移动通信抗干扰和抗衰落技术

移动通信抗干扰与抗衰落技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第1页主要内容3.1信道编码(纠错编码技术）3.3扩频通信3.4分集技术3.5均衡技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第2页3.1信道编码信道编码是为了确保通信系统传输可靠性，克服信道中噪声和干扰，而专门设计一类抗干扰技术和方法。信道编码又称为纠错编码或抗干扰编码，详细做法是在信息码之外人为地附加一些监督码，监督码不携带用户信息，在接收端利用监督码与信息码之间规律，发觉和纠正信息码在传输中差错。移动通信抗干扰和抗衰落技术第3页对用户来说监督码是多出，最终也不传送给用户，但它提升了传输可靠性。普通来说，引入监督码越多，码纠错检错能力越强，但降低了信道传输效率。目标：寻找一个编码方法以最少监督码元为代价，换取最大程度可靠性提升。移动通信抗干扰和抗衰落技术第4页按码组功效，分为检错码和纠错码按码组中监督码元与信息码元之间关系，分为线性码和非线性码按码组中信息码元和监督码元约束关系，分为分组码和卷积码移动通信抗干扰和抗衰落技术第5页移动通信抗干扰和抗衰落技术第6页移动通信抗干扰和抗衰落技术第7页纠错编码基本原理首先用一个例子说明纠错编码基本原理。现在我们考查由3位二进制数字组成码组，它共有23=8种不一样可能组合，若将其全部用来表示天气，则能够表示8种不一样天气情况，如：000(晴)，001(云)，010(阴)，011(雨)，100(雪)，101(霜)，110(雾)，111(雹)。其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成另一信息码组。这时，接收端将无法发觉错误。纠错编码技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第8页若在上述8种码组中只准许使用4种来传送消息，譬如

000=晴

011=云

101=阴

110=雨移动通信抗干扰和抗衰落技术第9页表4-2分组码例子(3,2)移动通信抗干扰和抗衰落技术第10页普通分组码用符号(N,k)表示，其中k是每组二进制信息码元数目，N是编码组总位数，又称为码组长度(码长)。N-k=r为每码组中监督码元数目，或称为监督位数目。普通分组码结构如图4-13所表示。图中前面

k

位(aN-1…ar)为信息位，后面附加r个监督位(ar-1…a0)，式(4-51)分组码中N=3,k=2,r=1。移动通信抗干扰和抗衰落技术第11页图4-13分组码结构移动通信抗干扰和抗衰落技术第12页图4-14码距几何意义移动通信抗干扰和抗衰落技术第13页一个编码最小码距d0大小直接关系着这种编码检错和纠错能力。比如，上述例子表明：d0=1时，没有检、纠错能力；d0=2时，含有检验一个差错能力；d0=3时，用于检错时含有检验两个差错能力，用于纠错时含有纠正一个差错能力。普通情况下，码检、纠错能力与最小码距d0关系可分为以下三种情况。移动通信抗干扰和抗衰落技术第14页

(1)为检测e个错码，要求最小码距

d0≥e+1

(4-52)这能够用图4-15(a)加以证实。设一码组A中发生一位错码，则我们能够认为A位置将移动至以0点为圆心、以1为半径圆周上某点。若码组A中发生两位错码，则其位置不会超出以0点为圆心、以2为半径圆。所以，只要最小码距大于3(如图中B点)，在此半径为2圆上及圆内就不会有其它许用码组，因而能检测错码位数为2。同理，若一个编码最小码距为d0，则将能检测(d0-1)个错码。换句话说，若要求检测e个错码，则最小码距d0应大于(e+1)。移动通信抗干扰和抗衰落技术第15页

(2)为纠正t个错码，要求最小码距

d0≥2t+1

(4-53)此式可用图4-15(b)加以说明。图中画出码组A和B距离为5。若码组A或B发生不多于两位错码，则其位置不会超出半径为2、以原位置为圆心圆。这两个圆是不相交。所以，我们能够这么来判决：若接收码组落于以A为圆心圆上或圆内，就判收到是码组A；若落于以B为圆心圆上或圆内就判为码组B。这么，每种码组只要错码不超出两位都将能纠正。所以，当最小码距d0=5时，最多能纠正两位错码。若错码到达3个，就将落入另一圆上，从而会发生错判。故普通说来，为纠正t个错码，最小码距应大于(2t+1)。

移动通信抗干扰和抗衰落技术第16页图4-15码距与检、纠错能力关系(a)检测e个错码；(b)纠正t个错码；(c)纠正t个错码，同时检测e个错码移动通信抗干扰和抗衰落技术第17页(3)为纠正t个错码，同时检测e个错码，要求最小码距

d0≥e+t+1(e＞t)移动通信抗干扰和抗衰落技术第18页(4-55)在简明讨论了编码纠(检)错能力后，再来分析一下差错控制编码效用。假设在信道中发送“0”时错误概率和发送“1”时错误概率相等，都等于P，且P<<1，则轻易证实，在码长为N码组中恰好发生r个错码概率为移动通信抗干扰和抗衰落技术第19页比如，当码长N=7,P=10-3时，有

P7(1)≈7P=7·10-3P7(2)≈21P2=2.1·10-5P7(3)≈35P3=3.5·10-9由上可知，采取了差错控制编码，即使仅能纠正(或检测)码组中1～2个错误，也能够使误码率P下降几个数量级。这就表明，只能纠(检)1～2个简单编码也有很大实用价值。实际上，惯用差错控制编码大多也是只能纠正(检测)码组中1~2个错误。移动通信抗干扰和抗衰落技术第20页3.1.1线性分组码3.1.2卷积码3.1.3交织编码3.1.4Turbo码3.1信道编码移动通信抗干扰和抗衰落技术第21页1．生成矩阵输入信息码组为输出码组为编码线性方程组为一、线性分组码移动通信抗干扰和抗衰落技术第22页改写成对应矩阵形式为在输出码组中，前4位是信息位，后3位是监督位，它是前4个信息位线性组合移动通信抗干扰和抗衰落技术第23页移动通信抗干扰和抗衰落技术第24页

