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1、第四章,雷霞 通信抗干扰技术国家级重点实验室,移 动 通 信,抗衰落和链路性能增强技术,主要内容,4.1概述,4.2分集技术,4.3信道编码,4.4均衡技术,4.5扩频通信,4.6多天线和空时编码,4.6链路自适应技术,3,4.1 概述,移动信道三大效应形成衰落： 阴影效应 多径效应 多谱勒效应 多径衰落的基本特征相干时间相干带宽,4,4.1 概述,抗衰落三大措施： 分集(Diversity) 均衡(Equalization) 信道编码(Channel Coding),主要内容,4.1概述,4.2分集技术,4.3信道编码,4.4均衡技术,4.5扩频通信,4.6多天线和空时编码,4.6链路自适应
2、技术,6,分集原理 各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率降低 分集概念： 多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并,两条路径同时出现深衰落的概率降低,7,4.2.2 微观分集的类型,分集目标： 对抗移动信道造成的各种衰落和码间串扰 分集本质： 对同一信号在不同时间、频率、空间方向的过采样 分集的技术难点： 如何得到多路信号？ 如何合并多路信号？,8,4.2.2 微观分集的类型,1，空间分集 多天线分集 发射分集 接收分集 获取空间分集的条件 多次路径间距离 空间相关距离,MIMO (Multiple-Input Multiple-Output ,多入多出 ),9,1. 空间分集 角度分集
3、利用天线波束方向使信号不相关 极化分集 水平极化和垂直极化波相关性极小 2. 频率分集 传输信息以不同的频率进行传输 传输之间的频率间距 相干带宽 3. 时间分集 传输信息在不同的时刻重复传输 信号重发时间间隔相干时间,4.2.2 微观分集的类型,10,例：工作频段为800900MHz，典型的时延扩展值为 5us，多普勒扩展为10Hz，采用重传获取分集增益问能获取频率分集的载频间隔；能获取时间分集的重传时间间隔为获取频率分集，两次重传的载波间隔应大于200KHz 为获取时间分集，两次重传的时间间隔应大于0.1s,11,分集合并技术： 利用多个分集信号来减少 衰落影响并获得增益的技术 最大比合并
4、（maximum ratio combining） 所有分支依据信 噪比（SNR）进行加权 相干合并,12,最大比合并M路合并信号的包络正弦信号的瞬时功率合并输出的噪声总功率为合并器输出的信噪比,13,最大比合并由许瓦兹不等式上式在满足右式时取等号因此，当 对输出的合路信噪比进行整理各支路具有相同的平均信噪比合并增益， GM=M,14,最大比合并 假设信号包络服从瑞利分布，可以得到合并后输出信噪比的概率密度函数 得到其小于给定值得概率举例中断概率固定为1e-3 ，相对无分集， M=2能获取16.5dB增益 M=3能获取22.8dB增益 M=4能获取26.3dB增益,15,选择式合并 选择具有最
5、大SNR的分支 合并增益Gs=k=1M(1/k) M为分集支路数 等增益合并（equal gain combining） 所有分支等权重相干合并, a=1 GE=1+(M-1)/4,Gs Tc 交织后符号间间隔交织深度 d Ts Tcd Tc/Ts = 375,是否有可能利用交织得到频率或空间分集效果？OFDM多载波的并行传输MIMO,4.2 分集 - 隐分集技术,主要内容,4.1概述,4.2分集技术,4.3信道编码,4.4均衡技术,4.5扩频通信,4.6多天线和空时编码,4.6链路自适应技术,24,4.3 信道编码,为什么引入信道编码？ 移动信道是变参信道，会引起随机错误与突发错误 信道编码
6、的定义 在信息码元中增加一些冗余码元，用来在接收端检测或纠正在有噪信道中引入的误码 信道编码分类： 按码结构分：分组码和卷积码,4.3.2分组码,分组码 将信息码分成k比特一组，插入n-k个冗余比特，扩展成n, 记为 ( n , k )线性分组码 n k，Rk/n，称为编码率典型线性分组码： 循环码， 汉明码,4.3.2分组码,(1) 循环码的定义 如果 (n,k) 线性分组码的任意码字C=(Cn1,Cn2,C0)的 i 次循环移位，所得矢量C(i)=(Cn1i,Cn2i,C0,Cn1,Cni)仍是一个码字，则称此线性码为 (n,k) 循环码,4.3.2分组码,(1) 循环码的定义 码多项式：
7、为了运算的方便，将码字的各分量作为多项式的系数，把码矢表示成多项式C(x)=Cn1xn1+Cn2xn2+C0 生成多项式生成矩阵一旦确定，码就确定了,4.3.2分组码,循环码的编码设信息多项式计算 信息序列左移(n-k)位 计算余式 得到码字多项式,举例，输入信息为 1100，循环码生成多项式1011,求编码后输出信息多项式生成多项式 且 计算 计算余式得到码字多项式输出码字：1100,010,左移3位,二进制除法 1100,000 / 1011,循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check,CRC） 常用于通信系统进行误码检测 接收端用接收到的字段/生成码，如果能除尽，则正
