《chap4-抗衰落技术课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《chap4-抗衰落技术课件（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 抗衰落技术,2,移动信道中典型的衰落信号,移动信道中典型的衰落信号,3,多径传播的信号到达接收机输入端，形成幅度衰落、时延扩展及多普勒频谱扩展，将导致数字信号的高误码率，严重影响通信质量。 为了提高系统的抗衰落性能，通信业采用分集技术、均衡技术、信道编码技术来有效地解决这些问题。,对抗衰落是无线通信必须认真解决的问题,4,分集技术 RAKE接收 信道编码 信道均衡,5,1分集技术,如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，另一条相对独立的路径中仍可能包含较强的信号，可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号，并以某种方式进行合并，这样对接收机的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高 指接收端对
2、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,6,1分集技术,分集技术是用来补偿衰落信道损耗的。 分散传输：接收端能获得统计独立的、携带同一信息的衰落信号 集中处理：接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响 基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。,7,分集技术主要包含两方面 如何获得独立的多路信号 如何合并独立的多路信号,图4-1 选择式分集合并示意图,8,1分集技术分类,按分集的目的分类 宏观分集，抗慢衰落 微观分集，抗短期（快）衰落 按信号的传输方式分类 显分集指的是构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分
3、集 隐分集：分集作用隐含在传输信号中，在接收端利用信号处理技术实现分集。,9,分集技术分类,10,宏分集,宏分集又称为多基站分集，是减少由于阴影效应而引起的大范围的衰落的技术 宏分集把多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，选出信号最好的一个基站与移动台进行通信 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，这种办法就可以保证通信不中断,11,宏观分集示意图,12,微分集,信号衰落所呈现的独立性是多方面的，如时间、频率、空间、角度、以及携带信息的电磁波极化方向等等。 微分集 空间分集 频率分集 极化分集 角度分集 时间分集 路
4、径分集,13,空间分集（Space Diversity）,是利用在空间相隔一定距离的多副天线接收信号来实现分集的 接收端天线之间的距离d应足够大，以保证各接收天线接收来自基站的信号的衰落特性是相互独立的。 在移动通信中，空间的间距越大，多径传播的差异就越大，所收场强的相关性就越小。,实际工程中： 市区： 郊区：,14,空间分集（Space Diversity）,空间分集示意图,对于空间分集而言，分集的支路数M越大，分集的效 果越好。但当M较大时（如M 3），分集的复杂性增 加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢,15,极化分集（Polarization Diversity）,在移动环境下，两
5、个在同一地点极化方向相互正交（如水平极化和垂直极化）的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性 不过，极化会产生3dB的衰减。因为发射端必须将能量分到两个不同的极化天线 极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路只有两路。,16,极化分集（Polarization Diversity）,17,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,18,频率分集（Frequency Diversity）,将待发送的信息分别调制在不
6、同的载波上发送至信道，只要载频之间的间隔 足够大，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号 根据相关带宽Bc的定义，即,例：在城市中800900MHz频段，典型的时延扩散值为 这时有：,即要求频率分集的载波间隔大于200KHz 频率分集缺点：占用更多的频谱资源,19,时间分集（Time Diversity ）,将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条独立的分集支路,20,分集信号的合并技术,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。 在接收端取得M条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术得到分集增益,
7、21,分集的合并方式及性能,M重分集对这些信号的处理概括为M条支路信号的线性叠加：,其中fk(t)为第k支路的信号；k(t)为第k支路信号的加权因子。 信噪比的改善和加权因子有关，对加权因子的选择方式不同，形成3种基本的合并方式:选择合并、最大比值合并和等增益合并。,22,选择式合并,选择式合并的原理如图所示。M个接收机的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信噪比（SNR）的一路信号作为输出 只选择其中一个信号，其余信号被抛弃,在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出，这相当于在M个系数k(t)中，只有一个等于1，其余的为0。,23,最大比值合并,M个分集支路
8、经过对载波相位进行调整后（使之同相），按各个支路的信噪比数值进行加权相加，再送入检测器。,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。在具体实现时，需要实时测量出每个支路的信噪比，以便及时对增益系数进行调整。,24,等增益合并,调整各个支路主径的相位，使之同相，然后进行等增益相加,25,平均信噪比的改善,选择式合并平均SNR改善因子,最大比值合并平均SNR改善因子,等增益合并平均SNR改善因子,26,三种合并方式的比较,从图中可以看出在三种合并方式中，最大比值合并改善最多，其次是等增益合并，最差是选择合并，这是因为选择合并只利用其中一个信号，其余没有被利用，而
