《抗衰落技术总汇》PPT课件

1、第第4章章 抗衰落技术抗衰落技术 第第4章章 抗衰落技术抗衰落技术 l4.1 抗衰落技术概述抗衰落技术概述 l4.2 分集接收技术分集接收技术 l*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 4.1 抗衰落技术概述抗衰落技术概述 l在移动通信系统中，移动台常常工作在城在移动通信系统中，移动台常常工作在城 市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且 移动的速度和方向是任意的。移动的速度和方向是任意的。 l发送的信号经过反射、散射等传播路径后，发送的信号经过反射、散射等传播路径后， 到达接收端的信号往往是多个幅度和相位到达接收端的信号往往是多个幅度和相位 各不相同的信号的叠加，

2、使接收到的信号各不相同的信号的叠加，使接收到的信号 幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落，幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落， 如图如图4-1所示。所示。 4.1 抗衰落技术概述抗衰落技术概述 图图4-1 移动信道中典型的衰落信号移动信道中典型的衰落信号 4.1 抗衰落技术概述抗衰落技术概述 l在移动通信信道中，除了多径衰落还有阴在移动通信信道中，除了多径衰落还有阴 影衰落。影衰落。 l气象条件等的变化也都影响信号的传播，气象条件等的变化也都影响信号的传播， 使接收到的信号的幅度和相位发生变化。使接收到的信号的幅度和相位发生变化。 1分集技术分集技术 l分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它分集技

3、术是用来补偿衰落信道损耗的，它 通常要通过两个或更多的接收天线来实现。通常要通过两个或更多的接收天线来实现。 l基站和移动台的接收机都可以应用分集技基站和移动台的接收机都可以应用分集技 术。术。 l分集技术有多种，主要可分为两大类：显分集技术有多种，主要可分为两大类：显 分集和隐分集。分集和隐分集。 2均衡技术均衡技术 l均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效 应而产生的码间干扰（应而产生的码间干扰（ISI）。）。 3信道编码信道编码 l信道编码是通过在发送信息时加入冗余的信道编码是通过在发送信息时加入冗余的 数据位来改善通信链路的性能。数据位来改善通信链路的

4、性能。 4.2 分集接收技术分集接收技术 l4.2.1 分集技术的基本概念及方法分集技术的基本概念及方法 l4.2.2 分集信号的合并技术分集信号的合并技术 l4.2.3 分集系统的性能分集系统的性能 l*4.2.4 RAKE接收机接收机 l*4.2.5 隐分集技术隐分集技术 4.2.1 分集技术的基本概念及方法分集技术的基本概念及方法 l分集技术（分集技术（Diversity Techniques）就是）就是 研究如何利用多径信号来改善系统的性能。研究如何利用多径信号来改善系统的性能。 l分集技术利用多条传输相同信息且具有近分集技术利用多条传输相同信息且具有近 似相等的平均信号强度和相互独立

5、衰落特似相等的平均信号强度和相互独立衰落特 性的信号路径，并在接收端对这些信号进性的信号路径，并在接收端对这些信号进 行适当的合并（行适当的合并（Combining），以便大大），以便大大 降低多径衰落的影响，从而改善传输的可降低多径衰落的影响，从而改善传输的可 靠性。靠性。 1空间分集（空间分集（Space Diversity） l发射端采用一副发射天线，接收端采用多发射端采用一副发射天线，接收端采用多 副天线。副天线。 l接收端天线之间的距离接收端天线之间的距离d应足够大，以保证应足够大，以保证 各接收天线输出信号的衰落特性是相互独各接收天线输出信号的衰落特性是相互独 立的。立的。 1空间

6、分集（空间分集（Space Diversity） l在移动通信中，空间的间距越大，多径传在移动通信中，空间的间距越大，多径传 播的差异就越大，所收场强的相关性就越播的差异就越大，所收场强的相关性就越 小。小。 l为获得相同的相关系数，基站两分集天线为获得相同的相关系数，基站两分集天线 之间垂直距离应大于水平距离。之间垂直距离应大于水平距离。 1空间分集（空间分集（Space Diversity） 图图4-2 空间分集示意图空间分集示意图 1空间分集（空间分集（Space Diversity） l对于空间分集而言，分集的支路数对于空间分集而言，分集的支路数M越大，越大， 分集的效果越好。但当分集

