第4抗衰落和链路性能增强技术

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1、扩频通信技术扩频通信技术第第4章章 抗衰落和链路性能增强技术抗衰落和链路性能增强技术扩频通信技术扩频通信技术4.2 分集技术分集技术 4.2.1 分集技术原理分集技术原理 1. 什么是分集什么是分集 所谓分集接收，是指接收端对它收到的所谓分集接收，是指接收端对它收到的， 以降低信号电平起伏的办法。以降低信号电平起伏的办法。扩频通信技术扩频通信技术图图 4 - 1 选择式分集合并示意图选择式分集合并示意图 1001020相对电平/dBBACt信号 A信号 B合成信号 C扩频通信技术扩频通信技术 分集有两重含义：分集有两重含义： 一是分散传输，一是分散传输， 使接收端能获使接收端能获得多个统计独立

2、的、得多个统计独立的、 携带同一信息的衰落信号；携带同一信息的衰落信号； 二是二是集中处理，集中处理， 即接收机把收到的多个统计独立的衰落信即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并号进行合并(包括选择包括选择与组合与组合)以降低衰落的影响。以降低衰落的影响。 扩频通信技术扩频通信技术 2. 分集方式分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式：在移动通信系统中可能用到两类分集方式： 一类一类称为称为“宏分集宏分集”； 另一类称为另一类称为“微分集微分集”。 “宏分集宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，主要用于蜂窝通信系统中， 也称为也称为“多基站多基站”分集。分集。 这是一种减小慢衰落影响

3、的分集技这是一种减小慢衰落影响的分集技术，术， 其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上(如如蜂窝小区的对角上蜂窝小区的对角上)和在不同方向上，和在不同方向上， 同时和小区内的同时和小区内的一个移动台进行通信一个移动台进行通信(可以选用其中信号最好的一个基可以选用其中信号最好的一个基站进行通信站进行通信)。 显然，显然， 只要在各个方向上的信号传播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衰落(基站天线的架设可以防止这种情况发生基站天线的架设可以防止这种情况发生)， 这种这种

4、办法就能保持通信不会中断。办法就能保持通信不会中断。扩频通信技术扩频通信技术 “微分集微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，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。在各种无线通信系统中都经常使用。 理论和实践都表理论和实践都表明，明， 在空间、在空间、 频率、频率、 极化、极化、 场分量、场分量、 角度及时间等角度及时间等方面分离的无线信号，方面分离的无线信号， 都呈现互相独立的衰落特性。都呈现互相独立的衰落特性。 据此，据此， 微分集又可分为下列三种。微分集又可分为下列三种。 扩频通信技术扩频通信技术 (1) 时间分集。时间分集。 快衰落除了具有空间和频率独立快衰

5、落除了具有空间和频率独立性之外，性之外， 还具有时间独立性，还具有时间独立性， 即同一信号在不同的时即同一信号在不同的时间区间多次重发，间区间多次重发， 只要各次发送的时间间隔足够大，只要各次发送的时间间隔足够大， 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的， 接接收机将重复收到的同一信号进行合并，收机将重复收到的同一信号进行合并， 就能减小衰落就能减小衰落的的影响。影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。号。 此外，此外， 时间分集也有利于克服移动信道中由多普时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引

6、起的信号衰落现象。勒效应引起的信号衰落现象。扩频通信技术扩频通信技术 (2) 频率分集。频率分集。 由于频率间隔大于相关带宽的两个由于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，信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 因此可以用因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，两个以上不同的频率传输同一信息， 以实现频率分集。以实现频率分集。 根据相关带宽的定义，根据相关带宽的定义， 即即21cB扩频通信技术扩频通信技术 (3) 空间分集。空间分集。 空间分集的依据在于快衰落的空间空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，独立性， 即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，即在任意两个不同的

7、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，只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号则两处所收信号的衰落是不相关的。为此，的衰落是不相关的。为此， 空间分集的接收机至少需空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为要两副相隔距离为d的天线，的天线， 间隔距离间隔距离d与工作波长、与工作波长、 地物及天线高度有关，地物及天线高度有关，扩频通信技术扩频通信技术 3. 合并方式合并方式 接收端收到接收端收到(2)个分集信号后，个分集信号后， 如何利用这些如何利用这些信号以减小衰落的影响，信号以减小衰落的影响， 这就是合并问题。这就是合并问题。 一般均使一般均使用线性合并器，用线性合并器

8、， 把输入的把输入的个独立衰落信号相加后合个独立衰落信号相加后合并输出。并输出。 假设假设个输入信号电压为个输入信号电压为1( )， 2( ), ， ( )， 则合并器输出电压则合并器输出电压 ( )为为MkkkMMtratratratratr12211)()()()()(4 - 4) 式中， ak为第k个信号的加权系数。 扩频通信技术扩频通信技术 选择不同的加权系数，选择不同的加权系数， 就可构成不同的合并方式。就可构成不同的合并方式。 常用的有以下三种方式：常用的有以下三种方式： (1) 选择式合并。选择式合并。 (2) 最大比值合并。最大比值合并。 (3) 等增益合并等增益合并扩频通信技

