均衡、分集和信道编码

2024/1/16第7章抗衰落技术

——均衡、分集与信道编码2024/1/16常用抗衰落技术移动信道的多径传播引起的瑞利衰落、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移使接收信号受到严重的衰落；阴影效应会使接收信号过弱而造成通信的中断；信道存在的噪声和干扰，也会使接收信号失真而造成误码。因此，在移动通信中需要采取一些信号处理技术来改善接收信号的质量。分集接收技术、信道编码技术、均衡技术是最常见的信号处理技术，根据信道的实际情况，它们可以独立使用或联合使用。2024/1/16一、分集接收技术分集接收的根本思想就是把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。分集接收充分利用接收信号的能量，因此无需增加发射信号的功率而可以使接收信号得到改善。2024/1/16分集技术概述移动无线信号的衰落包括了两个方面：一个来自因地形地物造成的阴影衰落，它使接收的信号平均功率〔或者信号的中值〕在一个比较长的空间〔或时间〕区间内发生波动，这是一种宏观衰落；而多径传播使得信号在一个短距离上〔或一短时间内〕信号强度发生急剧的变化〔但信号的平均功率不变〕，这是一种微观衰落。针对这两种不同的衰落，常用的分集技术可以分为宏观分集和微观分集。分集技术对信号的处理包含两个过程：首先是要获得M个相互蚀立的多径信号分量，然后对它们进行处理以获得信噪比的改善，这就是合并技术。2024/1/16

宏观分集宏观分集在移动通信系统中是一种“多基站分集〞，主要用来对抗慢衰落，其做法是把多个基站设置在不同的地理位置上(如蜂窝小区的对角上)和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信(可以选用其中信号最好的一个基站进行通信)。显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落(基站天线的架设可以防止这种情况发生)，这种方法就能保持通信不会中断。2024/1/16宏观分集示意图如下图，终端保持同两个基站间的无线链路，两条链路传输同样的数据并在网络侧进行合并，这就是典型的宏分集场景。总的来说，宏分集就是用位于不同地点的多个接收机和发射机实现的分集方式。2024/1/16

微观分集分类假设在一个局部地区〔一个短距离上〕接收移动无线信号，信号衰落所呈现的独立性是多方面的，如时间、频率、空间、角度以及携带信息的电磁波极化方向等等。利用这些特点采用相应的方法可以得到来自同一发射机的衰落独立的多个信号，这就有多种分集技术：空间分集，极化分集，角度分集，频率分集，时间分集。2024/1/16空间分集(SpaceDiversity)对于空间分集而言，分集的支路数M越大，分集的效果越好。但当M较大时〔如〕分集的复杂性增加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢。2024/1/16

极化分集(PolarizationDiversity)

在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性。利用这一点，在发端同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路只有两路。这种方法的优点是结构比较紧凑，节省空间，缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，信号功率将有3dB的损失。2024/1/16

角度分集(AngleDiversity)

由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向，在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，那么每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。2024/1/16频率分集(FrequencyDiversity)将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔足够大〔大于相干带宽〕，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。该方法的优点是，与空间分集相比，减少了天线的数目。但缺点是要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。2024/1/16时间分集(TimeDiversity)在移动环境中，信道的特性随时间变化。当移动的时间足够长〔或移动的距离足够大〕，大于信道的相干时间时，那么这两个时刻〔或地点〕无线信道衰落特性是不同的，可以认为是独立的。可以在不同的时间段发送同一信息，接收端那么在不同的时间段接收这些衰落独立的信号。时间分集要求在收发信机都有存储器，这使得它更适合于移动数字传输。时间分集只需使用一部接收机和一副天线。假设信号发送M次，那么接收机重复使用以接收M个衰落蚀立的信号。此时称系统为M重时间分集系统。2024/1/16

分集信号合并技术合并器的作用就是把经过相位调整和时延后的各分集支路信号相加。对大多数通信系统而言，M重分集对这些信号的处理概括为M支路信号的线性叠加：信号合并的目的就是要使它的信噪比有所改善，因此对合并器的性能分析是环绕其输出信噪比进行的。分集的效果常用分集改善因子或分集增益来描述，也可以用中断概率来描述。可以预见，分集合并器的输出信噪比的均值将大于任何一支路输出的信噪比均值。最正确的分集就在于最有效地减小信噪比低于正常工作门限信噪比的时间。信噪比的改善和加权因子有关，对加权因子的选择方式不同，形成3种根本的合并方式：选择式合并、最大比合并和等增益合并。2024/1/16选择式合并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)的基带信号作为输出。假设使用检测前合并方式，那么选择是在天线输出端进行，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。2024/1/16最大比合并

