移動(dòng)通信原理與技術(shù)第4章-抗信道衰落技術(shù)課件

1、第4章抗信道衰落技術(shù)抗衰落技術(shù)概況4.1 分集技術(shù)及應(yīng)用4.2均衡技術(shù)及應(yīng)用4.3 智能天線技術(shù)及應(yīng)用4.44.1 抗衰落技術(shù)概況 衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素?？焖ヂ涞纳疃瓤蛇_(dá)3040dB，通過加大發(fā)射功率來克服快衰落不僅不現(xiàn)實(shí)，而且會(huì)造成對其它電臺的干擾。因此就迫使人們利用各種信號處理的方法來對抗衰落，分集技術(shù)和均衡技術(shù)就是用來克服衰落、改進(jìn)接收信號質(zhì)量的，它們既可單獨(dú)使用，也可以組合使用。 分集接收是抗衰落的一種有效措施。CDMA系統(tǒng)采用路徑分集技術(shù)（又稱Rake接收），TDMA系統(tǒng)采用自適應(yīng)均衡技術(shù)，各種移動(dòng)通信系統(tǒng)采用不同的糾錯(cuò)編碼技術(shù)、自動(dòng)功率控制技術(shù)等，都能起到抗衰落作用，提高通

2、信的可靠性。 均衡是信道的逆濾波，用于消除由多徑效應(yīng)引起的碼間干擾即符號間干擾。 分集和均衡技術(shù)都被用于改進(jìn)無線鏈路的性能，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。但是在?shí)際的無線通信系統(tǒng)中，每種技術(shù)在實(shí)現(xiàn)方法、所需費(fèi)用和實(shí)現(xiàn)效率等方面具有很大的不同，在不同的場合需要采用不同的技術(shù)或技術(shù)組合。4.2 分集技術(shù)及應(yīng)用 分集技術(shù)（Diversity Techniques）主要研究如何利用無線傳播環(huán)境中相互獨(dú)立的（或至少是高度不相關(guān)的）多徑信號來改善系統(tǒng)的性能。 這些多徑信號在結(jié)構(gòu)上和統(tǒng)計(jì)特性上具有不同的特點(diǎn)，對這些信號進(jìn)行區(qū)分，并按一定規(guī)律和原則進(jìn)行集合與合并處理來實(shí)現(xiàn)抗衰落。4.2.1 分集技術(shù)的概念 分集的

3、概念可以簡單解釋如下：一條無線傳播路徑中的信號經(jīng)歷了深度衰落，而其他相對獨(dú)立的路徑中仍可能含著較強(qiáng)的信號，因此可以在多徑信號中選擇多個(gè)信號，通過在接收端進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喜硖岣呓邮斩说乃矔r(shí)信噪比和平均信噪比，通?？梢蕴岣?0dB到30dB。 分集的必要條件：在接收端必須能夠接收到承載同一信息內(nèi)容且在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立的若干個(gè)不同的樣值信號，這若干個(gè)不同樣值信號的獲得可以通過不同的方式，如空間、頻率、時(shí)間等。 分集的充分條件：如何將可獲得的含有同一信息內(nèi)容但統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的不同樣值加以有效且可靠的利用，它是指分集中的集合與合并。4.2.2 分集的分類 移動(dòng)通信系統(tǒng)中，從分集的區(qū)域劃分，分集方式分為宏分集和微

4、分集兩類。 1.宏分集（也稱為多基站分集）用于蜂窩通信系統(tǒng)中，是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù)。 2.微分集是一種減小快衰落影響的分集技術(shù)，是各種無線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的方法。為了達(dá)到信號之間的不相關(guān)，可以從時(shí)間、頻率、空間、極化、角度等方面實(shí)現(xiàn)這種不相關(guān)性。 空間分集的基礎(chǔ)是快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一個(gè)信號，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，則兩個(gè)位置上所收信號的衰落是不相關(guān)的。 如圖4.1所示空間分集的接收機(jī)至少需要兩副相隔距離為d的天線。 間隔距離d與工作波長、地物及天線高度有關(guān)。在移動(dòng)信道中，通常?。?市區(qū) d=0.5 郊區(qū) d=0.8 1）空間分集：Space D

