1、移 动 通 信 原 理,第四章 抗衰落技术,2,本章提示,衰落定义：在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落 衰落是移动通信信道的基本特征 多径传播使接收信号不仅包含数量约为10Hz100Hz的多普勒频移和几十分贝的深度衰落，而且有数微秒的时延差。 阴影效应和气象条件的变化会造成信号幅度的降低和相位变化。 这些都是移动信道独有的特性，它将影响移动通信系统的接收性能。 这些影响会造成传输性能的下降和严重的码间干扰ISI(InterSymbol Interference)使数字信号误码率增加。,3,本章提示,衰落有什么影响：接收电平降低，无法
2、保证正常通信接收波形畸变，产生严重的误码传播延时变化，破坏与延时有关的同步在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程因此，对抗衰落是无线通信必须认真解决的问题,4,本章提示,为了提高移动通信系统的性能，采用分集、均衡和信道编码三种技术来改善接收信号质量。这三种技术的共同特点，都是如何适应信道的衰落，时延扩展和信道的时间特性。,5,第4章 抗衰落技术,4.1 抗衰落技术概述 4.2 分集接收技术 4.3 隐分集技术 4.4 均衡技术 4.5 信道编码,6,4.1 抗衰落技术概述,在移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。 发送的信号
3、经过反射、散射等传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落，如图4-1所示。,7,4.1 抗衰落技术概述,图4-1 移动信道中典型的衰落信号,8,4.1 抗衰落技术概述,在移动通信信道中，除了多径衰落还有阴影衰落。 气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号的幅度和相位发生变化。,9,1分集技术,分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常要通过两个或更多的接收天线来实现。 分散传输：接收端能获得统计独立的、携带同一信息的衰落信号 集中处理：接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响 基站和移动台
4、的接收机都可以应用分集技术。,10,1分集技术,显分集指的是构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集隐分集：分集作用隐含在传输信号中，在接收端利用信号处理技术实现分集，只需一副接收天线，它包括交织编码技术、跳频技术和直接序列扩频技术等,11,2信道均衡技术,均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰，即通过均衡器消除时间和信道的选择性（对幅度和延迟进行补偿） 均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（ISI） 可分为时域均衡和频域均衡两种。频域均衡指的是总的传输函数满足无失真传输的条件，即校正幅度特性和群时延特性。时
5、域均衡是使总冲击响应满足无码间干扰的条件，数字通信多采用时域均衡，而模拟通信则多采用频域均衡,12,3信道编码,信道编码是通过在发送信息时加入可控制的冗余比特，使信息系列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性，在接收端，信道译码器根据这种相关性对接收的序列进行检查，从中发现错误或者纠错目的是为了尽量减小信道噪声或干扰的影响，从而改善通信链路的性能。 分集、均衡和信道编码都被用于改进无线链路的性能，以便减小瞬时误码率,13,4.2 分集接收技术,4.2.1 分集技术的基本概念及方法 4.2.2 分集信号的合并技术 4.2.3 分集系统的性能 *4.2.4 RAKE接收机 *4.2.5 隐分集技术
6、,14,4.2.1 分集技术的基本概念及方法,分集技术（Diversity Techniques）就是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。分集技术利用多条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并（Combining），以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。,15,4.2.1 分集技术的基本概念及方法,阴影衰落使信号的平均功率在一个比较长的空间（或时间）区间内发生波动，这是一种宏观的信号衰落 多径传播使信号在一个短距离上（或一短时间内）信号强度发生急剧的变化，这是一种微观衰落 针对这两种不同的衰落，常用的分集技术可以分
7、为（下列均又属于显分集）： 宏分集 微分集 空间分集；极化分集；角度分集；频率分集；时间分集；自适应均衡技术,16,宏分集,宏分集又称为多基站分集，是减少由于阴影效应而引起的大范围的衰落的技术宏分集把多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，最后选出信号最好的一个基站进行通信,17,微分集,微分集在同一地点使用两个或多个天线，是一种减小快衰落影响的分集技术微分集 空间分集 频率分集 极化分集 角度分集 时间分集 路径分集,18,1空间分集（Space Diversity）,发射端采用一副发射天线，接收端采用多副天线。 接收端天线之间的距离d应足够大，以保证各接
8、收天线接收来自基站的信号的衰落特性是相互独立的。 在移动通信中，空间的间距越大，多径传播的差异就越大，所收场强的相关性就越小。,实际工程中： 市区： 郊区：,19,1空间分集（Space Diversity）,空间分集示意图,对于空间分集而言，分集的支路数M越大，分集的效 果越好。但当M较大时（如M 3），分集的复杂性增 加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢,20,2极化分集（Polarization Diversity）,在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交（如水平极化和垂直极化）的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性 不过，极化会产生3dB的衰减。因为发射端必须将能量分到两个不同
