抗衰落技术无线通信讲义(1)

1、清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .1 无线通信工程无线通信工程 姚彦教授姚彦教授 清华大学微波与数字通信国家重点实验室清华大学微波与数字通信国家重点实验室 20042004年年9-129-12月月 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .2 第第0808讲：抗衰落技术（讲：抗衰落技术（2 2） 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .3 均衡技术均衡技术 瑞克技术瑞克技术 交织编码技术交织编码技术 空时编码技术空时编码技术 清华大学 微波与数字通信技术国家重

2、点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .4 均衡技术均衡技术 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .5 抗色散原理抗色散原理 假定无线传播信道是没有色散的，则发送滤波器和接假定无线传播信道是没有色散的，则发送滤波器和接 收滤波器应该满足收滤波器应该满足奈奎斯特第一准则及匹配滤波准则。奈奎斯特第一准则及匹配滤波准则。 这时在这时在AMGNAMGN信道上的误码性能可以最佳。信道上的误码性能可以最佳。 如果无线传播信道存在色散，则由发送滤波器和传播如果无线传播信道存在色散，则由发送滤波器和传播 信道构成一个发送端的综合滤波器，就破坏了奈奎斯信道

3、构成一个发送端的综合滤波器，就破坏了奈奎斯 特第一准则及匹配滤波准则，使误码性能严重恶化。特第一准则及匹配滤波准则，使误码性能严重恶化。 发送发送 滤波器滤波器 无线传播无线传播 信道信道 接收接收 滤波器滤波器 相加相加 噪声噪声 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .6 抗色散原理（续）抗色散原理（续） 有色散信道的最佳接收机有色散信道的最佳接收机 发送发送 滤波器滤波器 无线色散无线色散 信道信道 匹配匹配 滤波器滤波器 相加相加 噪声噪声 抽样抽样 最大似然估计最大似然估计 （维特比算法）（维特比算法） 时钟时钟 输入数据输入数据 输出数据

4、输出数据 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .7 抗色散原理（续）抗色散原理（续） 有色散信道的最佳接收机有色散信道的最佳接收机 匹配滤波器用来动态跟踪发送滤波器和色散信道的综匹配滤波器用来动态跟踪发送滤波器和色散信道的综 合响应，使之匹配。合响应，使之匹配。 最大似然估计用来消除码间干扰。最大似然估计用来消除码间干扰。 但是，即使在采用维特比算法的情况下，最大似然估但是，即使在采用维特比算法的情况下，最大似然估 计还是十分复杂，为了消除码间干扰，也可以采用均计还是十分复杂，为了消除码间干扰，也可以采用均 衡器的方法。衡器的方法。 清华大学 微波

5、与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .8 均衡原理均衡原理 均衡器分类均衡器分类 频域均衡器，时域均衡器；频域均衡器，时域均衡器； 线性均衡器，线性均衡器，非线性均衡器非线性均衡器； 固定均衡器，自适应均衡器。固定均衡器，自适应均衡器。 均衡器实现方法均衡器实现方法 中频均衡器；中频均衡器； 基带均衡器。基带均衡器。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .9 均衡原理（续）均衡原理（续） 均衡器频域表达：均衡器频域表达： 信道信道时域响应时域响应f(t)f(t)，均衡器时域响应均衡器时域响应h heq eq(t) (

6、t)，希望均衡希望均衡 后的信道响应为：后的信道响应为： g(t)=fg(t)=f* *(t)(t) h heq eq(t)= (t)= (t)(t) 就有：就有： H Heq eq(f)F (f)F* *(-f)=1(-f)=1 H Heq eq(f) (f)为均衡器频域响应，为均衡器频域响应，F(f)F(f)为信道频域响应。为信道频域响应。 均衡器是传输信道的均衡器是传输信道的逆滤波器；逆滤波器； 由于传输信道的时变性，均衡器必需是参数可变的自适由于传输信道的时变性，均衡器必需是参数可变的自适 应均衡器；应均衡器； 均衡器的效果是补偿信道的均衡器的效果是补偿信道的频率选择性，使衰落趋于平频