2．监督矩阵移动通信抗干扰和抗衰落技术第25页上式还能够简记为移动通信抗干扰和抗衰落技术第26页

为线性码监督矩阵，只要监督矩阵给定，编码时监督位和信息位关系就完全确定了。移动通信抗干扰和抗衰落技术第27页经典生成矩阵信息位和经典生成矩阵相乘得到整个码组移动通信抗干扰和抗衰落技术第28页3．校正子若在接收端，接收码组为则发送码组和接收码组之差为移动通信抗干扰和抗衰落技术第29页当接收码组有错时不一样错误图样有不一样校正子，它们有一一对应关系，能够从校正子与错误图样关系表中确定错码位置。移动通信抗干扰和抗衰落技术第30页移动通信抗干扰和抗衰落技术第31页二、循环码循环码是线性分组码中最主要一个子类，它是以当代代数理论作为基础建立起来。循环码检错纠错能力较强，可采取码多项式描述，能够用移位存放器来实现，译码电路简单。移动通信抗干扰和抗衰落技术第32页循环码多项式表示循环码除了含有线性分组码普通性质外，还含有循环性，即循环码中任一许用码组经过循环移位后所得到码组依然是它一许用码组。对任意一个码长为n循环码，一定能够找到一个惟一n-1次多项式表示，即在二者之间能够建立一一对应关系。移动通信抗干扰和抗衰落技术第33页移动通信抗干扰和抗衰落技术第34页移动通信抗干扰和抗衰落技术第35页循环码生成多项式和生成矩阵移动通信抗干扰和抗衰落技术第36页循环码生成矩阵为：为

移动通信抗干扰和抗衰落技术第37页移动通信抗干扰和抗衰落技术第38页移动通信抗干扰和抗衰落技术第39页[例3.1]已知循环码生成多项式，当输入信息码是1000时，求码组；若接收码组，试问该码组在传输中是否发生错误？解：循环码编码步骤以下：整个码组为1000101

移动通信抗干扰和抗衰落技术第40页循环码译码步骤以下：

该码组在传输中发生了错误移动通信抗干扰和抗衰落技术第41页惯用CRC码有：（1）CRC-12生成多项式为（2）CRC-16生成多项式为（3）CRC-CCITT生成多项式为（4）CRC-32生成多项式为移动通信抗干扰和抗衰落技术第42页在CDMA蜂窝移动通信系统中，前向业务信道、半速率前向业务信道、前向链路同时信道、寻呼信道和其它逻辑信道中都使用了CRC校验。在GSM系统中，话音信息、控制信息和同时信息在传输过程中都使用了CRC校验。移动通信抗干扰和抗衰落技术第43页3.1.2卷积码卷积码不一样于前面讲线性分组码和循环码，它是一类有记忆非分组码。卷积码普通可表示为，表示编码器输入端信息位数目，表示编码器输出端码元个数，表示编码器中存放器节数。级移位存放器编码器，其约束长度，编码效率为。移动通信抗干扰和抗衰落技术第44页

图3-1

卷积码编码器结构移动通信抗干扰和抗衰落技术第45页二、卷积码描述卷积码描述能够分为两大类型：解析法和图形法。解析法用数学公式直接表示，包含：离散卷积法、生成矩阵法、码生成多项式法；图形法包含：树图、状态图以及网格图。移动通信抗干扰和抗衰落技术第46页离散卷积法移动通信抗干扰和抗衰落技术第47页移动通信抗干扰和抗衰落技术第48页码多项式法移动通信抗干扰和抗衰落技术第49页移动通信抗干扰和抗衰落技术第50页移动通信抗干扰和抗衰落技术第51页3．状态图卷积码除了上述几个解析表示方式以外，还能够采取3种比较形象图形表示法。状态图则是3种图形法基础。下面仍以卷积码为例说明编码过程。移动通信抗干扰和抗衰落技术第52页对每个输入二进制信息比特，编码器状态改变有两种可能，输出分支码字也只有两种可能。用图来表示上述输入信息比特所引发状态改变以及输出分支码字，这就是编码器状态图。移动通信抗干扰和抗衰落技术第53页图中圆圈内数字表示状态，共有4个状态，两状态转移箭头表示状态转移方向，连线格式表示状态转移条件，虚线表示输入信息为1，实线表示输入信息为0，而且在连线上方括号内注明输入信息，括号外数字则表示对应输出码字。移动通信抗干扰和抗衰落技术第54页图3-3

(2,1,2)卷积码状态图移动通信抗干扰和抗衰落技术第55页优点：状态图结构简单，表明了在某一时刻编码器输入比特和输出码字关系，缺点：但其时序关系不够清楚，不能描述伴随信息比特输入，编码器状态与输出码字随时间改变情况，而且输入数据信息很多时将产生重复。为了处理时序关系，在状态图基础上以时间为横轴将状态图展开，形成了时序不重复树图。移动通信抗干扰和抗衰落技术第56页4．树图树图是以时序关系为横轴将状态图进行展开，展示出编码器全部输入和输出可能性。卷积码树图，如图3-4所表示。移动通信抗干扰和抗衰落技术第57页图3-4

