chap4-抗衰落技术课件.ppt

1、2移动信道中典型的衰落信号 移动信道中典型的衰落信号 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对抗衰落是无线通信必须认真解决的问题4 分集技术 RAKE接收 信道编码 信道均衡51分集技术分集技术 如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰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落，另一条相对独立的路径中仍可能包含较强的信号

2、，可以在多径信号中选择两个或两个以的信号，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（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降低信号电平起伏的办法61分集技术分集技术 分集技术是用来分集技术是用来补偿衰落信道损耗补偿衰落信道损耗的。的。 分散传输分散传输：接收端能获得统计独立的、携带：接收端能获得统计独立的、携带同一

3、信息的衰落信号同一信息的衰落信号 集中处理集中处理：接收端把收到的多个统计独立的：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基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。技术。7 分集技术主要包含两方面分集技术主要包含两方面n如何获得独立的多路信号如何获得独立的多路信号n如何合并独立的多路信号如何合并独立的多路信号图图4-1 选择式分集合并示意图选择式分集合并示意图 81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

4、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。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10宏分集宏分集 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11宏观分集示意图12微分集 信号衰落所呈现

5、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13 空间分集（空间分集（Space Diversity） 是利用在空间相隔一定距离的多副天线接收信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号来实现分集的 接收端天线之间的距离接收端天线之间的距离d d应足够大，以保证应足够大，以保证各各接收天线接收来自基站的信号的衰落特性是接收天线接收来自基站的信号的衰落特性是相相互独立互独立的的。 在移动通信中，空间的间距越大，多径传播的在移动通信中，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

6、。差异就越大，所收场强的相关性就越小。0.5d0.5d0.8d14空间分集（Space Diversity） 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，分集的效越大，分集的效果越好。但当果越好。但当M较大时（如较大时（如M 3），分集的复杂性增），分集的复杂性增加，分集增益的增加随着加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢的增大而变得缓慢15 极化分集（Polarization Diversity） 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

7、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。 16TXRX1RX2垂直极化波水平极化波 极化分集（Polarization Diversity） 17 角度分集（Angle Diversity） 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TXRX1RX218 频率分集（Frequency Diversity） 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

8、宽Bc的定义，即f1cfBt5ts12 0 0cfBkH zt21cB19 时间分集（Time Diversity ） 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20分集信号的合并技术 接收端收到M（M2）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21分集的合并方式及性能 11221( )( )( )( )( )( )( )( )( )MMMkkkf tt f tt ftt ftt ft 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

9、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。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，其余信号被抛弃只选择其中一个信号，其余信号被抛弃在所接收的多路在所接收的多路信号中，合并器信号中，合并器选择信噪比最高选择信噪比最高的一路输出，这的一路输出，这相当于在相当于在M个系个系数数k( (t) )中，只有中，只有一个等于一个等于1 1，其，其

10、余的为余的为0 0。 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。 24 等增益合并 调整各个支路主径的相位，使之同相，然后进行等增益相加25 平均信噪比的改善11()MskD Mk()RDMM()1 (1)4EDMM 26三种合并方式的比较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

11、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。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281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

12、)】 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=2时即可消除差错301交织编码技术 交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。交织编码可纠正一次突发差错的长度为： L t）个错误的充分必要条件是 min1dte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”时的错误概论相等，都等于P，且P1，则在码长为n的码组中恰好发生r个错误的概率为!( )(1)!()!rrn rrnnnPrC PPPr nr37257387(1)77 10(2)212.

13、1 10(3)353.5 10PPPPPP49常用的检错码常用的检错码 奇偶校验码 CRC码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。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

14、息元有关。通常卷积码表示为（n，k，N）。编码率r=k/n。通常将通常将N称为约束长度称为约束长度52卷积编码技术 如图为(3，1，4)卷积码编码器，它由三个移位寄存器组成，约束长度决定移位寄存器数码。113212jjjjjjjjpmmmpmmm图 (3,1)卷积码编码器该卷积码的监督方程53 卷积码编码器的实例方框图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c2c1c354 每当输入每当输入1比特时，此编码器输出比特时，此编码器输出3比特比特c1c2c3321331211bbbcbbcbc55b11101000b3b200011110011

15、000c1c2 c3111110010100001011000状态状态abdcbca 卷积码编码器的实例方框图卷积码编码器的实例方框图56TurboTurbo码码 传统的编码（分组、卷积码）在实际的应用中都存在一传统的编码（分组、卷积码）在实际的应用中都存在一个困难，就是为了达到信道容量的理论极限，对分组码需个困难，就是为了达到信道容量的理论极限，对分组码需要增加码字的长度要增加码字的长度n n 这导致了译码困难这导致了译码困难 卷积码需要增加约束长度卷积码需要增加约束长度 TurboTurbo码就是在这种情况下提出的，基本思想是将一些简码就是在这种情况下提出的，基本思想是将一些简单的编码合成

16、复杂的编码，译码过程也可以分为许多较易单的编码合成复杂的编码，译码过程也可以分为许多较易实现的步骤来完成实现的步骤来完成57TurboTurbo码码 输入的数据比特流直接输入到编码器输入的数据比特流直接输入到编码器1 1，同时也把这数据流，同时也把这数据流经过交织器重新排列次序后输入到编码经过交织器重新排列次序后输入到编码2 2。由这两组编码器。由这两组编码器产生的奇偶校验比特，连同输入的信息比特组成产生的奇偶校验比特，连同输入的信息比特组成TurboTurbo码编码编码器的输出。其编码率为码器的输出。其编码率为1/31/3。 58一般采用一般采用递归卷积码编码器递归卷积码编码器RSCRSC，

17、结构如图，结构如图4.274.27Turbo码码编码器编码器传输函数可以表示为传输函数可以表示为233()1()1Y DDDDB DDD59表示了信息序列和校验序列的约束关系：表示了信息序列和校验序列的约束关系： 233(1) ()(1) ()DDDB DDD Y D在时域信息比特和校验比特的关系就是：在时域信息比特和校验比特的关系就是： 123130iiiiiiibbbbyyy这就是奇偶校验式，由于这就是奇偶校验式，由于RSCRSC比一般的非递归卷比一般的非递归卷积码有更大的自由距离（卷积码的约束长度），积码有更大的自由距离（卷积码的约束长度），因此有更大的抗干扰能力，误比特率更低。因此有更

18、大的抗干扰能力，误比特率更低。Turbo码码60 分集技术 RAKE接收 信道编码 信道均衡61信道均衡技术信道均衡技术 均衡就是均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰，即通过即通过均衡器消除时间对信道的选择性（对幅度和均衡器消除时间对信道的选择性（对幅度和延迟进行补偿）延迟进行补偿） 均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生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（的码间干扰（ISIISI） 可分为可分为时域均衡时域均衡和和频域均衡频域均衡两种。两种。频域均衡指的是频域均衡指的是总的传输函数满足无失真传输的条件总的传输函数满足无失真传输的条件，即即校正幅度特性和群时延特性校正幅度特性和群时延特性。时域均衡是使时域均衡是使总冲击响应满足无码间干扰的条件总冲击响应满足无码间干扰的条件数字通信多采用时域均衡，而模拟通信则多采用频域均数字通信多采用时域均衡，而模拟通信则多采用频域均衡衡 62