電子科技大學《移動通信原理》 第四章 抗衰落和鏈路性能增強技術

第四章抗衰落和鏈路性能增強技術程郁凡chengyf@通信抗干擾技術國家級重點實驗室衰落產(chǎn)生的原因第四章抗衰落和鏈路性能增強技術2三月24不同信道條件對系統(tǒng)性能影響3差的信道極差的信道好的信道降低衰落影響的方法第四章抗衰落和鏈路性能增強技術4抗失真技術：減少或消除失真的技術抗SNR損耗：能最佳地達到AWGN系統(tǒng)性能的技術頻率選擇性失真自適應均衡擴頻：DS或FHOFDM基于導頻的信道估計平坦衰落和慢衰落糾錯編碼某種類型的分集獲得附

加的不相關信號估計

時間分集(ARQ等)頻率分集空間分集快衰落失真魯棒調制(非相干或差分相干)提高信息傳輸速率糾錯編碼和交織三月24第四章內(nèi)容4.1分集技術4.2信道編碼與交織4.3均衡技術4.4擴頻技術4.5多天線技術4.6鏈路自適應技術第四章抗衰落和鏈路性能增強技術5三月244.1分集技術分集技術的基本概念宏觀分集微觀分集分集的合并方式及性能第四章抗衰落和鏈路性能增強技術6三月244.1.1分集技術的基本概念深衰落決定了無線傳輸系統(tǒng)的誤碼率。第四章抗衰落和鏈路性能增強技術7深衰落圖4.1衰落影響示意圖三月24分集的原理原理：信號經(jīng)過“復制”和映射，在多個獨立信道上傳播，則各獨立信號傳播路徑同時經(jīng)歷深度衰落的概率降低。8兩條路徑同時出現(xiàn)深衰落的概率降低t/f/d/p接收信號功率三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術分集技術的概念概念：利用加性獨立（或至少是不相關）的衰落路徑傳送相同的信號并合并，從而提高接收信號的信噪比。目標：對抗移動信道造成的各種衰落，既可抗失真又可抗SNR損耗。本質：對同一信號在不同時間、頻率、空間、極化方向的采樣。難點：如何得到多路信號？如何合并多路信號？第四章抗衰落和鏈路性能增強技術9三月244.1.2宏觀分集多基站分集抗大尺度路徑損耗第四章抗衰落和鏈路性能增強技術10三月244.1.3微觀分集抗小尺度衰落空間分集用不相關的兩個以上天線或者同一天線的不同極化方向傳輸同一個信號頻率分集用兩個以上載頻傳輸同一個信號。時間分集在不同時間傳輸同一個信號。第四章抗衰落和鏈路性能增強技術11三月24多天線分集發(fā)射分集接收分集獲取空間分集的條件多個路徑之間的距離>>空間相干距離12空間分集(1)圖4.2多天線分集(a)發(fā)射分集(b)接收分集空間分集(2)第四章抗衰落和鏈路性能增強技術13圖4.3發(fā)射分集和接收分集的聯(lián)合MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多入多出)三月24ARQ：AutomaticRepeatreQuest頻率分集和時間分集頻率分集傳輸信息以不同的頻率進行傳輸頻率間距>>相干帶寬常見方式：直接序列擴頻DSSS、跳頻FH時間分集傳輸信息在不同的時刻重復傳輸信號重發(fā)時間間隔>>相干時間常見方式：ARQ、Rake接收機、交織、重復編碼等14DSSS：DirectSequenceSpreadSpectrumFH：FrequencyHopping舉例[例4.1]工作頻段為800~900MHz，典型的時延擴展值為5us，多普勒擴展為5Hz，采用重傳獲取分集增益，問能獲取頻率分集的載頻間隔；能獲取時間分集的重傳時間間隔。解：信道相干帶寬：信道相干時間:為獲取頻率分集，兩次重傳的載頻間隔應遠大于40kHz;