5、iversity圖4.1 空間分集示意圖 2）頻率分集：Frequency Diversity 頻率分集需要用兩部以上的發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)送同一信號，并用兩部以上的獨(dú)立接收機(jī)來接收信號。因此，頻率分集不僅使設(shè)備復(fù)雜，而且在頻譜利用方面也很不經(jīng)濟(jì)。 3）時(shí)間分集：Time Diversity 同一信號在不同的時(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)送信號所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨(dú)立的。因此，接收機(jī)將重復(fù)收到的同一信號進(jìn)行合并，就能減小衰落的影響。 時(shí)間分集有利于克服移動(dòng)信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號衰落，主要用于數(shù)字信號在衰落信道中的傳輸。 注意：當(dāng)移動(dòng)臺處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，時(shí)間分集不能減小由

6、多普勒效應(yīng)引起的信號衰落。4）極化分集：Polarization Diversity兩個(gè)不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性，因而發(fā)送端和接收端可以用兩個(gè)位置很近、極化方式不同的天線分別發(fā)送和接收信號，以獲得分集效果。 極化分集可以看作空間分集的一種特殊情況，也需要兩副天線，只是利用了不同極化波具有不相關(guān)的衰落特性而縮短了天線間的距離。 5）角度分集：Angle Diversity 角度分集的原理是使電波通過幾個(gè)不同路徑、以不同角度到達(dá)接收端，接收端利用多個(gè)方向性尖銳的接收天線將來自不同方向的信號分量進(jìn)行分離。 由于不同方向來的信號分量具有互相獨(dú)立的衰落特性，所以可以實(shí)現(xiàn)角度分集并獲得抗衰落的效

7、果。 由電磁場理論可知，當(dāng)電磁波傳輸時(shí)，電場E總是伴隨著磁場H，且和H攜帶相同的信息。若把衰落情況不同E和H的能量加以利用，得到的就是場分集。場分集不需要把兩根天線從空間分開，天線的尺寸也基本保持不變，對帶寬無影響，但要求兩根天線分別接E和H。適用于較低工作頻段(例如低于100MHz)。 6）場分集 3.應(yīng)用實(shí)例 中國聯(lián)通東營分公司使用的是北方電訊的GSM設(shè)備，基站有S8000型等。它采用了極化分集、空間分集等多種顯分集和隱分集技術(shù)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用與測試證明，在基站間距較小、高樓林立的市區(qū)，若安裝環(huán)境較差，可采用體積較小的極化分集天線，它可以獲得與空間分集同樣甚至更好的效果；而在開闊的郊區(qū)及農(nóng)村，

8、則應(yīng)采用增益較高的空間分集天線。4.2.3 分集合并方式及性能 接收端收到M(M2)個(gè)分集信號后，如何利用這些信號以減小衰落的影響，這就是合并問題。 假設(shè)M個(gè)輸入信號電壓為r1(t)， r2(t), ， rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為 （4.1）式中， ak為第k個(gè)信號的加權(quán)系數(shù)。 合并技術(shù)通常應(yīng)用在空間分集中。分集信號的合并是指接收端收到多個(gè)獨(dú)立衰落的信號后如何合并的問題。選擇不同的加權(quán)系數(shù)，構(gòu)成不同的合并方式。常用的合并方式有選擇合并、最大比合并、等增益合并。 1選擇合并：Selective Combining 選擇合并（Selection Combining，SC）就是將天線接收

9、的多路信號加以比較之后選取最高信噪比的分支。這種方式實(shí)際上并非是合并，而是從中選擇信號質(zhì)量最好的一個(gè)輸出，因此又稱為選擇分集或開關(guān)分集。 圖4.2 選擇式合并的原理 選擇合并有檢測前合并與檢測后合并兩種方式，如圖4.3所示。 圖4.3 檢測前與檢測后合并方式2最大比合并： Maximal Ratio Combining 最大比合并（Maximal Ratio Combining，MRC）是最佳的分集合并方式，因?yàn)樗艿玫阶畲蟮妮敵鲂旁氡取?圖4.4 最大比合并的原理 最大比合并的輸出信噪比等于各支路的信噪比之和。所以，即使當(dāng)各路信號都很差，以至于沒有一路信號可以被單獨(dú)解出時(shí)，最大比合并算法仍有

10、可能合成一個(gè)達(dá)到信噪比要求的、可以被還原的信號。在所有已知的線性分集合并方法中，這種方法的抗衰落統(tǒng)計(jì)特性最佳。3等增益合并： Equal Gain Combining 等增益合并（Equal Gain Combining，EGC）就是使各支路信號同相后等增益相加作為合并后的信號，它與最大比合并類似，只是加權(quán)系數(shù)設(shè)置為1。 圖4.5 等增益合并原理圖 等增益合并適合在兩路信號電平接近時(shí)工作，此時(shí)可以獲得約3dB的增益。但是它不適合在兩路信號相差懸殊時(shí)工作，因?yàn)榇藭r(shí)信號弱的那一路也將被充分放大后參與合并，這將會(huì)使總輸出信噪比下降。 注意：等增益合并必須在中頻進(jìn)行，因?yàn)槿羰窃诘皖l合并，會(huì)由于各支路解