7、的效果越好。但当M较大时（如较大时（如M 3），分集的复杂性增加，分集增益的增），分集的复杂性增加，分集增益的增 加随着加随着M的增大而变得缓慢。的增大而变得缓慢。 2极化分集（极化分集（Polarization Diversity） l在移动环境下，两个在同一地点极化方向在移动环境下，两个在同一地点极化方向 相互正交的天线发出的信号呈现出不相关相互正交的天线发出的信号呈现出不相关 衰落特性。衰落特性。 l极化分集实际上是空间分集的特殊情况，极化分集实际上是空间分集的特殊情况， 其分集支路只有两路。其分集支路只有两路。 3角度分集（角度分集（Angle Diversity） l由于地形地貌和建

8、筑物等环境的不同，到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达接收端的不同路径的信号可能来自于不 同的方向。同的方向。 l在接收端，采用方向性天线，分别指向不在接收端，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。收到的多径信号是不相关的。 4频率分集（频率分集（Frequency Diversity） l将要传输的信息分别以不同的载频发射出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

9、得到衰落干带宽），那么在接收端就可以得到衰落 特性不相关的信号。特性不相关的信号。 l频率分集的优点是与空间分集相比，减少频率分集的优点是与空间分集相比，减少 了天线的数目。但缺点是要占用更多的频了天线的数目。但缺点是要占用更多的频 谱资源，在发射端需要多部发射机。谱资源，在发射端需要多部发射机。 5时间分集（时间分集（Time Diversity l将给定的信号在时间上相差一定的间隔重将给定的信号在时间上相差一定的间隔重 复传输复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，次，只要时间间隔大于相干时间， 就可以得到就可以得到M条独立的分集支路。条独立的分集支路。 l由于相干时间与移动台运动速度成反比

10、，由于相干时间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。基本上是没有用处的。 4.2.2 分集信号的合并技术分集信号的合并技术 l接收端收到接收端收到M（M2）个分集信号后，如何）个分集信号后，如何 利用这些信号以减小衰落的影响，这就是利用这些信号以减小衰落的影响，这就是 合并问题。合并问题。 l在接收端取得在接收端取得M条相互独立的支路信号以后，条相互独立的支路信号以后， 可以通过合并技术得到分集增益。可以通过合并技术得到分集增益。 4.2.2 分集信号的合并技术分集信号的合并技术 l根据在接收端使用合并技术的位置

11、不同，根据在接收端使用合并技术的位置不同， 可以分为检测前（可以分为检测前（Predetection）合并技）合并技 术和检测后（术和检测后（Postdetection）合并技术，）合并技术， 如图如图4-3所示。这两种技术都得到了广泛的所示。这两种技术都得到了广泛的 应用应用 4.2.2 分集信号的合并技术分集信号的合并技术 图图4-3 空间分集的合并空间分集的合并 4.2.2 分集信号的合并技术分集信号的合并技术 l对于具体的合并技术来说，通常有对于具体的合并技术来说，通常有4类：选类：选 择式合并（择式合并（Selective Combining）、最大）、最大 比合并（比合并（Maxi

12、mum Ratio Combing）、）、 等增益合并（等增益合并（Equal Gain Combining）和）和 开关式合并（开关式合并（Switching Combining）。）。 1选择式合并选择式合并 l选择式合并的原理如图选择式合并的原理如图4-4所示。所示。M个接收个接收 机的输出信号送入选择逻辑，选择逻辑从机的输出信号送入选择逻辑，选择逻辑从M 个接收信号中选择具有最高基带信噪比个接收信号中选择具有最高基带信噪比 （SNR）的基带信号作为输出。）的基带信号作为输出。 1选择式合并选择式合并 图图4-4 选择式合并的原理选择式合并的原理 1选择式合并选择式合并 l令令为每个支路

13、的平均信噪比，则可以证明：为每个支路的平均信噪比，则可以证明： 选择式合并的平均输出信噪比为选择式合并的平均输出信噪比为 s = 1 1 M k k = （4-1） 1选择式合并选择式合并 l式（式（4-1）中，下标）中，下标s表示选择式合并。该表示选择式合并。该 式表明每增加一条分集支路，它对输出信式表明每增加一条分集支路，它对输出信 噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。 其合并增益为其合并增益为 （4-2） s s 1 1 M k G k = = 1选择式合并选择式合并 图图4-5 分集合并后的平均信噪比改善程度分集合并后的平均信噪比改善程度 1选择式合