為獲取時間分集，兩次重傳的時間間隔應遠大于84.6ms第四章抗衰落和鏈路性能增強技術15三月244.1.4分集的合并方式及性能問題：接收到分集信號后，以什么方式作為輸出？選擇合并最大比合并等增益合并評價中斷概率誤比特率16設：各支路信號相互獨立，包絡服從瑞利分布，具有相同的平均功率?M：分集支路選擇合并(SC：SelectionCombining)選擇具有最大SNR的分支三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術17圖4.4選擇合并示意圖選擇合并性能分析設：沒有LOS，接收信號的包絡呈瑞利衰落特性，第k條支路信號的包絡為rk，則其概率密度函數(shù)為：信號的瞬時功率為rk2/2，設各支路的噪聲平均功率相同，為Nk，則第k條支路的信噪比為：根據(jù)連續(xù)型隨機變量的函數(shù)的概率密度函數(shù)，若隨機變量X的概率密度函數(shù)為pX

(x)，函數(shù)Y=g(x)處處可導，且導數(shù)>0，若h(y)是g(x)的反函數(shù)，則Y的概率密度函數(shù)為181920設：選擇合并輸出的信噪比：

M正常工作的信噪比門限：

t當某個支路的信噪比

k<

t時，該支路發(fā)生深衰落，某支路發(fā)生深衰落的概率為：當

M

<

t時，通信中斷，中斷概率為：

M

t的概率（正常工作的概率）為：通信中斷的概率21圖4.5選擇合并的通信中斷概率22因為通信中斷的概率為：

M的概率密度函數(shù)為：求出

M的均值：選擇合并性能分析選擇合并的增益GS為：特點：實現(xiàn)簡單，但不是最優(yōu)的。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術23最大比合并(MaximalRatioCombining)所有分支依據(jù)信噪比（SNR）進行加權相干合并（調整同相后再相加）三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術24圖4.6最大比合并示意圖最大比合并性能分析25M路合并輸出信號的包絡：合并信號的瞬時功率：合并輸出的噪聲總功率：合并器輸出的信噪比由許瓦茲不等式：若滿足，等式成立。因此，當下式成立時，

M最大：26即是一個由兩個零均值，方差為的高斯隨機變量構成的自由度為2的中心

2分布（也是指數(shù)分布）。則

M是一個由2M個零均值，方差為的高斯隨機變量構成的自由度為2M的中心

2分布，概率密度函數(shù)為：中斷概率：27最大比合并性能分析若各支路具有相同的平均信噪比合并增益：特點：性能最優(yōu)，實現(xiàn)復雜。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術28等增益合并所有分支等權重相干合并等增益合并輸出的包絡設各支路噪聲平均功率相等，則輸出的信噪比為：三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術29各支路不相關，所以又rk都為瑞利分布，且均值相同，方差相同：30不同合并性能比較三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術31圖4.7各種合并方式的改善分集對數(shù)字移動通信誤碼的影響平均誤符號率：

為AWGN信道下的誤符號率

無分集時的平均信噪比（符號、比特）：M分集時每條支路的平均信噪比（符號）：3233以DPSK非相干解調、選擇合并為例：1)AWGN信道下：2)Rayleigh信道，無分集：343)Rayleigh信道，M分集，選擇合并：分集對數(shù)字移動通信誤碼的影響35圖4.8M=2時各種合并方式DPSK的誤碼性能約9dBAWGNRayleigh衰落信道分集技術36分集技術分集的目的信號傳輸方式獲得多路信號的方式宏觀分集（抗長期衰落）微觀分集（抗短期衰落）顯分集隱分集交織和編碼技術跳頻技術直接序列擴頻技術空間位置分集(多天線)空間角度分集(智能天線)時間分集頻率分集(跳頻或直擴)極化分集三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術第四章內(nèi)容4.1分集技術4.2信道編碼與交織4.3均衡技術4.4擴頻技術4.5多天線技術4.6鏈路自適應技術第四章抗衰落和鏈路性能增強技術37三月24降低衰落影響的方法第四章抗衰落和鏈路性能增強技術38抗失真技術：減少或消除失真的技術抗SNR損耗：能最佳地達到AWGN系統(tǒng)性能的技術頻率選擇性失真自適應均衡擴頻：DS或FHOFDM基于導頻的信道估計平坦衰落和慢衰落糾錯編碼某種類型的分集獲得附