(2,1,2)卷积码树图移动通信抗干扰和抗衰落技术第58页树图展示了编码器全部输入输出可能情况，展示了一目了然时序关系。每一个输入数据序列都能够在树图上找到一条惟一不重复路径。当输入数据序列为时，在树图中用虚线标出了其轨迹，得到输出码字为，与前面编码结果一致。移动通信抗干扰和抗衰落技术第59页缺点：但树图会伴随输入数据增加而不停地一分为二向后展开，必定会产生大量重复状态，故树图结构复杂，且不停重复，如图3-4从第4条支路开始，上半部分与下半部分完全相同。移动通信抗干扰和抗衰落技术第60页5．网格图网格图现有显著时序关系又不产生重复图形结构，是3种图形表示法中最有用、最有价值图形形式，尤其适适用于卷积码译码，备受重视。网格图也称篱笆图，是由状态图和树图演变而来，实际就是在时间轴上展开编码器在各时刻状态图。它既保留了状态图简练状态关系，又保留了树图时序展开直观特征。移动通信抗干扰和抗衰落技术第61页以卷积码为例，它在横轴上仅仅保留4个基本状态，在图中用黑色小圆圈表示。伴随时间推移和信息比特输入，编码器从一个状态转移到另一个状态，状态每改变一次就输出一个分支码字。两点连线则表示一个确定状态转移方向，输入信息若为1，为下分支，用虚线表示；输入信息若为0，为上分支，用实线表示。连线上面数字就是对应输出码字。移动通信抗干扰和抗衰落技术第62页

图3-5(2,1,2)卷积码网格图移动通信抗干扰和抗衰落技术第63页输入信息序列、编码器输出序列和网格图中一条路径是惟一对应。当输入数据序列为时，找出编码时网格图中路径，得到编码器输出序列为。一样，对编码器输出序列，能够很方便地从网格图中找到对应输入信息为。移动通信抗干扰和抗衰落技术第64页三、卷积码维特比译码译码器作用就是要依据某种准则以尽可能低错误概率对输入信息作出预计。卷积码译码能够分为两类：代数译码门限译码、概率译码序列译码特点：利用编码本身代数结构进行解码，维特比译码则要利用信道统计特征。维特比译码是当前最常采取译码方法，该算法是1967年由Viterbi提出，本节仅介绍维特比译码。移动通信抗干扰和抗衰落技术第65页移动通信抗干扰和抗衰落技术第66页移动通信抗干扰和抗衰落技术第67页移动通信抗干扰和抗衰落技术第68页卷积码译码通常采取最大似然准则，对于二进制对称信道，它等效于最小汉明距离准则。最大似然算法基本思想是：把接收序列和全部可能发送序列进行比较，选择一个码距最小序列作为发送序列。移动通信抗干扰和抗衰落技术第69页维特比译码是基于最大似然准则最主要卷积码译码方法。它不是一次计算比较全部路径，而是采取逐步比较方法来迫近发送序列路径。即把接收序列和编码器在此期间可能输出分支码字作比较，计算它们汉明距离，并把它们分别累加到之前各支路累加汉明距离上。比较进入下一节点各支路累加结果并进行选择，保留汉明距离最小一条路径，作为幸存路径。最终抵达终点一条幸存路径即为解码路径。移动通信抗干扰和抗衰落技术第70页经过信道传输后，在接收端收到信号序列为其中有下划线表示发生了误码。移动通信抗干扰和抗衰落技术第71页

移动通信抗干扰和抗衰落技术第72页

移动通信抗干扰和抗衰落技术第73页移动通信抗干扰和抗衰落技术第74页上述译码结果确定了一条最大似然路径，对应符号序列能够作为译码输出结果发送给用户，不过当接收序列很长时，维特比译码对存放器要求很高。当译码进行到一定时刻，如第?个符号周期时，幸存路径普通合并为一，即正确符号出现概率趋于1，这么就能够对第一个支路作出判决，把对应比特送给用户，但这么译码已经不是真正意义上最大似然预计。

移动通信抗干扰和抗衰落技术第75页前面介绍线性分组码、循环码和卷积码大部分是用于纠正随机独立差错。而实际移动信道既不是纯随机独立差错信道，也不是纯突发差错信道，而是混合信道。交织编码按照改造信道思绪来分析问题，处理问题。它利用发送端交织器和接收端解交织器，将一个有记忆突发信道改造成一个随机独立差错信道。3.1.3交织编码移动通信抗干扰和抗衰落技术第76页交织编码本身并不具备信道编码最基本纠错检错能力，而只是将信道改造为随机独立差错信道，方便于愈加充分地利用纠正随机独立差错信道编码。从严格意义上说，交织编码并不是一类信道编码，而只是一个信息处理伎俩。移动通信抗干扰和抗衰落技术第77页交织编码实现方式有：分组交织、帧交织、随机交织、混合交织等。现以最简单分组交织为例，介绍其实现基本原理。图3-7分组交织器实现框图移动通信抗干扰和抗衰落技术第78页移动通信抗干扰和抗衰落技术第79页经过交织和解交织后，将原来信道中连错4位突发差错，变成了随机独立差错移动通信抗干扰和抗衰落技术第80页3.1.4Turbo码传统分组码、卷积码在实际应用中都存在一个困难，即为了尽可能靠近Shannon信道容量理论极限，对分组码需要增加码字长度，这将造成译码设备复杂度大大增加；对卷积码需要增加码约束长度，会造成最大似然预计译码器计算复杂度以指数增加，最终复杂到无法实现。移动通信抗干扰和抗衰落技术第81页为了克服这一难题，人们曾经提出各种编码方法，基本思想就是将一些简单编码合成为复杂编码，译码过程也能够分成许多较轻易实现步骤来完成。1993年C.Berrou等人在ICC国际会议上提出了一个采取重复迭代译码方式并行级联码Turbo码，Turbo是英文中前缀，是指带有涡轮驱动，即重复迭代含义。Turbo码巧妙地将卷积码和随机交织器相结合，采取软输入/输出译码器，能够取得靠近Shannon编码定理极限性能。移动通信抗干扰和抗衰落技术第82页因为Turbo码有着优良性能，因而被广泛应用于第三代移动通信系统中，但因它存在时延，故主要用于非实时数据通信中。移动通信抗干扰和抗衰落技术第83页一、Turbo码编码原理图3-8Turbo码编码器结构框图移动通信抗干扰和抗衰落技术第84页Turbo码编码器既能够采取串联结构，也能够采取串并联结合；组员编码器能够是两个，也能够是多个，由二维分量码很自然地推广到多维分量码；分量码既能够是卷积码，也能够是分组码，还能够是级联码；分量码既能够相同，也能够不一样；分量码既能够是系统码，也能够是非系统码。但为了接收端进行有效迭代译码，分量码选择递归系统卷积码（RSC）。移动通信抗干扰和抗衰落技术第85页交织器和普通按行写入按列读出不一样，是一个伪随机交织器。它即使仅仅是在RSC2编码器之前将信息序列中比特进行随机置换，但它对Turbo码来说，却起着至关主要作用，在很大程度上影响着Turbo码性能。移动通信抗干扰和抗衰落技术第86页交织器在要发送信息中加入随机特征，使得两个编码器输入互不相关，近似独立。但因为译码时需要知道交织后信息比特位置，故应该是伪随机。当交织器充分大时，Turbo码实际上等效于一个很长随机码，这是它比以往编码能靠近Shannon极限原因。Turbo码交织器主要作用就是在编码中引入一些随机特征，改变码重量分布，使重量很重以及很轻码字尽可能地少，改进码距分布，从而改进Turbo码整体纠错性能。移动通信抗干扰和抗衰落技术第87页删余矩阵作用是提升编码码率，使码率尽可能提升而误码率尽可能地降低。矩阵中每一行分别与分量编码器相对应，其中“1”表示保留对应位置校验比特，而“0”表示对应位置上校验比特被删除（也称为“打孔”）。移动通信抗干扰和抗衰落技术第88页复接器又称合路器，其目标是将分量编码器输出合成一路，是数据通信中惯用器件。移动通信抗干扰和抗衰落技术第89页图3-9Turbo码编码器移动通信抗干扰和抗衰落技术第90页图3-9是码率为1/3Turbo码编码器。分量编码器是（2，1，4）递归型系统卷积码，码率为1/2，存放器级数生成多项式为

