信道最直觀的理解就是傳輸媒介，如電纜，天線，等信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

實(shí)際上，信號(hào)通常要經(jīng)過以下的處理，因此又可將信道繼續(xù)劃分：

信號(hào)失真：由傅里葉變換可知，

一個(gè)信號(hào)是由不同頻率分量的信號(hào)組成的。如果不同的頻率分量的信號(hào)衰減一一致，延時(shí)也一致的話，是不會(huì)發(fā)生失真的。但如果衰減不一致，或者延時(shí)不一致的話，就會(huì)發(fā)生變形。

信道的幅頻特性和相頻特性是一條直線，則信號(hào)通過信道不會(huì)失真；

但實(shí)際上，信道的幅頻特性和相頻特性都不會(huì)是一條直線，這是信號(hào)通過信道就會(huì)產(chǎn)生失真；如下圖：

如果遇到不平坦的信道怎么辦？

幾乎沒有哪個(gè)信道的特性是平坦的，對(duì)于有線信道這種有固定的幅頻特性和相頻特性的信道可以添加一個(gè)補(bǔ)償電路，

使得信道特性趨于一條直線；

通過產(chǎn)生波形去補(bǔ)償失真波形，這種均衡則稱為時(shí)域均衡

對(duì)于dB的介紹：

dB也稱為分見，是一個(gè)計(jì)量信號(hào)增益或衰減的相對(duì)值的單位。以電話發(fā)明家貝爾的名字命名，- -貝爾等于10分貝。分貝在1924年首先被應(yīng)用到電話工程中,1968年被CCITT (國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì))采納，作為通信系統(tǒng)的傳輸單

dB表示的是兩個(gè)量的比值的大小，直觀可理解為倍數(shù)越大，dE也越大。對(duì)于電壓、電流等振幅類物理量，通常將測(cè)量值與基準(zhǔn)值相比后求常用對(duì)數(shù)再乘以20 dB= 201g[A7/B)) ;對(duì)于電壓、電流等的平方項(xiàng)，如能量或功率等，則取對(duì)數(shù)后再乘以10 ( dB=10lg(A/B) 1

使用dB的好處：
?

第二大好處:符合聽感

無線信道：

電磁波的傳播方式：直射、散射、反射、繞射；

無線信號(hào)的衰減方式：

自然衰減（路徑損耗）：（大尺度衰落）

第二種衰減是遇到起伏的地形，建筑物等，因?yàn)樽枞斐傻乃p；（中尺度衰落）

這種衰減又叫陰影衰落，就像陽光產(chǎn)生的陰影一樣

第三種衰落由電磁波的多徑傳輸引起，又叫瑞利衰落；（小尺度衰減）

無線信號(hào)從天線發(fā)出后，要經(jīng)過不同路徑到達(dá)接受端；

例如經(jīng)過直射，反射、繞射等到達(dá)接收機(jī)，由于各路徑距離不同，長(zhǎng)短不一；

因而各條發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，或者說相位各不相同，這相當(dāng)于不同相位的信道在接收點(diǎn)疊加；

如果同相信號(hào)疊加，信號(hào)的幅度會(huì)加強(qiáng)，而反向疊加，信號(hào)的幅度則會(huì)被減弱；

這樣信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生急劇的變化；

就像這樣，信號(hào)的幅度在很短的距離內(nèi)，就發(fā)生深度衰落，衰落程度達(dá)到20~50dB，這就是說每隔幾米，就會(huì)有100倍到10完倍的落差；其間還有數(shù)千個(gè)淺衰落，這就是瑞利衰落。（小尺度衰減，因?yàn)榘l(fā)生衰減的范圍很?。?/p>

瑞利衰落是無線信道的最大問題，其他兩個(gè)衰落解決辦法相對(duì)容易；

例如路徑損耗，當(dāng)信道衰落到一定程度后，可以通過加中繼放大器來加強(qiáng)信號(hào)；正是由于這種衰落，我們才可以每隔一定的距離，當(dāng)某段頻率的信號(hào)衰減為0后，再設(shè)一個(gè)基站，重復(fù)使用這一段頻率 ，這樣能極大的提高頻譜的利用率，這也是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)普遍使用蜂窩組網(wǎng)的原因。

陰影衰落：

當(dāng)衰落比較嚴(yán)重時(shí)，可以在陰影的地方加一個(gè)信號(hào)放大器，也叫直放站（室外）；

科普：

直放站是一種無線信號(hào)中繼產(chǎn)品，衡量直放站好壞的指標(biāo)主要有，智能化程度（如遠(yuǎn)程監(jiān)控等）、低IP3（無委規(guī)定小于-36dBm）、低噪聲系數(shù)（NF）、整機(jī)可靠性、良好的技術(shù)服務(wù)等。