加的不相關信號估計

時間分集(ARQ等)頻率分集空間分集快衰落失真魯棒調制(非相干或差分相干)提高信息傳輸速率糾錯編碼和交織三月24信道編譯碼在無線通信系統(tǒng)中的位置圖4.9無線通信系統(tǒng)的基本組成框圖39信息序列重構信息序列4.2信道編碼與交織1948年香農(nóng)提出有噪信道編碼定理：只要信息傳輸速率小于信道容量，就存在一類編碼，使信息傳輸?shù)腻e誤概率可以任意小。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術404.2.1信道編碼的基本概念為什么引入信道編碼移動信道是變參信道，會引起隨機錯誤與突發(fā)錯誤。信道編碼的目的保證信息傳輸?shù)目煽啃浴⑻岣邆鬏斮|量。信道編碼的定義在信息碼元中增加一些冗余碼元，用來在接收端檢測或糾正在有噪信道中引入的誤碼。41基本術語碼字：信息碼元與冗余碼元一起構成的消息塊稱為碼字。碼率：碼距（d）：是指兩個碼字中對應碼元位不相同的數(shù)目。如果是二進制碼，又稱為漢明距。碼組中任意兩個碼字之間的最小距離稱為最小碼距dmin。42k個碼元k個碼元n-k個碼元信息碼元冗余碼元(校驗碼元)信道編碼本質43最小碼距dmin實際代表了糾檢錯能力。信道編碼本質：增加最小碼距dmin。性能指標性能指標編碼效率：碼率R編碼增益：編碼延時編譯碼器的復雜度主要分類按碼結構分：分組碼和卷積碼三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術44常見的信道編碼1)分組碼(BlockCodes)2)卷積碼(ConvolutionalCodes)3)Turbo碼4)LDPC碼(LowDensityParityCodes)三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術454.2.2卷積碼卷積碼的校驗碼元與當前k個碼元和前m段的mk個碼元有關記為(n,k,m)卷積碼k:輸入信息長度n:輸出碼字長度

m:記憶深度約束長度:l=m+1碼率：R=k/n三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術46卷積編碼器結構三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術47圖4.10(2,1,2)卷積編碼器結構（n,k,m）卷積編碼器，m：記憶深度，通常表示移位寄存器個數(shù)。卷積編碼器的多項式描述輸入輸入序列：輸入多項式：生成多項式：輸出：三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術48(2,1,2)卷積編碼器結構49舉例說明：輸入序列11101時，寄存器初值為0，如圖所示的二進制(2,1,2)卷積編碼器，求編碼輸出序列。生成多項式為：輸入多項式為：輸出：(2,1,2)卷積編碼器結構50卷積編碼器的狀態(tài)圖描述狀態(tài)：51(2,1,2)卷積編碼器結構00s010s101s211s31/110/000/001/110/100/101/011/010/110/111/001/000/010/011/101/100000000111110001111001a/b1b2圖4.11(2,1,2)卷積碼的狀態(tài)圖卷積編碼器的網(wǎng)格圖描述網(wǎng)格圖：把編碼器的狀態(tài)圖沿時間軸展開0/001/110/101/010/111/000/011/10圖4.12(2,1,2)卷積碼L=4的網(wǎng)格圖L：信息序列長度，Lk個比特舉例：利用網(wǎng)格圖分析卷積編碼過程及路徑輸入：狀態(tài)：輸出：531/110/101/010/111/000/011/101/1111101…1/011/100/011/0000/10補mk個零00/110/0010路徑輸出的碼字序列卷積碼的譯碼54譯碼任務由接收序列R給出與發(fā)端信息序列M最接近的估值序列譯碼器根據(jù)接收R產(chǎn)生發(fā)送C的估值序列P(R)：接收R的概率，與譯碼方法無關。最大后驗概率譯碼55最佳譯碼規(guī)則最大后驗概率譯碼（MAP：MaximumA

Posteriori）L：輸入信息序列長度（分支長度），假設k=1最大似然譯碼56若發(fā)端發(fā)送每個碼字的概率P(C(i))均相同，則有最大似然譯碼（ML：MaximumLikelihood）尋找似然函數(shù)最大的碼字C(m)，并讓C(m)作為發(fā)送序列似然函數(shù)57假設碼率為1/n，即每個分支n個碼元，假設信道無記憶尋找似然函數(shù)最大值對應的路徑為簡化計算，取對數(shù)似然函數(shù)58從2L條路徑中選擇對數(shù)似然函數(shù)值最大的一條路徑？復雜度太高！維特比譯碼分支度量路徑度量卷積碼的維特比譯碼基本思想是一種最大似然譯碼，分段處理，每級每個狀態(tài)都只保留當前最有可能的一條路徑，k=1時，中間每級只有2m條路徑（m<<L），大大降低復雜度。兩個步驟加-比-選回溯譯碼PM：PathMeritBM：BranchMerit硬判決：解調器直接判0或1（1比特量化）分支度量：漢明距離

