第四章通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室移動通信抗衰落和鏈路性能增強技術(shù)主要內(nèi)容4.1概述4.2分集技術(shù)4.3信道編碼4.4均衡技術(shù)4.5擴頻通信4.6多天線和空時編碼4.6鏈路自適應(yīng)技術(shù)34.1概述移動信道三大效應(yīng)形成衰落：陰影效應(yīng)多徑效應(yīng)多譜勒效應(yīng)多徑衰落的基本特征相干時間相干帶寬44.1概述抗衰落三大措施：分集(Diversity)均衡(Equalization)信道編碼(ChannelCoding)主要內(nèi)容4.1概述4.2分集技術(shù)4.3信道編碼4.4均衡技術(shù)4.5擴頻通信4.6多天線和空時編碼4.6鏈路自適應(yīng)技術(shù)6分集原理各獨立信號傳播路徑同時經(jīng)歷深度衰落的概率降低分集概念：多路不相關(guān)的衰落路徑傳送相同的信號并合并兩條路徑同時出現(xiàn)深衰落的概率降低74.2.2微觀分集的類型分集目標(biāo)：對抗移動信道造成的各種衰落和碼間串?dāng)_分集本質(zhì)：對同一信號在不同時間、頻率、空間方向的過采樣分集的技術(shù)難點：如何得到多路信號？如何合并多路信號？84.2.2微觀分集的類型1，空間分集多天線分集發(fā)射分集接收分集獲取空間分集的條件多次路徑間距離>>空間相關(guān)距離MIMO(Multiple-InputMultiple-Output,多入多出)91.空間分集角度分集利用天線波束方向使信號不相關(guān)極化分集水平極化和垂直極化波相關(guān)性極小2.頻率分集傳輸信息以不同的頻率進行傳輸傳輸之間的頻率間距>>相干帶寬3.時間分集傳輸信息在不同的時刻重復(fù)傳輸信號重發(fā)時間間隔>>相干時間4.2.2微觀分集的類型10

例：工作頻段為800~900MHz，典型的時延擴展值為5us，多普勒擴展為10Hz，采用重傳獲取分集增益，問能獲取頻率分集的載頻間隔；能獲取時間分集的重傳時間間隔11分集合并技術(shù)：利用多個分集信號來減少衰落影響并獲得增益的技術(shù)最大比合并（maximumratiocombining）所有分支依據(jù)信噪比（SNR）進行加權(quán)相干合并12最大比合并M路合并信號的包絡(luò)

正弦信號的瞬時功率

合并輸出的噪聲總功率為

合并器輸出的信噪比13最大比合并

由許瓦茲不等式

上式在滿足右式時取等號

因此，當(dāng)取最大值對輸出的合路信噪比進行整理

各支路具有相同的平均信噪比合并增益，

GM=M14最大比合并舉例假設(shè)信號包絡(luò)服從瑞利分布，可以得到中斷概率固定為1e-3，相對無分集，M=2能獲取16.5dB增益M=3能獲取22.8dB增益M=4能獲取26.3dB增益15選擇式合并選擇具有最大SNR的分支

GM=M合并增益

Gs=

k=1~M(1/k)M為分集支路數(shù)等增益合并（equalgaincombining）所有分支等權(quán)重相干合并,a=1GE=1+(M-1)·/4Gs<MGE<M4.2.3分集的合并方式及性能

合并增益最大比合并G=M選擇式合并

Gs=

k=1~M(1/k)等增益合并GE=1+(M-1)·/4選擇性合并等增益合并最大比合并174.2分集隱分集技術(shù)交織編碼技術(shù)跳頻技術(shù)直接序列擴頻技術(shù)編碼交織解交織譯碼突發(fā)信道輸入輸出調(diào)制解調(diào)4.2分集---隱分集技術(shù)

