移动通信PPT电子课件教案-第4章_抗衰落技术.ppt

第4章 抗衰落技术,4.1 分集接收 4.2 rake接收 4.3 纠错编码技术 4.4 均衡技术 思考题与习题,分集接收的原理 分集合并性能 数字化移动通信系统的分集性能,4.1 分集接收,定义：接收端对它收到的多个衰落特性统计独立、携带同一信息的信号，通过一定的处理合并为一路信号，可减小衰落的影响。 分集有两重含义： 一是分散传输， 使接收端能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， 即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。,4.1 分集接收 分集接收原理,4.1 分集接收 分集接收原理,4.1 分集接收 分集方式,宏分集和微分集 宏分集：把多个基站设置在不同的地理位置上，使其同时和一个移动台通信。 目的：主要减小慢衰落的影响。 微分集：将无线信号从各个参量方面进行分离，使其呈现独立的衰落特性。 目的：主要减小快衰落的影响。,宏分集的典型示例： 软切换：在切换过程中，移动台开始与新的基站联系时，并不中断与原有的基站的通信，新旧基站以宏分集的方式同时保持与ms的通信。 软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量。,微分集 (1) 空间分集:任意两个不同的位置上接收同一个信号， 只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。,注意：市区：d0.5 郊区：d0.8,4.1 分集接收 分集方式,(2)极化分集:由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性， 因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。,优点是结构比较紧凑，节省空间，天线可装在同一地点。 缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，信号功率将有3db的损失。,4.1 分集接收 分集方式,(3)角度分集:由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向，在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。,4.1 分集接收 分集方式,4.1 分集接收 分集方式,(4)频率分集：将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔足够大（大于相干带宽），那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。 优点 ：与空间分集相比，减少了天线的数目。 缺点：要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。 (5)时间分集：将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输m次，只要时间间隔大于相干时间（ ），就可以得到m条独立的分集支路。 注意：相干时间是与移动台运动速度成反比，因此当移动台处于静止状态时，时间分集基本上是没有用处的。,4.1 分集接收 分集方式,显分集和隐分集 显分集：被传输信号可以按某个参量分成多径独立信号。 例如：空间分集，天线极化分集、频率分集和时间分集等。 例如：码分多址（cdma）系统通常使用rake接收机，它能够通过时间分集来改善链路性能。 隐分集：将分集作用隐含在被传输信号之中（直接扩频技 术、信道交织编码），在接收端利用信号处理技术实现分集。, 检测后合并,根据合并位置分 检测（解调）前合并,4.1 分集接收 合并方式,图4-5 检测前合并,图4-6 检测后合并,4.1 分集接收 合并方式,根据合并技术分： 设m个输入信号电压为r1(t)， r2(t), ， rm(t)，则合并器输出电压r(t)为,选择式合并(selection diversity) 最大比合并(maximum diversity) 等增益合并(equal gain combining),选择式合并,特点： 简单 只利用一路信号能量，其他未利用，性能较差,4.1 分集接收 合并方式,图4-7 选择式合并,最大比值合并,优点：按信噪比加权各路信号后再合并，合并后信噪比大，衰落小。 缺点：控制复杂,4.1 分集接收 合并方式,图4-8 最大比合并,等增益合并,4.1 分集接收 合并方式,图4-9 等增益合并,特点：a. 性能与最大比合并接近 b. 电路简单,分集合并的性能：指分集合并前、后信噪比的改善程度。 