移动通信3抗衰落技术II培训资料

《移动通信3抗衰落技术II培训资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动通信3抗衰落技术II培训资料（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、移动通信,智能信息处理实验室 逸夫科学馆114 87114702 ,余 荣,补充参考书,移动通信基础 电子工业出版社 杨家玮 盛敏 等 移动通信原理与应用 北京邮电大学出版社 啜钢 王文博 等 图书馆有以上两本书！,几种合并方式性能比较,抗衰落技术,分集接收技术 信道编码技术 均衡技术 扩频技术,信道编码,简介 分组码 卷积码 Turbo码,信道编码简介,传统的信道编码通常分成两大类即分组码和卷积码 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（Trellis coded modulation）,分组码,分组码的基本描述 分组码的例子 分组码在移动通信的

2、应用例子,分组码的基本描述,二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 kn 的矩阵，称作生成矩阵；Rc=k/n 称作编码效率；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。对一个分组码的生成矩阵 G，也存在一个(n-k)n 矩阵 H 满足,H 称作校验矩阵，它也满足,任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最小距离，表示为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。

3、 理论分析表明： （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, （n, k）线性分组码能发现接收码字中 l 个错误的充分必要条件是, （n, k）线性分组码能纠正t个错误并能发现 l（l 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，对所接收到的码字行判决，这一过程就是译码。设发送的码字为 C，接收到的码字 R=C+e,其中 e 为错误图样，它指示码字中错误码元的位置。当没有错误时，e 为全零矢量。定义接收码字 R 的伴随式（或校验子）为,分组码的基本描述,如果S=O,则R是一个码字；若S,O, 则传输一定有错。,由于,可见伴随式仅与错误图样有关

4、，与发送的具体码字无关；(n , k)线性码对接收码字的译码步骤如下： 计算伴随式 ST=HRT; 根据伴随式捡出错误图样e；, 计算发送码字的估值,；,分组码的基本描述,分组码的例子,1. 汉明码 汉明码是最早（1950s）出现的纠一个错误的线性码。其主要参数如下： 码长：n=2m-1; 信息位数：k=2m-m-1;,监督位数：n-k=m,最小距离：dmin=3;,2. 循环码 （n , k）线性分组码的每个码字经过任意循环移位后仍然是一个分组码的码字 循环码的编码步骤为： 计算xn-km(x)； 计算xn-km(x)/g(x),得余式r(x)； 得到码字多项式 C(x)= xn-km(x)

5、+ r(x)； 循环码特别适合误码检测，用于误码检测的循环码称作循环冗余校验码 CRC (Cyclic Redundancy Check),分组码的例子,分组码在移动通信中的应用,1.在CDMA蜂窝移动通信的系统中，前向链路和反向链路在信道中消息是以帧的形式来传送的。例如，下图是全速率（9.6kb/s）前向业务信道的帧结构。,这是一个（n, k）= (172+12,172) = (184,172) 分组码。其生成多项式为：,2. 在GSM系统中话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中都使用了CRC 码。例如话音编码采用“规则脉冲激励长期预测编码”(RPE-LTP)。它以20ms为一帧，共260

6、 bit,即速率为13kbit/s。,分组码在移动通信中的应用,卷积码,卷积码编码器 状态图 (State Diagram) 网格图（Trellis Diagam） 维特比（A.J.Viterbit）译码的基本原理 卷积码的自由距离 卷积码在蜂窝移动通信系统的应用,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比特行编码，输出分支码字的每个码元不仅和此时刻输入的k个信息有关，也和前m个连续时刻输入的信息元有关。通常卷积码表示为（n，k，m）。编码率r=k/n。 下图是一个简单的卷积码编码器的例子，其中n=2,m=3,所以是(2,1,3)编码。,编码器只有一个输入序列a，它经过两条不同的

