第四章 现代无线通信信号处理技术

第四章现代无线通信信号处理技术近20年来，随着现代无线通信技术的发展,人们希望通过无线方式高速率、高质量地传输信息。由于无线信道是开放时变信道，极易受多径干扰、多址干扰和噪声等的影响。要利用好无线信道，必需针对无线信道的弱点研发新的信号处理技术。本章首先介绍无线信道的特点、噪声与无线电通信干扰，然后介绍自适应均衡技术、多用户检测技术和宽带无线通信信号处理技术，最后讨论无线通信系统中的电磁兼容技术。4.1无线信道的特点1.无线信道的主要特点有线信道可建模为加性高斯白噪声（AGWN）和线性滤波器信道（LinearFilterChannel），信号通过有线信道后的接收信号分别为)()()(tntsty(无限带宽理想信道))()()()(tnthtsty(有限带宽恒参信道))()()(tndth上式中，α是信道的衰减因子；h（t）是信道的冲激响应。有线信道是封闭信道。无线信道可建模为线性时变滤波器信道（LinearTime-VariantFilterChannel），信号通过无线信道后的接收信号为)(),()()(tnthtsty)()();(tndtsth对多径信道LKkktath1)()();(LKkktntstaty1)()()()(无线信道的主要特点是:开放信道，极易受干扰和噪声的影响；无线信道接收点地理环境复杂，多样；无线通信用户可能慢速步行，亦可能高速运动。2.移动无线信道移动通信中，移动点接收到的无线电波功率为)()()(dRdsddPnr上式中，d-n是无线电波的路径损失指数；s（d）是由于无线电波传播路径上受到障碍物阻塞而引起的慢衰落；R（d）是由于多径、多普勒效应和接收天线的空间选择性引起的快衰落。路径损失指数描述大尺度区间（数百米）接收功率随距离d的变化特性。慢衰落描述中等尺度（数百个波长）范围内接收中值电平的慢变化特性。快衰落描述小尺寸区间（数个波长）范围内接收功率瞬时值的快变化特性。表4.1给出了不同环境下的路径损失指数n。表4.2给出了1.8GHz蜂窝式移动通信中典型的时延扩展、角度扩展和多普勒扩展。表4.1不同环境下的路径损失指数环境自由空间城区（蜂窝式）城市阴影区（蜂窝式）楼房（直射）楼层（被阻塞）工厂（被阻塞）路径损失指数n22.7～3.53～51.6～1.84～62～3表4.2典型环境下的扩展值地理环境时延扩展（L）角度扩展（φ）多普勒频率扩展（B）室内0.1μs360°5Hz农村0.5μs1°190Hz都市5μs20°120Hz丘陵20μs30°190Hz小区0.2μs120°10Hz理论分析表明：时延扩展的均值Δτ与相干带宽BC的关系为BC=1/2πΔτ。多普勒扩展FS与相关时间的关系为FS≈1/TC，若同时考虑时延扩展和多普勒扩展，信道特性可建模为);();();(2vSdtethvHvtj上式中，S（τ；v）被称为散射函数（ScatteringFunction）。若对某一市区，查得以上三类扩展分别为FS=120Hz，Δτ=5μs，φ=20°，则BC=1/Δτ=200KHz，TC=1/FS=83μs，RC=λ/4=360°λ/2π（20°）=3λ。可见，为了克服以上三类扩展，可分别采用不同的技术手段。克服空间选择性衰落可采用空间分集手段，但是分集接收机间的距离应大于3λ；克服频率选择性衰落可采用Rake接收方式，但是在设计Rake接收时，其频率相关区间一定要大于200KHz，才有多径分集效果；克服时间选择性衰落可采用信道交织技术，但交织区间一定要大于83μs。3.现代无线通信信号处理技术现代通信中，针对不同的信道特性，提出了不同的信号处理技术。（1）信道宽带无限，信道仅受噪声的影响，这时可采用相关接收机或匹配滤波器技术；（2）BfBfefhfhfj0)()()(若在信道带宽B内，)(fh=常数，dffd/)()2/1(=常数，则称信道为理想信道。反之，称为非理想信道。