第4章抗衰落技术 4.1抗衰落技术概述4.2分集接收技术4.3均衡基本概念

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1、第4章 抗衰落技术 4.1 抗衰落技术概述4.2 分集接收技术4.3 均衡基本概念 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望4.1 抗衰落技术概述抗衰落技术概述 在移动通信系统中，一方面移动台常常在移动通信系统中，一方面移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。而且移动的速度和方向是任意的。另一方面，发送的信号经过反射、散射另一方面，发送的信号经过反射、散射等传播路径后，到达接收端

2、的信号往往是多等传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落。径衰落。图图4-1 移动信道中典型的衰落信号移动信道中典型的衰落信号 在移动通信信道中，除了多径衰落还有在移动通信信道中，除了多径衰落还有阴影衰落。气象条件等的变化也会影响信号阴影衰落。气象条件等的变化也会影响信号的传播，使接收到的信号的幅度和相位发生的传播，使接收到的信号的幅度和相位发生变化。这些都会给移动通信带来不利影响，变化。这些都会给移动通信带来不利影响，是移动信道独有特性。是

3、移动信道独有特性。为克服这些不利影响，改进接收信号的为克服这些不利影响，改进接收信号的质量，常常使用分集，均衡，信道编码三项质量，常常使用分集，均衡，信道编码三项抗衰落技术抗衰落技术分集技术用于补偿信道分集技术用于补偿信道衰落衰落，通常通过，通常通过两个或更多的接收天线来实现。分集技术有多两个或更多的接收天线来实现。分集技术有多种，主要可分为两大类：显分集和隐分集。基种，主要可分为两大类：显分集和隐分集。基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。站和移动台的接收机都可以应用分集技术。均衡技术用于补偿时分信道中由于多径均衡技术用于补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰，以便支持高数据率通效应而

4、产生的码间干扰，以便支持高数据率通信。信。信道编码用于检错和纠错，通过在发送信道编码用于检错和纠错，通过在发送信息时加入冗余的数据位来降低通信链路的误信息时加入冗余的数据位来降低通信链路的误码率码率4.2.1 分集技术的基本概念及方法分集技术的基本概念及方法4.2.2 分集信号的合并技术分集信号的合并技术4.2.3 分集系统的性能分集系统的性能4.2.4 RAKE接收机接收机4.2.5 隐分集技术隐分集技术4.2 分集接收技术分集接收技术 4.2.1 分集技术的基本概念及方法分集技术的基本概念及方法 分集技术研究如何利用多径信号来改善系分集技术研究如何利用多径信号来改善系统的性能。统的性能。分

5、集有两重含义：一是分散传输，使接收分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是接收机把收到的多个统计独立的落信号；二是接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，包括选择与组合，以尽可衰落信号进行合并，包括选择与组合，以尽可能降低衰落的影响，改善传输的可靠性。能降低衰落的影响，改善传输的可靠性。分集接收示意图：分集接收示意图：A A与与B B代表同一来源的代表同一来源的两个两个独立衰落信号，独立衰落信号，选择式合并法分集接收选择式合并法分集接收只选择其中相对较强者只选择其中相对较强者蜂窝蜂窝移动通信系统的分集

6、方式分为移动通信系统的分集方式分为宏分集和微分集宏分集和微分集两类：两类：宏分集也称多基站分集，宏分集也称多基站分集，是把多个基站设置在不同的地理位置是把多个基站设置在不同的地理位置和不同方和不同方向上，向上，如小区的对角上，同时和小区内的一个如小区的对角上，同时和小区内的一个移动台进行通信，或选用其中信号最好的一个移动台进行通信，或选用其中信号最好的一个基站通信。显然，只要在各个方向上的信号传基站通信。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严重的慢衰落(基站天线的架设可以防止这种基站天线的架设可以防止这种情况

7、发生情况发生)，这种办法就能保持通信不会中断，这种办法就能保持通信不会中断，是一种减小慢衰落影响的分集技术是一种减小慢衰落影响的分集技术重点重点1 微分集是一种减小快衰落影响的分集技术，微分集是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。理论和实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、角践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性。据此，独立的衰落特性。据此，微分集可分为六种：微分集可分为六种：1 1，空间分集，空间分集2 2，极化分集，极化分集3

8、3，角度分集，角度分集4 4，频率分集，频率分集5 5，时间分集，时间分集6 6，场分量分集，场分量分集重点重点1 1 1，空间分集：空间分集的依据在于快衰落的空，空间分集：空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。为此，空间分集的接收机至信号的衰落是不相关的。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为少需要两副相隔距离为d d的天线，间隔距离的天线，间隔距离d d与工作波与工作波长、地物及天线高度有关