9、术扩频通信技术图图 4 - 2 二重分集选择式合并二重分集选择式合并 接收机1接收机2扩频通信技术扩频通信技术 图图 4 - 2 为二重分集选择式合并的示意图。为二重分集选择式合并的示意图。 两个支两个支路的中频信号分别经过解调，路的中频信号分别经过解调， 然后作信噪比比较，然后作信噪比比较， 选选择其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。择其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。 选择式合并又称开关式相加。选择式合并又称开关式相加。 这种方式方法简单，这种方式方法简单， 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， 因因此抗衰落不如后述两

10、种方式。此抗衰落不如后述两种方式。扩频通信技术扩频通信技术 (2) 最大比值合并。最大比值合并。 最大比值合并是一种最佳合最大比值合并是一种最佳合并方式，并方式， 其方框图如图其方框图如图 4 - 3 所示。所示。图图 4 - 3 最大比值合并方式最大比值合并方式 接收机1接收机2MkkkNr12a1a2扩频通信技术扩频通信技术 (3) 等增益合并。等增益合并。 等增益合并无需对信号加权，等增益合并无需对信号加权， 各支路的信号是等增益相加的，各支路的信号是等增益相加的， 其方框图如图其方框图如图 4 - 4所所示。示。 等增益合并方式实现比较简单，等增益合并方式实现比较简单， 其性能接近于最

11、其性能接近于最大比值合并。大比值合并。 接收机1接收机2Mkkr1扩频通信技术扩频通信技术 4.2.2 分集合并性能的分析与比较分集合并性能的分析与比较 众所周知，众所周知， 在通信系统中信噪比是一项很重要的在通信系统中信噪比是一项很重要的性能指标。性能指标。 在模拟通信系统中，在模拟通信系统中， 信噪比决定了话音质信噪比决定了话音质量；量； 在数字通信系统中，在数字通信系统中， 信噪比信噪比(或载噪比或载噪比)决定了误决定了误码率。码率。 分集合并的性能系指合并前、分集合并的性能系指合并前、 后信噪比的改善后信噪比的改善程度。程度。 为便于比较三种合并方式，为便于比较三种合并方式， 假设它们

12、都满足下假设它们都满足下列三个条件：列三个条件：扩频通信技术扩频通信技术 (1) 每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关，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，噪声均值为零， 具有恒定均方根值；具有恒定均方根值； (2) 信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频 (3) 各支路信号的衰落互不相关，各支路信号的衰落互不相关， 彼此独立。彼此独立。扩频通信技术扩频通信技术 综上所述，综上所述， 最大比值合并时各支路加权系数与本最大比值合并时各支路加权系数与本路信号幅度成正比，路信号幅度成正比， 而与本路的噪声功率成反比，而与本路的噪声功

13、率成反比， 合合并后可获得最大信噪比输出。并后可获得最大信噪比输出。 若各路噪声功率相同，若各路噪声功率相同， 则加权系数仅随本路的信号振幅而变化，则加权系数仅随本路的信号振幅而变化， 信噪比大的信噪比大的支路加权系数就大，支路加权系数就大， 信噪比小的支路加权系数就小。信噪比小的支路加权系数就小。 扩频通信技术扩频通信技术图图 4 - 8 三种合并方式的三种合并方式的D(M)与与M关系曲线关系曲线 选择式109876543211 23456789 10M平均信噪比改善D(M)/dB最大比值等增益扩频通信技术扩频通信技术4.2 RAKE接收接收 所谓所谓 AKE接收机，接收机， 就是利用多个并

14、行相关器检就是利用多个并行相关器检测多径信号，测多径信号， 按照一定的准则合成一路信号供解调用按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。的接收机。 需要特别指出的是，需要特别指出的是， 一般的分集技术把多一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，径信号作为干扰来处理， 而而RAKE接收机采取变害为接收机采取变害为利的方法，利的方法， 即利用多径现象来增强信号。即利用多径现象来增强信号。 图图 4 - 9示出示出了简化的了简化的 AKE接收机的组成。接收机的组成。扩频通信技术扩频通信技术图图 4 - 9 简化的简化的RAKE接收机组成接收机组成 积分Tb保持至TbNTbc1(t)积分Tb保持至T

15、bNTb2c1(t2)积分Tb保持至TbNTb3c1(t3)积分Tb保持至TbNTbNc1(tN)判决cosct123路径 NRxTx扩频通信技术扩频通信技术 假设发端从假设发端从x发出的信号经发出的信号经N条路径到达接收天条路径到达接收天线线x。 路径路径 1 距离最短，距离最短， 传输时延也最小，传输时延也最小， 依次是依次是第二条路径，第二条路径， 第三条路径，第三条路径， ， 时延时间最长的是第时延时间最长的是第N条路径。条路径。 通过电路测定各条路径的相对时延差，通过电路测定各条路径的相对时延差， 以以第一条路径为基准时，第一条路径为基准时， 第二条路径相对于第一条路径第二条路径相对

16、于第一条路径的相对时延差为的相对时延差为2， 第三条路径相对于第一条路径的第三条路径相对于第一条路径的相对时延差为相对时延差为3， ， 第第N条路径相对于第一条路径条路径相对于第一条路径的相对时延差为的相对时延差为N， 且有且有NN-132(1=0)。扩频通信技术扩频通信技术 在图在图4-9中，中， 由于各条路径加权系数为由于各条路径加权系数为 1， 因此为因此为等增益合并方式。等增益合并方式。 在实际系统中还可以采用最大比合在实际系统中还可以采用最大比合并或最佳样点合并方式，并或最佳样点合并方式， 利用多个并行相关器，利用多个并行相关器， 获得获得各多径信号能量，各多径信号能量， 即即 AK

