第2章 2抗衰落技术

1、抗信道衰落技术 授课教师：刘劲授课教师：刘劲 概述 由于多径衰落和多普勒频移的影响，移动无 线信道极其易变。这些影响对于任何调制技 术来说都会产生很强的负面效应。 另外，与AWGN(加性高斯白噪声)信道相比， 移动无线信道在失真和衰落方面对信号造成 的损害明显要大得多。 移动通信系统需要利用信号处理技术来改进 恶劣的无线电传播环境中的链路性能。 概述 移动信道属于时变信道，接收信号的功率可 以表示为 对 所产生的损耗，主要靠增大发射功率， 以提高接收信号的场强来解决。 由 所造成的接收信号功率的波动，通常 借助“宏分集”来解决。 无线传输所面临的最大问题是信道的时变多 径衰落R(r)。 n r

2、 ( )S r )()()(rRrSrrP n 概述 克服多径衰落主要用“微分集”来解决，这也是人 们通常所说的分集技术。分集技术是用来补偿衰落 信道损耗的，它通常要通过两个或更多的接收天线 来实现。 抗多径衰落还常用均衡技术，均衡可以补偿时分信 道中由于多径效应而产生的码间干扰（ISI）。如果 调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码 间干扰，而且调制信号将会展宽。均衡技术不用增 加传输功率和带宽即可改善移动通信链路的传输质 量。 信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来 改善通信链路的性能的。 概述 均衡、分集和信道编码这三种技术都被用于 改进无线链路的性能，也就是希望减小瞬时 误

3、码率。 这三种技术在用来改进接收信号质量时，既 可单独使用，也可组合使用。但是在实际的 无线通信系统中，每种技术在实现方法、所 需费用和实现效率等方面具有很大的不同。 在下面的各节里，我们将分别介绍均衡、分 集接收、交织与编码等抗衰落技术。 3.1 分集接收技术 1. 基本原理 分集技术是研究如何利用多径信号来改善系统的性 能。 分集技术利用传输相同信息且具有近似相等的平均 信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收 端对这些信号进行适当的合并，以便大大降低多径衰 落的影响（信号起伏），从而改善传输的可靠性。 为了在接收端得到相互独立的路径，可以通过空域、 时域和频域等方法来实现。 3.1

4、 分集接收技术 2. 具体实施方法 （1）空间分集(Space Diversity) 依据：在任意两个不同的位置上接收同一信号，只要两个位置 的距离大到一定程度d，则两处所收到的信号的衰落是不相关的。 分集接收机 发射天线 接收天线1 接收天线M d 2. 具体实施方法 （1）空间分集(Space Diversity) 在理想情况下，接收天线之间相隔距离d为/2就足以保证各 支路接收的信号是不相关的。但在实际的情况下，接收天线之间 的间隔要视地形地物等具体情况而定。如：通常取d=0.5(市区)， d=0.8(郊区)。 空间的间距越大，多径传播的差异就越大，所收场强的相关 性就越小。 在空间分布

5、上，天线间隔可以是垂直间隔，也可以是水平间 隔，但前者性能较差，一般不主张用这种方式。为了获得相同的 相关系数，基站两分集天线之间垂直距离应大于水平距离。 2. 具体实施方法 （2）频率分集(Frequency Diversity) 依据：频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以 认为是不相关的。 使用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。 如：市区的相关带宽Bc50kHz，郊区的Bc300kHz，在开阔地 Bc8MHz，为了在市区和郊区都能取得满意的频率分集效果， Bc必须大于或等于300kHz。 CDMA(IS-95)的信道带宽1.25MHz，足以大于郊区和市区的 相关带宽

6、，所以本身就是频率分集。 还可以采用跳频技术来达到频率分集的目的。 2. 具体实施方法 (3) 时间分集(Space Diversity) 依据：时间间隔大于信道的相关时间的两个信号产生 的衰落信号可以认为是不相关的。 用不同的时隙发射相同的信息。 RAKE接收机：北美CDMA(IS-95)系统及第三代移动 通信系统中的应用技术。 原理：使用多个并行相关器跟踪和接收多径信号。 3. 分集信号的合并技术 接收端收到M（M=2）个分集信号后，如何利用 这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。根据在 接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前 (Predetection)合并技术和检测后(Pos

7、tdetection)合并技术。 合并器 检测器 检测前合并技术检测后合并技术 合 并 器检测器 检测器 检测器 3. 分集信号的合并技术 对于具体的合并技术来说，通常有4类：选择式合 并(Selective Combining)、最大比合并(Maximum Ratio Combining)、等增益合并(Equal Gain Combining)和开关 式合并(Switching Combining)。 3. 分集信号的合并技术 （1）选择式合并(Selective Combining) M个接收机的输出信号送入选择逻辑，选择逻辑从M个接收信号 中选择具有最高基带信噪比(SNR)的基带信号作为