例如若Cl

(m)=00，Rl

=00，BM=0；Rl

=10，BM=1；硬判決譯碼——尋找與接收序列漢明距最小的路徑分支度量值的計算(1)分支度量BM距離越小，似然值越大Rl

=01，BM=1；Rl

=11，BM=2；分支度量值的計算(2)軟判決：解調器對輸出進行q（q>1）比特量化（帶符號）。分支度量：對數(shù)似然值，例如BPSK，61分支度量BM6263分支度量BM軟判決譯碼——尋找對數(shù)似然函數(shù)最大值路徑。相當于尋找與接收序列的內(nèi)積最大的碼字序列（雙極性碼元）路徑。所有路徑該項相同6411信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（第一步）補零0/001/110/101/010/111/000/011/1000206511信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（第二步）補零0/001/110/101/010/111/000/011/1000200031131020106611信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（第三步）補零0/001/110/101/010/111/000/011/1000200031131020100041141030151130030121006711信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（第四步）補零0/001/110/101/010/111/000/011/1001020101130030121000041141050131130030101026811信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（第五步）補零0/001/110/101/010/111/000/011/1000100121001130030101020041141050131110010121046911信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（第六步）補零0/001/110/101/010/111/000/011/1000100121003010102013111001012000010111301527011信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（第七步）補零0/001/110/101/010/111/000/011/1000101000101110010010120031127111信息序列M：1110100發(fā)送碼字C：11011001001011接收序列R：11011001011010舉例：維特比硬判決譯碼（路徑回溯）補零00101000100011011120010111維特比譯碼的特點維特比譯碼的特點維特比算法是最大似然譯碼算法運算量和存貯量與狀態(tài)數(shù)2km呈線性關系（(n,k,m)卷積碼）運算量和存貯量與碼長L呈線性關系截尾譯碼分段譯碼，降低復雜度。譯碼深度h：

m為編碼器記憶深度（即約束長度-1）三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術72卷積碼的自由距自由距df任意長編碼序列之間的最小漢明距卷積碼的自由距等于編碼器從全0狀態(tài)出發(fā)，又回到該狀態(tài)時，所有可能非全0路徑重量的最小值。73重量最小的路徑：在譯碼深度長度內(nèi)，可以糾正[(df-1)/2]個隨機錯誤。卷積碼的編碼增益74表4.11/2卷積編碼的自由距和編碼增益（硬判決）mg1(八進制)g2(八進制)df編碼增益25750.973647461.764467272.435655783.016171133103.987712476103.988561753124.77采用(2,1,8)卷積碼的BPSK系統(tǒng)性能75約3.9dB約2dB約4.2dB圖4.13采用(2,1,8)卷積碼的BPSK系統(tǒng)性能幾種重要編碼的指標比較以1/2碼率，P

e<10-5為例三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術76表4.2幾種重要編碼的指標比較年份碼型相對信噪比(dB)1948香農(nóng)碼01967（255,125）BCH碼5.41977卷積碼4.51993Turbo碼0.72001LDPC碼0.0045

