高级通信原理第8章 衰落信道的通信

频率偏移信道衰落
频率偏移和信道衰落是无线通信中经常遇到的问题，它们对通信系统的性能和可靠性都有着重要的影响。

首先，让我们来谈谈频率偏移。

频率偏移是指信号的实际频率与其理论频率之间的差异。

在无线通信中，由于各种原因（比如晶体振荡器的不稳定性、多普勒效应等），信号的实际频率可能会偏离其理论频率。

频率偏移会导致接收端无法正确解调信号，从而影响通信质量。

为了克服频率偏移带来的影响，通常会采用频率校正技术，比如频率同步算法和频率补偿技术等。

其次，让我们来讨论信道衰落。

信道衰落是指信号在传播过程中受到的衰减和失真。

无线信号在传播过程中会受到多径效应、阴影衰落、多普勒频移等影响，导致信号的幅度和相位发生变化，从而影响接收端对信号的正确解调。

为了克服信道衰落带来的影响，通常会采用多种技术，比如等化技术、分集技术和编码技术等。

综上所述，频率偏移和信道衰落都是无线通信中不可避免的问题，它们会对通信系统的性能和可靠性产生重要影响。

因此，在设计和部署无线通信系统时，需要充分考虑这些因素，并采取相应的
技术手段来克服其带来的影响，以保证通信系统的正常运行和良好的性能。

信道快衰落和慢衰落发生的条件快衰落和慢衰落是无线通信中常见的现象，它们的发生条件和特点有所不同。

我们来了解一下快衰落。

快衰落是指信号的强度在短时间内发生较大的变化。

快衰落发生的条件主要包括以下几点：1. 多径效应：当无线信号传播时，会经历多个路径的传播，其中包括直射路径和反射路径。

由于路径的不同长度和不同的传播环境，信号会在接收端产生衍射、多次反射和干扰等现象，导致信号强度的瞬时变化。

2. 多普勒效应：当发送端或接收端或两者同时运动时，信号的频率会发生变化。

根据多普勒效应公式，频率变化与相对速度成正比，这就导致了信号的瞬时衰落。

3. 天气条件：天气条件也会对无线信号的传播产生影响。

例如，在雨、雪、雾等恶劣天气下，信号会因为散射和吸收而发生衰落。

快衰落的特点是瞬时性强，持续时间很短，通常只有几毫秒或几微秒。

这对于某些应用来说是非常不利的，因为快速变化的信号强度会导致数据传输错误或通信中断。

接下来，我们来了解一下慢衰落。

慢衰落是指信号的强度在较长时间内发生较小的变化。

慢衰落发生的条件主要包括以下几点：1. 天线高度：天线的高度会影响信号的传播路径和传播距离。

当天线高度较低时，信号容易受到地面反射和散射的影响，导致慢衰落的发生。

2. 阻挡物：在城市或室内环境中，存在大量的建筑物、树木等阻挡物，它们会对信号的传播产生影响。

这些阻挡物会使信号发生衰落，尤其是在信号传播路径上存在大量的阻挡物时，慢衰落现象会更加明显。

3. 天线方向性：天线的方向性也会影响信号的传播。

当天线的辐射方向与接收端的位置存在一定角度偏差时，信号会经历多次反射和衍射，从而导致慢衰落的发生。

慢衰落的特点是变化缓慢而稳定，持续时间较长，通常是几十毫秒甚至几秒钟。

与快衰落相比，慢衰落对于某些应用来说更容易适应和处理。

快衰落和慢衰落是无线通信中常见的现象。

快衰落主要由多径效应、多普勒效应和天气条件等因素引起，其特点是瞬时性强；而慢衰落主要由天线高度、阻挡物和天线方向性等因素引起，其特点是变化缓慢而稳定。

2009年8月23日什么是衰落(fading)？对于S---- D这样一个发送接收系统来说，理想的无线信号传播（自由空间传播模型）是由S发送的电磁信号经过一定衰减(attenuation ) 达到D点，我们可以理解为信号沿着S-D的直线从S传播到D点。

虽然，电磁波实际上是以球面波的形式向周围360度辐射，但是只有沿着S-D 直线传播的信号才能抵达D点，我们也可以把S-D路径称为直射路径。

这是对于自由空间来说的，在自由空间模型里面除了S和D，什么也没有。

而对于实际的大气传播环境，大气中包含着许多的小颗粒（悬浮物），或者其他的小粒子，从S出发，沿着非S-D方向的其他方向传播的电磁波可能经过一系列的反射(散射）后而抵达接收端D，我们把这种路径成为散射路径。

