抗衰落和链路性能增强技术

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1、第4章 抗衰落和链路性能增强技术,4.1概述 4.2分集技术 4.3 信道编码技术 4.4 均衡技术,4.2 分集技术,4.2.1 分集技术原理 1. 什么是分集 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。,图 4 - 1 选择式分集合并示意图,分集有两重含义： 一是分散传输， 使接收端能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， 即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。,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

2、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)。 显然， 只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落(基站天线的架设可以防止这种情况发生)， 这种办法就能保持通信不会中断。,“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

3、呈现互相独立的衰落特性。 据此， 微分集又可分为下列三种。,(1) 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。,(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，

4、即,(3) 空间分集。 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性， 即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，,3. 合并方式 接收端收到M(M2)个分集信号后， 如何利用这些信号以减小衰落的影响， 这就是合并问题。 一般均使用线性合并器， 把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。 假设M个输入信号电压为r1(t)， r2(t), ， rM(t)， 则合并器输出电压r(t)为,(4 - 4),式中， ak为第k个信号的加权系数。,选

5、择不同的加权系数， 就可构成不同的合并方式。 常用的有以下三种方式： (1) 选择式合并。 (2) 最大比值合并。 (3) 等增益合并,图 4 - 2 二重分集选择式合并,图 4 - 2 为二重分集选择式合并的示意图。 两个支路的中频信号分别经过解调， 然后作信噪比比较， 选择其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。 选择式合并又称开关式相加。 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， 其方框图如图 4 - 3 所示。,图 4 - 3 最大比值合并方式,(3) 等增益合并。 等

6、增益合并无需对信号加权， 各支路的信号是等增益相加的， 其方框图如图 4 - 4所示。 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。,4.2.2 分集合并性能的分析与比较 众所周知， 在通信系统中信噪比是一项很重要的性能指标。 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。 为便于比较三种合并方式， 假设它们都满足下列三个条件：,(1) 每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关， 噪声均值为零， 具有恒定均方根值； (2) 信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频 (3) 各支路信号

7、的衰落互不相关， 彼此独立。,综上所述， 最大比值合并时各支路加权系数与本路信号幅度成正比， 而与本路的噪声功率成反比， 合并后可获得最大信噪比输出。 若各路噪声功率相同， 则加权系数仅随本路的信号振幅而变化， 信噪比大的支路加权系数就大， 信噪比小的支路加权系数就小。,图 4 - 8 三种合并方式的D(M)与M关系曲线,4.2 RAKE接收,所谓RAKE接收机， 就是利用多个并行相关器检测多径信号， 按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。 需要特别指出的是， 一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理， 而RAKE接收机采取变害为利的方法， 即利用多径现象来增强信号。 图 4 - 9示出了

8、简化的RAKE接收机的组成。,图 4 - 9 简化的RAKE接收机组成,假设发端从Tx发出的信号经N条路径到达接收天线Rx。 路径 1 距离最短， 传输时延也最小， 依次是第二条路径， 第三条路径， ， 时延时间最长的是第N条路径。 通过电路测定各条路径的相对时延差， 以第一条路径为基准时， 第二条路径相对于第一条路径的相对时延差为2， 第三条路径相对于第一条路径的相对时延差为3， ， 第N条路径相对于第一条路径的相对时延差为N， 且有NN-132(1=0)。,在图4-9中， 由于各条路径加权系数为 1， 因此为等增益合并方式。 在实际系统中还可以采用最大比合并或最佳样点合并方式， 利用多个并

9、行相关器， 获得各多径信号能量， 即RAKE接收机利用多径信号， 提高了通信质量。 在实际系统中， 由于每条多径信号都经受着不同的衰落， 具有不同的振幅、 相位和到达时间。 由于相位的随机性， 其最佳非相干接收机的结构由匹配滤波器和包络检波器组成。如图4-10所示， 图中匹配滤波器用于对c1(t)cost匹配。,图4-10 最佳非相干接收机,如果r(t)中包括多条路径， 则图4-10的输出如图4-11所示。 图中每一个峰值对应一条多径。 图中每个峰值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。 为了将这些多径信号进行有效的合并， 可将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大， 按最大