17、E接收机利用多径信号，接收机利用多径信号， 提提高了通信质量。高了通信质量。 在实际系统中，在实际系统中， 由于每条多径信号都经受着不同由于每条多径信号都经受着不同的衰落，的衰落， 具有不同的振幅、具有不同的振幅、 相位和到达时间。相位和到达时间。 由于由于相位的随机性，相位的随机性， 其最佳非相干接收机的结构由匹配滤其最佳非相干接收机的结构由匹配滤波器和包络检波器组成。如图波器和包络检波器组成。如图4-10所示，所示， 图中匹配滤图中匹配滤波器用于对波器用于对c1(t)cost匹配。匹配。扩频通信技术扩频通信技术图图4-10 最佳非相干接收机最佳非相干接收机 扩频通信技术扩频通信技术 如果如

18、果r(t)中包括多条路径，中包括多条路径， 则图则图4-10的输出如图的输出如图4-11所示。所示。 图中每一个峰值对应一条多径。图中每一个峰值对应一条多径。 图中每个峰图中每个峰值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。 为了将这些多径信号进行有效的合并，为了将这些多径信号进行有效的合并， 可将每一条多可将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大，径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大， 按最按最大比的方式合并，大比的方式合并， 就可以得到最佳的输出信号。就可以得到最佳的输出信号。 然后然后再进行判决恢复，再进行判决恢复， 发送

19、数据发送数据。 我们可采用横向滤波器我们可采用横向滤波器来实现上述时延和最大比合并，来实现上述时延和最大比合并， 如图如图4-12所示。所示。 扩频通信技术扩频通信技术图图4-11 最佳非相干接收机的输出波形最佳非相干接收机的输出波形 扩频通信技术扩频通信技术图图4-12 实现最佳合并的横向滤波器实现最佳合并的横向滤波器 扩频通信技术扩频通信技术4.3 纠错编码技术纠错编码技术 4.3.1 纠错编码的基本原理纠错编码的基本原理 首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。 现在现在我们考察由我们考察由 3 位二进制数字构成的码组，它共有位二进制数字构成的码组，它

20、共有 23=8 种不同的可能组合，种不同的可能组合， 若将其全部用来表示天气，若将其全部用来表示天气， 则可以表示则可以表示 8 种不同的天气情况，种不同的天气情况， 如：如： 000(晴晴)， 001(云云)， 010(阴阴)， 011(雨雨)， 100(雪雪)， 101(霜霜)， 110(雾雾)， 111(雹雹)。 其中任一码组在传输中若发生一个其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码，或多个错码， 则将变成另一信息码组。则将变成另一信息码组。 这时，这时， 接收接收端将无法发现错误。端将无法发现错误。扩频通信技术扩频通信技术 若在上述若在上述 8 种码组中只准许使用种码组中只准许使用 4

21、 种来传送消息，种来传送消息， 譬如譬如 000 = 晴晴 011 = 云云 101 = 阴阴 110 = 雨雨 (4 - 51)扩频通信技术扩频通信技术表表 4 - 2 分组码例子分组码例子(3, 2) 扩频通信技术扩频通信技术 4.3.3 卷积码卷积码 数字化移动信道中传输过程会产生随机差错，数字化移动信道中传输过程会产生随机差错， 也也会出现成串的突发差错。会出现成串的突发差错。 讨论各种编码主要用来纠正讨论各种编码主要用来纠正随机差错，随机差错， 卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠正突发差错的能力。正突发差错的能力。扩频通信技术扩频通信技术1. 卷

22、积码卷积码 卷积码的监督元不仅与本组的信息元有关，卷积码的监督元不仅与本组的信息元有关， 而且还与前若干组的信息元有关。而且还与前若干组的信息元有关。 这种码的纠这种码的纠错能力强，错能力强， 不仅可纠正随机差错，不仅可纠正随机差错， 而且可纠而且可纠正突发差错。正突发差错。扩频通信技术扩频通信技术 编码输出每次输入k比特1k1k1k1k 1 k2k3kNk 12nNk级移存器n个模2加法器每输入k比特旋转1周扩频通信技术扩频通信技术由上图可以看到，由上图可以看到，n个输出比特不仅与当前的个输出比特不仅与当前的k个输个输入信息有关，还与前入信息有关，还与前（N-1）k个信息有关。个信息有关。

23、通常将通常将N称为约束长度。称为约束长度。常把卷积码记为：常把卷积码记为：（n，k，N）其编码效率为其编码效率为k/n扩频通信技术扩频通信技术 卷积码的图形描述卷积码的图形描述 描述卷积码的方法有两类：描述卷积码的方法有两类：图解法和解析表示图解法和解析表示图解法包括：树状图、状态图、网格图图解法包括：树状图、状态图、网格图解析法包括：矩阵形式、生成多项式形式解析法包括：矩阵形式、生成多项式形式扩频通信技术扩频通信技术123M3M1输入M2编码输出c2c1（，）卷积码编码器卷积码编码器 扩频通信技术扩频通信技术12M2M1输入编码输出c2c1（，2）卷积码编码器卷积码编码器 扩频通信技术扩频通

