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1、通信信号处理摘要： 在这通信信号处理这门课程中，老师给我们讲解了通信系统中的一些基本知识和一些关键技术，比如多输入多输出（MIMO，multiple-input multiple-output）、正交频分复用（OFDM，orthogonal frequency division multiplexing）以及比特交织编码调制（BICM，bit-interleaved coded modulation）等技术。这篇文章的主要内容就是对本课程内容的总结以及自己的理解。一、基本知识1.多径衰落 （1）概念在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌和海况等诸多因素的影响，使接收机收到经折射
2、、反射和直射等几条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。这些不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性，导致接收信号呈衰落状态；这些电磁波射线到达的时延不同，又导致码间干扰。若多射线强度较大，且时延差不能忽略，则会产生误码，这种误码靠增加发射功率是不能消除的，而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落，它也是产生码间干扰的根源。对于数字通信、雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响。（2） 分类主要可以分为两种,频率选择性衰落和频率非选择性衰落（平坦型衰落）。如果各条路径传输时延差别较大，传输波形的频谱较宽（或数字信号传输速率较高），则信道对传输信号中不同频率分量强度和相位的影响各不相同。此时，接收
3、点合成信号不仅强度不稳定而且产生波形失真，数字信号在时间上有所展宽，这就可能千万前后码元的波形重叠，出现码间（符号间）干扰。这种衰落称为频率选择性衰落，有时也简称选择性衰落。如果各条路径传输时延差别不大，而传输波形的频谱较窄（数字信号传输速率较低），则信道对信号传输频带内各频率分量强度和相位的影响基本相同。此时，接收点的合成信号只有强度的随机变化，而波形失真很小。这种衰落称为一致性衰落，或称平坦型衰落。瑞利信道（包络的一维统计特性服从瑞利分布）就是典型的平坦型衰落信道。（3） 防范措施衰落作为一种乘性干扰，严重影响着通信系统的性能，因此必须采取相应的措施加以克服。比较有效的抗衰落措施有：分集接
4、收，就是将在接收端分散接收到的几个衰落情况不同（相互统计独立）的合成信号，再以一定的方式将它们合并集中，使总接收信号的信噪比得到改善，衰落的影响减小。这是一种历史较久、应用较广的克服衰落影响的有效方法。可用的分集方式有：空间分集、频率分集，角度分集、极化分集、时间分集等。信号设计，所谓信号设计就是针对信道的情况，设计具有较强抗衰落能力的信号，并在发端收端采用相应的调制和检测技术。如采用多进制信号 、时频相调制技术以及时频调制信号、伪噪声编码（伪随机编码）等扩频通信技术。自适应通信技术，主要自适应均衡技术，就是根据信道对信号的影响，调整接收机参数，以抵消上述影响。例如，在数字微波通信中等容量的系
5、统中，常 以频域自适应均衡器对信道的频率特性进行补偿。在大容量系统中，除采用频域均衡器外，还采用了对波形进行补偿的时域自适应均衡器，效果显著。2.RAKE接收机（1） 概念RAKE接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径无线电信号，通信受到多径衰落的影响。RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。由于该接收机中横向滤波器具有类似于锯齿状的抽头，就像耙子一样，故称该接收机为RAKE接收机。（2） 原理在CDMA扩频系统中，
6、信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。由于信道中快速衰落和噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很
7、大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。基于连续导频信号，使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法LPF是一个低通滤波器，滤除信道估计结果中的噪声，其带宽一般要高于信道的衰落率。使用间断导频时，在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计，采用判决反馈技术时，先硬判决出信道中的数据符号，在已判决结果作为先验信息（类似导频）进行完整的信道估计，通过低通滤波得到比较好的信道估计结果，这种方法的缺点是由于非线性和
8、非因果预测技术，使噪声比较大的时候，信道估计的准确度大大降低，而且还引入了较大的解码延迟。延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/41/2码片，而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中，如果延迟估计的更新速度很快（比如几十ms一次），就可以无须迟早门的锁相环。延迟估计的主要部件是匹配滤波器，匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关，取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时，其相关能力
