第4章 抗衰落技术

第四章抗衰落技术 主要内容 内容概述分集接收信道编码均衡技术扩频通信 4 1序 分集接收技术均衡技术信道编码技术扩频技术 分集接收 基本思想把接收到的多个衰落独立的信号加以处理 合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量 作用充分利用接收信号的能量减小在平坦性衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间 信道编码 基本思想通过引入可控制的冗余比特 使信息序列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性 在接收端信道译码器根据这种相关性对接收到的序列进行检查 从中发现错误或进行纠错 作用尽量减小信道噪声或干扰的影响 是用来改善通信链路性能的技术 信道均衡 当传输的信号带宽大于无线信道的相关带宽时 信号产生频率选择性衰落 接收信号就会产生失真 它在时域表现为接收信号的码间干扰 所谓信道均衡就是在接收端设计一个称之为均衡器的网络 以补偿信道引起的失真 均衡器的参数必须能跟踪信道特性的变化而自行调整 扩频技术 频率分集和时间分集克服多径干扰第三代移动通信无线传输的主流技术 4 2分集技术 分集接收是抗衰落的有效措施之一分集技术可以分为宏观分集和微观分集宏观分集 阴影衰落微观分集 微观衰落合并技术 获得M个相互独立的多径信号分量 然后对它们进行处理以获得信噪比的改善 4 2 1宏观分集 设基站A接收到的信号中值为mA 基站B接收到的信号中值为mB 它们都服从对数正态分布 若mA mB 则确定用基站A与移动台通信 若mA mB 则确定用基站B与移动台通信 如图中 移动台在B路段运动时 可以和基站B通信 而在A路段则和基站A通信 基站数视需要而定 4 2 2微观分集的类型 信号衰落所呈现的独立性是多方面的 如时间 频率 空间 角度 以及携带信息的电磁波极化方向等等 常见的有 1 时间分集移动的时间足够长 或移动的距离足够大 大于信道的相干时间 2 频率分集两个载波的间隔大于信道的相干带宽 3 空间分集相隔足够大的距离 实际测量表明 通常在市区 取d 0 5 在郊区可以取d 0 8 4 2 3分集的合并方式及性能 M重分集对这些信号的处理概括为M条支路信号的线性叠加 其中fk t 为第k支路的信号 k t 为第k支路信号的加权因子 信噪比的改善和加权因子有关 对加权因子的选择方式不同 形成3种基本的合并方式 选择合并 最大比值合并和等增益合并 在下面的讨论中假设 每支路的噪声与信号无关 为零均值 功率恒定的加性噪声 信号幅度的变化是由于信号的衰落 其衰落的速率比信号的最低调制频率低许多 各支路信号相互独立 服从瑞利分布 具有相同的平均功率 1 选择合并 在所接收的多路信号中 合并器选择信噪比最高的一路输出 这相当于在M个系数 k t 中 只有一个等于1 其余的为0 由于M个分集支路的衰落是互不相关的 所有支路的 k k 1 2 M 同时小于某个给定值x的概率为 若x为接收机正常工作的门限 F x 就是通信中断的概率 而至少有一支路信噪比超过x的概率就是使系统能正常通信的概率 可通率 为 F x x的关系如图4 8所示 由此可以看出 在给定的门限信噪比情况下 随着分集支路数的增加 所需支路接收信号的平均信噪比在下降 2 最大比值合并 在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相 然后相加 这样合并器输出信号的包络为 输出的噪声功率等于各支路的输出噪声功率之和 于是合并器的输出信噪比为 希望输出的信噪比有最大值 根据许瓦兹不等式若使加权系数 k满足 则有 这结果表明 若第k支路的加权系数 k和该支路信号幅度rk成正比 和噪声功率Nk成反比 则合并器输出的信噪比有最大值 且等于各支路信噪比之和 通信中断概率F x F x x的特性如图4 11所示 3 等增益合并 合并器输出的信号的包络等于 设各支路噪声平均功率相等 输出的信噪比为 F x 特性如图4 14所示 4 2 4性能比较 为了比较不同合并方式的性能 可以比较它们的输出平均信噪比与没有分集时的平均信噪比 这个比值称作合并方式的改善因子 用D表示 等增益合并 最大比值合并 选择合并方式 通常用dB表示 D dB 10lg D 图4 15给出了各种D dB M的关系曲线 从图中可以看出在三种合并方式中 最大比值合并改善最多 其次是等增益合并 最差是选择合并 这是因为选择合并只利用其中一个信号 其余没有被利用 而前两者把各支路信号的能量都得到利用 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 或 由式 4 31 可知 或 4 4均衡技术 4 4 1基本原理4 4 2非线性均衡器4 4 3自适应均衡器 4 4 1基本原理 码间干扰和横向滤波器评价均衡器的性能的准则均衡器系数的计算 码间干扰 在数字传输系统中 一个无码间干扰的理想传输系统 在没有噪声干扰的情况下其沖激响应h t 应当具有如图4 30的波形 由于实际信道传输特性并非理想 