跳频抗衰落技术6

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1、2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所1第6章 抗衰落技术2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所26.1 概述?由于多径衰落和多普勒频移的影响，移 动无线信道是典型的時变信道。?与AWGN信道相比，移动无线信道在失 真和衰落方面对信号造成的损害明显要 大得多。?移动通信系统需要利用抗衰落技术来改 进恶劣的无线电传播环境中的链路性 能。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所3?移动信道属于时变信道，接收信号的功 率可以表示为?对所产生的损耗，主要靠增大发射功 率，以提高接收信号的场强来解决。?由所造成的接收信号功率的波动，通 常借助“宏分集”来解决。?无线传输所面临

2、的最大问题是信道的时 变多径衰落R(r)。2( )( )( )nP rrS rRr=nr( )S r2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所4?克服多径衰落主要用“微分集”来解决，这也是 人们通常所说的分集技术。分集技术是用来补 偿衰落信道损耗的，它通常要通过两个或更多 的接收天线来实现。?抗多径衰落还常用均衡技术和差错控制编码技 术。均衡可以补偿时分信道中由于多径效应而 产生的码间干扰（ISI）。信道编码是通过在发 送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的 性能的。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所5?均衡、分集和信道编码这三种技术都被 用于改进无线链路的性能，也就是希

3、望 减小瞬时误码率。?这三种技术在用来改进接收信号质量 时，既可单独使用，也可组合使用。但 是在实际的无线通信系统中，每种技术 在实现方法、所需费用和实现效率等方 面具有很大的不同。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所66.2 分集技术?一、分集的概念一、分集的概念?分集技术（Diversity Techniques）利用 同一信号的多个副本来改善系统的性能?多条副本信号传输相同信息、具有近似 相等的平均信号强度和相互独立衰落特 性，在接收端对这些信号进行适当的合 并（Combining），以便大大降低多径衰 落的影响，从而改善传输的可靠性。2006-6-17西安电子科技大学信息科

4、学研究所7?分集的概念可以简单解释如下：如果一 条无线传播路径中的信号经历了深度衰 落，而另一条相对独立的路径中可能仍 包含着较强的信号。?在多个副本信号中选择两个或两个以上 的信号，这样的好处是它对于接收端的 瞬时信噪比和平均信噪比都有提高，并 且通常可以提高20 dB到30 dB。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所8分集技术原理示意图?2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所9二、分集的基本类型（1）空间分集（Space Diversity）?空间分集，也被称为天线分集，是无线通信 中使用最多的分集形式。?空间分集的原理如图所示2006-6-17西安电子科技大学信息科

5、学研究所10空间分集示意图2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所11?发射端采用一副发射天线，接收端采用 多副接收天线。接收端天线之间的间隔 应足够大，以保证各接收天线输出信号 的衰落特性是相互独立的相互独立的。?如果天线间的相隔距离等于或大于半波 长，那么从不同的天线上收到的信号包 络将基本上是非相关的。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所12（2）频率分集（Frequency Diversity）?频率分集方式在多于一个载频上传送信号，将 要传输的信息分别以不同的载频发射出去。?这项技术是基于在信道相干带宽之外的频率上 不会出现同样的衰落。只要载频之间的间隔足 够大（

6、大于相干带宽大于相干带宽），那么在接收端就可以 得到衰落特性不相关的衰落特性不相关的信号。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所13（3）时间分集（Time Diversity）?对于一个随机衰落的信号来说，若对其振幅进 行顺序取样，那么在时间上间隔足够远（大于 相干时间大于 相干时间）的两个样点是互不相关的，这就给 我们提供了实现分集的另一种方法。?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。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所14（4）极化分集（Polarization Diversity）?极化

7、分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路 只有两路，但是要求两路信号的极化方向是正交的。?在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交的 天线发出的信号呈现出不相关衰落特性。?在发射端同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化 天线，在接收端同一位置也分别装上垂直极化天线和 水平极化天线，就可得到两路衰落特性不相关信号。?优点是结构比较紧凑，节省空间，缺点是由于发射功 率分配到两副天线上，信号功率将有3 dB的损失。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所15（5）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

8、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。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所16三、 合并技术?合并技术通常是应用 在空间分集中的。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 术来得到分集增益。 根据在接收端使用合 并技术的位置不同， 可以分为检测前 （Predetection）合 并技术和检测后 （Postdetection）合 并技术2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所17（1）选择式合并2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所18?这种分集有M个接收机进行支路的解调，

9、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基带信噪比 （SNR）的基带信号作为输出。?选择式合并的平均输出信噪比为?每增加一条分集支路，它对输出信噪比 的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。11MS kk=2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所202最大比合并?M个分集支路经过相位调整，保证各路信号在叠加时 是同相位的（不同于选择分集）。然后按适当的增益 系数同相相加（检测前合并），再送入检测器。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所21?M路信号进行加权的权重是由各路信号所对应 的信号电压与噪声功率的比值所决定的。?合并后信号的包络为?当时，合并后的信噪比达到

