第四章 抗衰落和链路性能增强技术

第四章抗衰落和链路性能增强技术第一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五衰落产生的原因第四章抗衰落和链路性能增强技术2六月23第二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五不同信道条件对系统性能影响3差的信道极差的信道好的信道第三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五降低衰落影响的方法第四章抗衰落和链路性能增强技术4抗失真技术：减少或消除失真的技术抗SNR损耗：能最佳地达到AWGN系统性能的技术频率选择性失真自适应均衡扩频：DS或FHOFDM基于导频的信道估计平坦衰落和慢衰落纠错编码某种类型的分集获得附

加的不相关信号估计

时间分集(ARQ等)频率分集空间分集快衰落失真鲁棒调制(非相干或差分相干)提高信息传输速率纠错编码和交织六月23第四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五第四章内容4.1分集技术4.2信道编码与交织4.3均衡技术4.4扩频技术4.5多天线技术4.6链路自适应技术第四章抗衰落和链路性能增强技术5六月23第五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.1分集技术分集技术的基本概念宏观分集微观分集分集的合并方式及性能第四章抗衰落和链路性能增强技术6六月23第六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.1.1分集技术的基本概念深衰落决定了无线传输系统的误码率。第四章抗衰落和链路性能增强技术7深衰落图4.1衰落影响示意图六月23第七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五分集的原理原理：信号经过“复制”和映射，在多个独立信道上传播，则各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率降低。8两条路径同时出现深衰落的概率降低t/f/d/p接收信号功率六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术第八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五分集技术的概念概念：利用加性独立（或至少是不相关）的衰落路径传送相同的信号并合并，从而提高接收信号的信噪比。目标：对抗移动信道造成的各种衰落，既可抗失真又可抗SNR损耗。本质：对同一信号在不同时间、频率、空间、极化方向的采样。难点：如何得到多路信号？如何合并多路信号？第四章抗衰落和链路性能增强技术9六月23第九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.1.2宏观分集多基站分集抗大尺度路径损耗第四章抗衰落和链路性能增强技术10六月23第十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.1.3微观分集抗小尺度衰落空间分集用不相关的两个以上天线或者同一天线的不同极化方向传输同一个信号频率分集用两个以上载频传输同一个信号。时间分集在不同时间传输同一个信号。第四章抗衰落和链路性能增强技术11六月23第十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五多天线分集发射分集接收分集获取空间分集的条件多个路径之间的距离>>空间相干距离12空间分集(1)图4.2多天线分集(a)发射分集(b)接收分集第十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五空间分集(2)第四章抗衰落和链路性能增强技术13图4.3发射分集和接收分集的联合MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多入多出)六月23第十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五ARQ：AutomaticRepeatreQuest频率分集和时间分集频率分集传输信息以不同的频率进行传输频率间距>>相干带宽常见方式：直接序列扩频DSSS、跳频FH时间分集传输信息在不同的时刻重复传输信号重发时间间隔>>相干时间常见方式：ARQ、Rake接收机、交织、重复编码等14DSSS：DirectSequenceSpreadSpectrumFH：FrequencyHopping第十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五举例[例4.1]工作频段为800~900MHz，典型的时延扩展值为5us，多普勒扩展为5Hz，采用重传获取分集增益，问能获取频率分集的载频间隔；能获取时间分集的重传时间间隔。解：信道相干带宽：信道相干时间:为获取频率分集，两次重传的载频间隔应远大于40kHz;

为获取时间分集，两次重传的时间间隔应远大于84.6ms第四章抗衰落和链路性能增强技术15六月23第十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.1.4分集的合并方式及性能问题：接收到分集信号后，以什么方式作为输出？选择合并最大比合并等增益合并评价中断概率误比特率16设：各支路信号相互独立，包络服从瑞利分布，具有相同的平均功率?M：分集支路第十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五选择合并(SC：SelectionCombining)选择具有最大SNR的分支六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术17图4.4选择合并示意图第十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五选择合并性能分析设：没有LOS，接收信号的包络呈瑞利衰落特性，第k条支路信号的包络为rk，则其概率密度函数为：信号的瞬时功率为rk2/2，设各支路的噪声平均功率相同，为Nk，则第k条支路的信噪比为：根据连续型随机变量的函数的概率密度函数，若随机变量X的概率密度函数为pX