24、信技术2. 交织编码交织编码 交织编码主要用来纠正突发差错，交织编码主要用来纠正突发差错， 即使突发差错即使突发差错分散成为随机差错而得到纠正。分散成为随机差错而得到纠正。 通常，通常， 交织编码与上交织编码与上述各种纠正随机差错的编码述各种纠正随机差错的编码(如卷积码或其它分组码如卷积码或其它分组码)结结合使用，合使用， 从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正突发差错的能力。突发差错的能力。 交织编码不像分组码那样，交织编码不像分组码那样， 它不增它不增加监督元，加监督元， 亦即交织编码前后，亦即交织编码前后， 码速率不变，码速率不变， 因此因此不影响有

25、效性。不影响有效性。 在移动信道中，在移动信道中， 数字信号传输常出现数字信号传输常出现成串的突发差错，成串的突发差错， 因此，因此， 数字化移动通信中经常使用数字化移动通信中经常使用交织编码技术。交织编码技术。扩频通信技术扩频通信技术 交织的方法如下：交织的方法如下： 一般在交织之前，一般在交织之前， 先进行分组码编码，先进行分组码编码， 例如采用例如采用(7，3)分组码，分组码， 其中信息位为其中信息位为 3 比特，监督位为比特，监督位为 4 比比特，特， 每个码字为每个码字为 7 比特。比特。 第一个码字为第一个码字为11 12 13 14 15 16 17， 第二个码字为第二个码字为

26、21 2227 ， ， 第第个码字为个码字为12 7。 扩频通信技术扩频通信技术 将每个码字按图将每个码字按图 4 - 18 所示的顺序先存入存储器，所示的顺序先存入存储器， 即即将码字顺序存入第将码字顺序存入第 1 行，行， 第第 2 行，行， ， 第第 行行(图中图中为第为第 1 排，排， 第第 2 排，排， ， 第第 排排)， 共排成共排成行，行， 然然后按列顺序读出并输出。后按列顺序读出并输出。 这时的序列就变为这时的序列就变为 11 21 31 1 12 22 32 2 13 23 33 3 17 27 37 7扩频通信技术扩频通信技术图图 4 - 18 交织的方法交织的方法 存入顺

27、序第1排C11C12C13C14C15C16C17第2排C21C22C23C24C25C26C27第3排C31C32C33C34C35C36C37第 m排Cm1Cm2Cm3Cm4Cm5Cm6Cm7读出顺序扩频通信技术扩频通信技术4.3.4 Turbo码码 1. Turbo码编码原理码编码原理 Turbo码的编码器可以有多种形式，码的编码器可以有多种形式， 如采用并行如采用并行级联卷积码（级联卷积码（pCCC）和串行级联卷积码）和串行级联卷积码(SCCC)等。等。 一个采用并行级联卷积码（一个采用并行级联卷积码（pCCC）的）的Turbo码编码编码原理框图如图码原理框图如图4-19所示。所示。

28、扩频通信技术扩频通信技术图图4-19 Turbo码编码器框图码编码器框图 编码器1编码器2交织器删余矩阵复接器输出码元输入信息扩频通信技术扩频通信技术 图中两个编码器分别称为图中两个编码器分别称为Turbo码二维分量码，码二维分量码， 它它可以很自然地推广到多维分量码。可以很自然地推广到多维分量码。 分量码既可以是卷分量码既可以是卷积码，积码， 也可以是分组码，也可以是分组码， 还可以是级联码；还可以是级联码； 两个分量两个分量码既可以相同，码既可以相同， 也可以不同。也可以不同。 原则上讲，原则上讲， 分量码既可分量码既可以是系统码，以是系统码， 也可以是非系统码，也可以是非系统码， 但为了

29、在接收端进但为了在接收端进行有效的迭代，行有效的迭代， 一般选择递归系统卷积码（一般选择递归系统卷积码（RSC）。）。 扩频通信技术扩频通信技术4.4 均衡技术均衡技术 理论和实践证明，在数字通信系统中插理论和实践证明，在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性，入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性，减少码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波减少码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。器称为均衡器。 均衡器通常是用滤波器来实现的，使用均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调输出样本，是经过均衡器修

30、正过的或者清除了输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。码间干扰之后的样本。 扩频通信技术扩频通信技术 扩频通信技术扩频通信技术 首先，发射机发射一个己知的定长的训练序列，首先，发射机发射一个己知的定长的训练序列，以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。典型的以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或是一串预先指定训练序列是一个二进制伪随机信号或是一串预先指定的数据位，而紧跟在训练序列后被传送的是用户数据。的数据位，而紧跟在训练序列后被传送的是用户数据。而在接收数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪不而在接收数据时，均衡器的自适应算法就可以

31、跟踪不断变化的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。断变化的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。扩频通信技术扩频通信技术表表4-3 GSM的训练序列的训练序列 扩频通信技术扩频通信技术图图4-36 GSM时隙结构时隙结构 时隙1时隙2时隙