9、，长、地物及天线高度有关，d d越大，两信号的衰落相越大，两信号的衰落相关性越小，在移动信道中，通常取：关性越小，在移动信道中，通常取：市区市区 d=0.5 d=0.5郊区郊区 d=0.8 d=0.8 在在900MHz900MHz系统中，两副天线的间隔只需系统中，两副天线的间隔只需0.27m 0.27m 在小汽车顶部安装这样两副天线并不困难，因此空间在小汽车顶部安装这样两副天线并不困难，因此空间分集不仅适用于基站，也可用于移动台分集不仅适用于基站，也可用于移动台空间分集的支路数空间分集的支路数M M 越大，分集的效果越大，分集的效果越好。但当越好。但当M M 3 3 时，分集的复杂性增加，分时

10、，分集的复杂性增加，分集增益的增加随着集增益的增加随着M M 的增大而变得缓慢。的增大而变得缓慢。2 2，极化分集：由于两个不同极化的电磁，极化分集：由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，发送端和接收端可以波具有独立的衰落特性，发送端和接收端可以用两个不同极化方向的天线分别发送和接收信用两个不同极化方向的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果号，以获得分集效果极化分集由于仅仅利用两电磁波的不同极极化分集由于仅仅利用两电磁波的不同极化方向，因而可大大缩短两天线间的距离，但化方向，因而可大大缩短两天线间的距离，但由于射频功率要分给两不同的极化天线，这会由于射频功率要分给两不同的极化天线，这会

11、导致导致3dB3dB的射频功率损失的射频功率损失3 3，角度分集：，角度分集：由于地形地貌和建筑物等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。能来自于不同的方向。在接收端，采用方向性尖锐的天线，分别在接收端，采用方向性尖锐的天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的，接收到的多径信号是不相关的，具有互相独立具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集，获得抗的衰落特性，因而可以实现角度分集，获得抗衰落的效果衰落的效果4 4，频率分集：频率间隔

12、大于相关带宽的，频率分集：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，两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，实现频率分集。根据相关带宽的定义：实现频率分集。根据相关带宽的定义：式中式中为延时扩展，在市区中为延时扩展，在市区中=3=3ss，可算得相关带宽为可算得相关带宽为53kHz53kHz，频率分集需用两部，频率分集需用两部频率相隔频率相隔53kHz53kHz的发射机同时发送同一信号并的发射机同时发送同一信号并用两部独立接收机来接收信号，因此频率分集用两部独立接收机来接收信号，因此频率分集的

13、的缺点是要占用更多的频谱资源，而且需要多缺点是要占用更多的频谱资源，而且需要多部发射机和接收机。部发射机和接收机。5 5，时间分集：将同一信号，时间分集：将同一信号间隔一定间隔一定的的时间重复传输，只要时间间隔大于相干时间重复传输，只要时间间隔大于相干时间，时间，各次发送信号所出现的快衰落将是各次发送信号所出现的快衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响号进行合并，就能减小衰落的影响时间分集可用于克服移动信道中由多时间分集可用于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落。普勒效应引起的信号衰落。若移动台处于静止状态，若移动台处

14、于静止状态，v v=0=0，则重发时，则重发时间间隔为无穷大，即间间隔为无穷大，即相干时间与移动台运动速相干时间与移动台运动速度成反比，当移动台处于静止状态时，时间分度成反比，当移动台处于静止状态时，时间分集基本上是没有用处的。集基本上是没有用处的。由于多普勒衰落速率与移动台的运动速度由于多普勒衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，为使重复传输的信号具有独及工作波长有关，为使重复传输的信号具有独立的特性，必须保证信号的重发时间间隔满足立的特性，必须保证信号的重发时间间隔满足以下关系：以下关系：6 6，场分量分集：电磁波的，场分量分集：电磁波的E E场和场和H H场载有场载有相同的消息，但反

15、射机理不同，在移动通信中，相同的消息，但反射机理不同，在移动通信中，Ez Hx HyEz Hx Hy三个分量互不相关，可以通过接收三个分量互不相关，可以通过接收这三个场分量获得分集效果，场分量分集不要这三个场分量获得分集效果，场分量分集不要求天线间的空间间隔，因此主要用于较低的工求天线间的空间间隔，因此主要用于较低的工作频段，如低于作频段，如低于100MHz100MHz。当工作频率较高，如。当工作频率较高，如800-900MHz800-900MHz时，空间分集很容易实现，没有必时，空间分集很容易实现，没有必要使用三副天线进行场分量分集要使用三副天线进行场分量分集由于无须损耗由于无须损耗3dB3

16、dB的辐射功率，场分量分的辐射功率，场分量分集和空间分集都优于极化分极，集和空间分集都优于极化分极，作业作业W4-1W4-1，移动通信系统有那些分集方式移动通信系统有那些分集方式?4.2.2 分集信号的合并技术分集信号的合并技术 接收端收到多路相互独立的分集信号后，接收端收到多路相互独立的分集信号后，可以可以通过合并技术得到分集增益，合并技术研究如何合并通过合并技术得到分集增益，合并技术研究如何合并以减小衰落的影响。以减小衰落的影响。根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前合并和检测后合并，这两种技术都得到了分为检测前合并和检测后合并，这两种技

