哈工程-2015現(xiàn)在通信技術(shù)

要求：1、整理作業(yè)2、參考書(shū)目：《無(wú)線通信鏈路中的現(xiàn)代通信技術(shù)》電子工業(yè)出版社，孫志國(guó) 《數(shù)字通信原理》人民郵電出版社，楊鴻義譯 《數(shù)字通信原理與應(yīng)用》電子工業(yè)出版社，徐平平譯 《無(wú)線通信》電子工業(yè)出版社，田斌<一>技術(shù)部分1-1卷積編碼；Viterbi譯碼卷積碼：在卷積碼的編碼過(guò)程中，對(duì)輸入信息比特進(jìn)行分組編碼，每個(gè)碼組的編碼輸出比特不僅與該分組的信息比特有關(guān)，還與前面時(shí)刻的其他分組的信息比特有關(guān)——稱(chēng)為記憶性。若以（n,k,m）來(lái)描述卷積碼，其中k為每次輸入到卷積編碼器的bit數(shù)，n為每個(gè)k元組碼字對(duì)應(yīng)的卷積碼輸出n元組碼字，m為編碼存儲(chǔ)度，也就是卷積編碼器的k元組的級(jí)數(shù)，稱(chēng)m+1=K為編碼約束度m稱(chēng)為約束長(zhǎng)度。、Viterbi譯碼：維特比譯碼器采用迭代的方法，從零時(shí)刻起，比較進(jìn)入每個(gè)狀態(tài)的所有路徑值，并將具有最大路徑值的路徑及其路徑值存儲(chǔ)下來(lái)，最終確定幸存路徑，實(shí)現(xiàn)卷積譯碼。

卷積編碼的維特比譯碼過(guò)程：

（1）從時(shí)間單元j=m開(kāi)始，計(jì)算進(jìn)入每個(gè)狀態(tài)的路徑的部分度量，存儲(chǔ)每個(gè)狀態(tài)的路徑及它的度量值，這里存儲(chǔ)的路徑通常是該狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的幸存路徑上的前一狀態(tài)值。

（2）j增加1，計(jì)算進(jìn)入每個(gè)狀態(tài)所有路徑的部分度量，這個(gè)度量值是進(jìn)入該狀態(tài)的分支度量加上與該分支相連的前一步的幸存路徑的度量值，對(duì)于每個(gè)狀態(tài)，共有2k個(gè)這樣的度量值，從中選出并存儲(chǔ)具有最大度量的路徑（即幸存路徑）及它的度量值，并刪除其他路徑。（3）如果j<L+m，重復(fù)步驟2，否則停止計(jì)算。1-2turbo編譯碼原理框圖具有抗噪等優(yōu)點(diǎn)的原因Turbo碼：基本原理是編碼器通過(guò)交織器把兩個(gè)分量編碼器進(jìn)行并行級(jí)聯(lián)，兩個(gè)分量編碼器分別輸出相應(yīng)的校驗(yàn)位比特。下圖是turbo碼的編碼原理框圖。Turbo碼譯碼：Turbo碼的譯碼采用的是迭代譯碼ik和qk是具有相同方差的兩個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)變量，代表噪聲影響。多路分離：如果vk=v1k,則將y1k送至DEC1，如果vk=v2k，則將y2k送至DEC2。Turbo碼的差錯(cuò)性能香農(nóng)極限是-1.6dB，所需的系統(tǒng)帶寬趨于無(wú)限，編碼效率趨于0，這個(gè)極限是不可行，只能無(wú)限接近，不能達(dá)到對(duì)于二進(jìn)制調(diào)制，PB=10-5和Eb/n0=0.2dB作為1/2編碼效率下的實(shí)用香農(nóng)極限，18次譯碼器迭代后，Eb/n0=0.7dB，誤比特率PB小于10-5，差錯(cuò)性能的改善是譯碼器迭代次數(shù)的函數(shù)，可以看到18次之后很接近實(shí)用香農(nóng)極限。2-1并行組合擴(kuò)頻PCSS工作原理(1)以上為并行組合擴(kuò)頻技術(shù)的原理框圖，由圖知PCSS的原理是將輸入的數(shù)字信息序列串/并轉(zhuǎn)換成k位數(shù)據(jù)組，由k位數(shù)據(jù)組控制，在考慮極性的情況下從M個(gè)偽隨機(jī)序列中選取r個(gè)，經(jīng)等幅疊加成并行組合擴(kuò)頻序列，帶通調(diào)制后發(fā)射出去，接收端解調(diào)后經(jīng)相關(guān)器輸出M個(gè)相關(guān)序列，判決出最大的r個(gè)序列經(jīng)逆映射恢復(fù)出原k位數(shù)據(jù)組。（2）PCSS技術(shù)與直擴(kuò)技術(shù)相比，它的信息載荷效率明顯提高，適合突發(fā)情況，但由于采用了多進(jìn)制調(diào)制方式，接收機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誤碼率高。