32、3时隙4时隙5时隙6时隙7时隙8头3数据58训练26数据58尾3保护8.254.615 ms扩频通信技术扩频通信技术4.5 扩频通信扩频通信CDMA多址方式多址方式扩频通信技术扩频通信技术4.5 扩频通信扩频通信CDMA多址方式多址方式扩频通信技术扩频通信技术4.5 扩频通信扩频通信CDMA系统可采用系统可采用“软切换软切换”技术技术 扩频通信技术扩频通信技术 发端：利用自相关性很强而互相关值为发端：利用自相关性很强而互相关值为0或或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘（或模数据相乘（或模2加）进行地址调制后输出加）进行地址调制后输出扩频通信

33、技术扩频通信技术扩频通信技术扩频通信技术扩频通信技术扩频通信技术 三个必备条件三个必备条件扩频通信技术扩频通信技术扩频通信系统扩频通信系统扩频通信技术扩频通信技术4.5 扩频通信扩频通信 基本原理基本原理扩频通信技术扩频通信技术扩频通信技术扩频通信技术 扩频通信扩频通信 频谱变换频谱变换扩频通信技术扩频通信技术扩频通信系统的特点扩频通信系统的特点扩频通信技术扩频通信技术（5）可利用扩频码的优良的自相关和互相）可利用扩频码的优良的自相关和互相关特性实现码分多址，提高频率利用关特性实现码分多址，提高频率利用 （6）抗多径干扰。抗多径干扰。接收端用相关技术从多径接收端用相关技术从多径信号中提取和分离

34、出最强的有用信号，或把信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多径信号合成，变害为利，提高接收信噪比多径信号合成，变害为利，提高接收信噪比（7）利用电磁波的传播特性和伪随机码的）利用电磁波的传播特性和伪随机码的相关性，可以比较正确地测出两个物体间的相关性，可以比较正确地测出两个物体间的距离距离 扩频通信技术扩频通信技术扩频通信的种类扩频通信的种类扩频通信技术扩频通信技术1. 直接序列扩频方式直接序列扩频方式 直扩系统方框图和扩频信号传输图 伪 码发生器模 2加法器调相器本振钟数据发射机发射机解调器中频相关器调相器载波VCO接收机前站本振钟VCO伪 码发生器数据载波跟踪误 差码跟踪误差(a)011

35、0101110010100011001111001010111001011110011000011 0 0 00 0 00 0000 0 0 00 0 000 00 0001(b)(1) 信息码(2) 伪码(3) 发送序列(4) 发端载波相位(5) 收端载波相位(6) 中频相位(7) 解调信息000000000000 扩频通信技术扩频通信技术跳变频率扩频方式跳变频率扩频方式 伪噪声发生器频 率合成器2信 源1d(u,t)中频带通滤 波 器混频器伪噪声发生器5到解调器频 率合成器431 跳频指令2 频移载波f1f2f3f43 参考码4 参考的频移载波f1 1Ff2 1Ff3 1Ff4 1F5 送

36、到解调器的相干中频扩频通信技术扩频通信技术直接序列扩频通信系统直接序列扩频通信系统DSSS扩频通信技术扩频通信技术 码分多址与直扩系统两种结合形式码分多址与直扩系统两种结合形式扩频通信技术扩频通信技术第二种：第二种：扩频通信技术扩频通信技术比较：比较：扩频通信技术扩频通信技术跳频扩频通信系统跳频扩频通信系统扩频通信技术扩频通信技术 跳频扩频系统跳频扩频系统扩频通信技术扩频通信技术 抗干扰能力抗干扰能力扩频通信技术扩频通信技术地址码和扩频码的生成及特性地址码和扩频码的生成及特性扩频通信技术扩频通信技术 理想的地址码和扩频码应具有的特性理想的地址码和扩频码应具有的特性扩频通信技术扩频通信技术 实际

37、作用的地址码与扩频码实际作用的地址码与扩频码扩频通信技术扩频通信技术 m序列伪随机码序列伪随机码扩频通信技术扩频通信技术产生产生改变反馈电路，可得到新的改变反馈电路，可得到新的m序列序列 最后一级必须参加反馈最后一级必须参加反馈扩频通信技术扩频通信技术扩频通信技术扩频通信技术m序列产生器序列产生器 a31a22a13a04ak1 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 10 1 1 11 0 1 10 1 0 11 0 1 01 1 0 10 1 1 00 0 1 11 0 0 10 1 0 00 0 1 00 0 0 11 0 0 0扩频通信技术扩频通信技术特性特性扩频通信技术扩频

38、通信技术自相关性自相关性 扩频通信技术扩频通信技术互相关性：同一周期的互相关性：同一周期的m序列组，两两序列组，两两m序序列对的互相关特性差别很大列对的互相关特性差别很大m序列和其移位后的序列逐位模序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的加，所得的序列仍是序列仍是m序列，只是相位不同序列，只是相位不同 m序列发生器中的移位寄存器的各种状态，序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全除全“0”外，其他状态在一个周期内只出现外，其他状态在一个周期内只出现一次一次扩频通信技术扩频通信技术 Walsh码码扩频通信技术扩频通信技术 Gold序列序列扩频通信技术扩频通信技术产生产生扩频通信技术扩频通信技术周期