(x)，函数Y=g(x)处处可导，且导数>0，若h(y)是g(x)的反函数，则Y的概率密度函数为18第十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五19第十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五20设：选择合并输出的信噪比：M正常工作的信噪比门限：t当某个支路的信噪比k<t时，该支路发生深衰落，某支路发生深衰落的概率为：当M

<t时，通信中断，中断概率为：Mt的概率（正常工作的概率）为：第二十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五通信中断的概率21图4.5选择合并的通信中断概率第二十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五22因为通信中断的概率为：M的概率密度函数为：求出M的均值：第二十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五选择合并性能分析选择合并的增益GS为：特点：实现简单，但不是最优的。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术23第二十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五最大比合并(MaximalRatioCombining)所有分支依据信噪比（SNR）进行加权相干合并（调整同相后再相加）六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术24图4.6最大比合并示意图第二十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五最大比合并性能分析25M路合并输出信号的包络：合并信号的瞬时功率：合并输出的噪声总功率：合并器输出的信噪比第二十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五由许瓦兹不等式：若满足，等式成立。因此，当下式成立时，M最大：26第二十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五即是一个由两个零均值，方差为的高斯随机变量构成的自由度为2的中心2分布（也是指数分布）。则M是一个由2M个零均值，方差为的高斯随机变量构成的自由度为2M的中心2分布，概率密度函数为：中断概率：27第二十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五最大比合并性能分析若各支路具有相同的平均信噪比合并增益：特点：性能最优，实现复杂。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术28第二十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五等增益合并所有分支等权重相干合并等增益合并输出的包络设各支路噪声平均功率相等，则输出的信噪比为：六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术29第二十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五各支路不相关，所以又rk都为瑞利分布，且均值相同，方差相同：30第三十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五不同合并性能比较六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术31图4.7各种合并方式的改善第三十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五分集对数字移动通信误码的影响平均误符号率：

为AWGN信道下的误符号率

无分集时的平均信噪比（符号、比特）：M分集时每条支路的平均信噪比（符号）：32第三十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五33以DPSK非相干解调、选择合并为例：1)AWGN信道下：2)Rayleigh信道，无分集：第三十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五343)Rayleigh信道，M分集，选择合并：第三十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五分集对数字移动通信误码的影响35图4.8M=2时各种合并方式DPSK的误码性能约9dBAWGNRayleigh衰落信道第三十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五分集技术36分集技术分集的目的信号传输方式获得多路信号的方式宏观分集（抗长期衰落）微观分集（抗短期衰落）显分集隐分集交织和编码技术跳频技术直接序列扩频技术空间位置分集(多天线)空间角度分集(智能天线)时间分集频率分集(跳频或直扩)极化分集六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术第三十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五第四章内容4.1分集技术4.2信道编码与交织4.3均衡技术4.4扩频技术4.5多天线技术4.6链路自适应技术第四章抗衰落和链路性能增强技术37六月23第三十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五降低衰落影响的方法第四章抗衰落和链路性能增强技术38抗失真技术：减少或消除失真的技术抗SNR损耗：能最佳地达到AWGN系统性能的技术频率选择性失真自适应均衡扩频：DS或FHOFDM基于导频的信道估计平坦衰落和慢衰落纠错编码某种类型的分集获得附

加的不相关信号估计

时间分集(ARQ等)频率分集空间分集快衰落失真鲁棒调制(非相干或差分相干)提高信息传输速率纠错编码和交织六月23第三十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五信道编译码在无线通信系统中的位置图4.9无线通信系统的基本组成框图39信息序列重构信息序列第三十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.2信道编码与交织1948年香农提出有噪信道编码定理：只要信息传输速率小于信道容量，就存在一类编码，使信息传输的错误概率可以任意小。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术40第四十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.2.1信道编码的基本概念为什么引入信道编码移动信道是变参信道，会引起随机错误与突发错误。信道编码的目的保证信息传输的可靠性、提高传输质量。信道编码的定义在信息码元中增加一些冗余码元，用来在接收端检测或纠正在有噪信道中引入的误码。41第四十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五基本术语码字：信息码元与冗余码元一起构成的消息块称为码字。码率：码距（d）：是指两个码字中对应码元位不相同的数目。如果是二进制码，又称为汉明距。码组中任意两个码字之间的最小距离称为最小码距dmin。42k个码元k个码元n-k个码元信息码元冗余码元(校验码元)第四十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五信道编码本质43最小码距dmin实际代表了纠检错能力。信道编码本质：增加最小码距dmin。第四十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五性能指标性能指标编码效率：码率R编码增益：编码延时编译码器的复杂度主要分类按码结构分：分组码和卷积码六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术44第四十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五常见的信道编码1)分组码(BlockCodes)2)卷积码(ConvolutionalCodes)3)Turbo码4)LDPC码(LowDensityParityCodes)六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术45第四十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.2.2卷积码卷积码的校验码元与当前k个码元和前m段的mk个码元有关记为(n,k,m)卷积码k:输入信息长度n:输出码字长度