17、术都得到了广泛的应用广泛的应用 接收端为减小衰落的影响，一般使用线性接收端为减小衰落的影响，一般使用线性合并器，把输入的合并器，把输入的M M个独立衰落信号相加输出个独立衰落信号相加输出假设假设M M个输入信号电压为个输入信号电压为r1(t)，r2(t),，rM(t)则合并器输出电压则合并器输出电压r(t)r(t)为为式中，式中，a ak k为第为第k k个信号的加权系数，个信号的加权系数，选择选择不同的加权系数，即构成不同的合并方式，主不同的加权系数，即构成不同的合并方式，主要有四种：选择式合并，最大比值合并，等增要有四种：选择式合并，最大比值合并，等增益合并和开关式合并益合并和开关式合并1

18、 1，选择式合并：，选择式合并：如下图所示，将如下图所示，将M M个接收机的个接收机的输出信号送入选择逻辑，输出信号送入选择逻辑，选择其中信噪比最高的那一选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。即在上式中，加权个支路的信号作为合并器的输出。即在上式中，加权系数只有一项为系数只有一项为1 1，其余均为，其余均为0 0令令为每个支路的平均信噪比，则可以证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明：选择式合并的平均输出信噪比为 式（式（4-14-1）表明每增加一条分集支路，它）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对输出信噪比的贡献仅

19、为总分集支路数的倒数倍。其合并增益为倍。其合并增益为（4-2）如果使用检测前合并方式，则选择如果使用检测前合并方式，则选择在天线输出端进行，从在天线输出端进行，从M M个天线输出中选个天线输出中选择一个最好的信号，再经过一部接收机择一个最好的信号，再经过一部接收机就可以得到合并后的基带信号。就可以得到合并后的基带信号。选择式合并方法简单，选择式合并方法简单，实现容易。实现容易。但由于未被选择的支路信号弃之不用，但由于未被选择的支路信号弃之不用，抗衰落效果不如后两种方式抗衰落效果不如后两种方式最大比值合并实质是按信噪比加权，最大比值合并实质是按信噪比加权，由由此可得最大比值合并输出的信号包络为此

20、可得最大比值合并输出的信号包络为 2 2，最大比值合并：是最佳合并方式，最大比值合并：是最佳合并方式，为为书写简便，每一支路信号包络书写简便，每一支路信号包络r rk k(t t)用用 r rk k 表示，表示，每一支路的加权系数每一支路的加权系数a ak k与与 r rk k 成正比，与噪声成正比，与噪声功率功率N Nk k成反比成反比最大比值合并方式示意图最大比值合并方式示意图 最大比值合并后信号的振幅与各支路信噪最大比值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比相联系，信噪比愈大的支路对合并后的信号贡献愈大。合并后的平均输出信噪比为贡献愈大。合并后的平均输出信

21、噪比为 合并增益为合并增益为即合并增益与即合并增益与M M 成线性关系，成线性关系，3 3，等增益合并：在最大比值合并中，实，等增益合并：在最大比值合并中，实时改变时改变a ai i是比较困难的，通常希望是比较困难的，通常希望a ai i为常量，为常量，取取a ai i=1=1就是等增益合并。即无需对信号加就是等增益合并。即无需对信号加权，各支路的信号等增益相加，实现比较简单，权，各支路的信号等增益相加，实现比较简单，合并增益和输出的信号包络分别为：合并增益和输出的信号包络分别为：对于最大比合并和等增益合并，可以在对于最大比合并和等增益合并，可以在发射信号中插入导频的方式，在接收端通过提发射信

22、号中插入导频的方式，在接收端通过提取导频的相位信息来实现同相相加。也可以采取导频的相位信息来实现同相相加。也可以采用下图所示同相调整电路来实现同相相加。用下图所示同相调整电路来实现同相相加。4，开关式合并：检测前二重开关式合并如下图所示，开关式合并：检测前二重开关式合并如下图所示，优点是仅作用一套接收设备，开关式合并监视接收优点是仅作用一套接收设备，开关式合并监视接收信号的瞬时包络，当本支路瞬时包络低于预定门限信号的瞬时包络，当本支路瞬时包络低于预定门限时，将天线开关转接到另一支路上时，将天线开关转接到另一支路上图图4-9 开关式合并的输出包络开关式合并的输出包络 如下图所示，也可在基站方面采

