第08-09讲 数字移动通信的关键技术[13.2].ppt

1 移动通信的关键技术 2 第四章移动通信的关键技术 4 1扩频调制技术 p101 4 2抗衰落技术 p111 4 3多址接入技术 p135 p148 3 4 1扩频通信技术p 101 4 1 1扩频通信的基本概念4 1 2扩频通信系统的分类4 1 3扩频通信的重要参数4 1 4扩频码序列 4 4 1 1扩频通信的基本概念 扩频通信是一种宽带传输方式 用于传输信息的信号带宽远大于信息本身带宽 GSM采用窄带数字调制 GMSKp 95 频带的扩展是由独立于信息的扩频码来实现接收端用同步接收实现解扩和数据恢复扩频通信的理论基础是 信息论 5 4 1 1扩频通信的基本概念 香农公式得出的结论 对于给定信息传输速率 可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输 即 信噪比和信道带宽可以互换 扩频系统正是利用这一理论 将信道带宽扩展许多倍 以换取信噪比上的好处 增强了系统的抗干扰能力 6 扩频通信的主要特点 抗干扰能力强 DS系统依靠扩展频谱和解扩处理来提高信噪比 FH系统依靠躲避干扰达到提高信噪比之目的保密性好具有抗衰落 抗多径能力具有多址能力 易于实现码分多址 7 典型的扩频通信系统模型 8 4 1 2扩频通信系统的分类 9 4 1 2扩频通信系统的分类 DS SS DirectSequenceSpreadSpectrum采用高速率扩频码在发送端进行扩频 将信息直接扩展到宽频带中 接收端用相同的码序列进行解扩 恢复原始信息 10 FH SS FrequencyHoppingSpreadSpectrum用伪随机序列控制发射信号频率的跳变 其跳变顺序预先规定好快跳频 跳变速率大于或接近于符号速率慢跳频 跳变速率低于符号速率TH SS TimeHoppingSpreadSpectrum用伪随机序列控制信号的发射时间和发射时间的长短 4 1 2扩频通信系统的分类 11 4 1 2扩频通信系统的分类 12 DS CDMA系统模型 13 4 1 3扩频通信的重要参数 扩频增益 扩频带宽 信息带宽 表示扩频系统信噪比改善的程度 体现了系统的抗干扰能力 扩频码速率 信息速率 14 4 1 4码序列p 135 扩频码的要求数量足够多具有很好的正交性自相关性互相关性近似白噪声的谱密度常用的扩频码伪随机序列PNGold序列沃而什序列walsh 15 第四章移动通信的关键技术 4 1扩频通信技术4 2抗衰落技术4 3多址接入技术 分集技术均衡技术 16 4 2 1分集技术 目的 抗衰落 提高系统的可靠性途径 对无线传播环境中独立的多径信号进行处理 以达到提高通信质量的目的发射分集 发射端将信号以相互正交的方式发射出去 正交发射分集OTD 空时扩展发射分集STS 3G系统使用 接收分集 接收端对来自不同路径 不相关 的信号进行处理 获取分集增益 17 分集接收技术 1 分集接收的基本概念研究如何充分利用传输中的多径信号能量 在不增加发射功率或信道带宽的情况下提高系统的可靠性 接收相互独立的多径信号 通过合并技术获得分集增益 从而减小衰落信号的起伏程度 18 分集接收技术原理 多径接收 多径合并 空域时域频域 最大比值合并等增益合并选择合并 多径传输 19 分集接收技术p 115 2 分集接收类型空间分集 利用不同方位接收信号衰落的独立性 采用多个接收天线 间距d 频率分集 将发送信息分别调制到不同的载频上 间隔大于信道相关带宽 时间分集 将发送信息每隔一定时间间隔 大于信道相关时间 重复发送3 分集接收技术的应用 20 分集合并技术 选择式合并SC 将多根天线的接收信号比较后选取最高信噪比的一路输出 其性能与平均信噪比有关最大比合并MRC 对各分支信号进行调相 加权 使合并输出的信噪比最大等增益合并EGC 与MRC方法类似 仅个分支信号的加权系数均为1分集接收性能 MRC EGC SC分集增益随分集之路数的增加呈线性递增 21 分集合并性能 