移動(dòng)通信——抗衰落技術(shù)

1、移動(dòng)通信抗衰落技術(shù)通信工程2班劉真?zhèn)ァ⑼醯腊l(fā)、楊興旺、李福、朱順寶通信中引起衰落的原因o衰落主要由多徑干涉和非正常衰減引起。多徑干涉,即多條射線的相互干涉,是最常見的也是最重要的衰落成因。o衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素。由于多徑衰落和多普勒頻移的影響，移動(dòng)無(wú)線信道極其易變。這些影響對(duì)于任何調(diào)制技術(shù)來(lái)說(shuō)都會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的負(fù)面效應(yīng)。o對(duì)路徑傳輸損耗，主要靠增大發(fā)射功率，以提高接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)解決。常用的抗衰落技術(shù)有哪些？o分集接收技術(shù)o合并技術(shù) o均衡技術(shù) o信道編碼技術(shù) o擴(kuò)頻技術(shù) 各抗衰落技術(shù)的基本思想 o分集接收技術(shù)o合并技術(shù)o均衡技術(shù)o信道編碼技術(shù)o擴(kuò)頻技術(shù)各抗衰落技術(shù)的適用范圍o分集接收技術(shù)

2、o合并技術(shù) o均衡技術(shù) o信道編碼技術(shù) o擴(kuò)頻技術(shù)各抗衰落技術(shù)如何的實(shí)現(xiàn)自身功能o分集接收技術(shù) o合并技術(shù)o均衡技術(shù) o信道編碼技術(shù) o擴(kuò)頻技術(shù)分集接收技術(shù) o所謂分集接收，是指接收端對(duì)它收到的多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立(攜帶同一信息)的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低信號(hào)電平起伏的辦法。n分集：接收多路不相關(guān)的信號(hào)并合并。n目標(biāo)：對(duì)抗多徑信道造成的衰落和延時(shí)串?dāng)_。分集技術(shù)主要包含兩方面：n如何獲得獨(dú)立的多路信號(hào)分散傳輸n如何合并獨(dú)立的多路信號(hào)集中處理分集接收技術(shù) 分集方式主要有以下兩種：o宏分集：主要用于蜂窩通信系統(tǒng)中，也稱為“多基站”分集。這是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù)，其作法是把多個(gè)基站設(shè)置在不同

3、的地理位置上和不同方向上，同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信。 o微分集：是一種減小快衰落影響的分集技術(shù)，在各種無(wú)線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。可以分為時(shí)間分集、空間分集、頻率分集、極化分集、場(chǎng)分量分集和角度分集六種，常用的只是前三種。合并技術(shù)o分集在獲得多個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行合并處理。利用合并器把經(jīng)過(guò)相位調(diào)整和延時(shí)后的各分集支路相加。接收端收到M(M2)個(gè)分集信號(hào)后，如何利用這些信號(hào)以減小衰落的影響，這就是合并問(wèn)題。均衡技術(shù) o數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于多徑傳輸、信道衰落等影響，在接收端會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾（ISI），增大誤碼率。為了克服碼間干擾，提高通信系統(tǒng)的性能，在接收端需采用均衡技術(shù)。

4、均衡是指對(duì)信道特性的均衡，即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來(lái)減小或消除因信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾 信道編碼技術(shù)o編碼技術(shù)分為信源編碼和信道編碼兩大類，其中信源編碼是為了提高信息傳輸?shù)挠行?，而信道編碼，即差錯(cuò)控制編碼，是為了提高信息傳輸?shù)目煽啃浴數(shù)字信號(hào)在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過(guò)信道編碼這一環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。擴(kuò)頻技術(shù) o擴(kuò)頻技術(shù)，它是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小

5、帶寬；頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 分集接收技術(shù)的基本思想 o分集接收是通過(guò)多個(gè)信道（時(shí)間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號(hào)。即將接收到的信號(hào)分成多路的獨(dú)立不相關(guān)信號(hào)，然后將這些不同能量的信號(hào)按不同的規(guī)則合并起來(lái) 合并技術(shù)的基本思想o合并技術(shù)是指在接收端取得M條相互獨(dú)立的支路信號(hào)以后，對(duì)各支路信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整和時(shí)延，然后根據(jù)一定的條件，運(yùn)用一定的方式、手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇、合并

