移動(dòng)通信課件：09次課 第05章 抗衰落技術(shù)-2_

1、9-1數(shù)字移動(dòng)通信Digital Mobile CommunicationBTS總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告Digital Mobile Communication數(shù)字移動(dòng)通信3-2本節(jié)解決的主要問(wèn)題通過(guò)本節(jié)學(xué)習(xí)，著重解決以下問(wèn)題：有哪些因素會(huì)影響分集的性能？ 均衡技術(shù)的基本原理？自適應(yīng)均衡器的核心思想？ 如何針對(duì)特定信道條件進(jìn)行設(shè)計(jì)？9-3本節(jié)的要求與重點(diǎn)理解均衡的基本原理掌握自適應(yīng)均衡的原理了解自適應(yīng)均衡器的設(shè)計(jì)原則及應(yīng)用案例重點(diǎn)：自適應(yīng)均衡的原理難點(diǎn)：自適應(yīng)均衡器權(quán)系數(shù)的更新5-45.3 自適應(yīng)均衡技術(shù) 信道的多徑特性 相關(guān)帶寬 從時(shí)域上看，多徑引起？ 從頻域上看，多徑引起？ 碼間串?dāng)_是移動(dòng)無(wú)線信道

2、中傳輸高速率數(shù)據(jù)的主要障礙，均衡技術(shù)可克服碼間串?dāng)_。5-55.3 自適應(yīng)均衡技術(shù) 從廣義上講，均衡指任何可以用來(lái)削弱碼間串?dāng)_的信號(hào)處理方法。 由于移動(dòng)無(wú)線信道的時(shí)變特性，要求均衡器能夠?qū)崟r(shí)跟蹤信道的變化 自適應(yīng)均衡器。 5-65.3 自適應(yīng)均衡技術(shù)概念：對(duì)移動(dòng)信道特性進(jìn)行均衡，矯正信道傳輸函數(shù)使其滿足無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件。 方法：接收端產(chǎn)生與信道相反的特性，抵消時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間串?dāng)_ 。目標(biāo)：消除信道的頻率選擇性和時(shí)間選擇性 。5-75.3.1 自適應(yīng)均衡原理 f(t )是等效的基帶沖激響應(yīng)，綜合反映了發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)的射頻、中頻部分的總的傳輸特性。5-85.3.1 自適應(yīng)均衡原理根據(jù)信

3、道特性，通過(guò)均衡進(jìn)行補(bǔ)償。5-95.3.1 自適應(yīng)均衡原理 均衡器收到的信號(hào)為 f (t)：等效信道沖激響應(yīng) nb(t )：均衡器輸入端的等效基帶噪聲5-105.3.1 自適應(yīng)均衡原理 均衡器輸出為：均衡器沖激響應(yīng) g(t)是發(fā)射機(jī)，信道，接收機(jī)的射頻、中頻部分和均衡器四者的等效沖激響應(yīng)。5-115.3.1 自適應(yīng)均衡原理 均衡器工作目標(biāo)：期望輸出值為原始信息x(t ) 假定nb(t )= 0，則從時(shí)域看，要求：從頻域看，要求： 均衡器實(shí)際上是傳輸信道的反向?yàn)V波器。5-125.3.1 自適應(yīng)均衡原理 如果傳輸信道具有頻率選擇性 對(duì)頻率衰落大的部分，如何處理？ 對(duì)頻率衰落小的部分，如何處理？ 總

4、體效果怎么樣？ 使得收到的信號(hào)頻譜各部分的衰落趨于平坦，相位趨于線性。5.3.1 自適應(yīng)均衡原理自適應(yīng)均衡的出發(fā)點(diǎn)：利用誤差信號(hào)e(t)對(duì)自適應(yīng)均衡器進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)節(jié)均衡器的權(quán)系數(shù)，使得代價(jià)函數(shù)最小。5-145.3.1 自適應(yīng)均衡原理 在經(jīng)典的濾波理論中，最常用的代價(jià)函數(shù)是期望輸出值和均衡器實(shí)際輸出值之間的均方差(MSE)，它可表示為Ee(k)e*(k)，即采用最小均方誤差準(zhǔn)則。如果想要求解均衡器系數(shù)，需要已知什么？ 需要已知期望信號(hào)需要一個(gè)已知的訓(xùn)練序列5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 采用均衡時(shí)的典型數(shù)據(jù)發(fā)送格式 訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)要求： 在最差的信道條件下，均衡器也能通過(guò)該序列獲得正確的濾波系數(shù)。 訓(xùn)

