chap4-抗衰落技术课件

第四章抗衰落技术第四章抗衰落技术移动信道中典型的衰落信号移动信道中典型的衰落信号2移动信道中典型的衰落信号2多径传播的信号到达接收机输入端，形成幅度衰落、时延扩展及多普勒频谱扩展，将导致数字信号的高误码率，严重影响通信质量。为了提高系统的抗衰落性能，通信业采用分集技术、均衡技术、信道编码技术来有效地解决这些问题。对抗衰落是无线通信必须认真解决的问题3多径传播的信号到达接收机输入端，形成幅度衰落、时延扩展及多普分集技术RAKE接收信道编码信道均衡4分集技术41．分集技术如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，另一条相对独立的路径中仍可能包含较强的信号，可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号，并以某种方式进行合并，这样对接收机的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高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51．分集技术如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，另1．分集技术分集技术是用来补偿衰落信道损耗的。分散传输：接收端能获得统计独立的、携带同一信息的衰落信号集中处理：接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响

基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。61．分集技术分集技术是用来补偿衰落信道损耗的。6分集技术主要包含两方面如何获得独立的多路信号如何合并独立的多路信号图4-1选择式分集合并示意图7分集技术主要包含两方面图4-1选择式分集合并示意图71．分集技术分类按分集的目的分类宏观分集，抗慢衰落微观分集，抗短期（快）衰落按信号的传输方式分类显分集指的是构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集隐分集：分集作用隐含在传输信号中，在接收端利用信号处理技术实现分集。81．分集技术分类按分集的目的分类8分集技术分类分集技术

显分集隐分集空间分集频率分集时间分集极化分集路径分集场分量分集角度分集宏分集微分集交织编码技术跳频技术直接扩频技术9分集技术分类分集技术显分集隐分集空间分集频率分集时间分集极宏分集宏分集又称为多基站分集，是减少由于阴影效应而引起的大范围的衰落的技术宏分集把多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，选出信号最好的一个基站与移动台进行通信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，这种办法就可以保证通信不中断10宏分集宏分集又称为多基站分集，是减少由于阴影效应而引起的大宏观分集示意图11宏观分集示意图11微分集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。微分集空间分集频率分集极化分集角度分集时间分集路径分集12微分集信号衰落所呈现的独立性是多方面的，如时间、频率、空间空间分集（SpaceDiversity）是利用在空间相隔一定距离的多副天线接收信号来实现分集的接收端天线之间的距离d应足够大，以保证各接收天线接收来自基站的信号的衰落特性是相互独立的。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小。实际工程中：市区：郊区：13空间分集（SpaceDiversity）是利用在空间相空间分集（SpaceDiversity）空间分集示意图对于空间分集而言，分集的支路数M越大，分集的效果越好。但当M较大时（如M>3），分集的复杂性增加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢14空间分集（SpaceDiversity）空间分集示意图对极化分集（PolarizationDiversity）在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交（如水平极化和垂直极化）的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性不过，极化会产生3dB的衰减。因为发射端必须将能量分到两个不同的极化天线

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。

15极化分集（PolarizationDiversity）TXRX1RX2极化分集垂直极化波水平极化波极化分集（PolarizationDiversity）16TXRX1RX2极化分集垂直极化波水平极化波极化分集（Po角度分集（AngleDiversity）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同的方向在接收端，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收到的多径信号是不相关的TXRX1RX217角度分集（AngleDiversity）由于地形地貌和建频率分集（FrequencyDiversity）将待发送的信息分别调制在不同的载波上发送至信道，只要载频之间的间隔足够大，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号根据相关带宽Bc的定义，即例：在城市中800~900MHz频段，典型的时延扩散值为这时有：即要求频率分集的载波间隔大于200KHz频率分集缺点：占用更多的频谱资源18频率分集（FrequencyDiversity）将待发时间分集（TimeDiversity）将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条独立的分集支路19时间分集（TimeDiversity）将给定的信号在分集信号的合并技术接收端收到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。在接收端取得M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20分集信号的合并技术接收端收到M（M≥2）个分集信号后，如何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；αk(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。21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条支路选择式合并选择式合并的原理如图所示。M个接收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信噪比（SNR）的一路信号作为输出只选择其中一个信号，其余信号被抛弃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αk(t)中，只有一个等于1，其余的为0。