响应的波形失真是不可避免的 如图4 31的hd t 信号的抽样沖激在多个抽样时刻不为零 这就造成了码间干扰 因此采用信道均衡技术克服这种影响 横向滤波器 4 4 2非线性均衡器 线性均衡器一般用在信道失真不大的场合 要使均衡器在失真严重的信道上有比较好的抗噪声性能 可以采用非线性均衡器 例如 判决反馈均衡器DFE 最大似然估计均衡器MLSE 判决反馈均衡器DFE 判决反馈均衡器的结构如下图所示 它由两个横向滤波器 前馈滤波器FFF 反馈滤波器FBF 和一个判决器构成 判决器的输入 等于 式中cn是前馈滤波器的N 1个支路的加权系数 bi是后向滤波器的M个支路的加权系数 zm就是当前判决器的输入 ym是输出 ym 1 ym 21 ym M则是均衡器前M个判决输出 第一项是前馈滤波器的输出 是对当前码元的估值 第二项则表示ym 1 ym 2 ym M对该估值的拖尾干扰 和横向均衡器比较 判决反馈均衡器的优点是在相同的抽头数情况下 残留的码间干扰比较小 误码也比较低 特别是在信道特性失真十分严重的信道 4 4 3自适应均衡器 自适应均衡器能够基于对信道特性的测量随时调整自己的系数 以适应信道特性的变化 自适应均衡器的结构如下图 具有训练模式和跟踪模式两种工作模式 自适应均衡器工作过程均衡器开关置1 也产生同接收端相同的训练序列 e n 和x n 作为某种算法的参数 把均衡器的系数ck调整到最佳 使均衡器满足峰值畸变准则或均方畸变准则 此阶段均衡器的工作方式就是训练模式 在训练模式结束后 发送端发送数据 均衡器转入跟踪模式 开关置2位置 4 5扩频通信 4 5 2直接序列扩频原理4 5 3抗多径干扰和RAKE接收机4 5 4跳频扩频通信系统FHSS 4 5 2直接序列扩频原理 扩频和解扩直扩系统抗窄带干扰的能力 扩频 1 扩频 2 解扩 不考虑信道噪声及各种干扰信号 接收机接收到的信号r t s t 收到的信号首先和本地产生的PN码c t 相乘 由于c2 t 1 2 1 所以 相乘所得信号显然是一个窄带的2PSK信号 这样信号恢复为一个窄带信号 这一操作过程就是解扩 为了实现信号的解扩 要求本地的PN码序列和发射机的PN码序列严格同步 否则所接收到的就是一片噪声 直扩系统抗窄带干扰的能力 扩频信号的一个重要特点就是抗窄带干扰的能力 分析抗窄带干扰的模型如图4 50 设i t 为一窄带干扰信号 其频率接近信号的载波频率 解扩后最终最终扩频系统的输出干扰功率是输入干扰功率的1 N 即扩频系统的处理增益为Gp 通过下图来说明扩频系统抗窄带干扰的能力 相关性 a b 相关 相关性100 不相关 0相关 CDMA核心技术 1 1 1 1 1 1 1 正交函数 正交函数具有0相关性 如果两个二进制序列的异或结果具有相同个数的0和1 那么 这两个序列不相关 000001010101 例子 101001011111 CDMA核心技术 不相关 相关 发送端以正交函数为扩频码进行扩频 1 0 0 1 1 0110 0110 0110 0110 0110 1001 0110 0110 1001 1001 用户输入信息 正交扩频序列 正交函数 扩频后的发送数据 1 1 1 1 在接收端的信号恢复 1 0 0 1 1 1 1 接收数据 1001 0110 0110 1001 1001 0110 0110 0110 0110 0110 1111 0000 0000 1111 1111 相关扩频序列 接收数据 1001 0110 0110 1001 1001 0101 0101 0101 0101 0101 1100 0011 0011 1100 1100 不相关扩频序列 扩频与解扩 信号速率的提高 意味着信号带宽的展宽 S f istheenergydensity 4 5 3抗多径干扰和RAKE接收机 抗多径干扰多径分离接收机 RAKEreceiver 抗多径干扰 利用PN序列的尖锐的自相关特性和很高的码片速率 Tc很小 有效抑制与PN序列不同步的多径信号分量的干扰特别是多径时延大于扩频码的码片时具有二径传输信道的扩频通信系统如图4 92 多径分离接收机 RAKEreceiver 利用各多径信号分量的能量 改善接收信号的质量信号的频谱扩展使信号获得了频率分集的好处多径信号的分离接收也是一种时间分集RAKE接收机的原理图如下 4 5 4跳频扩频通信系统FHSS 基本概念跳频系统的抗干扰性能和在GSM系统的应用 基本概念 跳频扩频就是使窄带数字已调信号的载波频率在一个很宽的频率范围内随时间跳变 跳变的规律称作跳频图案 接收机也按照这规律同步跳变调谐跳频的规律实际上是可以重覆的伪随机序列瞬时带宽B跳频信号的总带宽W 在頻槽間不斷地跳換 由跳頻樣式控制 在每個子頻道只做瞬間傳輸 如Bluetooth 79個頻槽 利用指定不同的跳頻序列 使許多跳頻系統可以共用相同的頻段 以增加總傳輸量 彼此不相重疊的跳頻序列 稱為正交 Orthogonal 跳频处理增益 GH W B N跳频系统具有码分多址和频带共享的组网能力一般采用FSK的数字调制方式和非相干解调跳频器由PN码发生器和频率合成器组合而成 完成扩频和解扩慢跳频和快跳频在扩