優(yōu)點(diǎn)：載荷效率高，一次可以載荷k個(gè)比特

缺點(diǎn)：（1）疊加碼，多進(jìn)制調(diào)制（2）接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

2-2rake接收機(jī)抑制多徑干擾的理論依據(jù)答：RAKE接收機(jī)是一種能分離多徑信號(hào)并有效合并多徑信號(hào)能量的最終接收機(jī)。其基本原理是將無(wú)線通信系統(tǒng)中，幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，對(duì)其進(jìn)行延時(shí)和相位校正，使之在某一時(shí)刻對(duì)齊，并按一定的規(guī)則進(jìn)行合并，變矢量合并為代數(shù)求和，有效地利用多徑分量，提高多徑分集的效果。2-3直擴(kuò)系統(tǒng)中，多用戶(hù)檢測(cè)抑制多址干擾的原因答：多址干擾是由于用戶(hù)接收的信息不正交產(chǎn)生的，MUD最核心的實(shí)質(zhì)是在收端進(jìn)行相關(guān)陣的逆處理，使得本來(lái)多用戶(hù)之間不正交的關(guān)系變成了正交的關(guān)系，從而抑制多址干擾。2-4直擴(kuò)系統(tǒng)中窄帶干擾的抑制方法和原因答：時(shí)域預(yù)測(cè)法：利用了直擴(kuò)信號(hào)和窄帶干擾之間的可預(yù)測(cè)性差異。（1）直擴(kuò)信號(hào)和高斯白噪聲是寬帶信號(hào)，相鄰數(shù)據(jù)值間沒(méi)有有相關(guān)性或相關(guān)性較弱，樣值序列當(dāng)前數(shù)據(jù)樣值中直擴(kuò)信號(hào)成分和高斯白噪聲成分不能被其相鄰的數(shù)據(jù)樣值通過(guò)加權(quán)求和的方式準(zhǔn)確的估計(jì)。（2）窄帶干擾相對(duì)于直擴(kuò)信號(hào)是窄帶信號(hào)，相鄰數(shù)據(jù)樣值間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，樣值序列當(dāng)前數(shù)據(jù)樣值中窄帶干擾的信號(hào)成分可以被相鄰的數(shù)據(jù)樣值通過(guò)加權(quán)求和的方式準(zhǔn)確估計(jì)。

變換域限波法：包括頻域陷波算法，重疊域陷波算法，小波域陷波算法。實(shí)質(zhì)是利用窄帶干擾和直擴(kuò)信號(hào)在不同的變換域中駐留子空間的差異。通過(guò)某種信號(hào)變換，將時(shí)域的信號(hào)映射到不同的變換域中，對(duì)窄帶干擾能量集中的子空間實(shí)施置零處理，去除掉大部分的干擾能量，再通過(guò)逆變換恢復(fù)出時(shí)域信號(hào)波形，以達(dá)到抑制NBI的目的。3-1ISI碼間干擾生成原因答：基帶脈沖波形的持續(xù)時(shí)間是有限的，一般等于碼元寬度T，因此，基帶脈沖波形占用的頻帶無(wú)限寬。當(dāng)基帶脈沖波形的帶寬受限時(shí)，脈沖信號(hào)的時(shí)域波形發(fā)生延展效應(yīng)，即信號(hào)波形的頻域受限、時(shí)域擴(kuò)展。相鄰碼元在采樣時(shí)刻產(chǎn)生了ISI，這里的ISI是乘性的。

