移動通信——抗衰落技術

1、移動通信抗衰落技術通信工程2班劉真?zhèn)?、王道發(fā)、楊興旺、李福、朱順寶通信中引起衰落的原因o衰落主要由多徑干涉和非正常衰減引起。多徑干涉,即多條射線的相互干涉,是最常見的也是最重要的衰落成因。o衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素。由于多徑衰落和多普勒頻移的影響，移動無線信道極其易變。這些影響對于任何調(diào)制技術來說都會產(chǎn)生很強的負面效應。o對路徑傳輸損耗，主要靠增大發(fā)射功率，以提高接收信號的場強來解決。常用的抗衰落技術有哪些？o分集接收技術o合并技術 o均衡技術 o信道編碼技術 o擴頻技術 各抗衰落技術的基本思想 o分集接收技術o合并技術o均衡技術o信道編碼技術o擴頻技術各抗衰落技術的適用范圍o分集接收技術

2、o合并技術 o均衡技術 o信道編碼技術 o擴頻技術各抗衰落技術如何的實現(xiàn)自身功能o分集接收技術 o合并技術o均衡技術 o信道編碼技術 o擴頻技術分集接收技術 o所謂分集接收，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)的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。n分集：接收多路不相關的信號并合并。n目標：對抗多徑信道造成的衰落和延時串擾。分集技術主要包含兩方面：n如何獲得獨立的多路信號分散傳輸n如何合并獨立的多路信號集中處理分集接收技術 分集方式主要有以下兩種：o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，其作法是把多個基站設置在不同

3、的地理位置上和不同方向上，同時和小區(qū)內(nèi)的一個移動臺進行通信。 o微分集：是一種減小快衰落影響的分集技術，在各種無線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用?？梢苑譃闀r間分集、空間分集、頻率分集、極化分集、場分量分集和角度分集六種，常用的只是前三種。合并技術o分集在獲得多個獨立衰落的信號后，需要對信號進行合并處理。利用合并器把經(jīng)過相位調(diào)整和延時后的各分集支路相加。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。均衡技術 o數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于多徑傳輸、信道衰落等影響，在接收端會產(chǎn)生嚴重的碼間干擾（ISI），增大誤碼率。為了克服碼間干擾，提高通信系統(tǒng)的性能，在接收端需采用均衡技術。

4、均衡是指對信道特性的均衡，即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來減小或消除因信道的時變多徑傳播特性引起的碼間干擾 信道編碼技術o編碼技術分為信源編碼和信道編碼兩大類，其中信源編碼是為了提高信息傳輸?shù)挠行?，而信道編碼，即差錯控制編碼，是為了提高信息傳輸?shù)目煽啃浴數(shù)字信號在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對數(shù)碼流進行相應的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。擴頻技術 o擴頻技術，它是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小

5、帶寬；頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法實現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調(diào)來解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。 分集接收技術的基本思想 o分集接收是通過多個信道（時間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個副本，由于多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復出原發(fā)送信號。即將接收到的信號分成多路的獨立不相關信號，然后將這些不同能量的信號按不同的規(guī)則合并起來 合并技術的基本思想o合并技術是指在接收端取得M條相互獨立的支路信號以后，對各支路信號進行相位調(diào)整和時延，然后根據(jù)一定的條件，運用一定的方式、手段對信號進行選擇、合并

6、，從而獲得分集增益。均衡技術的基本思想o 在數(shù)字通信系統(tǒng)中插入一種可調(diào)濾波器可以校正和補償系統(tǒng)特性，減少碼間干擾的影響，這種起補償作用的濾波器稱為均衡器。均衡器通常是用濾波器來實現(xiàn)的，使用濾波器來補償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。 o自適應均衡器直接從傳輸?shù)膶嶋H數(shù)字信號中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應信道的隨機變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真補償性能。信道編碼技術的基本思想o信道編碼常是以增加信息速率（即增加信號的帶寬）來獲得增益的，編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元，從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的 o

7、提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務，信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。誤碼的處理技術有糾錯、交織、線性內(nèi)插等。 擴頻技術的基本思想o在發(fā)射端使用傳統(tǒng)的調(diào)制方式調(diào)制有效信號；然后使用擴頻編碼調(diào)制載波，使其擴展到一個非常大的帶寬內(nèi)，實現(xiàn)頻譜展寬。在接收端利用相反過程得到原始信號。分集接收技術的適用范圍o在平坦性信道上接收衰落深度和衰落持續(xù)時間大的信號o來自地形地物造成的陰影衰落（宏觀信號衰落）o在微波信號的傳播過程中,由于受地面或水面反射和大氣折射的影響,會產(chǎn)生多個經(jīng)過不同路徑到達接收機的信號,造成多徑衰落（微觀衰落） 合并技術的適用范圍o合并技術是對應分集技術而言的，在接收端取得M條相

