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1、第六章均衡、分集和信道編碼主要內(nèi)容第一節(jié) 概述 第二節(jié) 均衡技術(shù)第三節(jié) 分集合并技術(shù)第四節(jié) RAKE接收技術(shù)第五節(jié) 交織技術(shù)第一節(jié) 概述移動無線通信環(huán)境惡劣，信道特性復(fù)雜。不但存在一般通信系統(tǒng)共有的噪聲和干擾，而且陰影效應(yīng)（直射、反射、繞射、散射等）信號的大尺度衰落多徑傳輸、多普勒頻移等信號的小尺度衰落大尺度衰落一般可以通過功率儲備解決，但小尺度衰落則不行小尺度衰落的特點時域：會導(dǎo)致信號產(chǎn)生嚴(yán)重的ISI頻域：產(chǎn)生頻率選擇性衰落，導(dǎo)致信號失真為了抵消信道對傳輸信號的影響，人們研究了一系列的技術(shù)措施第一節(jié) 概述均衡技術(shù)：目的：對抗信道引起的ISI技術(shù)手段：通過對接收信號幅度和延遲的補償，克服ISI

2、的影響，從而改善信號的質(zhì)量問題：移動無線信道是時變信道，即ISI隨時間的變化而變化。解決方法：對信號的補償情況也隨著信道的變化而變化自適應(yīng)均衡。第一節(jié) 概述二、分集合并目的：抵消信道衰落對通信的影響技術(shù)手段： 首先通過某種手段獲得多個攜帶相同信息的衰落信號，然后再利用某種規(guī)則將這些信號合并起來，得到一個衰落深度大幅減小的信號。要求：得到的多個信號的衰落特性互不相關(guān)適用場合：平坦衰落第一節(jié) 概述三、信道編碼目的：改善通信鏈路的誤碼性能技術(shù)手段：再發(fā)送的信息中加入一些冗余分類：分組編碼，卷積編碼（級聯(lián)碼）問題：信道編碼一般只是對平穩(wěn)的隨機錯誤有效，而對突發(fā)錯誤無能為力。解決方法：交織技術(shù)（將突發(fā)錯

3、誤離散化，變成隨機錯誤）。由于解碼一般在解調(diào)之后進(jìn)行，因此稱為“后檢測技術(shù)”信道編碼通常和調(diào)制制度相獨立，但網(wǎng)格編碼技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。第二節(jié) 均衡技術(shù)概述1. 基本概念任何用來削弱ISI的信號處理手段，都可以稱為信道均衡ISI產(chǎn)生機理：多徑傳輸，帶限信道一般方法：用前后碼元對當(dāng)前碼元進(jìn)行補償2.在系統(tǒng)中所處位置：中頻或射頻均衡基帶均衡第二節(jié) 均衡技術(shù)3.基本原理：使得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)為全通網(wǎng)絡(luò)（逼近）以基帶均衡為例：第二節(jié) 均衡技術(shù)設(shè)：理想情況下，希望此時：在實際應(yīng)用中，由于 ，所以很難使得只能使得e(t)盡可能小第二節(jié) 均衡技術(shù)二、分類： 自適應(yīng)均衡器是一個時變?yōu)V波器， 它必須動態(tài)

4、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第二節(jié) 均衡技術(shù)三、線性均衡器1.橫向均衡器為了描述圖中的自適應(yīng)均衡算法， 采用矢量和矩陣的方法比較方便。 均衡器的輸入矢量 yk可以定義為： 均衡器的輸出為：第二節(jié) 均衡技術(shù)權(quán)值矢量：則：誤差信號為：第二節(jié) 均衡技術(shù)一般結(jié)構(gòu)：c*k是橫向濾波器的復(fù)濾波系數(shù)（抽頭權(quán)值），抽頭總數(shù)為N=N1+N2+1，N1和N2分別表示前向和后向部分的抽頭數(shù)第二節(jié) 均衡技術(shù)能達(dá)到的最小均方誤差：其中： 信道的頻率響應(yīng)N0噪聲的功率譜密度 以上介紹的均化器只使用了前饋延時，為有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器。特點是傳遞函數(shù)是Z-1的多項式，只有一個極

