西安电子科技大学移动通信课件_第7章-抗衰落技术

无线通信原理与技术第七章抗衰落技术主要内容缓解衰落影响的措施总结分集（Diversity）交织（Interleaving)均衡（Equalization）大尺度衰落和小尺度衰落的缓解措施信道施加的影响受影响的系统指标缓解措施阴影衰落接收信号强度衰落余量——增加发射功率或减小小区半径小尺度衰落误比特率误包率差错控制编码交织跳频分集多径时延扩展码间干扰（不可减轻错误）均衡DS扩频OFDM定向天线相互独立的衰落实现1右图显示了接收端设置两部天线时，当天线距离足够远的情况下，就同一发射信号而言，它们分别接收到的信号的信噪比在小尺度上的变化情况。相互独立的衰落实现2我们注意到，这两个接收信号的信噪比变化是基本不相关的。也就是说，信道对由不同天线捕捉到的两个接收信号的影响是相互独立的，它们同时经历深衰落的可能性非常的小。因此，哪怕我们只是选择信噪比高的那个信号用于解调，这样得到的总的接收信号也将具有比使用单个接收天线时的接收信号更好的平均信噪比，这必将有利于提高接收性能。经选择后得到的接收信号分集的概念分集主要是信号接收时的概念，用来对抗小尺度衰落所引起的包络起伏变化。分集接收机可以获取由同一发送信号形成的不同分集支路，各支路信号的包络（幅度）不具有相关性，从而就可以通过对它们进行一定的处理来提升接收信噪比，从而改善接收质量。（分集）分：集：同样的发送信息1号支路信号2号支路信号3号支路信号支路1支路2支路3各支路信号不相关1号支路信号2号支路信号3号支路信号合成信号合成信号将具有更高的平均信噪比选择或线性合并“分”的方式1首先是如何“分”的问题。可以“明分”、也可以“暗分”，所谓“明分”是指不同分集支路以明显的方式获取，分集支路的区分是显而易见的，我们称之为“显分集”；所谓“暗分”是指不同分集支路以隐含的方式获取，分集支路的区分不是显而易见的。我们称之为“隐分集”。“分”的方式2按分集支路的不同获取方式可以将显分集分为以下类型：空间分集（天线分集）极化分集频率分集时间分集等等分集类型空间分集极化分集频率分集时间分集1.分集支路彼此间相距一定距离的多部接收天线两部接收天线：一部垂直极化天线、一部水平极化天线调制有同一发送信息的不同载波先、后发送的调制有同一发送信息的同一已调信号2.不相关条件天线彼此间距大于半个波长天线极化特性不同不同载频间距都大于BC发送时间间隔大于TC3.特点多部天线和距离条件均对其应用形成制约作用两部天线可以设置于同一位置，但有3dB功率损失同时多个载频发送，需要更大发射的功率同一信息在不同时间发送会降低数据速率“集”的方式——合并方式对来自不同分集支路的信号进行处理的目的是提高合成信号的平均信噪比，理论上有效的“集”的方式分为选择式和线性合并式。前者采用多部接收机连续监测各支路信噪比，选取任何时刻具最大信噪比的支路加以输出。由于总的接收信号来自于不同的支路，所以也可以认为发生了“合并”，故也称之为“选择式合并”(SelectionCombining)。我们将所有的“集”的方式都称为合并方式。选择合并选择合并是一种最简单的分集合并技术。选择合并由m个解调器进行m条支路的解调，各支路的增益可被控制以实现各支路的平均SNR相等，瞬时SNR最高的支路被连接到解调器，实际中一般采用（S+N）/N最大的支路选择方式的实现——扫描分集选择合并要求为每部天线设置一部接收机，并且实时测量所有支路的信噪比，这实际上不够现实，一般采用更易实现的扫描分集来实现支路的选择。后者的优点是只需一部接收机。扫描分集原理1扫描分集原理2进行扫描分集时，在信噪比门限设定以后，关键在于如何进行支路转换控制。有一种控制策略叫做“转换并停留”的方式，即当当前支路不满足门限信噪比时就进行扫描，找到下一个满足门限要求的支路后，就在该支路上持续停留进行接收，直至该支路又不满足要求后再次启动扫描。扫描分集原理3“转换停留（SwitchandStayCombining）”扫描分集：线性合并方式最大比值合并（MaximalRatioCombining）等增益合并（EqualGainCombing）等增益合并（EqualGainCombing）：各支路增益都相等（即G1=G2=……=Gm）的线性合并方式称作等增益合并。