7、率选择性，使衰落趋于平 坦、相位趋于线性。均衡器不能抵销平衰落。坦、相位趋于线性。均衡器不能抵销平衰落。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .10 均衡原理（续）均衡原理（续） 均衡效果均衡效果 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .11 频域频域均衡器均衡器 频域均衡器一般在中频上实现。频域均衡器一般在中频上实现。 举例：中频幅度倾斜均衡器举例：中频幅度倾斜均衡器 幅度倾斜幅度倾斜 校正网络校正网络 f f1 1 f f2 2 检波检波检波检波 差分放大器差分放大器 中频输入中频输入 中频输出中频输

8、出 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .12 频域频域均衡器（续）均衡器（续） f f1 1f f2 2 f f 功率功率 幅度倾斜均衡器工作示意图幅度倾斜均衡器工作示意图 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .13 时域均衡器（时域均衡器（1 1）：）：线性均衡器线性均衡器 横向滤波均衡器；横向滤波均衡器； 适用于适用于衰落深度不是很大的情况。均衡器对衰落深度不是很大的情况。均衡器对 深衰落的频谱及邻近频谱产生很大增益，从深衰落的频谱及邻近频谱产生很大增益，从 而增加噪声。而增加噪声。 结构简单结构

9、简单。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .14 时域均衡器（时域均衡器（1 1）：）：线性均衡器（续）线性均衡器（续） 横向滤波均衡器原理框图横向滤波均衡器原理框图 TT TT C1C2 C3CN 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .15 时域均衡器（时域均衡器（2 2）：）：非线性均衡器非线性均衡器 适适用于衰落深度很大的情况。但算法相用于衰落深度很大的情况。但算法相 对复杂，且稳定性差和收敛时间长。对复杂，且稳定性差和收敛时间长。 判决反馈均衡器（判决反馈均衡器（DFEDFE）；）； 最大似然

10、符号检测（最大似然符号检测（MLML）；）； 最大似然序列检测（最大似然序列检测（MLSEMLSE）。）。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .16 时域均衡器（时域均衡器（2 2）：）：非线性均衡器（续）非线性均衡器（续） 判决反馈均衡器原理框图判决反馈均衡器原理框图 TTTT C1 D 判决判决 C2C3CN C1 C2C3 D D 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .17 均衡器算法均衡器算法性能性能 算法性能参数：算法性能参数： 收敛速度：算法进入稳定的迭代次数，即收收敛速度：算法进入稳定的

11、迭代次数，即收 敛时间；敛时间； 失调：滤波器均方差与最优的最小均方差的失调：滤波器均方差与最优的最小均方差的 差距；差距； 计算复杂度：完成迭代的计算复杂度：完成迭代的运算次数；运算次数； 数值特性：算法用数字逻辑实现时，由于计数值特性：算法用数字逻辑实现时，由于计 算引起的误差算引起的误差，影响算法稳定性。影响算法稳定性。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .18 均衡器算法均衡器算法分类分类 迫零算法；迫零算法； 最小均方算法；最小均方算法； 递归最小二乘算法；递归最小二乘算法； 其它算法。其它算法。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实

12、验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .19 迫零算法迫零算法 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出响应调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出响应 完全消除码间串扰，即除中心点外，其它抽样完全消除码间串扰，即除中心点外，其它抽样 点的数值全部为点的数值全部为0 0。 特点：简单，均衡效果较好。特点：简单，均衡效果较好。 缺点：没有考虑噪声的影响，在深衰落的频率缺点：没有考虑噪声的影响，在深衰落的频率 点处，会出现很大的噪声增益。点处，会出现很大的噪声增益。 因此，不太适用于在无线信道。因此，不太适用于在无线信道。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信