5、點（Z=0） 實際應(yīng)用時還可以使用IIR濾波器，但由于這種濾波器存在非零極點，強脈沖信號容易導(dǎo)致自激，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此使用較少。第二節(jié) 均衡技術(shù)橫向均衡器的特點：實現(xiàn)簡單，穩(wěn)定收斂較慢第二節(jié) 均衡技術(shù)2.格型均衡器第二節(jié) 均衡技術(shù)格型均衡器中輸出信號的遞歸公式為：格型均衡器的特點：數(shù)值穩(wěn)定性好、收斂速度快，復(fù)雜度較高。第二節(jié) 均衡技術(shù)線性均衡器的問題 當(dāng)信道失真嚴(yán)重，出現(xiàn)深度頻譜衰落時，線性均衡器為了補償頻譜失真，會對出現(xiàn)深衰落的頻段及其附近頻率產(chǎn)生很大的增益，從而增大了該段的噪聲，不能取得滿意的效果第二節(jié) 均衡技術(shù)四、非線性均衡器分類：判決負(fù)反饋均衡器（DFE）最大似然符號檢測最大似然序

6、列估值（MLSE）1. 判決反饋均衡器(DFE)(1)基本思想： 利用以被檢測出的符號進(jìn)行預(yù)測，并消除該符號帶來的碼間串?dāng)_。第二節(jié) 均衡技術(shù)(2)一般框圖：（可采用橫向和格型，參看P259，圖7.8)(3)輸出表達(dá)式：(4)最小均方誤差：可見，其性能明顯由于線性橫向均衡器第二節(jié) 均衡技術(shù)2.最大似然序列估值(MLSE)均衡器 前面討論的基于MSE的線形均衡器是在信道不會引入幅度失真的情況，使符號錯誤概率最小的最佳均衡器。然而，該信道條件在移動環(huán)境下是非?？量痰?，這就導(dǎo)致人們研究最佳或準(zhǔn)最佳的非線形的均衡器。這些均衡器的基本結(jié)構(gòu)是采用最大似然接收機的結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 均衡技術(shù) MLSE利用信道沖激響

7、應(yīng)估計器的結(jié)果，測試所有可能的數(shù)據(jù)序列，選擇概率最大的數(shù)據(jù)序列作為輸出。圖中MLSE單元通常采用Viterbi算法來實現(xiàn)。MLSE均衡器是在數(shù)據(jù)序列錯誤概率最小意義上的最佳均衡器。該均衡器需要確知信道特性，以便計算判決的度量值。第二節(jié) 均衡技術(shù)五、均衡器算法的性能算法性能參數(shù)收斂速度：算法進(jìn)入穩(wěn)定的迭代次數(shù)，即收斂時間；失調(diào)：濾波器均方差與最小均方差的差距；計算復(fù)雜度：完成迭代的運算次數(shù)；數(shù)值特性：算法用數(shù)字邏輯實現(xiàn)時，由于計算引起的誤差，對算法穩(wěn)定性的影響情況。常見均衡器算法迫零算法最小均方算法歸零最小二乘算法第二節(jié) 均衡技術(shù)（1）迫零算法調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出響應(yīng)完全消除碼間

8、串?dāng)_，即：除中心點外，其它樣點的數(shù)值完全為零特點：簡單，均衡效果較好缺點：沒有考慮噪聲的影響，在深衰落的頻率點處會出現(xiàn)很大的噪聲增益不太適合于無線信道第二節(jié) 均衡技術(shù)（2）最小均方算法調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出期望值和實際值之間的均方誤差最小。特點：是一種最簡單的均衡算法，且算法的穩(wěn)定性較好。缺點：收斂速度不高，均衡能力有限。在無線通信中，適合于較慢的、不太深的衰落第二節(jié) 均衡技術(shù)（3）歸零最小二乘算法調(diào)整抽頭系數(shù)，使信道和均衡器綜合輸出的累計平方誤差最小。特點：收斂速度快，跟蹤性能好缺點：算法較復(fù)雜，使用時要考慮穩(wěn)定性問題。在無線通信中，適用于衰落速率較快的信道。第三節(jié) 分集合并技

