第四章抗衰落和链路性能增强技术ppt课件.ppt

第四章 抗衰落和链路性能增强技术,程郁凡通信抗干扰技术国家级重点实验室,衰落产生的原因,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,2,2022年11月,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,降低衰落影响的方法,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,4,2022年11月,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,5,2022年11月,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,6,2022年11月,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,2022年11月,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,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,9,2022年11月,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,10,2022年11月,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,11,2022年11月,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,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-Input Multiple-Output，多入多出 ),2022年11月,ARQ：Automatic Repeat reQuest,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,14,DSSS：Direct Sequence Spread SpectrumFH：Frequency Hopping,举例,例4.1 工作频段为800900MHz，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,15,2022年11月,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,选择合并(SC：Selection Combining),选择具有最大SNR的分支,2022年11月,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,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rk 2/2，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,18,19,20,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：M t的概率（正常工作的概率）为：,通信中断的概率,21,图4.5 选择合并的通信中断概率,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：,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,23,最大比合并(Maximal Ratio Combining),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）,2022年11月,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,最大比合并性能分析,25,M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,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,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,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,28,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：,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,29,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,不同合并性能比较,2022年11月,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,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）：,32,33,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：,34,3) Rayleigh信道，M分集，选择合并：,分集对数字移动通信误码的影响,35,图4.8 M=2时各种合并方式DPSK的误码性能,约9dB,AWGN,Rayleigh衰落信道,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,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,37,2022年11月,降低衰落影响的方法,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,38,2022年11月,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,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,40,4.2.1 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,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。,42,k 个码元,k 个码元,n - k 个码元,信息码元,冗余码元(校验码元),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。,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,44,常见的信道编码,1) 分组码(Block Codes)2) 卷积码(Convolutional Codes)3) Turbo码4) LDPC码(Low Density Parity Codes),2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,45,4.2.2 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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,46,卷积编码器结构,2022年11月,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。,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：,2022年11月,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,49,举例说明：输入序列1 1 1 0 1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,50,卷积编码器的状态图描述,状态：,51,(2,1,2)卷积编码器结构,1/11,0/00,0/00,1/11,0/10,0/10,1/01,1/01,0/11,0/11,1/00,1/00,0/01,0/01,1/10,1/10,0,0,0,0,0,00,1,1,1,11,0,0,01,1,1,10,0,1,a / b1b2,图4.11 (2,1,2)卷积码的状态图,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,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,举例：利用网格图分析卷积编码过程及路径,输入：状态：输出：,53,1/11,1,1,1,0,1,1/01,1/10,0/01,1/00,0,0/10,补mk个零,0,0/11,0/00,1,0,路径,输出的码字序列,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。,最大后验概率译码,55,最佳译码规则最大后验概率译码（MAP：Maximum A Posteriori）,L：输入信息序列长度（分支长度），假设k =1,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：Maximum Likelihood）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,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,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,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：Path MeritBM：Branch Merit,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；,分支度量值的计算(2),软判决：解调器对输出进行q（q1）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,62,63,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,64,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（第一步）,补零,00,2,0,65,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（第二步）,补零,00,2,0,00,3,11,3,10,2,01,0,66,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（第三步）,补零,00,2,0,00,3,11,3,10,2,01,0,00,4,11,4,10,3,01,5,11,3,00,3,01,2,10,0,67,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（第四步）,补零,0,10,2,01,0,11,3,00,3,01,2,10,0,00,4,11,4,10,5,01,3,11,3,00,3,01,0,10,2,68,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（第五步）,补零,0,01,0,01,2,10,0,11,3,00,3,01,0,10,2,00,4,11,4,10,5,01,3,11,1,00,1,01,2,10,4,69,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（第六步）,补零,0,01,0,01,2,10,0,3,01,0,10,2,01,3,11,1,00,1,01,2,00,00,10,1,11,3,01,5,2,70,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（第七步）,补零,0,01,0,10,0,01,0,11,1,00,1,00,10,1,2,00,3,11,2,71,11,信息序列M：1 1 1 0 1 0 0发送码字C：11 01 10 01 00 10 11接收序列R：11 01 10 01 01 10 10,举例：维特比硬判决译码（路径回溯）,补零,0,01,0,10,0,01,0,00,1,10,1,11,2,0,0,1,0,1,1,1,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）,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,72,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。