衰落信道数字通信技术.ppt

衰落信道数字通信技术 吴长奇燕山大学信息科学与工程学院2010年6月24日 主要内容 衰落信道的描述抗衰落信号处理技术分集技术自适应均衡技术自适应阵列天线技术空时编码技术 衰落信道的描述 定义 信道传输过程中 传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落 典型衰落信道 陆地移动信道 短波电离层信道 水声信道主要原因 时变 多径 多普勒频移 衰落信道的描述 信道的模型信道冲击响应为c t 信道传递函数c f t 可以表示色散和时变 为随机过程 c t s t r t n t 多径扩散和相干带宽 多径扩散和相干带宽的关系 多普勒扩散和相干时间 多普勒扩散和相干时间的关系 衰落信道的分类 基于频谱特性 平衰落 信号带宽相干带宽时延扩散 符号周期 衰落信道的分类 基于时变特性 慢衰落 多普勒频移小相干时间 符号周期信道变化慢于信号变化 快衰落多普勒频移大相干时间 符号周期信道变化快于信号变化 衰落的影响 接收电平降低 无法保证正常通信 接收波形畸变 产生严重的误码 传播延时变化 破坏与时延有关的同步 在快衰落情况下 由于电平变化迅速 影响某些跟踪过程 抗衰落措施 增加衰落储备 减少通信距离 增加发送功率 选择合适路由 在移动通信中采用微蜂窝 直放站 抗衰落信号处理技术 分集技术瑞克技术自适应均衡技术自适应阵列天线技术空时编码技术 门限接收电平其中 eb n0为归一化门限信噪比的实际值 f为接收机噪声系数 k为玻尔兹曼常数 t0为绝对温度 rb为传输比特率 增加衰落储备 增加衰落储备 实际接收电平其中 pt为发送功率 ga为收发天线增益 la为收发天馈系统的损耗 ls为传播路径损耗 ls是一个随机变量 存在平均传播损耗ls 平均及传播损耗大于某个值的概率p ls a 如果信道没有衰落 传播损耗取平均传播损耗 如果信道没有衰落令 pr 平均 pro 即平均接收电平等于门限接收电平 无线通信系统就能正常工作 实际无线传播信道是有衰落的 因此在没有衰落时的平均接收电平必需大于门限接收电平 才能保证可靠通信 增加衰落储备 令平均接收电平和门限接收电平之比值为 r pr 平均 pr0就有 称r为衰落储备 通过选择足够的衰落储备来保证接收电平降低到门限以下 即中断 的概率小于某个值 中断的概率与衰落的统计特性有关 因此需要研究衰落的统计特性 增加衰落储备 衰落的统计特性模型 瑞利衰落模型nakagami m衰落模型莱斯衰落模型 原理 利用无线传播环境中来自不同途径的多径信号的统计独立性进行合并 从而实现分集 首先要找出来自不同途径的多径信号 这些途径可以是不同的空间 不同的极化 不同的频率 不同的时间 其次要以某种方法进行合并 分集技术不仅能改善频率选择性衰落 同时也能改善非频率选择性衰落 分集技术 分集方式空间分集 不同天线的接收信号相互独立 极化分集 水平极化和垂直极化的信号相互独立 频率分集 不同频率的接收信号相互独立 时间分集 不同时间的接收信号相互独立 分集技术 合并方式选择式合并 选择最好的支路作为输出 其它支路丢弃 最大增益合并 调整各个支路主径的相位 使之同相 然后进行等增益相加 最小色散合并 调整各个支路次径的相位及幅度 使之反相抵销 最大比合并 调整各个支路的相位 使之同相 然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加 分集技术 空间分集 时间分集 瑞克接收机 当多径在时间可分离时 可根据时间分离的多径信号实现分集 相关1 相关2 相关m 积分判决 a1 a2 am cdma多径信号 判决输出 时间分集 瑞克接收机 原理 在无线通信中由于发生深衰落或遇到突发干扰 误码的分布就不是平稳 纯随机的 而是存在随机误码和突发误码 采用交织可以减少突发误码的影响 交织不增加额外开销 