6、，從而獲得分集增益。均衡技術(shù)的基本思想o 在數(shù)字通信系統(tǒng)中插入一種可調(diào)濾波器可以校正和補(bǔ)償系統(tǒng)特性，減少碼間干擾的影響，這種起補(bǔ)償作用的濾波器稱為均衡器。均衡器通常是用濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用濾波器來(lái)補(bǔ)償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過(guò)均衡器修正過(guò)的或者清除了碼間干擾之后的樣本。 o自適應(yīng)均衡器直接從傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)字信號(hào)中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應(yīng)信道的隨機(jī)變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真補(bǔ)償性能。信道編碼技術(shù)的基本思想o信道編碼常是以增加信息速率（即增加信號(hào)的帶寬）來(lái)獲得增益的，編碼的過(guò)程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元，從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的 o

7、提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)，信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。誤碼的處理技術(shù)有糾錯(cuò)、交織、線性內(nèi)插等。 擴(kuò)頻技術(shù)的基本思想o在發(fā)射端使用傳統(tǒng)的調(diào)制方式調(diào)制有效信號(hào)；然后使用擴(kuò)頻編碼調(diào)制載波，使其擴(kuò)展到一個(gè)非常大的帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)頻譜展寬。在接收端利用相反過(guò)程得到原始信號(hào)。分集接收技術(shù)的適用范圍o在平坦性信道上接收衰落深度和衰落持續(xù)時(shí)間大的信號(hào)o來(lái)自地形地物造成的陰影衰落（宏觀信號(hào)衰落）o在微波信號(hào)的傳播過(guò)程中,由于受地面或水面反射和大氣折射的影響,會(huì)產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào),造成多徑衰落（微觀衰落） 合并技術(shù)的適用范圍o合并技術(shù)是對(duì)應(yīng)分集技術(shù)而言的，在接收端取得M條相

8、互獨(dú)立的支路信號(hào)以后，把經(jīng)過(guò)相位調(diào)整和試驗(yàn)后的各分集支路信號(hào)相加，從而獲得分集增益。，在所有的使用分集技術(shù)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的需要應(yīng)用到合并技術(shù)。均衡技術(shù)的適用范圍o由傳輸信道的頻帶有限造成的碼間干擾 信道編碼技術(shù)的適用范圍o傳統(tǒng)的信道編碼技術(shù)適用于高帶寬的通信系統(tǒng)中，網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)對(duì)信道帶寬要求很低，適用于窄帶通信系統(tǒng)中，如蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。擴(kuò)頻技術(shù)的適用范圍o由于擴(kuò)頻調(diào)制使信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)且隱蔽性好，最初用于軍事通信，后來(lái)由于其高頻譜效率帶來(lái)的高經(jīng)濟(jì)效益而被應(yīng)用到民用通信，移動(dòng)通信的碼分多址就是建立在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上。而且還能有效的抑制窄帶干擾。 分集接收技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)自身的功能o由于微觀分集技

9、術(shù)接收的信號(hào)涉及到時(shí)間、空間和頻率，所以根據(jù)所涉及的資源的不同可劃分為時(shí)間分集、空間分集和頻率分集。以此對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)自身的功能。o時(shí)間分集o空間分集 o頻率分集 o各分集技術(shù)的比較合并技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)自身的功能o選擇式合并是指檢測(cè)所有分集支路的信號(hào), 以選擇其中信噪比最高的那一個(gè)支路的信號(hào)作為合并器的輸出。o將所有具有能量且攜帶相同信息的信號(hào)，在信號(hào)合并前對(duì)各路載波相位進(jìn)行調(diào)整并使之相同，染后相加。o等增益合并，這種方法也是把各支路信號(hào)進(jìn)行同相后再相加，只不過(guò)加權(quán)時(shí)各路的權(quán)重相等，各支路的信號(hào)是等增益相加的。均衡技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)自身的功能o均衡技術(shù)可以分為線形均衡和非線性均衡。如果接收信號(hào)經(jīng)過(guò)均衡后，再經(jīng)

