無線通信工程-第10講－抗衰落

1、無線通信工程2001年12月8日1第九講無線通信的抗衰落技術(shù)2內(nèi)容提要概述非頻率選擇性衰落的對抗技術(shù)頻率選擇性衰落的對抗技術(shù)均衡技術(shù)分集技術(shù)瑞克技術(shù)聯(lián)合編碼技術(shù)3概述4什么叫衰落？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隨時間變化的現(xiàn)象叫做衰落。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。衰落根據(jù)其時間特性可以分為二類：快衰落和慢衰落。5衰落有什么影響？衰落影響之一：接收電平降低，無法保證正常通信。衰落影響之二：接收波形畸變，產(chǎn)生嚴重的誤碼。衰落影響之三：傳播延時變化，破壞與時延有關(guān)的同步。衰落影響之四：在快衰落情況下，由于電

2、平變化迅速，影響某些跟蹤過程。所以，對抗衰落是無線通信必需認真解決的問題。6如何對抗衰落？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；在移動通信中采用微蜂窩、直放站；采用分集技術(shù)、均衡技術(shù)、瑞克技術(shù)、糾錯技術(shù)等。7非頻率選擇性衰落的對抗技術(shù)8對抗原理非頻率選擇性衰落主要體現(xiàn)為接收電平的降低。統(tǒng)計特性：平均接收電平及接收電平降低到某個門限值以下的概率?？顾ヂ涞脑恚核ヂ鋬浞ā?無線傳播方程門限接收電平其中：Eb/N0為歸一化門限信噪比的實際值，F(xiàn)為接收機噪聲系數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為絕對溫度，fb為傳輸比特率。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)

3、的損耗，LS為傳播路徑損耗。10傳播統(tǒng)計注意：LS是一個隨機變量，存在平均傳播損耗LS,平均及傳播損耗大于某個值的概率P（LSa）。如果信道沒有衰落，傳播損耗取平均傳播損耗，就有：令：Pr,平均Pro，即平均接收電平等于門限接收電平，無線通信系統(tǒng)就能正常工作。實際無線傳播信道是有衰落的，因此在沒有衰落時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。11衰落儲備法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為衰落儲備。對抗非頻率選擇性衰落的主要方法是衰落儲備法，即通過選擇足夠的衰落儲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）的概率小于某個值。12衰落儲

4、備法（續(xù)）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為頻率因子，n為距離因子。若選擇衰落儲備量RFd，就可以保證通信中斷率的要求。衰落儲備的實現(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)及對歸一化信噪比的要求等。13頻率選擇性衰落的對抗技術(shù)14對抗原理頻率選擇性衰落主要是由于多徑效應(yīng)引起的。多徑效應(yīng)最嚴重的后果之一是在信道傳遞函數(shù)中引入一個非理想的Hc(f)，破壞奈奎斯特準則和匹配濾波準則，從而產(chǎn)生碼間串擾，使有效的Eb/No惡化。對抗頻率選擇性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影響。15對抗原理（續(xù)）對抗頻率選擇性衰落

5、的主要方法：分集技術(shù)；瑞克技術(shù)；均衡技術(shù)；糾錯技術(shù)。16分集技術(shù)17分集原理原理：利用無線傳播環(huán)境中來自不同途徑的多徑信號的統(tǒng)計獨立性進行合并，從而實現(xiàn)分集。首先要找出來自不同途徑的多徑信號，這些途徑可以是不同的空間、不同的極化、不同的頻率、不同的時間。其次要以某種方法進行合并。應(yīng)該指出：分集技術(shù)不僅能改善頻率選擇性衰落，同時也能改善非頻率選擇性衰落。18分集方式采用什么途徑接收分集信號？空間分集：不同天線的接收信號相互獨立；極化分集：水平極化和垂直極化的信號相互獨立；頻率分集：不同頻率的接收信號相互獨立；時間分集：不同時間的接收信號相互獨立。19合并方式從分集信號中以什么方式作為輸出？選擇式

6、合并：選擇最好的支路作為輸出，其它支路丟棄。最大增益合并：調(diào)整各個支路主徑的相位，使之同相，然后進行等增益相加。最小色散合并：調(diào)整各個支路次徑的相位及幅度，使之反相抵銷。最大比合并：調(diào)整各個支路的相位，使之同相，然后按照各個支路的信噪比數(shù)值進行加權(quán)相加。20分集舉例空間分集及其合并S1(t)S2(t)相加相位幅度控制檢測分集后的接收信號S1(t)S2(t)最大增益合并最小色散合并21瑞克技術(shù)22一種時間分集：瑞克接收對時間上擴散的信號進行分集，盡可能多的獲取信號能量。對多徑信號進行分離，根據(jù)信道估計的結(jié)果來進行多徑信號合并。對于CDMA系統(tǒng)，當多徑延時大于一個碼片時，多徑信號可以看成是不相關(guān)的