13、工程 .20 最小均方算法最小均方算法 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的期调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的期 望值和实际值之间的均方误差最小。望值和实际值之间的均方误差最小。 特点：是一种最简单的均衡算法。算法的稳定特点：是一种最简单的均衡算法。算法的稳定 性好。性好。 缺点：收敛速度不高，均衡能力有限。缺点：收敛速度不高，均衡能力有限。 在无线中适用于较慢的、不太深的衰落。在无线中适用于较慢的、不太深的衰落。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .21 递归最小二乘算法递归最小二乘算法 调整抽头系数，使信道和均衡器综合输出的累调整抽头

14、系数，使信道和均衡器综合输出的累 计平方误差最小。计平方误差最小。 特点：收敛速度快，跟踪性能好。特点：收敛速度快，跟踪性能好。 缺点：算法较复杂，还要较好的考虑稳定性问缺点：算法较复杂，还要较好的考虑稳定性问 题。题。 在无线中适用于快衰落信道。在无线中适用于快衰落信道。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .22 瑞克技术瑞克技术 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .23 什么叫瑞克（什么叫瑞克（Rake）技术）技术 抗多径技术的回顾：抗多径技术的回顾： 时域均衡适合于信号不可分离多径的场合，在接

15、收端解决符号间时域均衡适合于信号不可分离多径的场合，在接收端解决符号间 干扰问题。干扰问题。 一般分集适合于能建立多个相互独立的路径，在接收端进行最佳一般分集适合于能建立多个相互独立的路径，在接收端进行最佳 合并。合并。 瑞克技术既不同于均衡，也不同于分集，它由多径分离和多径合瑞克技术既不同于均衡，也不同于分集，它由多径分离和多径合 并两部分组成。并两部分组成。 瑞克的概念是由瑞克的概念是由R.PriceR.Price和和P.E.GreenP.E.Green在在19581958年的文章年的文章“多径信道中多径信道中 的一种通信技术的一种通信技术”中提出来的。他们提出了在为高频段设计的设备中提出

16、来的。他们提出了在为高频段设计的设备 应用瑞克概念的实现方法。应用瑞克概念的实现方法。 RakeRake的中文意思是：耙子，表明瑞克接收的过程相当于用一个钉耙的中文意思是：耙子，表明瑞克接收的过程相当于用一个钉耙 将各个多径信号将各个多径信号“耙耙”出来，然后加以收集。出来，然后加以收集。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .24 多径信号的分离多径信号的分离 扩频调制及其自相关扩频调制及其自相关 考虑一个被码片周期为考虑一个被码片周期为t tC C的的PNPN码码C(t)C(t)调制的扩频信号：调制的扩频信号： 此信号的自相关函数为：此信号的自

17、相关函数为： 其中其中R Rc c( ( ) )为为PNPN序列的自相关函数。序列的自相关函数。 tcostCtm 0 0c 00 m cos 2 1 R tcostCtcostCE tmtmR Rc( ) Rc(0) 0 tC -tC 00cc t,t /10RR 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .25 多径信号的分离（续）多径信号的分离（续） 多径信号的相关分离多径信号的相关分离 考虑一个具有考虑一个具有n n条路径的扩频多径信号：条路径的扩频多径信号： 此信号和扩频信号的本地码此信号和扩频信号的本地码z zk k=z(t-kt=z(t-k

18、tC C) )进行相关运算，得到：进行相关运算，得到： 如果对某些如果对某些n n（记为（记为n n1 1），存在某个），存在某个 n1 n1使得 使得 ，就有：，就有： n0 f2j n nn etztZ cn n z j n n c j nnk ktRe kttzetzzZ n0 n0 0kt /10Re00 ktRezZ cnz j n cnz n j nk 1 1 n0 1 n0 1kt / cn1 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .26 多径信号的分离（续）多径信号的分离（续） n k zZ k =ktc k+1 k+2 k-1 k-

19、2 假设最大延时扩展为假设最大延时扩展为Tm,则可以分离出的多径数为：则可以分离出的多径数为： L Tm / tc，相当于采用了，相当于采用了L重分集。重分集。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .27 多径信号的合并多径信号的合并 在瑞克接收过程中，多径信号的合并方法和分集接收过程的方法在瑞克接收过程中，多径信号的合并方法和分集接收过程的方法 相同，如：最大比合并等。相同，如：最大比合并等。 下面讨论一下瑞克接收的工作过程。下面讨论一下瑞克接收的工作过程。 多径信道多径信道 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无

