第三章无线通信基本技术抗衰落技术课件.ppt

1、1第三章第三章 无线通信基本技术无线通信基本技术抗摔落技术抗摔落技术2第三章第三章 无线通信基本技术无线通信基本技术抗摔落技术抗摔落技术n1 概述概述n2 分集技术分集技术n3 均衡技术均衡技术n4 Rake 接收技术接收技术 3多径传播的影响：多径传播的影响：n无线传播环境复杂，无线传播信道中存在各种反射无线传播环境复杂，无线传播信道中存在各种反射体，多径传播现象普遍存在。体，多径传播现象普遍存在。n从时域看，多径传播导致时间色散，产生基带符号从时域看，多径传播导致时间色散，产生基带符号间的干扰。间的干扰。n从频率域看，多径传播导致频率选择性衰落，使基从频率域看，多径传播导致频率选择性衰落，

2、使基带符号失真。带符号失真。1 概述概述1 概述概述发射机、接收机、空间反射体之间相对运动的影响：发射机、接收机、空间反射体之间相对运动的影响：n导致接收载波发生多普勒频移，从而移动通信系统中导致接收载波发生多普勒频移，从而移动通信系统中存在频率色散和时间选择性衰落。存在频率色散和时间选择性衰落。n现代移动通信系统具有非常高的数据传输速率，符号现代移动通信系统具有非常高的数据传输速率，符号的持续时间较小，时间选择性衰落不明显。的持续时间较小，时间选择性衰落不明显。n现代移动通信系统现代移动通信系统信道带宽信道带宽较大，相对运动导致的频较大，相对运动导致的频率色散和时间选择性衰落影响较小。率色散

3、和时间选择性衰落影响较小。1 概述概述n多径传播和相对运动同时存在，无线链路具有时变的多径传播和相对运动同时存在，无线链路具有时变的多径传播特性，这种特性严重影响通信系统的性能和多径传播特性，这种特性严重影响通信系统的性能和通信的效果。通信的效果。n导致接收信号严重失真和深度衰落，误码率大大增加。导致接收信号严重失真和深度衰落，误码率大大增加。n需要应用信号处理技术改善无线链路性能。需要应用信号处理技术改善无线链路性能。n均衡、分集、信道编码三种技术，可以用来改进接收均衡、分集、信道编码三种技术，可以用来改进接收信号质量和链路性能信号质量和链路性能6均衡技术一般用横向滤波技术实现，用以补均衡技

4、术一般用横向滤波技术实现，用以补偿无线信道的幅度和时延特性，从而减轻时偿无线信道的幅度和时延特性，从而减轻时间色散导致的符号间干扰间色散导致的符号间干扰ISI。分集采用通常的多路接收与处理的方法，用分集采用通常的多路接收与处理的方法，用来减小在平坦衰落信道上接收信号的衰落深来减小在平坦衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。度和衰落的持续时间。信道编码则是利用合适的算法达到纠错的目信道编码则是利用合适的算法达到纠错的目的，改善无线信道传输误码率。包括纠错编的，改善无线信道传输误码率。包括纠错编码、卷及编码、交织编码等。码、卷及编码、交织编码等。2 分集技术分集技术n基本思想：基本思想：把

5、接收到的多个衰落独立的信号分别加以处把接收到的多个衰落独立的信号分别加以处理，理，然后以适当的方式将处理后的信号合并输出然后以适当的方式将处理后的信号合并输出，从而达到改善接受信号质量的目的。，从而达到改善接受信号质量的目的。n分集通常用来减小在平坦衰落信道上接收信分集通常用来减小在平坦衰落信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。号的衰落深度和衰落的持续时间。2 分集技术分集技术选择式分集合并效果图解选择式分集合并效果图解9无线信号的衰落主要包括阴影衰落和多径衰落两无线信号的衰落主要包括阴影衰落和多径衰落两种。针对这两种不同的衰落，常用的分集技术可以种。针对这两种不同的衰落，常用的分集技术可

