03-抗衰落技术2

1、第3章抗衰落技术 Abis A接口 MS BSS OMC-R 操作维护中心 BSC 基站 控制器 MSC 移动交换中心 BTS 基站 收发信机 BTS 基站 收发信机 BTS 基站 收发信机 MS MS Um 通过本章学习，着重解决以下问题：通过本章学习，着重解决以下问题： n分集技术 n交织编码 n均衡技术 nRake接收技术 第3章抗衰落技术 克服衰落 复习(Review) n问题问题1 1 分集有哪两层含义？分集有哪两层含义？ n问题问题2 2 合并的方式有哪几种？各自的基本思想是什么？合并的方式有哪几种？各自的基本思想是什么？ n问题问题3 3 分集是如何分类的？分集是如何分类的？ =

2、 = 如何补偿信道的多径衰落？如何补偿信道的多径衰落？ 本次课教学目的：本次课教学目的： n1、理解均衡器的均衡原理 n2、掌握均衡算法 n3、理解均衡器的实现方法 n4、掌握自适应均衡的结构、工作方式、 和各算法的性能指标 第3章抗衰落技术 n基本概念基本概念 ( (Basic Concepts)Basic Concepts) n均衡本质：产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时均衡本质：产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时 变多径传播特性引起的码间串扰。变多径传播特性引起的码间串扰。 n均衡可分为频域均衡和时域均衡均衡可分为频域均衡和时域均衡 n时域均衡：使总的冲激响应满足无码间串扰的条件

3、，多用于时域均衡：使总的冲激响应满足无码间串扰的条件，多用于 数字信道。数字信道。 n频域均衡：使总的传递函数（信道传递函数和均衡器传递函频域均衡：使总的传递函数（信道传递函数和均衡器传递函 数）满足无失真传输函数的条件，多用于模拟通信。数）满足无失真传输函数的条件，多用于模拟通信。 n自适应均衡器自适应均衡器 n两种工作模式两种工作模式: :训练模式和跟踪模式。训练模式和跟踪模式。 n为了保证能有效地消除码间串扰，需要周期性地作重复训练。为了保证能有效地消除码间串扰，需要周期性地作重复训练。 n均衡器常被放在接收机的基带或中频部分实现均衡器常被放在接收机的基带或中频部分实现 3.3.1 均衡

4、基础 (Fundamentals of Equalization) 3.3.1 均衡基础 n应用例子应用例子 ( (An Application Example)An Application Example) n通信系统结构框图中的自适应均衡器通信系统结构框图中的自适应均衡器 n框图框图 3 3.3.2 均衡原理（1） n通信系统结构框图中的自适应均衡器通信系统结构框图中的自适应均衡器 n理论分析理论分析 均衡器的期望输出值为原始信息x(t )。则h(t )必须满足下 式： )()()()(tthtfth eq （1） 均衡器的目的就是实现式(1)，其频域表达式如下： 1)()(fFfH eq

5、 （2） 发送滤 波器 信 道 接收滤 波器 均衡 器 x(t)f(t)z(t) f(t) h(t) heq(t) 3.3.2 均衡原理（2） n通信系统结构框图中的自适应均衡器通信系统结构框图中的自适应均衡器 n理论分析理论分析 式（式（2 ）的物理意义：将经过信道后的信号中频率衰落大的）的物理意义：将经过信道后的信号中频率衰落大的 频谱部分进行增强，衰落小的部分进行削弱，以使所收到频谱的频谱部分进行增强，衰落小的部分进行削弱，以使所收到频谱的 各部分衰落趋于平坦，相位趋于线性。各部分衰落趋于平坦，相位趋于线性。 = = 均衡器实际上是传输信道的反向滤波器均衡器实际上是传输信道的反向滤波器。

6、 由于理想基带传输系统是按由于理想基带传输系统是按Nyquist第一准则建立，其发送和第一准则建立，其发送和 接收滤波的传输函数是以接收滤波的传输函数是以Nyquist取样频率取样频率fs为中心的的对称滚降为中心的的对称滚降 函数。所以理想信道的冲击响应是函数。所以理想信道的冲击响应是h(t)h(t)，非理想（失真）信道的冲非理想（失真）信道的冲 击响应是击响应是f(t)f(t) ，见下页图见下页图3.2。 n原理说明原理说明 n信道失真和信道均衡信道失真和信道均衡 nh（t）为理想的冲激响应为理想的冲激响应, ,在在Nyquist取样时刻，取样时刻，h（kTn）=0 （k0）。）。 nf（t

