无线通信6[001].ppt

第六章 均衡 分集和信道编码 主要内容 第一节概述第二节均衡技术第三节分集合并技术第四节RAKE接收技术第五节交织技术 第一节概述 移动无线通信环境恶劣 信道特性复杂 不但存在一般通信系统共有的噪声和干扰 而且阴影效应 直射 反射 绕射 散射等 信号的大尺度衰落多径传输 多普勒频移等 信号的小尺度衰落大尺度衰落一般可以通过功率储备解决 但小尺度衰落则不行小尺度衰落的特点时域 会导致信号产生严重的ISI频域 产生频率选择性衰落 导致信号失真为了抵消信道对传输信号的影响 人们研究了一系列的技术措施 第一节概述 均衡技术 目的 对抗信道引起的ISI技术手段 通过对接收信号幅度和延迟的补偿 克服ISI的影响 从而改善信号的质量问题 移动无线信道是时变信道 即ISI随时间的变化而变化 解决方法 对信号的补偿情况也随着信道的变化而变化 自适应均衡 第一节概述 二 分集合并目的 抵消信道衰落对通信的影响技术手段 首先通过某种手段获得多个携带相同信息的衰落信号 然后再利用某种规则将这些信号合并起来 得到一个衰落深度大幅减小的信号 要求 得到的多个信号的衰落特性互不相关适用场合 平坦衰落 第一节概述 三 信道编码目的 改善通信链路的误码性能技术手段 再发送的信息中加入一些冗余分类 分组编码 卷积编码 级联码 问题 信道编码一般只是对平稳的随机错误有效 而对突发错误无能为力 解决方法 交织技术 将突发错误离散化 变成随机错误 由于解码一般在解调之后进行 因此称为 后检测技术 信道编码通常和调制制度相独立 但网格编码技术的出现改变了这种状况 第二节均衡技术 概述1 基本概念任何用来削弱ISI的信号处理手段 都可以称为信道均衡ISI产生机理 多径传输 带限信道一般方法 用前后码元对当前码元进行补偿2 在系统中所处位置 第二节均衡技术 3 基本原理 使得系统的冲击响应函数为全通网络 逼近 以基带均衡为例 第二节均衡技术 设 理想情况下 希望此时 在实际应用中 由于 所以很难使得只能使得e t 尽可能小 第二节均衡技术 二 分类 自适应均衡器是一个时变滤波器 它必须动态地调整其特性和参数 使其能够跟踪信道的变化 在任何情况下都能够使 第二节均衡技术 三 线性均衡器1 横向均衡器 为了描述图中的自适应均衡算法 采用矢量和矩阵的方法比较方便 均衡器的输入矢量yk可以定义为 均衡器的输出为 第二节均衡技术 权值矢量 则 误差信号为 第二节均衡技术 一般结构 c k是横向滤波器的复滤波系数 抽头权值 抽头总数为N N1 N2 1 N1和N2分别表示前向和后向部分的抽头数 第二节均衡技术 能达到的最小均方误差 其中 信道的频率响应 N0 噪声的功率谱密度 以上介绍的均化器只使用了前馈延时 为有限冲击响应 FIR 滤波器 特点是传递函数是Z 1的多项式 只有一个极点 Z 0 实际应用时还可以使用IIR滤波器 但由于这种滤波器存在非零极点 强脉冲信号容易导致自激 出现不稳定现象 因此使用较少 第二节均衡技术 横向均衡器的特点 实现简单 稳定收敛较慢 第二节均衡技术 2 格型均衡器 第二节均衡技术 格型均衡器中输出信号的递归公式为 格型均衡器的特点 数值稳定性好 收敛速度快 复杂度较高 第二节均衡技术 线性均衡器的问题当信道失真严重 出现深度频谱衰落时 线性均衡器为了补偿频谱失真 会对出现深衰落的频段及其附近频率产生很大的增益 从而增大了该段的噪声 不能取得满意的效果 第二节均衡技术 四 非线性均衡器分类 判决负反馈均衡器 DFE 最大似然符号检测最大似然序列估值 MLSE 1 判决反馈均衡器 DFE 1 基本思想 利用以被检测出的符号进行预测 并消除该符号带来的码间串扰 第二节均衡技术 2 一般框图 可采用横向和格型 参看P259 图7 8 3 输出表达式 4 最小均方误差 可见 其性能明显由于线性横向均衡器 第二节均衡技术 2 最大似然序列估值 MLSE 均衡器前面讨论的基于MSE的线形均衡器是在信道不会引入幅度失真的情况 使符号错误概率最小的最佳均衡器 然而 该信道条件在移动环境下是非常苛刻的 这就导致人们研究最佳或准最佳的非线形的均衡器 这些均衡器的基本结构是采用最大似然接收机的结构 第二节均衡技术 MLSE利用信道冲激响应估计器的结果 测试所有可能的数据序列 选择概率最大的数据序列作为输出 图中MLSE单元通常采用Viterbi算法来实现 MLSE均衡器是在数据序列错误概率最小意义上的最佳均衡器 该均衡器需要确知信道特性 以便计算判决的度量值 第二节均衡技术 五 均衡器算法的性能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 由于计算引起的误差 