8、输出。 如果使用检测前合并方式，则选择在天线输出端进行，从M个天 线输出中选择一个最好的信号，再经过一部接收机就可以得到合 并后的基带信号。 Rx 选 择 逻 辑 选择式合并的原理 发射机 RxRx 输出M个接收机中 信号质量最好的一个 接收机 语音 （1） 选择式合并(Selective Combining) 令为每个支路的平均信噪比，则可以证明：选择式合 并的平均输出信噪比为 式中，下标s表示选择式合并。该式表明每增加一条分 集支路，它对输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒 数倍。其合并增益为 M k s k 1 1 M k s s k G 1 1 3. 分集信号的合并技术 （1）选择式合

9、并(Selective Combining) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 8 6 4 2 0 分集支路数M Gs (dB) M k s s k G 1 1 3. 分集信号的合并技术 （2）最大比合并( Maximum Ratio Combining ) M个分集支路经过相位调整后，按适当的增益系数同相相加 （检测前合并），再送入检测器。 同 相 相 加 最大比合并的原理 发射机 输出 可变增益 放大器 语音 检测 a1a2a3 3. 分集信号的合并技术 2 i i r a M k iir a 1 （2）最大比合并(Maximum Ratio Combining) 合并后信号

10、的包络为： 式中，ri为第i条支路的信号振幅；ai为第i条支路的增益系数。 设每个支路的噪声功率为2 ，可以证明：当 时，合并后的 信噪比达到最大，合并后输出为 可以看出，合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比越 大的支路对合并后的信号贡献越大。在具体实现时，需要实时测 量出每个支路的信噪比，以便及时对增益系数进行调整。 M k i M k i i rr r 1 2 2 1 2 1 3. 分集信号的合并技术 M M （2）最大比合并(Maximum Ratio Combining) 最大比合并后的平均输出信噪比为： 式中，下标M表示最大比合并。合并增益为 可以看出，平均输出信噪比与M成线

11、性关系。 M G M M 3. 分集信号的合并技术 （2）最大比合并(Maximum Ratio Combining) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 8 6 4 2 0 分集支路数M GM(dB) M G M M 3. 分集信号的合并技术 4 ) 1(1 M E （3）等增益合并 在最大比合并中，实时改变增益系数ai是比较困难 的，通常希望增益系数ai为常量，取ai =1就是等增益合 并。等增益合并后的平均输出信噪比为 式中，下标E表示等增益合并。合并增益为 4 ) 1(1 M G E E 3. 分集信号的合并技术 （3）等增益合并 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

12、10 8 6 4 2 0 4 ) 1(1 M G E E 分集支路数M G(dB) 3. 分集信号的合并技术 （4）开关式合并 检测前二重开关式合并框图如下图所示。该分集方式 也称为扫描式分集(Scanning Diversity)，其优点是仅使 用一套接收设备。 开关逻辑 开关式合并示意图 发射机 瞬时信号 电平 语音 比较器 接收机 平均信号 电平 天线开关 1 2 3. 分集信号的合并技术 （4）开关式合并 t A 支路2的包络 支路1的包络合并后的包络 3. 分集信号的合并技术 （4）开关式合并 当开关从支路1转到支路2时，若支路2的瞬时包络 也低于预定门限时，有两种处理方法。第一种方

13、法是 天线开关在支路1和支路2之间循环切换，直到一个支 路的包络大于预先设定的门限。第二种方法是天线开 关停留在支路2上，直到支路2大于预定门限后再次低 于预定门限时，天线开关再转到支路1上。 第二种方法避免了在两个支路都低于预定门限时， 频繁的开关转换，是实际中常用的方法。 3. 分集信号的合并技术 分集接收后，误码率将会得到改善，下图所示的是速 率为16kb/s的GMSK信号的实验结果。 0 10 20 30 40 50 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 无分集 二重开关分集 无衰落 接收CNR(载噪比)中心值 平均比特差错率 瑞利衰落 要求两支路的 信号不相

14、关。 4. 分集系统的性能 5. RAKE接收机 在CDMA系统中，通信带宽远大于信道的平坦衰落带宽。当 多径信号之间的时间差超过一个码片的宽度时，将被CDMA接收 机看作非相关噪声。 定义：多径信号中包含有可以利用的信息，故CDMA接收机 可以通过合并多径信号来改善信号的信噪比。RAKE接收机就是 通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并 起来。 RAKE接收机利用相关检测器检测出多径信号中最强的M个支 路信号，然后对每个RAKE支路的输出进行加权合并，以提供由 于单支路信号的接收信噪比，然后再在此基础上进行判决。 同步捕获/跟踪路径选择 RAKE支路1 RAKE支路2 RA