移动通信抗干扰和抗衰落技术第91页设输入序列为则图3-9所表示第一个分量编码器系统输出为经过递归迭代得到假设经过交织器交织后输入信息序列为则第二个分量编码器输出为得到码率为1/3Turbo码序列为移动通信抗干扰和抗衰落技术第92页若要将码率提升到1/2，则能够采取删余技术，比如采取删余矩阵即删去RSC1校验序列偶数位，删去RSC2校验序列奇数位，从而得到码率为1/2Turbo码移动通信抗干扰和抗衰落技术第93页二、Turbo码译码原理因为交织器出现，造成Turbo码最优（最大似然）译码变得非常复杂，不可能实现，而一个次优迭代算法在降低了复杂度同时，又含有很好性能。移动通信抗干扰和抗衰落技术第94页迭代译码基本思想是分别对两个RSC分量码进行最优译码，以迭代方式使二者分享共同信息，并利用反馈环路来改进译码器译码性能。前面讨论过单个编译码器，通常在译码器最终得到确定译码比特输出，称为硬判决译码。而对于Turbo码译码器，是输出软判决译码信息，即是由两个与分量码对应译码单元和交织与解交织器组成，将一个译码单元软判决译码信息输出作为另一个译码单元输入，并将此过程迭代数次，以取得更加好译码性能。移动通信抗干扰和抗衰落技术第95页图3-10Turbo码迭代译码移动通信抗干扰和抗衰落技术第96页Turbo译码中关于两个分量码译码器算法有各种，它们组成了Turbo码不一样译码算法。这些算法有：基于软输出维特比（SOVA）算法，追求每个码字错误概率最小；或者是基于最大后验概率（MAP）算法，追求每个码字译码错误概率最小。移动通信抗干扰和抗衰落技术第97页当前提出主要简化算法有以下3种：对数域算法：即log-MAP，它实际上就是把标准算法中似然函数全部采取对数似然函数表示，这么乘法运算都变成了简单加法运算，大大简化运算量；软输出维特比译码：其运算量仅仅是标准维特比算法两倍左右，最简单，但性能约损失1dB。最大值运算：即Max-log-MAP，它能够将log-MAP运算中以及似然值加法表示式中对数分量忽略掉，使似然加法变成求最大值运算。既可省去大部分加法运算，更能省去对信噪比预计，使得算法更为稳健。移动通信抗干扰和抗衰落技术第98页扩频通信，即扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)，是一个信息传输方式，用来传输信息信号带宽远远大于信息本身带宽，频带扩展由独立于信息扩频码来实现，与所传输信息数据无关；在接收端则用相同扩频码进行相关解调，实现解扩，恢复所传信息数据。这项技术又称为扩频调制，而传输扩频信号系统为扩频系统。扩频信号含有良好相关特征，包含尖锐自相关特征和低值相互关特征，使得扩频通信系统含有抗干扰能力强和保密性好等许多优点，在移动通信、卫星通信、宇宙通信、雷达、导航以及测距等领域得到了广泛应用。3.3扩频通信移动通信抗干扰和抗衰落技术第99页扩频通信理论基础是香农定理。香农定理描述了信道容量、信号带宽与信噪比之间关系，它给出了通信系统所能到达极限信息传输速率。在一定信道容量条件下，信号带宽和信噪比是能够交换，即可经过增加信号带宽来减小发送信号功率，也能够经过增加发送功率来减小信号带宽。依据此定理，扩频通信系统即使占有较大信道带宽，但它能够用较低信噪比来传输信息，能够降低接收信噪比门限值。3.3.1概述移动通信抗干扰和抗衰落技术第100页一、主要工作方式（1）直接序列扩频（DS-SS）直接序列扩频，简称直接扩频或直扩，这种方法就是直接用含有高码率扩频码序列在发送端扩展信号频谱，而在接收端，用相同扩频码序列进行解扩，把展宽扩频信号还原成原始信息。移动通信抗干扰和抗衰落技术第101页一、主要工作方式（2）跳变频率扩频（FH-SS）跳变频率扩频，简称跳频，跳频系统用伪随机码序列控制发射机载频，使其离散地在一个给定频带内跳变，形成一个宽带离散频率谱，从而扩展发射信号频率改变范围。移动通信抗干扰和抗衰落技术第102页一、主要工作方式（3）跳变时间扩频（TH-SS）跳变时间扩频，简称跳时，与跳频类似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。跳时系统把一段时间（一帧）分成许多时间片，在哪个时间片内发射信号由伪随机码序列控制。因为采取了比信息码元宽度窄很多时间片发送信号，所以扩展了信号频谱。简单跳时系统抗干扰性不强，极少单独采取，它主要与直扩或跳频方式结合组成混合扩频方式。移动通信抗干扰和抗衰落技术第103页一、主要工作方式（4）宽带线性调频宽带线性调频（ChirpModulation），简称Chirp，假如发射射频脉冲信号在一个周期内，其载频频率作线性改变，则称为线性调频。因为其频率在较宽频带内改变，信号频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要应用于雷达系统中。移动通信抗干扰和抗衰落技术第104页一、主要工作方式（5）混合方式将上述几个基本扩频方式组合起来，可组成各种混合方式。比如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等。普通说来，采取混合方式在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。不过，混合方式优点是有时能得到只用其中一个方式得不到特征，对于需要同时处理抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径衰落和“远-近”问题时，就不得不一样时采取各种扩频方式。移动通信抗干扰和抗衰落技术第105页二、扩频通信主要性能指标

