第5章 分集、均衡和信道编码.pdf

1第第5章章 均衡、分集和信道编码均衡、分集和信道编码5.1均衡技术 5.2分集接收 5.3 RAKE接收 5.4纠错编码技术2问题：问题：1. RAKE接收机是如何将同一用户的多径信 号与其他用户信号区分开的？ 2. RAKE接收机是使用的何种分集技术？ 3. 纠检错编码的基本原理是什么？ 4. 信道编码的纠检错能力由什么因素决定？ 5. 卷积码编码器的基本组成怎样？ 6. 交织编码适合于纠正何种差错？ 7. 均衡技术是为了解决什么问题？5.1 5.1 均衡技术均衡技术1、均衡技术起源：来自远离接收天线的物体的反射信号，但与多 径衰落不同例如，在GSM系统中，比特速率为270kbit/s，则一 比特时间为3.7μs，对应1.1km假设反射点在移动 台后500m左右，则反射信号的路径将比直射信号 长1km，这时有用信号中将混有比它迟到一个比特 时间的同一信号，出现码间串扰概念：均衡可以指任何用来削弱符号间干扰的信号处 理操作均衡器通常接在接收部分的抽样判决器之前 目标：抵消信道的时变多径传播特性引起的码间串扰, 消除信道 的频率选择性和时间选择性分类： 频域均衡：频域均衡校正幅频特性和群延时，使系统的总的 传输函数满足无失真条件。

H(f)=Kexp(-j2πf td), 对于∣f ∣< B B为信号频带时域均衡：时域均衡使冲击响应满足无码间串扰的条件广 泛使用横向滤波器2、时域均衡原理均衡：利用信道均衡器使总的脉冲响应函 数接近理想状态，消除非理想信道引起的 码间串扰X(t)：原始基带信号 f(t): 复数基带冲激相应• 均衡器收到信号：• 均衡器输出)t (n)t (f)t ( x)t ( yb*+⊗=)t (h)t (n)t (h)t (f)t ( x)t (dˆ eqbeq*⊗+⊗⊗=)t (h)t (n)t (g)t ( xeqb⊗+⊗=（1）（2）均衡器的期望输出值为x(t)假定nb=0，则必须要求g(t):)t ()t (h)t (f)t (geq*δ=⊗=1=−)f(F)f(H* eq对应于频域表达式为：横向滤波器的基带复数冲激响应为：)Tnt (c)t (hnneq∑−=δ（3）（4）（5）Cn是均衡器的复数滤波系数，经适当选择，可满足（3）， （4）式要求，从而达到无码间串扰sTsTsTsT…)(tx)(tyNc−1−c0c1cNc在抽样时刻除K=0 外，我们期望所有的都等于0， 适当选择0tkTs+∑= −=−NNiikikxcykyic例：当均衡器的输入序列为例：当均衡器的输入序列为411=−x10=x211=x其余为零，抽头系数kx411−=−c10=c211−=c其余为零，求ncky41 2141−21−161−41−81−4112181−21−41−161−043041−用有限长的横向均衡器减小码间干扰是 可能的，完全消除是不可能的11自适应均衡原理自适应均衡原理• 自适应均衡器一般包括两种工作模式， 即训练模式和跟踪模式。

• 首先，发射机发射一个已知的、定长的 训练序列，以便接收机中的均衡器可以 调整恰当的设置，使BER最小在接收用 户数据时，均衡器的自适应算法跟踪不 断变化的信道自适应算法是由误差信号ek控制的，误差信号是通过对均衡 器的输出和参考信号dk（期望输出）进行比较而产生的自适应算法通过误差信号ek使代价函数最小化，即以迭代方 式更新均衡器的权重来使代价函数趋于最小例：最小均方(LMS)算法迭代过程 新权重＝原先权重＋常数×预测误差×当前输入向量其中预测误差＝原先期望输出值－实际输出值kdˆ-+wL(n)w1(n)w0(n)e(n)y(n)d(n)x(n-L)x(n-2)x(n-1)自适应处理器z-1z-1z-1…x(n)ΣΣ…单输入自适应线性组合器• 自适应线性组合器的L＋1个权系数构成权矢量，用w(n) 表示， w(n) = [w0(n) w1(n) … wL(n)]T(5.1) • 输入信号与输出信号之间的关系为： y(n) = xT(n) w(n) = wT(n) x(n）(5.2) 参考响应d(n)与输出响应y(n)之差称为误差信号，用e(n) 表示： e(n) = d(n) - y(n) = d(n) - xT(n) w(n) = d(n) - wT(n) x(n) (5.3) • 自适应线性组合器按照误差信号均方值（代价函数）最 小的准则来自动调整权矢量。