7、）在在Nyquist取样时刻，取样时刻，f（kTn）0（k 0），），从而形成码从而形成码 间串扰。间串扰。 时域均衡的目的就是使经过均衡器的总冲激响应趋近时域均衡的目的就是使经过均衡器的总冲激响应趋近h（t），）， 以到达消除非理想信道引起的码间串扰。以到达消除非理想信道引起的码间串扰。 3.3.2 均衡原理 （3） h（t） f（t） t f0 f1 f-1 f-2 f2 图图3.2 3.3.3 均衡算法 （1） n原理说明原理说明 n 时域均衡时域均衡 若若f（t）是均衡器接收信号的脉冲响应，而是均衡器接收信号的脉冲响应，而z（t）是经过均衡是经过均衡 器输出的总脉冲响应，则有：器输出的

8、总脉冲响应，则有： t eq dthftz 0 )()()( （3） 其中，其中，heq（t）是均衡器的脉冲响应。若令是均衡器的脉冲响应。若令heq（t）为：为： N Nk keq kTtCth)()( （4） 其中其中T=1/fT=1/fN N，f fN N为为Nyquist取样频率，取样频率，C Ck k为加权系数。所以总脉冲响为加权系数。所以总脉冲响 应可写为：应可写为： N Nk k kTtfCtz)()( （5） 3.3.3 均衡算法 （2） n原理说明原理说明 n 时域均衡时域均衡 可见，引入均衡器后，输出波形可见，引入均衡器后，输出波形z（t）为输入波形为输入波形f（t）经过经过

9、 2N+1个不同时延的加权和。当个不同时延的加权和。当t=nT时，有时，有 N Nk k TknfCnTz)()( （7） 或简写为或简写为 N Nk knkn fCz 式中式中f fn-k n-k表示以 表示以n n为中心前后第为中心前后第k k个符号在取样时刻个符号在取样时刻t=nTt=nT时对第时对第n n 个符号造成的码间串扰。所以均衡的过程就是调节加权系数个符号造成的码间串扰。所以均衡的过程就是调节加权系数C Ck k(k=0)(k=0) 使下式成立。使下式成立。 0 0 N k Nk knkn fCz （8） （6） 3.3.3 均衡算法 （3） n原理说明原理说明 n 时域均衡时

10、域均衡 若用横向滤波器实现均若用横向滤波器实现均 衡器，则如右图所示：衡器，则如右图所示： 问题：（问题：（1 1）如何产生系数序列如何产生系数序列Ck？ = =均衡器的主要工作，即各种均衡算法。均衡器的主要工作，即各种均衡算法。 （2 2）如何使得如何使得Ck随信道变化而变化随信道变化而变化？ = =自适应均衡算法。自适应均衡算法。 yk k d 图图3.4 3.3.3 均衡算法 （4） n均衡准则与算法均衡准则与算法( Equalization Criterions and Algorithms) n均衡算法：调节加权系数以实现均衡的方法 n均衡准则：根据符号间干扰为最小来获得加权系数Ck

11、 n最小峰值失真准则：最小峰值失真准则：使干扰的峰值最小，消除取样点的符号干 扰。 n最小均方误差准则：最小均方误差准则：使均衡器期望输出值dk与实际输出值 的误差ek=dk- 的均方值最小，使输出趋于理想的响应。 n常常最小均方（最小均方（LMS）算法通过下列叠代操作来寻找最优算法通过下列叠代操作来寻找最优 的或接近最优的加权值：的或接近最优的加权值： k d k d 新权重新权重= =原先权重原先权重 + + 常数常数* *预测误差预测误差* *当前输入向量当前输入向量 其中其中 预测误差预测误差= =期望输出值期望输出值 - - 实际预测输出值实际预测输出值 3.3.4 均衡技术分类 (

12、Survey of Equalization Techniques) n均衡技术分类均衡技术分类 n按均衡器传递函数分为按均衡器传递函数分为 n线性均衡线性均衡 n非线性均衡非线性均衡 n按按均衡均衡器结构分为器结构分为 n横向横向 n格型格型 n横向信道预测横向信道预测 n按按均衡均衡器权重更新依据器权重更新依据 nLMS:最小均方误差算法最小均方误差算法 nRLS：递推最小二乘：递推最小二乘算法算法 n均衡器分类图示（下页）均衡器分类图示（下页） 图图 3.5 均衡器分类图均衡器分类图 Equalizer LinearNon-linear Transfer Function Transve

13、rsalLattice Gradient RLS Zero Forcing LMS RLS Fast RLS Mean Square RLS DFEML Symbol DetectionMLSE TransversalLattice Transversal Channel Predication LMS RLS Fast RLS Mean Square RLS Gradient RLS LMS RLS Fast RLS Mean Square RLS Filter Structure Algorithms Weight Update Basis 3.3.4 均衡技术分类 (Survey of

14、Equalization Techniques) 3.3.4 均衡技术 （1） (Equalization Techniques) n线性均衡线性均衡 n概念：均衡器的输出概念：均衡器的输出 未应用于均衡器的反馈逻辑中未应用于均衡器的反馈逻辑中 n线性均衡器线性均衡器 n形式：横向滤波器或格型滤波器形式：横向滤波器或格型滤波器 n优点优点 n数值稳定性好数值稳定性好 n复杂度低复杂度低 n缺点缺点 n当信道衰落严重不均时（即信道存在零点或深衰落时），当信道衰落严重不均时（即信道存在零点或深衰落时）， 性能不佳。性能不佳。 n原因：当出现深衰落时，线性均衡器会对该段频谱及近旁原因：当出现深衰落时