39、周期P=2n-1的的m序列优选对产生的序列优选对产生的Gold序列序列共有共有2n+1个个 随着随着n的增加，的增加，Gold序列以序列以2的的n次幂增长次幂增长 平衡的平衡的Gold序列序列:一个周期内一个周期内“1”码元数比码元数比“0”仅多一个仅多一个扩频通信技术扩频通信技术特性特性扩频通信技术扩频通信技术IS-95CDMA中地址码的应用中地址码的应用扩频通信技术扩频通信技术 信道地址码信道地址码扩频通信技术扩频通信技术直接序列扩频通信系统的同步原理直接序列扩频通信系统的同步原理扩频通信技术扩频通信技术 同步过程同步过程扩频通信技术扩频通信技术 同步过程原理框图同步过程原理框图扩频通信技

40、术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理CDMA基本原理基本原理扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理码分多址通信系统主要由调制、扩频、解扩、解码分多址通信系统主要由调制、扩频、解扩、解调等构成调等构成 为了保证相关检测，接收端除了实现载波同步外，为了保证相关检测，接收端除了实现载波同步外，还必须保证地址码的同步还必须保证地址码的同步 地址码码型正交性要好，码的数量要多地址码码型正交性要好，码的数量要多扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理 CDMA系统中上下行链路工作原理系统中上下行链路工作原理扩频通信技术扩频通信技术4

41、.5 IS-95CDMA通信原理通信原理发送端：发送端：扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理接收端：接收端：扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理上行链路上行链路扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理CDMA中的关键技术中的关键技术扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理 CDMA中功率控制示意图中功率控制示意图扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理反向开环功率控制反向开环功率控制扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理刚进入接入

42、信道时刚进入接入信道时(闭环校正尚未激活闭环校正尚未激活)，MS计算平均输出功率，以发射其第一个试探序计算平均输出功率，以发射其第一个试探序列列 其后的试探序列不断增加发射功率，增加的其后的试探序列不断增加发射功率，增加的步长为步长为PWR_STEP，直到收到，直到收到BTS发回的一发回的一个响应或序列结束个响应或序列结束开环功率控制的优点是简单易行，不需在开环功率控制的优点是简单易行，不需在MS和和BTS间交换控制信息，控制速度快，节省间交换控制信息，控制速度快，节省开销开销 扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理由基站检测由基站检测MS的信号强度或信噪比，根据测

43、的信号强度或信噪比，根据测得结果与预定值比较，产生功率调整指令，得结果与预定值比较，产生功率调整指令，并通知并通知MS调整其发射功率调整其发射功率 目标：使基站对移动台的开环功率估计迅速目标：使基站对移动台的开环功率估计迅速作出纠正，以使移动台保持最理想的发射功作出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率；对开环的迅速纠正，解决了前向链路和率；对开环的迅速纠正，解决了前向链路和反向链路间增益容许度和传输损耗不一样的反向链路间增益容许度和传输损耗不一样的问题问题 功率控制比特在前向业务信道中进行数据扰功率控制比特在前向业务信道中进行数据扰码后插到数据流中，在功率控制子信道上传码后插到数据流中，在功率

44、控制子信道上传送送 扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理功率控制子信道的结构和替代功率控制子信道的结构和替代扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理紧随紧随MS发射时隙后的第二个发射时隙后的第二个1.25ms时隙内收时隙内收到的功率控制比特才有效到的功率控制比特才有效在非连续发射过程中，发射机关掉时在非连续发射过程中，发射机关掉时MS将忽将忽略收到的功率控制比特略收到的功率控制比特软切换时，软切换时，MS可能同时收到两个或两个以上可能同时收到两个或两个以上的功率控制命令，如果既有上调又有下降的的功率控制命令，如果既有上调又有下降的功控指令

45、，则执行功率下降的指令功控指令，则执行功率下降的指令 闭环调整范围：在开环功率控制的基础上调闭环调整范围：在开环功率控制的基础上调整整24dB扩频通信技术扩频通信技术正向功率控制正向功率控制扩频通信技术扩频通信技术功率控制的应用功率控制的应用例：信道突然衰落时的功率控制响应例：信道突然衰落时的功率控制响应扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理 信号的衰落与分集接收信号的衰落与分集接收 扩频通信技术扩频通信技术类型类型扩频通信技术扩频通信技术分集技术分集技术扩频通信技术扩频通信技术极化分集：两不同极化的电磁波具有独立的衰落特性极化分集：两不同极化的电磁波具有独立的衰落

46、特性扩频通信技术扩频通信技术时间分集：同一信号在不同的时间、区间多时间分集：同一信号在不同的时间、区间多次重发，各次发送的时间间隔足够大时，各次重发，各次发送的时间间隔足够大时，各次发送信号的衰落彼此独立次发送信号的衰落彼此独立 扩频通信技术扩频通信技术合并技术合并技术扩频通信技术扩频通信技术最大比值合并：最大比值合并：扩频通信技术扩频通信技术等增益合并：等增益合并：扩频通信技术扩频通信技术比较：比较：扩频通信技术扩频通信技术vCDMA系统的分集、合并技术系统的分集、合并技术 扩频通信技术扩频通信技术RAKE接收机接收机扩频通信技术扩频通信技术 其他关键技术其他关键技术扩频通信技术扩频通信技术

