噪聲干擾與抗衰落技術(shù)

噪聲干擾與抗衰落技術(shù)第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1噪聲與干擾4.1.1噪聲的分類移動(dòng)信道中的噪聲可以被分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。外部噪聲又可以被分為自然噪聲和人為噪聲。

1.內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的噪聲，包括電阻類導(dǎo)電體中電子的熱運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲，以及半導(dǎo)體中由于載流子的起伏變化引起的散彈噪聲。這些噪聲一般都是無法避免且波形不能準(zhǔn)確預(yù)測的，一般將內(nèi)部噪聲作為隨機(jī)噪聲加以處理。2.外部噪聲在移動(dòng)信道中，外部噪聲的影響較大。外部噪聲也被稱為環(huán)境噪聲，可分為自然噪聲和人為噪聲。大氣噪聲、太陽噪聲和銀河噪聲是自然噪聲。人為噪聲是由電氣裝置中電流或電壓發(fā)生急劇變化而形成的電磁輻射，這種輻射噪聲除了可以直接進(jìn)入移動(dòng)信道外，還可以通過電力線傳播，并通過電力線和接收機(jī)天線的耦合進(jìn)入接收機(jī)。第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月在城市中，由于大量車輛和工業(yè)電氣設(shè)備的存在，輻射噪聲對移動(dòng)通信的危害較大。在1000MHz以下時(shí)，人為噪聲，特別是城市人為噪聲的影響較大。