22 RAKE接收机 分集支路的形成与合并如何合并 第一路径准则FP最强路径准则LP检测后积分准则 PDI 等增益合并准则 EGC 最大比合并准则 MPC 自适应合并准则具体采用何种准则应依电波传播环境 系统性能要求等而定 23 RAKE接收机原理 ThePrincipleofRAKEReceiver 基本原理 对每个路径使用一个相关接收机 各相关接收机与被接收信号的一个延迟形式相关 然后对每个相关器的输出进行进行加权 并把加权后的输出相加合成一个输出 以提供优于单路相关器的信号检测 然后在此基础上进行解调和判决 形状类似于农用工具耙子而得名 RAKE RAKE接收机 24 RAKE接收机典型结构 25 RAKE接收机原理原理说明设两条路径信号等强度 第二条路径相对于第一条路径延时为2Tc 解调后的扩频信号r t 为 由图可见 等增益合并时 移动用户A利用两个路径接收的数据为 可见 求和后判决正确地恢复了数据b t 即10011的信息数据流 假设未采用RAKE接收 只利用路径1的积分器输出 进行判决则b t 为11011 RAKE接收机 26 RAKE接收机原理RAKE接收机的几种形式检测后积分 PDI PostDetectionIntegration 多径接收机 当多径时延未知时 最简单的多径分集方式是采用检波 后积分的方法既在接收机检测器后面设置一个积分时间等于多径扩展tM秒的积分器 如下图所示 PDI接收机的优点是实现起来比较简单 但存在一个约束条件 即tM不能大于码元宽度Tc 否则多径分量会落到相邻码元中而造成码间干扰 RAKE接收机 27 RAKE接收机原理 ThePrincipleofRAKEReceiver RAKE接收机的几种形式具有信道参数测量的DPSK RAKE接收机 为了获得信道参数 可采用探测信号 探测信号可以是专门的信号 训练序列 也可以使数据信号本身 接收机通过接收探测信号来估计信道参数 ak 和 tk 下图给出了具有信道参量的RAKE接收机的结构 RAKE接收机 28 RAKE接收机原理 ThePrincipleofRAKEReceiver RAKE接收机的几种形式具有信道参数测量的DPSK DRAKE接收机 当RAKE接收机采用等增益合并准则时 则称之为DPSK DRAKE接收机 其结构下图所示 图中的估值由信道估计器获得 并用来控制横向滤波器的抽头时延 横向滤波器采用相同的抽头加权系数 RAKE接收机 29 RAKE接收机原理 ThePrincipleofRAKEReceiver RAKE接收机的几种形式并行相关RAKE接收机 并行相关RAKE接收机的原理如图所示 图中的搜索器的作用是搜索所有多径 估计出多径的相位 到达时刻和强度参数 并从中选出三路最强的多径信号供相关器作相关处理 然后再合并 对于IS 95CDMA系统 基站中的RAKE接收机有4个并行相关器和2个搜索相关器组成 基站接收机无法得到多径信号的相位信息 一般采用非相关最大比值合并准则 而移动台中的RAKE接收机有3个并行相关器和一个搜索相关器组成 它可利用基站发送的导频信号估计出多径信号的相位 到达时刻和强度参数 RAKE接收机 30 4 2 2信道均衡技术 适用条件 多径信号不可分离 相关 且时延扩展远小于符号宽度均衡原理 均衡器特性与信道特性相反且能自动适应信道的变化 自适应均衡 以抵消时变信道多径传播引起的码间干扰 即信道的频率和时间的选择性 均衡类型频域均衡 总的传输函数 信道和均衡器传输函数 满足无失真传输条件 模拟系统用时域均衡 总的冲激响应满足无码间干扰条件 数字系统用均衡器常被放在接收机的基带或中频部分实现 31 通信系统结构框图中的自适应均衡器理论分析 如果x t 是原始基带号 f t 是等效的基带冲激响应 即综合反映了发射机 信道和接收机的射频 中频部分的总的传输特性 那么均衡器收到的信号可以被表示成 1 其中nb t 是均衡器输入端的等效基带噪声 如果均衡器的冲激响应是heq t 则均衡器的输出为 2 其中 g