崔一杰，徐晉峰

(朔州市氣象局，山西朔州038500)

信道是通信中不可或缺的部分，它和信源、信宿共同組成了通信系統(tǒng)。信道指的是信息傳送的路徑。信道不僅給信號(hào)以傳送的路徑，而且還對(duì)信號(hào)產(chǎn)生各種干擾和噪聲。它提供頻帶讓信號(hào)通過，同時(shí)又對(duì)信號(hào)加以限制和造成損害。信道的固有特性直接制約著信息傳送的速度和質(zhì)量，直接決定著信息傳送的方式。

信道按傳輸媒介分可為有線信道和無線信道。在有線信道中，電磁信號(hào)(或光信號(hào))約束在某種傳輸線(雙絞線、同軸電纜、光纜)上傳輸;在無線信道中，電磁信號(hào)沿空間(大氣層、對(duì)流層、電離層等)傳輸。信號(hào)在不同的信道中傳輸，要經(jīng)過不同的變換設(shè)備進(jìn)行處理和變換。

1 有線信道

1.1 有線信道分類

用有線介質(zhì)構(gòu)成的信道就是有線信道，根據(jù)有線傳輸介質(zhì)的不同，有線信道可以分為雙絞線、同軸電纜、光纜等。有線信道的傳輸特性通常是非常穩(wěn)定可靠的，但是不如無線信道靈活和方便。

雙絞線。雙絞線由兩根相互絕緣的導(dǎo)線組成，兩根導(dǎo)線絞合成勻稱的螺旋狀，作為一條通信線路。將2根、4根或更多根這樣的雙絞線捆在一起，外面包上護(hù)套，構(gòu)成雙絞線電纜。它可以用于傳輸模擬信號(hào)，傳輸距離不大時(shí)也可以用于傳輸數(shù)字信號(hào)。雙絞線容易受到外部高頻電磁波的干擾，線路本身也會(huì)產(chǎn)生一定的噪音，誤碼率較高。通常只用作建筑物內(nèi)部的局部網(wǎng)通信介質(zhì)。

同軸電纜。同軸電纜的橫截面是一組同心圓，最外圈是絕緣保護(hù)層，緊接著的是一圈導(dǎo)體編織層，均勻地排列成網(wǎng)狀，再里面是絕緣填料，用來分隔外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體可以用單股實(shí)心線，或者多股絞合線。同軸電纜的最大傳輸距離隨電纜型號(hào)和傳輸信號(hào)的不同而不同，一般可達(dá)幾公里甚至幾十公里。由于同軸電纜易受低頻干擾，在使用時(shí)多將信號(hào)調(diào)制在高頻載波上。光纜。用光導(dǎo)纖維做成的光纜即光纖，光纖有單模光纖、多模光纖兩類。由于光纖具有非常寬的頻帶，在1 km內(nèi)帶寬可達(dá)1 GHz以上，30 km內(nèi)帶寬仍大于25 MHz。它的誤碼率很低，在中繼距離為6～8 km時(shí)可小于10－9，無中繼的傳輸距離可長(zhǎng)達(dá)6～8 km。此外還有不受電磁干擾、保密性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此越來越多地在各種通信系統(tǒng)中得到采用。

1.2 有線信道模型

圖1 1 km線纜的一般等效電路

在電路中，公里電阻=2(R1+R2)，單位為“Ω/km”;公里電感=2(L1+L2)，單位為“H/km”;公里電導(dǎo)=G，單位為“S/km”;公里電容=C，單位為“F/km”。

在圖1中，R1和L1描述的是導(dǎo)線1的公里等效電路，R2和L2描述的是導(dǎo)線2的公里等效電路，而G和C分別描述導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的電流泄露(其值越大，相互影響越大)和沖放電能力(電容性質(zhì))。