对算法稳定性的影响情况 常见均衡器算法迫零算法最小均方算法归零最小二乘算法 第二节均衡技术 1 迫零算法调整抽头系数 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 其它样点的数值完全为零特点 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不太适合于无线信道 第二节均衡技术 2 最小均方算法调整抽头系数 使信道和均衡器综合输出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 且算法的稳定性较好 缺点 收敛速度不高 均衡能力有限 在无线通信中 适合于较慢的 不太深的衰落 第二节均衡技术 3 归零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 使用时要考虑稳定性问题 在无线通信中 适用于衰落速率较快的信道 第三节分集合并技术 分集合并是另外一种对抗信道衰落的技术手段 均衡技术主要是通过对接收到的信号进行特定的处理 消除前后相邻码元相互之间的干扰 进而克服多径效应对传输的影响 一般来讲 在随参信道环境下 为了使得均衡器能够有效地工作 在发送有用信号的同时 必须周期性地发送训练序列 这样就增加了系统的开销 而分集技术不需要增加传输开销 它是通过某种技术手段 获得多个衰落特性相互独立的 携带相同信息的信号 然后对这些信号进行处理 合成一个衰落深度大幅降低的信号 从而改善接收信号的质量 第三节分集合并技术 一 基本原理 什么是分集合并 定义 是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立 携带同一信息 的信号进行特定的处理 以降低信号电平起伏的办法 例 选择式 合并的分集接收 含义 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 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 第三节分集合并技术 二 分集方式在移动通信系统中可能用到两类分集方式 一类称为 宏分集 另一类称为 微分集 宏分集 主要用于蜂窝通信系统中 也称为 多基站 分集 是一种减小慢衰落影响的分集技术 其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上 如蜂窝小区的对角上 和在不同方向上 同时和小区内的一个移动台进行通信 可以选用其中信号最好的一个基站进行通信 显然 只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落 基站天线的架设可以防止这种情况发生 这种办法就能保持通信不会中断 第三节分集合并技术 微分集 是一种减小快衰落影响的分集技术 在各种无线通信系统中都经常使用 理论和实践都表明 在空间 频率 极化 场分量 角度及时间等方面分离的无线信号 都呈现互相独立的衰落特性 据此 微分集又可分为六种形式 1 空间分集 空间分集的依据在于小尺度衰落的空间独立性 即在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 为此 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线 间隔距离d与工作波长 地物及天线高度有关 在移动信道中 通常取 市区d 0 5 郊区d 0 8 特点 要求天线之间必须有足够的空间间隔 第三节分集合并技术 2 频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息 以实现频率分集 根据相关带宽的定义 即 特点 需要两部以上发射机发射同一信号 设备复杂需要占用两个频带 降低了频率利用率 第三节分集合并技术 3 极化分集 由于两个不同极化方向的正交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 特点 射频功率分给两幅天线 每个天线的发射功率下降3dB 在UHF频段 这两个信号相互不独立 无法使用 第三节分集合并技术 第三节分集合并技术 4 场分量分集 电磁波的E场和H场载有相同的消息 而反射机理是不同的 由电磁场理论可知 在衰落场中 尽管E场和H场独立衰落 但总的电磁场密度保持不变 特点 不要求天线之间有实体上的间隔 适用于较低频段 100MHz以下 5 角度分集 角度分集的作法是使电波通过几个不同路径 并以不同角度到达接收端 