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文檔簡介

1、,移動通信,中南民族大學電子與信息工程學院唐紅文,通信技術,移動通信-第四講 平坦衰落對策,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,4.1 分集技術,分集概念:接收多路 不相關的信號并合并. 目標:對抗多徑信道造成的衰落和延時串擾 技術-兩方面 如何獲得獨立多路信號 如何合并獨立多路信號 本質:對同一信號在不同時間/空間/頻率的過采樣。,4.1.1 分集接收原理,各獨立的信號傳播路徑同時經(jīng)歷深度衰

2、落的概率很低。,1. 分集技術分類,分集技術,分集的目的,宏分集(抗長期衰落),微分集(抗短期衰落),信號傳輸方式,顯分集,隱分集,交織和編碼技術,調制技術,直接序列擴頻技術,獲得多路 信號的方式,空間位置分集(多天線,宏分集),空間角度分集(智能天線),頻率分集(調頻或DSSS),時間分集(TTC),極化分集,2.常用分集技術,分集技術的實質對傳輸信號進行過取樣 空間分集技術-用2個以上的天線收同一個信號 頻率分集技術-用2個以上的載波頻率傳輸 時間分集技術-在不同時間接收同一個信號 極化分集-接收垂直和水平極化信號,(1) 時間分集技術-時間獨立性,多徑的每一徑時延不同進行多徑分離合并-R

3、AKE接收機 重發(fā)時間大于信道的相關時間-ARQ技術 用信道相關時間設計交織編碼的深度,(2) 空間位置分集空間獨立性,多天線陣元分集 多天線發(fā)射分集 多天線接收分集 條件ddc dc為空間相關距離 移動信道中 市區(qū): d=0.5 郊區(qū): d=0.8,(3) 頻率分集技術頻率獨立性,將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載波發(fā)射出去 兩個頻率成分具有相互獨立的衰落特性 條件f2-f1 Bc Bc為相關帶寬,(4)角度擴展-空間角度分集,使電波通過不同路徑,并以不同角度到達接收端,在接收端,采用方向性 天線,分離出不同方向 來的信號分量。 相關天線陣列:d c,(5)極化分集,不同極化方向(垂直極化和水平極

4、化)的電磁波具有獨立的衰落特性。 空間分集的特殊情況(兩路分集支路) (6)場分量分集 電磁波的E場和H場載有相同的消息,而反射機理不同。從而在接收端獲得互不相關的場分量。 場分量分集不要求天線間有實體上的間隔,因此適用于較低的工作頻率。,2.現(xiàn)有的主要分集技術,Rake接收-時間分集 智能天線-空間角度分集 多天線陣-空間位置分集 ARQ重傳-時間分集 (重發(fā)時間大于信道的相關時間) 跳擴頻-頻率分集+時間(隱分集) 直接序列擴頻-頻率分集(隱分集),隱分集隱含在信號傳輸方式中的分集技術。,3. 合并技術通過合并技術獲得分集增益,合并信號的表達式信號,合并技術,信號合并準則利用各種合并準則確

5、定加權系數(shù) 最大信噪比準則 眼圖最大張開度準則 誤字率最小準則 分類: 選擇性合并(Selective Combining):選擇具有最大SNR的分枝。 等增益合并(Equal-Gain Combining):所有分枝等權重相干合并。 最大比合并(maximal Ratio Combining ):所有分枝依其SNR進行加權相干合并.,1. 選擇式合并,選擇式合并原理圖如下所示。,2.最大比值合并(MRC),在接收端由個統(tǒng)計不相關的分集支路,經(jīng)過相位校正,并按適當?shù)目勺冊鲆婕訖嘣傧嗉雍笏腿霗z測器進行相干檢測。最大比值合并的原理圖如下所示。,3. 等增益合并(EGC),4.1.2 分集合并性能,

6、4.1.3 分集重數(shù)和數(shù)字傳輸性能,L: 分集 重數(shù),即使只有兩路分集信號進行選擇合并,性能改善也很顯著。 在1差錯率時,所需SNR減小約10dB。因而可以降低發(fā)射功率或增大覆蓋范圍或提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 最大比合并輸出SNR隨合并分支數(shù)線性提高。 復雜度成為限制因素。,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,概念:隱含在信號傳輸方式中的分集技術。 接收端通過信號處理技術實現(xiàn)分集。 包括: RAK

