第10講-抗衰落

1、無線通信工程無線通信工程姚彥教授姚彥教授清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室20012001年年1212月月8 8日日第九講第九講無線通信的抗衰落技術(shù)無線通信的抗衰落技術(shù)內(nèi)容提要內(nèi)容提要n概述n非頻率選擇性衰落的對(duì)抗技術(shù)n頻率選擇性衰落的對(duì)抗技術(shù) 均衡技術(shù) 分集技術(shù) 瑞克技術(shù)n聯(lián)合編碼技術(shù)概述概述什么叫衰落？什么叫衰落？n在無線通信的信道傳輸過程中，由于大氣及地面的影響而發(fā)生傳播損耗及傳播延時(shí)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象叫做衰落。n衰落根據(jù)其頻率特性可以分為二類：非頻率選擇性衰落（又稱平衰落）和頻率選擇性衰落。n衰落根據(jù)其時(shí)間特性可以分為二類：快衰落和慢衰落。衰落有什么

2、影響？衰落有什么影響？n衰落影響之一：接收電平降低，無法保證正常通信。n衰落影響之二：接收波形畸變，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼。n衰落影響之三：傳播延時(shí)變化，破壞與時(shí)延有關(guān)的同步。n衰落影響之四：在快衰落情況下，由于電平變化迅速，影響某些跟蹤過程。n所以，對(duì)抗衰落是無線通信必需認(rèn)真解決的所以，對(duì)抗衰落是無線通信必需認(rèn)真解決的問題問題。如何對(duì)抗衰落？如何對(duì)抗衰落？n減少通信距離；增加發(fā)送功率；調(diào)整天線高度；選擇合適路由；n在移動(dòng)通信中采用微蜂窩、直放站；n采用分集技術(shù)、均衡技術(shù)、瑞克技術(shù)、糾錯(cuò)技術(shù)等。非頻率選擇性衰落的非頻率選擇性衰落的對(duì)抗技術(shù)對(duì)抗技術(shù)對(duì)抗原理對(duì)抗原理n非頻率選擇性衰落主要體現(xiàn)為接收電平的降

3、低。n統(tǒng)計(jì)特性：平均接收電平及接收電平降低到某個(gè)門限值以下的概率。n抗衰落的原理：衰落儲(chǔ)備法。無線傳播方程無線傳播方程n門限接收電平其中：Eb/N0為歸一化門限信噪比的實(shí)際值，F(xiàn)為接收機(jī)噪聲系數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為絕對(duì)溫度，fb為傳輸比特率。n接收電平其中：Pt為發(fā)送功率，GA為收發(fā)天線增益，LA為收發(fā)天饋系統(tǒng)的損耗，LS為傳播路徑損耗。bbrfkTFNEP000sAAtrLLGPP22傳播統(tǒng)計(jì)傳播統(tǒng)計(jì)n注意：LS是一個(gè)隨機(jī)變量，存在平均傳播損耗LS,平均及傳播損耗大于某個(gè)值的概率P（LSa）。n如果信道沒有衰落，傳播損耗取平均傳播損耗，就有：n令：Pr ,平均Pro，即平均接收電平等于

4、門限接收電平，無線通信系統(tǒng)就能正常工作。n實(shí)際無線傳播信道是有衰落的，因此在沒有衰落時(shí)的平均接收電平必需大于門限接收電平，才能保證可靠通信。平均平均,22,sAAtrLLGPP衰落儲(chǔ)備法衰落儲(chǔ)備法n令平均接收電平和門限接收電平之比值為：RPr,平均/Pr0就有：稱R為衰落儲(chǔ)備。n對(duì)抗非頻率選擇性衰落的主要方法是衰落儲(chǔ)備法，即通過選擇足夠的衰落儲(chǔ)備來保證接收電平降低到門限以下（這種事件可以稱為中斷）的概率小于某個(gè)值。平均,2002SAbbtALLfkTFNEPGR衰落儲(chǔ)備法（續(xù)）衰落儲(chǔ)備法（續(xù)）n接收電平比平均接收電平下降Fd(dB）的概率（或稱為中斷概率）為：其中A為和地形、氣候有關(guān)的系數(shù)，m

5、為頻率因子，n為距離因子。若選擇衰落儲(chǔ)備量RFd，就可以保證通信中斷率的要求。n衰落儲(chǔ)備的實(shí)現(xiàn)方法：增加發(fā)送功率、提高天線增益、減少通信距離、降低噪聲系數(shù)及對(duì)歸一化信噪比的要求等。10/10dFnmdfAU中斷頻率選擇性衰落的頻率選擇性衰落的對(duì)抗技術(shù)對(duì)抗技術(shù)對(duì)抗原理對(duì)抗原理n頻率選擇性衰落主要是由于多徑效應(yīng)引起的。n多徑效應(yīng)最嚴(yán)重的后果之一是在信道傳遞函數(shù)中引入一個(gè)非理想的Hc(f)，破壞奈奎斯特準(zhǔn)則和匹配濾波準(zhǔn)則，從而產(chǎn)生碼間串?dāng)_，使有效的Eb/No惡化。n對(duì)抗頻率選擇性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影響。對(duì)抗原理（續(xù)）對(duì)抗原理（續(xù)）n對(duì)抗頻率選擇性衰落的主要方法：分集技術(shù)；瑞克技術(shù)；均衡