（1）扩频处理增益因为高斯白噪声功率谱近似均匀分布，所以也惯用扩频前后带宽比值来近似预计系统扩频处理增益，表示信噪比改进程度，决定了系统抗干扰能力强弱，当前国外在工程上能实现直扩系统处理增益可到达70dB。

移动通信抗干扰和抗衰落技术第106页（2）干扰容限干扰容限是指在系统正常工作条件下，接收机输入端所允许干扰最大强度值（用分贝值表示），其定义为二、扩频通信主要性能指标移动通信抗干扰和抗衰落技术第107页干扰容限反应了扩频系统接收机能在多大干扰环境下正常工作能力和可能抵抗极限干扰强度，只有当干扰功率超出干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。所以，干扰容限往往比扩频处理增益更能准确地反应系统抗干扰能力。移动通信抗干扰和抗衰落技术第108页3.3.2伪随机序列在直接序列扩频和跳频扩频技术中，都要用到一类称之为伪噪声序列（PN序列）扩频码序列。这类序列含有类似随机噪声一些统计特征，但和真正随机信号又不一样，它能够重复产生和处理，是含有类似于随机序列基本特征确实定序列，故称作伪随机序列，又称伪随机码，它通常广泛应用是二进制序列，所以本节仅研究二进制序列。移动通信抗干扰和抗衰落技术第109页最长线性反馈移位存放器序列是最基本和最惯用一个伪随机序列，简称m序列，它通常是由含有线性反馈移位存放器产生周期最长序列。m序列有尖锐自相关特征，有较小相互关值，码元平衡，但正交码组数不多，序列复杂度不大。一、m序列移动通信抗干扰和抗衰落技术第110页1.m序列产生图3-35m序列发生器结构移动通信抗干扰和抗衰落技术第111页移动通信抗干扰和抗衰落技术第112页移动通信抗干扰和抗衰落技术第113页2.m序列性质

（1）均衡性移动通信抗干扰和抗衰落技术第114页（2）游程特征移动通信抗干扰和抗衰落技术第115页（3）移位相加特征移动通信抗干扰和抗衰落技术第116页（4）相关特征移动通信抗干扰和抗衰落技术第117页移动通信抗干扰和抗衰落技术第118页移动通信抗干扰和抗衰落技术第119页移动通信抗干扰和抗衰落技术第120页

图3-36m序列自相关特征移动通信抗干扰和抗衰落技术第121页移动通信抗干扰和抗衰落技术第122页两两m序列正确相互关特征差异很大，有m序列正确相互关特征好，有则较差，不能实际使用。不过:普通来说，伴随周期增加，其归一化相互关值最大值会递减。通常在实际应用中，我们只关心相互关特征好m序列正确特征。移动通信抗干扰和抗衰落技术第123页对于周期为Nm序列组，最好m序列对，它相互关函数值只取3个，分别是：表示取实数整数部分移动通信抗干扰和抗衰落技术第124页这3个值被称为理想三值，能够满足这一特征m序列对，称为m序列优选对，它们可用于实际工程当中。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中，可为每个基站分配一个PN序列，以不一样PN序列来区分基站地址；也可只用一个PN序列，而用PN序列相位来区分基站地址，即每个基站分配一个PN序列初始相位。移动通信抗干扰和抗衰落技术第125页3.m序列功率谱图3-37m序列功率谱密度图移动通信抗干扰和抗衰落技术第126页移动通信抗干扰和抗衰落技术第127页二、Gold码m序列即使性能优良，但一样长度m序列个数不多，且序列之间相互关值并不都好，不便于在码分多址系统中应用。R.Gold于1967年提出了一个基于m序列优选正确码序列，称为Gold码序列。它是m序列组合码，由优选正确两个m序列逐位模2加得到，当改变其中一个m序列相位（向后移位）时，可得到一新Gold序列。Gold序列含有较优良自相关和相互关特征，而且结构简单，产生序列数多，因而取得了广泛应用。移动通信抗干扰和抗衰落技术第128页1.Gold码组成图3-38Gold码发生器框图移动通信抗干扰和抗衰落技术第129页2.Gold码性质（1）长度为N一个优选对能够组成N个Gold码，这N个Gold码加上m1和m2，共N+2个码。它们之中任何两个码周期性相互关函数也是三值函数。（2）Gold码个数比m序列数多得多，而且它们含有优良自相关和相互关特征，完全能够满足实际工程需要。移动通信抗干扰和抗衰落技术第130页（3）Gold码周期性自相关函数也是三值函数。同一优选对产生Gold码周期性相互关函数为三值函数；同长度不一样优选对产生Gold码周期性相互关函数不是三值函数。（4）Gold序列相互关峰值、旁瓣与主瓣之比都比m序列小得多。这一特征在实现码分多址时非常有用。在WCDMA系统中，下行链路采取Gold码区分小区和用户，上行链路采取Gold码区分用户。移动通信抗干扰和抗衰落技术第131页沃尔什函数集是完备非正弦型正交函数集，对应离散沃尔什函数简称为沃尔什序列或沃尔什码。在IS-95CDMA蜂窝移动通信系统中应用了64阶沃尔什序列。沃尔什序列可由哈达玛（Hadamard）矩阵产生。哈达玛矩阵是一方阵，该方阵每一元素为+1或-1，各行（或列）之间是正交，其最低阶哈达玛矩阵为二阶。三、Walsh（沃尔什）函数移动通信抗干扰和抗衰落技术第132页高阶哈达玛矩阵能够由递推公式组成：移动通信抗干扰和抗衰落技术第133页