11、調(diào)器的增益不是常數(shù)而無法保證等增益合并。 最大比合并和等增益合并，可以采用圖4.6所示的電路來實(shí)現(xiàn)同相相加。另外還可以在發(fā)射信號中插入導(dǎo)頻，在接收端通過提取導(dǎo)頻的相位信息實(shí)現(xiàn)同相相加。圖4.6 同相調(diào)整電路4. 三種合并方式的性能比較圖4.7 三種分集合并增益比較 分集合并的性能指的是合并前、合并后信噪比的改善程度。Rake的概念是1958年由R.Price和P.E.Green在多徑信道中的一種通信技術(shù)中提出來的。RAKE接收技術(shù)是第三代CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。由于這種接收機(jī)收集的是多條路徑上的信號，其作用與農(nóng)用多齒草耙（英文為Rake）的作用相似，故稱為Rake接收機(jī)。 Rak

12、e接收機(jī)不是減弱或削弱多徑信號，而是充分利用多徑信號。4.2.4 RAKE接收機(jī) 1Rake接收機(jī)的工作原理 在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信號帶寬較寬，存在復(fù)雜的多徑無線電信號，通信受到多徑衰落的影響。 Rake接收機(jī)的原理是使用相關(guān)接收機(jī)組，對每個(gè)路徑使用一個(gè)相關(guān)接收機(jī)，各相關(guān)接收機(jī)與同一期望信號的一個(gè)延遲形式相關(guān)，然后這些相關(guān)接收機(jī)的輸出根據(jù)它們的相對強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)，并把加權(quán)后的各路輸出相加，合成一個(gè)輸出。加權(quán)系數(shù)的選擇原則是輸出信噪比要最大。 假定有L個(gè)相關(guān)器，每個(gè)相關(guān)器與其中一個(gè)多徑分量強(qiáng)相關(guān)，而與其他多徑分量弱相關(guān)，各個(gè)相關(guān)器的輸出經(jīng)過加權(quán)后同相相加，總的輸出信號為（4.2）與一般的分集

13、技術(shù)把多徑信號作為干擾來處理不同，RAKE接收機(jī)利用多徑信號來增強(qiáng)信號。圖4.8 Rake接收機(jī)原理 加權(quán)系數(shù)由相應(yīng)多徑信號能量在總能量中所占比例決定（4.3）圖4.8 Rake接收機(jī)原理 2.Rake接收機(jī)的工程實(shí)現(xiàn) 在IS-95 CDMA系統(tǒng)中。Rake多徑分集接收是這樣的：在基站處，每一個(gè)反向信道都有四個(gè)數(shù)字解調(diào)器，這樣每個(gè)基站都可以同時(shí)解調(diào)四路多徑信號，并進(jìn)行矢量合并，通過這樣恢復(fù)出的信號比任何一路信號都要好。在手機(jī)里，有三個(gè)數(shù)字解調(diào)單元、一個(gè)搜索單元，這樣手機(jī)也能同時(shí)解調(diào)三路多徑信號并進(jìn)行矢量合并。4.3 均衡技術(shù)及應(yīng)用 4.3.1 均衡原理 在移動(dòng)環(huán)境中，由于信道的時(shí)變多徑傳播特性

14、，將產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾，碼間干擾被認(rèn)為是移動(dòng)無線信道中傳輸高速率數(shù)據(jù)時(shí)的主要障礙。單純電平波動(dòng)可用自動(dòng)增益控制電路加以抑制，而波形失真引起的傳播特性惡化，則需要用均衡器解決。均衡技術(shù)就是指各種用來處理碼間干擾(ISI)的算法和實(shí)現(xiàn)方法。圖4.9 均衡器原理均衡的基本原理如圖4.9所示。 4.3.2 均衡的分類 均衡技術(shù)按技術(shù)類型可分為：線性均衡和非線性均衡。 這兩類均衡技術(shù)的差別主要在于均衡器的輸出。被用于反饋控制的方法。通常，模擬信號由接收機(jī)的判決器進(jìn)行限幅或閾值操作，并決定信號的數(shù)字邏輯值d(t)。如果d(t)未被應(yīng)用于均衡器的反饋邏輯中，那么均衡器是線性的。反之。如果d(t)應(yīng)用于反饋邏