14、并选择式合并 l如果使用检测前合并方式，则选择在天线如果使用检测前合并方式，则选择在天线 输出端进行，从输出端进行，从M个天线输出中选择一个最个天线输出中选择一个最 好的信号，再经过一部接收机就可以得到好的信号，再经过一部接收机就可以得到 合并后的基带信号。合并后的基带信号。 2最大比合并最大比合并 lM个分集支路经过相位调整后，按适当的增个分集支路经过相位调整后，按适当的增 益系数同相相加（检测前合并），再送入益系数同相相加（检测前合并），再送入 检测器，如图检测器，如图4-6所示所示 。 2最大比合并最大比合并 图图4-6 最大比合并的原理最大比合并的原理 2最大比合并最大比合并 l合并后

15、信号的包络为合并后信号的包络为 = （4-3） l式中，式中，ri为第为第i条支路的信号振幅；条支路的信号振幅；ai为第为第i 条支路的增益系数。条支路的增益系数。 1 M i i i a r = 2最大比合并最大比合并 l设每个支路的噪声功率为设每个支路的噪声功率为2，则可以证明：，则可以证明： 当当ai = 时，合并后的信噪比达到最大，时，合并后的信噪比达到最大， 合并后输出为合并后输出为 2 i r s = 2 22 11 1 MM i ii ii T rr ss = = 邋 （4-4） 2最大比合并最大比合并 l从上式可以看出，合并后信号的振幅与各从上式可以看出，合并后信号的振幅与各

16、支路信噪比相联系，信噪比愈大的支路对支路信噪比相联系，信噪比愈大的支路对 合并后的信号贡献愈大。在具体实现时，合并后的信号贡献愈大。在具体实现时， 需要实时测量出每个支路的信噪比，以便需要实时测量出每个支路的信噪比，以便 及时对增益系数进行调整。及时对增益系数进行调整。 2最大比合并最大比合并 l最大比合并后的平均输出信噪比为最大比合并后的平均输出信噪比为 l式中，下标式中，下标M表示最大比合并。合并增益为表示最大比合并。合并增益为 l由上式可以看出与由上式可以看出与M成线性关系，其结果如成线性关系，其结果如 图图4-5所示。所示。 M =M （4-5） 3等增益合并等增益合并 l在最大比合并

17、中，实时改变在最大比合并中，实时改变ai是比较困难的，是比较困难的， 通常希望通常希望ai为常量，取为常量，取ai = 1就是等增益合就是等增益合 并。等增益合并后的平均输出信噪比为并。等增益合并后的平均输出信噪比为 l式中，下标式中，下标E表示等增益合并。合并增益为表示等增益合并。合并增益为 = 1(1) 4 M 轾 犏 +- 犏 臌 （4-7） = E 1(1) 4 M =+- （4-8） 3等增益合并等增益合并 l其结果如图其结果如图4-5所示。所示。 l从图中可以看出，当从图中可以看出，当M较大时，等增益合并较大时，等增益合并 仅比最大比合并差仅比最大比合并差 1.05dB。 l对于最

18、大比合并和等增益合并，可以采用对于最大比合并和等增益合并，可以采用 图图4-7所示的电路来实现同相相加。所示的电路来实现同相相加。 l另外还可以在发射信号中插入导频的方式，另外还可以在发射信号中插入导频的方式， 在接收端通过提取导频的相位信息来实现在接收端通过提取导频的相位信息来实现 同相相加。同相相加。 3等增益合并等增益合并 图图4-7 同相调整电路同相调整电路 4开关式合并开关式合并 图图4-8 开关式合并示意图开关式合并示意图 4开关式合并开关式合并 图图4-9 开关式合并的输出包络开关式合并的输出包络 4开关式合并开关式合并 图图4-10 切换发射天线的开关式合并切换发射天线的开关式