10、最大。合 并后的输出为?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。1Mii i =2 ii=2 2 22 111MM i i ii=2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所22?最大比合并后的平均输出信噪比为?合并增益为?在所有已知的线性分集合并方法中，这 种方法的抗衰落统计特性是最佳的。=M MGM2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所23（3）等增益合并?在某些情况下，按最大比率合并的需要 适时改变是比较困难的，通常希望它 为常量，因而出现了等增益合并。?这种方法也是把各支路信号进行同相后 再相加，只不过加权时各路的权重相 等。i1i

11、=2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所24?合并后的平均输出信噪比为?合并增益为?当M较大时，等增益合并仅比最大比合并 差1.05 dB。性能只比最大比合并差一 些，但比选择分集要好很多。1(1)4= +2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所25?对于最大比合并和等增益合并，可以采用图示 的电路来实现同相相加。(a) 采用可变相移器的同相调整电路(b) 使用可变频率本地振荡器的同相调整电路2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所26（4）开关式合并?开关式合并与选择合并非常相似，但是 它不是总采用M个支路中信号最好的支 路，而是以一个固定顺序扫描M个支路， 直到发

12、现某一支路的信号超过了预置的 阈值，然后这路信号将被选中并送至接 收机。一旦这路信号降低至阈值之下， 那么扫描过程将重新开始。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所27检测前二重开关式合并框图2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所28?该分集方式也称为扫描式分集（Scanning Diversity） 或者反馈分集，该方式的优点是仅使用一套接收设 备，非常易于实现。与其他方法相比较，它的抗衰落 统计特性稍差一些。?在监视接收信号的瞬时包络，当支路1的瞬时包络低于 预定门限时，将天线开关置到支路2上。若此时支路2 的瞬时包络也低于预定门限时，有两种处理方法：?第一种：天线开关

13、在支路1和支路2之间循环切换，直到一个 支路的包络大于预先设定的门限；?第二种：天线开关停留在支路2上，直到支路2大于预定门限 后，再次低于预定门限时，天线开关再转到支路1上。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所29?上述第二种方法避免了在两个支路都低于预定 门限时，频繁的开关倒换。它是实际中通常采 用的方法。此时二重开关式合并后输出信号的 包络如图。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所30带反馈的空间分集?与切换接收天线相类似，可以通过切换发射 天线的方法来获得合并增益，这种方法称为 带反馈的空间分集。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所31一、交织的基本

14、原理?交织是一种时间隐分集技术时间隐分集技术，可以在不附加开 销的情况下，获得分集的好处。?交织器交织器的作用是将源比特分散到不同的时间段将源比特分散到不同的时间段 中，以便在出现深衰落或突发干扰时，来自源 比特中某些最重要的码位不会被同时扰乱重要的码位不会被同时扰乱。?源比特被分开后，还可以利用差错控制编码利用差错控制编码来 减弱信道干扰对源比特的影响。?交织必须和信道纠错编码同时使用。交织器在 信道编码之前打乱了源比特的时间顺序，在接 收端解交织后，分散了遭受衰落的成窜比特解交织后，分散了遭受衰落的成窜比特， 再经纠错译码，可以纠正更多的错误比特。2006-6-17西安电子科技大学信息科学

15、研究所32?交织器中最常用的结构是分组结构。?这种交织器把待编码的mn个数据位放入 一个m行n列的矩阵中，即每次是对mn个 数据位进行交织。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所33?数据位被按列填入按列填入，而在发送时却是按 行读出按 行读出的，或者按行写入，按列读出按行写入，按列读出， 这样就产生了对原始数据位以m个比特 为周期进行分隔进行分隔的效果。在接收机端的 解交织操作则是与此相反进行的。?因为接收机在收到了mn位并进行解交 织以后才能解码，所以所有的交织器都 带有一个固有延时固有延时。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所34二、GSM系统的交织?不同的业务、信

16、道和传输类型，纠错编 码和交织也有所不同。以全速率话音业 务信道为例，说明问题。?（1）纠错编码?（2）交织 a）语音块内交织 b）不同语音块间交织2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所35三、TD-SCDMA的交织?（1） 第一次交织?第一次交织是对无线帧尺寸均衡后的数 据流进行的。?将数据位写入一个m行n列的矩阵?列间置换?数据读出2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所36列间置换图案TTI 列数 TTI 列数 CI 列间置换图案 列间置换图案 10 ms 1 20 ms 2 40 ms 4 80 ms 8 2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所37(2)第二次交织?第二次交织在物理帧分割后进行，一般 有两种方案：基于帧和基于时隙的。前 者是对编码组合传输信道（CCTrCH）映 射的无线帧上的所有数据比特进行的。 后者则对映射到每一时隙的数据比特进 行。具体采用哪种方案由高层指示。2006-6-17西安电子科技大学信息科学研究所38第2交织器列间置换