8、互獨立的支路信號以后，把經(jīng)過相位調(diào)整和試驗后的各分集支路信號相加，從而獲得分集增益。，在所有的使用分集技術的時候，對應的需要應用到合并技術。均衡技術的適用范圍o由傳輸信道的頻帶有限造成的碼間干擾 信道編碼技術的適用范圍o傳統(tǒng)的信道編碼技術適用于高帶寬的通信系統(tǒng)中，網(wǎng)格編碼調(diào)制技術對信道帶寬要求很低，適用于窄帶通信系統(tǒng)中，如蜂窩移動通信系統(tǒng)。擴頻技術的適用范圍o由于擴頻調(diào)制使信號抗干擾能力強且隱蔽性好，最初用于軍事通信，后來由于其高頻譜效率帶來的高經(jīng)濟效益而被應用到民用通信，移動通信的碼分多址就是建立在擴頻通信的基礎上。而且還能有效的抑制窄帶干擾。 分集接收技術如何實現(xiàn)自身的功能o由于微觀分集技

9、術接收的信號涉及到時間、空間和頻率，所以根據(jù)所涉及的資源的不同可劃分為時間分集、空間分集和頻率分集。以此對應實現(xiàn)自身的功能。o時間分集o空間分集 o頻率分集 o各分集技術的比較合并技術如何實現(xiàn)自身的功能o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支路的信號作為合并器的輸出。o將所有具有能量且攜帶相同信息的信號，在信號合并前對各路載波相位進行調(diào)整并使之相同，染后相加。o等增益合并，這種方法也是把各支路信號進行同相后再相加，只不過加權(quán)時各路的權(quán)重相等，各支路的信號是等增益相加的。均衡技術如何實現(xiàn)自身的功能o均衡技術可以分為線形均衡和非線性均衡。如果接收信號經(jīng)過均衡后，再經(jīng)

10、過判決器的輸出被反饋給均衡器，并改變了均衡器的后續(xù)輸出，那么均衡器就是非線性的，否則就是線性的。o自適應均衡是指由于移動衰落信道具有隨機性和時變性，這就要求均衡器必須能夠?qū)崟r地跟蹤移動通信信道的時變特性，這種均衡器被稱為自適應均衡器。一般包含兩種工作模式，即訓練模式和跟蹤模式。o盲均衡是指均衡器能夠不借助訓練序列，而僅僅利用所接收到的信號序列即可對信道進行自適應均衡，從而節(jié)省帶寬。信道編碼技術如何實現(xiàn)自身的功能o分組碼o卷積碼 oTurbo碼 o循環(huán)碼o交織擴頻技術如何實現(xiàn)自身的功能o（1）直接序列擴頻與解擴 o（2）跳頻擴頻通信系統(tǒng)o此外，還有跳時擴頻、線性跳頻和以上四種的混合方式。在通信中

11、，常用的是直接序列擴頻和跳頻擴頻以及他們的混合方式擴頻。時間分集o快衰落除了具有空間和頻率獨立性之外，還具有時間獨立性，即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，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。o時間分集是將同一信號在不同時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送時間間隔足夠大，則各次發(fā)送降格出現(xiàn)的衰落將是相互獨立統(tǒng)計的。o時間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計上互不相關的特點，即時間上衰落統(tǒng)計特性上的差異來實現(xiàn)抗時間選擇性衰落的功能?？臻g分集o空間分集，也被稱為天線分集、空間位置分集，是無線通信中使用最多的分集形式。o空

12、間分集的依據(jù)在于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，則兩處所收信號的衰落是不相關的。o空間分集技術 用兩個以上的天線收同一個信號。對空間分集而言，分集的支路數(shù)M越大，分集效果越好。但當M較大時(如M3)，分集的復雜性增加，分集增益的增加隨著M的增大而變得緩慢。頻率分集 o由于頻率間隔大于相關帶寬的兩個信號所遭受的衰落可以認為是不相關的，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，那么在接收端就可以得到衰落特性不相關的信號，以實現(xiàn)頻率分集。o這一技術比空間分集節(jié)省天線數(shù)目，缺點是不僅需要占用更多的頻譜資源，而且需要有和頻率分集中采用的頻道數(shù)相

13、等的若干個接收機。各分集技術的優(yōu)缺點o空間分集接收的優(yōu)點是分集增益高，缺點是還需另外單獨的接收天線。o時間分集與空間分集相比較，優(yōu)點是減少了接收天線及相應設備的數(shù)目，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。o頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點是在接收端可以減少接受天線及相應設備的數(shù)量，缺點是要占用更多的頻帶資源，所以，一般又稱它為帶內(nèi)(頻帶內(nèi))分集，并且在發(fā)送端可能需要采用多個發(fā)射機。分組碼o分組碼是一種前向糾錯(FEC)編碼。o分組碼是長度固定的碼組，k個信息位被編為n位碼字長度，而n-k個監(jiān)督位的作用就是實現(xiàn)檢錯與糾錯，可表示為(n,k) 。o在分組碼中，監(jiān)督位僅與本碼組的信息位有關，