23、用两副发射天如下图所示，也可在基站方面采用两副发射天线来实现开关式合并，当移动台接收的信号包络低线来实现开关式合并，当移动台接收的信号包络低于预定门限时，移动台向基站发出指令，将基站发于预定门限时，移动台向基站发出指令，将基站发射开关转换到另一副天线上射开关转换到另一副天线上4.2.3 分集系统的性能分集系统的性能 信噪比是通信系统重要的性能指标。模拟系统信噪比是通信系统重要的性能指标。模拟系统的信噪比决定话音质量；数字系统的信噪比决定误的信噪比决定话音质量；数字系统的信噪比决定误码率。分集系统的性能即指分集前后信噪比的改善码率。分集系统的性能即指分集前后信噪比的改善程度。程度。使用分集接收会

24、使数字系统的误码率得到明显使用分集接收会使数字系统的误码率得到明显改善，以改善，以16kpbs16kpbs速率的信号实验结果为例：若要求速率的信号实验结果为例：若要求千分之一的误码率，使用选择性分集，可以降低千分之一的误码率，使用选择性分集，可以降低12dB12dB的信噪比要求，所以基站一般均采用二重空间的信噪比要求，所以基站一般均采用二重空间分集接收，可获得分集接收，可获得10dB10dB左右的分集增益，相关的实左右的分集增益，相关的实验曲线见下页：验曲线见下页：图图4 4-1 11 1瑞瑞利利衰衰落落中中有有无无分分集集时时误误码码性性能能为进行简化的比较，我们把开关式合并看为进行简化的比

25、较，我们把开关式合并看作是选择式合并的一种，只比较三种合并方式，作是选择式合并的一种，只比较三种合并方式，并且假设三种合并方式都满足下列条件：并且假设三种合并方式都满足下列条件：(1)(1)每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零相关，噪声均值为零(2)(2)信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频率制频率(3)(3)各支路信号的衰落互不相关，彼此独立各支路信号的衰落互不相关，彼此独立用改善因子表示平均信噪比的改善，即分用改善因子表示平均信噪比的改善，即分集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接集接收机合并器

26、输出的平均信噪比较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数收机的平均信噪比改善的分贝数(dB)(dB)选择式合并及开关式合并的平均信噪比改选择式合并及开关式合并的平均信噪比改善因子随分集重数善因子随分集重数(M)(M)增大而增大，增大而增大，但增大速但增大速率较小率较小(dB)(dB)最大比值合并的信噪比改善因子随分集最大比值合并的信噪比改善因子随分集重数的增大而成正比地增大重数的增大而成正比地增大等增益合并的信噪比改善因子为等增益合并的信噪比改善因子为 三种合并方式的平均载噪比改善因子与三种合并方式的平均载噪比改善因子与分集重数的关系曲线图见下页：分集重数的关系曲线图见下页：(dB)分集重数相同

27、分集重数相同时，最大比值合并时，最大比值合并改善最大，选择式改善最大，选择式合并改善最少合并改善最少分集重数为分集重数为2 2或或3 3时，等增益合并的时，等增益合并的改善接近于最大比改善接近于最大比值合并，但等增益值合并，但等增益合并的实现电路要合并的实现电路要简单得多，因而常简单得多，因而常用于用于CDMACDMA的的RAKERAKE接接收机中收机中 在数字化移动通信系统中，衡量分集的效在数字化移动通信系统中，衡量分集的效果是误码率，下表列出了三种合并方式下果是误码率，下表列出了三种合并方式下DPSKDPSK系统的误码率较无分集（系统的误码率较无分集（M=1M=1）时的比较。由）时的比较。

28、由表可见，误码率的改善同样以最大比值合并为表可见，误码率的改善同样以最大比值合并为最好，选择式合并最差最好，选择式合并最差4.2.4 RAKE接收机接收机 1 1RAKERAKE接收机的定义接收机的定义RAKERAKE接收机通过多个相关检测器接收多径信号接收机通过多个相关检测器接收多径信号进行合并以改善信号的信噪比。是分集接收技术的集进行合并以改善信号的信噪比。是分集接收技术的集中体现，接收机原理如下图所示：中体现，接收机原理如下图所示：2 2RAKERAKE接收机的支路的合并技术接收机的支路的合并技术接收机利用相关检测器检测出多径信号中接收机利用相关检测器检测出多径信号中最强的最强的M M个

29、支路信号，对每个支路的输出进行个支路信号，对每个支路的输出进行加权合并，然后再在此基础上进行判决。加权合并，然后再在此基础上进行判决。根据在接收端使用合并技术的位置不同，根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前合并和检测后合并。可以分为检测前合并和检测后合并。3 3，多径信号的时间同步，多径信号的时间同步由于时延扩展，由于时延扩展，RAKERAKE接收机收到的接收机收到的多径信号相多径信号相互间会有很大的相对时延差，需使用电平保持电路来互间会有很大的相对时延差，需使用电平保持电路来实现多径信号的同步实现多径信号的同步假设发端假设发端TxTx发出的信号经发出的信号经N N条路径到达接收