15、，线性均衡器会对该段频谱及近旁 产生很大的增益，从而增加了该段频谱的噪声。产生很大的增益，从而增加了该段频谱的噪声。 n横向滤波器结构（横向滤波器结构（图图 3.6 ） k d 2 1 N Nn nkn k yc d （11） n 数学表达式：数学表达式： （9） 图图3.6 3.3.4 均衡技术 （2） (Equalization Techniques) n 横向滤波器结构横向滤波器结构 3.3.4 均衡技术 （3） (Equalization Techniques) n均衡技术分类均衡技术分类(Survey of Equalization Techniques) n非线性均衡非线性均衡 n

16、概念：均衡器的输出概念：均衡器的输出 被应用于反馈逻辑中并影响了均衡器被应用于反馈逻辑中并影响了均衡器 的后续输出。的后续输出。 n形式：判决反馈均衡器、最大似然符号检测均衡器和最大形式：判决反馈均衡器、最大似然符号检测均衡器和最大 似然序列估值均衡器。似然序列估值均衡器。 n优点：优点：当频谱衰落严重不均时，判决反馈滤波器仍能工作。当频谱衰落严重不均时，判决反馈滤波器仍能工作。 n缺点：复杂度高。缺点：复杂度高。 n判决反馈均衡结构（图判决反馈均衡结构（图 3.7） n机理：以判决反馈均衡器为例机理：以判决反馈均衡器为例 后馈滤波器由检测器的输出驱动，其系数可被调整以消后馈滤波器由检测器的输

17、出驱动，其系数可被调整以消 除先前符号对当前符号的干扰。除先前符号对当前符号的干扰。 k d 图图 3.7 32 1 1 N i iki N Nn nknk dFycd （12） n 数学表达式：数学表达式： 3.3.5 自适应均衡器 (Adaptive Equalizer) n基本结构框图 图图 3.8 n自适应均衡器的基本结构与工作方式自适应均衡器的基本结构与工作方式 n基本结构（判决反馈型）基本结构（判决反馈型） 3.3.5 自适应均衡 (Algorithms for Adaptive Equalization) 训练模式：训练模式：在最小均方误差准则下在最小均方误差准则下，抽头系数加权

18、算法是使均衡抽头系数加权算法是使均衡 器输出的估值器输出的估值 与所训练序列与所训练序列 的误差的误差ek的均方值为最小。的均方值为最小。 判决模式（跟踪模式）判决模式（跟踪模式）：误差：误差ek为基于为基于均衡器输出估计值均衡器输出估计值 与与 其判决值其判决值 的之差，相应使得该误差的均方值为最小。的之差，相应使得该误差的均方值为最小。 盲算法：盲算法：不需要在传送时附加训练序列，就可使均衡器收敛不需要在传送时附加训练序列，就可使均衡器收敛 k d k I k d k d 前馈滤波器 反馈滤波器 判决器 自适应算法 输出序列 训练序列 + k d k I k d 输入 3.3.5 自适应均

19、衡 (Algorithms for Adaptive Equalization) n自适应均衡器的结构与工作方式自适应均衡器的结构与工作方式 n基本工作过程基本工作过程 n首先，发射机发射一个已知的、定长的训练序列，以便接收首先，发射机发射一个已知的、定长的训练序列，以便接收 机处的均衡器可以作出正确的设置。机处的均衡器可以作出正确的设置。 n紧跟在训练序列之后被传送的是用户数据。在接收用户数据紧跟在训练序列之后被传送的是用户数据。在接收用户数据 时，用均衡器补偿信道后判决得出所需数据。时，用均衡器补偿信道后判决得出所需数据。 n用自适应算法周期性地重复训练均衡器，以跟踪不断变化的用自适应算法

20、周期性地重复训练均衡器，以跟踪不断变化的 信道。信道。 3.3.5 自适应均衡 (Algorithms for Adaptive Equalization) n自适应算法的性能指标自适应算法的性能指标( (The Performance of An Algorithm)The Performance of An Algorithm) n收敛速度收敛速度: :系指对于恒定输入，当迭代算法的迭代结果已经系指对于恒定输入，当迭代算法的迭代结果已经 充分接近最优解时，算法所需的迭代次数。充分接近最优解时，算法所需的迭代次数。 n失调：对自适应滤波器取总平均的均方差的终值与最优的最失调：对自适应滤波器取总平均的均方差的终值与最优的最 小均方差之间的差距。小均方差之间的差距。 n计算复杂度：完成迭代次数所需的操作