R1、R2、L1、L2、G、C 稱為線纜的一次參數(shù)，它們的大小與傳輸信號(hào)的頻率有關(guān)。在直流狀態(tài)下，它們的值最小，而且G和C等于0。由它們推導(dǎo)而來的參數(shù)稱為二次參數(shù)，包括特性阻抗和公里衰減系數(shù)。特性阻抗=(Z0Z∞)1/2，其中Z0是另一側(cè)短路時(shí)的輸入阻抗;而Z∞是另一側(cè)開路時(shí)的輸入阻抗;特性阻抗是一種衡量線纜阻抗匹配特性的阻抗(信號(hào)源內(nèi)阻或負(fù)載等于特性阻抗時(shí)，線纜可以將最大功率從一端傳輸?shù)搅硪欢?。

一條傳輸線纜可以把它看成由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路。電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對(duì)信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。由于電纜內(nèi)部的分布電容和分布電感組成多個(gè)LC低通濾波器，造成了信號(hào)的損失。因此可利用LC低通濾波器代替?zhèn)鬏斁€等效電路作為信道。

1.3 Manchester碼在有線信道中的傳輸

曼徹斯特碼(Manchester)是對(duì)每個(gè)二進(jìn)制代碼分別利用兩個(gè)具有2個(gè)不同相位的二進(jìn)制新碼去取代的碼。編碼規(guī)則是:1→10，0→01。

(1)Manchester碼的生成

1的碼型變換:

隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1000111110隨機(jī)信號(hào)，脈沖信號(hào)產(chǎn)生10101010101010101010。

0的碼型變換:

隨機(jī)信號(hào)1000111110經(jīng)過一比較器與0比較(=0的值為1，≠0的值為0)，即得0111000001

脈沖信號(hào)經(jīng)過反向+1，得到01010101010101010101

①+② =10010101101010101001，即實(shí)現(xiàn) Manchester碼1→10，0→01的編碼規(guī)律。

(2)Manchester碼型傳輸?shù)腗ATLAB實(shí)現(xiàn)

圖2 Manchester碼的MATLAB實(shí)現(xiàn)圖

2 無線信道

無線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼以及各散射信道等。它們統(tǒng)稱為狹義信道。從研究消息傳輸?shù)挠^點(diǎn)看，信道的范圍還可以擴(kuò)大，除了包括傳輸媒質(zhì)外，還包括有關(guān)的變換裝置(如:發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備饋線與天線、調(diào)制器與解調(diào)器等等)。

圖3 用MATLAB仿真多徑信道(8路)

2.1 多徑傳播

恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兊幕蛘呤亲兓瘶O為緩慢的，因而可以等效為一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。從理論上講，只要得到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，則利用信號(hào)通過線性系統(tǒng)的分析方法，就可求得已調(diào)信號(hào)通過恒參信道后的變化規(guī)律。隨參的傳輸媒質(zhì)主要以電離層反射、對(duì)流層散射等為代表，它們的共同特點(diǎn)是:由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱多徑傳播。就每條路徑信號(hào)而言，它的衰耗和時(shí)延都不是固定不變的，而是隨電離層或?qū)α鲗拥淖兓瘷C(jī)理隨機(jī)變化的。因此，多徑傳播后的接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成。

概括起來，隨參信道傳輸媒質(zhì)通常具有以下特點(diǎn):

(1)對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化;

(2)信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化;

(3)多徑傳播。

設(shè)發(fā)射信號(hào)為Acosωct，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號(hào)R(t)可用下式表述:

式中:ai(t)——第i條路徑的接收信號(hào)振幅，隨時(shí)間不同而隨機(jī)變化;

tdi(t)——第i條路徑的傳輸時(shí)延，隨時(shí)間不同而隨機(jī)變化;

φi(t)——第i條路徑的隨機(jī)相位，其與tdi(t)相應(yīng)，

即

ai(t)和φi(t)隨時(shí)間的變化比信號(hào)載頻的周期變化通常要緩慢得多，即ai(t)和φi(t)可看作是緩慢變化的隨機(jī)過程。因此式(3)又可寫成:

令

代入式(4)后得

其中a(t)是多徑信號(hào)合成后的包絡(luò)，即

而φ(t)是多徑信號(hào)合成后的相位，即

當(dāng)N足夠大時(shí)，ac，as為窄帶獨(dú)立同分布當(dāng)然高斯隨機(jī)過程，其均值為零，方差為σ2，包絡(luò)a(t)服從瑞利分布，相位φ(t)服從均勻分布。