m:记忆深度约束长度:l=m+1码率：R=k/n六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术46第四十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积编码器结构六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术47图4.10(2,1,2)卷积编码器结构（n,k,m）卷积编码器，m：记忆深度，通常表示移位寄存器个数。第四十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积编码器的多项式描述输入输入序列：输入多项式：生成多项式：输出：六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术48(2,1,2)卷积编码器结构第四十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五49举例说明：输入序列11101时，寄存器初值为0，如图所示的二进制(2,1,2)卷积编码器，求编码输出序列。生成多项式为：输入多项式为：输出：(2,1,2)卷积编码器结构第四十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五50第五十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积编码器的状态图描述状态：51(2,1,2)卷积编码器结构00s010s101s211s31/110/000/001/110/100/101/011/010/110/111/001/000/010/011/101/100000000111110001111001a/b1b2图4.11(2,1,2)卷积码的状态图第五十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积编码器的网格图描述网格图：把编码器的状态图沿时间轴展开0/001/110/101/010/111/000/011/10图4.12(2,1,2)卷积码L=4的网格图L：信息序列长度，Lk个比特第五十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五举例：利用网格图分析卷积编码过程及路径输入：状态：输出：531/110/101/010/111/000/011/101/1111101…1/011/100/011/0000/10补mk个零00/110/0010路径输出的码字序列第五十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积码的译码54译码任务由接收序列R给出与发端信息序列M最接近的估值序列译码器根据接收R产生发送C的估值序列P(R)：接收R的概率，与译码方法无关。第五十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五最大后验概率译码55最佳译码规则最大后验概率译码（MAP：MaximumA

Posteriori）L：输入信息序列长度（分支长度），假设k=1第五十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五最大似然译码56若发端发送每个码字的概率P(C(i))均相同，则有最大似然译码（ML：MaximumLikelihood）寻找似然函数最大的码字C(m)，并让C(m)作为发送序列似然函数第五十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五57假设码率为1/n，即每个分支n个码元，假设信道无记忆寻找似然函数最大值对应的路径第五十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五为简化计算，取对数似然函数58从2L条路径中选择对数似然函数值最大的一条路径？复杂度太高！维特比译码分支度量路径度量第五十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积码的维特比译码基本思想是一种最大似然译码，分段处理，每级每个状态都只保留当前最有可能的一条路径，k=1时，中间每级只有2m条路径（m<<L），大大降低复杂度。两个步骤加-比-选回溯译码PM：PathMeritBM：BranchMerit第五十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五硬判决：解调器直接判0或1（1比特量化）分支度量：汉明距离

例如若Cl

(m)=00，Rl

=00，BM=0；Rl

=10，BM=1；硬判决译码——寻找与接收序列汉明距最小的路径分支度量值的计算(1)分支度量BM距离越小，似然值越大Rl

=01，BM=1；Rl

=11，BM=2；第六十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五分支度量值的计算(2)软判决：解调器对输出进行q（q>1）比特量化（带符号）。分支度量：对数似然值，例如BPSK，61分支度量BM第六十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五62第六十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五63分支度量BM软判决译码——寻找对数似然函数最大值路径。相当于寻找与接收序列的内积最大的码字序列（双极性码元）路径。所有路径该项相同第六十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五6411信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（第一步）补零0/001/110/101/010/111/000/011/100020第六十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五6511信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（第二步）补零0/001/110/101/010/111/000/011/100020003113102010第六十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五6611信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（第三步）补零0/001/110/101/010/111/000/011/100020003113102010004114103015113003012100第六十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五6711信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（第四步）补零0/001/110/101/010/111/000/011/100102010113003012100004114105013113003010102第六十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五6811信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（第五步）补零0/001/110/101/010/111/000/011/100010012100113003010102004114105013111001012104第六十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五6911信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（第六步）补零0/001/110/101/010/111/000/011/100010012100301010201311100101200001011130152第六十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五7011信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（第七步）补零0/001/110/101/010/111/000/011/100010100010111001001012003112第七十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五7111信息序列M：1110100发送码字C：11011001001011接收序列R：11011001011010举例：维特比硬判决译码（路径回溯）补零00101000100011011120010111第七十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五维特比译码的特点维特比译码的特点维特比算法是最大似然译码算法运算量和存贮量与状态数2km呈线性关系（(n,k,m)卷积码）运算量和存贮量与码长L呈线性关系截尾译码分段译码，降低复杂度。译码深度h：