30、天线条路径到达接收天线RxRx。路径。路径1 1距离最短，传输时延最小，最先进入电平距离最短，传输时延最小，最先进入电平保持电路，然后是第二条路径的信号经过相对时延差保持电路，然后是第二条路径的信号经过相对时延差22进入电平保持电路进入电平保持电路，由于使用了保持电路，可，由于使用了保持电路，可以实现当最后第以实现当最后第N N条路径的信号经过相对时延差条路径的信号经过相对时延差NN进进入电平保持电路时。入电平保持电路时。N N个相关器的输出通过相加电路个相关器的输出通过相加电路和判决电路实现同步输出和判决电路实现同步输出使使用用电电平平保保持持电电路路实实现现多多径径信信号号同同步步4 4R

31、AKERAKE接收的工程实现接收的工程实现以以IS-95IS-95基站基站RAKERAKE接收机为例，总体框图接收机为例，总体框图由由6 6部分组成：部分组成：系统中每个小区分三个扇区，每个扇区配系统中每个小区分三个扇区，每个扇区配一个发射，两个接收天线，即由一个发射，两个接收天线，即由6 6个天线空间个天线空间分集接收分集接收 时钟产生单元：利用基站时钟产生单元：利用基站GPSGPS接收标准偶秒接收标准偶秒（2s2s）和本地晶振产生）和本地晶振产生RAKERAKE接收机所需的各种接收机所需的各种定时信号定时信号 CPU CPU控制单元：控制协调发送，接收，搜索控制单元：控制协调发送，接收，搜

32、索器等各单元的操作器等各单元的操作 地址译码单元：产生各个单元所需的地址地址译码单元：产生各个单元所需的地址信号信号 搜索单元：搜索接收信号的搜索单元：搜索接收信号的PNPN码相位，在码相位，在3 3个扇区的个扇区的6 6个接收信号源中，搜索出个接收信号源中，搜索出4 4个最强的个最强的相位信息相位信息 数据解调单元：对搜索出的数据解调单元：对搜索出的4 4个最强路径进个最强路径进行数据解调，合并，解交织，维特比译码行数据解调，合并，解交织，维特比译码图图4-14 IS-954-14 IS-95基站基站RAKERAKE接收总体框图接收总体框图4.2.5 隐分集技术隐分集技术 隐分集技术是指只用

33、一副天线接收信号来实现隐分集技术是指只用一副天线接收信号来实现分集，分集作用隐含在传输信号的方式中，在接收分集，分集作用隐含在传输信号的方式中，在接收端利用信号处理技术实现分集，本节主要介绍两种端利用信号处理技术实现分集，本节主要介绍两种扩频隐分集技术，扩频通信按照频谱扩展的方式不扩频隐分集技术，扩频通信按照频谱扩展的方式不同，分为跳频扩频同，分为跳频扩频FHFH，直接序列扩频，直接序列扩频DSDS两种两种1扩频通信抗干扰的基本原理扩频通信抗干扰的基本原理2 2跳频技术跳频技术3 3直接序列扩频技术直接序列扩频技术4 4处理增益和抗干扰容限处理增益和抗干扰容限1 1扩频通信抗干扰的基本原理扩频

34、通信抗干扰的基本原理扩频技术于扩频技术于2020世纪世纪5050年代出现于雷达，应用于年代出现于雷达，应用于军事通信，电子对抗，逐渐推广到民用导航，定位，军事通信，电子对抗，逐渐推广到民用导航，定位，遥控，航天，并成为当前主要的移动通信方式遥控，航天，并成为当前主要的移动通信方式长期以来，人们总是设法使信号所占频谱尽量长期以来，人们总是设法使信号所占频谱尽量窄，以提高十分宝贵的频率资源利用率。扩频通信是窄，以提高十分宝贵的频率资源利用率。扩频通信是人们在相反方向的努力，在发端采用扩频码扩频，使人们在相反方向的努力，在发端采用扩频码扩频，使信号所占的频带宽度远大于信息本身的带宽。在收端信号所占的

35、频带宽度远大于信息本身的带宽。在收端用相同的扩频码相关解扩恢复所传信息，由此可以获用相同的扩频码相关解扩恢复所传信息，由此可以获得极强的抗干扰能力，更有效地实现安全可靠通信得极强的抗干扰能力，更有效地实现安全可靠通信扩频通信在发端将信息分布在展宽的信号带扩频通信在发端将信息分布在展宽的信号带宽上，在收端解扩恢复成原有的带宽，但被解扩的仅仅宽上，在收端解扩恢复成原有的带宽，但被解扩的仅仅是所传的信息，只增高了信号的电平，噪声的电平并未是所传的信息，只增高了信号的电平，噪声的电平并未增高，这一过程使接收机输出的信噪比相对于输入的信增高，这一过程使接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提

