第3章 關(guān)鍵技術(shù)2

1、第3章 關(guān)鍵技術(shù) 語音(yyn)編解碼技術(shù) 調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 擴(kuò)頻通信 分集接收技術(shù) 鏈路自適應(yīng)技術(shù) OFDM技術(shù) 軟件無線電技術(shù) 智能(zh nn)天線 MIMO技術(shù) 聯(lián)合檢測 認(rèn)知無線電技術(shù)（RC）共三十二頁擴(kuò)頻通信 3 擴(kuò)頻通信的理論(lln)基礎(chǔ) 擴(kuò)頻通信的基本原理 共三十二頁1、 擴(kuò)頻通信的理論(lln)基礎(chǔ) 擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)(tdin)，是傳輸信號(hào)所占用的頻帶寬度(W)遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益：擴(kuò)頻通信 3 擴(kuò)頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論中的相關(guān)公式中引伸而來的。信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)(Shannon)公式為： 式中：C

2、為信道容量(用傳輸速率度量)，W 為信號(hào)頻帶寬度， S為信號(hào)功率，N為白噪聲功率。 香農(nóng)公式表明，在給定信號(hào)功率和白噪聲功率的情況下，只要采用某種編碼系統(tǒng)，就能以任意小的差錯(cuò)概率，以接近于信道容量C的傳輸速率來傳送信息。式(3-16)還說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比SN是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比SN情況下，傳輸可靠的信息。 共三十二頁 擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)，是柯捷爾尼可夫關(guān)于信息(xnx)傳輸差錯(cuò)概率的公式： 式中：Pe為差錯(cuò)概率，E為信號(hào)能量，n。為噪聲功率譜密度(md)，f為某一函數(shù)。 擴(kuò)頻通信 3 結(jié)論：信噪比和帶寬是可以互

3、換的，它同樣指示了用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的降低。共三十二頁2 、 擴(kuò)頻通信的基本原理 （1）直接(zhji)序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 第一種碼分直擴(kuò)系統(tǒng)構(gòu)成的簡單框圖如圖3-20(a)所示。擴(kuò)頻通信 3 圖3-20 （a）碼分直擴(kuò)系統(tǒng)(xtng)共三十二頁 第二種碼分直擴(kuò)系統(tǒng)(xtng)構(gòu)成的簡單框圖如圖3-20(b)所示。擴(kuò)頻通信 3 圖3-20 （b）碼分直擴(kuò)系統(tǒng)(xtng)共三十二頁圖3-21 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(xtng)頻譜變換圖擴(kuò)頻通信 3 圖 3-21 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(xtng)頻譜變換 共三十二頁（2）直接(zhji)序列擴(kuò)頻信號(hào)的波形擴(kuò)頻通信 3 共三十二頁P(yáng)N碼發(fā)生器極性轉(zhuǎn)換器待

4、擴(kuò)頻信號(hào)(xnho)乘法器采樣(ci yn)模塊頻譜示波器示波器Simulink仿真 1 共三十二頁擴(kuò)頻調(diào)制前后(qinhu)信號(hào)波形圖對(duì)比Simulink仿真(fn zhn) 2 共三十二頁擴(kuò)頻調(diào)制(tiozh)前頻譜圖擴(kuò)頻調(diào)制(tiozh)前的信號(hào)頻寬大概為1KHz左右Simulink仿真 3 共三十二頁擴(kuò)頻調(diào)制(tiozh)后的信號(hào)頻寬大概為255KHz左右擴(kuò)頻調(diào)制(tiozh)后頻譜圖Simulink仿真 4 共三十二頁 （3）跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 跳頻(FH)通信是指用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控，也是一種擴(kuò)頻技術(shù)，即通信使用的載波頻率受一組快速變化的偽隨機(jī)碼控制而隨機(jī)的跳變。這種

5、載波變化的規(guī)律(gul)，通常叫做“跳頻圖案”。跳頻實(shí)際上是一種復(fù)雜的頻移鍵控，是一種用偽隨機(jī)碼進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式。擴(kuò)頻通信 3 圖3-23 二元頻移鍵控的波形(b xn) 圖3-24 跳頻系統(tǒng)組成方框圖 共三十二頁圖3-25 跳頻信號(hào)(xnho)的時(shí)一域矩陣圖 由圖可見，從時(shí)域上看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率(pnl)的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上隨機(jī)跳變的不等間隔的頻率(pnl)信道。圖中載波頻率(pnl)跳變次序是：f5f4f7f0f6f3f1。如果從時(shí)間-頻率域來看，跳頻信號(hào)為一個(gè)時(shí)-頻矩陣，每個(gè)頻率持續(xù)時(shí)間為Tc秒。擴(kuò)頻通信 3 共三十二頁DDS原理(