19、合并 4.2.3 分集系统的性能分集系统的性能 l分集接收之后，误码率将会得到改善，图分集接收之后，误码率将会得到改善，图 4-11所示的是速率的所示的是速率的16kbit/s的的 GMSK(BbTb = 0.25)信号的实验结果。信号的实验结果。 4.2.3 分集系统的性能分集系统的性能 图图4-11 瑞利衰落中瑞利衰落中GMSK有无分集时误码性有无分集时误码性 能能 4.2.4 RAKE接收机接收机 l1RAKE接收机的定义接收机的定义 l由于在多径信号中包含有可以利用的信息，由于在多径信号中包含有可以利用的信息， 所以，所以，CDMA接收机可以通过合并多径信接收机可以通过合并多径信 号来

20、改善信号的信噪比。号来改善信号的信噪比。 lRAKE接收机就是通过多个相关检测器接收接收机就是通过多个相关检测器接收 多径信号中的各路信号，并把它们合并起多径信号中的各路信号，并把它们合并起 来。来。 lCDMA系统中的系统中的RAKE接收机如图接收机如图4-12所示。所示。 1RAKE接收机的定义接收机的定义 图图4-12 RAKE接收原理实现框图接收原理实现框图 1RAKE接收机的定义接收机的定义 lRAKE接收机利用相关检测器检测出多径信接收机利用相关检测器检测出多径信 号中最强的号中最强的M个支路信号，然后对每个个支路信号，然后对每个 RAKE支路的输出进行加权合并，以提供优支路的输出

21、进行加权合并，以提供优 于单支路信号的接收信噪比，然后再在此于单支路信号的接收信噪比，然后再在此 基础上进行判决。基础上进行判决。 2RAKE接收机的支路的合并技术接收机的支路的合并技术 l根据在接收端使用合并技术的位置不同，根据在接收端使用合并技术的位置不同， 可以分为检测前合并技术和检测后合并技可以分为检测前合并技术和检测后合并技 术。术。 2RAKE接收机的支路的合并技术接收机的支路的合并技术 图图4-13 空间分集的合并空间分集的合并 3RAKE接收的工程实现接收的工程实现 l（1）IS-95中基站中基站RAKE接收的总体实现方接收的总体实现方 案案 3RAKE接收的工程实现接收的工程

22、实现 图图4-14 IS-95中基站中基站RAKE接收总体框图接收总体框图 3RAKE接收的工程实现接收的工程实现 l（2）搜索器结构与搜索策略）搜索器结构与搜索策略 3RAKE接收的工程实现接收的工程实现 图图4-15 分集路径合并原理框图分集路径合并原理框图 3RAKE接收的工程实现接收的工程实现 l（3）搜索器的三种工作状态）搜索器的三种工作状态 l 初始搜索。初始搜索。 l 解调中的搜索。解调中的搜索。 l 更换切换搜索。更换切换搜索。 3RAKE接收的工程实现接收的工程实现 l（4）IS-95中移动台中移动台RAKE接收接收 l 上面介绍的基站上面介绍的基站RAKE是属于上行（反是属

23、于上行（反 向）信道，上行信道是向）信道，上行信道是“多点对一点多点对一点”的的 通信链路，基站用它接收多个用户信号。通信链路，基站用它接收多个用户信号。 l 移动台移动台RAKE接收则是属于下行（前向）接收则是属于下行（前向） 信道，下行信道是信道，下行信道是“一点对多点一点对多点”的通信的通信 链路，多个用户利用它接收来自同一基站链路，多个用户利用它接收来自同一基站 的信号。的信号。 *4.2.5 隐分集技术隐分集技术 l隐分集技术，是指只用一副天线接收信号隐分集技术，是指只用一副天线接收信号 来实现分集的技术。来实现分集的技术。 l分集作用是隐含在传输信号的方式中，而分集作用是隐含在传输

24、信号的方式中，而 在接收端利用信号处理技术实现分集。在接收端利用信号处理技术实现分集。 1交织编码技术交织编码技术 l交织编码的目的是把一个较长的突发差错交织编码的目的是把一个较长的突发差错 离散成随机差错，再用纠正随机差错的编离散成随机差错，再用纠正随机差错的编 码（码（FEC）技术消除随机差错。）技术消除随机差错。 l以线性分组码为例，先将以线性分组码为例，先将k位信息编成具有位信息编成具有 t位纠错能力的位纠错能力的n位码字的分组码位码字的分组码(n，k，t)， 再将其编码码字序列构成交织编码矩阵。再将其编码码字序列构成交织编码矩阵。 2跳频技术跳频技术 l数字移动通信中采用跳频技术抗多

