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微波與數(shù)字通信國家重點實驗室清華大學微波與數(shù)字通信國家重點實驗室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無線通信的抗衰落技術內容提要內容提要n概述n非頻率選擇性衰落的對抗技術n頻率選擇性衰落的對抗技術 均衡技術 分集技術 瑞克技術n聯(lián)合編碼技術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隨時間變化的現(xiàn)象叫做衰落。n衰落根據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衰落根據其時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，產生嚴重的誤碼。n衰落影響之三：傳播延時變化，破壞與時延有關的同步。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，對抗衰落是無線通信必需認真解決的所以，對抗衰落是無線通信必需認真解決的問題問題。如何對抗衰落？如何對抗衰落？n減少通信距離；增加發(fā)送功率；調整天線高度；選擇合適路由；n在移動通信中采用微蜂窩、直放站；n采用分集技術、均衡技術、瑞克技術、糾錯技術等。非頻率選擇性衰落的非頻率選擇性衰落的對抗技術對抗技術對抗原理對抗原理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。n抗衰落的原理：衰落儲備法。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。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)計傳播統(tǒng)計n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）。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。平均平均,22,sAAtrLLGPP衰落儲備法衰落儲備法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為衰落儲備。n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。平均,2002SAbbtALLfkTFNEPGR衰落儲備法（續(xù)）衰落儲備法（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、氣候有關的系數(shù)，m

5、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。n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。10/10dFnmdfAU中斷頻率選擇性衰落的頻率選擇性衰落的對抗技術對抗技術對抗原理對抗原理n頻率選擇性衰落主要是由于多徑效應引起的。n多徑效應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，從而產生碼間串擾，使有效的Eb/No惡化。n對抗頻率選擇性衰落就是要消除非理想Hc(f)的影響。對抗原理（續(xù)）對抗原理（續(xù)）n對抗頻率選擇性衰落的主要方法：分集技術；瑞克技術；均衡

6、技術；糾錯技術。分集技術分集技術分集分集原理原理n原理：利用無線傳播環(huán)境中來自不同途徑的多徑信號的統(tǒng)計獨立性進行合并，從而實現(xiàn)分集。n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。n其次要以某種方法進行合并。n應該指出：分集技術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。分集分集方式方式采用什么途徑接收分集信號？n空間分集：不同天線的接收信號相互獨立；n極化分集：水平極化和垂直極化的信號相互獨立；n頻率分集：不同頻率的接收信號相互獨立；n時間分集：不同時間的接收信號相互獨立。合并方式合并方式從分集信號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：調整各個支路主徑的相位，使之同相，然后進行等增益相加。n最小色散合并：調整各個支路次徑的相位及幅度，使之反相抵銷。n最大比合并：調整各個支路的相位，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分集后的接收信號S1(t)S2(t)最大增益合并最小色散合并瑞克技術瑞克技術一種時間分集：瑞克接收一種時間分集：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，根據信道估計的結果來進行多徑信號合并。 對于CDMA系統(tǒng)，當多徑延時大于

8、一個碼片時，多徑信號可以看成是不相關的。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)境時變： 頻率、相位、時間的變化t0t1t1t1t0t2t2t2t0t3t3t3時延擴展頻率擴展瑞克接收機原理瑞克接收機原理相關1相關2相關M 接收機框圖 積分判決a1a2aMCDMA多徑信號判決輸出瑞克接收機工作過程瑞克接收機工作過程n假設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器進行相關運算。n相關器1和支路1同步，相關器2和支路2同步，等等，這樣不同相關器就可以檢測出各個支路的CDMA信號能量。n對各個相關器的輸出進行加權，然后相加，就得到發(fā)送信號的最大可能的能量輸出，對此

9、輸出進行判決再生，就可以恢復出數(shù)字信息。n加權系數(shù)可以根據不同的準則，如：最大功率準則、最大信噪比準則，等。另一種時間分集：交織技術另一種時間分集：交織技術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。n交織不增加額外開銷。n交織可以保護信源編碼中的特殊比特。n交織與糾錯編碼同時使用，進一步提高傳輸質量。n交織器二種類型：分組交織、卷積交織。n交織器會引入時延（對語音不能超過40ms）。均衡技術均衡技術均衡均衡技術技術n自適應均衡器：減少碼間干擾。n工作模式：訓練模式和跟蹤模式。n均衡器分類 頻域均

10、衡器，時域均衡器； 線性均衡器，非線性均衡器。n均衡器實現(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： 信道時域響應f(t)，均衡器時域響應heq(t)，希望均衡后的信道響應為： g(t)=f*(t)heq(t)= (t) 就有： Heq(f)F*(-f)=1Heq(f)為均衡器頻域響應，F(xiàn)(f)為信道頻域響應。n均衡器是傳輸信道的逆濾波器；n由于傳輸信道的時變性，均衡器必需是參數(shù)可變的自適應均衡器；n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。頻域均衡器頻域均衡器n頻域均衡器一般在中頻上實現(xiàn)。n舉例：中頻幅度傾斜均衡器幅度傾斜

11、校正網絡f1f2檢波檢波差分放大器中頻輸入中頻輸出時域均衡器（時域均衡器（1）：）：線性均衡器線性均衡器n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生很大增益，從而增加噪聲。 結構簡單。n格型均衡器； 數(shù)值穩(wěn)定性好； 收斂速度快。時域均衡器（時域均衡器（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。但算法相對復雜，且穩(wěn)定性差和收斂時間長。n判決反饋均衡器（DFE）；n最大似然符號檢測（ML）；n最大似然序列檢測（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：算法進入穩(wěn)定的迭代次數(shù)，即收斂時間； 失調：濾波器均方差與最優(yōu)的最

12、小均方差的差距； 計算復雜度：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。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調整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出響應完全消除碼間串擾，即除中心點外，其它抽樣點的數(shù)值全部為0。n特點：簡單，均衡效果較好。n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。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。n特點：是一種最簡單的均衡算法。算法的穩(wěn)定性好。n

13、缺點：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。n特點：收斂速度快，跟蹤性能好。n缺點：算法較復雜，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)合編碼技術聯(lián)合編碼技術聯(lián)合編碼說明聯(lián)合編碼說明n什么叫聯(lián)合編碼？經典的無線通信系統(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。n優(yōu)點是設計簡單、通用性好，可以分別形成標準。n缺點是沒有充分利用各自的優(yōu)勢，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。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調制+解調)(tnxvkRsw信源編碼器量化信道編碼器w v x 信源