9、前两者把各支路信号的能量都得到利用。,27,隐分集技术,隐分集技术，是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。 分集作用是隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术实现分集 时间隐分集和频率隐分集,28,1交织编码技术（时间隐分集）,交织编码的目的是把一个较长的突发差错（比特差错成串出现）离散成随机差错（因为目前的信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错时才有效），再用纠正随机差错的编码（前向纠错：FEC）技术消除随机差错。 以线性分组码为例，先将k位信息编成具有t位纠错能力的n位码字的分组码(n，k，t)，再将其编码码字序列构成交织编码矩阵【以(7,3为例)】 交织深度M越大，离
10、散度越大，抗突发差错能力也越强。交织编码可纠正一次突发差错的长度为： L=tM,29,1交织编码技术,现以分组码（7，3）为例给出交织编码矩阵 a11 a12 a13 a14 a15 a16 a17 b21 b22 b23 b24 b25 b26 b27 c31 c32 c33 c34 c35 c36 c37 mM1 mM2 mM3 mM4 mM5 mM6 mM7,行为FEC的码字，由k位信息及n-k冗余位组成，行的数目M为交织深度。交织编码的过程是将FEC码字序列按行写入而按列读出，若交织编码输出序列中的差错从a11 mM2，则经过解交织，每一FEC码字中只发生2位差错，当t=2时即可消除差
11、错,30,1交织编码技术,交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。交织编码可纠正一次突发差错的长度为： L=tM 举例：GSM系统在经过信道编码后要进 行交织,31,2跳频技术,数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗干扰和抗衰落 跳频（Frequency Hopping，FH）是指通信使用的载波频率受一组快速变化的PN码（伪随机码）控制而随机地跳变 FH实际上是一种复杂的频移键控，是一种用PN码进行多频频移键控的通信方式,32,2跳频技术,（1）跳频抗多径 跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波频率为0，当存在多径传播环境时，因多径延迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。 若接收机在收
12、到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一频率1上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。,33,2跳频技术,（2）跳频抗同信道干扰 采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，可以避免频率复用引起的同频干扰。 利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同频干扰离散化，亦即减少同频干扰的重合次数，从而减少同频干扰的影响。,34,2跳频技术,（3）跳频抗衰落 跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。 跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的载波频率上同时发生衰落的可能性很小。,35,现有的主要分集技术,Rake接收机路径分集 智能天线空间角度分
13、集 多天线阵空间位置分集 ARQ重传时间分集 跳频扩频频率分集 (隐分集) 直接序列扩频频率分集(隐分集) 交织时间分集(隐分集),36,GSM采用的分集技术,在接收上可以分为 频率分集：采用跳频实现 空间分集：在基站侧采用两根以上的天线接收从手机发送过来的信号。 极化分集：在基站侧采用一根极化方式互相垂直的天线接收手机信号。 时间分集：在GSM空中接口物理层通过交织实现。,37,分集技术 RAKE接收 信道编码 信道均衡,38,RAKE接收,所谓RAKE接收，就是利用多个并行的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。 一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE
14、接收机采取变害为利，即利用多径现象来增强信号。 CDMA系统采用RAKE接收,39,RAKE接收机组成及原理,40,RAKE接收机组成及原理,在高通公司提出的CDMA系统中，基站接收机N=4，移动台接收机N=3,41,搜索接收机对来自基站导频信号的多径分量扫描，找出 3个最强多径分量及对应的PN码延时1、2、 3送控制 器。 控制器产生相应延时的PN码送相关接收机，去解调这3个 最强的多径分量，实现多径分集。,42,分集技术 RAKE接收 信道编码 信道均衡,43,信道编码概述,基本思想 通过引入可控制的冗余比特，使信息序列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性。在接收端信道译码器根据这种相关
15、性对接收到的序列进行检查，从中发现错误或进行纠错。 作用 差错控制（信道编码也称差错控制编码）,44,信道编码概述,传统的信道编码通常分成两大类即分组码和卷积码 分组码中,每组码附加若干位监督码元,监督码元仅监督本码组中的信息码元； 卷积码中，监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且与前若干组的信息码元有关。 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）,45,分组码的基本描述,二进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
16、中G为kn的矩阵，称作生成矩阵。Rc=k/n称作编码率。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。,46,在分组码中，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。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,47, （n, k）线性分组码能发现接收码字中e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e（e 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，对所接收到的码字进行判决，这一过程就是译码。,分组码的基本描述,48,差错控制编码的效用,假设在信道中发送“0”和“1”时的错误概论相等，都等于P，且P1，则在码长为n的码组中恰好发生r个错误的概率为,例如，当n=7，P=10-3时，有：,由上知，即使只能纠正或检测12个错误，也可