m为编码器记忆深度（即约束长度-1）六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术72第七十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积码的自由距自由距df任意长编码序列之间的最小汉明距卷积码的自由距等于编码器从全0状态出发，又回到该状态时，所有可能非全0路径重量的最小值。73重量最小的路径：在译码深度长度内，可以纠正[(df-1)/2]个随机错误。第七十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五卷积码的编码增益74表4.11/2卷积编码的自由距和编码增益（硬判决）mg1(八进制)g2(八进制)df编码增益25750.973647461.764467272.435655783.016171133103.987712476103.988561753124.77第七十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五采用(2,1,8)卷积码的BPSK系统性能75约3.9dB约2dB约4.2dB图4.13采用(2,1,8)卷积码的BPSK系统性能第七十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五几种重要编码的指标比较以1/2码率，P

e<10-5为例六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术76表4.2几种重要编码的指标比较年份码型相对信噪比(dB)1948香农码01967（255,125）BCH码5.41977卷积码4.51993Turbo码0.72001LDPC码0.0045第七十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五

信道编码的应用应用（检错基本都用CRC）GSM和IS-95主要采用卷积码3G话音:卷积码数据:卷积码,Turbo码

B3G话音:卷积码数据:卷积码,Turbo码,LDPC码六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术77第七十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.2.3交织交织把一条消息中的比特以非连续方式传送，使突发差错信道变为离散信道，便于利用纠错码消除随机错。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术78交织解交织输入输出独立无记忆信道编码调制解调译码突发信道第七十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五……………………交织方法行列交织、卷积交织、随机交织7d,…6,5,4,3,2,17d,…,16,9,2,7d-6,…,15,8,17d,…,16,9,2,7d-6,…,15,8,17d,…10,9,8,7,6,5,4,3,2,1交织延迟图4.14行列交织示意图(突发错误小于交织深度)突发错误126789131415162021…………7d-67d-57d-17dn=7,交织宽度d,交织深度12891516……7d-67d-561320…7d-171421…7d第七十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五7d,…,16,9,2,7d-6,…,15,8,1图4.15突发错误大于交织深度交织深度小于突发错误长度，导致解交织后仍有相邻的突发错误，不利于译码纠错。7d,…,10,3,7d-5…,16,9,2,7d-6,…,15,8,17d,…10,9,8,7,6,5,4,3,2,1突发错误…………7d,…6,5,4,3,2,1126789131415162021…………7d-67d-57d-17dn=7,交织宽度d,交织深度12891516……7d-67d-531017…7d-471421…7d第八十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五交织参数交织深度交织前相邻两符号在交织后的间隔距离，要求>>相干时间→时间分集交织宽度交织后相邻两符号在交织前的间隔距离，取决于使用的编码机制。分组码：交织宽度>分组长度卷积码：交织宽度>译码约束长度收发交织延迟交织器与解交织器的端到端延迟（不含信道传输延迟：每个符号从解交织器输出时相对于输入交织器时的时间延迟。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术81第八十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五举例[例4.2]系统采用行列交织器来对抗突发衰落，Rs=30kbit/s，信道的最大多普勒频移为80Hz，试求能使符号衰落独立所需要的最小交织深度？解：码元周期信道相干时间:

要保证交织后衰落的独立性，交织后符号间间隔必须>>Tc

交织深度：82六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术第八十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五83图4.16交织深度变化时的差错性能交织深度变化时的差错性能0.05第八十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五第四章内容4.1分集技术4.2信道编码与交织4.3均衡技术4.4扩频技术4.5多天线技术4.6链路自适应技术第四章抗衰落和链路性能增强技术84六月23第八十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五降低衰落影响的方法第四章抗衰落和链路性能增强技术85抗失真技术：减少或消除失真的技术抗SNR损耗：能最佳地达到AWGN系统性能的技术频率选择性失真自适应均衡扩频：DS或FHOFDM基于导频的信道估计平坦衰落和慢衰落纠错编码某种类型的分集获得附