,卷积码的编码增益,74,表4.1 1/2卷积编码的自由距和编码增益（硬判决）,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,几种重要编码的指标比较,以1/2码率，P e 10-5为例,2022年11月,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,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,77,4.2.3 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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,78,交织方法,行列交织、卷积交织、随机交织,7d,6,5,4,3,2,1,7d,16,9,2,7d-6,15,8,1,7d,16,9,2,7d-6,15,8,1,7d,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,1,2,6,7,8,9,13,14,1,2,8,9,15,16,7d-6,7d-5,7d,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-6,15,8,1,7d,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,突发错误,7d,6,5,4,3,2,1,1,2,6,7,8,9,13,14,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,81,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：,82,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,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,84,2022年11月,降低衰落影响的方法,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,85,2022年11月,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,86,4.3.1 基本原理,码间干扰,87,图4.17 理想和实际接收信号冲激响应的差异,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：,2022年11月,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),均衡器的横向滤波器结构,基本结构,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,89,图4.18 均衡器的横向滤波器结构,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：,2022年11月,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,均衡准则,91,1）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,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,92,93,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,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：,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,95,4.3.2 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：Decision Feedback Equalization）：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,非线性均衡器,最大似然序列均衡器 （ MLSE ：Maximum Likelihood Sequence Estimation Equalization）,2022年11月,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,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,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,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,100,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,101,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,102,2022年11月,降低衰落影响的方法,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,103,2022年11月,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,104,4.4.1 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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,105,扩频系统模型,2022年11月,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,干扰环境下的窄带通信系统,发端,收端,2022年11月,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,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,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,扩频处理增益,扩频处理增益GP,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,110,扩频技术的种类,直接序列扩频（简称直扩，DS: Direct Sequence ）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: Frequency Hopping ）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：Time Hopping）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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,111,4.4.2 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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,112,PN：Pseudo Noise,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 = 2n1抽头系数结构需满足一定条件，见表4.4。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,113,图4.26 m序列发生器的结构,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,114,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,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。,116,117,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,输出：111101011001000自相关特性,118,举例：n=4，C0=C1=C4=1,0,0,0,1,0,4.4.3 直接序列扩频通信系统,1,直接序列扩频原理图,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,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,121,直扩系统的抗干扰,122,发端,收端,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,123,大于Tc,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,RAKE接收原理(1),图4.27 RAKE接收机结构,125,RAKE接收机结构,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,126,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,127, TC,TC,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,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,2022年11月,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,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。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,130,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,跳频系统的抗窄带干扰,132,PJ,PJ= PJ / L滤波器,直扩系统,跳频系统,PJ=PJ / GP,PJ,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,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。,133,fi,fj,T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,fi,fi,T延Ts ：平坦衰落T延Ts ：频率选择性衰落,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 Ts均方根时延扩展满足 Ts Th，才会出现频率选择性衰落,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,134,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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,135,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,136,2022年11月,4.5 多天线技术,MIMO 系统(Multiple-Input Multiple-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,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,137,MIMO系统模型(1),138,图4.30 MIMO的系统模型,可用矩阵方式表示发送和接收信号：,MIMO系统模型(2),139,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,空时编码,将多天线阵与空间分集、时间分集相结合：空间分集为主（发射分集）STBC(Space-Time Block Codes )：空时分组码STTC(Space-Time Trellis Codes)：空时格码空间复用为主V-BLAST：空时分层码波束赋形Smart antenna：智能天线,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,141,空时分组码(STBC),最早由Alamouti提出的机理空时分组码（STBC）是根据码字的正交设计原理来构造空时码接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码字之间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可。优缺点结构简单，空间分集、时间分集。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,142,STBC编码结构,Alamouti STBC编码器结构按照正交性设计：,143,图4.32 Alamouti空时块编码器结构,I2是22的单位矩阵,STBC系统结构,144,图4.33 Alamouti STBC系统结构框图,假设为慢衰落信道，前后相邻符号间隔各h值不变，且各h值独立连续两个符号周 期的接收信号：,STBC接收机,C为所有可能调制符号 的集合。,最大似然检测：,(1)接收合并，得到 判决输入统计量,(2)最大似 然译码,分层空时码(LST：Layered Space-Time Codes),分层空时码基本原理将高速率、高信噪比的数据流转化为多路低速率、低信噪比的子数据流在不同天线上发送，然后通过接收端的信号处理恢复出各子数据流。 特点空间复用技术，提高频谱效率速率随发送天线数线性增加V-BLAST分层空时码最早是由贝尔实验室提出的一种MIMO系统的空时编码技术垂直结构的空时码V-BLAST (Vertical Bell Labs Layered Space-Time Codes),147,V-BLAST结构,148,图4.34 V-BLAST系统结构框图,时域,时域,空域,水平分层： 垂直分层：,V-BLAST接收信号模型,接收信号模型最大似然检测,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,149,MIMO-OFDM,MIMO系统与OFDM系统的结合，综合二者的优点利用MIMO技术，在不增加带宽的条件下，成倍提高系统容量和频谱利用率。利用OFDM技术，把频率选择性衰落信道变成多个子载波的平坦衰落信道，使MIMO在宽带无线通信中发挥其优势。已经在LTE、WiMAX等B3G移动通信系统中得到了广泛应用。,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,150,2022/11/13,智能天线天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户；接收模式下，来自窄带波束以外的信号被抑制；发射模式下，使用户的天线增益最大，受干扰最小；可提高接收信号的信噪比，提高系统的容量。,151,智能天线,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,152,2022年11月,4.6 链路自适应技术,链路自适应技术：系统依据信道的变化，动态地调整系统参数，达到系统性能的最优。符合系统约束条件（例如误码率要求、功率要求、速率要求等）资源的最优利用（功率、时间、频率、空间）自适应调制编码（物理层）自适应功率控制（物理层）自动重传机制（链路层）跨层协作（网络层）,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,153,自适应传输技术（物理层）,154,图4.35 自适应传输的物理模型,必要条件准确的信道估计，以掌握信道状态信息；具有反馈信道及时传送信道状态信息。,本章小结,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,155,2022年11月,第四章 抗衰落和链路性能增强技术,谢 谢！,156,2022年11月,