9、最大，在滤波器输出端有一个最大值。根据相关能量，延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。从实现的角度而言，RAKE接收机的处理包括码片级和符号级，码片级的处理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器。符号级的处理包括信道估计，相位旋转和合并相加。码片级的处理一般用ASIC器件实现，而符号级的处理用DSP实现。移动台和基站间的RAKE接收机的实现方法和功能尽管有所不同，但其原理是完全一样的。对于多个接收天线分集接收而言，多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理，RAKE接收机既可以接收来自同一天线的多径，也可以接收来自不同天线的多径，从RAKE接收的角度来看，两种分集并没有本质的不同。但是，在实现
10、上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了基带处理的复杂度。3.分集（1） 概念根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落，但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。（2） 原理分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传
11、输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。集技术包括2个方面：一是分散传输,使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是集中处理,即把接收机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。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。（3） 分类空间
12、分集空间分集，又被称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式，它既可以用于移动台，也可以用于基站，或者同时应用于两者。空间分集基于这样一个事实：在移动台端，如果天线间的相隔距离等于或者大于半个波长，或者在基站端分集天线间的相隔距离大于一定值(通常是几十个波长)，那么不同的分集天线上收到的信号包络将基本上是不相关的。空间分集按接收方法可以分为4类：反馈或扫描分集、选择分集、等增益分集及最大比率合并，分集增益依次增加。极化分集极化分集基于水平极化和垂直极化路径不相关这一特性。在传输信道的反射过程中，不同极化方向的反射系数不同，这使得信号的幅度和相位的变化产生差异，在经过足够多次的反射后，不同极化
13、方向上的信号就变成相互独立或者接近相互独立。频率分集频率分集是在多个载频上传送信号，它基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现相同的衰落的原理，理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积。频率分集的缺点是不仅需要备用带宽，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机，所以一般应用在特殊业务中。时间分集时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。协作分集协作分集是无线网络中的多个拥有独立无线的无线节点协作实现空间分集的方法。其最基本的思想是在无线接收端将直传信号（来自源节点）以及中继信号(来自中继节点)
14、均作为有用信号以合并解码进而提升无线网络的通信性能（信道容量，可靠性等）。与通常方法相比，协作分集方法将中继信号视作有用信号，而非干扰信号。协作分集的最简单场景包含一个源节点，一个中继节点以及一个目标节点，两两节点可以互相通信。在协作分集方法中，目标节点将收到并合并来自源节点的直传信号以及来自中继节点的中继信号。中继节点发送的中继信号亦来自源节点，但在转发之前需要进行处理。协作分集的中继策略指中继节点对来自源节点信号的处理和转发方式。最基本的中继策略有放大转发，解码转发以及压缩转发等。多用户分集多用户分集是一种提高MIMO系统容量的新方法，但与传统MIMO方案不同，它是将所有发送和接收看作一个
15、整体来处理，不是消除信道之间的衰落而是利用信道衰落特性，即信道的随机波动性来获得增益。实现多用户增益的途径则是公平调度。在实践中，用户数量，发送天线数，接收天线数，资源调度方法，功率分配方案，空间分集和多用户分集的联合方式等对多用户分集系统的容量有着不同程度的影响，唯有充分理解不同技术的本质才能更好地利用各自的优势，最大限度地增加系统的容量。二、关键技术1.MIMO（1） 概念MIMO 表示多输入多输出。在第四代移动通信技术标准中被广泛采用，例如IEEE 802.16e (Wimax)，长期演进(LTE)。在新一代无线局域网(WLAN)标准中，通常用于 IEEE 802.11n，但也可以用于其
16、他 802.11 技术。MIMO 有时被称作空间分集，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点（移动设备）或接入点（AP）支持 MIMO 时才能部署 MIMO。MIMO 技术的应用，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖范围。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF（zero-forcing，迫零）算法、MMSE（minimum mean square error，最小均方差）算法、ML（maximum likelihood，最大似然）算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的