4.1.2鄰道干擾與同頻道干擾在系統(tǒng)組網(wǎng)的過程中，設(shè)備之間會產(chǎn)生相互干擾，這些干擾包括鄰道干擾、同頻道干擾、互調(diào)干擾、遠(yuǎn)近效應(yīng)。1、鄰道干擾鄰道干擾是指在同一小區(qū)或相鄰小區(qū)中，相鄰或相近頻率的信道之間的干擾。理論上，調(diào)頻信號的頻譜是很寬的，包含有無窮多對邊頻分量，當(dāng)某些邊頻分量落入相鄰頻率的信道中時(shí)，就形成鄰道干擾。為了減小鄰道干擾，應(yīng)當(dāng)限制發(fā)射信號的帶寬和增加相鄰信道間的保護(hù)間隔。為了限制帶寬，在發(fā)射機(jī)的調(diào)制器中采用了瞬時(shí)頻偏控制電路(IDC)，主要是通過限幅器防止過大的信號進(jìn)入調(diào)制器而產(chǎn)生過大的頻偏。第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、同頻道干擾與射頻防護(hù)比在小區(qū)制通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的頻率利用率，在一定的間隔距離以外，需要重復(fù)使用相同的頻率，這種技術(shù)被稱為頻道復(fù)用。頻道復(fù)用技術(shù)可以大大提高頻率利用率，但時(shí)會帶來同頻道干擾。信號功率是隨距離的增加呈指數(shù)倍衰減的，因此，具有相同頻道的小區(qū)相距越遠(yuǎn)，同頻道干擾越小，但同時(shí)會使頻率的利用率降低。在滿足通信質(zhì)量的條件下，允許使用相同頻道的小區(qū)間的最小距離被稱為同頻道復(fù)用的最小安全距離，簡稱同頻道復(fù)用距離。為了保證通信質(zhì)量，接收端的S/I必須大于表3.1所示的射頻防護(hù)比。表3.1干擾概率為10%的射頻保護(hù)比指標(biāo)語音質(zhì)量等級P/dBZP/dBP+ZP/dB3級814.522.822.530.84級1214.522.826.534.8第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、同頻道復(fù)用距離在小區(qū)制系統(tǒng)中，保證信干比S/I大于射頻防護(hù)比的主要辦法是保證同頻小區(qū)之間的距離大于同頻道復(fù)用距離。由于信號的電平與干擾強(qiáng)度不僅與距離有關(guān)，而且與設(shè)備、地形地貌等許多因素有關(guān)。為了簡化分析，我們假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備參數(shù)相同，地形地貌不發(fā)生變化。以dB計(jì)算的信干比為：第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月由上式可知，在理想情況下，信干比S/I僅與D/r有關(guān)，D/r被稱為同頻道復(fù)用保護(hù)距離系數(shù)。由對蜂窩系統(tǒng)的分析可知，同頻道復(fù)用保護(hù)距離與小區(qū)的大小無關(guān)，而在所有小區(qū)形狀、面積相同的假設(shè)前提下，與區(qū)群的大小N有關(guān)，。在蜂窩系統(tǒng)中，減小區(qū)群的大小N可以提高頻率的復(fù)用率，但為了保證通信質(zhì)量，必須選擇合適的N值，保證信干比大于射頻保護(hù)比。在靜態(tài)情況下，若取射頻保護(hù)比為8dB，可計(jì)算出D/r為2.6，要求N大于3。若考慮信號場強(qiáng)的變動(dòng)，射頻防護(hù)比取25dB時(shí)，D/r為5.2，要求N大于9。4.1.3互調(diào)干擾互調(diào)干擾是由傳輸信道中的非線性電路產(chǎn)生的，在移動(dòng)系統(tǒng)中，我們重點(diǎn)考慮的是三階互調(diào)干擾?；フ{(diào)干擾分為發(fā)射機(jī)互調(diào)干擾與接收機(jī)互調(diào)干擾兩類。為減小互調(diào)干擾，可以依靠設(shè)備優(yōu)良的互調(diào)抑制指標(biāo)，也可以采用有效減小互調(diào)干擾的頻道分配方法。第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、發(fā)射機(jī)的互調(diào)干擾發(fā)射機(jī)的互調(diào)干擾一般出現(xiàn)在基站，是由于基站使用不同頻率的發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的干擾，如圖3.7所示。由于發(fā)射機(jī)的末級功率放大器通常工作在非線性狀態(tài)，所以，互調(diào)干擾主要存在于末級功率放大器中。2、接收機(jī)的互調(diào)干擾當(dāng)多個(gè)信號進(jìn)入接收機(jī)前端，在器件的非線性作用下，會產(chǎn)生接收機(jī)的互調(diào)干擾。接收機(jī)的抗互調(diào)能力是用互調(diào)抗拒比表示，是輸入的干擾信號與有用信號電平的比值。在我國公用移動(dòng)通信系統(tǒng)中要求接收機(jī)的三階互調(diào)抗拒比指標(biāo)為70dB。對于一般的移動(dòng)通信系統(tǒng)，接收機(jī)互調(diào)干擾主要考慮三階互調(diào)干擾，特別是兩信號的三階互調(diào)干擾。為了減小互調(diào)干擾，首先應(yīng)當(dāng)在接收機(jī)前端加入濾波器，以增強(qiáng)選擇性，減少進(jìn)入高放的強(qiáng)干擾。其次應(yīng)當(dāng)提高接收機(jī)前端電路的線性，減小互調(diào)干擾發(fā)生的可能性。第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、無三階互調(diào)的頻道組在三階互調(diào)干擾的定義中，只有由非線性產(chǎn)生的新頻率落在接收頻道中時(shí)才能成為干擾。在移動(dòng)系統(tǒng)中，為了避免三階互調(diào)干擾，可以通過合理選擇頻道組中的頻道，使產(chǎn)生的新頻率不可能落入任何工作頻道。我們經(jīng)常用頻道序號差值來判斷有無三階互調(diào)干擾。如果頻道組中的所有頻道差值中出現(xiàn)相同數(shù)據(jù)，說明有三階互調(diào)干擾。反之，則沒有三階互調(diào)干擾，我們將其稱為無三階互調(diào)干擾頻道組。例3.3某信道組中有12個(gè)信道，試確定無三階互調(diào)干擾的頻道組。解：經(jīng)計(jì)算機(jī)篩選，選擇序號為{1，2，5，10，12}時(shí)，頻道差值如下所示，沒有相同值，是無三階互調(diào)干擾組。第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月頻道序號12510121149112371055710212但是，從上述計(jì)算中可知，在占用的12個(gè)頻道中，至多可以選擇5個(gè)信道組成無三階互調(diào)干擾組，頻道的利用率僅5/12。另外，在上述選擇的頻道組中，存在鄰道干擾，如果要求即無三階互調(diào)干擾又無鄰道干擾，則頻道的利用率會進(jìn)一步降低。因此，在需要頻道多的大型系統(tǒng)中，往往從設(shè)備上考慮抑制互調(diào)干擾。第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2分集接收