7、E技術, 利用多徑現(xiàn)象來增強信號 交織編碼技術,抗深衰落、抗突發(fā)干擾; 跳頻技術,抗多徑、抗衰落、抗干擾; 直接序列擴頻技術,抗多徑、抗衰落和干擾。,隱分集技術,多徑信號分離與合并的關鍵技術,多徑信號分離與信號設計 多徑信號分離的基礎是采用直接擴展頻譜信號。對于直擴序列的碼片(chip)寬度為Tc 的系統(tǒng),所能分離的最小路徑時延差為Tc。并且所采用的直擴序列信號的自相關性和互相關性要好。 多徑合并與合并準則 多徑合并是指:接收端對多徑信號檢測獲得的多個相互獨立的峰值包絡,并對多個峰值進行采樣,再以適當?shù)姆绞胶喜⑦@些采樣值。 多徑合并準則有:第一路徑準則,最強路徑準則,檢測后積分準則,等增益合并

8、準則,最大比合并準則,自適應合并準則。具體采用何種準則應依電波傳播環(huán)境 、系統(tǒng)性能要求等而定。,Rake接收機,RAKE接收機: 利用多個并行相關器檢測多徑信號,按照一定的準則合成一路信號供解調用的接收機。 利用多徑現(xiàn)象來增強信號 移動通信信道是一種多徑衰落信道,RAKE接收技術就是分別接收每一路的信號進行解調,然后疊加輸出達到增強接收效果的目的,這里多徑信號不僅不是一個不利因素, 變成一個可供利用的有利因素。 目前的CDMA接收機都是基于RAKE接收機原理,Qualcomm RAKE接收機,QualcommRAKE接收機采用的是并行相關RAKE接收機 移動臺中的RAKE接收機是由三個并行相關

9、器和一個搜索器構成。搜索器用于搜索最強的多徑信號,可搜索3路多徑信號,包括多徑信號的相位、到達時刻和強度參數(shù),可利用系統(tǒng)中基站發(fā)送的導引信號(pilot) 得到它們的估值,搜索相關器的輸出控制三路并行相關器,使它們對三路最強的多徑信號進行相關,并采用了相關最大比合并準則。 基站中的RAKE接收機是由4個并行相關器和一個搜索相關器構成。因為移動臺不發(fā)送導引信號,基站接收機無法得到多徑信號的相位信息,因此采用非相關最大比合并準則。,小區(qū)越區(qū)的多徑分集 在基站方面是多個基站同時收到一個移動臺的信號,每個基站有兩副天線,進行空間分集。又進行四路徑信號的并行相關RAKE接收和非相關最大比合并。各基站的信

10、號在基站控制器按照“擇大”準則完成多徑分集。 移動臺方面,是有二個或 多個基站同時向它發(fā)射信號,搜索相關器選擇兩路或三路信號按最大比合并準則來完成多徑分集。,扇區(qū)越區(qū)的多徑分集 在基站方面,兩個扇區(qū)同時收到移動臺的信號,所接收的信號在 信道接收機按照“最大比合并”準則完成多徑分集。 移動臺方面,有二個或多個區(qū)同時向 它發(fā)射信號,搜索相關器選擇兩路或三路信號按“最大比合并”準則來完成多徑分集。 在Qualcomm RAKE接收機中,最多只用4個并行相關器,是基于他們對多徑特性的現(xiàn)場測試結果。分析表明,多徑分集的路徑數(shù)的概率分布有:3路徑為20;2路徑為50;1路 徑為28。所以,至少需要具有處理

11、23個路徑的分集能力。,RAKE接收機的框圖,RAKE接收機采用L個相關器,相鄰相關器所處理的時延之差為1/W,每個相關器只從總的接收信號中提取相應延時的那部分多徑信號。,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,4.3.1 信道編碼的基本原理,信道編碼是為了降低誤碼率,提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。 根據(jù)一定的規(guī)律,在待發(fā)送的信息碼元中加入一些冗余的碼元,以換取信息碼元在傳輸中的可靠性。 稱