6、yunl)工作過程為: 1, 將存于數(shù)表(sh bio)中的數(shù)字波形,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A,形成模擬量波形.2, 兩種方法可以改變輸出信號(hào)的頻率: (1),改變查表尋址的時(shí)鐘CLOCK的頻率, 可以改變輸出波形的頻率. (2), 改變尋址的步長來改變輸出信號(hào)的頻率.DDS即采用此法. 步長即為對(duì)數(shù)字波形查表的相位增量.由累加器對(duì)相位增量進(jìn)行累加, 累加器的值作為查表地址.3, D/A輸出的階梯形波形,經(jīng)低通(帶通)濾波,成為質(zhì)量符合需要的模擬波形.共三十二頁（4）跳時(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 與跳頻相似，跳時(shí)（TH：Time Hopping）是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。我們先把時(shí)間軸分成許多時(shí)隙。在一幀內(nèi)哪

7、個(gè)時(shí)隙發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行控制。因此，可以把跳時(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇(xunz)的多時(shí)隙的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得多的時(shí)隙去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)來說，信號(hào)的頻譜也就展寬了。擴(kuò)頻通信 3 共三十二頁抗干擾能力強(qiáng)； 保密性好； 可以實(shí)現(xiàn)(shxin)碼分多址； 抗衰落、抗多徑干擾； 能精確地定時(shí)和測距，等等。擴(kuò)頻通信的主要(zhyo)特點(diǎn)擴(kuò)頻通信 3 共三十二頁分集接收(jishu) 4 分集技術(shù)(jsh)的分類 幾種常用的顯分集技術(shù) 幾種常用的隱分集技術(shù) 分集合并技術(shù) 共三十二頁 分集接收技術(shù)是一項(xiàng)主要的抗衰落技術(shù)，它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性，其本質(zhì)就是采用兩種或兩種以上的不

8、同方法接收同一信號(hào)以克服衰落，其作用是在不增加發(fā)射機(jī)功率或信道帶寬的情況下充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以提高系統(tǒng)的接收性能。它的基本思路是：將接收到的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的（獨(dú)立的）多路信號(hào)，即選取了一個(gè)信號(hào)的兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的采樣，這些樣本的衰落是互不相關(guān)的，這意味著所有樣本同時(shí)低于一個(gè)給定電平的概率比任何一個(gè)樣本低于該值的概率要小得多；然后(rnhu)將這些信號(hào)的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號(hào)能量最大。對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小，對(duì)模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。 目前，分集技術(shù)已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，如IS-95中用RAKE進(jìn)行二重空間接收，而第三代移動(dòng)通信中不論W

9、CDMA還是CDMA2000則都采用發(fā)端分集技術(shù)。分集接收(jishu) 4共三十二頁1、分集技術(shù)的分類 “分”與“集”是一對(duì)矛盾。為了在接收端得到幾乎相互獨(dú)立的不同路徑，可以通過空域、頻域和時(shí)域的不同角度(jiod)、不向方法來加以實(shí)現(xiàn)。因此分集技術(shù)研究是利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域和空域中，如何分散開又如何收集起來的技術(shù)。分集接收(jishu) 4共三十二頁2 、幾種常用(chn yn)的顯分集技術(shù)分集接收(jishu) 4宏分集（也稱為“多基站”分集）以減少由于陰影效應(yīng)而引起的大范圍慢衰落為目的，它的做法是把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置和不同方向上，同時(shí)和一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信，也可以選用

10、其中信號(hào)最好的一個(gè)基站與移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信。 微分集是以抗快衰落為目的，同一天線場地使用兩個(gè)或多個(gè)天線的分集方式。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(hào)，都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性，因此可采用空間分集、時(shí)間分集、頻率分集、極化分集、角度分集和多徑分集等多種分集技術(shù)?？臻g分集在發(fā)端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副間隔距離d/2（為工作波長）的天線接收，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的。經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)，從而降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。頻率分集就是將信息分別在不同的載頻

11、上發(fā)射出去，要求載頻間的頻率間隔要大于信道相關(guān)帶寬，以保證各頻率分集信號(hào)在頻域上的獨(dú)立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信號(hào)。和空間分集相比，頻率分集的優(yōu)點(diǎn)是減少了天線數(shù)目，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)。 快衰落除了具有空間和頻率獨(dú)立性之外，還具有時(shí)間獨(dú)立性，即同一信號(hào)以大于相干時(shí)間的時(shí)間間隔重復(fù)傳輸M次，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(hào)所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨(dú)立的，即得到M條獨(dú)立的分集支路。接收機(jī)將重復(fù)收到的同一信號(hào)進(jìn)行合并，以減小衰落的影響。極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況。在發(fā)端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在收端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和