5、練結(jié)束后，均衡器的濾波系數(shù)已經(jīng)接近于最佳值。由此能推斷出均衡器是怎么進(jìn)行工作的嗎？數(shù)據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練同步頭5.3.1 自適應(yīng)均衡原理 自適應(yīng)均衡器工作模式訓(xùn)練模式：發(fā)射信號(hào)中包含一個(gè)已知的、定長(zhǎng)的訓(xùn)練序列，以便均衡器根據(jù)信道特性調(diào)整濾波器系數(shù)。跟蹤模式：在訓(xùn)練序列后傳送用戶數(shù)據(jù)，接收機(jī)處的均衡器將通過(guò)自適應(yīng)算法來(lái)修正濾波器系數(shù)，不斷跟蹤信道變化并作出補(bǔ)償。5-16需要思考的問(wèn)題訓(xùn)練序列的長(zhǎng)度會(huì)影響什么？長(zhǎng)度越長(zhǎng)，均衡器性能越好，缺點(diǎn)是什么？數(shù)據(jù)傳輸效率下降需要在性能與數(shù)據(jù)傳輸效率之間進(jìn)行折中5-17需要思考的問(wèn)題為什么要不斷的發(fā)送訓(xùn)練序列，發(fā)一次不行嗎？信道的時(shí)變性要求不能發(fā)一次而且發(fā)送訓(xùn)練序列

6、的頻率與信道的時(shí)變性有關(guān)5-185-195.3.2 均衡器的分類一、按照技術(shù)類型 線性均衡：均衡器的輸出 d(t )未應(yīng)用于均衡器的反饋邏輯中。 非線性均衡：均衡器的輸出 d(t )被應(yīng)用于反饋邏輯中，并影響了均衡器的后續(xù)輸出。5-20線性均衡器 原理：調(diào)節(jié)權(quán)系數(shù)使其它時(shí)刻信號(hào)的總和為零一、按照技術(shù)類型一、按照技術(shù)類型線性均衡器缺點(diǎn)是什么？當(dāng)信道中有深度頻譜衰落時(shí)，線性均衡器會(huì)怎么樣？會(huì)對(duì)出現(xiàn)深衰落的那段頻譜及近旁的頻譜產(chǎn)生很大的增益，從而不能有效的補(bǔ)償信道的衰落特性。線性均衡器適用于譜衰落較平坦的信道5-22非線性均衡器(Decision Feedback Equalization）一、按照

7、技術(shù)類型概念：均衡器的輸出被應(yīng)用于反饋邏輯中，影響了均衡器的后續(xù)輸出。一、按照技術(shù)類型基本思路：一旦一個(gè)信息符號(hào)被檢測(cè)判定后，就可在檢測(cè)后續(xù)符號(hào)之前預(yù)測(cè)并消除由這個(gè)信息符號(hào)帶來(lái)的碼間串?dāng)_。實(shí)現(xiàn)：由一個(gè)前饋濾波器(FFF)和一個(gè)后饋濾波器(FBF)組成橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。均衡器的輸出為：非線性均衡器(Decision Feedback Equalization）一、按照技術(shù)類型 非線性均衡器適用于頻譜衰落不平坦，存在嚴(yán)重失真的信道。判決反饋均衡器的最小均方差總比基于橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)的線性均衡器的最小均方差要小。5-25二、按照頻譜效率 基于訓(xùn)練序列的均衡 ：發(fā)射端發(fā)送訓(xùn)練序列，接收端根據(jù)此訓(xùn)練序列

8、對(duì)均衡器進(jìn)行調(diào)整。 盲均衡 ：不需要訓(xùn)練序列，利用發(fā)射信號(hào)特性進(jìn)行調(diào)整，頻譜利用率高，但收斂速率慢，目前在實(shí)際中難以較好地應(yīng)用。 半盲均衡 ：初始引導(dǎo)調(diào)節(jié)均衡器參數(shù)，隨后在同步接收的前提下自主調(diào)節(jié)系數(shù)，效率居中。 5-265.3.3 自適應(yīng)均衡算法主要解決2個(gè)問(wèn)題：（1）如何產(chǎn)生系數(shù)序列Wk？ =均衡器的主要工作，即各種均衡準(zhǔn)則。 （2）如何使得Wk隨信道變化而變化？ =自適應(yīng)均衡算法。一、均衡準(zhǔn)則均衡準(zhǔn)則權(quán)系數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)則 最小峰值失真準(zhǔn)則：使碼間串?dāng)_值最小。 最大失真定義為均衡器輸出端的最大碼間串?dāng)_。 要求使最大失真最小化。最小均方誤差準(zhǔn)則：均衡器期望輸出值和實(shí)際輸出值間的均方誤差最小化。5