交織：把一條消息中的比特以非連續(xù)方式傳送，使突發(fā)差錯信道變?yōu)殡x散信道，便于利用糾錯碼消除隨機錯獨立無記憶信道19交織方法：行列交織、卷積交織、隨機交織4d,…6,5,4,3,2,1124567891011124d-34d-24d-14d34d…10,6,2,4d-3,…,9,5,14d…10,6,2,4d-3,…,9,5,1124567891011124d-34d-24d-14d34d,…6,5,4,3,2,1d,交織深度n=4,交織寬度交織延遲=n×d204.2分集---隱分集技術(shù)

交織深度(交織矩陣的行數(shù)乘符號周期)交織前相鄰兩符號在交織后的間隔距離交織寬度：交織后相鄰兩符號在交織前的間隔距離交織延遲：每個符號從交織器輸出時相對于輸入交織器時的時間延遲要求：交織深度遠大于相干時間

時間分集21系統(tǒng)采用行列交織器來對抗衰落，Rs=30kbit/s，瑞利信道的fD=80Hz，試求能使符號衰落獨立所需要的最小交織深度？

是否有可能利用交織得到頻率或空間分集效果？

OFDM

多載波的并行傳輸

MIMO空間頻率時間空間頻率時間4.2分集---隱分集技術(shù)

主要內(nèi)容4.1概述4.2分集技術(shù)4.3信道編碼4.4均衡技術(shù)4.5擴頻通信4.6多天線和空時編碼4.6鏈路自適應(yīng)技術(shù)244.6多天線和空時編碼MIMO系統(tǒng)提高無線通信系統(tǒng)容量它可以在不用增加系統(tǒng)帶寬的情況下改善了系統(tǒng)性能，提高了數(shù)據(jù)速率。利用空間分集對抗衰落利用空間復(fù)用提高頻譜效率上節(jié)內(nèi)容分集的種類1.空間分集的概念和獲取方法角度分集，利用天線波束方向使信號不相關(guān)極化分集，水平極化和垂直極化波相關(guān)性極小2.頻率分集的概念和獲取方法傳輸信息以不同的頻率進行傳輸傳輸之間的頻率間距>>相干帶寬3.時間分集的概念和獲取方法傳輸信息在不同的時刻重復(fù)傳輸信號重發(fā)時間間隔>>相干時間隱分集技術(shù):交織編碼技術(shù),跳頻技術(shù),直接序列擴頻技術(shù)MIMO系統(tǒng)框圖可用矩陣方式表示發(fā)送和接收信號4.6多天線和空時編碼信道單徑多天線間干擾274.6多天線和空時編碼VBLAST分層空時碼分層空時碼最早是由貝爾實驗室提出的一種MIMO系統(tǒng)的空時編碼技術(shù)，即BLAST系統(tǒng)VBLAST系統(tǒng)框圖28接收信號模型最優(yōu)接收：BPSK，N=M=2，狀態(tài)數(shù)2^2

16QAM，N=M=2，狀態(tài)數(shù)16^2

4.6多天線和空時編碼

MIMO往往和OFDM相結(jié)合

M>=N與天線數(shù)呈指數(shù)關(guān)系低復(fù)雜度29STBC：空時分組碼空時分組碼則是根據(jù)碼字的正交設(shè)計原理來構(gòu)造空時碼最早由Alamouti提出的接收時采用最大似然檢測算法進行解碼，由于碼字之間的正交性，在接收端只需做簡單的線性處理即可。4.6多天線和空時編碼304.6多天線和空時編碼STBC系統(tǒng)框圖31STBC接收機32多天線技術(shù)分類空間分集（傳輸速率沒有提高，誤碼率降低）STBC：空時分組碼空間復(fù)用(傳輸速率提高犧牲誤碼率)V-BLAST：空時分層碼波束賦形Smartantenna：智能天線4.6多天線和空時編碼334.6多天線和空時編碼不同天線配置下的信道容量N=1,M=1N=2,M=1N=1,M=2N=2,M=2N=4,M=4主要內(nèi)容4.1概述4.2分集技術(shù)4.3信道編碼4.4均衡技術(shù)4.5擴頻通信4.6多天線和空時編碼4.6鏈路自適應(yīng)技術(shù)354.3信道編碼為什么引入信道編碼？移動信道是變參信道，會引起隨機錯誤與突發(fā)錯誤信道編碼的定義在信息碼元中增加一些冗余碼元，用來在接收端檢測或糾正在有噪信道中引入的誤碼信道編碼分類：按碼結(jié)構(gòu)分：分組碼和卷積碼4.3.2分組碼分組碼將信息碼分成k比特一組，插入n-k個冗余比特，擴展成n,記為(n,k)線性分組碼n