10、比的方式合并， 就可以得到最佳的输出信号。 然后再进行判决恢复， 发送数据。 我们可采用横向滤波器来实现上述时延和最大比合并， 如图4-12所示。,图4-11 最佳非相干接收机的输出波形,图4-12 实现最佳合并的横向滤波器,4.3 纠错编码技术,4.3.1 纠错编码的基本原理 首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。 现在我们考察由 3 位二进制数字构成的码组，它共有 23=8 种不同的可能组合， 若将其全部用来表示天气， 则可以表示 8 种不同的天气情况， 如： 000(晴)， 001(云)， 010(阴)， 011(雨)， 100(雪)， 101(霜)， 110(雾)， 111(雹)。 其

11、中任一码组在传输中若发生一个或多个错码， 则将变成另一信息码组。 这时， 接收端将无法发现错误。,若在上述 8 种码组中只准许使用 4 种来传送消息， 譬如 000 = 晴 011 = 云 101 = 阴 110 = 雨 (4 - 51) ,表 4 - 2 分组码例子(3, 2),4.3.3 卷积码 数字化移动信道中传输过程会产生随机差错， 也会出现成串的突发差错。 讨论各种编码主要用来纠正随机差错， 卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠正突发差错的能力。,1. 卷积码 卷积码的监督元不仅与本组的信息元有关， 而且还与前若干组的信息元有关。 这种码的纠错能力强， 不仅可纠正随机差错， 而且可纠

12、正突发差错。,卷积码的一般结构,由上图可以看到，n个输出比特不仅与当前的k个输入信息有关，还与前 （N-1）k个信息有关。 通常将N称为约束长度。 常把卷积码记为：（n，k，N） 其编码效率为k/n,卷积码的图形描述,描述卷积码的方法有两类： 图解法和解析表示,图解法包括：树状图、状态图、网格图 解析法包括：矩阵形式、生成多项式形式,（，）卷积码编码器,例如：输入序列1101110,1,2,M2,M1,输入,c2,c1,（，2）卷积码编码器,例如：输入序列101011,2. 交织编码 交织编码主要用来纠正突发差错， 即使突发差错分散成为随机差错而得到纠正。 通常， 交织编码与上述各种纠正随机差

13、错的编码(如卷积码或其它分组码)结合使用， 从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正突发差错的能力。 交织编码不像分组码那样， 它不增加监督元， 亦即交织编码前后， 码速率不变， 因此不影响有效性。 在移动信道中， 数字信号传输常出现成串的突发差错， 因此， 数字化移动通信中经常使用交织编码技术。,交织的方法如下： 一般在交织之前， 先进行分组码编码， 例如采用(7，3)分组码， 其中信息位为 3 比特，监督位为 4 比特， 每个码字为 7 比特。 第一个码字为c11c12c13c14c15c16c17， 第二个码字为 c21c22c27 ， ， 第m个码字为cm1cm2 cm7。,将每个码字按

14、图 4 - 18 所示的顺序先存入存储器， 即将码字顺序存入第 1 行， 第 2 行， ， 第 m 行(图中为第 1 排， 第 2 排， ， 第 m 排)， 共排成m行， 然后按列顺序读出并输出。 这时的序列就变为 c11c21c31 cm1c12c22c32 cm2c13c23c33 cm3 c17c27c37 cm7,图 4 - 18 交织的方法,4.3.4 Turbo码 1. Turbo码编码原理 Turbo码的编码器可以有多种形式， 如采用并行级联卷积码（pCCC）和串行级联卷积码(SCCC)等。 一个采用并行级联卷积码（pCCC）的Turbo码编码原理框图如图4-19所示。,图4-1

15、9 Turbo码编码器框图,图中两个编码器分别称为Turbo码二维分量码， 它可以很自然地推广到多维分量码。 分量码既可以是卷积码， 也可以是分组码， 还可以是级联码； 两个分量码既可以相同， 也可以不同。 原则上讲， 分量码既可以是系统码， 也可以是非系统码， 但为了在接收端进行有效的迭代， 一般选择递归系统卷积码（RSC）。,4.4 均衡技术,理论和实践证明，在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性，减少码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。 均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干

16、扰之后的样本。,4.4.3 自适应均衡技术,自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的状态，从而有更好的失真补偿性能。,自适应均衡器一般包含两种工作模式 训练模式和跟踪模式。,首先，发射机发射一个己知的定长的训练序列，以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或是一串预先指定的数据位，而紧跟在训练序列后被传送的是用户数据。而在接收数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。 为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。,表4-3 GSM的训练序列,图4-36 GSM时隙结构,4.5 扩频通信,CDMA多址方式 概念：各发送端用各不相同的、相互正交或准正交的地址码调制其所发送的信号，在接收端利用码型的正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应信号的多址技术,