ISI生成的數(shù)學(xué)模型如下圖：

其中

t0為延遲時(shí)間，上式右端第二項(xiàng)的和式即為碼間干擾的數(shù)學(xué)形式。

3-2無(wú)碼間干擾脈沖特點(diǎn)滿足條件答：脈沖波形擴(kuò)展部分在相鄰碼元采樣處的數(shù)值為零。3-3無(wú)線系統(tǒng)中，用平方根生滾降余弦脈沖為什么？根據(jù)無(wú)碼間干擾脈沖滿足的條件可知，由于接收機(jī)采用最佳接收（匹配濾波），因此匹配濾波器的輸出應(yīng)滿足無(wú)碼間干擾的條件，在眾多無(wú)碼間干擾的脈沖中，較理想低通脈沖相比，生滾降余弦脈沖，旁瓣衰落速度快，當(dāng)采樣時(shí)鐘有抖動(dòng)時(shí)，所引入的碼間干擾較少3-5無(wú)碼間干擾的數(shù)字通信基帶系統(tǒng)的框圖上圖為無(wú)ISI的數(shù)字通信鏈路基帶等效模型，由圖知發(fā)端采用根升滾降余弦濾波器進(jìn)行脈沖波形成型，收端采用的是根升滾降余弦匹配濾波器，以獲得最大的輸出信噪比，傳輸信號(hào)可能會(huì)受信道特性的影響產(chǎn)生幅度和相位的失真，或碼間干擾，因此在收端采用均衡器實(shí)現(xiàn)信道特征的均衡，去除基帶脈沖波形的失真及由信道傳輸特征引起的碼間干擾。4-1歐式距離的角度，分析16QAM，16PSK，誰(shuí)的抗噪能力強(qiáng)，基準(zhǔn)是平均功率相同4-2當(dāng)兩個(gè)頻率的信號(hào)，在0～t時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)信號(hào)正交時(shí)，相干、非相干相干解調(diào)最小頻差不同的原因：當(dāng)碼元速率相同時(shí)，基于相干檢測(cè)的FSK保持正交性所占用的帶寬要小于基于非相干檢測(cè)的FSK所需帶寬?？梢?jiàn)，相干FSK頻帶利用率更高。將兩個(gè)周期波形定位在相同的初始相位時(shí)，可利用一個(gè)碼元周期內(nèi)各波形的奇偶對(duì)稱(chēng)性獲得正交，因此相干檢測(cè)所需要的頻率間隔要小于非相干檢測(cè)所需的頻率間隔。這主要是因?yàn)榉窍喔蓹z測(cè)忽略了相位，采取了不同的方法獲得正交。在相干檢測(cè)情況下，相關(guān)器中的相位的定位可以使得平率間隔更小且保持FSK頻率分量之間的正交性。4-3MSK原理，框圖，全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案——數(shù)字器件+DA生成msk信號(hào)——數(shù)字頻率合成器5-1基于IFFT/FFT的OFDM/CP的原理、框圖答：下圖是OFDM技術(shù)原理框圖。其思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸，允許子載波頻譜部分重疊，使頻譜利用率大大提高，是一種高效的調(diào)制方式。5-2添加cp的原因，1、GAP和ISI關(guān)系；2、Cp和ICI的關(guān)系為了最大限度的消除符號(hào)間干擾，需要在每個(gè)OFDM符號(hào)之間加入保護(hù)間隔，而且保護(hù)間隔的長(zhǎng)度一般還要大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾，同時(shí)還可以用在接收機(jī)中以減少定時(shí)偏移誤差。為了消除由于多徑造成的信道間干擾，通常OFDM符號(hào)需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號(hào)CP,即將每個(gè)OFDM符號(hào)的后Tg時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到OFDM符號(hào)的前面，形成循環(huán)前綴，這樣保證在FFT的積分周期內(nèi)子載波的周期個(gè)數(shù)還是整數(shù)從而保證子載波間的正交性，不會(huì)在解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生子波間的干擾（ICI）。

由于信道中通信時(shí)會(huì)存在多徑干擾，從而引起不同路徑的信號(hào)之間疊加而產(chǎn)生信號(hào)的干擾。為避免這種干擾，在符號(hào)與符號(hào)之間加入了GP即循環(huán)前綴，也就是本符號(hào)最后面一部分，從而再疊加的過(guò)程中不僅沒(méi)有干擾反而增強(qiáng)了。5-3為什么抑制PAPR，兩個(gè)角度1、為什么PAPR大；2、為什么不能太大（多載波，膨脹；功放），現(xiàn)有的抑制PAPR有多少類(lèi)方法（只記名）1、原因：一個(gè)信號(hào)的峰平比（PAPR）指的是峰值功率與平均功率之比。由于OFDM信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)相互疊加而成的，疊加后的信號(hào)幅度會(huì)在一個(gè)很大的范圍內(nèi)波動(dòng)。對(duì)于一個(gè)具有N個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)所有的子載波都以相同的相位求和時(shí)，所得到的的峰值功率是均值功率的N倍，所以O(shè)FDM信號(hào)具有很大的峰平功率比，簡(jiǎn)稱(chēng)峰平比（PAPR）。