6、以分为宏分集和微分集。分为宏分集和微分集。宏分集用位于不同地点的多个接收机和发射机进宏分集用位于不同地点的多个接收机和发射机进行处理，也称为行处理，也称为“多基站多基站”分集。分集。宏分集用于消除阴影衰落。宏分集用于消除阴影衰落。微分集是只用一个接收机实现，微分集是只用一个接收机实现，微分集用于抗多径衰落。微分集用于抗多径衰落。2 分集技术分集技术宏分集宏分集11分集技术对信号的处理包含两个过程：分集技术对信号的处理包含两个过程：n首先是分散传输，使接收端能获得多个统计首先是分散传输，使接收端能获得多个统计独立携带同一信息的衰落信号；独立携带同一信息的衰落信号；n然后对它们进行集中处理使信噪比

7、得到改善，然后对它们进行集中处理使信噪比得到改善，即接收机把收到的多个统计独立的信号进行即接收机把收到的多个统计独立的信号进行合并以降低衰落影响，这就是合并以降低衰落影响，这就是合并合并技术。技术。2 分集技术分集技术2 分集技术分集技术n空间分集（天线分集）空间分集（天线分集）n频率分集频率分集n时间分集时间分集n角度分集角度分集n极化分集极化分集空间分集（天线分集）空间分集（天线分集）空间分集原理空间分集原理空间分集空间分集u采用一副发射天线，接收端采用多副接收天线。采用一副发射天线，接收端采用多副接收天线。u接收天线之间的距离接收天线之间的距离d应足够大，以保证各接收天线应足够大，以保证

8、各接收天线接收信号衰落特性是相互独立。接收信号衰落特性是相互独立。u一般接收天线间距离一般接收天线间距离d/2可保证各支路接收信号独立可保证各支路接收信号独立。分集支路数越多，分集效果越好，分集支路数越多，分集效果越好，当当M较大时，分集增益随着较大时，分集增益随着M的增大而变得缓慢的增大而变得缓慢。一般取一般取N=24。空间分集的代价是需要额外的天线。空间分集的代价是需要额外的天线。频率分集频率分集n将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，载频之将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，载频之间的间隔大于相干带宽时，接收端就可以得到衰落特间的间隔大于相干带宽时，接收端就可以得到衰落特性不相关的

9、信号。性不相关的信号。n要求用两部以上、频率间隔大于相干带宽的发射机同要求用两部以上、频率间隔大于相干带宽的发射机同时发送同一信号，并用两部以上的独立接收机接收信时发送同一信号，并用两部以上的独立接收机接收信号。号。n方法的优点：与空间分集相比，减少了天线的数目。方法的优点：与空间分集相比，减少了天线的数目。n缺点：要占用更多的频谱资源，有可能在发端需要多缺点：要占用更多的频谱资源，有可能在发端需要多部发射机。部发射机。时间分集时间分集n对于一个随机衰落信号，如果取样时间间隔大于信道的对于一个随机衰落信号，如果取样时间间隔大于信道的相干时间，两个样点间的衰落互相独立。相干时间，两个样点间的衰落

10、互相独立。n时间分集将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传时间分集将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条条独立的分集支路。独立的分集支路。n时间分集的代价是引入了信号处理时延，要占用更多的时间分集的代价是引入了信号处理时延，要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。时隙资源，从而降低了传输效率。n在在GSM通信系统中，信道编码之后所进行的交织处理通信系统中，信道编码之后所进行的交织处理就是时间分集技术的具体应用。就是时间分集技术的具体应用。角度分集角度分集n角度分集的原理是由于地形、地物、电波传播环境

11、的不角度分集的原理是由于地形、地物、电波传播环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自不同的方位同，到达接收端的不同路径的信号可能来自不同的方位角度，这些信号分量具有互相独立的衰落特性。角度，这些信号分量具有互相独立的衰落特性。n角度分集采用的方法，是接收端利用多个方向性尖锐的角度分集采用的方法，是接收端利用多个方向性尖锐的接收天线，分别指向不同的方向进行接收。接收天线，分别指向不同的方向进行接收。n角度分集是空间分集的变化形式的一种。角度分集是空间分集的变化形式的一种。极化分集极化分集n两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以具两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以具有独立的衰落特性有