8、确，否则，有错 举例，接收信息为 1101,010，循环码生成多项式1011, 判断是否有错 计算余式：接收字段 / 生成码余式不为0，有错,4.3.3 卷积码,卷积码的监督码元与当前码元和前m个码元有关 记为(n,k,m)卷积码。 k:输入信息长度 n: 输出码字长度m:记忆深度 约束长度：l =m+1 生成多项式 对信息序列信息多项式 第i路的输出,举例，输入序列101011时，寄存器初值为0，二进制(2,1,2)卷积编码器信息多项式 编码输出,34,卷积码的状态图 编码器的状态取决于记忆深度m 举例，二进制(2,1,2)卷积编码器 初始状态00，输入1状态转移后：10输出：11 初始状态
9、10，输入0状态转移后：01输出：10 初始状态01，输入1状态转移后：10输出：00,输入0 输入1,00,10,01,35,卷积码的状态图某一时刻，寄存器状态只有4种可能对任何输入，寄存器状态的变化只有2种可能 对任何输入，输出的分支码字只有2种可能,输入序列101011,36,了解,维特比译码是一种最大似然序列译码,37,4.3.4 Turbo编码技术,产生背景： 香农的信道编码定理：在信道中实际传输速率R小于信道容量C，就可以在信道中实现几乎无错传输。 条件： 采用随机编译码方式 编译码码长 译码采用最佳的最大后验译码,38,4.3.4 Turbo编码技术,Turbo码的性能逼近最优的
10、香农的信道编码的极限。 Turbo码编码器框图,39,4.3.4 Turbo编码技术,Turbo码译码器框图,比特为0，为1的可信度的比值,40,4.3.4 Turbo编码技术,特点： 性能优良：性能由分量码设计、交织器设计、译码算法及其并联结构进行组合优化共同取得。 发端交织器作用：随机化编码 收端交织器作用：随机译码，将突发错误变为随机错误。 级联编译码起到利用短码构造长码的作用。,41,4.3.4 Turbo编码技术,缺点： 译码设备很复杂，应在译码性能与复杂性上折中。 译码时延大，无法应用于实时的通信系统（比如话音） 应用： 广泛应用于各类非实时业务高速数据的纠错编码,42,补充 LD
11、PC编码技术,LDPC码： 特殊的线性分组码 低密度极性校验码校验矩阵非零元素分布稀疏,43,补充 LDPC编码技术,LDPC码特点 具有接近香农限的性能 错误平层低 采用迭代译码算法BP算法 相对于Turbo码 译码简单 编码复杂 关键在校验矩阵的构造,44,补充 LDPC编码技术,以12码率，Pe10-5为例,45,4.3 信道编码,应用 （检错基本都用CRC） GSM 和IS-95 主要采用卷积码 3G 话音: 卷积码 数据: 卷积码, TURBO 码B3G 话音: 卷积码 数据: 卷积码, TURBO 码, LDPC码,主要内容,4.1概述,4.2分集技术,4.3信道编码,4.4均衡技
12、术,4.5扩频通信,4.6多天线和空时编码,4.6链路自适应技术,47,理想和实际接收信号脉冲响应的差异,4.4 均衡技术,48,均衡（Equalization）： 接收端产生与信道相反的特性，消除信道的时间和频率选择性, 也称自适应均衡 理想的接收信号 频域,49,均衡技术类型 线性均衡器： 横向滤波器中的输入与输出结果为线性关系,均衡技术类型 举例，输入序列xn=(1/4,1,1/2)，将其经过一个三抽头的均衡器，系数为则,51,2. 均衡准则 1). 最小峰值失真准则 表示所有抽样时刻上得到的码间干扰最大值（峰值）与K=0时刻上的样值之比。,52,2. 均衡准则 2).最小均方误差准则
13、表示所有抽样时刻上得到的码间干扰的均方和与K=0时刻上的均方值 之比,练习，输入序列xn=(1/4,1,-1/2)，将其经过一个三抽头均衡器，系数为问均衡器的输出，此时的峰值畸变和均方畸变值则,54,3. 均衡器系数计算 1). 按最小峰值失真准则最优化算法 迫零算法,练习，输入序列xn=(0,1/4,1,-1/2,0)，三抽头均衡求按峰值畸变最小的均衡器系数,56,输入与输出结果为为非线性关系 性能较优 判决反馈均衡器（DFE） 最大似然序列估值器（MLSE）,4.4.2非线性均衡器,57,4.4.3自适应均衡器,自适应均衡器工作方式 训练模式： 发端发送一个接收端已知的序列使均衡器迅速收敛，完成抽头系数初始化 跟踪模式： 直接利用通信中传输的数字信号的判决形成误差信号，并依据自适应算法跟踪调节抽头系数,58,正向均衡法：利用本时隙训练序列对当前数据进行均衡 反向均衡法：利用下时隙训练序列对当前数据进行均衡,4.4.3自适应均衡器,选择误差小的,59,4.3 均衡技术,实际系统中的均衡技术 均衡按实现的域分类 时域 / 频域均衡 在宽带单载波系统中常用频域均衡技术； 在窄带数字通信系统中常用时域均衡。 GSM训练序列位于时隙中间 常用自适应非线性均衡器,
