均衡、分集和信道編碼

2024/1/16第7章抗衰落技術(shù)

——均衡、分集與信道編碼2024/1/16常用抗衰落技術(shù)移動(dòng)信道的多徑傳播引起的瑞利衰落、時(shí)延擴(kuò)展以及伴隨接收機(jī)移動(dòng)過程產(chǎn)生的多普勒頻移使接收信號(hào)受到嚴(yán)重的衰落；陰影效應(yīng)會(huì)使接收信號(hào)過弱而造成通信的中斷；信道存在的噪聲和干擾，也會(huì)使接收信號(hào)失真而造成誤碼。因此，在移動(dòng)通信中需要采取一些信號(hào)處理技術(shù)來改善接收信號(hào)的質(zhì)量。分集接收技術(shù)、信道編碼技術(shù)、均衡技術(shù)是最常見的信號(hào)處理技術(shù)，根據(jù)信道的實(shí)際情況，它們可以獨(dú)立使用或聯(lián)合使用。2024/1/16一、分集接收技術(shù)分集接收的根本思想就是把接收到的多個(gè)衰落獨(dú)立的信號(hào)加以處理，合理地利用這些信號(hào)的能量來改善接收信號(hào)的質(zhì)量。分集接收充分利用接收信號(hào)的能量，因此無需增加發(fā)射信號(hào)的功率而可以使接收信號(hào)得到改善。2024/1/16分集技術(shù)概述移動(dòng)無線信號(hào)的衰落包括了兩個(gè)方面：一個(gè)來自因地形地物造成的陰影衰落，它使接收的信號(hào)平均功率〔或者信號(hào)的中值〕在一個(gè)比較長的空間〔或時(shí)間〕區(qū)間內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，這是一種宏觀衰落；而多徑傳播使得信號(hào)在一個(gè)短距離上〔或一短時(shí)間內(nèi)〕信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生急劇的變化〔但信號(hào)的平均功率不變〕，這是一種微觀衰落。針對(duì)這兩種不同的衰落，常用的分集技術(shù)可以分為宏觀分集和微觀分集。分集技術(shù)對(duì)信號(hào)的處理包含兩個(gè)過程：首先是要獲得M個(gè)相互蝕立的多徑信號(hào)分量，然后對(duì)它們進(jìn)行處理以獲得信噪比的改善，這就是合并技術(shù)。2024/1/16

宏觀分集宏觀分集在移動(dòng)通信系統(tǒng)中是一種“多基站分集〞，主要用來對(duì)抗慢衰落，其做法是把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置上(如蜂窩小區(qū)的對(duì)角上)和不同的方向上，同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信(可以選用其中信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信)。顯然，只要在各個(gè)方向上的信號(hào)傳播不是同時(shí)受到陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的慢衰落(基站天線的架設(shè)可以防止這種情況發(fā)生)，這種方法就能保持通信不會(huì)中斷。2024/1/16宏觀分集示意圖如下圖，終端保持同兩個(gè)基站間的無線鏈路，兩條鏈路傳輸同樣的數(shù)據(jù)并在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行合并，這就是典型的宏分集場景?？偟膩碚f，宏分集就是用位于不同地點(diǎn)的多個(gè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)的分集方式。2024/1/16

微觀分集分類假設(shè)在一個(gè)局部地區(qū)〔一個(gè)短距離上〕接收移動(dòng)無線信號(hào)，信號(hào)衰落所呈現(xiàn)的獨(dú)立性是多方面的，如時(shí)間、頻率、空間、角度以及攜帶信息的電磁波極化方向等等。利用這些特點(diǎn)采用相應(yīng)的方法可以得到來自同一發(fā)射機(jī)的衰落獨(dú)立的多個(gè)信號(hào)，這就有多種分集技術(shù)：空間分集，極化分集，角度分集，頻率分集，時(shí)間分集。2024/1/16空間分集(SpaceDiversity)對(duì)于空間分集而言，分集的支路數(shù)M越大，分集的效果越好。但當(dāng)M較大時(shí)〔如〕分集的復(fù)雜性增加，分集增益的增加隨著M的增大而變得緩慢。2024/1/16