7、路径到达输出端，对应两个长度K=4的响应序列,即,对任意的输入序列a, 对应两个输出的序列分别是a 与 g(1)、g(2)的离散卷积：,卷积码编码器,还可以用生成多项式来行表述，它定义为沖激响应的单位时延变换。对应第i条路径的生成多项式定义为,例如对上图的编码器有,相应的第 i 条路径输出序列多项式则等于,卷积码编码器,状态图(State Diagram),编码过程可以用状态图来表示，它描述了编码器每输入一个信息元时，编码器各可能状态以及伴随状态的转移所产生的分支码字。,上图是一个（2,1,2）卷积码编码器。它的状态图为,图中小圆内的数字表示状态，连接小圆的箭头表示状态转移的方向，用连线的格式

8、表示状态转移的条件（输入的信息比特）：若输入信息比特为1，连线为虚线；若为0则实线。连线旁的两位数字表示相应输出分支码字。,状态图(State Diagram),网格图（Trellis Diagam）,网格图实际就是在时间轴上展开编码器在各时刻的状态图。下图给出了一个典型的用网格图描述编码的过程。,网格图中的首尾相连的连线构成了一条路径，对应着某个输入序列的编码输出序列。,维特比译码的基本原理,维特比（A.J.Viterbit）译码是基于最大似然法则的最重要的卷积码译码方法。 采用逐步比较，就是把接收序列的第 j 个分支码字和网格图上相应的两个时刻 tj 和 tj1 之间的各支路作比较； 计算

9、和记录它们的汉明距，同时把它们分别累加到 tj 时刻之前的各支路累加的汉明距上 比较累加结果并行选择，保留汉明距离最小的一条路径，其余的被删除 所以 tj1时刻入每个节点的路径只有一条，且均为幸存支路。 这一过程直到接收序列的分支码字全部处理完毕，具有最小汉明距的路径即判决为发送序列。,发送的编码序列为,设接收序列为,其中有下画线的表示误码。下图(a)-(g)描述了利用网格图对发送序列的搜索过程。在搜索过程中若入同一节点两支路的累加汉明距相等，可以随意删除一个，这不影响其后支路汉明距的累加。,维特比译码的基本原理,维特比译码的基本原理,图(c),维特比译码的基本原理,图(d),维特比译码的基本

10、原理,图(e),维特比译码的基本原理,图(g),维特比译码的基本原理,比较输入输出序列结果，译码是正确的。,图(f),维特比译码的基本原理,卷积码的自由距离,根据分组码理论，码字最多可以纠正个错误的个数t由最小距离dmin确定,在卷积码中， dmin用被称为自由最小距离df 取代。当且仅当df2t时，卷积码才能纠正t 个误码。 对给定n, k, m, 编码器可以有不同的结构（连接方式），但卷积码应被设计成具有最大的自由距离的“好”的卷积码。下表列出一部分常用码。,卷积码的自由距离,卷积码在移动通信中的应用,在GSM系统中卷积码得到广泛的应用 在全速率业务信道和控制信道就采用了（2,1,4）卷积

11、编码。其连接矢量为G1=(10011)(23), G2=(11011)(33）。 半速率数据信道则采用了r=1/3, K=5的 (3,1,4) 卷积编码，其连接矢量为G1=(11011) (33); G2=(10101)(25); G3=(11111)(37)。,卷积码在移动通信中的应用,卷积码在CDMA/IS-95系统也得到广泛应用 在前向(下行)和反向(上行)信道，系统都使用了约束长度K=9的编码器。其中前向信道编码率r=1/2，连接矢量为, G1=(111101011)(753)；G2=(101110001) (561)，自由距离为df=12。 反向信道编码率为r=1/3，编码器的连接矢