15、KE支路M Z1 Z2 ZM a1 a2 aM ZOUT r(t) 相位控制 RAKE接收原理实现框图 5. RAKE接收机 3.2 均衡 一、原理与分类 在信道中，由于多径影响而导致的码间干扰会使在 接收时发生误码。码间干扰被认为是在移动无线通 信信道中传输高速率数据时的主要障碍，而均衡正 是对付码间干扰的一项技术。 从广义上讲，均衡可以指任何用来削弱码间干扰的 信号处理操作。 由于移动衰落信道具有随机性和时变性，这就要求 均衡器必须能够实时跟踪移动通信信道的时变特性， 这种均衡器又被称为自适应均衡器。 一、原理与分类 自适应均衡器一般包含两种工作模式，即训 练模式和跟踪模式。 发射机发射一

16、个已知的训练序列，以便接收 机处的均衡器可以作出正确的设置。 接收机处的均衡器将通过递归算法来评估信 道特性，并且修正滤波器系数以对信道作出 补偿。在收到训练序列后，使均衡器的滤波 系数已经接近于最佳值。在接收用户数据时， 均衡的自适应算法就可以跟踪不断变化的信 道。 为了保证能有效地消除码间干扰，均衡器需 要周期性地进行重复训练。 自适应均衡器的通信系统图 原理 图中接收机中包含有自适应均衡器。均衡器 收到的信号可以被表示成 均衡器的输出为 横向滤波均衡器的基带复数冲激响应表示为 b ( )( )( )( )y tx tftn t eqbeqbeq ( ) ( )( )( )( )( )(

17、)( )( )( )d tx tfthtn thtx tg tn tht eq( ) () n n htctnT 原理 为了使公式中的 ，必须要求 均衡器的目的就是实现这个条件，其频域表 达式为 这表明均衡器实际上是传输信道的反向滤波 器。 对于时变信道，自适应均衡器可以跟踪信道 的变化，以使条件基本满足。 ( ) ( )d tx t eq ( )( )( )( )g tfthtt eq( ) ()1Hf Ff 分类 均衡技术可被分为两类，线性均衡和非线 性均衡 分类 这两类均衡技术的差别主要在于均衡器的输 出被用于反馈控制的方法。 通常，模拟信号经过接收机中的判决器，然 后由判决器进行限幅或

18、阈值操作，并决定信 号的数字逻辑值d(t)。 如果d(t)未被应用于均衡器的反馈逻辑中，那 么均衡器是线性的；反之，如果d(t)被应用于 反馈逻辑中并帮助改变了均衡器的后续输出， 那么均衡器是非线性的。 3.2.2 线性均衡器 最简单的线性均衡器可由FIR滤波器（或称 为横向滤波器）实现。它把所收到信号的当 前值和过去值按滤波系数（即权重）作线性 叠加，并把生成的和作为输出。 横向滤波器 如果延时单元和抽头增益是模拟信号，那么 均衡器输出的连续信号波形将以符号速率被 采样，并送至判决器。但是，均衡器通常是 在数字域中实现，其采样信号被存储于移位 寄存器中。 在判决前，横向滤波器的输出为 2 1

19、 () N knk n nN dcy 3.2.3 非线性均衡器 当信道失真太严重以致线性均衡器不易处理 时，采用非线性均衡器处理会比较好。 当信道中有深度频谱衰落时，用线性均衡器 不能取得满意的效果，这是因为为了补偿频 谱的失真，线性均衡器会对出现深衰落的那 段频谱及近旁的频谱产生很大的增益，从而 增加了那段频谱的噪声。 现在已经开发出数种非常有效的非线性算法， 它们改进了线性均衡技术。 3.2.3 非线性均衡器 判决反馈均衡（DFE） l判决反馈均衡（DFE）的基本思路是：一旦一个 信息符号被检测并被判定后，就可在检测后续符 号之前预测并消除由这个信息符号带来的码间干 扰。 l判决反馈均衡既

20、可以直接由横向滤波器实现，也 可以由格型滤波器实现。 判决反馈均衡（DFE） 由横向 滤波器 实现的 判决反 馈均衡 判决反馈均衡（DFE） 横向滤波器由一个前馈滤波器（FFF）和一个 后馈滤波器（FBF）组成。 FBF由检测器的输出驱动，其系数可被调整 以消除先前符号对当前符号的干扰。 均衡器的前馈滤波器有N1 + N2 + 1阶，而后馈 滤波器有N3阶，其输出为 得出并判决的结果 ，将与以前的判决结果 一起反馈回均衡器，进而得出 。 32 1 1 NN knk nik i nNi dc yF d k d 1 k d 判决反馈均衡（DFE） 判决反馈均衡可达到的最小均方差为 当频谱衰落较平坦