15、輯并影響了均衡器的后續(xù)輸出，那么均衡器是非線性的。 均衡器按結(jié)構(gòu)劃分為：橫向或格形結(jié)構(gòu)。橫向結(jié)構(gòu)是具有N-1個(gè)延遲單元、N個(gè)可調(diào)諧的抽頭權(quán)重因子。格形濾波器與橫向?yàn)V波器相比復(fù)雜度較高，但其數(shù)值穩(wěn)定性高、收斂性好，濾波器長度變化靈活。 均衡器按其所處位置可分為：預(yù)均衡與均衡。均衡器通常都放在接收端，而預(yù)均衡器放在發(fā)射端。 均衡器按檢測級別可分為碼片均衡器、符號均衡器和序列均衡器三類。 均衡器按其頻譜效率可分成三類：基于訓(xùn)練序列的均衡、盲均衡BE（Blind Equalization）、半盲均衡。 線性均衡器可由有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器（又稱為橫向?yàn)V波器）實(shí)現(xiàn)。這種濾波器在可用的類型中是最簡單

16、的，它的基本框圖如圖4.10所示。 4.3.3 線性均衡技術(shù)圖4.10 線性橫向均衡器結(jié)構(gòu) 線性橫向均衡器最大的優(yōu)點(diǎn)就在于其結(jié)構(gòu)非常簡單，容易實(shí)現(xiàn)，因此在各種數(shù)字通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是其結(jié)構(gòu)決定了它有兩個(gè)難以克服的缺點(diǎn)： 噪聲的增強(qiáng)會(huì)使線性橫向均衡器無法均衡具有深度零點(diǎn)的信道； 線性橫向均衡器與接收信號的幅度信息關(guān)系密切，而幅度會(huì)隨著多徑衰落信道中相鄰碼元的改變而改變，因此濾波器抽頭系數(shù)的調(diào)整不是獨(dú)立的。 線性均衡器還可以由格型濾波器實(shí)現(xiàn)，如圖4.11所示。圖4.11 格型均衡器結(jié)構(gòu)格型均衡器由于動(dòng)態(tài)調(diào)整階數(shù)的時(shí)候不需要重新啟動(dòng)自適應(yīng)算法，以及具有優(yōu)良的收斂特性和數(shù)值穩(wěn)定性，有利于它

17、在高速的數(shù)字通信和深度衰落的信道中使用。但是格型均衡器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來困難，從而限制了格型均衡器在數(shù)字通信中的應(yīng)用。 當(dāng)信道失真過于嚴(yán)重以至于線性均衡器不易處理時(shí)，采用非線性均衡技術(shù)會(huì)比較好。當(dāng)信道中有深度頻譜衰落時(shí)，用線性均衡器不能取得滿意的效果，這是由于為了補(bǔ)償頻譜的失真，線性均衡器會(huì)對出現(xiàn)深衰落的那段頻譜及其附近的頻譜產(chǎn)生很大的增益，從而增加了該段頻譜的噪聲。 5.3.4 非線性均衡技術(shù) 判決反饋均衡（DFE）的基本思路是：一旦信息符號經(jīng)檢測和判決以后，它對隨后信號的干擾在其檢測之前可以被估計(jì)并消減。 判決反饋均衡既可以直接由橫向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)，也可以由格型濾波器實(shí)現(xiàn)。圖4.12 橫

18、向?yàn)V波式判決反饋均衡器 橫向?yàn)V波式判決反饋均衡器包括兩個(gè)抽頭延遲濾波器：一個(gè)是前向?yàn)V波器(Forward Filter，F(xiàn)FF)，另一個(gè)是反向?yàn)V波器(Feedback Filter，F(xiàn)BF)。其作用和原理與前面討論的線性橫向均衡器類似。FBF的輸入是判決器的先前輸出，其系數(shù)可以通過調(diào)整來減弱當(dāng)前估計(jì)中的碼間干擾。 當(dāng)頻譜衰落較平坦時(shí)，線性均衡器能夠良好地工作，而當(dāng)頻譜衰落嚴(yán)重不均時(shí)，線性均衡器的性能會(huì)惡化，而采用DFE的均衡器則表現(xiàn)出更好的性能。因此，判決反饋均衡更適合于有嚴(yán)重失真的無線信道。它的結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)判決差錯(cuò)對性能的影響可忽略時(shí)，DFE優(yōu)于線性均衡器。 4.3.5 自適應(yīng)均衡