6、技術(shù)；糾錯(cuò)技術(shù)。分集技術(shù)分集技術(shù)分集分集原理原理n原理：利用無線傳播環(huán)境中來自不同途徑的多徑信號(hào)的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性進(jìn)行合并，從而實(shí)現(xiàn)分集。n首先要找出來自不同途徑的多徑信號(hào)，這些途徑可以是不同的空間、不同的極化、不同的頻率、不同的時(shí)間。n其次要以某種方法進(jìn)行合并。n應(yīng)該指出：分集技術(shù)不僅能改善頻率選擇性衰落，同時(shí)也能改善非頻率選擇性衰落。分集分集方式方式采用什么途徑接收分集信號(hào)？n空間分集：不同天線的接收信號(hào)相互獨(dú)立；n極化分集：水平極化和垂直極化的信號(hào)相互獨(dú)立；n頻率分集：不同頻率的接收信號(hào)相互獨(dú)立；n時(shí)間分集：不同時(shí)間的接收信號(hào)相互獨(dú)立。合并方式合并方式從分集信號(hào)中以什么方式作為輸出？n選擇式合

7、并：選擇最好的支路作為輸出，其它支路丟棄。n最大增益合并：調(diào)整各個(gè)支路主徑的相位，使之同相，然后進(jìn)行等增益相加。n最小色散合并：調(diào)整各個(gè)支路次徑的相位及幅度，使之反相抵銷。n最大比合并：調(diào)整各個(gè)支路的相位，使之同相，然后按照各個(gè)支路的信噪比數(shù)值進(jìn)行加權(quán)相加。分集舉例分集舉例n空間分集及其合并S1(t)S2(t)相加相位幅度控制檢測(cè)分集后的接收信號(hào)S1(t)S2(t)最大增益合并最小色散合并瑞克技術(shù)瑞克技術(shù)一種時(shí)間分集：瑞克接收一種時(shí)間分集：瑞克接收 對(duì)時(shí)間上擴(kuò)散的信號(hào)進(jìn)行分集，盡可能多的獲取信號(hào)能量。 對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行分離，根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果來進(jìn)行多徑信號(hào)合并。 對(duì)于CDMA系統(tǒng)，當(dāng)多徑延時(shí)大于

8、一個(gè)碼片時(shí)，多徑信號(hào)可以看成是不相關(guān)的。瑞克接收的基本原理瑞克接收的基本原理-多徑多徑傳輸環(huán)境時(shí)變： 頻率、相位、時(shí)間的變化t0t1t1t1t0t2t2t2t0t3t3t3時(shí)延擴(kuò)展頻率擴(kuò)展瑞克接收機(jī)原理瑞克接收機(jī)原理相關(guān)1相關(guān)2相關(guān)M 接收機(jī)框圖 積分判決a1a2aMCDMA多徑信號(hào)判決輸出瑞克接收機(jī)工作過程瑞克接收機(jī)工作過程n假設(shè)接收信號(hào)中可以分離出M個(gè)不同延時(shí)的多徑分量，每個(gè)分量用不同的相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。n相關(guān)器1和支路1同步，相關(guān)器2和支路2同步，等等，這樣不同相關(guān)器就可以檢測(cè)出各個(gè)支路的CDMA信號(hào)能量。n對(duì)各個(gè)相關(guān)器的輸出進(jìn)行加權(quán)，然后相加，就得到發(fā)送信號(hào)的最大可能的能量輸出，對(duì)此

9、輸出進(jìn)行判決再生，就可以恢復(fù)出數(shù)字信息。n加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)不同的準(zhǔn)則，如：最大功率準(zhǔn)則、最大信噪比準(zhǔn)則，等。另一種時(shí)間分集：交織技術(shù)另一種時(shí)間分集：交織技術(shù)n原理：在無線通信中由于發(fā)生深衰落或遇到突發(fā)干擾，誤碼的分布就不是平穩(wěn)、純隨機(jī)的，而是存在隨機(jī)誤碼和突發(fā)誤碼。采用交織可以減少突發(fā)誤碼的影響。n交織不增加額外開銷。n交織可以保護(hù)信源編碼中的特殊比特。n交織與糾錯(cuò)編碼同時(shí)使用，進(jìn)一步提高傳輸質(zhì)量。n交織器二種類型：分組交織、卷積交織。n交織器會(huì)引入時(shí)延（對(duì)語音不能超過40ms）。均衡技術(shù)均衡技術(shù)均衡均衡技術(shù)技術(shù)n自適應(yīng)均衡器：減少碼間干擾。n工作模式：訓(xùn)練模式和跟蹤模式。n均衡器分類 頻域均

