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1、第十讲 抗衰落技术 - 3,数字移动通信,上次课重点回顾,均衡本质是什么？ 均衡的物理意义是什么？ 均衡器有哪些分类方法？ 线性和非线性均衡的主要区别？ 为何要用自适应均衡？如何实现自适应均衡？ 最小均方误差（LMS）算法的原理是什么？ 如何根据特定信道条件来设计均衡器的参数？,均衡器将放大被信道衰减的频率分量，衰减被信道增强的频率分量，从而提供一个具有平坦频率响应和线性相位响应的合成信道。,按检测级别分类 按结构划分类 按频谱效率分类 按输出是否用于反馈分类,在于均衡器的输出是否用于反馈控制?,利用误差信号e(t)，不断地根据信道的变化情况调整均衡器的权系数。,在移动状态通信时，所使用的信道
2、传输特性每时每刻都在变化。,产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间串扰（ISI）。 均衡器实际上就是等效基带信道滤波器的反向滤波器。,基于最小均方误差准则，使均衡器输出信号与期望输出信号之间的均方误差Ee2(k)最小。在y(k)、d(k)确定下，均方误差Ee2(k)=d(k)-yT(k)w(k)是均衡器权系数向量w(k)的函数，其存在极值，这样通过对均方误差Ee2(k)求导就可得到。,第5章 抗衰落技术,内容提要 5.1 抗衰落技术的基本原理 5.2 分集技术 5.3 自适应均衡技术 5.4 多径信号的分离与合并 5.5 发射分集与空时编码,第一次课,第二次课,第三次课
3、,要求： 1.掌握多径信号分离的基本概念、基本原理及方法。 2.理解RAKE接收机的基本原理。 3.了解空时编码抗衰落的基本原理。 重点：多径信号分离的基本概念 难点：RAKE接收机的基本原理、发端信号设计方法。,本次课的教学要求,1、多址接入技术解决了什么问题？有哪些典型技术？ 2、多径分集的基本原理是什么？ 3、 CDMA系统中，多径可分离的条件是什么？ 4、什么是RAKE接收技术？在实际中是如何使用的？ 5、空时编码抗衰落的基本原理是什么？,本次课需要解决的主要问题,本次课的教学内容,5.4 多径信号的分离与合并 5.5 发射分集与空时编码,为了在稀缺的无线频段内允许更多的手机同时通话，
4、也为了让基站区分出不同的手机，每个手机发出的信号必须不同。 这种可以在一个公共传输信道实现多个用户之间通信的技术，就是多址技术。,一、多址接入技术简介,一、多址接入技术简介,1、多址接入的基本原理,已知条件：运营商使用的某一段频率。 问题：如何区分在同一频段下通信的不同终端。 基站如何区分手机？ 同时区分多少手机？,用什么来区分？,一、多址接入技术简介,（1）问题情景： 假设一间屋子中有很多人，每个人都想说话，如果所有人同时说话，那么想听清楚别人说什么很困难。 如果其中有人提高声音，其他人也会随之提高声音，最终没有人能听到别人在说什么。,1、多址接入的基本原理,一、多址接入技术简介,（2）解决
5、思路 每个人轮流说话 (TDMA) 用不同的频调（音调）说话 (FDMA) 分组，每组使用不同的语言 (CDMA) 分组，每组占居房间的一角 (SDMA) 当无人说话时，想说话的人以一定的概率p来决定是否说话 (PR),1、多址接入的基本原理,一、多址接入技术简介,（3）多址接入的数学基础 利用信号的正交性！当正交参量仅考虑时间、频率和码型时，无线电信号写成,1、多址接入的基本原理,讨论：与多路复用有何不同？ 多路复用的目的是区分多个通路，通常在基带和中频上实现。 多址接入是区分不同的用户地址，往往需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址。,频分多址：每个用户使用不同的频率。 基站为每