而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量 由于这些分量具有互相独立的衰落特性 因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果 特点 在较高频率时容易实现 第三节分集合并技术 6 时间分集 小尺度衰落具有时间独立性 即同一信号在不同的时间多次重发 只要各次发送的时间间隔足够大 则各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的 时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象 为了使得重复传输的信号具有独立性 重发时间间隔应满足 特点 时间分集要求对接收信号延迟 缓冲 更适合于数字系统 时间分集要求多次重发 降低了数据速率 第三节分集合并技术 第三节分集合并技术 三 合并方式接收端收到M M 2 个分集信号后 如何利用这些信号以减小衰落的影响 这就是合并问题 一般均使用线性合并器 把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出 假设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 式中 ak为第k个信号的加权系数 选择不同的加权系数 就可构成不同的合并方式 常用的有以下三种方式 第三节分集合并技术 1 选择式合并 检测所有分集支路的信号 选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出 由此可见 在选择式合并器中 加权系数只有一项为1 其余均为0 开关式合并 变形 1 反馈扫描式选择2 随即选择特点 方法简单 实现容易 由于未被选择支路的信号弃之不用 因此性能最差 第三节分集合并技术 2 最大比值合并 每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比 即 由此可得最大比值合并器输出的信号包络为 式中 下标R表征最大比值合并方式 特点 充分利用了每个之路的信号 因此性能最好 实现复杂 第三节分集合并技术 3 等增益合并 无需对信号加权 各支路的信号是等增益相加的 等增益合并器输出的信号包络为 特点 实现比较简单 其性能接近于最大比值合并 式中 下标E表征等增益合并 第三节分集合并技术 四 分集合并性能的分析与比较众所周知 在通信系统中信噪比是一项很重要的性能指标 在模拟通信系统中 信噪比决定了话音质量 在数字通信系统中 信噪比 或载噪比 决定了误码率 分集合并的性能系指合并前 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高斯白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 3 各支路信号的衰落互不相关 彼此独立 瑞利分布 第三节分集合并技术 1 选择式合并的性能 前面已经提到 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 通常 接收机只有在信噪比达到某一门限值时才能正常工作 假设这一门限值为 t 则对于选择式合并 只有全部M个支路的信噪比都达不到要求 才会出现通信中断 若第k个支路中 k t的概率为Pk k t 则在M个支路情况下中断概率以PM S t 表示时 可得 第三节分集合并技术 由于见 k r2k 2Nk 由 k t 可推得 设rk服从瑞利分布 即 可得 则 第三节分集合并技术 如果各支路的信号具有相同的方差 即各支路的噪声功率也相同 即N1 N2 N并令平均信噪比为 则 第三节分集合并技术 2 最大比值合并的性能最大比值合并器输出的信号包络为 设各支路信噪比为 输出的信噪比为 故 则 第三节分集合并技术 根据许瓦尔兹不等式 则有 即 第三节分集合并技术 3 等增益合并的性能等增益合并意为各支路的加权系数ak k 1 2 M 都等于1 因此等增益合并器输出为 输出信噪比为 第三节分集合并技术 4 平均信噪比的改善所谓平均信噪比的改善 是指分集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数 1 选择式合并的改善因子 在选择式合并方式中 由信噪比 S的概率密度P S 可求得平均信噪比为 第三节分集合并技术 故 选择式合并器输出的平均信噪比为 因而平均信噪比的改善因子为 或 第三节分集合并技术 2 最大比值合并的改善因子由前面的讨论知 最大比值合并的信噪比改善因子为 故 或 第三节分集合并技术 3 等增益合并的