为便于比较三种合并方式， 假设它们都满足下列三个条件： (1) 每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零，具有恒定均方根值； (2) 信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频率； (3) 各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。,4.1 分集接收 分集合并性能,选择式合并的性能 选择式合并器的输出信噪比：即当前选用的那个支路送入合并器的信噪比。 设第k个支路的信号功率为r2k/2，噪声功率为nk, 可得第k支路的信噪比为,4.1 分集接收 分集合并性能,某一支路的信噪比必须达到某一门限值t，才能保证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。若第k个支路中kt的概率为pk(kt)，则在m个支路情况下中断概率以pm(st)表示时，可得,4.1 分集接收 分集合并性能,kt， 即r2k/2nkt， 则,设rk的起伏服从瑞利分布， 即,可得,设各支路噪声功率相等：n1 = n2 = = n 各支路信号方差相同： 平均信噪比为： m重选择式合并的中断率为：,4.1 分集接收 分集合并性能,4.1 分集接收 分集合并性能,选择式合并,最大比值合并的性能,4.1 分集接收 分集合并性能,最大比值合并器输出的信号包络：,接收机收到的最大比合并的信噪比：,由于各支路信噪比为：,4.1 分集接收 分集合并性能,所以接收到的信号电平：,所以最大比合并的信噪比：,说明：最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比为各支路信噪比之和， 即,最大比值合并的改善因子,等增益合并的信噪比改善因子为,4.1 分集接收 分集合并性能,例 4 - 1 在二重分集情况下， 试分别求出三种合并方式的信噪比改善因子。 解：（1）选择式合并的信噪比改善因子为：,（2）最大比合并的信噪比改善因子为：,（3）等增益合并的信噪比改善因子为：,图 4 - 10 三种合并方式的d(m)与m关系曲线,表 4 - 1 三种合并方式平均误码率的比较,4.2 rake接收,定义：所谓rake接收机，就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。 基本原理：将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。,图 4 - 11 简化的rake接收机组成,在实际系统中，由于每条多径信号都经受着不同的衰落，具有不同的振幅、 相位和到达时间。由于相位的随机性，其最佳非相干接收机的结构由匹配滤波器和包络检波器组成。,4.2 rake接收,图 4-12 最佳非相干接收机,4.2 rake接收,图4-13 最佳非相干接收机的输出波形,扩频系统能分辨的最小多径间隔,每一个峰值对应一条多径。 每个峰值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。 采用横向滤波器来实现时延和最大比合并：为了将这些多径信号进行有效的合并，可将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大，按最大比的方式合并，就可以得到最佳的输出信号。然后再进行判决恢复发送数据。,4.2 rake接收,图4-14 qualcomm的rake接收机,并行相关器结构 移动台：3个并行相关器+多径搜索器 相关接收最大比合并 基站：4个并行相关器+多径搜索器 非相关接收最大比合并,4.2 rake接收,图4-15 实现最佳合并的横向滤波器,rake接收机原理小结,rake接收机有效克服多径衰落，提高接收性能,4.3 纠错编码技术,4.3.1 纠错编码的基本原理 首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。 现在我们考察由 3 位二进制数字构成的码组，它共有 23=8 种不同的可能组合， 若将其全部用来表示天气， 则可以表示 8 种不同的天气情况， 如： 000(晴)， 001(云)， 010(阴)， 011(雨)， 100(雪)， 101(霜)， 110(雾)， 111(雹)。 其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码， 则将变成另一信息码组。 这时， 接收端将无法发现错误。,若在上述 8 种码组中只准许使用 4 种来传送消息， 譬如 000 = 晴 011 = 云 101 = 阴 110 = 雨 (4 - 51) 能检测一个或三个错码 要想纠正错误，还要增加多余度。