36、高系统的抗干扰能力噪比大有改善，从而提高系统的抗干扰能力重点重点2 在理论上，扩频通信抗干扰可以用信息论的基在理论上，扩频通信抗干扰可以用信息论的基本公式香农公式和差错概率公式加以说明本公式香农公式和差错概率公式加以说明式式中中：C C为为信信道道容容量量，单单位位为为b/sb/s；B B为为信信号号频频带带宽宽度度，单单位位为为HzHz；S/NS/N分分别别为为信信号号及及噪噪声声的的平平均均功功率率，单位为单位为W W香香农农公公式式告告诉诉我我们们，在在保保持持信信道道容容量量C C不不变变，即即信信息息传传输输速速率率不不变变情情况况下下，信信号号频频带带宽宽度度和和信信噪噪比比可可以

37、以互互换换，在在较较低低的的信信噪噪比比条条件件下下，甚甚至至在在S/N1S/N1，信信号号被被噪噪声声淹淹没没的的情情况况下下，只只要要相相应应增增加加信信号号带带宽宽，也也能能进行可靠的通信进行可靠的通信香农公式：香农公式：ShannonShannon在其信息论中得出了带宽与在其信息论中得出了带宽与信噪比互换的关系式，信噪比互换的关系式，即香农公式即香农公式差错概率公式：柯捷尔尼可夫在其潜在抗差错概率公式：柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰理论中得到如下关于信息传输差错概率的干扰理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式：公式：公式表明差错概率是信号能量与噪声功率公式表明差错概率是信号能量与噪声功率

38、谱密度之比的函数，为导出信噪比与带宽的关谱密度之比的函数，为导出信噪比与带宽的关系，用系，用T T表示码元宽度即信息比特持续时间，则表示码元宽度即信息比特持续时间，则信息带宽为：信息带宽为：综合上式可得综合上式可得 E/n0=ST/n0=STB/N=SB/NBmE/n0=ST/n0=STB/N=SB/NBm设已扩频信号的带宽为设已扩频信号的带宽为B B，则噪声功率为：，则噪声功率为：信号功率信号功率S S为为 公式表明差错概率是信噪比和信号带宽与公式表明差错概率是信噪比和信号带宽与信息带宽之比乘积的函数，同样表明信噪比与信息带宽之比乘积的函数，同样表明信噪比与带宽可以互换，增加带宽可以降低信噪

39、比带宽可以互换，增加带宽可以降低信噪比作业作业W4-2W4-2，画图说明扩频通信如何提高抗干扰能力，画图说明扩频通信如何提高抗干扰能力2 2跳频技术跳频技术跳频跳频FHFH系统总带宽比各用户已调信号系统总带宽比各用户已调信号(如如FMFM、FSKFSK、BPSKBPSK等等)的带宽宽得多，以便为用户提供一组可供选择的带宽宽得多，以便为用户提供一组可供选择的频率。每个用户使用各自的伪随机的频率。每个用户使用各自的伪随机PNPN序列，控制其序列，控制其已调信号的中心频率以一定的速率和顺序，在系统提已调信号的中心频率以一定的速率和顺序，在系统提供的这组频率中跳变。接收端以相同的速率和顺序接供的这组频

40、率中跳变。接收端以相同的速率和顺序接收并解调收并解调跳频跳频FHFH系统中各用户使用的频率序列要求相互正系统中各用户使用的频率序列要求相互正交或准正交，即在一个交或准正交，即在一个PNPN序列周期对应的时间区间内，序列周期对应的时间区间内，各用户使用的频率，在任一时刻都不相同，或相同的各用户使用的频率，在任一时刻都不相同，或相同的概率非常小概率非常小跳频跳频FHFH示意图示意图数字蜂窝移动通信中采用跳频技术的目数字蜂窝移动通信中采用跳频技术的目的主要在于抗多径、抗干扰和抗衰落。的主要在于抗多径、抗干扰和抗衰落。（1 1）跳频抗多径）跳频抗多径跳频抗多径的原理是：若发射的信号载跳频抗多径的原理是

41、：若发射的信号载波频率为波频率为00，当存在多径传播环境时，因多，当存在多径传播环境时，因多径延迟的不同，信号到达接收端的时间有先径延迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。有后。若接收机在收到最先到达的信号之后立若接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一频率即将载波频率跳变到另一频率11上，则可避上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。开由于多径延迟对接收信号的干扰。（2 2）跳频抗同信道干扰）跳频抗同信道干扰采用跳频图案的正交性组成正交跳采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，可以避免频率复用引起的同频干频网，可以避免频率复用引起的同频干扰。扰。利用跳频技术构成准正交跳频网，利