使用直放站作為實(shí)現(xiàn)“小容量、大覆蓋”目標(biāo)的必要手段之一，主要是由于使用直放站一是在不增加基站數(shù)量的前提下保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋，二是其造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有同樣效果的微蜂窩系統(tǒng)。直放站是解決通信網(wǎng)絡(luò)延伸覆蓋能力的一種優(yōu)選方案。它與基站相比有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資較少和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于難于覆蓋的盲區(qū)和弱區(qū)，如商場(chǎng)、賓館、機(jī)場(chǎng)、碼頭、車站、體育館、娛樂廳、地鐵、隧道、高速公路、海島等各種場(chǎng)所，提高通信質(zhì)量，解決掉話等問題。

室內(nèi)稱之為：室內(nèi)分布系統(tǒng)

綜上，解決路徑衰落以及陰影衰落的思想是加中繼放大器，但此方法對(duì)瑞利衰落并不適用。

解決瑞利衰落的方法是：

相干帶寬與相干時(shí)間：

無線信道較之于有線信道，復(fù)雜的原因在于多徑與時(shí)變，不過有兩種情況可以使無線信道變得簡(jiǎn)單，那就是相干帶寬和相干時(shí)間；

由于多徑傳輸?shù)脑颍偃缭诎l(fā)送端發(fā)送一個(gè)窄的脈沖信號(hào)，在接收端會(huì)接收多個(gè)脈沖，本來最短時(shí)延是沿最短路徑傳輸所消耗的時(shí)間，現(xiàn)在因?yàn)槎鄺l路徑長(zhǎng)短不一，所以時(shí)延被擴(kuò)展了，通常將最后一個(gè)到達(dá)的脈沖，和最先到達(dá)的脈沖的時(shí)延差，稱為最大時(shí)延擴(kuò)展，用??來表示最大時(shí)延擴(kuò)展。

如果這個(gè)時(shí)延擴(kuò)展大于兩個(gè)發(fā)送脈沖之間的時(shí)間間隔，則會(huì)對(duì)下一個(gè)脈沖的接收產(chǎn)生干擾；

如果將這兩個(gè)脈沖看成符號(hào)，這稱之為符號(hào)間干擾；

也就是接收信號(hào)中一個(gè)符號(hào)的波形因擴(kuò)展到其他符號(hào)中而造成的干擾，要避免這種干擾，就要將發(fā)送符號(hào)之間的周期擴(kuò)大，也就是把符號(hào)的寬度擴(kuò)大，擴(kuò)大多少呢？至少是大于最大時(shí)延擴(kuò)展? Tmax；

而周期擴(kuò)大了，就意味著速率降低了，速率降低，也就意味著帶寬降低了；

頻率選擇性衰落：

綜上，發(fā)送的符號(hào)的寬度必須大于最大時(shí)延擴(kuò)展Tmax，這樣才能避免符號(hào)間的干擾，這相當(dāng)于存在一個(gè)最小的周期Tmin，由于周期的倒數(shù)是頻率f=1/Tmin，所以就應(yīng)該存在一個(gè)最大的頻帶寬度fmax=1/Tmin?，當(dāng)信號(hào)的帶寬大于這個(gè)頻帶寬度時(shí)，就會(huì)發(fā)生干擾，這個(gè)帶寬就稱為相干帶寬；通常是用最大時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)來定義相干帶寬的：(ΔB)c=1/Tmax?；信號(hào)的帶寬大于相干帶寬時(shí)，就會(huì)發(fā)生頻率選擇性衰落。

符號(hào)間干擾和頻率選擇性衰落，實(shí)質(zhì)是一樣的，在時(shí)域中是符號(hào)間干擾，表現(xiàn)形式是信號(hào)波形會(huì)發(fā)生畸變，換算到頻域中來看，就是有些頻率分量的強(qiáng)度會(huì)加強(qiáng)，有些會(huì)減弱，這種現(xiàn)象就稱為頻率選擇性衰落。這里只是部分頻率分量的信號(hào)會(huì)衰落，不是所有的頻率分量的信號(hào)都衰落，所有頻率分量的信號(hào)都衰落，叫做頻衰落。