加的不相关信号估计

时间分集(ARQ等)频率分集空间分集快衰落失真鲁棒调制(非相干或差分相干)提高信息传输速率纠错编码和交织六月23第八十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.3均衡技术4.3.1基本原理码间干扰和横向滤波器评价均衡器性能的准则均衡器系数的计算4.3.2非线性均衡器判决反馈均衡器最大似然估计均衡器4.3.3自适应均衡器六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术86第八十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.3.1基本原理码间干扰87符号1符号2符号3符号4……符号1符号2符号3符号4……图4.17理想和实际接收信号冲激响应的差异第八十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五均衡接收端产生与信道相反的特性，消除信道的时间和频率选择性。发端：经过信道：均衡后：频域：六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术88广义信道h(n)均衡器e(n)判决(n)第八十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五均衡器的横向滤波器结构基本结构六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术89TTTTc-Nc-1c0c1cN抽头加权算法ci输出y(t)输入x(t)……图4.18均衡器的横向滤波器结构第八十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五举例[例4.3]发端发送一个单脉冲信号，接收端

输入序列{xn}=(1/4,1,1/2)，将其经过一个三抽头的均衡器，系数为(c-1,c0,c1)=(-1/3,4/3,-2/3)，求均衡器的输出。均衡器的输出：六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术90通过均衡，码间干扰得到了改善第九十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五均衡准则911）最小峰值失真准则使码间干扰的峰值最小。2）最小均方畸变准则使码间干扰的均方误差最小。或者第九十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五均衡器系数的计算(1)1）按最小峰值失真准则最优化算法：迫零算法：若均衡前的初始畸变D0满足：则D的最小值必定发生在y0前后的yn

=0的情况。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术92第九十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五93第九十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五举例

[例4.4]发端发送一个单脉冲信号，接收端

输入序列{xn}=(0,1/4,1,1/2,0)，将其经过一个三抽头的均衡器，求按峰值畸变最小的均衡器系数。解：用迫零算法：94第九十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五均衡器系数的计算(2)2）按最小均方误差准则L的最小值必定发生在偏导数为零处，求解得其中：六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术95第九十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.3.2非线性均衡器输入和输出为非线性关系。判决反馈均衡器（DFE：DecisionFeedbackEqualization）：利用了先前的判决信息96图4.19判决反馈均衡器当前估值拖尾干扰第九十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五非线性均衡器最大似然序列均衡器（MLSE：MaximumLikelihoodSequenceEstimationEqualization）六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术97图4.20维特比均衡器第九十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.3.3自适应均衡器自适应均衡：能够基于对信道特性的测量随时调整自己的系数，以适应信道特性的变化。训练模式：发端发送一个接收端已知的序列使均衡器迅速收敛，完成抽头系数初始化；跟踪模式：直接利用通信中传输的数字信号的判决形成误差信号，并依据自适应算法跟踪调节抽头系数。98图4.21自适应均衡器第九十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五自适应均衡正向均衡：利用本时隙训练序列对当前数据进行均衡反向均衡：利用下时隙训练序列对当前数据进行均衡99选择误差小的均衡结果正向均衡反向均衡第九十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五均衡器性能指标算法收敛速度算法收敛时所需要的迭代次数算法复杂度完成迭代所需要的运算次数稳定性六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术100第一百页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五实际系统中的均衡技术均衡按实现的域分类时域/频域均衡在宽带单载波系统中常用频域均衡技术在窄带数字通信系统中常用时域均衡技术GSM

训练序列位于时隙中间常用自适应非线性均衡器，例如维特比均衡六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术101第一百零一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五第四章内容4.1分集技术4.2信道编码与交织4.3均衡技术4.4扩频技术4.5多天线技术4.6链路自适应技术第四章抗衰落和链路性能增强技术102六月23第一百零二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五降低衰落影响的方法第四章抗衰落和链路性能增强技术103抗失真技术：减少或消除失真的技术抗SNR损耗：能最佳地达到AWGN系统性能的技术频率选择性失真自适应均衡扩频：DS或FHOFDM基于导频的信道估计平坦衰落和慢衰落纠错编码某种类型的分集获得附