47、话音编码技术话音编码技术扩频通信技术扩频通信技术QCELP中数据速率的选择中数据速率的选择 扩频通信技术扩频通信技术v数据速率每帧只允许下降一个级别数据速率每帧只允许下降一个级别 v当当CDMA使用半速率技术时，即使当前帧根据门限选择使用半速率技术时，即使当前帧根据门限选择是速率是速率1，而实际只能选择速率，而实际只能选择速率1/2 v数字话音插空技术数字话音插空技术DSI：发端话音识别器检测是否有话：发端话音识别器检测是否有话音，决定是否分配信道音，决定是否分配信道v与可变速率话音编码结合，获得通信容量的增加与可变速率话音编码结合，获得通信容量的增加 扩频通信技术扩频通信技术越区切换技术越区

48、切换技术扩频通信技术扩频通信技术几个术语几个术语扩频通信技术扩频通信技术4.5 IS-95CDMA通信原理通信原理软切换过程软切换过程 扩频通信技术扩频通信技术v：扩频通信技术扩频通信技术在实际系统运行时，切换组合出现，可能同时既有软切在实际系统运行时，切换组合出现，可能同时既有软切换，又有更软切换换，又有更软切换 若处于三个基站交界处，可能发生三方软切换若处于三个基站交界处，可能发生三方软切换若其中某一相邻基站的相同载频已经达到满负荷，若其中某一相邻基站的相同载频已经达到满负荷，MSC就会让基站指示就会让基站指示MS切换到相邻基站的另一载频上，执行切换到相邻基站的另一载频上，执行硬切换硬切换

49、若相邻基站恰巧处于不同若相邻基站恰巧处于不同MSC范围，即使是同一载频，范围，即使是同一载频，也只能是进行硬切换也只能是进行硬切换 系统优先进行软切换系统优先进行软切换 扩频通信技术扩频通信技术CDMA系统的体系结构系统的体系结构网络结构网络结构扩频通信技术扩频通信技术功能结构功能结构扩频通信技术扩频通信技术功能结构功能结构扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构同步同步扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构信令信令扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构 服务控制功能服务控制功能扩频通信技术扩频通信技术3.3CD

50、MA系统的体系结构系统的体系结构vMS主叫：主叫：MS发起呼叫时向发起呼叫时向BTS发送初始化信息，如果发送初始化信息，如果BTS具有有效信道，分配相应的具有有效信道，分配相应的Walsh码及与有效信道一码及与有效信道一致的帧位移，请求与致的帧位移，请求与BSC的连接。的连接。BSC分配一个选择器后，分配一个选择器后，请示与请示与MX的呼叫连接。的呼叫连接。MX要求对主叫要求对主叫MS的权限确认。的权限确认。根据从根据从AUC中接收到的确认信息，中接收到的确认信息，MX接受呼叫并将接受呼叫并将MS连接到目的地连接到目的地v MS被叫：被叫：MX根据被叫根据被叫MS的位置信息选择路径，将呼叫的位

51、置信息选择路径，将呼叫信息送达被叫所处位置的信息送达被叫所处位置的BSC，在，在BSC控制下进行广播呼控制下进行广播呼叫。被叫叫。被叫MS收到呼叫信息应答后，收到呼叫信息应答后，BTS分配一个分配一个Walsh编编码并为码并为MS分配帧位移。分配帧位移。BSC接收到接收到BTS送来的送来的MS的应答的应答信号后，为呼叫分配一个选择器。在确认与信号后，为呼叫分配一个选择器。在确认与MS连接后，连接后，BSC向向MX发送应答信息，发送应答信息，MX完成有效连接完成有效连接扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构数据服务数据服务扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体

52、系结构系统的体系结构短消息服务短消息服务扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构资源管理资源管理扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构 服务管理功能服务管理功能扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构小区边界管理小区边界管理扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构业务负载消减业务负载消减扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构性能测试性能测试 扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构无线链路信道结构无线链路信道结构 扩频通信技术扩频通信技

53、术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构前向信道信号的处理过程前向信道信号的处理过程导频信道：无数据调制，为小区内的导频信道：无数据调制，为小区内的MS提供同步提供同步同步信道：卷积编码、码元重复、交织、同步信道：卷积编码、码元重复、交织、Walsh码的码的正交调制正交调制寻呼信道：卷积编码、码元重复、交织、数据扰码、寻呼信道：卷积编码、码元重复、交织、数据扰码、Walsh码的正交调制码的正交调制前向业务信道：卷积编码、码元重复、交织、数据扰前向业务信道：卷积编码、码元重复、交织、数据扰码、功率控制子信道的复用、码、功率控制子信道的复用、Walsh码的正交调制码的正交调制 各前向信道的信息

54、用对应信道的各前向信道的信息用对应信道的Walsh码调制后，码调制后，进入正交扩频和正交调制电路进行扩频和射频调进入正交扩频和正交调制电路进行扩频和射频调制，然后由天线发射出去制，然后由天线发射出去扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构前向信道结构、前向信道结构、对信号的处理过程对信号的处理过程 扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构 反向信道反向信道（CRC校验比特）校验比特）扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构反向信道的信号处理过程反向信道的信号处理过程扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构