極化分集(PolarizationDiversity)

在移動(dòng)環(huán)境下，兩個(gè)在同一地點(diǎn)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出不相關(guān)衰落特性。利用這一點(diǎn)，在發(fā)端同一地點(diǎn)分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)。極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有兩路。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn)是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，信號(hào)功率將有3dB的損失。2024/1/16

角度分集(AngleDiversity)

由于地形地貌和建筑物等環(huán)境的不同，到達(dá)接收端的不同路徑的信號(hào)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(hào)到達(dá)方向，那么每個(gè)方向性天線接收到的多徑信號(hào)是不相關(guān)的。2024/1/16頻率分集(FrequencyDiversity)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(hào)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，與空間分集相比，減少了天線的數(shù)目。但缺點(diǎn)是要占用更多的頻譜資源，在發(fā)端需要多部發(fā)射機(jī)。2024/1/16時(shí)間分集(TimeDiversity)在移動(dòng)環(huán)境中，信道的特性隨時(shí)間變化。當(dāng)移動(dòng)的時(shí)間足夠長〔或移動(dòng)的距離足夠大〕，大于信道的相干時(shí)間時(shí)，那么這兩個(gè)時(shí)刻〔或地點(diǎn)〕無線信道衰落特性是不同的，可以認(rèn)為是獨(dú)立的?？梢栽诓煌臅r(shí)間段發(fā)送同一信息，接收端那么在不同的時(shí)間段接收這些衰落獨(dú)立的信號(hào)。時(shí)間分集要求在收發(fā)信機(jī)都有存儲(chǔ)器，這使得它更適合于移動(dòng)數(shù)字傳輸。時(shí)間分集只需使用一部接收機(jī)和一副天線。假設(shè)信號(hào)發(fā)送M次，那么接收機(jī)重復(fù)使用以接收M個(gè)衰落蝕立的信號(hào)。此時(shí)稱系統(tǒng)為M重時(shí)間分集系統(tǒng)。2024/1/16

分集信號(hào)合并技術(shù)合并器的作用就是把經(jīng)過相位調(diào)整和時(shí)延后的各分集支路信號(hào)相加。對(duì)大多數(shù)通信系統(tǒng)而言，M重分集對(duì)這些信號(hào)的處理概括為M支路信號(hào)的線性疊加：信號(hào)合并的目的就是要使它的信噪比有所改善，因此對(duì)合并器的性能分析是環(huán)繞其輸出信噪比進(jìn)行的。分集的效果常用分集改善因子或分集增益來描述，也可以用中斷概率來描述。可以預(yù)見，分集合并器的輸出信噪比的均值將大于任何一支路輸出的信噪比均值。最正確的分集就在于最有效地減小信噪比低于正常工作門限信噪比的時(shí)間。信噪比的改善和加權(quán)因子有關(guān)，對(duì)加權(quán)因子的選擇方式不同，形成3種根本的合并方式：選擇式合并、最大比合并和等增益合并。2024/1/16選擇式合并M個(gè)接收機(jī)的輸出信號(hào)送入選擇邏輯，選擇邏輯從M個(gè)接收信號(hào)中選擇具有最高基帶信噪比(SNR)的基帶信號(hào)作為輸出。假設(shè)使用檢測前合并方式，那么選擇是在天線輸出端進(jìn)行，從M個(gè)天線輸出中選擇一個(gè)最好的信號(hào)，再經(jīng)過一部接收機(jī)就可以得到合并后的基帶信號(hào)。2024/1/16最大比合并

M個(gè)分集支路經(jīng)過相位調(diào)整后，按適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)同相相加〔檢測前合并〕，再送入檢測器。合并后信號(hào)的振幅與各支路信噪比相聯(lián)系，信噪比愈大的支路對(duì)合并后的信號(hào)奉獻(xiàn)愈大。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要是測量出每個(gè)支路的信噪比，以便及時(shí)對(duì)增益系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。2024/1/16等增益合并

在最大比合并中，適時(shí)改變〔第i條支路的增益系數(shù)〕是比較困難的，通常希望為常量，取=1就是等增量合并。當(dāng)M較大時(shí)，等增益合并僅比最大比合并差1.05dB。2024/1/16

