衰落信道数字通信技术

1、衰落信道数字通信技术衰落信道数字通信技术 吴长奇吴长奇 燕山大学信息科学与工程学院燕山大学信息科学与工程学院 20102010年年6 6月月2424日日 n衰落 n抗衰落信号处理技术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 n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。 n典型衰落信道： 陆地移动信道、短波电离层信道、水声信道 n主要原因： 时变、多径、多普勒频移 衰落 信道冲击响应为 ，信道传递函数 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 0 )(c

2、 m t 0 )( f c f m c t f 1 )( 多径扩散和相干带宽的关系 0;21 * 0;21 21 21 );();( 2 1 );,()( t tcc ttctce t def fj cc 2 )()( 多普勒扩散和相干时间多普勒扩散和相干时间 0 t )( t c d c b t 1 )( t 0 )( c s d b c t)( 多普勒扩散和相干时间的关系 tdets tj c 2 h )(h)( 0 * 0hh );(h);(h 2 1 );()( f f ttftfe tft 衰落 n基于频谱特性 平衰落： 信号带宽相干带宽 时延扩散相干带宽 时延扩散符号周期 衰落 基

3、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 n接收电平降低，无法保证正常通信。 n接收波形畸变，产生严重的误码。 n传播延时变化，破坏与时延有关的同步。 n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 n增加衰落储备-减少通信距离、增加发送 功率、选择合适路由； n在移动通信中采用微蜂窝、直放站； n抗衰落信号处理技术：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 n门限接收电平 其中： eb/n0为归一化门限信噪比的实际

4、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。 b b r rktf n e p 0 0 0 增加衰落储备 增加衰落储备 n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（lsa）。如果信 道没有衰落，传播损耗取平均传播损耗。 sa a tr ll g pp 2 2 n如果信道没有衰落 n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

5、收电平必需 大于门限接收电平，才能保证可靠通信。 平均 平均 , 2 2 , sa a tr ll g pp 增加衰落储备 n令平均接收电平和门限接收电平之比值为： rpr,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。 平均, 2 0 0 2 sab b ta llfktf n e pg r 增加衰落储备 衰落的统计特性模型 n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。 n首先要找出来自不同途径的多径信号，这些途径

6、可以是不同的空间、不同的极化、不同的频率、 不同的时间。 n其次要以某种方法进行合并。 n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。 n空间分集：不同天线的接收信号相互独立； n极化分集：水平极化和垂直极化的信号相互独立； n频率分集：不同频率的接收信号相互独立； n时间分集：不同时间的接收信号相互独立。 合并方式合并方式 n选择式合并：选择最好的支路作为输出，其它支 路丢弃。 n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。 n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。 n最大比合并：调整各个支路的相位，使之同相， 然后按照各

7、个支路的信噪比数值进行加权相加。 空间分集 s1(t) s2(t) 相加 相位幅度 控制 检测 分集后的接收信号 s1(t) s2(t) 最大增益合并最小色散合并 时间分集：瑞克接收机 n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。 t 0 t 1 t 1 t 1 t 0 t 2 t 2 t 2 t 0 t3t 3 t3 时延扩展 频率扩展 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 n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

8、误码的影响。 n交织不增加额外开销。 n交织可以保护信源编码中的特殊比特。 n交织与纠错编码同时使用，进一步提高传输质量。 n交织器二种类型：分组交织、卷积交织。 n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 n自适应均衡器：减少码间干扰。 n工作模式：训练模式和跟踪模式。 n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。 n均衡器实现方法 中频均衡器； 基带均衡器。 自适应均衡 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： n均衡器是信道的逆滤波器； n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

9、于线性。均衡器不能抵消平衰 落。 (t)(t)hh(t)g(t) eq 1(f)h(f)hg(f) eq n频域均衡器一般在中频上实现。 n举例：中频幅度倾斜均衡器 幅度倾斜 校正网络 f1 f2 检波检波 差分放大器 中频输入 中频输出 自适应均衡 n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) tt y(n) 自适应均衡 n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 n适用于深度衰落

10、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 n均衡器算法均衡器算法 n迫零算法； n最小均方算法； n递归最小二乘算法； n盲均衡算法 自适应均衡 n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 n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

11、 率点处，会出现很大的噪声增益。 自适应均衡 jkk )(k j )(k j icc 11 n最小均方算法最小均方算法 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 k)(k)(k gcc 11 n递归最小二乘算法递归最小二乘算法 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 ) t ( e ) t

12、 () t () 1t ( ) t ( e ) t () 1t () t ( ypc kcc n盲自适应均衡算法 n目标 自适应均衡 2 2 2 n ryej 4 2 2 ( ) ( ) e a n r e a n 1nn n d wwu w 自适应均衡 自适应均衡 自适应阵列天线技术 n天线阵列结构 线阵 圆阵 面阵 自适应阵列天线技术 n线阵线阵波束形成原理 自适应阵列天线技术 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。 krkr i c tj i c tstsi 1 exp) 1 ()( i tjtsexp)( 自适应阵列天线技术 n自适应算法 最小均方误差算法(mmse) 2 )()()(kdkxewj q h qqw xdxqr wr 1 自适应阵列天线技术 2 1 )()()()( n k q h qq kdkkwj w x q h q h wdx xx 1 自适应阵列天线技术 )