2、必要性：為了不失真的傳輸這些大峰平比的信號(hào)，發(fā)射端的大功率放大器需要有很大的線性范圍，否則，當(dāng)大的峰值信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)發(fā)射端的功率放大器飽和區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的頻譜擴(kuò)展和帶內(nèi)失真，引起OFDM系統(tǒng)性能的惡化。所以要避免PAPR過(guò)大。

3、抑制方法：

（1）信號(hào)失真技術(shù)（2）加擾技術(shù)（3）編碼技術(shù)（4）基于信號(hào)空間擴(kuò)展的方法5-4設(shè)計(jì)一個(gè)具有窄帶干擾監(jiān)測(cè)，和子道關(guān)斷能力的OFDM通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案（建議TDCS系統(tǒng)）答：TDCS本質(zhì)上是頻分體制。通過(guò)感知信道特性，選取可用的頻率資源，并通過(guò)相應(yīng)的變換域處理方式使干擾或主用戶(hù)與通信信號(hào)在頻域正交，有效的對(duì)干擾或主用戶(hù)進(jìn)行主動(dòng)規(guī)避，實(shí)現(xiàn)抗干擾和提高頻譜利用率的目的。6-1時(shí)域選擇、頻率選擇性衰落生成機(jī)理，抑制方法快衰落主要由于多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，由于移動(dòng)體周?chē)性S多散射、反射和折射體，引起信號(hào)的多徑傳輸，使到達(dá)的信號(hào)之間相互疊加，其合成信號(hào)幅度表現(xiàn)為快速的起伏變化，它反映微觀小范圍內(nèi)數(shù)十波長(zhǎng)量級(jí)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，其變化率比慢衰落快，故稱(chēng)它為快衰落，由于快衰落表示接收信號(hào)的短期變化，所以又稱(chēng)短期衰落(short-term-fading）。時(shí)間選擇性衰落：是指快速移動(dòng)在頻域上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而引起頻率擴(kuò)散。在不同的時(shí)間衰落特性不一樣。由于用戶(hù)的高速移動(dòng)在頻域引起了多普勒頻移，在相應(yīng)的時(shí)域上其波形產(chǎn)生了時(shí)間選擇性衰落。最有效的克服方法是采用信道交織編碼技術(shù)。即將由于時(shí)間選擇性衰落帶來(lái)的大突發(fā)性差錯(cuò)信道改造成為近似性獨(dú)立差錯(cuò)的AWGN信道?？臻g選擇性衰落：是指不同的地點(diǎn)、不同的傳輸路徑衰落特性不一樣，它是由于開(kāi)放型的時(shí)變信道使天線的點(diǎn)波束產(chǎn)生了擴(kuò)散而引起了空間選擇性衰落。它通常由被稱(chēng)為平坦瑞利衰落。這里的平坦特性是指在時(shí)域、頻域中不存在選擇性衰落。最有效的克服手段是空間分集和其他空域處理方法。頻率選擇性衰落：是指不同的頻率衰落特性不一樣，引起時(shí)延擴(kuò)散，在不同的頻段上衰落特性不一樣。它是信道在時(shí)域的時(shí)延擴(kuò)散而引起了在頻域的選擇性衰落。最有效的克服方法有自適應(yīng)均衡、OFDM及

CDMA系統(tǒng)中的RAKE接收等。6-2衰落特性的描述參數(shù)（速度、衰減率、持續(xù)時(shí)間），物理含義時(shí)間色散：時(shí)延擴(kuò)展是由反射及散射時(shí)傳播路徑引起的現(xiàn)象。多徑效應(yīng)在時(shí)域上造成數(shù)字信號(hào)波形的展寬。相關(guān)帶寬：相干帶寬是一定范圍內(nèi)頻率的統(tǒng)計(jì)測(cè)量值，是建立在信道上所有譜分量均以幾乎相同的增益及線性相位通過(guò)的基礎(chǔ)上的。也就是說(shuō)，相干帶寬是指一特定的頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。多普勒擴(kuò)展：多普勒擴(kuò)展BD是譜展寬的測(cè)量值，這個(gè)譜展寬是移動(dòng)無(wú)線信道的時(shí)間變化率的一種量度。6-3均衡的基本原理、分類(lèi)，及各自的特點(diǎn)，適用場(chǎng)合均衡器通常是用濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用濾波器來(lái)補(bǔ)償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過(guò)均衡器修正過(guò)的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應(yīng)均衡器直接從傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)字信號(hào)中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應(yīng)信道的隨機(jī)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(bǔ)償性能。幅度均衡器：一種校正幅－頻特性的頻域均衡器。相位均衡器:用以校正相-頻特性的頻域均衡器。橫向均衡器：一種最常用的時(shí)域均衡器。頻帶利用率高的數(shù)字通信設(shè)備常用這種均衡器<二>基礎(chǔ)部分帶寬定義（絕對(duì)、3db、-9db、等效、半功率）答：數(shù)字通信中采用的各種“帶寬”定義均滿足某一條件下的數(shù)字通信信號(hào)功率密度譜某一區(qū)間的寬度。幾種定義方式如下：

