现代移动通信第2版教学作者蔡跃明第10讲第05章节抗衰落技术3课件

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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

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