9、的极化天线 极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路只有两路。,21,补充：无线电波的极化,无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化 如果电波在传播过程中电场的方向是在一条直线上变化的，就叫作线极化波 如果线极化波电场方向垂直于地面，就叫垂直极化波 如果线极化波电场方向平行于地面，就叫水平极化波 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波；旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波 向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波,22,天线的极化,天线辐射的电磁场的电场方向就是天
10、线的极化方向,23,双极化天线,两个天线为一个整体，传输两个独立的波,24,3角度分集（Angle Diversity）,由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的,25,4频率分集（Frequency Diversity）,将待发送的信息分别调制在不同的载波上发送至信道，只要载频之间的间隔 足够大，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号 根据相关带宽Bc的定义，即,例：在城市中800900MHz频段，典型的时延扩散值为 这时有：,即要求频率分集的载波间隔大
11、于200KHz 频率分集缺点：占用更多的频谱资源,26,5时间分集（Time Diversity ）,将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条独立的分集支路,27,6路径分集（Path Diversity ）,信号通过多条路径到达接收端 CDMA系统中，每一路都是同一地址码调制的载有相同信息的不同延时的信号 使用RAKE接收技术，利用PN码的相关性，对各路分别接收，然后合并,CDMA系统：路径分集；RAKE接收技术,28,4.2.2 分集信号的合并技术,接收端收到M（M2）个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。 在接收端
12、取得M条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术得到分集增益,29,4.2.2 分集信号的合并技术,根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前（Pre-detection）合并技术和检测后（Post-detection）合并技术，如图4-3所示。这两种技术都得到了广泛的应用,30,4.2.2 分集信号的合并技术,图4-3 空间分集的合并,31,4.2.2 分集信号的合并技术,对于具体的合并技术来说，通常有4类 选择式合并（Selective Combining） 最大比值合并（Maximum Ratio Combing） 等增益合并（Equal Gain Combining） 开关式合
13、并（Switching Combining）,32,1选择式合并,选择式合并的原理如图4-4所示。M个接收机的输出信号送入选择逻辑，选择逻辑从M个接收信号中选择具有最高基带信噪比（SNR）的基带信号作为输出只选择其中一个信号，其余信号被抛弃,33,1选择式合并,图4-4 选择式合并的原理,34,2最大比值合并,M个分集支路经过对载波相位进行调整后（使之同相），按各个支路的信噪比数值进行加权相加（检测前合并），再送入检测器，如图4-5所示,35,2最大比合并,图4-5 最大比合并的原理,36,2最大比合并,从上式可以看出，合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比愈大的支路对合并后的信号贡献愈
14、大。在具体实现时，需要实时测量出每个支路的信噪比，以便及时对增益系数进行调整。,37,3等增益合并,调整各个支路主径的相位，使之同相，然后进行等增益相加 从图4-6中可以看出，当M较大时，等增益合并仅比最大比合并差 1.05dB。 另外还可以在发射信号中插入导频的方式，在接收端通过提取导频的相位信息来实现同相相加。,38,三种合并方式的比较,图4-6 分集合并后的平均信噪比改善程度,39,4开关式合并,也称扫描式分集 采用两幅接收天线，用开关的形式在两幅天线之间选择 若瞬时包络都低于预先设定门限 循环切换 停留在某一天线上，直到再次低于门限，跳转到另一天线,40,4.2.4 RAKE接收机,1
15、RAKE接收机的定义 一种能分离多径信号并有效合并多径信号能量的最终接收机 。 它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器 。 由于在多径信号中包含有可以利用的信息，所以，CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善信号的信噪比， RAKE接收机就是通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并起来。 RAKE接收机利用直扩序列的相关特性，采用多个相关器来分离直扩多径信号，然后按一定规则将分离后的多径信号合并起来以获得最大的有用信号能量。 CDMA系统中的RAKE接收机如图4-7所示：,41,2RAKE接收原理,图4-7 RAKE接收原理实现框图,RAKE接收利用多径效应，变害为利,42
16、,RAKE接收机既可以接收来自同一天线的多径，也可以接收来自不同天线的多径RAKE接收机利用相关检测器检测出多径信号中最强的M个支路信号，然后对每个 RAKE支路的输出进行加权合并，以提供优于单支路信号的接收信噪比，然后再在此基础上进行判决,2RAKE接收原理,43,*4.2.5 隐分集技术,隐分集技术，是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。 分集作用是隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术实现分集 时间隐分集和频率隐分集,44,1交织编码技术（时间隐分集）,交织编码的目的是把一个较长的突发差错（比特差错成串出现）离散成随机差错（因为目前的信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长