t 是发射机 信道 接收机的射频 中频部分和均衡器四者的等效冲激响应 4 2 2信道均衡技术 32 通信系统结构框图中的自适应均衡器理论分析 均衡器的期望输出值为原始信息x t 假定nb t 0 则g t 必须满足下式 3 均衡器的目的就是实现式 3 其频域表达式如下 4 其中 Heq f 和F f 分别是heq t 和f t 所对应的傅里叶变换 式 4 的物理意义 将经过信道后的信号中频率衰落大的频谱部分进行增强 衰落小的部分进行削弱 以使所收到频谱的各部分衰落趋于平坦 相位趋于线性 均衡器实际上是传输信道的反向滤波器 4 2 2信道均衡技术 33 均衡准则与算法 EqualizationCriterionsandAlgorithms 均衡准则 根据符号间干扰为最小来获得加权系数Ck 最小峰值失真准则 使干扰的峰值最小 消除取样点的符号干扰 最小均方误差准则 使均衡器期望输出值dk与实际输出值的误差ek dk 的均方值最小 使输出趋于理想的响应 均衡算法的基本概念 如何调节加权系数以实现均衡的方法 指标 收敛速度 失调 计算复杂度 数值特性等等 确定均衡器系数的问题可以归结为如下数学问题 设有M个变量C1 C2 C3 CM 而代价函数D是这些变量的函数 要求求出最佳值的C1 C2 C3 CM 使D达到最小 其中 C1 C2 C3 CM为抽头系数 代价函数D是算法所依据的准则 对上述问题 通常的求解算法是将D对Ci求导数 使导数为0 从而得到最佳Ci值的计算公式 4 2 2信道均衡技术 34 均衡准则与算法 EqualizationCriterionsandAlgorithms 自适应均衡算法的基本概念可以归结为如下数学问题 通常的求解算法是将代价函数D对Ci求导数 使导数为0 从而得到最佳Ci值和Ci的迭代公式 用于更新抽头系数 例如 最小均方 LMS 算法通过下列叠代操作来寻找最优的或接近最优的加权值 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 期望输出值 实际预测输出值 10a 10b 最常用的代价函数是期望输出与实际输出之间的均方差通常要通过训练序列来调整均衡器权重 即抽头系数 4 2 2信道均衡技术 35 均衡技术分类 SurveyofEqualizationTechniques 按均衡器传递函数分为线性均衡非线性均衡按均衡器结构分为横向格型横向信道预测按均衡器权重更新依据LMSRLS均衡器分类图示 下页 4 2 2信道均衡技术 36 4 2 2信道均衡技术 37 第四章移动通信的关键技术 4 1抗衰落技术4 2扩频通信技术4 3多址接入技术 38 4 3多址接入技术p 130 多址接入的概念各用户信号在射频波道上的复用 互不影响支持多址接入的基础信号的正交分割各用户发射信号按某种参量相互正交接收端具有信号识别能力 能从混合信号中分离出相应的信号 39 信号按某种参量相互正交参量1 频率 FDMA参量2 时间 TDMA参量3 码字 CDMA参量4 空间 SDMA 4 3多址接入技术的分类与特点 40 41 FDMA多址技术的特点 用于模拟蜂窝系统 也可用于数字系统每个载频同时只允许一对用户通信 频率利用率低 系统容量小频率规划复杂基站复杂庞大 成本高 42 43 TDMA多址技术的特点 只能用于数字系统每个载频同时可允许N对用户通信 频率利用率提高频率规划简单成本低系统需要严格的同步与定时 44 C1 C2 C3 C4 45 系统容量大 采用了频率复用 话音激活 软切换等技术 具有软容量特性 干扰受限系统 抗干扰 抗多径性能强 扩频 多种分集 软切换保密性能好 CDMA多址技术的特点 46 PN码长度 周期 2n 1 不同抽头系数 其m序列结构不同 mi mj 有2n 1个非零状态 即有2n 1个不同初始状态的m序列 这些m序列的相位偏移不同 伪随机PN序列 m序列 47 m序列的相关性 自相关函数图 P 0 P 1 P 1 1 1 1 1 1 P Tc 当。