55、系统的体系结构反向信道结构、反向信道结构、对信号的处理过程对信号的处理过程扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构呼叫处理呼叫处理扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构四个状态的转变四个状态的转变 扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构业务信道状态业务信道状态扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构四个状态的转变四个状态的转变扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构呼叫处理呼叫处理扩频通信技术扩频通信技术3.3CDMA系统的体系结构系统的体系结构基站呼叫处理的四

56、个过程：基站呼叫处理的四个过程：扩频通信技术扩频通信技术本章小结本章小结CDMA是用编码区分不同用户的，可以用同一频率、相同带宽同时为用户是用编码区分不同用户的，可以用同一频率、相同带宽同时为用户提供收发双向的通信服务。提供收发双向的通信服务。CDMA多址方式具有抗干扰、抗衰落性能好、多址方式具有抗干扰、抗衰落性能好、容量大、用户信息保密性好等很多优点容量大、用户信息保密性好等很多优点 CDMA的基本工作原理是：利用自相关性很强、互相关性很弱的（准）正的基本工作原理是：利用自相关性很强、互相关性很弱的（准）正交码，在发端进行地址码调制，在收端用与发端完全相同的地址码进行交码，在发端进行地址码调

57、制，在收端用与发端完全相同的地址码进行相关检测提取所需的信息相关检测提取所需的信息 扩频通信是利用扩频通信是利用PN对发送信号进行频谱扩展，在接收端用与发端完全相同对发送信号进行频谱扩展，在接收端用与发端完全相同的的PN进行解扩，以提高系统的抗干扰性能进行解扩，以提高系统的抗干扰性能 扩频通信技术扩频通信技术本章小结本章小结码分多址系统的地址码和扩频通信系统的扩频码需要有良好的相关性（自相码分多址系统的地址码和扩频通信系统的扩频码需要有良好的相关性（自相关性很强、互相关性很弱）。关性很强、互相关性很弱）。CDMA系统中常用系统中常用Waslh码作信道地址码，码作信道地址码，不同长度和相位的不同

58、长度和相位的m序列（或平衡的序列（或平衡的Gold序列）作基站或用户地址码序列）作基站或用户地址码 DS系统按系统按“载波捕获载波捕获伪码捕获伪码捕获伪码跟踪伪码跟踪载波跟踪载波跟踪”的顺序实现同步的顺序实现同步 CDMA系统中采用的功率控制方式有反向开环功率控制（至少系统中采用的功率控制方式有反向开环功率控制（至少32dB范范围）、反向闭环功率控制（在开环基础上提供围）、反向闭环功率控制（在开环基础上提供24dB范围）、前向功率范围）、前向功率控制（控制（6dB范围）。不同的功率控制方式在不同的情况下应用，效果范围）。不同的功率控制方式在不同的情况下应用，效果不同不同 扩频通信技术扩频通信技

59、术本章小结本章小结移动通信系统中有多种形式的分集技术和合并技术。在移动通信系统中有多种形式的分集技术和合并技术。在CDMA系统中软切系统中软切换是宏分集的一个体现，另外，扩频技术实现了频率分集、交织编码实换是宏分集的一个体现，另外，扩频技术实现了频率分集、交织编码实现了时间分集、用现了时间分集、用RAKE接收机实现了空间分集；接收机实现了空间分集；RAKE接收机用等增接收机用等增益合并方式进行分集信号的合并益合并方式进行分集信号的合并 IS-95 CDMA系统中采用了可变速率码激励线性预测编码器系统中采用了可变速率码激励线性预测编码器QCELP进行话进行话音编码，并使用话音插空技术与可变速率编

60、码方式结合，以减小干扰、音编码，并使用话音插空技术与可变速率编码方式结合，以减小干扰、增大系统容量增大系统容量 CDMA系统支持不同载频间的硬切换、相同载频间的软切换、同一基站相系统支持不同载频间的硬切换、相同载频间的软切换、同一基站相同载频间的更软切换、与模拟同载频间的更软切换、与模拟AMPS系统间的切换。但系统间的切换。但CDMA系统优先系统优先使用软切换，软切换根据导频信号的强度和持续时间决定切换的使用软切换，软切换根据导频信号的强度和持续时间决定切换的 扩频通信技术扩频通信技术本章小结本章小结IS-95 CDMA系统的前向信道具有系统的前向信道具有1个导频信道、个导频信道、1个同步信道

61、、个同步信道、7个寻呼信个寻呼信道和道和55个业务信道；反向信道有个业务信道；反向信道有032个接入信道、个接入信道、6432个业务信道。个业务信道。各个信道具有不同的信道结构，对信号的处理过程也有所不同各个信道具有不同的信道结构，对信号的处理过程也有所不同 在在CDMA系统的呼叫处理过程中，移动台在四种状态间转换：初始化状态、系统的呼叫处理过程中，移动台在四种状态间转换：初始化状态、空闲状态、系统接入状态、业务信道状态。相应的，基站也要进行四种空闲状态、系统接入状态、业务信道状态。相应的，基站也要进行四种处理：导频和同步信道处理、寻呼信道处理、接入信道处理、业务信道处理：导频和同步信道处理、寻呼信道处理、接入信道处理、业务信道处理处理