合并增益假定各支路经历相互独立的瑞利衰落，并具有相等的平均输入信噪比。则各种合并方式的合并后平均输出信噪比和支路平均信噪比的比值称作合并增益。即。分集支路数目相同时，三种基本合并方式（选择、等增益、最大比值）的合并增益的关系为：GMRCGEGCGSCMCG发送分集交织的概念交织用于对抗深衰落引起的突发错误。通过发送端的交织处理和接收端的解交织（简称解织）处理，可以将信道引起的突发错误（连续的若干比特的错误）分散为零星的随机错误，以保证差错状况被基本限定在纠错译码器的纠错能力范围之内，从而得以有效地纠正。编码器交织器调制器译码器解织器解调器信道信源比特恢复出的信源比特发送端：交织器位于编码器之后，调制器之前；接收端：解织器位于解调器之后，译码器之前。交织原理1交织原理2可以指出，在上述交织方式下，交织矩阵的列数n与系统所采用的纠错编码方案有关，而不同的纠错方案的纠检错能力可能是不同的，应根据系统需要加以选；交织矩阵的行数d与信道衰落情况有关——即，若信道的平均衰落持续时间越长，则深衰落引起的突发错误所涉及的比特数将越多，d就应该选得更大一些，以保证经过“交织→信道→解织”过程后，对突发错误的分散作用。此外，需要注意，交织处理并不引入冗余比特（而纠错编码将会引入冗余比特！），但交织、解织过程会带来处理时延，对于语音传输而言，应适当控制时延。(b)图的错误情况为信道引起5个比特的突发错误，则解织以后的输出为：123456789101112131415161718192021222324更一般地，任何长度小于n的突发错误经解织后输出时，将转化为单个错误，相互之间至少由d-1个比特隔开。(c)图的错误情况为信道引起9个比特的突发错误，则解织以后的输出为：123456789101112131415161718192021222324更一般地，任何长度等于bn的突发错误，此处b1，经解织后输出时，突发错误的长度将不超过b个比特，每个输出突发错误与其余相邻突发之间至少由d－b－1个比特隔开。(d)图的错误情况为信道引起周期性的单个错误，周期正好等于n，则解织以后的输出为：123456789101112131415161718192021222324这时，经解织后输出时，错误将转化为长度为d的突发错误。交织器的时延对于交织器，当最后一列第一个比特写入后才能开始“按行读出”，所以确切的交织器延迟为[d(n－1)+1]TS；类似地，解织器延迟为[n(d－1)+1]TS。所以交织器和解织器带来的总的延迟时间为：[2nd－(n+d)+2]TS。当交织矩阵规模较大时，延迟时间大约为2ndTS。均衡的概念用于克服时间色散引起的码间干扰，减轻或消除由于信号失真所造成的“不可减轻错误”。均衡原理发收基带等效复冲激响应均衡器的输入等于：其中，nb(t)为等效基带噪声。设均衡器的基带复冲激响应为heq(t)，则均衡器的输出为：()()()()bytxtftnt()()()()()()()()()()()()eqeqbeqbeqdtythtxtfthtnthtxtgtntht可能发生噪声增强作用为了使就要求g(t)为：即在频域要求满足：均衡器实际上是传输信道的反向滤波器。对于频率选择性信道，均衡器将增强频率衰减大的频谱部分而削弱频率衰减小的频谱部分，以使得频谱响应的各部分趋于平坦。同时使得相位响应趋于线性。)t(x)t(d)t()t(h)t(f)t(geq1)f(F)f(Heq而实际的移动无线信道都是时变信道，自适应均衡器通过跟踪信道变化来使得上述频域特性得到近似地满足。常见的实现方法：无线通信中，由于信道是未知且时变的。要按上述原理实现均衡首先就必须解决如何获取信道的冲激响应的问题（“变未知为已知”），这叫作信道估计，通常通过发送端发送已知序列（称作“训练序列”），接收端通过对训练序列的接收来对信道的冲激响应作出估计。而时变问题则可以通过在“足够短”的时间间隔内重复发送训练序列来解决，也就是说，通过一定时间间隔（这个间隔大于信道的相干时间）内对信道的重新估计来调整均衡器的冲激响应，以适应信道的时变性，保证均衡的有效性。横向滤波器结构的均衡器