那么高速通信怎么辦呢？高速信號(hào)的帶寬要大于相干帶寬吧？

對(duì)于帶寬大于相干帶寬的信號(hào)，如下處理：

通過一個(gè)串并轉(zhuǎn)換器，將高速信號(hào)變?yōu)榈退傩盘?hào)，這樣每路信號(hào)的帶寬就會(huì)小于相干帶寬。

在分別由不同的載波發(fā)送：

目前，較為熱門的正交頻分復(fù)用就是采用這樣的方法。

信道里的噪聲：

人為噪聲主要來自電臺(tái)、家電等電氣設(shè)備所產(chǎn)生的干擾。自然噪聲來源于自然界存在的雷電、磁暴、太陽黑子和宇宙噪聲等。宇宙噪聲主要是指天體輻射波對(duì)接收機(jī)形成的噪聲。

內(nèi)部噪聲來源于系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，如熱噪聲和散彈噪聲等。熱噪聲是由電阻性元器件中自由電子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的;而散彈噪聲則是由電子管和半導(dǎo)體器件中電子發(fā)射不均勻而產(chǎn)生的。

熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲，由于其波形變化不規(guī)則，所以又被統(tǒng)-稱為起伏噪聲。

起伏噪聲是影響通信系統(tǒng)的主要噪聲，其他的噪聲我們可以忽略，起伏噪聲是一種隨機(jī)的信號(hào)；

隨機(jī)信號(hào)？

隨機(jī)信號(hào)是指這么一種信號(hào)，雖然它的波形也是時(shí)間的函數(shù)，但其在任意時(shí)刻上的取值是不確定的；

確知信號(hào)在某一時(shí)刻的取值是確定的，而隨機(jī)信號(hào)在某一時(shí)刻的取值是不確定的，但取值往往有一定的規(guī)律，規(guī)律往往可以用一概率密度來表示；

隨機(jī)信號(hào)更普遍一點(diǎn)叫隨機(jī)過程，是功率信號(hào)來的，它的頻譜沒有實(shí)際意義，因此不能直接用傅里葉變換直接分析它的頻譜，但可以用功率譜來分析，隨機(jī)過程的功率譜分析和確知信號(hào)的功率譜分析是一樣的，也就是它的功率譜密度和自相關(guān)函數(shù)是和確知信號(hào)一樣的，也是一對(duì)傅里葉變換的關(guān)系，對(duì)于一些難以得到功率譜密度的地方，可以通過求自相關(guān)函數(shù)來得到。

下面這種均勻分布的噪聲稱之為白噪聲；

由于起伏噪聲的功率譜在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)也是均勻分布的，且概率密度服從高斯分布，因此也將起伏噪聲定義為高斯白噪聲；

此高斯白噪聲的自相關(guān)函數(shù)如下：

T是時(shí)間差，由此可見，高斯白噪聲任意兩個(gè)不同時(shí)刻之間毫不相關(guān)，這是一種十分理想的自相關(guān)特性；

研究CDMA系統(tǒng)的人十分羨慕高斯白噪聲，下面解釋原因：

介紹CDMA：

CDMA是碼分多址，是手機(jī)使用的一種無線技術(shù)；

CDMA的關(guān)鍵是擴(kuò)頻通信，而擴(kuò)頻通信的初衷是解決戰(zhàn)場(chǎng)上的保密通信問題，為了實(shí)現(xiàn)保密通信，需要將信號(hào)偽裝在噪聲之中，這首先就要擴(kuò)頻，將窄帶信號(hào)功率分散在一個(gè)比較寬的頻譜范圍內(nèi)，以降低單位頻帶上的功率，使信號(hào)淹沒在噪聲中，達(dá)到保密的目的，過程如下：

其次，信號(hào)要偽裝的像，擴(kuò)頻后的信號(hào)要有接近白噪聲的特點(diǎn)，這主要是功率譜密度和自相關(guān)函數(shù)要像；

于是這幫人開始尋找一種優(yōu)良的碼序列，以便使擴(kuò)展出來的信號(hào)接近白噪聲的特點(diǎn)；

我們又知道，低速率的信號(hào)，帶寬窄一些；

高速率的信號(hào)，帶寬寬一些；

帶寬大概是速率的1/2；

低速率信號(hào)與高速率信號(hào)相乘，相當(dāng)于它們的頻譜在頻域中卷積，卷積的結(jié)果是頻譜被展寬了，寬度是兩路信號(hào)的帶寬之和；