22选择式合并选择式合并的原理如图所示。M个接收机的输出信号送最大比值合并M个分集支路经过对载波相位进行调整后（使之同相），按各个支路的信噪比数值进行加权相加，再送入检测器。合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，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，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。

23最大比值合并M个分集支路经过对载波相位进行调整后（使之等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24等增益合并调整各个支路主径的相位，使之同相，然后进行等增平均信噪比的改善选择式合并平均SNR改善因子最大比值合并平均SNR改善因子等增益合并平均SNR改善因子25平均信噪比的改善选择式合并平均SNR改善因子最大比值合并三种合并方式的比较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。26三种合并方式的比较从图中可以看出在三种合并方式中，最大比值合隐分集技术隐分集技术，是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。分集作用是隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术实现分集时间隐分集和频率隐分集27隐分集技术隐分集技术，是指只用一副天线接收信号来实现分集的技1．交织编码技术（时间隐分集）交织编码的目的是把一个较长的突发差错（比特差错成串出现）离散成随机差错（因为目前的信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错时才有效），再用纠正随机差错的编码（前向纠错：FEC）技术消除随机差错。以线性分组码为例，先将k位信息编成具有t位纠错能力的n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【以(7,3为例)】交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。交织编码可纠正一次突发差错的长度为：L<=tM281．交织编码技术（时间隐分集）交织编码的目的是把一个较长的突1．交织编码技术现以分组码（7，3）为例给出交织编码矩阵a11a12a13a14a15a16a17b21b22b23b24b25b26b27

c31c32c33c34c35c36c37mM1mM2mM3mM4mM5mM6mM7行数123M读出写入行为FEC的码字，由k位信息及n-k冗余位组成，行的数目M为交织深度。交织编码的过程是将FEC码字序列按行写入而按列读出，若交织编码输出序列中的差错从a11~mM2，则经过解交织，每一FEC码字中只发生2位差错，当t>=2时即可消除差错291．交织编码技术现以分组码（7，3）为例给出交织编码矩阵行数1．交织编码技术交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。交织编码可纠正一次突发差错的长度为：L<=tM举例：GSM系统在经过信道编码后要进行交织301．交织编码技术交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也2．跳频技术数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗干扰和抗衰落跳频（FrequencyHopping，FH）是指通信使用的载波频率受一组快速变化的PN码（伪随机码）控制而随机地跳变FH实际上是一种复杂的频移键控，是一种用PN码进行多频频移键控的通信方式312．跳频技术数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗干扰和抗衰落2．跳频技术（1）跳频抗多径跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波频率为0，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先有后。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1上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。322．跳频技术（1）跳频抗多径322．跳频技术（2）跳频抗同信道干扰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。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合次数，从而减少同频干扰的影响。332．跳频技术（2）跳频抗同信道干扰332．跳频技术（3）跳频抗衰落跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。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小。342．跳频技术（3）跳频抗衰落34现有的主要分集技术Rake接收机——路径分集智能天线——空间角度分集多天线阵——空间位置分集ARQ重传——时间分集跳频扩频——频率分集(隐分集)直接序列扩频——频率分集(隐分集)交织——时间分集(隐分集)35现有的主要分集技术Rake接收机——路径分集35GSM采用的分集技术在接收上可以分为

频率分集：采用跳频实现

空间分集：在基站侧采用两根以上的天线接收从手机发送过来的信号。

极化分集：在基站侧采用一根极化方式互相垂直的天线接收手机信号。

时间分集：在GSM空中接口物理层通过交织实现。36GSM采用的分集技术在接收上可以分为

频率分集：采用跳频实现分集技术RAKE接收信道编码信道均衡37分集技术37RAKE接收所谓RAKE接收，就是利用多个并行的相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利，即利用多径现象来增强信号。CDMA系统采用RAKE接收38RAKE接收所谓RAKE接收，就是利用多个并行的相关器检测多RAKE接收机组成及原理