1）半功率帶寬：功率密度降為功率密度最大值的一半（3dB）時(shí)，兩頻點(diǎn)間的間隔。

2）等效噪聲帶寬：也稱(chēng)為矩形等效帶寬，數(shù)值上等于信號(hào)總功率和功率密度最大值的比值。

3）第一零點(diǎn)帶寬：也成為主瓣帶寬，即零點(diǎn)到零點(diǎn)的帶寬。

4）部分功率保留帶寬：相對(duì)于載波fc對(duì)稱(chēng)的兩頻點(diǎn)間的信號(hào)總功率A%，此時(shí)稱(chēng)這兩頻點(diǎn)的間距為A%帶寬。

5）有界功率譜密度：在該帶寬外任意頻率的功率密度與最大功率密度的比值低于某一數(shù)值。

6）絕對(duì)帶寬：該帶寬之外不存在信號(hào)能量。時(shí)域受限的數(shù)字信號(hào)的帶寬無(wú)窮大。數(shù)字信號(hào)的絕對(duì)帶寬無(wú)限寬。

在數(shù)字通信中，信號(hào)帶寬的選取原則是所選用的帶寬含有大部分信號(hào)的能量，帶限引起的波形失真程度和波形擴(kuò)展程度能滿足通信質(zhì)量的需求。

2、數(shù)字通信中，用Eb/n0，不用SNr的原因模擬通信中，S/N分子表示期望保持的傳輸功率大小、分母表示噪聲干擾的大小。能量信號(hào)與功率信號(hào)用于比較模擬與數(shù)字信號(hào)，模擬波形時(shí)間持續(xù)無(wú)限，能量無(wú)限，因此用功率（或能量傳輸速率）更有效。在數(shù)字通信中用時(shí)間長(zhǎng)度為碼元間隔T的波形發(fā)送接收碼元，每個(gè)碼元平均功率為0，因此數(shù)字信號(hào)應(yīng)該采用能在時(shí)間窗內(nèi)度量的能量（功率在T上的積分）描述。數(shù)字波形是代表數(shù)字信息的媒介，消息可以是1或2比特，數(shù)字信號(hào)波形是1或2比特的信息，所以S/N無(wú)法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行描述。當(dāng)S/N不變時(shí)，波形包含的比特?cái)?shù)不一樣，每個(gè)比特所需的S/N也不一樣，所以比特級(jí)的Eb/N0更合適。3、帶寬無(wú)限增大時(shí)，信道容量可以無(wú)限增大嗎？or推導(dǎo)香農(nóng)限-1.6dB 4、周期、非周期、能量、功率信號(hào)、能量譜密度、功率譜密度答：（1）周期信號(hào)：瞬時(shí)幅值隨時(shí)間重復(fù)變化的信號(hào)。

非周期信號(hào)：瞬時(shí)幅值隨時(shí)間隨機(jī)變化的信號(hào)。

周期信號(hào)的頻譜是離散的，非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。周期信號(hào)表示成傅里葉級(jí)數(shù)形式，對(duì)應(yīng)的頻率分量的系數(shù)就是該頻率分量的具體幅值；非周期信號(hào)經(jīng)傅里葉變換得到的是頻譜密度函數(shù)，每個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值并不是信號(hào)在該頻率上分量的實(shí)際幅值，必須要除以信號(hào)的周期（即無(wú)窮大）才是實(shí)際幅值，所以可以說(shuō)非周期信號(hào)在任意頻率分量上的幅值都是零。

（2）功率信號(hào)：平均功率有限，能量無(wú)窮大的信號(hào)

能量信號(hào)：平均功率為零，能量有限的信號(hào)可能既是