对h（f）一定的信道，可通过信号设计来消除符号间干扰ISI（IntersymbolInterference）。例如，可采用无符号干扰的带限信号设计准则（Nyquist）和具有受控ISI的带限信号设计准则（部分响应技术）；（3）若信道存在失真和噪声，且h（f）未知，则ISI是导致误码率Pe增加的主要原因。解决方案是设计一种能补偿或减少接收信号中ISI的电路（均衡器）。例如，MLSE接收（MaximumLikelihoodSequenceEstimation）、线性均匀器、判决反馈均衡器。若信道特性是时变的，信道响应随时间变化，则要求均衡器能够自动调节抽头系数（自适应均衡器）。（4）在蜂窝移动通信系统中，多址干扰（或多用户干扰或同信道干扰）是导致误码率Pe增加的主要原因，解决办法是多用户检测器（多用户检测理论）。（5）如果希望能够根据信号和干扰环境自动调节天线阵的空间辐射特性，这对减少多用户干扰和解调期望的信号是有利的，这种技术就是智能天线。（6）无线通信中同时存在码间干扰ISI和同信道干扰，均衡技术可以补偿码间干扰，但不能抑制同信道干扰，多用户检测可以抑制同信道干扰，但不能补偿码间干扰，空时二维处理可同时抑制这两种干扰。（7）空时编码（Space-TimeCoding）使用多个发射天线和接收天线，在不同无线发射信号间引入时域和空域相关，接收端进行分集接收，可获得更高的编码增益，提高无线通信系统的容量。（8）超宽无线电技术发射具有宽带频谱的超低功率无载波脉冲，脉冲宽度为10ns～1ns。采用脉冲位置调制方式，具有抗多径、抗干扰、辐射功率极低、通信容量大和穿透能力强等优点。综上所述，由于无线信道中存在各种衰落、码间干扰和多用户干扰，人们采取各种技术手段来消除它们的影响。例如，功率控制技术抗慢衰落和远近效应；信道交织技术抗时间选择性衰落；Rake接收技术抗频率选择性衰落；分集接收和分集发射抗空间选择性衰落；均衡技术和多载波技术抗码间干扰；智能天线抗多用户干扰，并有利于有用信号解调；多用户检测抗多用户干扰；空时二维处理抗码间干扰和多用户干扰；信道编码抗差错；软件无线电能解决多频段、多体制、多媒体统一化综合终端的设计。详细介绍上述技术超出了本书的范围，本书仅介绍自适应均衡技术、多用户检测技术、超宽无线电技术、智能天线和软件无线电技术。4.2噪声与干扰4.2.1噪声的分类和来源在通信系统中，除去所需要的有用信号和干扰外，其余电信号均为噪声。由于噪声是影响通信系统性能的重要因素，所以了解各类噪声的特性、产生原因及降低噪声的方法十分重要。噪声对信号的影响可分为两大类：一类是叠加在信号上面传输的，因此称之为加性噪声。加性噪声与信道内传输的信号存在着相加的关系；加性噪声是独立存在的，与信道内有无信号无关；加性噪声源于人为噪声、自然噪声和内部噪声。另一类是乘性噪声。设信道的输入信号为ui（t），输出总信号为u0（t），则)()()()(0tntutktui。上式中，n（t）为加性噪声；k（t）表示信道特性不理想，对所传输的输入信号的乘性作用。乘性噪声与加性噪声不同，加性噪声始终存在，而乘性噪声随信号的消失而消失。人们对乘性噪声的研究很少。人为噪声来源于其它无关的信号源。例如，各种用途的无线电发射机和各种电气设备（如电力线、汽车点火系统、电车、电源开关、变压器和高频电炉等）。自然噪声来源于雷电、磁暴、太阳黑子和宇宙射线等。内部噪声来源于设备本身所产生的噪声。例如，电阻等电子器件分子的热运动产生的热噪声和电子器件内部载流子的起伏变化所引起的散弹噪声等。其中，热噪声的噪声功率谱密度正比于温度、与频率无关，又称为白噪声。内部噪声波形是不规则变化的，又称起伏噪声或随机噪声。随机噪声是无法避免的，其波形不能准确预测。噪声按性质可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。