隱分集技術(shù)介紹隱分集技術(shù)，是指只用一副天線接收信號(hào)來實(shí)現(xiàn)分集的技術(shù)。分集作用是隱含在傳輸信號(hào)的方式中，而在接收端利用信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集。因此，在數(shù)字移動(dòng)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。依據(jù)傳輸信號(hào)的方式不同，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間隱分集和頻率隱分集。所采用的技術(shù)生要有交織編碼技術(shù)、跳頻技術(shù)和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。關(guān)于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和跳頻技術(shù)的介紹請(qǐng)見第六章，我們這里主要介紹典型的時(shí)間隱分集技術(shù)——交織編碼技術(shù)。2024/1/16交織編碼技術(shù)交織編碼的目的是把一個(gè)較長的突發(fā)過失離散成隨機(jī)過失，再用糾正隨機(jī)過失的編碼〔FEC〕技術(shù)消除隨機(jī)過失。以線性分組碼為例，先將k位信息編成具有t位糾錯(cuò)能力的n位碼字的分組碼〔n，k，t〕，再將其編碼碼字序列構(gòu)成交織編碼矩陣?，F(xiàn)以分組碼〔7，3〕為例給出交織編碼矩陣：2024/1/16例：分組碼〔7，3〕的交織編碼交織編碼矩陣中的行為FEC的碼字，它由k位信息位及n-k冗余位組成。矩陣中行的數(shù)目M為交織深度。交織編碼的過程是將FEC碼字序列按行寫入而按列讀出。其交織編碼輸出序列為假設(shè)交織編碼輸出序列中的突發(fā)過失如下劃線所示從a11～mM2，那么經(jīng)過解交織〔交織編碼的逆過程〕后，每一FEC碼字中只發(fā)生2位過失，當(dāng)糾錯(cuò)能力為2時(shí)即可消除過失。交織深度M越大，離散度越大，抗突發(fā)過失能力也越強(qiáng)。假設(shè)FEC糾錯(cuò)能力為t時(shí)，交織編碼可糾正一次突發(fā)過失的長度為：或者說，可糾正t次突發(fā)過失長度為M位的過失。交織深度M越大，交織編碼處理時(shí)間也越長，即是以時(shí)間為代價(jià)的。因此，交織編碼屬于時(shí)間隱分集。2024/1/16例：GSM系統(tǒng)中的交織編碼(1/2)GSM系統(tǒng)中，在信道編碼后進(jìn)行交織，交織分兩次，第一次交織為內(nèi)部交織，第二次交織為塊間交織。具體由信道編碼后提取出的456比特被分為8組，進(jìn)行第一次交織，如圖2024/1/16由它們組成語音幀的一幀，現(xiàn)假設(shè)有三幀語音幀如下圖。而在一個(gè)突發(fā)脈沖中包括一個(gè)語音幀中的兩組，如下圖其中，前后3個(gè)尾比特用途消息定界，26個(gè)訓(xùn)練比特，訓(xùn)練比特的左右各1個(gè)比特作為“挪用標(biāo)志〞。而一個(gè)突發(fā)脈沖攜帶有兩段57比特的聲音信息。2024/1/16二、均衡技術(shù)當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)帶寬大于無線信道的相關(guān)帶寬時(shí)，信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落，接收信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生失真，它在時(shí)域表現(xiàn)為接收信號(hào)的碼間干擾。所謂信道均衡就是在接收端設(shè)計(jì)一個(gè)稱之為均衡器的網(wǎng)絡(luò)，以補(bǔ)償信道引起的失真。這種失真是不能通過增加發(fā)射信號(hào)功率來減小的。2024/1/16均衡技術(shù)概述由于實(shí)際的信道特性難以預(yù)先精確知道，信道特性總會(huì)或多或少地偏離無失真條件，即信道的幅頻特性有起伏，相頻特性為非線性。所以，即使是按最正確基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法得到的基帶系統(tǒng)也會(huì)存在一定的碼間串?dāng)_，從而使系統(tǒng)的性能低于最正確性能。均衡是指對(duì)信道特性的均衡，即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性，用來抵消信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾，從而使實(shí)際系統(tǒng)的性能接近最正確系統(tǒng)。實(shí)際系統(tǒng)中采用的均衡器雖然種類繁多,但按研究領(lǐng)域的不同，可分為頻域均衡器和時(shí)域均衡器兩大類。首先，我們介紹理想的不失真系統(tǒng)應(yīng)具有的傳輸特性。2024/1/16理想不失真系統(tǒng)的傳輸特性(1/2)所謂理想的不失真系統(tǒng)，是指系統(tǒng)的輸出與輸入信號(hào)波形相同，僅有幅度的變化及固定時(shí)延的線性系統(tǒng)，即滿足：式中，K為系統(tǒng)的放大倍數(shù)，為系統(tǒng)的時(shí)延理想系統(tǒng)的傳輸特性為幅頻特性相頻特性群時(shí)延特性〔常數(shù)〕2024/1/16理想不失真系統(tǒng)的傳輸特性(2/2)2024/1/16