4.2.1分集接收原理

1.什么是分集接收所謂分集接收，是指接收端對它收到的多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立(攜帶同一信息)的信號進(jìn)行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。

CDMA----路徑分集接收技術(shù)（RAKE）

TDMA----自適應(yīng)均衡技術(shù)

抗干擾措施----分集技術(shù)、糾錯(cuò)編碼技術(shù)、自動(dòng)功率控制技術(shù)第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.分集方式在移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能用到兩類分集方式：一類稱為“宏分集”；另一類稱為“微分集”。

“宏分集”主要用于蜂窩通信系統(tǒng)中，也稱為“多基站”分集。這是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù)，其作法是把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置上(如蜂窩小區(qū)的對角上)和在不同方向上，同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺進(jìn)行通信(可以選用其中信號最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信)?！拔⒎旨笔且环N減小快衰落影響的分集技術(shù)，在各種無線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。理論和實(shí)踐都表明，在空間、頻率、極化、場分量、角度及時(shí)間等方面分離的無線信號，都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性。據(jù)此，微分集又可分為下列六種。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)空間分集。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，則兩處所收信號的衰落是不相關(guān)的。為此，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?。菏袇^(qū)d=0.5λ(4-1)郊區(qū)d=0.8λ(4-2)用于基站、移動(dòng)臺。(2)頻率分集。由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個(gè)信號所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個(gè)以上不同的頻率傳輸同一信息，以實(shí)現(xiàn)頻率分集。根據(jù)相關(guān)帶寬的定義，即第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)極化分集。由于兩個(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。

(4)場分量分集。由電磁場理論可知，電磁波的E場和H場載有相同的消息，而反射機(jī)理是不同的。(5)角度分集。角度分集的作法是使電波通過幾個(gè)不同路徑，并以不同角度到達(dá)接收端，而接收端利用多個(gè)方向性尖銳的接收天線能分離出不同方向來的信號分量。第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

(6)時(shí)間分集?？焖ヂ涑司哂锌臻g和頻率獨(dú)立性之外，還具有時(shí)間獨(dú)立性，即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，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)間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號。此外，時(shí)間分集也有利于克服移動(dòng)信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號衰落現(xiàn)象。由于它的衰落速率與移動(dòng)臺的運(yùn)動(dòng)速度及工作波長有關(guān)，因而為了使重復(fù)傳輸?shù)臄?shù)字信號具有獨(dú)立的特性，必須保證數(shù)字信號的重發(fā)時(shí)間間隔滿足以下關(guān)系：(4-3)第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.合并方式

(1)選擇式合并。是指檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一個(gè)支路的信號作為合并器的輸出。這種方式方法簡單，實(shí)現(xiàn)容易。但由于未被選擇的支路信號棄之不用，因此抗衰落不如后述兩種方式。(2)最大比值合并。最大比值合并是一種最佳合并方式。最大比值合并器輸出的信號包絡(luò)為(4-6)rk表示每一支路信號包絡(luò)rk(t)；Nk噪聲功率第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)等增益合并。等增益合并無需對信號加權(quán)，各支路的信號是等增益相加的。等增益合并方式實(shí)現(xiàn)比較簡單，其性能接近于最大比值合并。等增益合并器輸出的信號包絡(luò)為(4-7)4.2.2分集合并性能的分析與比較在模擬通信系統(tǒng)中，信噪比決定了話音質(zhì)量；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信噪比(或載噪比)決定了誤碼率。分集合并的性能系指合并前、后信噪比的改善程度。第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.選擇式合并的性能選擇式合并器的輸出信噪比，即當(dāng)前選用的那個(gè)支路送入合并器的信噪比。設(shè)第k個(gè)支路的信號功率為r2k/2，噪聲功率為Nk,可得第k支路的信噪比為(4-8)通常，一支路的信噪比必須達(dá)到某一門限值γt，才能保證接收機(jī)輸出的話音質(zhì)量(或者誤碼率)達(dá)到要求。如果此信噪比因?yàn)樗ヂ涠陀谶@一門限，則認(rèn)為這個(gè)支路的信號必須舍棄不用。第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月在選擇式合并的分集接收機(jī)中，只有全部M個(gè)支路的信噪比都達(dá)不到要求，才會出現(xiàn)通信中斷。若第k個(gè)支路中γk＜γt的概率為Pk(γk＜γt)，則在M個(gè)支路情況下中斷概率以PM(γS＜γt)表示時(shí)，可得(4-9)平均信噪比為，則(4-15)由此可得M重選擇式分集的可通率為(4-16)M越大，可通率越大。常用二重分集或三重分集。第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.最大比值合并的性能最大比值合并器輸出的信號包絡(luò)如式(4-6)所示，即