21、时，线性横向均衡器会良 好地工作；而当频谱衰落严重不均时，线性 横向均衡器的性能会恶化，而采用DFE的均 衡器则明显优于采用线性横向均衡器。 判决反馈均衡更适合于有严重失真的无线信 道。 2 0 2 jmin 0 ( )explnd 2 (e) T TT NT E e n FN 一、概述 1. 目的：降低信道突发的和随机的差错。 2. 实施办法 通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善信道链路的性能。 在发射机的基带部分，信道编码器按照某种确定的约束规则， 把一段数字信息映射成另一段包含更多数字比特的码序列，然 后把已被编码的码序列进行调制以便在无线信道中传送。 接收机用信道编码的约束规则来检测

22、或纠正由于在无线信道中 传输而引入的一部分或全部的误码。解码在解调后执行。 3. 移动通信中常用的信道编码方法 分组编码 卷积编码 3.3 信道编码 一、分组码 分组码是一种前向纠错（FEC）编码。 在分组码中，校验位被加到信息位之后，以 形成新的码组。校验位仅与本码组的信息位 有关，而与其他码组的信息码字无关。 在分组编码时，k个信息位被编为n个比特， 而n-k个校验位的作用就是检错和纠错。分组 码将以(n,k)表示，其编码效率被定义为Rc = k/n，这也是原始信息速率与信道信息速率的 比值。 一、分组码 除了码速率之外，码距和码重这两个参数也很重要。 码重码重：码组内：码组内“1 1”的

23、个数的个数 码距码距：两码组中对应位取值不同的位数，又称汉明距离：两码组中对应位取值不同的位数，又称汉明距离 最小码距最小码距(d0) ：各码组间的最小距离：各码组间的最小距离 分组码的纠检错能力：决定于最小码距d0的值。 为了能检测为了能检测e e个错码，要求最小码距个错码，要求最小码距 为了能纠正为了能纠正 t t 个错码，要求最小码距个错码，要求最小码距 为了能纠正为了能纠正t个错码，同时检测个错码，同时检测e个错码，要求最小码距个错码，要求最小码距 1 0 ed 12 0 td )(1 0 teted 一、分组码 汉明（汉明（Hamming）码）码 Hadamard码码 格雷（格雷（G

24、olay）码）码 循环（循环（Cyclic）码）码 BCH码码 Reed-Solomon（RS）码）码 编码输出 每次输入 k比特 1k 1 k 1k 1k 1 k2k3kNk 12n Nk级 移存器 n个模2 加法器 每输入k比特 旋转1周 二、卷积码 二、卷积码 Viterbi算法算法 Fano序列译码序列译码 堆栈算法堆栈算法 反馈译码反馈译码 三、交织编码 1. 原因 无线信道上产生的大多数误码可能是长突发 形式的成串错误比特，而不是随机离散的； 信道编码（分组编码和卷积编码）只能纠正 随机错误比特或有限连续错误比特。 2.目的 使误码离散化，使突发差错变为随机差错， 接收端纠正随机差

25、错，从而达到改善整个数据 序列的传输质量。 三、交织编码 3. 原理 假设由一些4比特组成的信息分组，把4个相继分组中的第一个 比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作 第一帧，4个消息分组中的第24比特，也作同样的处理。然后 依次传送第1比特组成的帧 1 234 123 4 1 2 3 41234 1 111 222 2 3 3 3 34444 发送端 1 234 1234 1 2 3 41234 接收端 三、交织编码 3. 原理 交织深度n：概括地说，交织就是把码字的b个比特分 散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，因而n值越大， 传输性能越好，而n则称之为交织深度。 但

26、是交织将带来时延，在收发双方均有先存储后读取 数据处理的过程，故n值越大，传输时延也越大，所以在 实际使用中必须作折衷考虑。 三、交织编码 3. 原理 编码器 交织 存储器 突发 信道 去交织 存储器 译码器 输入输出 GSM中的交织编码 交织分两次进行，第一次为 比特间交织，第二次为块间交 织。 第一次：语音编码器和信道 编码器将每一20ms语音数字化 并进行编码，提供456个比特， 将456比特按（57*8）交织矩阵 分成8组，每组57比特就成为经 矩阵交织后的离散编码比特分 布。 取样8kHz/13bit 20ms20ms 260bit260bit 456bit456bit 语音编码语音编码 信道编码信道编码 57bit 交织 时隙流 357 571126 通常突发脉冲序列 数据数据 3 同步序列 GSM中的交织编码 取样8kHz/13bit 20ms20ms 260bit260bit 456bit456bit 语音编码语音编码 信道编码信道编码 57bit 交织 时隙流 357 571126 通常突发脉冲序列 数据数据 3 同步序列 第二次：一个普通突发脉冲 （时隙