噪声、干扰与抗衰落技术

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1、第4章 噪声、干扰与抗衰落技术,4.1 噪声与干扰 4.2 分集接收 4.3 RAKE接收 4.4 纠错编码技术 4.5 均衡技术 思考题与习题,4.1 噪声与干扰,4.1.1 噪声的分类移动信道中的噪声可以被分为内部噪声和外部噪声。外部噪声又可以被分为自然噪声和人为噪声。1. 内部噪声内部噪声是系统设备本身产生的噪声，包括电阻类导电体中电子的热运动引起的热噪声，以及半导体中由于载流子的起伏变化引起的散弹噪声。这些噪声一般都是无法避免且波形不能准确预测的，一般将内部噪声作为随机噪声加以处理。 2. 外部噪声 在移动信道中，外部噪声的影响较大。外部噪声也被称为环境噪声，可分为自然噪声和人为噪声。

2、大气噪声、太阳噪声和银河噪声是自然噪声。人为噪声是由电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，这种辐射噪声除了可以直接进入移动信道外，还可以通过电力线传播，并通过电力线和接收机天线的耦合进入接收机。,在城市中，由于大量车辆和工业电气设备的存在，辐射噪声对移动通信的危害较大。在1000MHz以下时，人为噪声，特别是城市人为噪声的影响较大。,4.1.2 邻道干扰与同频道干扰,在系统组网的过程中，设备之间会产生相互干扰，这些干扰包括邻道干扰、同频道干扰、互调干扰、远近效应。 1、邻道干扰邻道干扰是指在同一小区或相邻小区中，相邻或相近频率的信道之间的干扰。理论上，调频信号的频谱是很宽的，包含有

3、无穷多对边频分量，当某些边频分量落入相邻频率的信道中时，就形成邻道干扰。为了减小邻道干扰，应当限制发射信号的带宽和增加相邻信道间的保护间隔。为了限制带宽，在发射机的调制器中采用了瞬时频偏控制电路(IDC)，主要是通过限幅器防止过大的信号进入调制器而产生过大的频偏。,2、 同频道干扰与射频防护比在小区制通信系统中，为了提高系统的频率利用率，在一定的间隔距离以外，需要重复使用相同的频率，这种技术被称为频道复用。频道复用技术可以大大提高频率利用率，但时会带来同频道干扰。信号功率是随距离的增加呈指数倍衰减的，因此，具有相同频道的小区相距越远，同频道干扰越小，但同时会使频率的利用率降低。在满足通信质量的

4、条件下，允许使用相同频道的小区间的最小距离被称为同频道复用的最小安全距离，简称同频道复用距离。为了保证通信质量，接收端的S/I必须大于表3.1所示的射频防护比。表3.1 干扰概率为10%的射频保护比指标,3、 同频道复用距离在小区制系统中，保证信干比S/I大于射频防护比的主要办法是保证同频小区之间的距离大于同频道复用距离。由于信号的电平与干扰强度不仅与距离有关，而且与设备、地形地貌等许多因素有关。为了简化分析，我们假设系统内所有设备参数相同，地形地貌不发生变化。,以dB计算的信干比为：,由上式可知，在理想情况下，信干比S/I仅与D/r有关，D/r被称为同频道复用保护距离系数。由对蜂窝系统的分析

5、可知，同频道复用保护距离与小区的大小无关，而在所有小区形状、面积相同的假设前提下，与区群的大小N有关， 。在蜂窝系统中，减小区群的大小N可以提高频率的复用率，但为了保证通信质量，必须选择合适的N值，保证信干比大于射频保护比。在静态情况下，若取射频保护比为8dB，可计算出D/r为2.6，要求N大于3。若考虑信号场强的变动，射频防护比取25dB时，D/r为5.2，要求N大于9 。,4.1.3 互调干扰互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的，在移动系统中，我们重点考虑的是三阶互调干扰。互调干扰分为发射机互调干扰与接收机互调干扰两类。为减小互调干扰，可以依靠设备优良的互调抑制指标，也可以采用有效减小

6、互调干扰的频道分配方法。,1、 发射机的互调干扰发射机的互调干扰一般出现在基站，是由于基站使用不同频率的发射机产生的干扰，如图3.7所示。由于发射机的末级功率放大器通常工作在非线性状态，所以，互调干扰主要存在于末级功率放大器中。 2、 接收机的互调干扰当多个信号进入接收机前端，在器件的非线性作用下，会产生接收机的互调干扰。接收机的抗互调能力是用互调抗拒比表示，是输入的干扰信号与有用信号电平的比值。在我国公用移动通信系统中要求接收机的三阶互调抗拒比指标为70dB。对于一般的移动通信系统，接收机互调干扰主要考虑三阶互调干扰，特别是两信号的三阶互调干扰。为了减小互调干扰，首先应当在接收机前端加入滤波

7、器，以增强选择性，减少进入高放的强干扰。其次应当提高接收机前端电路的线性，减小互调干扰发生的可能性。,3、 无三阶互调的频道组在三阶互调干扰的定义中，只有由非线性产生的新频率落在接收频道中时才能成为干扰。在移动系统中，为了避免三阶互调干扰，可以通过合理选择频道组中的频道，使产生的新频率不可能落入任何工作频道。我们经常用频道序号差值来判断有无三阶互调干扰。如果频道组中的所有频道差值中出现相同数据，说明有三阶互调干扰。反之，则没有三阶互调干扰，我们将其称为无三阶互调干扰频道组。例3.3某信道组中有12个信道，试确定无三阶互调干扰的频道组。 解：经计算机筛选，选择序号为1，2，5，10，12时，频道