10、過(guò)判決器的輸出被反饋給均衡器，并改變了均衡器的后續(xù)輸出，那么均衡器就是非線性的，否則就是線性的。o自適應(yīng)均衡是指由于移動(dòng)衰落信道具有隨機(jī)性和時(shí)變性，這就要求均衡器必須能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤移動(dòng)通信信道的時(shí)變特性，這種均衡器被稱為自適應(yīng)均衡器。一般包含兩種工作模式，即訓(xùn)練模式和跟蹤模式。o盲均衡是指均衡器能夠不借助訓(xùn)練序列，而僅僅利用所接收到的信號(hào)序列即可對(duì)信道進(jìn)行自適應(yīng)均衡，從而節(jié)省帶寬。信道編碼技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)自身的功能o分組碼o卷積碼 oTurbo碼 o循環(huán)碼o交織擴(kuò)頻技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)自身的功能o（1）直接序列擴(kuò)頻與解擴(kuò) o（2）跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)o此外，還有跳時(shí)擴(kuò)頻、線性跳頻和以上四種的混合方式。在通信中

11、，常用的是直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻以及他們的混合方式擴(kuò)頻。時(shí)間分集o快衰落除了具有空間和頻率獨(dú)立性之外，還具有時(shí)間獨(dú)立性，即同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨(dú)立的，接收機(jī)將重復(fù)收到的同一信號(hào)進(jìn)行合并，就能減小衰落的影響。o時(shí)間分集是將同一信號(hào)在不同時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送時(shí)間間隔足夠大，則各次發(fā)送降格出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的。o時(shí)間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計(jì)上互不相關(guān)的特點(diǎn)，即時(shí)間上衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)抗時(shí)間選擇性衰落的功能。空間分集o空間分集，也被稱為天線分集、空間位置分集，是無(wú)線通信中使用最多的分集形式。o空

12、間分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一個(gè)信號(hào)，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號(hào)的衰落是不相關(guān)的。o空間分集技術(shù) 用兩個(gè)以上的天線收同一個(gè)信號(hào)。對(duì)空間分集而言，分集的支路數(shù)M越大，分集效果越好。但當(dāng)M較大時(shí)(如M3)，分集的復(fù)雜性增加，分集增益的增加隨著M的增大而變得緩慢。頻率分集 o由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個(gè)信號(hào)所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個(gè)以上不同的頻率傳輸同一信息，那么在接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)頻率分集。o這一技術(shù)比空間分集節(jié)省天線數(shù)目，缺點(diǎn)是不僅需要占用更多的頻譜資源，而且需要有和頻率分集中采用的頻道數(shù)相

13、等的若干個(gè)接收機(jī)。各分集技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)o空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接收天線。o時(shí)間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時(shí)隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。o頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點(diǎn)是在接收端可以減少接受天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量，缺點(diǎn)是要占用更多的頻帶資源，所以，一般又稱它為帶內(nèi)(頻帶內(nèi))分集，并且在發(fā)送端可能需要采用多個(gè)發(fā)射機(jī)。分組碼o分組碼是一種前向糾錯(cuò)(FEC)編碼。o分組碼是長(zhǎng)度固定的碼組，k個(gè)信息位被編為n位碼字長(zhǎng)度，而n-k個(gè)監(jiān)督位的作用就是實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，可表示為(n,k) 。o在分組碼中，監(jiān)督位僅與本碼組的信息位有關(guān)，

14、而與其他碼組的信息碼字無(wú)關(guān)。o漢明碼、格雷碼、Hadamard碼、循環(huán)碼、Reed-Solomon碼等等。卷積碼o卷積碼也是長(zhǎng)度為k的信息段分為一組，編成長(zhǎng)度為n的碼字，但是這n個(gè)碼元，不僅取決于當(dāng)前的k個(gè)信息碼元，還和前面L-1個(gè)信息段有關(guān)。因此通常把卷積碼記作(n, k, L) 。 o卷積碼碼的糾錯(cuò)能力強(qiáng)，不僅可糾正隨機(jī)差錯(cuò)，而且可糾正突發(fā)差錯(cuò)。卷積碼根據(jù)需要，有不同的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的糾錯(cuò)能力。但都有類似的編碼規(guī)律。o描述卷積碼的方法有圖解法和解析法。解析法可以采用生成矩陣和生成多項(xiàng)式這兩種方法，圖解法可以采用樹狀圖、網(wǎng)格圖、狀態(tài)圖和邏輯表等方法。Turbo碼 oTurbo碼又稱并行級(jí)聯(lián)卷積碼