比如，4阶哈达玛矩阵为4阶沃尔什序列为（括号中数字是哈达玛矩阵行号）移动通信抗干扰和抗衰落技术第134页轻易看出，哈达玛矩阵中行向量就是沃尔什码码字，任意两个码字之间相互关系数为0，即码字之间两两正交。沃尔什码有良好相互关性和很好自相关特征。利用沃尔什函数矩阵递推关系，可得到阵列沃尔什序列。这些序列在Qualcomm-CDMA数字蜂窝移动通信系统中被作为前向码分信道，因为是正交码，可供码分信道数等于正交码长，即64个，并采取64位正交沃尔什函数来用作反向信道编码调制。移动通信抗干扰和抗衰落技术第135页3.3.3直接序列扩频系统直接序列扩频系统亦称直扩系统，或称伪噪音系统，记作DS系统。直接序列扩频通信系统中，扩展信号带宽方法是用一个PN序列和它相乘，得到宽带信号能够在基带传输系统传输，也能够进行各种载波数字调制，如2PSK、QPSK等，其输出则是扩频射频信号，再经天线辐射出去。下面以2PSK为例子，说明直接序列扩频通信系统原理和抗干扰能力。移动通信抗干扰和抗衰落技术第136页图3-40直接序列扩频通信系统模型移动通信抗干扰和抗衰落技术第137页图3-41直接序列扩频系统波形移动通信抗干扰和抗衰落技术第138页图3-42扩频调制频谱改变示意图移动通信抗干扰和抗衰落技术第139页移动通信抗干扰和抗衰落技术第140页移动通信抗干扰和抗衰落技术第141页最终要注意是，为了信号解扩，要求当地PN码序列和发射机PN码序列严格同时，不然所接收到就是一片噪声。扩频码同时是扩频通信关键技术之一。同时过程分为两步：第一步对接收到扩频码进行捕捉，使接收、发送扩频码相位（时延）误差小于某一值；第二步用锁相环对收到扩频码进行跟踪，使二者相位相同，并将这一状态保持下去。捕捉又叫粗同时，主要方法有并行相关法、串行相关法和匹配滤波法。跟踪又叫细同时，它需要连续地检测同时误差，依据检测结果不停调整当地PN码相位，使时延差逐步趋于零，并保持此状态。移动通信抗干扰和抗衰落技术第142页3.3.4跳频系统跳频扩频系统就是用二进制伪随机码序列去控制射频载波振荡器输出信号频率，使发射信号载波频率随伪随机码改变而跳变，在多个频率中进行有选择频移键控。频率跳变系统可供随机选取载波频率数通常是几千至几万个离散频率，在如此多离散频率中，每次输出哪一个频率由伪随机码决定。与直扩系统相比，跳频系统中伪随机序列并不是直接传输，而是用来选择信道。因为跳频系统对载波调制方式并无限制，且能与现有模拟调制兼容，故在军用短波、超短波电台和GSM系统中得到了广泛应用。移动通信抗干扰和抗衰落技术第143页一、跳频系统扩频与解扩跳频是指载波频率在很宽频率范围内按某种图案进行跳变。跳频系统原理框图如图3-43所表示。假如图中频率合成器被置定在某一固定频率上，这就是普通数字调制系统，其射频为窄带谱。跳频系统与常规窄带系统区分在于其载波频率受到伪随机序列控制而随机跳变。移动通信抗干扰和抗衰落技术第144页图3-43跳频系统原理框图移动通信抗干扰和抗衰落技术第145页对跳频系统来说，一个主要指标是跳变速率，能够分为快、慢两类。慢跳变比较轻易实现，但抗干扰性能也较差，跳变速率远比信号速率低，可能是数秒至数十秒才跳变一次。快跳速率靠近信号最低频率，可达每秒几十跳、上百跳或上千跳。快跳抗干扰和隐蔽性能很好，但实现既能快速跳变又有高稳定度频率合成器比较困难。这是实现快速跳频系统又一关键问题。跳频速度越快，越有利于躲避敌方干扰，但要求频率合成器换频时间越短。移动通信抗干扰和抗衰落技术第146页二、跳频图案产生图3-44跳频图案移动通信抗干扰和抗衰落技术第147页用来控制载波频率跳变地址码称为跳频序列。序列中每一个元素，对应于跳频频率集合中一个频率，在跳频序列控制下，载波频率随机跳变规律称为跳频图案。跳频信号在每一瞬间系统只占用可用频谱资源极小一部分，所以能够在其余频谱安排另外跳频系统，只要这些系统跳频序列不发生重合，即在每频点上不发生碰撞，就能够共享同一跳频带宽进行通信而互不干扰。移动通信抗干扰和抗衰落技术第148页图3-44中，共8个频点参加跳频，有3个跳频序列，其中一个序列为6，7，4，3，5，0，2。图中3个跳频序列跳频图案，没有频点重合，所以不会引发系统间干扰。通常把没有频点碰撞两个跳频序列称为正交。利用多个正交跳频序列能够组成正交跳频网。该网中每个用户利用被分配得到跳频码序列，建立自己信道，这是另一个形式码分多址连接方式，所以跳频系统含有码分多址和频带共享组网能力。移动通信抗干扰和抗衰落技术第149页3.3.5RAKE接收机在扩频通信系统中，多径传输给信号接收造成干扰，利用扩频码良好自相关特征能够很好地抑制这种干扰，尤其是多径时延大于扩频码码片时候。不过这些先后抵达信号，都携带相同信息，都含有能量，若能够利用这些能量，则能够变害为利，改进接收信号质量。基于这种思想，Price和Green在1958年提出了多径分离接收技术，这就是RAKE接收机。所谓RAKE接收机，就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定准则合成一路信号供解调用接收机。移动通信抗干扰和抗衰落技术第150页图3-45RAKE接收机原理移动通信抗干扰和抗衰落技术第151页图3-46多径信号分离移动通信抗干扰和抗衰落技术第152页RAKE接收机主要由一组相关器组成，其原理如图3-45所表示。假设每个相关器和多径信号中一个不一样时延分量同时，如图3-46所表示，输出就是携带相同信息但时延不一样信号。为了将这些多径信号进行有效合并，可将每一条多径经过延迟方法使它们在同一时刻到达最大，按最大比方式合并，就能够得到最正确输出信号。然后再进行判决恢复，发送数据。假如各条路径加权系数为1，称为等增益合并方式，在实际系统中还能够采取最大比合并或最正确样点合并方式。移动通信抗干扰和抗衰落技术第153页该接收机利用多个并行相关器，能够增加信号能量，改进信噪比，提升通信质量，所以RAKE接收机含有搜集多径信号能量能力，它作用就像花园里用耙子（rake），故取名为RAKE接收机。能够采取横向滤波器来实现上述时延和最大比合并。在CDMA/IS-95移动通信系统中，基站接收机有4个相关器，移动台有3个相关器。这都确保了对多径信号分离与接收，提升了接收信号质量。移动通信抗干扰和抗衰落技术第154页实现最正确合并横向滤波器移动通信抗干扰和抗衰落技术第155页在移动通信中为反抗衰落产生影响，分集接收是常采取有效方法之一。在移动环境中，经过不一样路径所接收到多个信号其衰落情况是不一样，衰落是独立。所谓分集接收，是指接收端对它收到多个衰落特征相互独立（携带同一信息）信号进行特定处理，以降低信号电平起伏方法。综合利用各信号分量，就有可能显著地改进接收信号质量，这就是分集接收基本思想。分集接收代价是增加接收机复杂度，因为要对各径信号进行跟踪，及时对更多信号分量进行处理，但它能够提升通信可靠性，故被广泛用于移动通信。3.4分集技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第156页分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能取得多个统计独立、携带同一信息衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到多个统计独立衰落信号进行合并（包含选择与组合）以降低衰落影响。移动通信抗干扰和抗衰落技术第157页分集技术分类移动通信抗干扰和抗衰落技术第158页分集技术分类1.宏观分集宏观分集主要用于蜂窝通信系统中，也称为多基站分集。这是一个减小慢衰落影响分集技术，其做法是把多个基站设置在不一样地理位置上，并使其在不一样方向上，这些基站同时和小区内一个移动台进行通信（能够选取其中信号最好一个基站进行通信）。移动通信抗干扰和抗衰落技术第159页2.微观分集微观分集是一个减小快衰落影响分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离无线信号，都展现相互独立衰落特征。利用这些特点采取对应方法能够得到来自同一发射机衰落独立多个信号，这就有各种分集技术。分集技术分类移动通信抗干扰和抗衰落技术第160页2.微观分集（1）空间分集空间分集是利用不一样接收地点（空间）位置不一样，利用不一样地点接收到信号在统计上不相关性，即衰落性质上不一样，实现抗衰落性能。在相隔足够大距离上，信号衰落是相互独立，若在此距离上设置两副接收天线，它们所接收到来自同一发射机发射信号就能够认为是不相关。这种分集方式也称作天线分集。使接收信号不相关两副天线距离，因移动台天线和基站天线所处环境不一样而有所区分。移动通信抗干扰和抗衰落技术第161页移动通信抗干扰和抗衰落技术第162页移动通信抗干扰和抗衰落技术第163页2.微观分集（2）时间分集快衰落除了含有空间和频率独立性之外，还含有时间独立性，即同一信号在不一样时间区间屡次重发，只要各次发送时间间隔足够大(?大到什么程度)，那么各次发送信号所出现衰落将是彼此独立，接收机将重复收到同一信号进行合并，就能减小衰落影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。移动通信抗干扰和抗衰落技术第164页移动通信抗干扰和抗衰落技术第165页（3）频率分集在无线信道中，若两个载波间隔大于信道相干带宽，则这两个载波信号衰落是相互独立。所认为了取得多个频率分集信号，直接在多个载波上传输同一信息，所需带宽就很宽，这对频谱资源短缺移动通信来说，代价是很大。在实际应用中，一个实现频率分集方法是采取跳频扩频技术。2.微观分集移动通信抗干扰和抗衰落技术第166页3.4.2合并技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第167页惯用合并方式有以下三种。（1）选择式合并（SelectiveCombining）合并器选择信噪比最高一路输出，这相当于在多个加权系数中，只有一个为1，其余均为0。选择式合并又称开关式相加。这种方式方法简单，实现轻易。但因为未被选择支路信号弃之不用，所以抗衰落不如后述两种方式。3.4.2合并技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第168页（2）最大比值合并（MaximumRatioCombing）在选择合并中，只选择其中一个信号，其余信号被抛弃，这些被弃之不用信号都含有能量，而且携带相同信息，若把它们也利用上，将会显著改进合并器输出信噪比。基于这么考虑，最大比值合并把各支路信号加权后合并。在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相（目标？），然后相加。最大比值合并是一个最正确合并方式。3.4.2合并技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第169页移动通信抗干扰和抗衰落技术第170页移动通信抗干扰和抗衰落技术第171页（3）等增益合并（EqualGainCombing）等增益合并无需对信号加权，各支路信号是等增益相加。等增益合并方式实现比较简单，其性能靠近于最大比值合并。等增益合并器输出信号包络为3.4.2合并技术移动通信抗干扰和抗衰落技术第172页移动通信抗干扰和抗衰落技术第173页二、合并技术性能分析与比较信号合并目标就是要使它信噪比有所改进，所以对合并器性能分析是围绕其输出信噪比进行。分集效果惯用分集改进因子来描述，也能够用中止概率来描述。信噪比改进与合并方式相关。移动通信抗干扰和抗衰落技术第174页为了便于比较三种合并方式，假设它们都满足以下三个条件：①每一支路噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零，含有恒定均方根；②信号幅度改变是因为信号衰落，其衰落速率比信号最低调制频率低许多；③各支路信号相互独立，服从瑞利分布，含有相同平均功率。移动通信抗干扰和抗衰落技术第175页（1）选择式合并性能移动通信抗干扰和抗衰落技术第176页移动通信抗干扰和抗衰落技术第177页移动通信抗干扰和抗衰落技术第178页移动通信抗干扰和抗衰落技术第179页移动通信抗干扰和抗衰落技术第180页