頻域均衡頻域均衡是利用可調(diào)濾波器的頻率特性去補(bǔ)償系統(tǒng)的傳輸特性，使其接近為理想不失真系統(tǒng)特性的一種均衡方法。根據(jù)均衡對(duì)象的不同，可將頻域均衡器分為幅度均衡器和群時(shí)延均衡器二種。幅度均衡器用于補(bǔ)償信道和接收濾波器總的幅度頻率特性，使總的幅頻特性經(jīng)均衡后變得平坦或在一定要求的范圍之內(nèi)。而群時(shí)延均衡器那么是對(duì)群時(shí)延頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。均衡器可置于信道的兩端〔即發(fā)方、收方或雙方同時(shí)設(shè)置〕。頻域均衡器可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論，用無源或有源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),調(diào)整時(shí)使相應(yīng)的幅頻特性或群時(shí)延特性到達(dá)一定平坦程度后就固定了，通信中不能調(diào)整，所以當(dāng)信道特性有變化時(shí)，單靠頻域均衡是不能完全消除碼間串?dāng)_的。2024/1/16

時(shí)域均衡頻域均衡器適合于在信道特性不變且傳送的數(shù)據(jù)速率較低的系統(tǒng)中使用。對(duì)信道特性不斷變化及高數(shù)據(jù)率的傳輸系統(tǒng)來說，常采用時(shí)域均衡的方法來減小碼間串?dāng)_。時(shí)域均衡的出發(fā)點(diǎn)與頻域均衡不同，它不是為了獲得信道平坦的幅度特性和群時(shí)延特性，而是要使包括時(shí)域均衡器在內(nèi)的基帶系統(tǒng)的總特性形成接近消除碼間串?dāng)_的傳輸波形，即時(shí)域均衡時(shí)是用均衡器產(chǎn)生的響應(yīng)波形去補(bǔ)償已畸變了的傳輸波形，使得經(jīng)均衡后的波形在抽樣時(shí)刻上能有效地消除碼間串?dāng)_。時(shí)域均衡器是通過橫向?yàn)V波器來實(shí)現(xiàn)的。所謂橫向?yàn)V波器是指具有固定延遲時(shí)間間隔、增益可調(diào)整的多抽頭濾波器。2024/1/16時(shí)域均衡器(1/3)圖中給出了一個(gè)具有個(gè)抽頭的橫向?yàn)V波器的結(jié)構(gòu)。一般來說，橫向?yàn)V波器插入在基帶系統(tǒng)的接收濾波器和判決器之間。下面我們討論時(shí)域均衡器的原理，討論中不考慮噪聲的影響。橫向?yàn)V波器的沖激響應(yīng)為2024/1/16時(shí)域均衡器(2/3)其對(duì)應(yīng)的頻譜特性為：顯見，由個(gè)確定，不同，也不同。均衡器，即橫向?yàn)V波器的輸出為：那么在抽樣時(shí)刻時(shí)，有設(shè)系統(tǒng)無時(shí)延，即，上式可以簡寫為2024/1/16時(shí)域均衡器(3/3)上式說明，均衡器在k第個(gè)抽樣時(shí)刻上得到的樣值將由個(gè)與的乘積確定。我們希望除外，所有的都等于零。因此，現(xiàn)在的問題是該有什么樣的才能使根據(jù)前面的推導(dǎo)，可以列出求解的矩陣方程為實(shí)際系統(tǒng)中在給定各樣點(diǎn)值的情況下，調(diào)節(jié)使以外的有限個(gè)值等于零是可能的。2024/1/16時(shí)域均衡器的實(shí)現(xiàn)方法