這就是說，他們要找的擴(kuò)頻碼，首先要有一定的碼速率，要比被擴(kuò)展信號(hào)的碼速率高好多倍，通常認(rèn)為至少要高100倍；

其次這個(gè)碼要是一個(gè)隨機(jī)碼，否則，怎么能說像白噪聲呢？

再次，這個(gè)碼的自相關(guān)函數(shù)和白噪聲的自相關(guān)函數(shù)也要像；

經(jīng)過一番艱辛的尋找，終于找到了幾種，其中一種稱之為m序列，既有隨機(jī)的特點(diǎn)，又好制造，于是后來的許多擴(kuò)頻系統(tǒng)都使用了這種m序列的隨機(jī)碼來擴(kuò)頻，當(dāng)然這種碼也不是完全的隨機(jī)碼，它只在一個(gè)周期內(nèi)是隨機(jī)的；

到了下一個(gè)周期又從頭再來了；

所以，都將這種碼叫做偽隨機(jī)碼；

雖然是偽隨機(jī)的，但在一個(gè)隨機(jī)周期內(nèi)，它的隨機(jī)表現(xiàn)還是相當(dāng)不錯(cuò)的，很接近白噪聲；

這從它的自相關(guān)函數(shù)中可以看出；

虛線框中是它的一個(gè)偽隨機(jī)周期，可見它的自相關(guān)函數(shù)很接近白噪聲的沖擊形狀了；

這么尖銳的自相關(guān)特性表明了現(xiàn)在的它和過去的它，跟將來的它，都是割裂的，不相關(guān)的；

這個(gè)研究CDMA那幫人解決地址碼提供了另一種選擇；

什么是地址碼？

所謂的地址碼，就是用來區(qū)分不同用戶，或者基站的號(hào)碼；

本來不同的m序列因?yàn)榛ハ嚓P(guān)特性大于0，不正交，因而是不適合作地址碼的，但同一個(gè)m序列，由于自相關(guān)特性十分尖銳，因此只要將產(chǎn)生m序列的碼發(fā)生器延遲不同的時(shí)間開始，那么所產(chǎn)生的隨機(jī)碼應(yīng)各自不相關(guān)，也就可以當(dāng)做地址碼來使用了，當(dāng)然最大的延遲是不能超過它的隨機(jī)周期的；

而為了確保各碼發(fā)生器，能在不同的延時(shí)上造碼，需要有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘，來供各個(gè)碼發(fā)生器來參考。

對(duì)話信道容量：

面對(duì)一個(gè)存在高斯白噪聲干擾的信道，它每秒到底能無差錯(cuò)傳輸多少信息量?這是每一個(gè)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者一直以來都渴望知道的，卻也一直都不容易解答的課題。

這便是香農(nóng)公式；

C是信道容量，也就是信道所能傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾?，單位為bit/s，B是信道的帶寬，S是信號(hào)的平均功率，N是白噪聲的平均功率，S/N稱為信噪比；

這個(gè)公式說明了什么樣的通信系統(tǒng)是理想的；

首先是當(dāng)給定信號(hào)帶寬B和信噪比時(shí)，信道的極限傳輸能力，或者說信道容量也就確定了，如果信道實(shí)際傳輸?shù)男畔⑺俾市∮诨虻扔谛诺廊萘?，那么可以做到無差錯(cuò)傳輸，或者說差錯(cuò)率可以任意小；

但如果傳輸速率大于等于等于信道容量，那么信道就不可能無差錯(cuò)的傳輸了；

其次增加信道帶寬B，或者提高信噪比，可以增加信道的容量，但如果不想要增加信道容量，而是保持信道容量恒定，哪款帶寬和信噪比之間是可以互換的，比如增加帶寬可以換取信噪比的下降，CDMA和擴(kuò)頻通信的靈感，就是這么來的；

通過擴(kuò)頻使信號(hào)功率與噪聲功率的比值得以降低，從而可以使信號(hào)淹沒在噪聲中；

問：要是不停的增加帶寬，是不是可以實(shí)現(xiàn)超高速通信了？

首先，頻帶十分寶貴；

其次就算頻帶可以無限制的增加，信道容量也不會(huì)跟著無限制的增大，這是因?yàn)檫@里面存在著高斯白噪聲，隨著帶寬的增加，噪聲的功率也會(huì)增大，那么信噪比同時(shí)也會(huì)降低，當(dāng)信噪比低到一定程度時(shí)，再怎么增加帶寬也不能無差錯(cuò)的傳輸信息了；

這就是說即使信道帶寬無線增大，信道容量也只能達(dá)到一個(gè)有限的數(shù)值了；

理論上推算出來的結(jié)論是，當(dāng)信道帶寬很大時(shí)，或信噪比很小時(shí)，信道容量趨近于信號(hào)功率和噪聲功率譜密度之比的1.44倍；

由香農(nóng)公式又是怎么得到4G的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)呢？

所謂4G,根據(jù)ITU (國際電信聯(lián)盟)的定義，至少應(yīng)符合以下兩點(diǎn):

1.移動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)速率達(dá)100Mbit/s;

2.室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下數(shù)據(jù)速率達(dá)1Gbit/s。

1.移動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)速率達(dá)100Mbit/s;

2.室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下數(shù)據(jù)速率達(dá)1Gbit/s。這比3G的標(biāo)準(zhǔn)速率至少提高了50倍。如何才能提高3G的信道容量，使之達(dá)到4G的標(biāo)準(zhǔn)呢?