17、的差错时才有效），再用纠正随机差错的编码（前向纠错：FEC）技术消除随机差错。 以线性分组码为例，先将k位信息编成具有t位纠错能力的n位码字的分组码(n，k，t)，再将其编码码字序列构成交织编码矩阵【以(7,3为例)】 交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。交织编码可纠正一次突发差错的长度为：L=tM,45,1交织编码技术,现以分组码（7，3）为例给出交织编码矩阵a11 a12 a13 a14 a15 a16 a17 b21 b22 b23 b24 b25 b26 b27 c31 c32 c33 c34 c35 c36 c37mM1 mM2 mM3 mM4 mM5 mM6 mM7,
18、行为FEC的码字，由k位信息及n-k冗余位组成，行的数目M为交织深度。交织编码的过程是将FEC码字序列按行写入而按列读出，若交织编码输出序列中的差错从a11 mM2，则经过解交织，每一FEC码字中只发生2位差错，当t=2时即可消除差错,46,1交织编码技术,交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。交织编码可纠正一次突发差错的长度为：L=tM举例：GSM系统在经过信道编码后要进 行交织,47,2跳频技术,数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗干扰和抗衰落 跳频（Frequency Hopping，FH）是指通信使用的载波频率受一组快速变化的PN码（伪随机码）控制而随机地跳变 FH实际上是
19、一种复杂的频移键控，是一种用PN码进行多频频移键控的通信方式,48,2跳频技术,（1）跳频抗多径 跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波频率为0，当存在多径传播环境时，因多径延迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。 若接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一频率1上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。,49,2跳频技术,（2）跳频抗同信道干扰 采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，可以避免频率复用引起的同频干扰。 利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同频干扰离散化，亦即减少同频干扰的重合次数，从而减少同频干扰的影响。,50,2跳频技术,（3）跳频抗衰落 跳频抗衰落是指抗频率选择
20、性衰落。 跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的载波频率上同时发生衰落的可能性很小。,51,3直接序列扩频技术（略）,（1）直接序列扩频抗多径的原理是： 当发送的直接序列扩频信号的码片（chip）宽度Tc小于或等于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗多径的能力。,52,3直接序列扩频技术,（2）直接序列扩频抗干扰 直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外部干扰的原理，也是利用直扩信号的自相关特性，经相关接收和窄带通滤波后，将有用信号检测出来，而那些窄带干扰和多址干扰都处理为
21、背景噪声。其抗干扰的能力可用直接序列扩频处理增益来表征。,53,3直接序列扩频技术,（3）直接序列扩频抗衰落 直接序列扩频抗衰落是指抗频率选择性衰落,54,3直接序列扩频技术,图4-16 慢跳频分散深衰落影响的示意图,55,*4.3 均衡基本概念 （自学）,均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器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干扰 信道时变，需自适应均衡 一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。 第二个均衡途径为时域均衡，就是直接从时间性响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。,56,*4.3 均
22、衡基本概念,现在面临的是时变时间序列的自适应处理和分析的问题。 要求自适应均衡器需具有三个特点：快速初始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和尽可能低的运算量。 时域均衡系统的主体是横向滤波器。,57,*4.3 均衡基本概念,图 4-17 横向滤波器,58,*4.3 均衡基本概念,关于信号的样值，均衡器按无码间串扰的条件奈奎斯特准则来设计，并且一般取T等于码元宽度Ts。 如果整个传输系统是按奈氏第一准则建立的，收发滤波器的传递函数是以奈氏频率fH为中心的对称滚降，这个理想传输系统传输后会产生失真，这个实际系统的脉冲响应是x(t)。,59,*4.3 均衡基本概念,横向滤波器可以消除控制长度NN内的符号
23、间干扰，从而使总的符号间干扰大为减少。横向均衡器达到的这一状态称为“收敛”。 一般地说，横向均衡器的抽头越多，控制范围越大，均衡的效果就越好。但抽头越多，成本越高，调整也越困难，太多的抽头是不现实的。,60,*4.3 均衡基本概念,调节算法是由调节准则决定的。 虽然从不同角度和要求出发建立了多种均衡器的结构和调节算法，但它们所依据的调节准则（也就是要达到的目的）仍没有变化，这就是最小峰值失真准则和最小均方失真准则。,61,*4.3 均衡基本概念,均衡器的任务是在输入波形给定的条件下（即给定初始失真D0），求解最佳抽头增益系数CK，使均衡器的这种调节依据称为峰值失真极小化准则。,62,习题,1、为了提高移动通信系统的性能，一般采用哪些技术来改善接收信号质量。 2、移动通信中常用的分集技术包含哪几种。 3、移动通信中常用的合并技术有哪些，并说明它们的特点。 4、RAKE接收机的定义是什么，它能够为系统带来什么好处。 5、什么是信道编码，它的作用？ 6、什么是交织技术，它的作用？ 7、什么是跳频？什么是信道均衡？,63,谢谢！,64,本章提示,典型的移动通信系统原理图,