12、水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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，將有3dB的信號(hào)功率損失。移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)是一個(gè)多徑衰落信號(hào)。通常這一多徑衰落信號(hào)的時(shí)延差很小且是隨機(jī)的，對(duì)于窄帶系統(tǒng)（如模擬TACS、數(shù)字GSM系統(tǒng)），在同一地點(diǎn)，到達(dá)的各路信號(hào)是相關(guān)的，無法分離。只有特定設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻信號(hào)才可以進(jìn)行分離，分離的手段是相關(guān)接收。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，例如一個(gè)散射體反射E波和H波的駐波圖形相位差90，即當(dāng)E波為最大時(shí)，H波最小。因此利用場分量的這個(gè)特點(diǎn)也可以實(shí)現(xiàn)分集。當(dāng)工作頻率高于10G

13、Hz時(shí)，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的散射信號(hào)產(chǎn)生從不同方向來的互不相關(guān)的信號(hào)。這樣接收端利用方向性天線，在同一位置設(shè)置指向不同方向的兩個(gè)或更多的有向天線，向合成器提供信號(hào)，以達(dá)到克服衰落的目的。采用這種方案，移動(dòng)臺(tái)比基站的電路更有效。共三十二頁 圖3-27 移動(dòng)(ydng)臺(tái)接收機(jī)方框圖 分集接收(jishu) 4共三十二頁3 、幾種(j zhn)常用的隱分集技術(shù)分集接收(jishu) 4交織編碼的目的是把一個(gè)較長的連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)離散成隨機(jī)的非連續(xù)差錯(cuò)，再用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼（FEC）技術(shù)消除隨機(jī)差錯(cuò)。交織深度越大，則離散度越大，抗突發(fā)差錯(cuò)能力也就越強(qiáng)，但處理時(shí)間也越長，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延增大。也就是說

14、，交織編碼是以時(shí)間為代價(jià)的。因此，交織編碼屬于時(shí)間隱分集。跳頻有慢跳頻（SFH）和快跳頻（FFH）兩種。慢跳頻的跳頻速率低于信息比特率，即連續(xù)幾個(gè)信息比特跳頻一次。GSM系統(tǒng)中，傳輸頻率在一個(gè)完整的突發(fā)脈沖傳輸期間保持不變，屬于慢跳頻?？焯l的跳頻速率高于或等于信息比特率，即每個(gè)信息比特跳頻一次以上。共三十二頁最大比值(bzh)合并（Maximal Ratio Combing)基本(jbn)思想： 接收機(jī)對(duì)所有分集支路進(jìn)行不間斷連續(xù)檢測,并估計(jì)各支路信號(hào)的幅度、相位和時(shí)延,然后根據(jù)“強(qiáng)者愈強(qiáng)弱者愈弱”的原則做出相應(yīng)的加權(quán)補(bǔ)償,使合并輸出的信噪比最大化。系統(tǒng)模型：4、分集合并技術(shù)共三十二頁參數(shù)(

15、cnsh)分析：MRC合并輸出的信號(hào)(xnho)表達(dá)式可表示為:其中：由切比雪夫不等式可證:時(shí)，合并后信噪比最大。假設(shè)MRC合并的L個(gè)支路信號(hào)服從Rayleigh衰落條件的獨(dú)立同一分布,則共三十二頁等增益比值(bzh)合并（Equal Gain Combing)基本(jbn)思想：掃描所有分集支路信號(hào),然后對(duì)各支路信號(hào)進(jìn)行調(diào)相并以相同的加權(quán)值進(jìn)行合并。EGC的加權(quán)系數(shù)是恒定的,通常取值為1,即調(diào)相后直接相加。也被稱為相位均衡。系統(tǒng)模型：共三十二頁參數(shù)(cnsh)分析：Digital communication over fading channels: a unified approach t

16、o performance analysis共三十二頁Digital communication over fading channels: a unified approach to performance analysis共三十二頁選擇(xunz)式合并（selection Combing)基本(jbn)思想：對(duì)所有i個(gè)分集支路信號(hào)的能量進(jìn)行掃描檢測,然后選擇信噪比最高的一個(gè)支路信號(hào)作為合并輸出。該合并方式的實(shí)現(xiàn)方法簡單,但浪費(fèi)了其余的支路信號(hào)資源,大大降低了合并增益。系統(tǒng)模型：共三十二頁參數(shù)(cnsh)分析：共三十二頁切換(qi hun)合并（switching Combing)基本(jbn)思想： 根據(jù)系統(tǒng)的性能要求和信道環(huán)境條件,預(yù)先設(shè)定一個(gè)最低的可接收信號(hào)切換門限,接收機(jī)首先隨機(jī)選擇一個(gè)支路信號(hào)作為輸出,然后根據(jù)支路信號(hào)與門限值的大小來確定是否切換到其它支路信號(hào)。切換合并結(jié)構(gòu)比選擇合并簡單,但性能較差。系