加的不相关信号估计

时间分集(ARQ等)频率分集空间分集快衰落失真鲁棒调制(非相干或差分相干)提高信息传输速率纠错编码和交织六月23第一百零三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.4扩频技术4.4.1扩频通信概述4.4.2伪噪声序列4.4.3直接序列扩频通信系统4.4.4跳频扩频通信系统六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术104第一百零四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.4.1扩频通信概述扩频通信的理论基础香农公式：展宽信号带宽W

，以带宽的增加来换取传输性能的改善。扩频的定义扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的扩频码序列来完成，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的扩频码进行相关解扩及恢复所传信息数据。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术105第一百零五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五扩频系统模型六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术106图4.22扩频系统模型收发双方已知窄带宽带窄带宽带第一百零六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五干扰环境下的窄带通信系统发端收端六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术107图4.23干扰环境下的窄带通信系统系统无法正常工作第一百零七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五扩频系统的优点降低信号功率谱密度——抗截获干扰抑制——抗干扰108图4.24扩频系统抗干扰能力示意图发端收端第一百零八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五问题：扩频系统是否具有抗白噪声能力？109窄带系统图4.25白噪声环境下的窄带系统与扩频系统扩频后的白噪声功率谱密度不变，频谱的扩展在白噪声环境下不会带来性能的提升。扩频系统第一百零九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五扩频处理增益扩频处理增益GP六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术110第一百一十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五扩频技术的种类直接序列扩频（简称直扩，DS:DirectSequence）要传送的信息序列经伪随机序列调制后对载波进行调制，伪随机序列的速率远大于信息的速率，已调制信号的带宽远大于信息的频谱宽度；跳频（FH:FrequencyHopping）信号的载波频率受伪随机序列的控制在一个频段内跳变，频率跳变的范围远大于信息的频谱宽度；跳时（TH：TimeHopping）把一个信息码元划分成若干个时隙，用伪随机序列控制信息码元以突发的方式伪随机地在某一个时隙传输。混合扩频如DS/FH，FH/TH等。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术111第一百一十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.4.2伪噪声序列适用于扩频的伪随机序列的特点自相关，互相关特性好有近似噪声的频谱性质常用序列m序列Gold序列六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术112PN：PseudoNoise第一百一十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五m序列m序列是最长线性移位寄存器序列的简称寄存器个数（级数）：n序列周期N：

N=2n－1抽头系数结构需满足一定条件，见表4.4。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术113图4.26m序列发生器的结构第一百一十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五m序列的性质平衡特性在m序列的一个周期中，1的数目比0多1个。游程特性游程：随机序列中连续出现0或1的子序列游程长度：连续的0或1的个数在n级m序列一个周期中，共有2n-1个游程。长为k(1

k

n-2)的游程数占游程总数的l/2k

（0游程和1游程各占一半）有1个长为n的1游程，1个长为n-1的0游程六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术114第一百一十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五m序列的相关特性两个序列的互相关函数A：序列a,b对应位模二加后的

“0”的个数D：序列a,b对应位模二加后的“1”的个数m序列的自相关性周期的二值函数115第一百一十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五m序列的功率谱m序列是一个周期信号，功率谱是一个离散谱。116第一百一十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五117举例：n=4，C0=C1=C4=1输出：111101011001000平衡特性

7个0，8个1，相差为1游程特性游程总数：2n-1=24-1=8长度1的游程：4个=8/21长度2的游程：2个=8/22长度3的游程：1个长度4的游程：1个第一百一十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五输出：111101011001000自相关特性118举例：n=4，C0=C1=C4=1第一百一十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五发端信息的扩频收端信息的解扩TsTc000104.4.3直接序列扩频通信系统1直接序列扩频原理图Rs=1/TsRc=1/Tc第一百一十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五120举例：输入比特序列为01101，如果用长度为4的扩频码1010对其进行直接序列扩频，求扩频后的码片序列是什么？扩频增益为多少dB？扩频增益第一百二十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五直扩系统的特点由高码率的扩频序列对低速率的信息进行调制以扩展频谱扩频码序列多采用伪随机码(PN)调制方式多采用BPSK或QPSK接收端多采用本地PN序列对接收信号进行相关解扩扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术121第一百二十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五直扩系统的抗干扰122发端收端第一百二十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五抗多径干扰和RAKE接收RAKE接收：利用扩频码的相关特性进行多径分离与合并，实现时间分集与多径分集。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术123大于Tc第一百二十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五124未扩频系统：多径信号的矢量合成直扩系统：采用相关解扩、没有Rake接收直扩系统：采用相关解扩、Rake接收后的合成矢量第1径第2径第3径接收后的合成矢量第一百二十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五RAKE接收原理(1)图4.27RAKE接收机结构125RAKE接收机结构第一百二十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五RAKE接收原理(2)多径分离Chip周期小于多径时延差直扩序列信号的自相关好多径合并准则第一路径准则；最强路径准则；最大比合并准则；等增益合并准则……RAKE接收的本质时间分集、多径分集六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术126第一百二十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五直扩系统的抗衰落抗频率选择性失真：扩频码的码片时间小于多径时延差时，可利用扩频码的自相关特性进行相关解扩，提取所需要的主径信号，抑制多径干扰。抗SNR损耗：利用RAKE接收，将各条多径信号分离且合并，时间分集、多径分集，具有分集合并增益。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术127C1C2C3C4C5……C1C2C3C4C5……>TC