15、(PCCC)。o它將卷積碼和隨機(jī)交織器合并在一起，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想；采用軟輸出疊代譯碼來(lái)逼近最大似然譯碼。 o模擬結(jié)果表明， 在一定條件下，Turbo碼在AWGN信道上的誤比特率，接近香農(nóng)限的性能。在第三代移動(dòng)通信中，非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信廣泛采用了Turbo碼。循環(huán)碼BCH碼oBCH碼是循環(huán)碼的一個(gè)重要子類，具有多種碼率，可獲得很大的編碼增益，BCH碼有嚴(yán)密的代數(shù)理論，是目前研究最透徹的一類碼。RS碼oRS碼是Reed-Solomon（里德索洛蒙）碼的簡(jiǎn)稱，它是一種多進(jìn)制BCH碼。o它能夠糾突發(fā)錯(cuò)誤，通常在連續(xù)編碼系統(tǒng)中采用交織o數(shù)字移動(dòng)信道中，傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)成串的突發(fā)差錯(cuò)，這些突發(fā)差錯(cuò)，主

16、要通過(guò)交織編碼來(lái)解決。o通過(guò)交織，把一個(gè)較長(zhǎng)的突發(fā)差錯(cuò)離散成隨機(jī)差錯(cuò)，再用各種糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼(如卷積碼或其它分組碼)消除隨機(jī)差錯(cuò)。o交織編碼不增加監(jiān)督元，亦即交織編碼前后，碼速率不變，因此不影響有效性。o交織深度越大，即m的數(shù)字越大，則離散度越大，抗突發(fā)差錯(cuò)能力也就越強(qiáng)。o利用交織編碼技術(shù)可離散并糾正突發(fā)性差錯(cuò)，改善移動(dòng)通信的傳輸特性。 直接序列擴(kuò)頻與解擴(kuò)o擴(kuò)頻：由于X（t）=b(t)c(t)的頻譜等于b(t)的頻譜與c(t)的頻譜的卷積，b(t)和c(t)相乘的結(jié)果使攜帶信息的基帶信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展到近似為c(t)的帶寬Bc，擴(kuò)展的倍數(shù)就等于PN序列一周期的碼卷積，N=Bc/Bb=Tb/T

17、c，而信號(hào)的功率譜密度下降到原來(lái)的1/N。信號(hào)這樣的處理過(guò)程就是擴(kuò)展，C(t)在這里起著擴(kuò)頻的作用，稱作擴(kuò)頻碼，這種擴(kuò)頻方式就是直接序列的擴(kuò)頻o解擴(kuò)：在接收端，接收機(jī)接收到的信號(hào)r(t)一般是有用的信號(hào)和噪聲及各種干擾信號(hào)的混合，為了突出解擴(kuò)的感念，暫不考慮他們的影響，即r(t)=s(t)，接收機(jī)將接受到的信號(hào)首先和本地產(chǎn)生的PN碼c(t)相乘，由于c(t)2=（+-1）2=1，所以r(t)c(t)=s(t)c(t)=b(t)c(t)cosWct*c(t)=b(t)cosWct,相乘所得信號(hào)顯然是一個(gè)窄帶2PSK信號(hào)，它的帶寬等于2Rb=2/Tb，這樣的信號(hào)恢復(fù)為一個(gè)窄帶信號(hào)，這一操作過(guò)程就是解擴(kuò)。 跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng) o跳頻（FH）是一種無(wú)線通信中最常用的擴(kuò)頻方式。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律（一組偽隨機(jī)碼PN，Pseudo-Noise）進(jìn)行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，跳頻是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式；從時(shí)域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的信號(hào)。因此，跳頻通信在某一特定頻點(diǎn)上仍為普通調(diào)制技術(shù)。跳頻系統(tǒng)根據(jù)頻率變化的快慢，通常分為快跳頻和慢跳頻。目前在軍事領(lǐng)域廣