• ξ(n) = E[e2(n)] = E[d2(n)] + wT(n) E[x(n) xT(n)] w(n) - 2E[d(n) xT(n)] w(n) (5.4)LMS算法是一种很有用且很简单的估计梯度的方法， 其核心思想是用平方误差代替均方误差，来获得梯度 的近似)(ˆn∇TL]w)n(e w)n(e w)n(e[w)n(e)n(ˆ ∂∂ ∂∂ ∂∂=∂∂∇212022 △ ＝)()(2)()(2)(ˆnxnewnenen−=∂∂=∇))(()() 1(nnwnw−∇+=+µ利用(5.3)式，可计算出梯度近似：最陡下降法迭代计算权矢量的公式为：))n(ˆ()n(w)n(w∇−+=+µ1)n(x)n( e)n(wµ2+=)(ˆn∇)(n∇是多个平方误差序列统计平均的梯度，而只是单个平方误差序列的梯度，LMS算法就是用后者 取代前者LMS算法的基本关系式y(n) = xT(n) w(n) = wT(n) x(n）e(n) = d(n) - y(n) = d(n) - xT(n) w(n) = d(n) - wT(n) x(n)))n(ˆ()n(w)n(w∇−+=+µ1)n( x)n( e)n(wµ2+=3、均衡准则与分类• 均衡准则– 最小峰值失真准则使干扰的峰值最小– 最小均方误差准则估值的误差均方值最小• 分类自适应均衡器自适应均衡器线性均衡器线性均衡器非线性非线性判决反馈均衡器判决反馈均衡器( (DFEDFE) )最大似然序列估值器最大似然序列估值器( (MLSEMLSE) )最大似然符号检测器最大似然符号检测器( (MLSDMLSD) )均衡在蜂窝系统的应用 • GSM – 标准中未建议结构,要求均衡的时延为16us – 常用1：判决反馈自适应均衡器均衡算法为快速卡 尔曼算法(FKA) – 常用2：最大似然序列估计(MLSE)的自适应均衡器 均衡算法为修正的Viterbi算法(不要求输入的噪声统 计独立) • IS-54 – 判决反馈均衡器均衡算法为递归最小二乘法(RLS)， 使指数加权的平方误差最小。

5.2 分集接收分集接收引言分集接收原理及方式• 衰落是影响移动通信质量的主要因素，克服衰落影响的 方法： (1) 衰落储备 衰落储备是通信系统没加入任何抗衰落技术措施时， 为保证通信的可靠性(可通率T)，信号电平PR 应增大的 幅度，一般为10~20dB，即10~100倍 若衰落储备全由提高PT 提供，按传播损耗中值求出 PT=10W，加上衰落储备后 PT=100~1000W，太大！这 不是个好办法所以实际通信系统一般都加入下述的抗 衰落技术措施 (2) 分集接收 （3）纠错编码 (4) 自适应均衡 等 引言分集接收原理及方式1. 分集接收原理接收信号包络ta bC=a+ba, b统计独立, 同时发生深度 衰落的概率很 小 接收端分别接收多个衰落特性统计独立、携带同一信息的信号， 再合并为一路信号，可减小衰落的影响2. 分集方式 (1). 空间分集市区：d≥0.5λ郊区：d≥0.8λTXRX1RX2d二重空间分集载频波长λ多个天线接收，用在基站中900MHZ ,波长约35cm(2). 极化分集• 优点：天线可装在同一地点TXRX1RX2极化分集垂直极化波水平极化波(3). 角度分集TXRX1RX2（4） 频率分集将发射信号调制到多个载波频率上传送，要求载波频差GSM：800~900MHZ频段，测得（5） 时间分集 ：利用随机衰落信号，当取样点的时间间隔足够大 时，两样点的衰落是统计上互不相关的特点，对同一信号在不同的 时间区间多次重发。