由上面分析可以得出:

(1)從波形上看，多徑傳播的結(jié)果使確定的載頻信號(hào)Acosωct變成了包絡(luò)和相位都隨機(jī)變化的窄帶信號(hào)，這種信號(hào)稱為衰落信號(hào)。

(2)從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散(色散)，即由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜。

2.2 瑞利衰落

盡管多徑引起的衰落變化很快，但對(duì)于頻帶較窄(例如GSM系統(tǒng))的移動(dòng)信號(hào)來說，仍然可以認(rèn)為衰落在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)保持不變。在這種情況下，調(diào)制符號(hào)的周期比由多徑引起的時(shí)延擴(kuò)展要大，因此，在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的所有頻率分量都會(huì)經(jīng)歷相同的衰減和相移，信道對(duì)于所有頻率分量來說是平坦的。因而被定義為平坦衰落信道。研究表明，平坦衰落的幅度符合瑞利分布或者萊斯分布。Tc和Ts是高斯過程，因此，其概率密度公式為:

Ts和Tc是統(tǒng)計(jì)對(duì)立的，則其聯(lián)合概率密度函數(shù)為:

把 p(Ts，Tc)變?yōu)?p(r，φ)，則 P(φ)=0，信號(hào)包絡(luò)的分布密度函數(shù)為:

信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布。其中σ是包絡(luò)檢波之前所接收的電壓信號(hào)的均方根值;r是幅度。

瑞利衰落相對(duì)于時(shí)間而言，其傳輸波形的各個(gè)頻譜分量衰落的程度相同，故亦稱時(shí)間選擇性衰落，在多徑傳播中，由于多徑信號(hào)的相對(duì)延時(shí)隨時(shí)間的變化，使頻譜中不同的頻率分量受到不同的衰落，產(chǎn)生頻率選擇性衰落。對(duì)于窄帶隨機(jī)過程而言，頻率選擇性衰落的影響較小，因而可以忽略不計(jì)。

圖4 基于MATLAB的仿真瑞利衰落框圖

圖5 Subsystem1

圖6 Subsystem

3 結(jié)束語

通信信道是限制通信系統(tǒng)總體性能的關(guān)鍵，在傳輸過程中，各種傳輸介質(zhì)必然會(huì)對(duì)所傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生影響，這種影響我們稱為傳輸損耗。本文使用MATLAB軟件仿真了不同的有線、無線信道。對(duì)信道的傳輸損耗進(jìn)行仿真也是當(dāng)今科學(xué)研究的重點(diǎn)。

有線信道中傳輸線的種類有雙絞線、同軸電纜、光纜等，作為基帶傳輸?shù)拇a型也有很多?；鶐Ь钟蚓W(wǎng)中的數(shù)字信號(hào)通常采用曼徹斯特編碼進(jìn)行傳輸，因此本文選取曼切斯特碼作為傳輸碼型，借助MATLAB軟件仿真了信號(hào)在傳輸線等效電路模型上的傳輸過程。

在無線通信系統(tǒng)中，由于用戶的移動(dòng)，接收信號(hào)不可避免地受到多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響。因此，在多徑移動(dòng)信道中，多徑效應(yīng)引起信號(hào)在時(shí)間上的時(shí)延擴(kuò)展和其幅度的衰落。由于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)，引起多普勒頻率漂移，多普勒效應(yīng)引起多普勒頻展。瑞利衰落相對(duì)于時(shí)間而言，其傳輸波形的各個(gè)頻譜分量衰落的程度不同，故亦稱時(shí)間選擇性衰落。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，通信技術(shù)得到了極大的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其中編解碼技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、多址復(fù)用技術(shù)和收發(fā)技術(shù)等都有相當(dāng)大的發(fā)展和進(jìn)步。對(duì)無線信道特征的掌握和了解直接影響這些技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)揮，且直接影響通信容量和通信質(zhì)量，是重要的決定性因素之一。