最大比值合并的信噪比γR的概率密度函數(shù)為(4-22)(4-23)可求得累積概率分布為在同樣條件下，與選擇式合并分集系統(tǒng)相比，最大比值合并分集系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗衰落性能。例如，二重分集(M=2)與無分集(M=1)相比，在超過縱坐標(biāo)概率為99%情況下有13dB增益，優(yōu)于選擇式合并分集系統(tǒng)(10dB增益)。第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.等增益合并的性能等增益合并意為各支路的加權(quán)系數(shù)ak(k=1,2,…,M)都等于1，因此等增益合并器輸出的信號包絡(luò)rE如式(4-7)所示，即若各支路的噪聲功率均等于N，則(4-24)第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.平均信噪比的改善所謂平均信噪比的改善，是指分集接收機(jī)合并器輸出的平均信噪比較無分集接收機(jī)的平均信噪比改善的分貝數(shù)。

(1)選擇式合并的改善因子。(dB)(4-29)(2)最大比值合并的改善因子

。(4-32)(3)等增益合并的改善因子(4-35)(4-36)第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8三種合并方式的D(M)與M關(guān)系曲線第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.2.3數(shù)字化移動(dòng)通信系統(tǒng)的分集性能

1.NFSK(非相干頻移鍵控）二重分集系統(tǒng)平均誤碼率在通信原理教材上已討論過，在加性高斯噪聲情況下，NFSK的誤碼率公式為(4-37)式中，γ為信噪比(或載噪比)。在瑞利衰落信道中，需用平均誤碼率表征，記作Pe，即(4-38)式中，P(γ)為載噪比γ的概率密度函數(shù)。第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月在選擇式合并方式中，二重分集時(shí)，M=2,此時(shí)平均誤碼率用Pe,2表示，則有

(4-39)無分集時(shí)(即M=1)的平均誤碼率Pe,1為(4-40)如果平均載噪比γ0>>1,則由上述兩式可得(4-41)第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，可以求得最大比值合并方式的平均誤碼率。當(dāng)采用二重分集時(shí)，載噪比γR的概率密度P(γR)為(4-42)由此可得平均誤碼率為(4-43)第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.DPSK多重分集系統(tǒng)平均誤碼率已知在恒參信道下，DPSK的誤碼率為(4-44)當(dāng)平均載噪比γ0>>1時(shí)，則(4-48)(4-49)(4-50)當(dāng)M=3時(shí)，有當(dāng)M=4時(shí)，有第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.三種合并方式的誤碼率比較表4-1列出了三種合并方式下DPSK系統(tǒng)的誤碼率較無分集時(shí)的益處。由表可見，誤碼率的改善以最大比值合并為最好，選擇式合并最差。表4-1三種合并方式平均誤碼率的比較第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3RAKE接收所謂RAKE接收機(jī)，就是利用多個(gè)并行相關(guān)器檢測多徑信號，按照一定的準(zhǔn)則合成一路信號供解調(diào)用的接收機(jī)。需要特別指出的是，一般的分集技術(shù)把多徑信號作為干擾來處理，而RAKE接收機(jī)采取變害為利的方法，即利用多徑現(xiàn)象來增強(qiáng)信號。圖4-9示出了簡化的RAKE接收機(jī)的組成。可用等增益合并方式、最大比合并或最佳樣點(diǎn)合并方式，利用多個(gè)并行相關(guān)器，獲得各多徑信號能量，即RAKE接收機(jī)利用多徑信號，提高了通信質(zhì)量。在CDMA通信系統(tǒng)，由于擴(kuò)頻碼在選擇時(shí)要求其自相關(guān)性很好，因此當(dāng)路徑之間的時(shí)延差大于一個(gè)擴(kuò)頻碼片寬度時(shí)，就可以認(rèn)為多徑信號是不相關(guān)的。在CDMA系統(tǒng)中，利用多徑信號加強(qiáng)接收效果。第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-9簡化的RAKE接收機(jī)組成第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月假設(shè)發(fā)端從Tx發(fā)出的信號經(jīng)N條路徑到達(dá)接收天線Rx。路徑1距離最短，傳輸時(shí)延也最小，依次是第二條路徑，第三條路徑，…，時(shí)延時(shí)間最長的是第N條路徑。通過電路測定各條路徑的相對時(shí)延差，以第一條路徑為基準(zhǔn)時(shí)，第二條路徑相對于第一條路徑的相對時(shí)延差為Δ2，第三條路徑相對于第一條路徑的相對時(shí)延差為Δ3，…，第N條路徑相對于第一條路徑的相對時(shí)延差為ΔN，且有ΔN＞ΔN-1＞…＞Δ3＞Δ2(Δ1=0)。RAKE接收技術(shù)解決了多徑干擾問題，當(dāng)從各種障礙物反射回的信號時(shí)延大于一個(gè)碼片間隔時(shí)，RAKE接收機(jī)就能把它們區(qū)分出來。一般的接收機(jī)把這部分當(dāng)作干擾看待，而RAKE接收機(jī)利用了多徑成分，可大大提高系統(tǒng)性能。第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.4糾錯(cuò)編碼技術(shù)（自學(xué)）1.