信道編碼的應用應用（檢錯基本都用CRC）GSM和IS-95主要采用卷積碼3G話音:卷積碼數(shù)據(jù):卷積碼,Turbo碼

B3G話音:卷積碼數(shù)據(jù):卷積碼,Turbo碼,LDPC碼三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術774.2.3交織交織把一條消息中的比特以非連續(xù)方式傳送，使突發(fā)差錯信道變?yōu)殡x散信道，便于利用糾錯碼消除隨機錯。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術78交織解交織輸入輸出獨立無記憶信道編碼調制解調譯碼突發(fā)信道……………………交織方法行列交織、卷積交織、隨機交織7d,…6,5,4,3,2,17d,…,16,9,2,7d-6,…,15,8,17d,…,16,9,2,7d-6,…,15,8,17d,…10,9,8,7,6,5,4,3,2,1交織延遲圖4.14行列交織示意圖(突發(fā)錯誤小于交織深度)突發(fā)錯誤126789131415162021…………7d-67d-57d-17dn=7,交織寬度d,交織深度12891516……7d-67d-561320…7d-171421…7d7d,…,16,9,2,7d-6,…,15,8,1圖4.15突發(fā)錯誤大于交織深度交織深度小于突發(fā)錯誤長度，導致解交織后仍有相鄰的突發(fā)錯誤，不利于譯碼糾錯。7d,…,10,3,7d-5…,16,9,2,7d-6,…,15,8,17d,…10,9,8,7,6,5,4,3,2,1突發(fā)錯誤…………7d,…6,5,4,3,2,1126789131415162021…………7d-67d-57d-17dn=7,交織寬度d,交織深度…………12891516……7d-67d-531017…7d-471421…7d交織參數(shù)交織深度交織前相鄰兩符號在交織后的間隔距離，要求>>相干時間→時間分集交織寬度交織后相鄰兩符號在交織前的間隔距離，取決于使用的編碼機制。分組碼：交織寬度>分組長度卷積碼：交織寬度>譯碼約束長度收發(fā)交織延遲交織器與解交織器的端到端延遲（不含信道傳輸延遲：每個符號從解交織器輸出時相對于輸入交織器時的時間延遲。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術81舉例[例4.2]系統(tǒng)采用行列交織器來對抗突發(fā)衰落，Rs=30kbit/s，信道的最大多普勒頻移為80Hz，試求能使符號衰落獨立所需要的最小交織深度？解：碼元周期信道相干時間:

要保證交織后衰落的獨立性，交織后符號間間隔必須>>Tc

交織深度：82三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術83圖4.16交織深度變化時的差錯性能交織深度變化時的差錯性能0.05第四章內(nèi)容4.1分集技術4.2信道編碼與交織4.3均衡技術4.4擴頻技術4.5多天線技術4.6鏈路自適應技術第四章抗衰落和鏈路性能增強技術84三月24降低衰落影響的方法第四章抗衰落和鏈路性能增強技術85抗失真技術：減少或消除失真的技術抗SNR損耗：能最佳地達到AWGN系統(tǒng)性能的技術頻率選擇性失真自適應均衡擴頻：DS或FHOFDM基于導頻的信道估計平坦衰落和慢衰落糾錯編碼某種類型的分集獲得附

加的不相關信號估計

時間分集(ARQ等)頻率分集空間分集快衰落失真魯棒調制(非相干或差分相干)提高信息傳輸速率糾錯編碼和交織三月244.3均衡技術4.3.1基本原理碼間干擾和橫向濾波器評價均衡器性能的準則均衡器系數(shù)的計算4.3.2非線性均衡器判決反饋均衡器最大似然估計均衡器4.3.3自適應均衡器三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術864.3.1基本原理碼間干擾87符號1符號2符號3符號4……符號1符號2符號3符號4……圖4.17理想和實際接收信號沖激響應的差異均衡接收端產(chǎn)生與信道相反的特性，消除信道的時間和頻率選擇性。發(fā)端：經(jīng)過信道：均衡后：頻域：三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術88廣義信道h(n)均衡器e(n)判決

(n)均衡器的橫向濾波器結構基本結構三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術89

TTTTc-Nc-1c0c1cN抽頭加權算法ci輸出y(t)輸入x(t)……圖4.18均衡器的橫向濾波器結構舉例[例4.3]發(fā)端發(fā)送一個單脈沖信號，接收端

輸入序列{xn}=(1/4,1,1/2)，將其經(jīng)過一個三抽頭的均衡器，系數(shù)為(c-1,c0,c1)=(-1/3,4/3,-2/3)，求均衡器的輸出。均衡器的輸出：三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術90通過均衡，碼間干擾得到了改善均衡準則911）最小峰值失真準則使碼間干擾的峰值最小。2）最小均方畸變準則使碼間干擾的均方誤差最小?；蛘呔馄飨禂?shù)的計算(1)1）按最小峰值失真準則最優(yōu)化算法：迫零算法：若均衡前的初始畸變D0滿足：則D的最小值必定發(fā)生在y0前后的yn

