第5章-抗信道衰落技术

第5章抗信道衰落技术抗衰落技术概况5.1分集技术5.2均衡技术及应用5.3智能天线技术5.45.1抗衰落技术概况·衰落是影响通信质量的主要因素。快衰落的深度可达30～40dB，通过加大发射功率来克服快衰落不仅不现实，而且会造成对其它电台的干扰。因此就迫使人们利用各种信号处理的方法来对抗衰落，分集技术和均衡技术就是用来克服衰落、改进接收信号质量的，它们既可单独使用，也可以组合使用。分集接收是抗衰落的一种有效措施。CDMA系统采用路径分集技术（又称Rake接收），TDMA系统采用自适应均衡技术，各种移动通信系统采用不同的纠错编码技术、自动功率控制技术等，都能起到抗衰落作用，提高通信的可靠性。均衡是信道的逆滤波，用于消除由多径效应引起的码间干扰即符号间干扰。·分集和均衡技术都被用于改进无线链路的性能，提高系统数据传输的可靠性。但是在实际的无线通信系统中，每种技术在实现方法、所需费用和实现效率等方面具有很大的不同，在不同的场合需要采用不同的技术或技术组合。5.2分集技术·分集技术（DiversityTechniques）主要研究如何利用无线传播环境中相互独立的（或至少是高度不相关的）多径信号来改善系统的性能。·这些多径信号在结构上和统计特性上具有不同的特点，对这些信号进行区分，并按一定规律和原则进行集合与合并处理来实现抗衰落。5.2.1分集技术的概念分集的概念可以简单解释如下：一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而其他相对独立的路径中仍可能含着较强的信号，因此可以在多径信号中选择多个信号，通过在接收端进行适当地合并来提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，通常可以提高20dB到30dB。分集的必要条件：在接收端必须能够接收到承载同一信息内容且在统计上相互独立的若干个不同的样值信号，这若干个不同样值信号的获得可以通过不同的方式，如空间、频率、时间等。分集的充分条件：如何将可获得的含有同一信息内容但统计上独立的不同样值加以有效且可靠的利用，它是指分集中的集合与合并。5.2.2分集的分类移动通信系统中，从分集的区域划分，分集方式分为宏分集和微分集两类。①宏分集（也称为多基站分集）用于蜂窝通信系统中，是一种减小慢衰落影响的分集技术。②微分集是一种减小快衰落影响的分集技术，是各种无线通信系统经常使用的方法。为了达到信号之间的不相关，可以从时间、频率、空间、极化、角度等方面实现这种不相关性。空间分集的基础是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号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两个位置上所收信号的衰落是不相关的。如图5.1所示空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线。间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关。在移动信道中，通常取：市区d=0.5λ郊区d=0.8λ1．空间分集：SpaceDiversity图5.1空间分集示意图2．频率分集：FrequencyDiversity频率分集需要用两部以上的发射机同时发送同一信号，并用两部以上的独立接收机来接收信号。因此，频率分集不仅使设备复杂，而且在频谱利用方面也很不经济。3．时间分集：TimeDiversity同一信号在不同的时间区间多次重发，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。因此，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。时间分集有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落，主要用于数字信号在衰落信道中的传输。4．极化分集：PolarizationDiversity两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和接收端可以用两个位置很近、极化方式不同的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。