单频噪声主要指无线电干扰，这种噪声的主要特点是占有极窄的频带，可采取适当措施防止。脉冲噪声可由工业中的电火花、断续电流和闪光等引起，波形呈脉冲形式，持续时间短，强度大，随机出现。通过选择工作频段可减弱脉冲噪声的影响。起伏噪声来源于热噪声、散弹噪声和宇宙噪声，它们都是不规则的随机过程，对通信的影响是最基本的。4.2.2信噪比和噪声系数噪声对信号传输的影响可用信噪比来衡量。信噪比是传输过程中同一点上信号功率与噪声功率之比nsPPNS//上式中，Ps为信号功率；Pn为噪声功率。信噪比越大，信号质量越好。由于噪声源在传输过程中处处都存在，信号不断地有新噪声叠加上去，使得信噪比不断恶化。此时，采用放大信号功率的方法，由于噪声也被同时放大，因而不能改善信噪比。要改善信噪比只有千方百计减小噪声。例如，采用低噪声元件、低噪声放大器、做好阻抗匹配、隔离、滤波、屏蔽和接地等。为了衡量信号和噪声通过线性网络后信噪比的变化，可引入噪声系数的概念。噪声系数NF定义为四端口网络输入端信噪比与输出端信噪比之比0)//()/(NSNSNiF上式中，（S/N）i为网络输入端信噪比；（S/N）0为网络输出端信噪比。由于信号通过网络时，网络内部有新的噪声叠加上去。因此，输出端信噪比总是小于输入端信噪比，噪声系数NF总是大于1。NF可用来衡量网络内部噪声的大小，是输出端信噪比相对于其输入端信噪比变坏的倍数。为了保证当传输网络或接收机电路一定时，NF也唯一确定。为此，定义NF时还必须附加下列条件：对传输网络，规定以网络的信号源内阻在室温290k时产生的热噪声作为输入噪声的标准Pns；对接收机，规定以其天线的等效电阻RA在室温290k时产生的热噪声作为输入噪声的标准Pns；NF的定义只适用于线性电路和准线性电路，即接收机检波器以前的部分。前面讨论的Pns为标准热噪声，且kBkTBPns290，k为波尔兹曼常数，B为带宽。故假设传输网络的功率增益为G、输入信号功率为Psi、输出信号功率为Ps0、输入噪声功率为Pns和输出噪声功率为Pn0，则NF等于0)//()/(NSNSNiF)//()/(00nsnssiPPPP)/(0nsnGPPnsFnPGNP0若传输网络为理想网络（内部无噪声），其输出的噪声功率为GPns。故噪声系数的严格意义是：由于实际传输网络内部噪声的结果，使放大器的输出噪声功率扩大了NF倍。NF与输入信号无关。4.2.3噪声系数的计算与理想网络比较，实际传输网络引入的噪声功率为nsFnsnGPNGPP)1(0。此噪声功率折算到网络输入端为nsFPN)1(。若网络输入端的噪声功率为Pn，则网络输入端等效噪声功率为nsFnPNP)1(，网络输入端等效信噪比为nsFnsiePNPPNS)1()(若传输网络由两级相串联，第一级和第二级增益分别为G1和G2，噪声系数为NF1和NF2。则传输网络输入端的等效噪声功率为121/)1()1(GPNPNPnsFnsFn。等效信噪比为121/)1()1()(GPNPNPPNSnsFnsFnsie与单级网络的噪声系数比较，两级网络的等效噪声系数为GNNNFFFe/)1(121同理，对于m级串联网络，等效噪声系数为mFmFFFeGGGNGNNN2121/)1(/)1(1由此可见，对多级网络，降低第一级的噪声系数是关键。在卫星通信中，经常用等效噪声温度Te来描述网络的噪声特性，它与噪声系数的关系为)1(290FeNT对于m级串联网络，等效噪声温度公式为11121//memeeeGGTGTTT4.2.4无线电通信的干扰无线电干扰指在射频（9KHz～3000GHz）频段内，可能对有用信号造成损坏的无用信号或电磁骚扰。它可能引起无线电通信系统的接收性能下降、误码或信息丢失。当干扰危害正常开展的无线电业务时，这种干扰称为有害干扰。无线电干扰通常按干扰的性质分为人为干扰和自然干扰。自然干扰来源于太阳干扰、宇宙干扰和天电干扰等，是不可控制的。人为干扰又可细分为无线电设备干扰和非