7、。23瑞克接收的基本原理-多徑傳輸環(huán)境時變： 頻率、相位、時間的變化24瑞克接收機原理相關(guān)1相關(guān)2相關(guān)M接收機框圖積分判決a1a2aMCDMA多徑信號判決輸出25瑞克接收機工作過程假設(shè)接收信號中可以分離出M個不同延時的多徑分量，每個分量用不同的相關(guān)器進行相關(guān)運算。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)器就可以檢測出各個支路的CDMA信號能量。對各個相關(guān)器的輸出進行加權(quán)，然后相加，就得到發(fā)送信號的最大可能的能量輸出，對此輸出進行判決再生，就可以恢復(fù)出數(shù)字信息。加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)不同的準則，如：最大功率準則、最大信噪比準則，等。26另一種時間分集：交織技術(shù)原理：在無線通信中由

8、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)、純隨機的，而是存在隨機誤碼和突發(fā)誤碼。采用交織可以減少突發(fā)誤碼的影響。交織不增加額外開銷。交織可以保護信源編碼中的特殊比特。交織與糾錯編碼同時使用，進一步提高傳輸質(zhì)量。交織器二種類型：分組交織、卷積交織。交織器會引入時延（對語音不能超過40ms）。27均衡技術(shù)28均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡器：減少碼間干擾。工作模式：訓(xùn)練模式和跟蹤模式。均衡器分類頻域均衡器，時域均衡器；線性均衡器，非線性均衡器。均衡器實現(xiàn)方法中頻均衡器；基帶均衡器。29均衡原理均衡器頻域表達： 信道時域響應(yīng)f(t)，均衡器時域響應(yīng)heq(t)，希望均衡后的信道響應(yīng)為： g(t)=f*(

9、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)。均衡器是傳輸信道的逆濾波器；由于傳輸信道的時變性，均衡器必需是參數(shù)可變的自適應(yīng)均衡器；均衡器的效果是補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。30頻域均衡器頻域均衡器一般在中頻上實現(xiàn)。舉例：中頻幅度傾斜均衡器幅度傾斜校正網(wǎng)絡(luò)f1f2檢波檢波差分放大器中頻輸入中頻輸出31時域均衡器（1）：線性均衡器橫向濾波器；適用于衰落深度不是很大的情況。均衡器對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。格型均衡器；數(shù)值穩(wěn)定性好；收斂速度快。32

10、時域均衡器（2）：非線性均衡器適用于深度衰落很大的情況。但算法相對復(fù)雜，且穩(wěn)定性差和收斂時間長。判決反饋均衡器（DFE）；最大似然符號檢測（ML）；最大似然序列檢測（MLSE）。33均衡器算法性能算法性能參數(shù)：收斂速度：算法進入穩(wěn)定的迭代次數(shù)，即收斂時間；失調(diào)：濾波器均方差與最優(yōu)的最小均方差的差距；計算復(fù)雜度：完成迭代的運算次數(shù)；數(shù)值特性：算法用數(shù)字邏輯實現(xiàn)時，由于計算引起的誤差，影響算法穩(wěn)定性。34均衡器算法分類迫零算法；最小均方算法；遞歸最小二乘算法；其它算法。35迫零算法調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出響應(yīng)完全消除碼間串擾，即除中心點外，其它抽樣點的數(shù)值全部為0。特點：簡單，均衡效果

11、較好。缺點：沒有考慮噪聲的影響，在深衰落的頻率點處，會出現(xiàn)很大的噪聲增益。因此，不太適用于在無線信道。36最小均方算法調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出的期望值和實際值之間的均方誤差最小。特點：是一種最簡單的均衡算法。算法的穩(wěn)定性好。缺點：收斂速度不高，均衡能力有限。在無線中適用于較慢的、不太深的衰落。37遞歸最小二乘算法調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出的累計平方誤差最小。特點：收斂速度快，跟蹤性能好。缺點：算法較復(fù)雜，還要較好的考慮穩(wěn)定性問題。在無線中適用于快衰落信道。38聯(lián)合編碼技術(shù)39聯(lián)合編碼說明什么叫聯(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行的。信源編碼主要考慮信源的統(tǒng)計特性，信道編碼主要考慮信道的統(tǒng)計特性。優(yōu)點是設(shè)計簡單、通用性好，可以分別形成標準。缺點是沒有充分利用各自的優(yōu)勢，因而不是最佳的。40聯(lián)合編碼說明無線系統(tǒng)的信源編碼由于壓縮比很高，對差錯十分敏感；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。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。在無線多媒體通信中，聯(lián)合編碼是抗衰落的一