如规定许用码组只有两个000（晴）111（雨），其他为禁用码组，能检测两个以下的错码，但只能纠正一个错码 ,表 4 - 2 分组码例子(3, 2),为每组码附加若干监督码的编码称为分组码,一般分组码用符号(n, k)表示， 其中k是每组二进制信息码元的数目， n是编码组的总位数， 又称为码组的长度(码长)。 n-k=r为每码组中的监督码元数目， 或称为监督位数目。 一般分组码结构如图 4 - 13 所示。 图中前面 k 位(an-1ar)为信息位， 后面附加r个监督位(ar-1a0)， 式(4 - 51)的分组码中n=3, k=2, r=1。,图 4 - 13 分组码结构,分组码中，把“1”的数目称为码组的重量，而把两个码组对应位上数字不同的位数称为码组的距离，简称码距，各个码距间距离的最小值称为最小码距（d0),码距的几何意义：图中就对应于各 顶点之间沿立方体各边行走的几何 距离,一种编码的最小码距d0的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能力。 例如， 上述例子表明： d0=1时， 没有检、 纠错能力； d0=2时， 具有检查一个差错的能力； d0=3时， 用于检错时具有检查两个差错的能力， 用于纠错时具有纠正一个差错的能力。 一般情况下， 码的检、 纠错能力与最小码距d0的关系可分为以下三种情况。,(1) 为检测e个错码， 要求最小码距 d0e+1 (4 - 52) 这可以用图 4 - 15(a)加以证明。设一码组a中发生一位错码， 则我们可以认为a的位置将移动至以 0 点为圆心、 以 1 为半径的圆周上某点。 若码组a中发生两位错码， 则其位置不会超出以 0 点为圆心、 以 2 为半径的圆。 (2) 为纠正t个错码， 要求最小码距 d02t+1 (4 - 53) 此式可用图 4 - 15(b)加以说明。 图中画出码组a和b的距离为 5。 若码组a或b发生不多于两位错码， 则其位置不会超出半径为 2、 以原位置为圆心的圆。 这两个圆是不相交的。,图 4 - 15 码距与检、 纠错能力的关系 (a) 检测e个错码； (b) 纠正t个错码； (c) 纠正t个错码， 同时检测e个错码,(3) 为纠正t个错码， 同时检测e个错码， 要求最小码距 d0e+t+1 (et) (4 - 54) 纠检结合：对于出现频繁但错码数很少的码组，按纠错方式工作，不需重发，节省时间；同时又希望对一些错误码数较多的码组，在超过该码的纠错能力后，自动按检错方式工作，降低系统的误码率。 在简要讨论了编码的纠(检)错能力后， 再来分析一下差错控制编码的效用。假设在信道中发送“0”时的错误概率和发送“1”时的错误概率相等， 都等于p， 且p1， 则容易证明， 在码长为n的码组中恰好发生r个错码的概率为,4.3.2 常用的检错码 1. 奇偶校验码 奇偶校验的种类很多， 这里给出一个奇偶校验码的例子。 如表4-3所示， 信息序列长k=3， 校验序列长l=4; 输入信息比特为s1, s2, s3， 校验比特为c1, c2,c3, c4； 校验的规则为c1=s1s3, c2=s1s2s3, c3=s1s2, c4=s2s3。,表4-3 奇 偶 校 验 码,2. crc 校验 crc(循环冗余校验)根据输入比特序列(sk-1, sk-2, , s1, s0)通过crc算法产生l位的校验比特序列 (cl-1, cl-2, , c1, c0)。crc算法如下： 将输入比特序列表示为下列多项式的系数：,s(d)=sk-1dk-1+sk-2dk-2+s1d+s0 (4-56),设crc校验比特的生成多项式(即用于产生crc比特的多项式)为,(4-57),则校验比特对应下列多项式的系数：,(4-58),生成多项式的选择不是任意的， 它必须使得生成的校验序列有很强的检错能力。 常用的几个l阶crc生成多项式为 crc-16(l=16)：,g(d)=d16+d12+d5+1 (4-60),crc-32(l=32): g(d)= d32+d26+d23+d22+d16+d12+d11+d10 +d8+d7+d5+d4+d2+d+1 (4-61) 其中，crc-16和crc-ccitt产生的校验比特为16比特， crc-32产生的校验比特为32比特。,例如： 设输入比特序列为(10110111)， 采用crc-16生成多项式， 求其校验比特序列。 输入比特序列可表示为 s(d)=d7+d5+d4+d2+d1 (k=8) 因为 g(d)=d16+d15+d2+1 (l=16),所以,=d9+d8+d7+d5+d4+d = 0d15+0d14+0d13+0d12+0d11+0d10+1d9+1d8 +1d7+0d6+1d5+1d4+0d3+0d2+1d1+0,4.3.3 卷积码与交织编码 数字化移动信道中传输过程会产生随机差错， 也会出现成串的突发差错。 