14、而與其他碼組的信息碼字無關。o漢明碼、格雷碼、Hadamard碼、循環(huán)碼、Reed-Solomon碼等等。卷積碼o卷積碼也是長度為k的信息段分為一組，編成長度為n的碼字，但是這n個碼元，不僅取決于當前的k個信息碼元，還和前面L-1個信息段有關。因此通常把卷積碼記作(n, k, L) 。 o卷積碼碼的糾錯能力強，不僅可糾正隨機差錯，而且可糾正突發(fā)差錯。卷積碼根據(jù)需要，有不同的結(jié)構(gòu)及相應的糾錯能力。但都有類似的編碼規(guī)律。o描述卷積碼的方法有圖解法和解析法。解析法可以采用生成矩陣和生成多項式這兩種方法，圖解法可以采用樹狀圖、網(wǎng)格圖、狀態(tài)圖和邏輯表等方法。Turbo碼 oTurbo碼又稱并行級聯(lián)卷積碼

15、(PCCC)。o它將卷積碼和隨機交織器合并在一起，實現(xiàn)了隨機編碼的思想；采用軟輸出疊代譯碼來逼近最大似然譯碼。 o模擬結(jié)果表明， 在一定條件下，Turbo碼在AWGN信道上的誤比特率，接近香農(nóng)限的性能。在第三代移動通信中，非實時的數(shù)據(jù)通信廣泛采用了Turbo碼。循環(huán)碼BCH碼oBCH碼是循環(huán)碼的一個重要子類，具有多種碼率，可獲得很大的編碼增益，BCH碼有嚴密的代數(shù)理論，是目前研究最透徹的一類碼。RS碼oRS碼是Reed-Solomon（里德索洛蒙）碼的簡稱，它是一種多進制BCH碼。o它能夠糾突發(fā)錯誤，通常在連續(xù)編碼系統(tǒng)中采用交織o數(shù)字移動信道中，傳輸過程中會出現(xiàn)成串的突發(fā)差錯，這些突發(fā)差錯，主

16、要通過交織編碼來解決。o通過交織，把一個較長的突發(fā)差錯離散成隨機差錯，再用各種糾正隨機差錯的編碼(如卷積碼或其它分組碼)消除隨機差錯。o交織編碼不增加監(jiān)督元，亦即交織編碼前后，碼速率不變，因此不影響有效性。o交織深度越大，即m的數(shù)字越大，則離散度越大，抗突發(fā)差錯能力也就越強。o利用交織編碼技術可離散并糾正突發(fā)性差錯，改善移動通信的傳輸特性。 直接序列擴頻與解擴o擴頻：由于X（t）=b(t)c(t)的頻譜等于b(t)的頻譜與c(t)的頻譜的卷積，b(t)和c(t)相乘的結(jié)果使攜帶信息的基帶信號的帶寬被擴展到近似為c(t)的帶寬Bc，擴展的倍數(shù)就等于PN序列一周期的碼卷積，N=Bc/Bb=Tb/T

17、c，而信號的功率譜密度下降到原來的1/N。信號這樣的處理過程就是擴展，C(t)在這里起著擴頻的作用，稱作擴頻碼，這種擴頻方式就是直接序列的擴頻o解擴：在接收端，接收機接收到的信號r(t)一般是有用的信號和噪聲及各種干擾信號的混合，為了突出解擴的感念，暫不考慮他們的影響，即r(t)=s(t)，接收機將接受到的信號首先和本地產(chǎn)生的PN碼c(t)相乘，由于c(t)2=（+-1）2=1，所以r(t)c(t)=s(t)c(t)=b(t)c(t)cosWct*c(t)=b(t)cosWct,相乘所得信號顯然是一個窄帶2PSK信號，它的帶寬等于2Rb=2/Tb，這樣的信號恢復為一個窄帶信號，這一操作過程就是解擴。 跳頻擴頻通信系統(tǒng) o跳頻（FH）是一種無線通信中最常用的擴頻方式。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規(guī)律（一組偽隨機碼PN，Pseudo-Noise）進行離散變化，通信中使用的載波頻率受偽隨機碼的控制而隨機跳變。從通信技術的實現(xiàn)方式來說，跳頻是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通信方式；從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的信號。因此，跳頻通信在某一特定頻點上仍為普通調(diào)制技術。跳頻系統(tǒng)根據(jù)頻率變化的快慢，通常分為快跳頻和慢跳頻。目前在軍事領域廣