9、術(shù) 分集合并是另外一種對抗信道衰落的技術(shù)手段。 均衡技術(shù)主要是通過對接收到的信號進(jìn)行特定的處理，消除前后相鄰碼元相互之間的干擾，進(jìn)而克服多徑效應(yīng)對傳輸?shù)挠绊憽?一般來講，在隨參信道環(huán)境下，為了使得均衡器能夠有效地工作，在發(fā)送有用信號的同時，必須周期性地發(fā)送訓(xùn)練序列，這樣就增加了系統(tǒng)的開銷。 而分集技術(shù)不需要增加傳輸開銷，它是通過某種技術(shù)手段，獲得多個衰落特性相互獨立的、攜帶相同信息的信號，然后對這些信號進(jìn)行處理，合成一個衰落深度大幅降低的信號，從而改善接收信號的質(zhì)量。第三節(jié) 分集合并技術(shù)一、基本原理：什么是分集合并：定義：是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨立(攜帶同一信息)的信號進(jìn)行特定的

10、處理， 以降低信號電平起伏的辦法。例：“選擇式”合并的分集接收。含義：是分散傳輸，使接收端能獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號；是集中處理，即接收機把收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進(jìn)行合并(包括選擇與組合)以降低衰落的影響第三節(jié) 分集合并技術(shù)二、分集方式 在移動通信系統(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。是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù)，其作法是把多個基站設(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，同時和小區(qū)內(nèi)的一個移動臺進(jìn)行通信(可以選用其中信號最好的一個基站進(jìn)行通信)。顯然，只要在

11、各個方向上的信號傳播不是同時受到陰影效應(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)， 這種辦法就能保持通信不會中斷。第三節(jié) 分集合并技術(shù) “微分集”是一種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。 理論和實踐都表明， 在空間、 頻率、 極化、 場分量、 角度及時間等方面分離的無線信號， 都呈現(xiàn)互相獨立的衰落特性。 據(jù)此， 微分集又可分為六種形式。 (1) 空間分集：空間分集的依據(jù)在于小尺度衰落的空間獨立性，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，則兩處所收信號的衰落是不相關(guān)的。 為此，空間分集的接收機至少需要兩副相隔距

12、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)，在移動信道中，通常?。?市區(qū) d=0.5 郊區(qū) d=0.8 特點：要求天線之間必須有足夠的空間間隔。第三節(jié) 分集合并技術(shù) (2) 頻率分集：由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個信號所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，以實現(xiàn)頻率分集。根據(jù)相關(guān)帶寬的定義，即 特點：需要兩部以上發(fā)射機發(fā)射同一信號設(shè)備復(fù)雜需要占用兩個頻帶降低了頻率利用率第三節(jié) 分集合并技術(shù) (3) 極化分集：由于兩個不同極化方向的正交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

13、果。特點：射頻功率分給兩幅天線，每個天線的發(fā)射功率下降3dB；在UHF頻段，這兩個信號相互不獨立，無法使用。 第三節(jié) 分集合并技術(shù)第三節(jié) 分集合并技術(shù)(4) 場分量分集：電磁波的E場和H場載有相同的消息，而反射機理是不同的。 由電磁場理論可知，在衰落場中，盡管E場和H場獨立衰落，但總的電磁場密度保持不變。特點：不要求天線之間有實體上的間隔，適用于較低頻段（100MHz以下）。(5) 角度分集：角度分集的作法是使電波通過幾個不同路徑，并以不同角度到達(dá)接收端，而接收端利用多個方向性尖銳的接收天線能分離出不同方向來的信號分量； 由于這些分量具有互相獨立的衰落特性，因而可以實現(xiàn)角度分集并獲得抗衰落的效

14、果。 特點：在較高頻率時容易實現(xiàn)。第三節(jié) 分集合并技術(shù) (6) 時間分集：小尺度衰落具有時間獨立性。即同一信號在不同的時間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，則各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨立的。 時間分集也有利于克服移動信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號衰落現(xiàn)象。 為了使得重復(fù)傳輸?shù)男盘柧哂歇毩⑿?，重發(fā)時間間隔應(yīng)滿足：特點：時間分集要求對接收信號延遲（緩沖），更適合于數(shù)字系統(tǒng)；時間分集要求多次重發(fā)，降低了數(shù)據(jù)速率。第三節(jié) 分集合并技術(shù)第三節(jié) 分集合并技術(shù)三、合并方式 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。一般均使用線性合并器，把輸入的M個獨立衰