能够看出，在给定门限信噪比情况下，伴随分集支路数增加，所需支路接收信号平均信噪比在下降，这意味着采取分集技术能够降低对接收信号功率（或者说降低对发射功率）要求，而依然能确保系统所需通信概率，这就是采取分集技术带来好处。移动通信抗干扰和抗衰落技术第181页（2）最大比值合并性能假设各支路平均噪声功率是相互独立，合并器输出平均噪声功率是各支路输出噪声功率之和，即为最大比值合并器输出可能得到最大信噪比为各支路信噪比之和，即移动通信抗干扰和抗衰落技术第182页移动通信抗干扰和抗衰落技术第183页移动通信抗干扰和抗衰落技术第184页总而言之，最大比值合并时各支路加权系数与本路信号幅度成正比，而与本路噪声功率成反比，合并后可取得最大信噪比输出。若各路噪声功率相同，则加权系数仅随本路信号振幅而改变，信噪比大支路加权系数就大，信噪比小支路加权系数就小。移动通信抗干扰和抗衰落技术第185页移动通信抗干扰和抗衰落技术第186页移动通信抗干扰和抗衰落技术第187页在3种合并方式中，最大比值合并有最好性能，但它要求有准确加权系数，实现电路比较复杂。等增益合并性能即使比它差些，但实现起来要轻易得多。等增益合并器各支路加权系数都等于1。（3）等增益合并性能移动通信抗干扰和抗衰落技术第188页