42、用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同频干扰离散化，亦即减少同频也能使同频干扰离散化，亦即减少同频干扰的重合次数，从而减少同频干扰的干扰的重合次数，从而减少同频干扰的影响。影响。（3）跳频抗衰落）跳频抗衰落跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落，其原理是：跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落，其原理是：当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的载波频率上同时发生衰落的可能性很小。载波频率上同时发生衰落的可能性很小。对于快跳频系统，符号速率小于跳频速率，一对于快跳频系统，

43、符号速率小于跳频速率，一个符号在不同的频率上，不的时隙内传播，相当于频个符号在不同的频率上，不的时隙内传播，相当于频率和时间隐分集率和时间隐分集对于慢跳频系统，符号速率大于跳频速率，在对于慢跳频系统，符号速率大于跳频速率，在一跳驻留时间内传输多个符号，因此起不到频率分集一跳驻留时间内传输多个符号，因此起不到频率分集作用，但慢跳频能将深度衰落的影响分散开，从而减作用，但慢跳频能将深度衰落的影响分散开，从而减轻深度衰落对传输的影响轻深度衰落对传输的影响图图4 4-1 16 6 慢慢跳跳频频分分散散深深衰衰落落影影响响 3 3直接序列扩频技术直接序列扩频技术直接序列扩频直接序列扩频DSDS的原的原理

44、在组网技术一章，理在组网技术一章，CDMACDMA方式一节中已有介绍，方式一节中已有介绍，DSDS系统的所有用户工作在相系统的所有用户工作在相同的中心频率上，但同的中心频率上，但每个每个用户分配一个唯一的用户分配一个唯一的扩频扩频码序列，将发送数据使用码序列，将发送数据使用扩频码扩频码序列扩频得到宽带序列扩频得到宽带信号，信号，这些序列相互正交，这些序列相互正交，用于区分不同的用户用于区分不同的用户在数字蜂窝移动通信中，在数字蜂窝移动通信中，直接序列扩频直接序列扩频技术同样可用于技术同样可用于抗多径、抗干扰和抗衰落。抗多径、抗干扰和抗衰落。（1 1）直接序列扩频抗多径）直接序列扩频抗多径直接序

45、列扩频抗多径的原理是：当发送直接序列扩频抗多径的原理是：当发送的直接序列扩频信号的码片宽度的直接序列扩频信号的码片宽度TcTc小于或等小于或等于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗多径的能力检测出来，从而具有抗多径的能力（2 2）直接序列扩频抗干扰）直接序列扩频抗干扰直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外部干扰的原理，也是利用直扩信号的自部干扰的原理，也是利用直扩信号的自相关特性，经相关接收和窄带通滤波后，相关特性，经相关接收和窄带通滤波后

46、，将有用信号检测出来，而那些窄带干扰将有用信号检测出来，而那些窄带干扰和多址干扰都处理为背景噪声。其抗干和多址干扰都处理为背景噪声。其抗干扰的能力可用直接序列扩频处理增益来扰的能力可用直接序列扩频处理增益来表征。表征。（3 3）直接序列扩频抗衰落）直接序列扩频抗衰落直接序列扩频抗衰落是指抗频率选直接序列扩频抗衰落是指抗频率选择性衰落。当直扩信号的频谱扩展宽度择性衰落。当直扩信号的频谱扩展宽度远大于信道相关带宽时，其频谱成分同远大于信道相关带宽时，其频谱成分同时发生衰落的可能性很小，接收端通过时发生衰落的可能性很小，接收端通过对直接扩频信号的相关处理，可以起到对直接扩频信号的相关处理，可以起到频

47、率分集的作用频率分集的作用4 4，处理增益和抗干扰容限，处理增益和抗干扰容限扩频系统的扩频信号带宽扩频系统的扩频信号带宽B B 与信息带与信息带宽宽B Bm m之比，称为扩频系统的处理增益，以之比，称为扩频系统的处理增益，以分贝分贝(dB)(dB)表示，是扩频系统的一个重要理表示，是扩频系统的一个重要理论指标，表示扩频系统信噪比的改善程度，论指标，表示扩频系统信噪比的改善程度，即系统的即系统的抗干扰能力抗干扰能力仅仅仅仅知知道道扩扩频频系系统统的的处处理理增增益益，还还不不能能充充分分说说明明系系统统在在干干扰扰环环境境下下的的工工作作性性能能。因因为为通通信信系系统统要要正正常常工工作作，还

48、还需需要要允允许许输输出出端端有有一一定定的的信信噪噪比比（CDMACDMA系系统统为为7dB7dB），并并需需扣扣除除系系统统内内部部信信噪噪比比的的损损耗耗，为为此此需需引引入入抗干扰容限抗干扰容限M Mj j，其定义为：，其定义为：M Mj j=G Gp p-(S S/N N)o o+L Ls s式中式中(S/NS/N)o o为输出端的信噪比，为输出端的信噪比，L Ls s为系统损耗为系统损耗抗干扰容限是扩频通信系统在正常工作条件下可抗干扰容限是扩频通信系统在正常工作条件下可以接收的最小信噪比，反映了系统对噪声的容忍程度以接收的最小信噪比，反映了系统对噪声的容忍程度重点重点3 例如一个扩