k，R＝k/n，稱為編碼率典型線性分組碼：循環(huán)碼，漢明碼kkkkkn-kkn-kkn-kkn-k4.3.3卷積碼卷積碼的監(jiān)督碼元與當(dāng)前碼元和前m個碼元有關(guān)記為(n,k,m)卷積碼。k:輸入信息長度n:輸出碼字長度

m:記憶深度約束長度：l=m+1生成多項式對信息序列信息多項式第i路的輸出

舉例，輸入序列101011時，寄存器初值為0，二進制(2,1,2)卷積編碼器信息多項式編碼輸出二進制(2,1,2)卷積編碼器39卷積碼的狀態(tài)圖編碼器的狀態(tài)取決于記憶深度m舉例，二進制(2,1,2)卷積編碼器初始狀態(tài)00，輸入1

狀態(tài)轉(zhuǎn)移后：10

輸出：11初始狀態(tài)10，輸入0

狀態(tài)轉(zhuǎn)移后：01輸出：10初始狀態(tài)01，輸入1

狀態(tài)轉(zhuǎn)移后：10

輸出：00二進制(2,1,2)卷積編碼器輸入0輸入100100140卷積碼的狀態(tài)圖

某一時刻，寄存器狀態(tài)只有4種可能對任何輸入，寄存器狀態(tài)的

變化只有2種可能對任何輸入，輸出的分支碼字

只有2種可能

二進制(2,1,2)卷積編碼器輸入序列1010114.3.3卷積碼維特比譯碼是一種最大似然序列譯碼維特比算法在每一個節(jié)點上把匯聚在該節(jié)點上的兩條路徑的度量值進行比較把具有較大度量值的路徑保存下來，丟棄另一條，作為下一個節(jié)點路徑判斷的根據(jù)。每個節(jié)點處只保留每個狀態(tài)的當(dāng)前最有可能的一條路徑順序計算完所有節(jié)點后，再根據(jù)度量值從N個狀態(tài)中選擇最有可能路徑回溯。4.3.3卷積碼度量值硬判決：漢明距

每節(jié)點“加-比-選”：取出兩個分支在節(jié)點i的路徑度量值PM（PathMerit）；計算兩個分支在節(jié)點i+1改變的分支度量值BM（BranchMerit）；相加得到兩個分支的新PM值；比較兩個PM值，選出較大可能者；1/2碼率卷積碼，編碼前6個信息比特為(0,0,0,0,0,0)，編碼后為12個全0序列，采用BPSK調(diào)制，接收序列則硬判結(jié)果為

PM=0BM=1BM=1PM=1PM=1r=01r=10r=001122-021302321/2碼率卷積碼，編碼前6個信息比特為(0,0,0,0,0,0)，編碼后為12個全0序列，采用BPSK調(diào)制，接收序列則硬判結(jié)果為

PM=0BM=1BM=1PM=1PM=1r=01r=10r=00r=00r=11r=001122-02130224011/2碼率卷積碼，編碼前6個信息比特為(0,0,0,0,0,0)，編碼后為12個全0序列，采用BPSK調(diào)制，接收序列則硬判結(jié)果為