当时，有即等于没有分集时平均信噪比1.78倍

移动通信抗干扰和抗衰落技术第189页2.性能比较为了衡量不一样合并方式性能，能够比较其平均信噪比改进。所谓平均信噪比改进，是指分集接收机合并器输出平均信噪比与无分集时平均信噪比改进分贝数。这个比值称作合并方式改进因子，用D表示。移动通信抗干扰和抗衰落技术第190页选择合并方式选择式合并改进因子随分集重数M增大而增大，但增大速率较小移动通信抗干扰和抗衰落技术第191页最大比值合并最大比值合并改进因子随分集重数增大而成正比地增大移动通信抗干扰和抗衰落技术第192页等增益合并移动通信抗干扰和抗衰落技术第193页图3-54三种合并方式关系曲线移动通信抗干扰和抗衰落技术第194页移动通信抗干扰和抗衰落技术第195页3.5均衡技术在移动环境中，因为信道时变多径传输特征，引发了严重码间干扰，为了提升信息传输可靠性，必须采取适当办法来克服码间干扰影响，方法就是采取均衡技术。均衡分为频域均衡和时域均衡。频域均衡从频域角度来满足无失真传输条件，它经过分别校正系统幅频特征和群时延特征来实现，主要用于早期固定式有线传输网络中。时域均衡从时间响应考虑，使包含均衡器在内整个系统冲激响应满足理想无码间干扰条件，实现起来比频域均衡方便，性能普通比频域均衡好，故得到广泛应用。尤其是在时变移动信道中，几乎都采取时域均衡实现方式，所以下面仅讨论时域均衡。移动通信抗干扰和抗衰落技术第196页时域均衡技术可分为两类：线性均衡器结构相对比较简单，只能用于信道畸变不十分严重情形，在移动通信多径衰落信道中，信道频率响应往往会出现频率选择性衰落，这时线性均衡器往往无法很好地工作。非线性均衡器有判决反馈均衡器（DFE，DecisionFeedbackEqualizer）、最大似然符号检测器（MaximumLikehondSymbolDetector）和最大似然序列估值器（MLSE，MaximumLikehoodSequenceEstimator）。移动通信抗干扰和抗衰落技术第197页均衡算法有最小均方误差算法（LMS，LeastMeanSquareError）、递归最小二乘法（RLS,RecursiveLeastSquare）、快速递归最小二乘法（FastRLS）、平方根递归最小二乘法（SquareRootRLS）和梯度最小二乘法（GradientRLS）等。（结构不一样目标函数求最优解）移动通信抗干扰和抗衰落技术第198页图3-55均衡器类型、结构