5．角度分集：AngleDiversity角度分集的原理是使电波通过几个不同路径、以不同角度到达接收端，接收端利用多个方向性尖锐的接收天线将来自不同方向的信号分量进行分离。由于不同方向来的信号分量具有互相独立的衰落特性，所以可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。由电磁场理论可知，当电磁波传输时，电场E总是伴随着磁场H，且和H携带相同的信息。若把衰落情况不同E和H的能量加以利用，得到的就是场分集。场分集不需要把两根天线从空间分开，天线的尺寸也基本保持不变，对带宽无影响，但要求两根天线分别接E和H。适用于较低工作频段(例如低于100MHz)。6．场分集5.2.3分集合并方式及性能·接收端收到M(M≥2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t),…，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为（5.1）式中，ak为第k个信号的加权系数。11221()()()()()MMMkkkrtartartartart•合并技术通常应用在空间分集中。分集信号的合并是指接收端收到多个独立衰落的信号后如何合并的问题。选择不同的加权系数，构成不同的合并方式。常用的合并方式有选择合并、最大比合并、等增益合并。1．选择合并：SelectiveCombining选择合并（SelectionCombining，SC）就是将天线接收的多路信号加以比较之后选取最高信噪比的分支。这种方式实际上并非是合并，而是从中选择信号质量最好的一个输出，因此又称为选择分集或开关分集。图5.2选择式合并的原理选择合并有检测前合并与检测后合并两种方式，如图5.3所示。图5.3检测前与检测后合并方式2．最大比合并：MaximalRatioCombining最大比合并（MaximalRatioCombining，MRC）是最佳的分集合并方式，因为它能得到最大的输出信噪比。图5.4最大比合并的原理最大比合并的输出信噪比等于各支路的信噪比之和。所以，即使当各路信号都很差，以至于没有一路信号可以被单独解出时，最大比合并算法仍有可能合成一个达到信噪比要求的、可以被还原的信号。在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统计特性最佳。3．等增益合并：EqualGainCombining等增益合并（EqualGainCombining，EGC）就是使各支路信号同相后等增益相加作为合并后的信号，它与最大比合并类似，只是加权系数设置为1。图5.5等增益合并原理图等增益合并适合在两路信号电平接近时工作，此时可以获得约3dB的增益。但是它不适合在两路信号相差悬殊时工作，因为此时信号弱的那一路也将被充分放大后参与合并，这将会使总输出信噪比下降。需要注意的是：等增益合并必须在中频进行，因为若是在低频合并，会由于各支路解调器的增益不是常数而无法保证等增益合并。最大比合并和等增益合并，可以采用图5.6所示的电路来实现同相相加。另外还可以在发射信号中插入导频，在接收端通过提取导频的相位信息实现同相相加。图5.6同相调整电路4.三种合并方式的性能比较图5.7三种分集合并增益比较分集合并的性能指的是合并前、合并后信噪比的改善程度。Rake的概念是1958年由R.Price和P.E.Green在《多径信道中的一种通信技术》中提出来的。RAKE接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。由于这种接收机收集的是多条路径上的信号，其作用与农用多齿草耙（英文为Rake）的作用相似，故称为Rake接收机。Rake接收机不是减弱或削弱多径信号，而是充分利用多径信号。5.2.4RAKE接收机1．Rake接收机的工作原理·假定有L个相关器，每个相关器与其中一个多径分量强相关，而与其他多径分量弱相关，各个相关器的输出经过加权后同相相加，总的输出信号为（5.2）1()()()Liiiytztwt与一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理不同，RAKE接收机利用多径信号来增强信号。