20、线通信工程 .28 瑞克接收机构造瑞克接收机构造 下面介绍下面介绍PricePrice和和GreenGreen提出的瑞克接收机。提出的瑞克接收机。 扩频采用扩频采用PNPN序列，调制采用正交的二进制序列，调制采用正交的二进制FSKFSK： 经过多径传播，接收信号为：经过多径传播，接收信号为： 时1当符号为, tf2costPNtm 时0当符号为, tf2costPNtm b1 a0 时1当符号 为,tmtsts 时0当符号 为,tmtsts n n1n1 n n0n0 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .29 瑞克接收机构造（续）瑞克接收机构造（

21、续） 插头延时线的输出：插头延时线的输出： 时1当符号 为,kttmkttsktts 时0当符号 为,kttmkttsktts n cn1nc1c n cn0nc0c 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .30 瑞克接收机构造（续）瑞克接收机构造（续） m m0 0(t)(t)和和m m1 1(t)(t)的自相关为：的自相关为： m m0 0(t)(t)和和m m1 1(t)(t)的互相关为：的互相关为： bPN11m aPN aa00m f2cos 2 1 RtmtmR f2cos 2 1 R tf2costf2costPNtPNtmtmR 1

22、0 00R tf2costf2costPNtPNtmtmR PN ba10mm 10 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .31 瑞克接收机构造（续）瑞克接收机构造（续） 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .32 瑞克接收机构造（续）瑞克接收机构造（续） 前面的框图采用了先合并，后相关的方法。下面说明它们的等效性。图中的求前面的框图采用了先合并，后相关的方法。下面说明它们的等效性。图中的求 和可以表示为：和可以表示为： 这个和项分别和这个和项分别和m m0 0(t)(t)及及m m1 1(t)(t)进

23、行相关，得到：进行相关，得到： 由于线性处理，也可以在合并前先分离多径：由于线性处理，也可以在合并前先分离多径： 分别对两种符号进行加权合并，得到：分别对两种符号进行加权合并，得到： kkn cninkck 1 , 0i,kttmktts ji,0 ji,0R 2 1 kttmtmkttstmk PNnk kn cnijnk k ckj ij, 0 ij,0R 2 1 kttmtmkttstmZ PNk n cninjcjjk k k1k k 1k0k0 ,ZZ,ZZ 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .33 IS-95IS-95中的瑞克技术中的

24、瑞克技术 在在IS-95IS-95中，前向链路采用中，前向链路采用“三指三指”瑞克接收机，而反向链瑞克接收机，而反向链 路则用一个路则用一个“四指四指”瑞克接收机。瑞克接收机。 IS-95IS-95瑞克接收机可以用于分集接收或切换。瑞克接收机可以用于分集接收或切换。 在在IS-95IS-95中，对多径参数的检测与测量是由中，对多径参数的检测与测量是由“搜索接收机搜索接收机” 完成的，采用的是确定哪些径存在并对它们处理的方法。完成的，采用的是确定哪些径存在并对它们处理的方法。 IS-95IS-95中中1.2288MHz1.2288MHz的的PNPN码片速率使得最小的可分辨多径间码片速率使得最小的

25、可分辨多径间 隔为隔为(1.2288(1.2288 10106 6) )-1 -1 =814 =814 10109 9=0.814=0.814 s s。 在反向链路，基站接收机用在反向链路，基站接收机用I/Q PNI/Q PN码与接收信号相乘以区码与接收信号相乘以区 分属于该基站的用户。在呼叫进行中，搜索接收机可以监分属于该基站的用户。在呼叫进行中，搜索接收机可以监 测多径信号的强度并实现分集合并。测多径信号的强度并实现分集合并。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .34 交织编码技术交织编码技术 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第0

