第4章移動通信抗衰落技術(shù)

1、第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 第第4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.1 分集接收分集接收 4.2 RAKE接收接收4.3 糾錯編碼技術(shù)糾錯編碼技術(shù) 4.4 均衡技術(shù)均衡技術(shù) 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 分集接收的原理 分集合并性能 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集性能4.1 分集接收分集接收 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u定義：接收端對它收到收到的多個衰落特性統(tǒng)計獨立、攜帶同一信息的信號，通過一定的處理合并合并為一路信號，可減小衰落的影響。u分集有兩重含義： 一是分散傳輸， 使接收端能獲得多個統(tǒng)計獨立的、 攜帶同一信息的衰落信號； 二是集中處理，

2、即接收機把收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并(包括選擇與組合)以降低衰落的影響。4.1 分集接收分集接收 分集接收原理分集接收原理第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.1 分集接收分集接收 分集接收原理分集接收原理接收信號包絡(luò)tabC=a+ba, b統(tǒng)計獨立,同時發(fā)生深度衰落的概率很小圖圖4-1 分集接收原理圖分集接收原理圖第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式u宏分集和微分集宏分集和微分集 宏分集：宏分集：把多個基站設(shè)置在不同的地理位置上，使其同時和一個移動臺通信。 目的：目的：主要減小慢衰落的影響。 微分集：微分集：將無線信號從各個參量方面進

3、行分離，使其呈現(xiàn)獨立的衰落特性。 目的：目的：主要減小快衰落的影響。第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 宏分集的典型示例：宏分集的典型示例： 軟切換：軟切換：在切換過程中，移動臺開始與新的基站聯(lián)系時，并不中斷與原有的基站的通信，新舊基站以宏分集的方式同時保持與MS的通信。 軟切換會帶來更好的話音質(zhì)量，實現(xiàn)無縫切換、減少掉話可能，且有利于增加反向容量。BS1BS 2CHiCHj第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u 微分集微分集 (1) (1) 空間分集空間分集: :任意兩個不同的位置上接收同一個信號， 只要兩個位置的距離大到一定程度， 則兩處所收信號的衰落是不相關(guān)的。注意：注意：市區(qū)：d0

4、.5 郊區(qū)：d0.8TXRX1RX2d4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) (2)(2)極化分集極化分集: :由于兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落特性， 因而發(fā)送端和接收端可以用兩個位置很近但為不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號，以獲得分集效果。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省空間，天線可裝在同一地點。缺點是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，信號功率將有3dB的損失。 TXRX1RX2垂直極化波水平極化波4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) (3) (3)角度分集角度分集: :由于地形地貌和建筑物等環(huán)境的不同，到達接收端

5、的不同路徑的信號可能來自于不同的方向，在接收端，采用方向性天線，分別指向不同的信號到達方向，則每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的。4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式TXRX1RX2圖圖4-4 角度分集角度分集第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式(4)(4)頻率分集：頻率分集：將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去，只要載頻之間的間隔足夠大（大于相干帶寬），那么在接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號。 優(yōu)點 ：與空間分集相比，減少了天線的數(shù)目。缺點：要占用更多的頻譜資源，在發(fā)端需要多部發(fā)射機。 (5)(5)時間分集：時間分集：將給定的信號

6、在時間上相隔一定的間隔重復(fù)傳輸M次，只要時間間隔大于相干時間（ ），就可以得到M條獨立的分集支路。注意：注意：相干時間是與移動臺運動速度成反比，因此當(dāng)移動臺處于靜止狀態(tài)時，時間分集基本上是沒有用處的。mf21第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.1 分集接收分集接收 分集方式分集方式u 顯分集和隱分集 顯分集：被傳輸信號可以按某個參量分成多徑獨立信號。 例如：例如：空間分集，天線極化分集、頻率分集和時間分集等。 例如：例如：碼分多址（CDMA）系統(tǒng)通常使用RAKE接收機，它能夠通過時間分集來改善鏈路性能。 隱分集：將分集作用隱含在被傳輸信號之中（直接擴頻技 術(shù)、信道交織編碼），在接收端利用

7、信號處理技術(shù)實現(xiàn)分集。 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 檢測后合并u根據(jù)合并位置分 檢測（解調(diào)）前合并合并器檢測器合并器檢測器檢測器4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式圖圖4-5 4-5 檢測前合并檢測前合并圖圖4-6 4-6 檢測后合并檢測后合并第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式u根據(jù)合并技術(shù)分： 設(shè)M M個輸入信號電壓為r1(t)， r2(t), ， rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為MkkkMMtratratratratr12211)()()()()(選擇式合并(Selection Diversity)最大比合并(Maximu