要提高信道容量，香農(nóng)公式指出了兩條明路：

（1） 增加信道帶寬；

（2） 提高信噪比；

由于頻帶資源有限，增加50倍的帶寬太奢侈，不現(xiàn)實(shí)，因此技術(shù)研究的落腳點(diǎn)是在提高頻譜的利用率上，這點(diǎn)OFDM能夠提供最佳的頻譜利用率，但光這，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到4G的容量要求，因此還得雙管齊下，在提高信噪比上下一番功夫；

提高信噪比，是否可以加大信號(hào)的發(fā)射功率呢？

加大信號(hào)的發(fā)射功率對(duì)人體健康的影響是最大的問題，所以不能指望提高信號(hào)的發(fā)射功率來提高信道的容量，那要怎么樣才行呢？

前面，在比喻多徑衰落的影響時(shí)，用到了空間分集，也就是使用多面天線也接收或發(fā)送信號(hào)；

使用空間分集后，接收端合并接收多路信號(hào)，或者選擇其中最強(qiáng)的一路接收，其信號(hào)功率當(dāng)然比只接收一路的強(qiáng)，而噪聲功率又基本是沒變的，所以信噪比自然就提高了；

空間分集只在一邊使用了多面天線，或是在發(fā)射端，或者是在接收端，就已經(jīng)提高了信道的信噪比，那么如果兩邊都同時(shí)使用多面天線，會(huì)提高多少呢？

這個(gè)問題難不倒通信大師，他們通過理論推算，得到了一個(gè)近似的容量公式；

這個(gè)信噪比是每條接收天線上的信噪比；

和香農(nóng)公式對(duì)比發(fā)現(xiàn)多了一個(gè)M；

M是發(fā)送端或接收端的天線數(shù)；

哪一端的天線數(shù)少一點(diǎn)，M就代表那一端的天線數(shù)，比如發(fā)送端的天線數(shù)是2，接收端的天線數(shù)是3，則M= 2；

M的意義是什么？

M的意義是即使信噪比，和信道帶寬，都不增加，單獨(dú)增加天線對(duì)的數(shù)目，也可以直線增加信道容量；

這就是說信道的容量除了增加帶寬和信噪比以外，還可以通過增加天線的數(shù)量向空間索要，維特比，CDMA的創(chuàng)始人之一，他也說過，在多用戶接入系統(tǒng)中，空間處理仍然是最有前途的。

多面天線發(fā)送，多面天線接受的情形，稱為MIMO，MIMO是多輸入多輸出的簡(jiǎn)稱，是當(dāng)前無線接入研究的熱點(diǎn)。

什么是極化分集？

極化分集是在接收端分別接收水平極化波，和垂直極化波的一種分集方法；

極化是描述電磁波場(chǎng)強(qiáng)方向變化的一個(gè)概念，簡(jiǎn)單的了解，就是水平極化波，和垂直極化波在信道中的衰落是獨(dú)立的，相關(guān)性很小，而即使發(fā)射天線只發(fā)射單一的極化波，在傳輸過程中也會(huì)演變成兩種極化的波，因此在接收端，就可以在垂直極化和水平極化上進(jìn)行接收；

除了空間分集，極化分集，還有頻率分集，時(shí)間分集，角度分集等等，其實(shí)不同分集的原理是相同的，它們的前提都是要保證不同路信號(hào)之間，互相獨(dú)立，而接收時(shí)，則把不同路信號(hào)進(jìn)行合并，選擇其中信噪比最大的一個(gè)作為接收信號(hào)，或者直接合并所有路的信號(hào)。

香農(nóng)公式給出了極限的信息傳輸速率，我們都知道極限的東西當(dāng)然是不容易超越的，只能不斷接近，那么在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，都采用什么方法接近這種極限的呢？

歸納起來，就兩個(gè)辦法，編碼和調(diào)制。

作者：李銳博恩（Reborn）

編輯：黃飛

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