25、径、抗数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗 干扰和抗衰落。干扰和抗衰落。 2跳频技术跳频技术 l（1）跳频抗多径）跳频抗多径 l跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波 频率为频率为 0，当存在多径传播环境时，因多，当存在多径传播环境时，因多 径延迟的不同，信号到达接收端的时间有径延迟的不同，信号到达接收端的时间有 先有后。先有后。 l若接收机在收到最先到达的信号之后立即若接收机在收到最先到达的信号之后立即 将载波频率跳变到另一频率将载波频率跳变到另一频率 1上，则可避上，则可避 开由于多径延迟对接收信号的干扰。开由于多径延迟对接收信号的干扰。 2跳频技术跳频技

26、术 l目前在数字蜂窝移动通信中采用跳频技术目前在数字蜂窝移动通信中采用跳频技术 的目的主要在于抗干扰和抗衰落。的目的主要在于抗干扰和抗衰落。 2跳频技术跳频技术 l（2）跳频抗同信道干扰）跳频抗同信道干扰 l采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，采用跳频图案的正交性组成正交跳频网， 可以避免频率复用引起的同频干扰。可以避免频率复用引起的同频干扰。 l利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使 同频干扰离散化，亦即减少同频干扰的重同频干扰离散化，亦即减少同频干扰的重 合次数，从而减少同频干扰的影响。合次数，从而减少同频干扰的影响。 2跳频技术跳频技术 l（3）跳频抗衰

27、落）跳频抗衰落 l跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。 l跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔 大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留 时间内的信号相互独立。换句话说，在不时间内的信号相互独立。换句话说，在不 同的载波频率上同时发生衰落的可能性很同的载波频率上同时发生衰落的可能性很 小。小。 3直接序列扩频技术直接序列扩频技术 l（1）直接序列扩频抗多径的原理是：当发）直接序列扩频抗多径的原理是：当发 送的直接序列扩频信号的码片（送的直接序列扩频信号的码片（chip）宽）宽 度度Tc小于或等于最小

28、多径时延差时，接收小于或等于最小多径时延差时，接收 端利用直扩信号的自相关特性进行相关解端利用直扩信号的自相关特性进行相关解 扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗 多径的能力。多径的能力。 3直接序列扩频技术直接序列扩频技术 l（2）直接序列扩频抗干扰）直接序列扩频抗干扰 l直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外部干扰直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外部干扰 的原理，也是利用直扩信号的自相关特性，的原理，也是利用直扩信号的自相关特性， 经相关接收和窄带通滤波后，将有用信号经相关接收和窄带通滤波后，将有用信号 检测出来，而那些窄带干扰和多址干扰都检测出来，而那些窄带干扰和

29、多址干扰都 处理为背景噪声。其抗干扰的能力可用直处理为背景噪声。其抗干扰的能力可用直 接序列扩频处理增益来表征。接序列扩频处理增益来表征。 3直接序列扩频技术直接序列扩频技术 l（3）直接序列扩频抗衰落）直接序列扩频抗衰落 l直接序列扩频抗衰落是指抗频率选择性衰直接序列扩频抗衰落是指抗频率选择性衰 落。落。 3直接序列扩频技术直接序列扩频技术 图图4-16 慢跳频分散深衰落影响的示意图慢跳频分散深衰落影响的示意图 *4.3 均衡基本概念均衡基本概念 l均衡有两个基本途径。均衡有两个基本途径。 l一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整 个系统的总传输函数满足无失真传输的条个系统的总传输函数满足无失真传输的条 件。件。 l第二个均衡途径为时域均衡，就是直接从第二个均衡途径为时域均衡，就是直接从 时间性响应考虑，使包括均衡器在内的整时间性响应考虑，使包括均衡器在内的整 个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。 *4.3 均衡基本概念均衡基本概念 l现在面临的是时变时间序列的自适应处理现在面临的是时变时间序列的自适应处理 和分析的问题。和分析的问题。 l要求自适应均衡器需具有三个特点：快速要求自适应均衡器需具有三个特点：快速 初始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和初始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和