8、m Diversity)等增益合并(Equal Gain Combining) 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u選擇式合并4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式圖圖4-7 4-7 選擇式合并選擇式合并第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u最大比值合并優(yōu)點：優(yōu)點：按信噪比加權(quán)各路信號后再合并，合并后信噪比大，衰落小。缺點缺點：控制復(fù)雜4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式圖圖4-8 4-8 最大比合并最大比合并第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u等增益合并MkkErr1 RX1RX2r1r2檢測器rE+4.1 分集接收分集接收 合并方式合并方式圖圖4-9 4-9 等增益合并

9、等增益合并特點：特點：a. 性能與最大比合并接近 b. 電路簡單第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u分集合并的性能：指分集合并前、后信噪比的改善程度。 為便于比較三種合并方式， 假設(shè)它們都滿足下列三個條件：(1) 每一支路的噪聲均為加性噪聲且與信號不相關(guān)，噪聲均值為零，具有恒定均方根值；(2) 信號幅度的衰落速率遠低于信號的最低調(diào)制頻率；(3) 各支路信號的衰落互不相關(guān)，彼此獨立。4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u選擇式合并的性能選擇式合并器的輸出信噪比：選擇式合并器的輸出信噪比：即當(dāng)前選用的那個支路送入合并器的信噪比。 設(shè)第k個支路

10、的信號功率為r2k/2，噪聲功率為Nk, 可得第k支路的信噪比為kkkNr224.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 某一支路的信噪比必須達到某一門限值t，才能保證接收機輸出的話音質(zhì)量(或者誤碼率)達到要求。若第k個支路中kt的概率為Pk(kt)，則在M個支路情況下中斷概率以PM(St)表示時，可得)()(1tkMkktSMPP4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) kt， 即r2k/2Nkt， 則MkNtSMktkeP1/)1 ()(2)2()(21MktkkktSMtkkNrPPNr設(shè)rk的起伏

11、服從瑞利分布， 即 222/20)2/(21)()2()(ktktkkkNNkkktkkkrkkkkedrrpNrPerrp可得 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 22221設(shè)各支路噪聲功率相等：N1 = N2 = = N 各支路信號方差相同：平均信噪比為： M重選擇式合并的中斷率為：02/NMtSMteP)1 ()(0/4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) )/exp()/exp(1 )()(0100SMSSMSSMPddpu平均信噪比的改善：指分集接收機合并器輸出的平均信噪比較無分集接收機的平均信噪比改善的分貝數(shù)。用平均信噪比改善因子表

12、示。輸出信噪比的概率密度函數(shù)：SSSSdp)(0MkSSkMD101)(輸出平均信噪比： 平均信噪比改善因子：4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能選擇式合并第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u最大比值合并的性能 MkkkMkkkRNrrar121MkkkMkkkRNara1221)2/(4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能最大比值合并器輸出的信號包絡(luò)：接收機收到的最大比合并的信噪比：第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 由于各支路信噪比為：kkkkkkNrNr222MkkkMkkkkRNaNa1221)(4.1 分集接收分集接收 分集合并性能分集合并性能所以接收

13、到的信號電平：所以最大比合并的信噪比：第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) MkkMkkkMkkMkkkRNaNa112112)(又說明：說明：最大比值合并器輸出可能得到的最大信噪比為各支路信噪比之和， 即MkkR1max最大比值合并的改善因子最大比值合并的改善因子01MMkkRMMDRR0)(第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.2 RAKE接收接收 u定義：定義：所謂RAKE接收機，就是利用多個并行相關(guān)器檢測多徑信號，按照一定的準則合成一路信號供解調(diào)用的接收機。u基本原理：基本原理：將那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，對它進行延時和相位校正，使之在某一時刻對齊，并按一定的規(guī)則進行