19、由于移動(dòng)信道的衰落具有隨機(jī)性和時(shí)變性，常要求均衡器能夠?qū)崟r(shí)跟蹤移動(dòng)通信信道的變化，這種均衡器稱作自適應(yīng)均衡器。 自適應(yīng)均衡器是一個(gè)時(shí)變?yōu)V波器，它必須動(dòng)態(tài)地調(diào)整其特性和參數(shù)，使其能夠跟蹤信道的變化，在任何情況下都能夠使均衡器達(dá)到所要求的指標(biāo)。 自適應(yīng)均衡器的基本結(jié)構(gòu)采用橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)。它有N個(gè)延遲單元（z-1）、N+1階、N+1個(gè)抽頭、N+1個(gè)可調(diào)的復(fù)數(shù)乘法器（權(quán)值）。這些權(quán)值通過自適應(yīng)算法進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法可以是每個(gè)采樣點(diǎn)調(diào)整一次，或每個(gè)數(shù)據(jù)塊調(diào)整一次。 圖4.13 自適應(yīng)均衡器的基本結(jié)構(gòu) 為了保證能效地消除碼間干擾，均衡器需要周期性地進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練。均衡器被大量用于數(shù)字通信系統(tǒng)中，時(shí)分多址無

20、線通信系統(tǒng)尤其適用于均衡器的應(yīng)用。 均衡器通常在接收機(jī)的基帶或中頻部分實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)均衡器通常包含兩種工作模式：訓(xùn)練模式和跟蹤模式。 采用自適應(yīng)均衡的通信系統(tǒng)如圖4.14所示。圖中接收機(jī)中包含有自適應(yīng)均衡器。圖4.14 采用自適應(yīng)均衡的通信系統(tǒng) 很多IS-54手機(jī)采用的均衡器是判決反饋均衡器。它包括4個(gè)前饋抽頭和反饋抽頭，其中前饋抽頭間隔為符號的一半。 GSM的均衡是通過每一時(shí)隙中間段所發(fā)送的訓(xùn)練序列來實(shí)現(xiàn)的。GSM標(biāo)準(zhǔn)沒有指定均衡器的類型，而是由制造商確定。 4.3.6 均衡技術(shù)的應(yīng)用 在IS-54與GSM系統(tǒng)中采用符號級或序列級均衡器，而在CDMA系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，需要采用碼

21、片級均衡器。采用多用戶檢測能夠?qū)崿F(xiàn)上行鏈路的最佳CDMA接收，而下行鏈路的移動(dòng)終端受復(fù)雜度限制，且其他用戶的參數(shù)通常是未知的，因此，不能使用多用戶檢測，只能尋求次最佳接收。RAKE接收是目前CDMA系統(tǒng)最常用的接收方法。 4.4 智能天線技術(shù) 智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地?cái)U(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。 另外在移動(dòng)通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。采用智能天線可以有效的解決這

22、個(gè)問題。4.4.1 智能天線技術(shù)概況 用于基站的智能天線是一種由多個(gè)天線單元組成的陣列天線。它通過調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位來改變陣列天線的方向，從而抑制干擾，提高信噪比。 用于移動(dòng)臺的智能天線可以有效地提高通信性能，降低發(fā)射功率，減少電波對人體的影響。此外，由于智能天線可以從用戶方向和傳播時(shí)延獲知用戶位置，它將成為一種有效的定位手段,可以為用戶提供新的服務(wù)，如導(dǎo)航、緊急救助等。 1智能天線的原理 圖4.15給出了一種具有M個(gè)天線振子，利用N個(gè)自適應(yīng)抽頭延遲結(jié)構(gòu)的智能天線的信號處理結(jié)構(gòu)，每個(gè)天線單元有一個(gè)可控?cái)?shù)字濾波器，通過調(diào)整濾波器系數(shù)，改變單元輸出的信號幅度和相位，最后各單元合成為天線陣的天線波束方向和增益。4.4.2 智能天線原理圖4.15 智能天線的信號處理結(jié)構(gòu) 智能天線系統(tǒng)由天線陣列部分、陣列形狀、模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾部分組成，如圖4.16 所示。圖中表示的是單個(gè)用戶情況 。圖4.16 智能天線原理圖（單個(gè)用戶） 假如在一個(gè)小區(qū)中有K個(gè)用戶，則圖4.16中僅天線陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分可以共用，其余自適應(yīng)數(shù)字信號處理器與相應(yīng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)