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。合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比愈大的支路对合并后的信号奉献愈大。在具体实现时，需要是测量出每个支路的信噪比，以便及时对增益系数进行调整。2024/1/16等增益合并

在最大比合并中，适时改变〔第i条支路的增益系数〕是比较困难的，通常希望为常量，取=1就是等增量合并。当M较大时，等增益合并仅比最大比合并差1.05dB。2024/1/16

隐分集技术介绍隐分集技术，是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。分集作用是隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术实现分集。因此，在数字移动通信中得到了广泛的应用。依据传输信号的方式不同，可实现时间隐分集和频率隐分集。所采用的技术生要有交织编码技术、跳频技术和直接序列扩频技术。关于直接序列扩频技术和跳频技术的介绍请见第六章，我们这里主要介绍典型的时间隐分集技术——交织编码技术。2024/1/16交织编码技术交织编码的目的是把一个较长的突发过失离散成随机过失，再用纠正随机过失的编码〔FEC〕技术消除随机过失。以线性分组码为例，先将k位信息编成具有t位纠错能力的n位码字的分组码〔n，k，t〕，再将其编码码字序列构成交织编码矩阵。现以分组码〔7，3〕为例给出交织编码矩阵：2024/1/16例：分组码〔7，3〕的交织编码交织编码矩阵中的行为FEC的码字，它由k位信息位及n-k冗余位组成。矩阵中行的数目M为交织深度。交织编码的过程是将FEC码字序列按行写入而按列读出。其交织编码输出序列为假设交织编码输出序列中的突发过失如下划线所示从a11～mM2，那么经过解交织〔交织编码的逆过程〕后，每一FEC码字中只发生2位过失，当纠错能力为2时即可消除过失。交织深度M越大，离散度越大，抗突发过失能力也越强。假设FEC纠错能力为t时，交织编码可纠正一次突发过失的长度为：或者说，可纠正t次突发过失长度为M位的过失。交织深度M越大，交织编码处理时间也越长，即是以时间为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。2024/1/16例：GSM系统中的交织编码(1/2)GSM系统中，在信道编码后进行交织，交织分两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。具体由信道编码后提取出的456比特被分为8组，进行第一次交织，如图2024/1/16由它们组成语音帧的一帧，现假设有三帧语音帧如下图。而在一个突发脉冲中包括一个语音帧中的两组，如下图其中，前后3个尾比特用途消息定界，26个训练比特，训练比特的左右各1个比特作为“挪用标志〞。而一个突发脉冲携带有两段57比特的声音信息。2024/1/16二、均衡技术当传输的信号带宽大于无线信道的相关带宽时，信号产生频率选择性衰落，接收信号就会产生失真，它在时域表现为接收信号的码间干扰。所谓信道均衡就是在接收端设计一个称之为均衡器的网络，以补偿信道引起的失真。这种失真是不能通过增加发射信号功率来减小的。2024/1/16均衡技术概述由于实际的信道特性难以预先精确知道，信道特性总会或多或少地偏离无失真条件，即信道的幅频特性有起伏，相频特性为非线性。所以，即使是按最正确基带系统设计方法得到的基带系统也会存在一定的码间串扰，从而使系统的性能低于最正确性能。均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器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干扰，从而使实际系统的性能接近最正确系统。实际系统中采用的均衡器虽然种类繁多,但按研究领域的不同，可分为频域均衡器和时域均衡器两大类。首先，我们介绍理想的不失真系统应具有的传输特性。2024/1/16理想不失真系统的传输特性(1/2)所谓理想的不失真系统，是指系统的输出与输入信号波形相同，仅有幅度的变化及固定时延的线性系统，即满足：式中，K为系统的放大倍数，为系统的时延理想系统的传输特性为幅频特性相频特性群时延特性〔常数〕2024/1/16理想不失真系统的传输特性(2/2)2024/1/16

频域均衡频域均衡是利用可调滤波器的频率特性去补偿系统的传输特性，使其接近为理想不失真系统特性的一种均衡方法。根据均衡对象的不同，可将频域均衡器分为幅度均衡器和群时延均衡器二种。幅度均衡器用于补偿信道和接收滤波器总的幅度频率特性，使总的幅频特性经均衡后变得平坦或在一定要求的范围之内。而群时延均衡器那么是对群时延频率特性进行补偿。均衡器可置于信道的两端〔即发方、收方或双方同时设置〕。频域均衡器可根据网络理论，用无源或有源网络实现,调整时使相应的幅频特性或群时延特性到达一定平坦程度后就固定了，通信中不能调整，所以当信道特性有变化时，单靠频域均衡是不能完全消除码间串扰的。2024/1/16