6、一个请求通信的用户指定不同的频率。 这种以不同频率区分不同用户的方法，称之为频分多址（FDMA）。 FDMA是第一代模拟蜂窝移动通信中使用的多址技术。,一、多址接入技术简介,2、频分多址 - FDMA,一、多址接入技术简介,2、频分多址 - FDMA,特点: 在接收设备中使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其它频率的信号。 每个用户独占一个频率，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。 基站需要多套收发信设备，复杂而庞大。,一、多址接入技术简介,2、频分多址 - FDMA,时分多址：每个用户使用不同的时隙。 基站为每一个请求通信的用户指定不同的时隙。 这种以不同时隙区分不同用户的方
7、法，称之为时分多址（TDMA）。 第二代数字蜂窝移动通信GSM系统中使用的就是频分+时分多址。,一、多址接入技术简介,3、时分多址 - TDMA,一、多址接入技术简介,3、时分多址 - TDMA,3、时分多址 - TDMA,一、多址接入技术简介,一、多址接入技术简介,3、时分多址 - TDMA,特点: 突发传输的速率高，远大于语音编码速率。 用不同的时隙来发射和接收。 频率利用率高，系统容量较大。,3、时分多址 - TDMA,一、多址接入技术简介,码分多址：每个用户使用不同的码字（语言通信）。 不同码字间应具有良好的正交性。 这种以不同码字区分不同用户的方法，称之为码分多址（CDMA）。 第三
8、代蜂窝移动通信系统普遍采用的多址技术。,4、码分多址 - CDMA,一、多址接入技术简介,一、多址接入技术简介,4、码分多址 - CDMA,码字一,码字二,码字三,4、码分多址 - CDMA,一、多址接入技术简介,码字的设计直接影响系统的性能，码字必须便于接收端区分。 接收端必须有完全一致的码字，用来对接收的信号进行相关检测。,一、多址接入技术简介,4、码分多址 - CDMA,特点: 多用户共享同一频率、时间资源。 自干扰系统，软容量。 远近效应，离基站较近的手机强信号抑制远离基站的手机弱信号。,4、码分多址 - CDMA,一、多址接入技术简介,空分多址：通过空间的分割来区别不同用户。 利用天
9、线的方向性波束划出不同的子空间，实现空间的正交隔离，区分不同用户。 这种以不同空间区分不同用户的方法，称之为空分多址（SDMA）。 第三代TD-SCDMA蜂窝移动通信中的多址技术之一。,一、多址接入技术简介,5、空分多址 - SDMA,一、多址接入技术简介,5、空分多址 - SDMA,用具有良好自相关特性的特殊码字进行扩频。 扩频后占用带宽增大，平均功率降低。,二、扩频通信基本原理,1、扩频和扩频码概念,扩频码要求具有尖锐的自相关特性 不同的扩频码间要求具有良好的互相关特性（抗用户间干扰） 正交：数学上的概念就是完全 不相关，即两个信号的乘积在 某个区间的积分为零。 通过扩频码可以有效区分用户
10、。,二、扩频通信基本原理,1、扩频和扩频码概念,二、扩频通信基本原理,1、扩频和扩频码概念 （1）扩频码的波形表示 当用“1”表示正脉冲，“0”表示负脉冲时，扩频码可用波形表示：,扩频码 波形示意图,自相关函数：,互相关函数：,（2）扩频码相关的数学表式,码片,（3）常用的扩频码 扩频码常用PN码实现，典型的PN码有：,1）m序列：自相关性能好，容易产生，规律性强。 2）Gold码序列：基于m序列，自相关性能不如m序列的，互相关性能要优于m序列的。 3）Walsh码：完全正交，互相关性能好，但自相关差，一般需要加扰码。,二、扩频通信基本原理,二、扩频通信基本原理,2、扩频和解扩的实现框图,扩频
11、通信系统模型图,二、扩频通信基本原理,扩频与解扩的图解示意： 信息数据为+1，扩频码极性不变，信息数据为-1，扩频码极性倒相，记为b(t)c(t)，如下图所示：,扩频与解扩示意图,a.信息序列,b. PN序列,c.扩频调制,d.本地PN序列,e.输出数据,符号周期： Tb=NTc,能不能利用多径传播产生的时间分集效果？,三、RAKE接收技术,1、当发射端采用扩频信号时，接收端信号特点的分析,三、RAKE接收技术,1、当发射端采用扩频信号时，接收端信号特点的分析,当多径时间对准时，解扩输出具有尖锐的峰值特性。 不同多径时延信号，将输出多个峰值。 合并多径时延信号，可达到时间分集效果。,思考：不管