12、信源待發(fā)送的碼元為信息碼元; 稱加入的冗余碼元為監(jiān)督(校驗)碼元。 信道編碼的目的是以加入最少的冗余碼元為代價,換取提高最大的可靠性。 按照加入冗余碼元的規(guī)律,信道編碼可以分為線性和非線性兩大類,分別稱為線性碼和非線性碼。 按照監(jiān)督位完成的功能可劃分為僅具發(fā)現(xiàn)差錯功能的檢錯碼和具有糾正差錯功能的糾錯碼兩類。,4.3.2 信道編碼的類型,線性分組碼:按照代數(shù)規(guī)律構造,故又稱為代數(shù)編碼。一般可記為(n,k)碼,其中k為信息碼長度,n為碼組長度,而監(jiān)督位長度為n-k。編譯碼時按每k個信息碼元一組進行。它包括漢明碼、BCH碼、Fire碼、和RS碼等。 卷積碼:一種非分組的有記憶編碼,是以編碼規(guī)則遵從卷

13、積運算而得名??捎洖?n,k,m)碼,其中k表示輸入信息的位數(shù),n表示輸出碼元的位數(shù),m表示編碼器中寄存器的節(jié)數(shù)。輸出碼元n不僅與輸入信息位k有關,而且與編碼器中記憶的m位有關,通常稱l=m+1為約束長度(記憶長度)。其譯碼既可采用傳統(tǒng)的代數(shù)方法,也可采用概率方法,而常用的是概率方法。 在數(shù)字移動通信中,GSM和IS-95主要采用卷積碼,在第三代移動通信中,話音采用卷積碼,數(shù)據(jù)則既可采用卷積碼也可采用TURBO碼。,4.3.3 卷積碼,不僅可糾正隨機差錯,而且可糾正突發(fā)差錯。 優(yōu)點: 編碼直接了當 輸出增加了冗余(時間域擴展),因而具有抗噪聲能力 缺點 解碼復雜 卷積碼的表示方法有圖解表示法和

14、解析表示法兩種,(3,1,3)卷積編碼器,(3,1,3)卷積碼的約束長度為3,編碼效率為1/3,,GSM系統(tǒng)中的卷積碼,(1:2,約束長度為5) GSM系統(tǒng)首先將話音分成20ms的音段,這20ms的音段通過話音編碼器被數(shù)字化話音編碼,產(chǎn)生260個比特流,并被分成: 50個最重要比特加上3個奇偶校驗比特(分組碼) 132個重要比特加上4個尾比特 78個不重要比特,IS95中的卷積碼,IS95標準對正反向信道采用不同的編碼方式。 正向信道除導頻信道外的所有信道均使用(2,1,9)卷積編碼;卷積碼的碼率為1/2. 反向信道使用(3,1,9)卷積編碼, 碼率為1/3。,卷積碼譯碼,大數(shù)邏輯譯碼,又稱門

15、限譯碼; 該譯碼方法是從線性碼的伴隨式出發(fā),找到一組特殊的能夠檢查信息位置是否發(fā)生錯誤的方程組,從而實現(xiàn)糾錯譯碼。 概率譯碼 維特比譯碼 序列譯碼 門限譯碼方法是以分組理論為基礎的,其譯碼設備簡單,速度快,但其誤碼性能要比概率譯碼法差。,Viterbi 譯碼,維特比譯碼是1967年維特比提出的一種概率譯碼法,實質上就是最大似然譯碼。 譯碼準則: 在數(shù)字與數(shù)據(jù)通信中,通信的可靠性一般用平均誤碼率Pe來度量。 由概率論知,最小的Pe等效于最大后驗概率。 在信源先驗等概的條件下,最大后驗概率等效于最大似然概率。 對于無記憶二進制對稱信道(BSC),最大似然概率又等效于最小漢明距離。因此硬判決維特比譯