上面讨论的各种编码主要用来纠正随机差错， 卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠正突发差错的能力。 纠正突发差错主要靠交织编码来解决。 在cdma移动通信系统中采用了卷积码和交织编码。 因此， 下面讨论这两种码的编码原理及纠错原理。,卷积码 卷积码也是分组的，但它的监督元不仅与本组的信息元有关，而且还与以前m个时刻若干组的信息元有关。 用（n,k,m）表示卷积码。 卷积码的编码效率 卷积码的约束长度：输出的n个bit中，是由相关的m+1个时刻的输入信息决定的，所以称m+1为约束长度。 卷积码编码器 由若干位移位寄存器和模二加法器组成。,卷积码根据需要， 有不同的结构及相应的纠错能力。 但都有类似的编码规律。 图 4 - 16 为(3，1)卷积码编码器， 它由三个移位寄存器(d)和两个模 2 加法器组成。 每输入一个信息元mj， 就编出两个监督元pj1、 pj2， 顺次输出成为 mj、 pj1、 pj2， 码长为 3， 其中信息元只占 1 位， 构成卷积码的一个分组(即 1 个码字)， 称作(3,1)卷积码。,图 4 - 16 (3，1)卷积码编码器,pj1 = mjmj-1mj-3 pj2 = mjmj-1mj-2,(3,1)卷积码的监督方程,cj=(mjpj1pj2),例：求 （1）上述(3,1)卷积码编码器，对应输入为100时的输出码字 （2）该编码器的约束长度 （3）该编码器的编码效率 （4）输出的信息速率和输入的信息速率之间的关系 解：(1),所以输出c=111011001,(2)因为输出码组除了和本组的信息位相关外，还和以前3个时刻的输入信息位有关，即每个码组一共和相邻的4个信息位相关，所以该卷积码的约束长度为4。 (3) 该编码器的编码效率为,(4)在信号速率保持输入输出一致的情况下， 输出的信息速率是输入信息速率的1/3。,图 4 - 17 所示为(2， 1)卷积码、 约束长度k=2的编码器和解码器， 它可在 4 比特范围内纠正一个差错。 图 4 - 17(a)为编码器， 每输入一个信息元(mj)， 编码输出为mj、 pj， 其中pj为 pj = mjmj-1 (4 - 64) 式中mj-1为mj之前的信息元。,图 4 - 17 (2，1)卷积码 (a) 编码器； (b) 译码器,译码方程,s0,假定输入信息元序列为 100(1为先输入)， 经过编码输出为 110100(其中 1 为最先输出)。 下面具体分析它的编码过程。 编码开始前， 先对移位寄存器进行复位(即置 0)。 当输入第 1 个信息元“1”时， 输出为 1， 由于pj=10=1， 输出开关接到pj， 输出又为 1。 输出端开关速率是信息元速率的两倍， 即每输入一个信息元，开关同步地转换一次。 因此， 上述过程可写成： 输入mj=1, pj=10=1, 所以输出为 11； 输入mj+1=0， pj+1=mj+1mj=01=1， 所以输出为 01； 输入mj+2=0, pj+2=mj+2mj+1=00=0， 所以输出为 00。,交织编码主要用来纠正突发差错， 纠错思路：使突发差错分散成为随机差错而得到纠正。 交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，即交织编码前后，信息速率不变，因此不影响有效性。 交织的方法： 交织之前，先进行分组码编码，例如采用(7，3)分组码。第一个码字为c11c12c13c14c15c16c17， 第二个码字为 c21c22c27 ， ， 第m个码字为cm1cm2 cm7。,4.3 纠错编码技术 交织编码,图 4 - 18 交织的方法,4.3 纠错编码技术 交织编码,4.3 纠错编码技术 交织编码,将每个码字按上图顺序先存入存储器，即将码字顺序存入第 1 行，第 2 行， ，第 m 行(第 1 排， 第 2 排， ，第 m 排)， 共排成m行。 c11c12c13c14c15c16c17， c21c22c27 ， ， cm1cm2 cm7。 然后按列顺序读出并发送，通过信道传输。 这时信道中传输的序列就变为 c11c21c31 cm1c12c22c32 cm2c13c23c33 cm3 c17c27c37 cm7 接收端：将上述过程逆向重复。按直列存入，横排读出。,交织编码示例,假设由于衰落导致第1行连错7个码元,交错度m：表示纠正突发差错的能力。 设传输时有b个连续的突发差错，则只要bm,按照交织的方法，则b个差错被分散在m个不同的码字中，且每个分组最多有一个差错，可以被分组码校正。,4.3 纠错编码技术 交织编码,均衡的原理 1、概念：对移动信道特性进行均衡，矫正信道传输函数，使其满足无失真传输条件。均衡技术是指各种用来处理码间干扰(isi)的算法和实现方法。 2、目标：抵消信道的时变多径传播特性引起的码间串扰，消除信道的频率选择性和时间选择性。 3、分类： 频域均衡：校正幅频特性和群延时，适用于模拟通信 时域均