时域均衡频域均衡器适合于在信道特性不变且传送的数据速率较低的系统中使用。对信道特性不断变化及高数据率的传输系统来说，常采用时域均衡的方法来减小码间串扰。时域均衡的出发点与频域均衡不同，它不是为了获得信道平坦的幅度特性和群时延特性，而是要使包括时域均衡器在内的基带系统的总特性形成接近消除码间串扰的传输波形，即时域均衡时是用均衡器产生的响应波形去补偿已畸变了的传输波形，使得经均衡后的波形在抽样时刻上能有效地消除码间串扰。时域均衡器是通过横向滤波器来实现的。所谓横向滤波器是指具有固定延迟时间间隔、增益可调整的多抽头滤波器。2024/1/16时域均衡器(1/3)图中给出了一个具有个抽头的横向滤波器的结构。一般来说，横向滤波器插入在基带系统的接收滤波器和判决器之间。下面我们讨论时域均衡器的原理，讨论中不考虑噪声的影响。横向滤波器的冲激响应为2024/1/16时域均衡器(2/3)其对应的频谱特性为：显见，由个确定，不同，也不同。均衡器，即横向滤波器的输出为：那么在抽样时刻时，有设系统无时延，即，上式可以简写为2024/1/16时域均衡器(3/3)上式说明，均衡器在k第个抽样时刻上得到的样值将由个与的乘积确定。我们希望除外，所有的都等于零。因此，现在的问题是该有什么样的才能使根据前面的推导，可以列出求解的矩阵方程为实际系统中在给定各样点值的情况下，调节使以外的有限个值等于零是可能的。2024/1/16时域均衡器的实现方法

时域均衡器的实现方法有多种，但从原理上分有：预制式自动均衡和自适应式自动均衡两类。预置式均衡是在实际数据传输之前，先传输预先规定的测试脉冲，然后按迫零调整原理调整各抽头增益；自适应式均衡是在数据传输过程中连续测出距最正确调整值的误差电压，并由该电压去调整各抽头增益。一般地说，自适应式均衡除能自适应信道特性随时变化外还具有调整精度高的特点。2024/1/16三、信道编码技术信道编码的目的是为了尽量减小信道噪声或干扰的影响，是用来改善通信链路性能的技术。其根本思想是：通过引入可控制的冗余比特，使信息序列的各码元和添加的冗余码元之间存在相关性。在接收端，信道译码器根据这种相关性对接收到的序列进行检查，从中发现错误或进行纠错。2024/1/16信道编码概述信道编码就是数字通信系统中为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。它根据一定的规律在待发送的信息码元中参加一些必要的监督码元，在接收端利用这些监督码元与信息码元之间的规律，发现和纠正过失，以提高信息码元传输的可靠性。在信道编码系统中，称待发送的码元为信息码元，人为参加的多余码元为监督〔或校验〕码元。信道编码的目的就是试图以最少的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性的提高。传统的信道编码通常分成两大类，即分组码和卷积码。这两种码在移动通信中都得到了应用。虽然分组码译码器的硬判决比较容易实现，但卷积码可以采用一些非常简单的译码算法〔如Viterbi算法〕，因此而更受欢送。本节主要对，分组码、卷积码和Turbo码的根本原理以及应用作一些介绍。2024/1/16

线性分组码原理线性分组码是将信息序列分为每k位一组的信息序列段，每一信息序列段按照一定规律添加r个监督码元，构成总码长为n=k+r的分组码，记为〔n，k〕。在分组码中监督码元仅与本分组中的信息码元有关。监督码元只监督本码字中的信息码元。当监督码元与信息码元之间的关系为线性关系时，即监督码元与信息码元之间的关系可用模2加代数方程描述时，称其为线性分组码。cn-1cn-2cn-3…crcr-1cr-2cr-3…c1c0k个信息码元r个监督码元总码长n=k+r线性分组码的一种结构2024/1/16

卷积码原理卷积码把k个信息位编n位,k和n通常很小,特别适宜于串行形式传输,延时小.n个码元与当前段的k个信息位有关,而且与前N-1