14、合并，變矢量合并為代數(shù)求和，有效地利用多徑分量，提高多徑分集的效果。 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 圖圖 4 - 11 簡化的簡化的RAKE接收機組成接收機組成 積分Tb保持至TbNTbc1(t)積分Tb保持至TbNTb2c1(t2)積分Tb保持至TbNTb3c1(t3)積分Tb保持至TbNTbNc1(tN)判決cosct123路徑NRxTx第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 在實際系統(tǒng)中，由于每條多徑信號都經(jīng)受著不同的衰落，具有不同的振幅、 相位和到達時間。由于相位的隨機性，其最佳非相干接收機的結(jié)構(gòu)由匹配濾波器和包絡(luò)檢波器組成。4.2 RAKE接收接收 圖圖 4-12 最佳非相干接

15、收機最佳非相干接收機第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.2 RAKE接收接收 圖圖4-13 最佳非相干接收機的輸出波形最佳非相干接收機的輸出波形 擴頻系統(tǒng)能分辨的最小多徑間隔第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 每一個峰值對應(yīng)一條多徑。 每個峰值的幅度的不同是由每條路徑的傳輸損耗不同引起的。采用橫向濾波器來實現(xiàn)時延和最大比合并采用橫向濾波器來實現(xiàn)時延和最大比合并：為了將這些多徑信號進行有效的合并，可將每一條多徑通過延遲的方法使它們在同一時刻達到最大，按最大比的方式合并，就可以得到最佳的輸出信號。然后再進行判決恢復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。4.2 RAKE接收接收 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 圖

16、圖4-14 QualComm的的Rake接收機接收機 并行相關(guān)器結(jié)構(gòu) 移動臺：3個并行相關(guān)器+多徑搜索器 相關(guān)接收最大比合并 基站：4個并行相關(guān)器+多徑搜索器 非相關(guān)接收最大比合并4.2 RAKE接收接收 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 圖圖4-15 實現(xiàn)最佳合并的橫向濾波器實現(xiàn)最佳合并的橫向濾波器 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) Rake接收機原理小結(jié)接收機原理小結(jié)接收機接收機相關(guān)器相關(guān)器1相關(guān)器相關(guān)器1相關(guān)器相關(guān)器1 搜索器搜索器計算相關(guān)時延計算相關(guān)時延 合并合并The combined signaltts(t)s(t)基站采用雙接收天線?；静捎秒p接收天線。在手機和基站采用在

17、手機和基站采用RAKERAKE接收，合并不同傳輸延時的信號。接收，合并不同傳輸延時的信號。軟切換的時候，移動臺和多個基站同時聯(lián)系，從中選出最軟切換的時候，移動臺和多個基站同時聯(lián)系，從中選出最好的幀送給交換機。好的幀送給交換機。uRAKE接收機有效克服多徑衰落，提高接收性能接收機有效克服多徑衰落，提高接收性能第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) u分組碼 (n, k)線性分組碼CRC(循環(huán)冗余校驗碼)u卷積碼u交織編碼4.3 糾錯編碼技術(shù)糾錯編碼技術(shù) 第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 4.3 糾錯編碼技術(shù)糾錯編碼技術(shù) 卷積碼卷積碼u卷積碼 卷積碼也是分組的，但它的監(jiān)督元不僅與本組的信息元有關(guān)

18、，而且還與以前M個時刻若干組的信息元有關(guān)。用（n,k,M）表示卷積碼。u卷積碼的編碼效率u卷積碼的約束長度：輸出的n個bit中，是由相關(guān)的M+1個時刻的輸入信息決定的，所以稱M+1為約束長度。u卷積碼編碼器 由若干位移位寄存器和模二加法器組成。%90且nk第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 圖圖 4 - 16 (3，1，3)卷積碼編碼器卷積碼編碼器 pj1 = mj mj-1 mj-3pj2 = mj mj-1 mj-2 (3,1,3)卷積碼的監(jiān)督方程DDDmj1mj2mj3mjpj1pj2輸出mj1mjcj=(mjpj1pj2)第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 例：例：求 （1）上述(3,1,3)卷積碼編碼器，對應(yīng)輸入為100時的輸出碼字 （2）該編碼器的約束長度 （3）該編碼器的編碼效率 （4）輸出的信息速率和輸入的信息速率之間的關(guān)系解：解：(1)輸入mmj-1mj-2mj-3狀態(tài)方程輸出cj=(mjpj1pj2)mj=1000pj1 = mj mj-1 mj-3pj2 = mj mj-1 mj-2 111mj+1=0100011mj+2=0010001所以輸出C=111011001第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) (2)因為輸出碼組除了和本組的信息位相關(guān)外，還和以前3個時刻的輸入信息位有關(guān)，