26、8讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .35 交织原理交织原理 突发误码区突发误码区 分组输入分组输入 分组输出分组输出 交织交织 去交织去交织 发端信息发端信息 收端信息收端信息 传输码流传输码流 Ti Td 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .36 交织原理（续）交织原理（续） 将传输的码流截取长度为Td的一段，进行时隙重组， 只要Td大于信道的相干时间，则在Td内的每一个码元 其幅度和相位在衰落过程中是相互独立的。这种通过 重组时隙以获得时间分集的方法称为交织。 交织的总长度Ti称为交织深度。 交织一般和信道编码一起考虑。 交织对于移动通信克服

27、快衰落及突发干扰有很好的效 果。 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .37 交织实现：分组交织交织实现：分组交织 X1 X2 X3 X4 XJ XJ 1 X2J 1 X(I-1)J+1 XIJ X1 X2 X3 X4 XJ XJ 1 X2J 1 X(I-1)J+1 XIJ J列列 J列列 I行行 I行行 输入输入 输出输出 输出至信道输出至信道 来自信道输入来自信道输入 X1 X2 X3 交织交织 去交织去交织 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .38 交织实现：卷积交织交织实现：卷积交织 选择开关

28、选择开关 选择开关选择开关 J 2J 3J (I-2)J (I-1)J 去信道去信道 输入输入 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .39 交织实现：交织与编码组合交织实现：交织与编码组合 纠错编码纠错编码 纠错译码纠错译码 交织交织去交织去交织无线信道无线信道 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .40 交织效果：对抗深度衰落交织效果：对抗深度衰落 R 接收场强接收场强 持续时间持续时间深度衰落深度衰落 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .41 交织效果

29、：对抗突发干扰交织效果：对抗突发干扰 接收信号接收信号 突发干扰突发干扰 接收码流接收码流 突发误码突发误码 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .42 空时编码技术空时编码技术 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .43 空时编码采用空时编码采用MIMOMIMO技术技术 MIMOMIMO可以被简单的定义为一个在发送端和接收可以被简单的定义为一个在发送端和接收 端都采用多天线的链路系统端都采用多天线的链路系统 Tx Rx MIMO Channel H H 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第0

30、8讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .44 MIMO的好处的好处 提高信道容量提高信道容量 提高传输质量提高传输质量 技术：智能天线，空时码，等技术：智能天线，空时码，等 提高传输速率提高传输速率 技术：技术：BLASTBLAST 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .45 MIMOMIMO下的信道容量下的信道容量 信道容量的定义信道容量的定义 单位带宽单位时间内所能传送的最大信息量单位带宽单位时间内所能传送的最大信息量 （以任意小的错误概率）（以任意小的错误概率）（bits/s/Hzbits/s/Hz） 单天线信道：单天线信道： 其中其中 代表信噪

31、比。代表信噪比。 1log/ 2 WC 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .46 MIMOMIMO下的信道容量下的信道容量 假定发送天线数为假定发送天线数为m m，接收天线数为，接收天线数为n n，在瑞利信道的，在瑞利信道的 条件下，信道容量可以表示成：条件下，信道容量可以表示成： 在发送和接收端同时采用多天线可使容量线性增长！在发送和接收端同时采用多天线可使容量线性增长！ 1logn,mminW/C 2 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .47 提高传输质量方案提高传输质量方案 通过将多个数据流进

32、行联合编码对抗信道衰落，通过将多个数据流进行联合编码对抗信道衰落， 降低误码率降低误码率 每根发送天线所发送的都是同一个信号经过不每根发送天线所发送的都是同一个信号经过不 同或相同编码后的样本同或相同编码后的样本 Space-Time Trellis Code (STTC)Space-Time Trellis Code (STTC) Space-Time Block Code (STBC)Space-Time Block Code (STBC) 清华大学 微波与数字通信技术国家重点实验室 第08讲 抗衰落(2) 无线通信工程 .48 空时码用于抗衰落的一个例子空时码用于抗衰落的一个例子 AlamoutiAlamouti码码 这是一种空时分组码（这是一种空时分组码（STBCSTBC） 采用二个发送天线，一个接收天线采用二个发送天线，一个接收天线 实际上是一种空