16、碼的判決度量值是漢明距離,判決準則是最小漢明距離準則。 軟判決維特比譯碼基于離散無記憶信道(DMC)模型, 判決度量值是似然概率值,判決準則是最大似然準則。 軟判決比硬判決的復雜性增加不多,但性能提高1.52dB。故目前的維特比算法中常采用軟判決。,4.3.3 交織編碼技術,目的:把一個較長的突發(fā)差錯離散成隨機差錯,再利用糾正隨機差錯的編碼技術消除隨機誤差。 原因:深度衰落時間較長, 人為干擾大, 自然突發(fā)噪聲。 交織器結構:交織深度 交織深度越大, 抗突發(fā)差錯能力 越強。,交織器原理,交織器原理,交織、解交織步驟: 發(fā)送數(shù)據(jù)(塊)信道編碼; 發(fā)送端交織存儲器為一個行列交織矩陣存儲器,它按列寫

17、入,按行讀出 交織器輸出后并送入突發(fā)信道的信號 在接收端,將受突發(fā)干擾的信號送入解交織器,解交織器也是一個行列交織矩陣的存儲器,它是按行寫入,按列讀出(正好與交織矩陣規(guī)律相反),,4.3.4 Turbo碼及其關鍵技術,在ICC93由C. Berrou等人提出 具有接近仙農(nóng)極限的編碼性能 關鍵技術 遞歸系統(tǒng)卷積碼 非均勻交織器 軟輸出譯碼算法 迭代譯碼 3G 非實時數(shù)據(jù)通信廣泛采用了TURBO碼,多徑衰落信道Turbo碼的性能,重點和難點: 信道估計 多徑信道信道信息在Turbo碼譯碼中的應用 概率計算的閉合形式及簡化 解決辦法: 將單徑瑞利信道譯碼方法推廣 不利用信道信息,通過高斯函數(shù)逼近接收

18、機輸出的判決變量分布的譯碼方法,內容,分集技術 分集接收原理 分集合并性能分析與比較 數(shù)字化移動通信系統(tǒng)的分集信能 RAKE 接收 信道編碼與交織技術 信道編碼的基本原理 信道編碼的類型 卷積編碼 交織 TURBO編碼 均衡技術 均衡原理 自適應技術 均衡在蜂窩系統(tǒng)的應用,4.4 均衡技術,概念:對移動信道特性進行均衡,矯正信道傳輸函數(shù)使其滿足無失真?zhèn)鬏敆l件。 目標:抵消信道的時變,多徑傳播特性引起的碼間串擾,消除信道的頻率選擇性和時間選擇性。 分類:頻域均衡校正幅頻特性和群延時,模擬通信 時域均衡使沖擊響應無碼間串擾,數(shù)字通信 應用:信號不可分離多徑,時延擴展足夠大。 抗時變性:自適應參數(shù)調

19、整自適應均衡,4.3.1 時域均衡原理,Nyquist第一準則, 理想傳輸,信道失真 均衡:利用信道均衡器使總的脈沖響應函數(shù)接近理想狀態(tài),消除非理想信道引起的碼間串擾。 實現(xiàn)方法:橫向濾波器,調節(jié)權系數(shù)使其它時刻的信號在分析時為零。,均衡準則與分類,均衡準則-“估計”問題系數(shù)收斂 最小峰值失真準則, 使干擾的峰值最小 最小均方誤差準則, 估值的誤差均方值最小 分類:,4.4.2 自適應均衡器時變?yōu)V波器,動態(tài)調整濾波器的特性和參數(shù),使其能跟蹤信道的變化. 自適應均衡算法 自適應均衡器工作狀態(tài):訓練方式自適應均衡工作狀態(tài)和跟蹤方式自適應均衡狀態(tài)。在訓練方式工作狀態(tài),發(fā)送已知的測試序列啟動均衡器并使之迅速收斂,完成抽頭系數(shù)加權的初始化。跟蹤方式工作狀態(tài),均衡器直接利用通信中傳輸?shù)臄?shù)字信號的判決形成誤差信號,并依據(jù)自適應算法跟蹤調節(jié)抽頭系數(shù)。因此它能自動適應信道的隨機變化,保持在最佳均衡準則下的信道均衡。,最小均方誤差算法(LMS) 遞歸最小二乘算法(RLS) 快速遞歸最小二乘算法 (F-RLS) 平方根遞歸最小二乘算法 (SR-RLS),梯度遞歸最

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