时间分集对静止移动用户几乎无用多径信号时延扩散量−≥∆ττ,1f)(200,5载波频差KHZfs=∆≈µτBTt1≈∆≥∆② 检测后合并(1). 合并位置 ①. 检测（解调）前合并合并器检测器合 并 器检测器检测器3. 合并方式① 选择合并►特点：a. 简单b. 有一路信号能量未利用，性能较差检测器检测器RX1RX2(S/N)1(S/N)2(2). 合并方式②. 最大比值合并 特点：a. 按信噪比加权各路信号后再合并，合并后信噪比大， 衰落小 b. 控制复杂将输入信号(包络为ri)以某种方式加权(ai)，再相加合并 图中采用，ai=ri/Ni , ri为信号包络，Ni为噪声， ai为信噪比则，RX1RX2a2a1r1r2捡测器rR③ 等增益合并• 特点：a. 性能与②接近 b. 电路简单 • 采用较多RX1RX2r1r2捡测器rE5.3 Rake 接收接收• 利用信号统计与信号处理技术将分集的 作用隐含在被传输的信号之中接收的合成矢量多径信号的矢量合成图第1径第2径第3径第1径第2径第3径Rake接收后合成矢量代数和利用扩频信号设计将各条路径信号加以分离， 再利用Rake接收将被分离的各条路径信号相位 校准、幅度加权，并将矢量和变成代数和。

Rake接收机 一种隐分集方式 a) 作用 充分利用到达接收机的多径射频信号的各条径的能量 b)理论值 IS-95中扩频信号的带宽1.25MHZ, 测得在900MHZ频段的多径时延，可提供Rake 接收机分离的多径实际上只达到利用4条的效果（4重分集）c) IS-95中的Rake接收 IS-95中在基站中的Rake接收——非相干解调 在中的Rake接收——相干解调 ● 工作过程 搜索多径，进行相位补偿后，合并相加● IS-95基站中的Rake接收框图条）(620025. 1≈kHzMHzIS IS- -9595基站中基站中RakeRake接收总体框图接收总体框图时钟时钟 单元单元CPU控控 制单元制单元地址地址 单元单元搜索器搜索器1 1搜索器搜索器2 2解调解调1 1解调解调2 2解调解调4 4解调解调3 3多多 径径 合合 并并1234一个小区（三个扇区六个天线）一个小区（三个扇区六个天线）123546地址总线数据总线解解 交交 织织信信 道道 译译 码码解调器1，2，…， 4，相应于4条径， 采用BQM平衡四 相解调器方案，其 输出已为基带信号， 在基带完成多径合 并• 时钟单元：产生Rake 接收所需要的各类定时时 钟信号。

• CPU控制单元控制并协调发送、接收各单元的 操作，搜索器的搜索结果也将送入CPU进行选 择、判断，并将搜索到的4个最强路径的的相位 信息分别送至4个数据解调器中解调 • 地址单元用于产生各个模块所需的伪码地址信 号 • 搜索器用于搜索接收信号的伪码（PN码）相位， 其作用是在3个小区6个接收信号源中搜索其中4 个最强路径信号进行数据解调每个搜索器包 含多个并行搜索单元•搜索器与搜索策略 ——Rake接收的重要部件作用：找出4条最强的“径”，并完成相 位补偿 搜索策略：相位偏移扫描试探法Rake 接收直观原理接收直观原理)(τpτ12 34)(τpτ12 34伪随机码的相关函数Rake接收就是利用扩频码信号设计及其Rake接收的信号 处理，即利用扩频码的相关接收，将移动信道中实际扩散 信号能量分离并加以有效利用5.4 纠错编码技术纠错编码技术• 信道编码即依据一定的监督规律在待发 送的信息码元中人为地加入必要的监督 码元，在接收端利用这些监督码元与信 息码元之间的监督规律，发现和纠正差 错，以提高信息码元传输的可靠性常用差错控制方法常用差错控制方法• 检错重发（ARQ Automatic Repeat Request）• 前向纠错（F。