TC第一百二十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.4.4跳频扩频通信系统128图4.28跳频系统原理框图跳频载波信号的频率随时间而变化在每个跳频点上的瞬时通信实际上还是窄带通信跳频是靠“躲避”干扰来提升抗干扰性能的本质频率分集第一百二十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五跳频原理跳频图案：收发双方约定好的频率跳变规律跳频驻留时间：每个跳频频点上停留的时间六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术129图4.29跳频图案示例跳频驻留时间第一百二十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五跳频系统参数跳频最小频率间隔相邻跳频频点间隔调制信号带宽跳频带宽跳频频点数×跳频最小频率间隔跳频处理增益通常，跳频最小频率间隔等于瞬时带宽，此时跳频处理增益等于跳频频点数。六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术130第一百三十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五快跳频与慢跳频快跳频（FFH）：跳频速率≥符号传输速率，即一跳或多跳传输一个符号信息；慢跳频（SFH）：跳频速率<符号传输速率，即一跳携带多个信息符号。131符号周期快跳频驻留时间慢跳频驻留时间第一百三十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五跳频系统的抗窄带干扰132PSPSPJPSPJPJ=PJ/L滤波器PSPJPSPJ直扩系统跳频系统PJ=PJ/GPPSPJPJ被干扰概率：1被干扰概率：1/GP跳频抗窄带干扰能力优于直扩第一百三十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五跳频系统的抗衰落抗频率选择性失真：在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号，但需以提高跳频速率为代价。抗SNR损耗：跳频总带宽大于信道相干带宽时，若将相关的跳频频点作为一个跳频子集，不同跳频子集的信号相互独立，频率分集。具有分集合并增益。133fifjT延T跳频T延T跳频多径衰落窄带干扰（会被滤除）跳频驻留时间T跳频fifiT延Ts

：平坦衰落T延Ts

：频率选择性衰落第一百三十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五举例

[例4.4]跳频系统的跳频驻留时间Th=10us，码元周期Ts=1us，在通过多径信道时，多径时延大概在什么范围内时，接收信号可能出现频率选择性衰落？为什么？跳频可以抵抗多径衰落，只有时延扩展σ

<Th时，跳频系统才会受到多径的影响。按频率选择性衰落的定义，当信道相干带宽满足(Bc

≈1/σ

)<(Bs

≈1/Ts)时出现频率选择性衰落，此时σ

>Ts均方根时延扩展满足Ts<σ<Th，才会出现频率选择性衰落六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术134第一百三十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五扩频技术的应用蜂窝通信系统CDMA技术体制GSM（FH）无线局域网IEEE802.11b（DS、FH）蓝牙（FH）军事通信系统六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术135第一百三十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五第四章内容4.1分集技术4.2信道编码与交织4.3均衡技术4.4扩频技术4.5多天线技术4.6链路自适应技术第四章抗衰落和链路性能增强技术136六月23第一百三十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五4.5多天线技术MIMO系统(Multiple-InputMultiple-Output，多入多出)提高无线通信系统容量它可以在不用增加系统带宽的情况下改善了系统性能，提高了数据速率。技术本质利用空间分集对抗衰落利用空间复用提高频谱效率六月23第四章抗衰落和链路性能增强技术137第一百三十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五MIMO系统模型(1)138图4.30MIMO的系统模型可用矩阵方式表示发送和接收信号：第一百三十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五MIMO系统模型(2)139第一百三十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期五MIMO系统的容量140图4.31平坦衰落信道下发端未知信道信息时的MIMO系统遍历容量第一百四十页，共一百五十六页，编