图5.8Rake接收机原理·加权系数由相应多径信号能量在总能量中所占比例决定（5.3）221()/()Liiiiwztzt图5.8Rake接收机原理2．Rake接收机的工程实现在IS-95CDMA系统中。Rake多径分集接收是这样的：在基站处，每一个反向信道都有四个数字解调器，这样每个基站都可以同时解调四路多径信号，并进行矢量合并，通过这样恢复出的信号比任何一路信号都要好。在手机里，有三个数字解调单元、一个搜索单元，这样手机也能同时解调三路多径信号并进行矢量合并。5.3均衡技术及应用5.3.1均衡原理在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，将产生严重的码间干扰，这就需要采用均衡技术来克服码间干扰。均衡技术是指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法和实现方法。图5.9均衡器原理均衡的基本原理如图5.9所示。5.3.2均衡的分类均衡技术按技术类型可分为：线性均衡和非线性均衡。这两类均衡技术的差别主要在于均衡器的输出。被用于反馈控制的方法。通常，模拟信号由接收机的判决器进行限幅或阈值操作，并决定信号的数字逻辑值d(t)。如果d(t)未被应用于均衡器的反馈逻辑中，那么均衡器是线性的。反之。如果d(t)应用于反馈逻辑并影响了均衡器的后续输出，那么均衡器是非线性的。均衡器按结构划分为：横向或格形结构。横向结构是具有N-1个延迟单元、N个可调谐的抽头权重因子。格形滤波器与横向滤波器相比复杂度较高，但其数值稳定性高、收敛性好，滤波器长度变化灵活。均衡器按其所处位置可分为：预均衡与均衡。均衡器通常都放在接收端，而预均衡器放在发射端。均衡器按检测级别可分为码片均衡器、符号均衡器和序列均衡器三类。均衡器按其频谱效率可分成三类：基于训练序列的均衡、盲均衡BE（BlindEqualization）、半盲均衡。·线性均衡器可由有限冲激响应（FIR）滤波器（又称为横向滤波器）实现。这种滤波器在可用的类型中是最简单的，它的基本框图如图5.10所示。5.3.3线性均衡技术图5.10线性横向均衡器结构均衡器通常是在数字域中实现，其采样信号被存储于移动寄存器中。对于模拟信号，均衡器输出的连续信号波形将以符号速率被采样，并送至判决器。线性横向均衡器最大的优点就在于其结构非常简单，容易实现，因此在各种数字通信系统中得到了广泛的应用。但是其结构决定了它有两个难以克服的缺点：①噪声的增强会使线性横向均衡器无法均衡具有深度零点的信道；②线性横向均衡器与接收信号的幅度信息关系密切，而幅度会随着多径衰落信道中相邻码元的改变而改变，因此滤波器抽头系数的调整不是独立的。线性均衡器还可以由格型滤波器实现，如图5.11所示。图5.11格型均衡器结构格型均衡器由于在动态调整阶数的时候不需要重新启动自适应算法，因而在无法大概估计信道特性的时候非常有利，可以利用格型均衡器的逐步迭代而得到最佳的阶数，另外格型均衡器有着优良的收敛特性和数值稳定性，这些都有利于在高速的数字通信和深度衰落的信道中使用格型均衡器。但是格型均衡器的结构比较复杂，实现起来困难，从而限制了格型均衡器在数字通信中的应用。当信道失真过于严重以至于线性均衡器不易处理时，采用非线性均衡技术会比较好。当信道中有深度频谱衰落时，用线性均衡器不能取得满意的效果，这是由于为了补偿频谱的失真，线性均衡器会对出现深衰落的那段频谱及其附近的频谱产生很大的增益，从而增加了该段频谱的噪声。5.3.4非线性均衡技术判决反馈均衡（DFE）的基本思路是：一旦信息符号经检测和判决以后，它对随后信号的干扰在其检测之前可以被估计并消减。判决反馈均衡既可以直接由横向滤波器实现，也可以由格型滤波器实现。图5.12横向滤波式判决反馈均衡器·横向滤波式判决反馈均衡器包括两个抽头延迟滤波器：一个是前向滤波器(ForwardFilter，FFF)，另一个是反向滤波器(FeedbackFilter，FBF)。其作用和原理与前面讨论的线性横向均衡器类似。FBF的输入是判决器的先前输出，其系数可以通过调整减弱当前估计中的码间干扰。当频谱衰落较平坦时，线性均衡器能够良好地工作，而当频谱衰落严重不均时，线性均衡器的性能会恶化，而采用DFE的均衡器则表现出更好的性能。因此，判决反馈均衡更适合于有严重失真的无线信道。它的结构具有许多优点，当判决差错对性能的影响可忽略时，DFE优于线性均衡器