時(shí)域均衡器的實(shí)現(xiàn)方法有多種，但從原理上分有：預(yù)制式自動(dòng)均衡和自適應(yīng)式自動(dòng)均衡兩類。預(yù)置式均衡是在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸之前，先傳輸預(yù)先規(guī)定的測試脈沖，然后按迫零調(diào)整原理調(diào)整各抽頭增益；自適應(yīng)式均衡是在數(shù)據(jù)傳輸過程中連續(xù)測出距最正確調(diào)整值的誤差電壓，并由該電壓去調(diào)整各抽頭增益。一般地說，自適應(yīng)式均衡除能自適應(yīng)信道特性隨時(shí)變化外還具有調(diào)整精度高的特點(diǎn)。2024/1/16三、信道編碼技術(shù)信道編碼的目的是為了盡量減小信道噪聲或干擾的影響，是用來改善通信鏈路性能的技術(shù)。其根本思想是：通過引入可控制的冗余比特，使信息序列的各碼元和添加的冗余碼元之間存在相關(guān)性。在接收端，信道譯碼器根據(jù)這種相關(guān)性對(duì)接收到的序列進(jìn)行檢查，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或進(jìn)行糾錯(cuò)。2024/1/16信道編碼概述信道編碼就是數(shù)字通信系統(tǒng)中為了降低誤碼率，提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。它根據(jù)一定的規(guī)律在待發(fā)送的信息碼元中參加一些必要的監(jiān)督碼元，在接收端利用這些監(jiān)督碼元與信息碼元之間的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)和糾正過失，以提高信息碼元傳輸?shù)目煽啃?。在信道編碼系統(tǒng)中，稱待發(fā)送的碼元為信息碼元，人為參加的多余碼元為監(jiān)督〔或校驗(yàn)〕碼元。信道編碼的目的就是試圖以最少的監(jiān)督碼元為代價(jià)，以換取最大程度的可靠性的提高。傳統(tǒng)的信道編碼通常分成兩大類，即分組碼和卷積碼。這兩種碼在移動(dòng)通信中都得到了應(yīng)用。雖然分組碼譯碼器的硬判決比較容易實(shí)現(xiàn)，但卷積碼可以采用一些非常簡單的譯碼算法〔如Viterbi算法〕，因此而更受歡送。本節(jié)主要對(duì)，分組碼、卷積碼和Turbo碼的根本原理以及應(yīng)用作一些介紹。2024/1/16

線性分組碼原理線性分組碼是將信息序列分為每k位一組的信息序列段，每一信息序列段按照一定規(guī)律添加r個(gè)監(jiān)督碼元，構(gòu)成總碼長為n=k+r的分組碼，記為〔n，k〕。在分組碼中監(jiān)督碼元僅與本分組中的信息碼元有關(guān)。監(jiān)督碼元只監(jiān)督本碼字中的信息碼元。當(dāng)監(jiān)督碼元與信息碼元之間的關(guān)系為線性關(guān)系時(shí)，即監(jiān)督碼元與信息碼元之間的關(guān)系可用模2加代數(shù)方程描述時(shí)，稱其為線性分組碼。cn-1cn-2cn-3…crcr-1cr-2cr-3…c1c0k個(gè)信息碼元r個(gè)監(jiān)督碼元總碼長n=k+r線性分組碼的一種結(jié)構(gòu)2024/1/16

卷積碼原理卷積碼把k個(gè)信息位編n位,k和n通常很小,特別適宜于串行形式傳輸,延時(shí)小.n個(gè)碼元與當(dāng)前段的k個(gè)信息位有關(guān),而且與前N-1