由于大气中存在很多的小颗粒，我们可以猜测将会有很多的散射路径。

由于每一条散射路径经历的路程都不一样，这样，他们抵达接收端的相位各不相同，如果恰巧各个相位相同，这样，多个信号进行叠加会导致总的信号增强，而如果相位互不相同，各个信号叠加则会互相抵消，导致总的信号强度变低。

这样，我们把由于信号经过了多个路径而抵达接收端导致信号强度发生随机变化的现象称为衰落(fading)，也称为多径衰落。

广义的衰落还包括由降水、绕射等其他原因引起的非正常衰减引起的衰落。

然而，如果不是特别声明，当我们说衰落的时候，一般特指多径衰落。

由于衰落是个随机现象，对于随机事件，我们一般使用概率分布等统计特性来描述，最常见的是瑞利衰落，也就是说接收信号强度服从瑞利分布。

瑞利衰落是如何来的？假设发射信号经过多条传播路径到达接收点，来自不同的路径信号的相对时延较小，在接收机处不可分辨（即平坦衰落），合成为一条单独的路径，接收的等效低通复信号表示为：u(t)exp(j*p(t))=sigma(K=1->K=N)u(k)(t)*exp(j*p(k)(t))= sigma(K=1->K=N)ui(k)(t)cos(p(k)(t))+ sigma(K=1->K=N)ui(k)(t)sin(p(k)(t))=ui(t)+j*uq(t)u(t)也称为信号的复包络，而p(t)称为信号的相位。

1电子科技大学网络教育考卷（B 卷）(20 年至20 学年度第 学期)考试时间 年 月 日(120分钟) 课程 通信原理 教师签名__ ___一、选择题：（单选或多选，每小题3分，共15分）1. 对于数字通信中的信道编码，下述正确的是（ ）。

A 、可提高传输的有效性；B 、可实现自动检错和纠错；C 、是一种纠错编码；D 、可提高信息传输的可靠性。

2. 关于衰落，下述正确的是（ ）。

A 、对多径传播，到达接收点的信号相位和总强度均随机变化；B 、对频率不敏感；C 、选择性衰落对不同边带的扰动不一样；D 、高频时的选择性衰落比低频严重。

3. 对于SSB 调制技术而言，下述正确的是（ ）。

A 、传输带宽比AM 和DSB 减少一半；B 、信道利用率降低一半；C 、同等条件下比AM 和DSB 更节省功率；D 、在军用短波通信中有广泛应用。

4. 对调幅信号的非相干解调中使用的包络检波器，下述正确的是（ ）。

A 、时间常数RC 的倒数应远远大于调制信号的最高频率分量； B 、时间常数RC 的倒数应远远小于调制信号的最高频率分量；C 、时间常数RC 的倒数远远小于载波频率；D 、电路简单、解调效率高。

5. 对二进制频带传输系统而言，下列说法正确的是（ ）。

A 、FSK 、PSK 、DPSK 的抗衰落性能均优于ASK ； B 、FSK 、PSK 、DPSK 的最佳判决门限比ASK 容易设置； C 、接收机的输入信噪比增加，解调的误码率一定下降； D 、ASK 、PSK 、DPSK 的频带利用率均高于FSK 。

二、填空题（每空2分，共40分）1. AM 系统的最大优点是 。

2. 通信系统的主要性能指标可分为两类，即 指标和 指标。

3. 根据不同的研究目的，可将包含信号变换所需的部件和电路的传输媒介称为 ，如 和 等。

4. VSB 的主要优点是 、 。

5. 调频波的产生方法主要可分为 和 。

FM 广播系统中宽带FM 信号采用的是 。

第6章衰落多径信道上的数字信号传输引言：着重讨论陆地移动通信中的信道及数字信号传输问题本章内容：6.1移动无线信道（课本14.1和14.2节）6.2在频率非选择性慢衰落信道上二进制数字信号传输（14.3节）6.3 多径衰落信道的分集技术（课本14.4节）6.4 在频率选择性慢衰落信道中数字信号传输（课本14.5节）6.1移动无线信道本节讨论：1.移动无线信道的特性(6.1.1)2.信道的数学描述（6.1.2）3.信道的分类（6.1.3）4.移动信道的模型（6.1.4）6.1.1 移动无线信道的特性（物理信道）引言：1.物理描述—①侧重于定性、概念性描述②侧重于说明信道对信号传输的影响（衰落）2.移动通信媒质（电磁波传播环境）移动无线通信所传送的信息是通过电磁波承载在空中传播来实现的。