=0的情況。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術9293舉例

[例4.4]發(fā)端發(fā)送一個單脈沖信號，接收端

輸入序列{xn}=(0,1/4,1,1/2,0)，將其經(jīng)過一個三抽頭的均衡器，求按峰值畸變最小的均衡器系數(shù)。解：用迫零算法：94均衡器系數(shù)的計算(2)2）按最小均方誤差準則L的最小值必定發(fā)生在偏導數(shù)為零處，求解得其中：三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術954.3.2非線性均衡器輸入和輸出為非線性關系。判決反饋均衡器（DFE：DecisionFeedbackEqualization）：利用了先前的判決信息96圖4.19判決反饋均衡器當前估值拖尾干擾非線性均衡器最大似然序列均衡器（MLSE：MaximumLikelihoodSequenceEstimationEqualization）三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術97圖4.20維特比均衡器4.3.3自適應均衡器自適應均衡：能夠基于對信道特性的測量隨時調整自己的系數(shù)，以適應信道特性的變化。訓練模式：發(fā)端發(fā)送一個接收端已知的序列使均衡器迅速收斂，完成抽頭系數(shù)初始化；跟蹤模式：直接利用通信中傳輸?shù)臄?shù)字信號的判決形成誤差信號，并依據(jù)自適應算法跟蹤調節(jié)抽頭系數(shù)。98圖4.21自適應均衡器自適應均衡正向均衡：利用本時隙訓練序列對當前數(shù)據(jù)進行均衡反向均衡：利用下時隙訓練序列對當前數(shù)據(jù)進行均衡99選擇誤差小的均衡結果正向均衡反向均衡均衡器性能指標算法收斂速度算法收斂時所需要的迭代次數(shù)算法復雜度完成迭代所需要的運算次數(shù)穩(wěn)定性三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術100實際系統(tǒng)中的均衡技術均衡按實現(xiàn)的域分類時域/頻域均衡在寬帶單載波系統(tǒng)中常用頻域均衡技術在窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)中常用時域均衡技術GSM

訓練序列位于時隙中間常用自適應非線性均衡器，例如維特比均衡三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術101第四章內(nèi)容4.1分集技術4.2信道編碼與交織4.3均衡技術4.4擴頻技術4.5多天線技術4.6鏈路自適應技術第四章抗衰落和鏈路性能增強技術102三月24降低衰落影響的方法第四章抗衰落和鏈路性能增強技術103抗失真技術：減少或消除失真的技術抗SNR損耗：能最佳地達到AWGN系統(tǒng)性能的技術頻率選擇性失真自適應均衡擴頻：DS或FHOFDM基于導頻的信道估計平坦衰落和慢衰落糾錯編碼某種類型的分集獲得附

加的不相關信號估計

時間分集(ARQ等)頻率分集空間分集快衰落失真魯棒調制(非相干或差分相干)提高信息傳輸速率糾錯編碼和交織三月244.4擴頻技術4.4.1擴頻通信概述4.4.2偽噪聲序列4.4.3直接序列擴頻通信系統(tǒng)4.4.4跳頻擴頻通信系統(tǒng)三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術1044.4.1擴頻通信概述擴頻通信的理論基礎香農(nóng)公式：展寬信號帶寬W

，以帶寬的增加來換取傳輸性能的改善。擴頻的定義擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的擴頻碼序列來完成，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用同樣的擴頻碼進行相關解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術105擴頻系統(tǒng)模型三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術106圖4.22擴頻系統(tǒng)模型收發(fā)雙方已知窄帶寬帶窄帶寬帶干擾環(huán)境下的窄帶通信系統(tǒng)發(fā)端收端三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術107圖4.23干擾環(huán)境下的窄帶通信系統(tǒng)系統(tǒng)無法正常工作擴頻系統(tǒng)的優(yōu)點降低信號功率譜密度——抗截獲干擾抑制——抗干擾108圖4.24擴頻系統(tǒng)抗干擾能力示意圖發(fā)端收端問題：擴頻系統(tǒng)是否具有抗白噪聲能力？109窄帶系統(tǒng)圖4.25白噪聲環(huán)境下的窄帶系統(tǒng)與擴頻系統(tǒng)擴頻后的白噪聲功率譜密度不變，頻譜的擴展在白噪聲環(huán)境下不會帶來性能的提升。擴頻系統(tǒng)擴頻處理增益擴頻處理增益GP三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術110擴頻技術的種類直接序列擴頻（簡稱直擴，DS:DirectSequence）要傳送的信息序列經(jīng)偽隨機序列調制后對載波進行調制，偽隨機序列的速率遠大于信息的速率，已調制信號的帶寬遠大于信息的頻譜寬度；跳頻（FH:FrequencyHopping）信號的載波頻率受偽隨機序列的控制在一個頻段內(nèi)跳變，頻率跳變的范圍遠大于信息的頻譜寬度；跳時（TH：TimeHopping）把一個信息碼元劃分成若干個時隙，用偽隨機序列控制信息碼元以突發(fā)的方式偽隨機地在某一個時隙傳輸?；旌蠑U頻如DS/FH，F(xiàn)H/TH等。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術1114.4.2偽噪聲序列適用于擴頻的偽隨機序列的特點自相關，互相關特性好有近似噪聲的頻譜性質常用序列m序列Gold序列三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術112PN：PseudoNoisem序列m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱寄存器個數(shù)（級數(shù)）：n序列周期N：