12、独立的衰落特性n极化分集是空间分集的另一变化形式。极化分集是空间分集的另一变化形式。n所采用的方法是发送端和接收端可以用两个位置所采用的方法是发送端和接收端可以用两个位置很近但不同极化的天线分别发送和接收信号，以很近但不同极化的天线分别发送和接收信号，以此获得分集效果。此获得分集效果。极化分集极化分集n根据电磁波的基本传播机制，水平和垂直极化的多根据电磁波的基本传播机制，水平和垂直极化的多径分量传播特性是不同的。径分量传播特性是不同的。n由于反射过程与极化方式有关，即使发射天线只发由于反射过程与极化方式有关，即使发射天线只发射单一极化的信号，信道传播特性的影响也会导致射单一极化的信号，信道传播

13、特性的影响也会导致去极化，从而接收机可以接收到两种极化方式不同去极化，从而接收机可以接收到两种极化方式不同的信号。的信号。n使用双极化的天线接收两个极化方式的信号，分别使用双极化的天线接收两个极化方式的信号，分别进行信号处理后再合并，即可实现极化分集。进行信号处理后再合并，即可实现极化分集。n考虑到在基站一端实现空间分集的难度和成本都较考虑到在基站一端实现空间分集的难度和成本都较高，在基站一端使用极化分会更容易。高，在基站一端使用极化分会更容易。n集极化分集也可以实现多重分集。集极化分集也可以实现多重分集。分集合并分集合并n在接收端取得在接收端取得M条相互独条相互独立的支路信号以后，可以立的支

14、路信号以后，可以通过合并技术将多路信号通过合并技术将多路信号合并成一路。合并成一路。n根据在接收端使用合并技根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为术的位置不同，可以分为检测前合并和检测后合并检测前合并和检测后合并。检测前合并检测前合并检测后合并检测后合并分集合并分集合并n合并器输出电压合并器输出电压1 12 21()()()()()MM Mk kkr ta r ta r ta rta r t第第M路输出的加权系数路输出的加权系数u不同的加权系数，就可以构成不同的合并方式。不同的加权系数，就可以构成不同的合并方式。u合并技术通常有合并技术通常有三种方式三种方式：选择式合并：所选支路加权系数

15、为选择式合并：所选支路加权系数为1 1，其余为，其余为0 0。最大比值合并：支路其安全系数为最大比值合并：支路其安全系数为ak=rk/Nk。等比值合并：所有支路加权系数均为等比值合并：所有支路加权系数均为1 1。分集合并分集合并n三种合并方式中，三种合并方式中，n最大比值合并性能最好，但其实现比较复杂。最大比值合并性能最好，但其实现比较复杂。n选择式合并实现最简单，但其性能也最差。选择式合并实现最简单，但其性能也最差。n等增益合并实现起来难度适中，其性能接近最大等增益合并实现起来难度适中，其性能接近最大比值合并，是比较常用的一种合并方式。比值合并，是比较常用的一种合并方式。3 均衡技术均衡技术

16、n均衡技术可以有效地解决码间干扰均衡技术可以有效地解决码间干扰n实现均衡的单元称为均衡器，也可以认为均衡实现均衡的单元称为均衡器，也可以认为均衡器是信道传播特性的逆滤波器。器是信道传播特性的逆滤波器。n由于信道衰落具有随机性和时变性，要求均衡由于信道衰落具有随机性和时变性，要求均衡器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性性。n具有跟踪移动通信信道的时变特性具有跟踪移动通信信道的时变特性能力的能力的均衡均衡器称为自适应均衡器。器称为自适应均衡器。使用均衡器的通信系统的结构框图使用均衡器的通信系统的结构框图4 Rake 接收技术接收技术 nRAKE接收接收

17、技术主要是适合于直接序列扩频通信系统的技术主要是适合于直接序列扩频通信系统的接收信号处理技术接收信号处理技术，可以实现多径分集。是微分集方式可以实现多径分集。是微分集方式的一种的一种路径分集。路径分集。nRAKE接收技术应用于接收技术应用于 CDMA系统。系统。nCDMA接收机通过合并多径信号来改善接收信号的信噪接收机通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。比。n通过多个相关检测器获取多径信号中的各路信号，并把通过多个相关检测器获取多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。它们合并在一起。n当当多径多径时延时延差差超过一个码片周期时，多径信号可以看成超过一个码片周期时，多径信号可以看成是不相关的。是不相关的。Rake接收机原理图接收机原理图n本节结束本节结束