交织可以保护信源编码中的特殊比特 交织与纠错编码同时使用 进一步提高传输质量 交织器二种类型 分组交织 卷积交织 交织器会引入时延 对语音不能超过40ms 时间分集 交织 自适应均衡 自适应均衡器 减少码间干扰 工作模式 训练模式和跟踪模式 均衡器分类频域均衡器 时域均衡器 线性均衡器 非线性均衡器 均衡器实现方法中频均衡器 基带均衡器 自适应均衡 均衡原理信道时域响应h t 均衡器时域响应heq t 均衡后期望的信道响应为 均衡器是信道的逆滤波器 均衡器的效果是补偿信道的频率选择性 使衰落趋于平坦 相位趋于线性 均衡器不能抵消平衰落 频域均衡器一般在中频上实现 举例 中频幅度倾斜均衡器 自适应均衡 横向滤波器结构简单 适用于衰落深度不是很大的情况 均衡器对深衰落的频谱及邻近频谱产生很大增益 从而增加噪声 t x n t t y n 自适应均衡 格型滤波器 数值稳定性好 收敛速度快 f0 n t x n g0 n t g1 n t f1 n gp n fp n 自适应均衡 判决反馈均衡器 dfe 适用于深度衰落很大的情况 前向滤波器 x n b n 判决 反向滤波器 自适应均衡 均衡器算法迫零算法 最小均方算法 递归最小二乘算法 盲均衡算法 自适应均衡 算法性能参数 收敛速度 算法进入稳定的迭代次数 即收敛时间 失调 滤波器均方差与最优的最小均方差的差距 计算复杂度 完成迭代的运算次数 数值特性 算法用数字逻辑实现时 计算误差对算法稳定性的影响 自适应均衡 迫零均衡算法调整抽头系数 使信道和均衡器综合输出响应完全消除码间串扰 即除中心点外 其它抽样点的数值全部为0 特点 简单 均衡效果较好 缺点 没有考虑噪声的影响 在深衰落的频率点处 会出现很大的噪声增益 自适应均衡 最小均方算法调整抽头系数 使信道和均衡器综合输出的期望值和实际值之间的均方误差最小 特点 是一种最简单的均衡算法 算法的稳定性好 缺点 收敛速度不高 均衡能力有限 在无线中适用于较慢的 不太深的衰落 自适应均衡 递归最小二乘算法调整抽头系数 使信道和均衡器综合输出的累计平方误差最小 特点 收敛速度快 跟踪性能好 缺点 算法较复杂 还要较好的考虑稳定性问题 在无线中适用于快衰落信道 自适应均衡 盲自适应均衡算法目标 自适应均衡 自适应均衡 盲均衡技术能够不借助于训练序列 仅利用接收序列本身的先验信息 便可以均衡信道特性 使均衡器的输出序列尽量接近发送序列 并提高了系统频带利用率 近年来一直是研究的热点问题 2 3 4 5 在信道盲均衡技术中 恒模cma constantmodulusalgorithm 算法 是bussgang类 6 盲均衡算法中最常用的一种 恒模算法具有计算复杂度低 易于实时实现等特点 恒模算法 cma 利用信号模值的统计特性进行均衡 虽然能够实现盲均衡的效果 但收敛速度慢 并且收敛后存在较大剩余误差和相位模糊 因此 一些性能较好的常模算法的改进算法相继被提出 其中典型的具有实际工程实现价值的盲均衡算法就包括修正恒模算法 mcma 和修正多模算法 mmma 自适应均衡 最近的研究工作 ka波段卫星信道自适应均衡信道模型 非盲自适应均衡盲自适应均衡均衡器的fpga和dsp实现 自适应阵列天线技术 天线阵列结构线阵圆阵面阵 自适应阵列天线技术 线阵线阵波束形成原理 自适应阵列天线技术 则r处的第i个阵元接收的信号为 给每个阵元的信号以不同的复加权 典型地这种复加权是相位偏移因子 把加权的阵元信号相加产生输出信号 改变加权值 可以形成不同方向的波束 自适应阵列天线技术 自适应算法 最小均方误差算法 mmse 最佳的权值向量 自适应阵列天线技术 最小平方 ls 算法最佳的权值向量为 自适应阵列天线技术 高阶统计量方法接收的信号为四阶统计量最佳权向量为 自适应阵列天线技术 恒模方法目标函数定义为最陡下降恒模算法 自适应阵列天线技术 应用 doa 信号到达角 估计