电磁波传播的途径就是无线信道，这种信道是一种开放性信道。

电磁波的传播特性就决定了无线信道的特性。

而电磁波的传播特性与电磁波的传播机制有密切关系。

1.电磁波的传播机制▲最简单的情况－自由空间传播，即视距传播。

这是一种直射的传播机制。

例：卫星通信系统和微波通信系统的无线视距链路中。

电磁波在自由空间中22df传播路径损耗。

根据自由空间的路径损耗可以对视距无线链路进行设计。

▲移动通信系统中电磁波的传播环境（或通信媒质）比较复杂：基站天线：30～100米，移动台天线1～4米通信媒质：大气，地形，自然物，建筑物，天气等在移动通信系统中，电磁波的传播会遇到各种障碍物，同时移动台运动过程中电磁波的传播环境也在不断变化。

因此，在移动通信系统中，电磁波的传播机制通常不是自由空间的视距传播，而是反射(reflection)、绕射(diffraction)和散射(scattering)等三种基本的传播机制。

反射—当电磁波传播时遇到尺寸比波长λ大得多的物体表面时，会发生反射现象。

如地球表面、建筑物和墙壁表面都绘引起电磁波的反射。

绕射—当发射天线与接收天线之间存在密度比较大且尺寸比波长λ大的物体，就会在阻挡物的后面产生次级波，也就是说电磁波“绕过”障碍物继续传播，这种现象称为绕射。

6.3 多径衰落信道的分集技术（课本14.4节）6.3.1 分集技术及其性能本节讨论：1、分集的必要性2、分集的原理与方法3、合并的方法4、分集性能的评价一、引言—分集的必要性必要性：抗信道的快衰落1.●大尺度衰落●小尺度衰落●噪声与干扰瑞利衰落信道：接收信号电平（或SNR）波动范围达30～40 dB。

在该信道上的二进制数字传输性能远劣于与其平均SNR相同而无衰落时的性能。

（可参见p.313图14-3-2中m=1瑞利衰落与m=∞无衰落的平均误比特率比较）2. 抗（快）衰落的办法发端：抗衰落的调制技术、编码技术、提高发送电平等收端：分集接收技术二、分集的原理与方法1.分集的原理发送：同样的信息信道：划分为L个相互统计独立的衰落信道（按频率、时间、空间等划分）接收：合并技术（最大比合并，等增益合并，选择性合并）接收机对L的信道的接收信号进行合并，可提高接收信号电平(SNR)。

（注：分集与复用是相反的技术：1）分集重在提高可靠性，复用关注有效性；2）分集是各个信道上发同样的信号，产生复本，复用是各个子信道上传不同的信号。

）分集技术抗衰落的原理可从两个方面解释：●衰落概率解释—。

（注：设每个信道衰落的概率为p, 则L个信道同时衰落的概率为L p p这里衰落指的是信道衰减很大的意思。

） 衰落信噪比解释—从瑞利衰落的信噪比形式看：1()exp b b b b p γγγγ⎛⎫- ⎪⎝⎭= (0max (b b γγ==当时）小的概率大） （指数衰减函数）分集的作用是：通过分集合并技术，修正无分集时()b p γ，使()b p γ↓小，而()b p γ↑大。

)(b p γ b γ2.分集的方法（划分不同独立信道的方法）有三种基本方法：空间分集，频率分集，时间分集。

（1） 空间分集不相关衰落所要求的空间间隔距离为：D λθ=其中，λ为载波波长，θ为天线波束张角（扩散角）。

【例1】短波通信：15θ=o o～，则10~100D λ≥。

信道相位衰落
信道相位衰落（Channel Phase Fading）是无线通信中的一个重要概念，指的是信号在传播过程中由于多径效应、多普勒效应等原因导致信号的相位发生随机性的变化。

这种随机性的变化对通信系统的性能有着重要的影响。

以下是关于信道相位衰落的一些基本概念：
1.多路径效应：多路径效应是指无线信号在传播过程中因经过多条不同的传播路径，导致信号的多个版本（副本）在接收端相互叠加，引起信号强度和相位的波动。

2.多普勒效应：多普勒效应是由于信号源或接收端移动引起的频率变化。

在移动通信中，如果移动速度较大，信号的频率会发生变化，从而引起相位衰落。

3.相位衰落对通信的影响：
4.抑制码：相位衰落可能导致信号的相位变化，使得接收端难以准确解调信号。

为了克服这个问题，通常使用差分相移键控（DPSK）等抗相位衰落的调制方式。

5.误码率增加：相位衰落会增加误码率，因为在信号传播过程中相位的不确定性增加，导致接收端难以正确解调信号。

6.信号失真：在强烈的相位衰落情况下，信号可能会出现严重的失真，影响通信质量。

7.衰落模型：为了模拟和分析信道相位衰落，通常使用一些数学模型，如瑞利衰落、莱斯衰落等。

这些模型描述了不同环境下信道的统计特性。

8.对策和调整：为了应对信道相位衰落，通信系统可以采用一些技术手段，如自适应调制、差分编码、等化器等，以提高系统对信道衰落的抗性。