移動通信原理與技術第4章-抗信道衰落技術課件

1、第4章抗信道衰落技術抗衰落技術概況4.1 分集技術及應用4.2均衡技術及應用4.3 智能天線技術及應用4.44.1 抗衰落技術概況 衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素。快衰落的深度可達3040dB，通過加大發(fā)射功率來克服快衰落不僅不現(xiàn)實，而且會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，分集技術和均衡技術就是用來克服衰落、改進接收信號質(zhì)量的，它們既可單獨使用，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（又稱Rake接收），TDMA系統(tǒng)采用自適應均衡技術，各種移動通信系統(tǒng)采用不同的糾錯編碼技術、自動功率控制技術等，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引起的碼間干擾即符號間干擾。 分集和均衡技術都被用于改進無線鏈路的性能，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。但是在實際的無線通信系統(tǒng)中，每種技術在實現(xiàn)方法、所需費用和實現(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或技術組合。4.2 分集技術及應用 分集技術（Diversity Techniques）主要研究如何利用無線傳播環(huán)境中相互獨立的（或至少是高度不相關的）多徑信號來改善系統(tǒng)的性能。 這些多徑信號在結構上和統(tǒng)計特性上具有不同的特點，對這些信號進行區(qū)分，并按一定規(guī)律和原則進行集合與合并處理來實現(xiàn)抗衰落。4.2.1 分集技術的概念 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，而其他相對獨立的路徑中仍可能含著較強的信號，因此可以在多徑信號中選擇多個信號，通過在接收端進行適當?shù)睾喜硖岣呓邮斩说乃矔r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)計上相互獨立的若干個不同的樣值信號，這若干個不同樣值信號的獲得可以通過不同的方式，如空間、頻率、時間等。 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)計上獨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。 2.微分集是一種減小快衰落影響的分集技術，是各種無線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的方法。為了達到信號之間的不相關，可以從時間、頻率、空間、極化、角度等方面實現(xiàn)這種不相關性。 空間分集的基礎是快衰落的空間獨立性，即在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，則兩個位置上所收信號的衰落是不相關的。 如圖4.1所示空間分集的接收機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。在移動信道中，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)射機同時發(fā)送同一信號，并用兩部以上的獨立接收機來接收信號。因此，頻率分集不僅使設備復雜，而且在頻譜利用方面也很不經(jīng)濟。 3）時間分集：Time Diversity 同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨立的。因此，接收機將重復收到的同一信號進行合并，就能減小衰落的影響。 時間分集有利于克服移動信道中由多普勒效應引起的信號衰落，主要用于數(shù)字信號在衰落信道中的傳輸。 注意：當移動臺處于靜止狀態(tài)時，時間分集不能減小由

6、多普勒效應引起的信號衰落。4）極化分集：Polarization Diversity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、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不同路徑、以不同角度到達接收端，接收端利用多個方向性尖銳的接收天線將來自不同方向的信號分量進行分離。 由于不同方向來的信號分量具有互相獨立的衰落特性，所以可以實現(xiàn)角度分集并獲得抗衰落的效

7、果。 由電磁場理論可知，當電磁波傳輸時，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.應用實例 中國聯(lián)通東營分公司使用的是北方電訊的GSM設備，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。經(jīng)實際應用與測試證明，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 （4.1）式中， ak為第k個信號的加權系數(shù)。 合并技術通常應用在空間分集中。分集信號的合并是指接收端收到多個獨立衰落的信號后如何合并的問題。選擇不同的加權系數(shù)，構成不同的合并方式。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。這種方式實際上并非是合并，而是從中選擇信號質(zhì)量最好的一個輸出，因此又稱為選擇分集或開關分集。 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，因為它能得到最大的輸出信噪比。 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，即使當各路信號都很差，以至于沒有一路信號可以被單獨解出時，最大比合并算法仍有

10、可能合成一個達到信噪比要求的、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，只是加權系數(shù)設置為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工作，此時可以獲得約3dB的增益。但是它不適合在兩路信號相差懸殊時工作，因為此時信號弱的那一路也將被充分放大后參與合并，這將會使總輸出信噪比下降。 注意：等增益合并必須在中頻進行，因為若是在低頻合并，會由于各支路解

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所示的電路來實現(xiàn)同相相加。另外還可以在發(fā)射信號中插入導頻，在接收端通過提取導頻的相位信息實現(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中提出來的。RAKE接收技術是第三代CDMA移動通信系統(tǒng)中的一項重要技術。由于這種接收機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。 Rak

12、e接收機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 1Rake接收機的工作原理 在CDMA移動通信系統(tǒng)中，信號帶寬較寬，存在復雜的多徑無線電信號，通信受到多徑衰落的影響。 Rake接收機的原理是使用相關接收機組，對每個路徑使用一個相關接收機，各相關接收機與同一期望信號的一個延遲形式相關，然后這些相關接收機的輸出根據(jù)它們的相對強度進行加權，并把加權后的各路輸出相加，合成一個輸出。加權系數(shù)的選擇原則是輸出信噪比要最大。 假定有L個相關器，每個相關器與其中一個多徑分量強相關，而與其他多徑分量弱相關，各個相關器的輸出經(jīng)過加權后同相相加，總的輸出信號為（4.2）與一般的分集