N=2n－1抽頭系數(shù)結構需滿足一定條件，見表4.4。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術113圖4.26m序列發(fā)生器的結構m序列的性質平衡特性在m序列的一個周期中，1的數(shù)目比0多1個。游程特性游程：隨機序列中連續(xù)出現(xiàn)0或1的子序列游程長度：連續(xù)的0或1的個數(shù)在n級m序列一個周期中，共有2n-1個游程。長為k(1

k

n-2)的游程數(shù)占游程總數(shù)的l/2k

（0游程和1游程各占一半）有1個長為n的1游程，1個長為n-1的0游程三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術114m序列的相關特性兩個序列的互相關函數(shù)A：序列a,b對應位模二加后的

“0”的個數(shù)D：序列a,b對應位模二加后的“1”的個數(shù)m序列的自相關性周期的二值函數(shù)115m序列的功率譜m序列是一個周期信號，功率譜是一個離散譜。116117舉例：n=4，C0=C1=C4=1輸出：111101011001000平衡特性

7個0，8個1，相差為1游程特性游程總數(shù)：2n-1=24-1=8長度1的游程：4個=8/21長度2的游程：2個=8/22長度3的游程：1個長度4的游程：1個輸出：111101011001000自相關特性118舉例：n=4，C0=C1=C4=1

發(fā)端信息的擴頻收端信息的解擴TsTc000104.4.3直接序列擴頻通信系統(tǒng)1直接序列擴頻原理圖Rs=1/TsRc=1/Tc120舉例：輸入比特序列為01101，如果用長度為4的擴頻碼1010對其進行直接序列擴頻，求擴頻后的碼片序列是什么？擴頻增益為多少dB？擴頻增益直擴系統(tǒng)的特點由高碼率的擴頻序列對低速率的信息進行調制以擴展頻譜擴頻碼序列多采用偽隨機碼(PN)調制方式多采用BPSK或QPSK接收端多采用本地PN序列對接收信號進行相關解擴擴頻和解擴的偽隨機碼序列應有嚴格的同步一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實現(xiàn)其抗干擾能力的提高。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術121直擴系統(tǒng)的抗干擾122發(fā)端收端抗多徑干擾和RAKE接收RAKE接收：利用擴頻碼的相關特性進行多徑分離與合并，實現(xiàn)時間分集與多徑分集。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術123大于Tc

124未擴頻系統(tǒng)：多徑信號的矢量合成直擴系統(tǒng)：采用相關解擴、沒有Rake接收直擴系統(tǒng)：采用相關解擴、Rake接收后的合成矢量第1徑第2徑第3徑接收后的合成矢量RAKE接收原理(1)圖4.27RAKE接收機結構125RAKE接收機結構RAKE接收原理(2)多徑分離Chip周期小于多徑時延差直擴序列信號的自相關好多徑合并準則第一路徑準則；最強路徑準則；最大比合并準則；等增益合并準則……RAKE接收的本質時間分集、多徑分集三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術126直擴系統(tǒng)的抗衰落抗頻率選擇性失真：擴頻碼的碼片時間小于多徑時延差時，可利用擴頻碼的自相關特性進行相關解擴，提取所需要的主徑信號，抑制多徑干擾?？筍NR損耗：利用RAKE接收，將各條多徑信號分離且合并，時間分集、多徑分集，具有分集合并增益。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術127C1C2C3C4C5……C1C2C3C4C5……