12、时延多大，是不是都能分离呢？,2、多径信号可分离的条件 (1)以m序列为例的分析,三、RAKE接收技术,2）互相关函数,1）自相关函数,工程上，当序列长度很大时，可认为 ，即正交！,三、RAKE接收技术,3）2径信号的分离 在CDMA系统中，设有两多径信号，平均功率皆为p0=Ey(t)2 ，则合成信号的总功率为：,所以，对于m序列有：,问题：上式说明了什么？,在CDMA系统中当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，这两个信号是不相关的，或者说是可分离的！,2、多径信号可分离的条件 （2） 具体条件 扩频码要求具有尖锐的自相关特性 各径之间的时延差要大于一个码片宽度,三、RAKE接收技术,
13、3、RAKE接收原理,RAKE接收机是专为CDMA系统设计的分集接收器 形状类似于农用工具耙子而得名：RAKE,三、RAKE接收技术,对每个路径使用一个相关接收机,基本原理：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。,3、RAKE接收原理,三、RAKE接收技术,在室外环境中，多径信号间的延迟通常较大，如果码片速率选择得当，可以保证多径信号相互间表现出较好的非相关特性。,思考：IS-95系统中的码片速率为1.2288Mchip/s ，是否合适？,三、RAKE接收技术,4、实现RAKE接收的前提,IS-95系统中的码片速率为1.2288Mchip/s ，是否合适？ 市区的时延
14、扩展典型值为：1.52.5s 码片周期为：0.8137s,三、RAKE接收技术,4、实现RAKE接收的前提,多径信号可分离！,MS：3个并行相关器+1个搜索相关器，可利用BS发送的导频信号，采用最大比合并。,三、RAKE接收技术,5、IS-95系统中的RAKE接收,搜索相关器用于搜索最强的多径信号，得到多路多径信号的相位、到达时刻和强度等参数。,三、RAKE接收技术,5、IS-95系统中的RAKE接收,BS：4个并行相关器+1个搜索相关器，采用最大比合并。,三、RAKE接收技术,5、IS-95系统中的RAKE接收,（1）RAKE接收与一般时间分集的区别,无需“分散传输”。 时延不能由人为决定。
15、 分集数也不确定。 需要估计多径的到达时刻，并确定由哪几路多径完成合并。,三、RAKE接收技术,6、关于RAKE接收的进一步思考,（2）RAKE接收与均衡的区别 均衡是一种时间隐分集，它从多径中选取一条最佳路径的信号，并通过均衡器抵消其它路径信号，采用选择式合并方法。 RAKE接收则是一种时间显分集，采用最大比合并，将各多径信号进行有效合并。,三、RAKE接收技术,6、关于RAKE接收的进一步思考,（2）RAKE接收与均衡的区别 均衡希望多径数量少，时延小；RAKE接收希望可分辨的多径数量多。 均衡通过消除ISI来提高SNR；RAKE接收通过分离多径，并合来对抗衰落和多径效应。 多径分集：通过
16、发射端信号的巧妙设计来使得接收端的多径信号可分离！,三、RAKE接收技术,6、关于RAKE接收的进一步思考,本次课的教学内容,5.4 多径信号的分离与合并 5.5 发射分集与空时编码,四、发射分集与空时编码,1、采用发射分集的原因 移动台处是否适合采用空间分集？ 传统的空间分集是在接收端采用多根天线。 一般情况，移动台应当尽量简单和便宜。 在移动端采用空间分集技术比较困难。,四、发射分集与空时编码,2、发射分集原理 通过多副天线发射同一信息序列，要求天线间距足够大。 使得每副天线上的信号经过相互独立的衰落过程达接收端 接收端采用恰当信号处理后，提高接收信号质量，进而改进下行链路的性能。 如何实现？ 空时编码,四、发射分集与空时编码,3、空时编码的实质 空间和时间二维信号