10、衡器，時(shí)域均衡器； 線性均衡器，非線性均衡器。n均衡器實(shí)現(xiàn)方法 中頻均衡器； 基帶均衡器。均衡原理均衡原理n均衡器頻域表達(dá)： 信道時(shí)域響應(yīng)f(t)，均衡器時(shí)域響應(yīng)heq(t)，希望均衡后的信道響應(yīng)為： g(t)=f*(t)heq(t)= (t) 就有： Heq(f)F*(-f)=1Heq(f)為均衡器頻域響應(yīng)，F(xiàn)(f)為信道頻域響應(yīng)。n均衡器是傳輸信道的逆濾波器；n由于傳輸信道的時(shí)變性，均衡器必需是參數(shù)可變的自適應(yīng)均衡器；n均衡器的效果是補(bǔ)償信道的頻率選擇性，使衰落趨于平坦、相位趨于線性。均衡器不能抵銷平衰落。頻域均衡器頻域均衡器n頻域均衡器一般在中頻上實(shí)現(xiàn)。n舉例：中頻幅度傾斜均衡器幅度傾斜

11、校正網(wǎng)絡(luò)f1f2檢波檢波差分放大器中頻輸入中頻輸出時(shí)域均衡器（時(shí)域均衡器（1）：）：線性均衡器線性均衡器n橫向?yàn)V波器； 適用于衰落深度不是很大的情況。均衡器對(duì)深衰落的頻譜及鄰近頻譜產(chǎn)生很大增益，從而增加噪聲。 結(jié)構(gòu)簡單。n格型均衡器； 數(shù)值穩(wěn)定性好； 收斂速度快。時(shí)域均衡器（時(shí)域均衡器（2）：）：非線性均衡器非線性均衡器n適用于深度衰落很大的情況。但算法相對(duì)復(fù)雜，且穩(wěn)定性差和收斂時(shí)間長。n判決反饋均衡器（DFE）；n最大似然符號(hào)檢測(cè)（ML）；n最大似然序列檢測(cè)（MLSE）。均衡器算法均衡器算法性能性能n算法性能參數(shù)： 收斂速度：算法進(jìn)入穩(wěn)定的迭代次數(shù)，即收斂時(shí)間； 失調(diào)：濾波器均方差與最優(yōu)的最

12、小均方差的差距； 計(jì)算復(fù)雜度：完成迭代的運(yùn)算次數(shù)； 數(shù)值特性：算法用數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于計(jì)算引起的誤差，影響算法穩(wěn)定性。均衡器算法均衡器算法分類分類n迫零算法；n最小均方算法；n遞歸最小二乘算法；n其它算法。迫零算法迫零算法n調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出響應(yīng)完全消除碼間串?dāng)_，即除中心點(diǎn)外，其它抽樣點(diǎn)的數(shù)值全部為0。n特點(diǎn)：簡單，均衡效果較好。n缺點(diǎn)：沒有考慮噪聲的影響，在深衰落的頻率點(diǎn)處，會(huì)出現(xiàn)很大的噪聲增益。n因此，不太適用于在無線信道。最小均方算法最小均方算法n調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出的期望值和實(shí)際值之間的均方誤差最小。n特點(diǎn)：是一種最簡單的均衡算法。算法的穩(wěn)定性好。n

13、缺點(diǎn)：收斂速度不高，均衡能力有限。n在無線中適用于較慢的、不太深的衰落。遞歸最小二乘算法遞歸最小二乘算法n調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出的累計(jì)平方誤差最小。n特點(diǎn)：收斂速度快，跟蹤性能好。n缺點(diǎn)：算法較復(fù)雜，還要較好的考慮穩(wěn)定性問題。n在無線中適用于快衰落信道。聯(lián)合編碼技術(shù)聯(lián)合編碼技術(shù)聯(lián)合編碼說明聯(lián)合編碼說明n什么叫聯(lián)合編碼？經(jīng)典的無線通信系統(tǒng)是將信源編碼和信道編碼分別進(jìn)行的。信源編碼主要考慮信源的統(tǒng)計(jì)特性，信道編碼主要考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性。n優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、通用性好，可以分別形成標(biāo)準(zhǔn)。n缺點(diǎn)是沒有充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，因而不是最佳的。聯(lián)合編碼說明聯(lián)合編碼說明n無線系統(tǒng)的信源編碼由于壓縮比很高，對(duì)差錯(cuò)十分敏感；而信道編碼面臨十分惡劣的傳播環(huán)境，但提供的帶寬冗余度很小。n在這種背景下，需要將信源編碼和信道編碼綜合考慮。這就是聯(lián)合編碼的基本思路。n在無線多媒體通信中，聯(lián)合編碼是抗衰落的一種十分有效的措施。信源信道聯(lián)合編碼的系統(tǒng)模型信源信道聯(lián)合編碼的系統(tǒng)模型)(RcRsk調(diào)制+解調(diào))(tnxvkRsw信源編碼器量化信道編碼器w v x 信源