15、落信號相加后合并輸出。 假設(shè)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)為式中， ak為第k個信號的加權(quán)系數(shù)。 選擇不同的加權(quán)系數(shù)，就可構(gòu)成不同的合并方式。 常用的有以下三種方式。第三節(jié) 分集合并技術(shù)1. 選擇式合并： 檢測所有分集支路的信號，選擇其中信噪比最高的那一個支路的信號作為合并器的輸出。 由此可見，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項為1，其余均為0。（開關(guān)式合并）變形： 1）反饋掃描式選擇 2）隨即選擇特點：方法簡單，實現(xiàn)容易； 由于未被選擇支路的信號棄之不用，因此性能最差。 第三節(jié) 分集合并技術(shù)2. 最大比值合并：每一支路的加權(quán)系數(shù)ak與信號包

16、絡(luò)rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即：由此可得最大比值合并器輸出的信號包絡(luò)為 式中，下標(biāo)R表征最大比值合并方式。特點：充分利用了每個之路的信號，因此性能最好。 實現(xiàn)復(fù)雜。第三節(jié) 分集合并技術(shù)3. 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。 等增益合并器輸出的信號包絡(luò)為特點：實現(xiàn)比較簡單，其性能接近于最大比值合并。式中，下標(biāo)E表征等增益合并。 第三節(jié) 分集合并技術(shù)四、分集合并性能的分析與比較 眾所周知，在通信系統(tǒng)中信噪比是一項很重要的性能指標(biāo)。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。為

17、便于比較三種合并方式，假設(shè)它們都滿足下列三個條件： (1) 每一支路的噪聲均為加性高斯白噪聲且與信號不相關(guān)，噪聲均值為零，具有恒定均方根值； (2) 信號幅度的衰落速率遠(yuǎn)低于信號的最低調(diào)制頻； (3) 各支路信號的衰落互不相關(guān)，彼此獨立(瑞利分布)。第三節(jié) 分集合并技術(shù) 1. 選擇式合并的性能： 前面已經(jīng)提到，選擇式合并器的輸出信噪比，即當(dāng)前選用的那個支路送入合并器的信噪比。設(shè)第k個支路的信號功率為r2k/2，噪聲功率為Nk，可得第k支路的信噪比為： 通常，接收機只有在信噪比達(dá)到某一門限值時才能正常工作。假設(shè)這一門限值為t，則對于選擇式合并，只有全部M個支路的信噪比都達(dá)不到要求，才會出現(xiàn)通信中

18、斷。 若第k個支路中kt的概率為Pk(kt)，則在M個支路情況下中斷概率以PM(St)表示時， 可得第三節(jié) 分集合并技術(shù)由于見k r2k/2Nk ，由kt， 可推得：設(shè)rk服從瑞利分布，即： 可得： 則： 第三節(jié) 分集合并技術(shù)如果各支路的信號具有相同的方差， 即各支路的噪聲功率也相同，即N1 = N2 = = N并令平均信噪比為： ，則： 第三節(jié) 分集合并技術(shù)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)為：設(shè)各支路信噪比為： 輸出的信噪比為：故則第三節(jié) 分集合并技術(shù)根據(jù)許瓦爾茲不等式： 則有 即第三節(jié) 分集合并技術(shù) 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為： 輸出信噪比為：第三節(jié) 分集合并技術(shù)4. 平均信噪比的改善 所謂平均信噪比的改善，是指分集接收機合并器輸出的平均信噪比較無分集接收機的平均信噪比改善的分貝數(shù)。(1) 選擇式合并的改善因子： 在選擇式合并方式中，由信噪比S的概率密度P(S) 可求得平均信噪比為：第三節(jié) 分集合并技術(shù)故：選擇式合并器輸出的平均信噪比為：因而平均信噪比的改善因子為：或第三節(jié) 分