12、量为G1=(101101111) (557); G2=(110110011)(663); G3=(111001001)(711)。自由距离df=18。 由于反向信道编码自由距离大于正向信道的自由距离，因此反向信道有更强的抗噪声干扰能力。,Turbo码,输入的数据比特流直接输入到编码器1，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2。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Turbo码编码器的输出；其编码率为1/3。,一般采用递归卷积码编码器RSC，结构如下图。,传输函数可以表示为,Turbo码编码器,表示了信息序列和校验序列的约束关系：,在时域信息比特和校验比特的关系就

13、是,由于RSC比一般的非递归卷积码有更大的自由距离，因此有更大的抗干扰能力，误比特率更低。,Turbo码编码器,交织器,此交织器是一个伪随机交织器。在要发射的信息中加入了随机特性，作用类似于香农的随机码。它使得两个编码器的输入互不相关，编码近于独立。由于译码需要交织后信息比特位置信息，所以交织是伪随机的。,Turbo码译码器,图中，b为带噪声的系统比特，Z1、Z2是两个带噪声的奇偶校验比特。 Turbo码译采用后验概率译码APP。两个译码器均采用BCJR算法。根据BCJR算法，第一个译码器对系统比特xj产生软估计，用对数似然比表示,设K个信息比特是统计独立的，则译码器1输出的总的对数似然比就为

14、,因此，生成的系统比特对应的外部信息是,同理，译码器2生成的外部信息为,当两个译码器的结果收敛到一定程度后判决输出,式中的符号函数判决是对每个比特 行的。,Turbo码译码器,均衡技术,基本原理 非线性均衡器 自适应均衡器,基本原理,码间干扰和横向滤波器 评价均衡器的性能的准则 均衡器系数的计算,码间干扰,在数字传输系统中，一个无码间干扰的理想传输系统，在没有噪声干扰的情况下其沖激响应h(t)应当具有如下左图的波形。,由于实际信道传输特性并非理想，响应的波形失真是不可避免的，如右图的hd(t)，信号的抽样沖激在多个抽样时刻不为零。这就造成了码间干扰。因此采用信道均衡技术克服这种影响。,横向滤波

15、器,在信道特性给定的情况下，对均衡器传输函数的要求是,其中H(z)是信道的传输函数。最基本的均衡器结构就是横向滤波器。它的结构如下图所示。,对给的的输入X(z)，适当的设计均衡器的系数，就可以对输入序列均衡。,评价均衡器的性能的准则,设均衡前后的抽样值序列分别为xn和yn。 1. 峰值畸变准则,2均方畸变准则,或,对支路数为有限值2N+1的横向均衡器，式中yn 为,调整均衡器系数ck使D，L有最小值，同时使y01。,均衡器系数的计算,1使D最小的均衡器系数ck的求解 若在均衡前系统峰值畸变（称初始畸变）D0满足,则D(ck)的最小值必定发生在使y0前后的yn=0（|n|N ,n0)的情况。根据

16、已知的xn，令,利用式利用上节yn的求解公式建立一个2N+1个方程求解这2N+1个系数。这种算法便称作迫零算法。,2使L最小的均衡器系数ck的求解,L的最小值必定发生在偏导数为零处 ，求解得,式中,为均衡器输入序列xn相隔k-i个样值序列间的相关系数。对给定的输入序列xn，按上式求解2N+1个联立方程便可以求得均衡器的各系数。,均衡器系数的计算,非线性均衡器,线性均衡器一般用在信道失真不大的场合。要使均衡器在失真严重的信道上有比较好的抗噪声性能，可以采用非线性均衡器。例如：,1. 判决反馈均衡器DFE(Decision Feedback Equalization) 2. 最大似然估计均衡器MLSE(Mamum Likelihood Sequence Estimation Equalizer),判决反馈均衡器DFE,判决反馈均衡器的结构如下图所示。它由两个横向滤波器(前馈滤波器FFF，反馈滤波器FBF)和一个判决器构成。,判决器的输入，等于：,式中cn是前馈滤波器的N+1个支路的加权系数；bi是后向滤波器的M个支路的加权系数。zm就是当前判决器