奇偶校驗(yàn)碼2、CRC

校驗(yàn)3、卷積碼和交織編碼（GSM、CDMA）4、Turbo碼（CDMA2000、WCDMA）第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5均衡技術(shù)

4.5.1均衡的原理均衡技術(shù)是指各種用來處理碼間干擾(ISI)的算法和實(shí)現(xiàn)方法。在移動(dòng)環(huán)境中，由于信道的時(shí)變多徑傳播特性，引起了嚴(yán)重的碼間干擾，這就需要采用均衡技術(shù)來克服碼間干擾。在一個(gè)通信系統(tǒng)中，我們可以將發(fā)射機(jī)（含調(diào)制器）、信道和接收機(jī)(含接收機(jī)前端、中頻和檢測器中的匹配濾波器)等效為一個(gè)沖激響應(yīng)為f(t)的基帶信道濾波器。假定發(fā)端的信號為x(t)，則接收端的均衡器接收到的信號為(4-79)第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-27等效的無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)均衡器的沖激響應(yīng)為heq(t)，則均衡器的輸出為第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，g(t)=f*(t)heq(t)是f(t)和均衡器的復(fù)合沖激響應(yīng)。對于一個(gè)橫向?yàn)V波式的均衡器，其沖激響應(yīng)可以表示為（4-81）式中,cN是均衡器的復(fù)系數(shù)。假定系統(tǒng)中沒有噪聲，即Nb(t)=0，則在理想情況下，應(yīng)有，在這種情況下沒有任何碼間干擾。為了使成立，g(t)必須滿足下式：（4-82）

該式就是均衡器要達(dá)到的目標(biāo)，在頻域中上式可以表示為（4-83）第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月均衡器是一個(gè)等效基帶濾波器的逆濾波器，提供一個(gè)具有平坦頻率響應(yīng)和線性響應(yīng)的g(t)。在具體數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)x(t)和(t)的采樣值為xk和，則均衡器的設(shè)計(jì)就是按照某種最佳的準(zhǔn)則來使xk和

或者xk和dk之間達(dá)到最佳的匹配。如果我們不直接關(guān)心波形而關(guān)心單個(gè)輸出的符號dk或輸出符號的序列

dk，則我們可以采用最大后驗(yàn)概率（MAP）準(zhǔn)則或最大似然（ML）準(zhǔn)則，即（4-84)（4-85）數(shù)據(jù)可靠性-----常用最大后驗(yàn)概率（MAP）準(zhǔn)則第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.5.2自適應(yīng)均衡技術(shù)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式(4-83)或（