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

14、，將產(chǎn)生嚴重的碼間干擾，碼間干擾被認為是移動無線信道中傳輸高速率數(shù)據(jù)時的主要障礙。單純電平波動可用自動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。均衡技術就是指各種用來處理碼間干擾(ISI)的算法和實現(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 均衡技術按技術類型可分為：線性均衡和非線性均衡。 這兩類均衡技術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，模擬信號由接收機的判決器進行限幅或閾值操作，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。 均衡器按結構劃分為：橫向或格形結構。橫向結構是具有N-1個延遲單元、N個可調(diào)諧的抽頭權重因子。格形濾波器與橫向濾波器相比復雜度較高，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：預均衡與均衡。均衡器通常都放在接收端，而預均衡器放在發(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（FIR）濾波器（又稱為橫向濾波器）實現(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 線性均衡技術圖4.10 線性橫向均衡器結構 線性橫向均衡器最大的優(yōu)點就在于其結構非常簡單，容易實現(xiàn)，因此在各種數(shù)字通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但是其結構決定了它有兩個難以克服的缺點： 噪聲的增強會使線性橫向均衡器無法均衡具有深度零點的信道； 線性橫向均衡器與接收信號的幅度信息關系密切，而幅度會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)整不是獨立的。 線性均衡器還可以由格型濾波器實現(xiàn)，如圖4.11所示。圖4.11 格型均衡器結構格型均衡器由于動態(tài)調(diào)整階數(shù)的時候不需要重新啟動自適應算法，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構比較復雜，實現(xiàn)起來困難，從而限制了格型均衡器在數(shù)字通信中的應用。 當信道失真過于嚴重以至于線性均衡器不易處理時，采用非線性均衡技術會比較好。當信道中有深度頻譜衰落時，用線性均衡器不能取得滿意的效果，這是由于為了補償頻譜的失真，線性均衡器會對出現(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 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并消減。 判決反饋均衡既可以直接由橫向濾波器實現(xiàn)，也可以由格型濾波器實現(xiàn)。圖4.12 橫

18、向濾波式判決反饋均衡器 橫向濾波式判決反饋均衡器包括兩個抽頭延遲濾波器：一個是前向濾波器(Forward Filter，F(xiàn)FF)，另一個是反向濾波器(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)整來減弱當前估計中的碼間干擾。 當頻譜衰落較平坦時，線性均衡器能夠良好地工作，而當頻譜衰落嚴重不均時，線性均衡器的性能會惡化，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重失真的無線信道。它的結構具有許多優(yōu)點，當判決差錯對性能的影響可忽略時，DFE優(yōu)于線性均衡器。 4.3.5 自適應均衡

19、由于移動信道的衰落具有隨機性和時變性，常要求均衡器能夠實時跟蹤移動通信信道的變化，這種均衡器稱作自適應均衡器。 自適應均衡器是一個時變?yōu)V波器，它必須動態(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到所要求的指標。 自適應均衡器的基本結構采用橫向濾波器結構。它有N個延遲單元（z-1）、N+1階、N+1個抽頭、N+1個可調(diào)的復數(shù)乘法器（權值）。這些權值通過自適應算法進行調(diào)整，調(diào)整的方法可以是每個采樣點調(diào)整一次，或每個數(shù)據(jù)塊調(diào)整一次。 圖4.13 自適應均衡器的基本結構 為了保證能效地消除碼間干擾，均衡器需要周期性地進行重復訓練。均衡器被大量用于數(shù)字通信系統(tǒng)中，時分多址無

20、線通信系統(tǒng)尤其適用于均衡器的應用。 均衡器通常在接收機的基帶或中頻部分實現(xiàn)。自適應均衡器通常包含兩種工作模式：訓練模式和跟蹤模式。 采用自適應均衡的通信系統(tǒng)如圖4.14所示。圖中接收機中包含有自適應均衡器。圖4.14 采用自適應均衡的通信系統(tǒng) 很多IS-54手機采用的均衡器是判決反饋均衡器。它包括4個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隙中間段所發(fā)送的訓練序列來實現(xiàn)的。GSM標準沒有指定均衡器的類型，而是由制造商確定。 4.3.6 均衡技術的應用 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實現(xiàn)上行鏈路的最佳CDMA接收，而下行鏈路的移動終端受復雜度限制，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 智能天線采用空分復用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地擴展通信容量，并和其他復用技術相結合，最大限度地利用有限的頻譜資源。 另外在移動通信中，由于復雜的地形、建筑物結構對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時延擴散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴重影響。采用智能天線可以有效的解決這

22、個問題。4.4.1 智能天線技術概況 用于基站的智能天線是一種由多個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，如導航、緊急救助等。 1智能天線的原理 圖4.15給出了一種具有M個天線振子，利用N個自適應抽頭延遲結構的智能天線的信號處理結構，每個天線單元有一個可控數(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構 智能天線系統(tǒng)由天線陣列部分、陣列形狀、模數(shù)轉換等幾部分組成，如圖4.16 所示。圖中表示的是單個用戶情況 。圖4.16 智能天線原理圖（單個用戶） 假如在一個小區(qū)中有K個用戶，則圖4.16中僅天線陣列和模數(shù)轉換部分可以共用，其余自適應數(shù)字信號處理器與相應的波束形成網(wǎng)絡