8、差值如下所示，没有相同值，是无三阶互调干扰组。,但是，从上述计算中可知，在占用的12个频道中，至多可以选择5 个信道组成无三阶互调干扰组，频道的利用率仅5/12。另外，在上述选择的频道组中，存在邻道干扰，如果要求即无三阶互调干扰又无邻道干扰，则频道的利用率会进一步降低。因此，在需要频道多的大型系统中，往往从设备上考虑抑制互调干扰。,4.2 分集接收,4.2.1 分集接收原理1. 什么是分集接收所谓分集接收， 是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理， 以降低信号电平起伏的办法。CDMA-路径分集接收技术（RAKE）TDMA-自适应均衡技术,抗干扰措施-分集技

9、术、纠错编码技术、自动功率控制技术,2. 分集方式在移动通信系统中可能用到两类分集方式： 一类称为“宏分集”； 另一类称为“微分集”。“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中， 也称为“多基站”分集。 这是一种减小慢衰落影响的分集技术， 其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上(如蜂窝小区的对角上)和在不同方向上， 同时和小区内的一个移动台进行通信(可以选用其中信号最好的一个基站进行通信)。,“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术， 在各种无线通信系统中都经常使用。 理论和实践都表明， 在空间、 频率、 极化、 场分量、 角度及时间等方面分离的无线信号， 都呈现互相独立的衰落特性。 据此， 微分集又

10、可分为下列六种。,(1) 空间分集。 在任意两个不同的位置上接收同一个信号， 只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。为此， 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线， 间隔距离d与工作波长、 地物及天线高度有关， 在移动信道中， 通常取：市区 d=0.5 (4 - 1) 郊区 d=0.8 (4 - 2) 用于基站、移动台。,(2) 频率分集。 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息， 以实现频率分集。 根据相关带宽的定义， 即,(3) 极化分集。 由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，

11、 因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号， 以获得分集效果。(4) 场分量分集。 由电磁场理论可知， 电磁波的E场和H场载有相同的消息， 而反射机理是不同的。 ,(5) 角度分集。 角度分集的作法是使电波通过几个不同路径， 并以不同角度到达接收端， 而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量。,(6) 时间分集。 快衰落除了具有空间和频率独立性之外， 还具有时间独立性， 即同一信号在不同的时间区间多次重发， 只要各次发送的时间间隔足够大， 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的， 接收机将重复收到的同一信号进行合并， 就能减小衰落的影

12、响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。 此外， 时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。,由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关， 因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性， 必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：,(4 - 3),3. 合并方式(1) 选择式合并。 是指检测所有分集支路的信号， 以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。这种方式方法简单， 实现容易。 但由于未被选择的支路信号弃之不用， 因此抗衰落不如后述两种方式。,(2) 最大比值合并。 最大比值合并是一种最佳合并方式。最大比值合并器输出的信号包络为,(4 - 6

13、),rk表示每一支路信号包络rk(t)； Nk噪声功率,(3) 等增益合并。 等增益合并无需对信号加权， 各支路的信号是等增益相加的。等增益合并方式实现比较简单， 其性能接近于最大比值合并。等增益合并器输出的信号包络为,(4 - 7),4.2.2 分集合并性能的分析与比较 在模拟通信系统中， 信噪比决定了话音质量； 在数字通信系统中， 信噪比(或载噪比)决定了误码率。 分集合并的性能系指合并前、 后信噪比的改善程度。,1. 选择式合并的性能选择式合并器的输出信噪比， 即当前选用的那个支路送入合并器的信噪比。 设第k个支路的信号功率为r2k/2， 噪声功率为Nk, 可得第k支路的信噪比为,(4

14、- 8),通常， 一支路的信噪比必须达到某一门限值t， 才能保证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。 如果此信噪比因为衰落而低于这一门限， 则认为这个支路的信号必须舍弃不用。,在选择式合并的分集接收机中， 只有全部M个支路的信噪比都达不到要求， 才会出现通信中断。 若第k个支路中kt的概率为Pk(kt)， 则在M个支路情况下中断概率以PM(St)表示时， 可得,(4 - 9),平均信噪比为 ， 则,(4 - 15),由此可得M重选择式分集的可通率为,(4 - 16),M越大，可通率越大。 常用二重分集或三重分集。,2. 最大比值合并的性能 最大比值合并器输出的信号包络如式(4 - 6)

15、所示， 即,最大比值合并的信噪比R的概率密度函数为,(4 - 22),(4 - 23),可求得累积概率分布为,在同样条件下， 与选择式合并分集系统相比， 最大比值合并分集系统具有较强的抗衰落性能。 例如， 二重分集(M=2)与无分集(M=1)相比， 在超过纵坐标概率为99%情况下有13dB增益， 优于选择式合并分集系统(10 dB增益)。,3. 等增益合并的性能等增益合并意为各支路的加权系数ak(k=1, 2, , M)都等于1， 因此等增益合并器输出的信号包络rE如式(4 - 7)所示， 即,若各支路的噪声功率均等于N， 则,(4 - 24),4. 平均信噪比的改善所谓平均信噪比的改善， 是

16、指分集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数。(1) 选择式合并的改善因子 。,(dB) (4 - 29),(2) 最大比值合并的改善因子 。,(4 - 32),(3) 等增益合并的改善因子,(4 - 35),(4 - 36),图 4 - 8 三种合并方式的D(M)与M关系曲线,4.2.3 数字化移动通信系统的分集性能1. NFSK(非相干频移键控）二重分集系统平均误码率 在通信原理教材上已讨论过， 在加性高斯噪声情况下，NFSK的误码率公式为,(4 - 37),式中， 为信噪比(或载噪比)。,在瑞利衰落信道中， 需用平均误码率表征， 记作Pe， 即,(4 - 38),式中， P()为载噪比的概率密度函数。,在选择式合并方式中，二重分集时， M=2, 此时平均误码率用Pe,2表示， 则有,