φ（t）在（0～2π）内均匀分布。故r（t）是一个窄带平稳高斯过程，其波形和功率谱如图3-7c、图3-7d所示。

从图3-7可见，多径传播对信号传输的影响如下：

1）瑞利衰落。从波形看，振幅恒定的发送信号经多径传播后变成包络（振幅）随机起伏的波形。这种包络随机起伏的现象称为衰落。由于包络的一维分布服从瑞利分布，故又称其为瑞利衰落。

2）频率弥散（频率扩散）。从频域看，多径传播使单一频率变成了一个窄带谱，这种频谱的扩张现象称为频率弥散。

（2）频率选择性衰落

设发送信号s（t）是一个含有丰富频率成分的信号，如矩形脉冲信号，在此情况下，多径传播可能会引起频率选择性衰落。所谓频率选择性衰落，是指信号频谱中的某些频率分量被衰落的现象。

图3-7 发送信号与多径接收信号

例如，设只有两条路径，对信号的衰减比例相同，相对时延差为τ，模型如图3-8所示。

接收信号r（t）=ks（t-t₀）+ks（t-t₀-τ），对两边求傅里叶变换，得信道传输特性为

其幅频特性为H（ω）=k1+e^-jωτ=2kcos（ωτ/2），示意图如图3-9所示。(www.xing528.com)

图3-8 两径传播模型

图3-9 两径信道幅频特性

由图3-9可见，幅频特性在处有零点，假设τ=0.5ms，则信号中频率为1000Hz、3000Hz、5000Hz等分量被衰落到零，这些频率附近的分量也将受到很严重的衰落。

在有多条路径的传播中，设最大多径时延差为τ_m，则定义多径信道的相关带宽为

它表示信道传输特性相邻零点的频率间隔。如果传输信号的频谱宽于B_c，则该信号将产生明显的频率选择性衰落。为避免这种情况的出现，必须限制信号的带宽。在工程设计中，信号的带宽通常取（1/5～1/3）B_c。

3.随参信道特性的改善——分集接收

随参信道对信号传输影响最大的是由多径引起的衰落。抗衰落的有效措施是分集技术。

（1）分集的含义

分集的含义有两层。一是分散传输，使接收端能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号。二是集中处理，即接收机将收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而改善系统性能。

（2）常用的分集方式

1）空间分集：接收端设置多个天线，其间有足够的距离，从而使多个接收信号统计独立。

2）频率分集：以不同载波频率传输同一信息，若载频频差足够大，则各个接收信号统计独立。

3）角度分集：用多个方向性天线，从不同角度接收从同一发射点来的信号，使接收到的多个信号统计独立。

4）极化分集：分别接收不同极化的信号。

（3）分集信号的分并方式

1）选择式合并：在多路接收信号中，选择信噪比最高的一路作为输出。

2）等增益合并：将接收到的各路信号以相同的加权系数进行相加，相加后的信号作为输出。

3）最大比值合并：各路接收信号乘以各自的加权系数后相加作为输出。每路信号的加权系数与其信噪比成正比。