9、-28二、典型自適應(yīng)均衡算法 均衡算法 在給定均衡準(zhǔn)則下，如何調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)以實(shí)現(xiàn)均衡準(zhǔn)則的要求的方法，稱為均衡算法。 指標(biāo) 收斂速度 運(yùn)算量 誤差特性5-29二、典型自適應(yīng)均衡算法 采用準(zhǔn)則：最小均方誤差準(zhǔn)則 R：均衡器的輸入?yún)f(xié)方差矩陣P：輸入信號(hào)與期望輸出值間的互相關(guān)量 5-30二、典型自適應(yīng)均衡算法 采用準(zhǔn)則：最小均方誤差準(zhǔn)則 當(dāng)均衡器的輸入與期望輸出一定時(shí)，均方差由權(quán)重向量W決定，使得均方差最小的W就是最優(yōu)的權(quán)重向量。 5-31二、典型自適應(yīng)均衡算法最小均方誤差算法（ LMS ）核心思想： 尋找一個(gè)W的遞推式，沿著趨于最佳權(quán)重的方向逐步遞推，直到均方誤差最小為止。 5-32二、典型自適應(yīng)

10、均衡算法最小均方誤差算法（ LMS ） 迭代算法 下標(biāo)N為均衡器延時(shí)線上的延時(shí)級(jí)數(shù)；為控制收斂速率和算法穩(wěn)定性的步長(zhǎng)。5-33二、典型自適應(yīng)均衡算法 訓(xùn)練過(guò)程 - 不斷迭代 新權(quán)重=原先權(quán)重+常數(shù)預(yù)測(cè)誤差當(dāng)前輸入向量 預(yù)測(cè)誤差=期望輸出值-實(shí)際預(yù)測(cè)輸出值 5-34多種自適應(yīng)均衡算法的比較算法乘法運(yùn)算次數(shù)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)LMS梯度DFE2N+1運(yùn)算復(fù)雜度低編程簡(jiǎn)單收斂慢跟蹤能力差Kalman RLS2.5N2 +4.5N快速收斂良好的跟蹤能力運(yùn)算復(fù)雜度高梯度格型算法13N-8穩(wěn)定，運(yùn)算復(fù)雜度低性能沒(méi)有其他RLS算法好編程復(fù)雜梯度格型DFE13N1+33N2-36運(yùn)算復(fù)雜度低編程復(fù)雜快速Kalman DF

11、E20N+5可被用于DFE快速收斂良好的跟蹤能力編程復(fù)雜運(yùn)算量不低不穩(wěn)定平方根RLS DFE1.5N2 +6.5N數(shù)值特性更好運(yùn)算復(fù)雜度高5-35 自適應(yīng)均衡器階數(shù)N的選擇？ 信道的最大時(shí)延可以指示自適應(yīng)均衡器的階數(shù)的選擇 舉例：900MHz移動(dòng)通信信道，時(shí)延擴(kuò)展小于15us的占99%，時(shí)延擴(kuò)展小于5us的占80%。5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用5-36 自適應(yīng)均衡器階數(shù)的選擇？ IS-54、GSM：規(guī)定系統(tǒng)能均衡的時(shí)延擴(kuò)展為15s。 GSM系統(tǒng)的符號(hào)速率為270.833kbps。 自適應(yīng)均衡器的階數(shù)取多少合適？ 符號(hào)周期為3.692s，階數(shù)5 DEF均衡器+RLS算法5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)

12、用5-37 GSM中的訓(xùn)練序列 GSM幀結(jié)構(gòu)5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用5-38 時(shí)隙長(zhǎng)度如何設(shè)置？ 例子： 900MHz移動(dòng)通信信道，移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速率為80km/h，假定符號(hào)速率為24.3千個(gè)/秒，不用更新均衡器的傳輸符號(hào)數(shù)目是多少？5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用5-39 時(shí)隙長(zhǎng)度如何設(shè)置？ 最大多普勒頻移 fm=vf/c=(80000/3600) 900 106/3 108 = 66.67Hz 相干時(shí)間 5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用5-40 時(shí)隙長(zhǎng)度如何設(shè)置？ 保證一個(gè)TDMA時(shí)隙的一致性，數(shù)據(jù)必須在6.34ms時(shí)間間隔中傳送 Rs=24.3kbps，可被傳送的符號(hào)個(gè)數(shù)為： Nb = RsTc = 154個(gè)符號(hào)5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用5-41 同樣還是15s的多徑時(shí)延，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到5Mbps時(shí)，濾波器的階數(shù)應(yīng)該為多大？ 75隨著濾波器階數(shù)N的增大會(huì)有什么問(wèn)題呢？ 計(jì)算復(fù)雜度急劇增加5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用5.3.4 自適應(yīng)均衡的應(yīng)用如何降低均衡器的運(yùn)算量呢？分析一下求解均衡器系數(shù)的運(yùn)算量主要在哪里？主要在信道的反卷積上如果將信號(hào)變換至頻域進(jìn)行均衡運(yùn)算量會(huì)不會(huì)降