39RAKE接收机组成及原理39RAKE接收机组成及原理

在高通公司提出的CDMA系统中，基站接收机N=4，移动台接收机N=340RAKE接收机组成及原理在高通公司提出的CDMA系统中，基站基带数据实际接收机框图(移动台)混频搜索接收机相关接收机相关接收机相关接收机控制器分集合并fLIF搜索接收机对来自基站导频信号的多径分量扫描，找出3个最强多径分量及对应的PN码延时Δ1、Δ2、Δ3送控制器。控制器产生相应延时的PN码送相关接收机，去解调这3个最强的多径分量，实现多径分集。41基带数据实际接收机框图(移动台)混频搜索相关相关相关控分集技术RAKE接收信道编码信道均衡42分集技术42信道编码概述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。作用差错控制（信道编码也称差错控制编码）43信道编码概述基本思想43信道编码概述传统的信道编码通常分成两大类即分组码和卷积码

分组码中,每组码附加若干位监督码元,监督码元仅监督本码组中的信息码元；卷积码中，监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且与前若干组的信息码元有关。上世纪90年代出现Turbo码把调制和编码看作是一个整体来考虑的网格编码调制TCM（Trelliscodedmodulation）44信道编码概述传统的信道编码通常分成两大类即分组码和卷积码4分组码的基本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量a=(a1,a2,….ak),它通过一个线性变换，输出一个长度等于n的码字C。式中G为k×n的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。长度等于k的输入矢量有2k个，因此编码得到的码字也是2k个。这个码字的集合称作线性分组码，即(n,k)分组码。45分组码的基本描述二进制分组码编码器的输入是一个长度为在分组码中，任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最小距离，表为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力（检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的抗干扰能力就越强。理论分析表明：①（n,k）线性分组码能纠正t个错误的充分必要条件是或分组码的基本描述46在分组码中，任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最小距离②（n,k）线性分组码能发现接收码字中e个错误的充分必要条件是③（n,k）线性分组码能纠正t个错误并能发现e（e>t）个错误的充分必要条件是译码器根据编码规则和信道特性，对所接收到的码字进行判决，这一过程就是译码。分组码的基本描述47②（n,k）线性分组码能发现接收码字中e个错误的充分差错控制编码的效用假设在信道中发送“0”和“1”时的错误概论相等，都等于P，且P<<1，则在码长为n的码组中恰好发生r个错误的概率为例如，当n=7，P=10-3时，有：由上知，即使只能纠正或检测1～2个错误，也可以使误码率P下降几个数量级，事实上，常用的差错控制编码大多也只能纠正或检测码组中1～2个错误48差错控制编码的效用假设在信道中发送“0”和“1”时的错误概论常用的检错码奇偶校验码CRC码49常用的检错码奇偶校验码49卷积编码技术分组码的码字是逐组产生的，即编码器每接收一组k个信息比特就输出一个长度等于n的码字。编码器所添加的n-k个冗余仅和这k个信息比特有关，和其他信息分组无关，所以编码器是无记忆的卷积码也是分组的，但它的监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且还与前若干组的信息码元有关。这种码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。50卷积编码技术分组码的码字是逐组产生的，即编码器每接收一组k个卷积码编码器

卷积码编码器对输入的数据流每次1比特或k比特进行编码，输出分支码字的每个码元的冗余位不仅和此时刻输入的k个信息有关，也和前N-1个连续时刻输入的信息元有关。通常卷积码表示为（n，k，N）。编码率r=k/n。通常将N称为约束长度51卷积码编码器卷积码编码器对输入的数据流每次1比特或k比特进卷积编码技术如图为(3，1，4)卷积码编码器，它由三个移位寄存器组成，约束长度决定移位寄存器数码。图(3,1)卷积码编码器该卷积码的监督方程52卷积编码技术如图为(3，1，4)卷积码编码器，它由三个移位寄卷积码编码器的实例方框图(n,k,N)=（3,1,4）123b3b1输入b2编码输出c2c1c353卷积码编码器的实例方框图(n,k,每当输入1比特时，此编码器输出3比特c1c2c354每当输入1比特时，此编码器输出3比特c1c2c354b11101000b3b200011110011000c1c2c3111110010100001011000状态abdcbca

卷积码编码器的实例方框图55b11101000b3b200011110011000c1cTurbo码