49、频系统的处理增益例如一个扩频系统的处理增益35dB35dB，系统工作损耗系统工作损耗3dB3dB，为保证误码率小于十万分之，为保证误码率小于十万分之一，要求信噪比小于一，要求信噪比小于10dB10dB，则抗干扰容限，则抗干扰容限 M Mj j=35-=35-（10+310+3）=22dB=22dB这说明系统能在干扰输入电平比扩频信号这说明系统能在干扰输入电平比扩频信号电平高电平高22dB22dB时，即负的信噪比时，即负的信噪比-22dB-22dB条件下正常条件下正常工作，把信号从噪声的淹没中提取出来，可见工作，把信号从噪声的淹没中提取出来，可见扩频通信系统的抗干扰能力有多强扩频通信系统的抗干扰

50、能力有多强重点重点3 作业作业W4-3W4-3，写写出出抗抗干干扰扰容容限限表表达达式式及及定定义义。若若扩扩频频系系统统处处理理增增益益25dB25dB，系系统统损损耗耗1dB1dB，要要求求信信噪噪比小于比小于8dB8dB，求抗干扰容限，说明其含义，求抗干扰容限，说明其含义4.3 均衡基本概念尚未决定是否讲均衡基本概念尚未决定是否讲3.1.1 频率资源的管理频率资源的管理3.1.2 频率的有效利用技术频率的有效利用技术3.1.3 多信道共用技术多信道共用技术3.1 频率资源的有效利用频率资源的有效利用*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 均衡有两个基本途径。均衡有两个基本途径。一为频域均衡，

51、它使包括均衡器在内的整个一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。系统的总传输函数满足无失真传输的条件。第二个均衡途径为时域均衡，就是直接从时第二个均衡途径为时域均衡，就是直接从时间性响应考虑，使包括均衡器在内的整个间性响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 现在面临的是时变时间序列的自适应处理和现在面临的是时变时间序列的自适应处理和分析的问题。分析的问题。要求自适应均衡器需具有三个特点：快速初要求自适应均衡器需具有三个特点：快速初始收敛特性、好的跟踪信道时变特

52、性和尽始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和尽可能低的运算量。可能低的运算量。时域均衡系统的主体是横向滤波器。时域均衡系统的主体是横向滤波器。*4.3 均衡基本概念均衡基本概念*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 图图 4-17 横向滤波器横向滤波器*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 关于信号的样值，均衡器按无码间串扰的条关于信号的样值，均衡器按无码间串扰的条件件奈奎斯特准则来设计，并且一般取奈奎斯特准则来设计，并且一般取T等于码元宽度等于码元宽度Ts。如果整个传输系统是按奈氏第一准则建立的，如果整个传输系统是按奈氏第一准则建立的，收发滤波器的传递函数是以奈氏频率收发滤波器的传递函数是以奈氏频率fH

53、为中为中心的对称滚降，这个理想传输系统传输后心的对称滚降，这个理想传输系统传输后会产生失真，这个实际系统的脉冲响应是会产生失真，这个实际系统的脉冲响应是x(t)。*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 横向滤波器可以消除控制长度横向滤波器可以消除控制长度NN内的符内的符号间干扰，从而使总的符号间干扰大为减号间干扰，从而使总的符号间干扰大为减少。横向均衡器达到的这一状态称为少。横向均衡器达到的这一状态称为“收收敛敛”。一般地说，横向均衡器的抽头越多，控制范一般地说，横向均衡器的抽头越多，控制范围越大，均衡的效果就越好。但抽头越多，围越大，均衡的效果就越好。但抽头越多，成本越高，调整也越困难，太多的抽

54、头是成本越高，调整也越困难，太多的抽头是不现实的。不现实的。*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 调节算法是由调节准则决定的。调节算法是由调节准则决定的。虽然从不同角度和要求出发建立了多种均衡虽然从不同角度和要求出发建立了多种均衡器的结构和调节算法，但它们所依据的调器的结构和调节算法，但它们所依据的调节准则（也就是要达到的目的）仍没有变节准则（也就是要达到的目的）仍没有变化，这就是最小峰值失真准则和最小均方化，这就是最小峰值失真准则和最小均方失真准则。失真准则。*4.3 均衡基本概念均衡基本概念 均衡器的任务是在输入波形给定的条件下均衡器的任务是在输入波形给定的条件下（即给定初始失真（即给定初始失真D0），求解最佳抽头增），求解最佳抽头增益系数益系数CK，使均衡器的这种调节依据称为，使均衡器的这种调节依据称为峰值失真极小化准则。峰值失真极小化准则。