>TC

TC4.4.4跳頻擴頻通信系統(tǒng)128圖4.28跳頻系統(tǒng)原理框圖跳頻載波信號的頻率隨時間而變化在每個跳頻點上的瞬時通信實際上還是窄帶通信跳頻是靠“躲避”干擾來提升抗干擾性能的本質頻率分集跳頻原理跳頻圖案：收發(fā)雙方約定好的頻率跳變規(guī)律跳頻駐留時間：每個跳頻頻點上停留的時間三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術129圖4.29跳頻圖案示例跳頻駐留時間跳頻系統(tǒng)參數(shù)跳頻最小頻率間隔相鄰跳頻頻點間隔

調制信號帶寬跳頻帶寬跳頻頻點數(shù)×跳頻最小頻率間隔跳頻處理增益通常，跳頻最小頻率間隔等于瞬時帶寬，此時跳頻處理增益等于跳頻頻點數(shù)。三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術130快跳頻與慢跳頻快跳頻（FFH）：跳頻速率≥符號傳輸速率，即一跳或多跳傳輸一個符號信息；慢跳頻（SFH）：跳頻速率<符號傳輸速率，即一跳攜帶多個信息符號。131符號周期快跳頻駐留時間慢跳頻駐留時間跳頻系統(tǒng)的抗窄帶干擾132PSPSPJPSPJ

PJ

=PJ/L濾波器PSPJPSPJ直擴系統(tǒng)跳頻系統(tǒng)PJ

=PJ/GPPSPJ

PJ被干擾概率：1被干擾概率：1/GP跳頻抗窄帶干擾能力優(yōu)于直擴跳頻系統(tǒng)的抗衰落抗頻率選擇性失真：在多徑信號沒有到來之前接收機已開始接收下一跳信號，但需以提高跳頻速率為代價?？筍NR損耗：跳頻總帶寬大于信道相干帶寬時，若將相關的跳頻頻點作為一個跳頻子集，不同跳頻子集的信號相互獨立，頻率分集。具有分集合并增益。133fifjT延

T跳頻T延

T跳頻多徑衰落窄帶干擾（會被濾除）跳頻駐留時間T跳頻fifiT延

Ts

：平坦衰落T延

Ts

：頻率選擇性衰落舉例

[例4.4]跳頻系統(tǒng)的跳頻駐留時間Th=10us，碼元周期Ts=1us，在通過多徑信道時，多徑時延大概在什么范圍內(nèi)時，接收信號可能出現(xiàn)頻率選擇性衰落？為什么？跳頻可以抵抗多徑衰落，只有時延擴展σ

<Th時，跳頻系統(tǒng)才會受到多徑的影響。按頻率選擇性衰落的定義，當信道相干帶寬滿足(Bc

≈1/σ

)<(Bs

≈1/Ts)時出現(xiàn)頻率選擇性衰落，此時σ

>Ts

均方根時延擴展?jié)M足Ts<σ

<Th，才會出現(xiàn)頻率選擇性衰落三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術134擴頻技術的應用蜂窩通信系統(tǒng)CDMA技術體制GSM（FH）無線局域網(wǎng)IEEE802.11b（DS、FH）藍牙（FH）軍事通信系統(tǒng)三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術135第四章內(nèi)容4.1分集技術4.2信道編碼與交織4.3均衡技術4.4擴頻技術4.5多天線技術4.6鏈路自適應技術第四章抗衰落和鏈路性能增強技術136三月244.5多天線技術MIMO系統(tǒng)(Multiple-InputMultiple-Output，多入多出)提高無線通信系統(tǒng)容量它可以在不用增加系統(tǒng)帶寬的情況下改善了系統(tǒng)性能，提高了數(shù)據(jù)速率。技術本質利用空間分集對抗衰落利用空間復用提高頻譜效率三月24第四章抗衰落和鏈路性能增強技術137MIMO系統(tǒng)模型(1)138圖4.30MIMO的系統(tǒng)模型可用矩陣方式表示發(fā)送和接收信號：MIMO系統(tǒng)模型(2)139MIM