PM=0BM=1BM=1PM=1PM=1r=01r=10r=00r=00r=11r=001122-02130201332322223323331/2碼率卷積碼，編碼前6個信息比特為(0,0,0,0,0,0)，編碼后為12個全0序列，采用BPSK調(diào)制，接收序列則硬判結(jié)果為

PM=0BM=1BM=1PM=1PM=1r=01r=10r=00r=00r=11r=001122-0213020133232222332

譯碼輸出：101000474.3.3卷積碼Viterbi譯碼的特點維特比算法是最大似然的序列譯碼算法運算量和存貯量都與狀態(tài)數(shù)呈線性關(guān)系484.3.4Turbo編碼技術(shù)產(chǎn)生背景：香農(nóng)的信道編碼定理：在信道中實際傳輸速率R小于信道容量C，就可以在信道中實現(xiàn)幾乎無錯傳輸。條件：采用隨機編譯碼方式編譯碼碼長

譯碼采用最佳的最大后驗譯碼494.3.4Turbo編碼技術(shù)Turbo碼的性能逼近最優(yōu)的香農(nóng)的信道編碼的極限。Turbo碼編碼器框圖504.3.4Turbo編碼技術(shù)Turbo碼譯碼器框圖51優(yōu)點：性能優(yōu)良級聯(lián)編譯碼起到利用短碼構(gòu)造長碼的作用。缺點：譯碼設(shè)備很復(fù)雜，應(yīng)在譯碼性能與復(fù)雜性上折中。譯碼時延大，無法應(yīng)用于實時的通信系統(tǒng)（比如話音）應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于各類非實時業(yè)務(wù)高速數(shù)據(jù)的糾錯編碼524.3信道編碼應(yīng)用

GSM和IS-95主要采用卷積碼3G話音:卷積碼數(shù)據(jù):卷積碼,TURBO碼

B3G話音:卷積碼數(shù)據(jù):卷積碼,TURBO碼,LDPC碼主要內(nèi)容4.1概述4.2分集技術(shù)4.3信道編碼4.4均衡技術(shù)4.5擴頻通信4.6多天線和空時編碼4.7鏈路自適應(yīng)技術(shù)h(t)t54理想和實際接收信號脈沖響應(yīng)的差異TsTs廣義信道h(n)均衡器e(n)判決符號1符號2符號3符號4……符號1符號2符號3符號4……4.4均衡技術(shù)55均衡（Equalization）：接收端產(chǎn)生與信道相反的特性，消除信道的時間和頻率選擇性,也稱自適應(yīng)均衡理想的接收信號頻域廣義信道h(n)均衡器e(n)判決56+Z-1Z-1Z-1Z-1C-NC-1C0C1CN抽頭加權(quán)算法Ci輸出y(t)輸入x(t)均衡技術(shù)類型線性均衡器：橫向濾波器中的輸入與輸出結(jié)果為線性關(guān)系均衡技術(shù)類型舉例，輸入序列{xn}=(1/4,1,1/2)，將其經(jīng)過一個三抽頭的均衡器，系數(shù)為則582.均衡準(zhǔn)則1).最小峰值失真準(zhǔn)則表示所有抽樣時刻上得到的碼間干擾最大值（峰值）與K=0時刻上的樣值之比。592.均衡準(zhǔn)則2).最小均方誤差準(zhǔn)則表示所有抽樣時刻上得到的碼間干擾的均方和與K=0時刻上的均方值之比練習(xí)，輸入序列{xn}=(1/4,1,-1/2)，將其經(jīng)過一個三抽頭均衡器，系數(shù)為

問均衡器的輸出，此時的峰值畸變和均方畸變值613.均衡器系數(shù)計算1).按最小峰值失真準(zhǔn)則最優(yōu)化算法迫零算法練習(xí)，輸入序列{xn}=(0,1/4,1,-1/2,0)，三抽頭均衡求按峰值畸變最小的均衡器系數(shù)63輸入與輸出結(jié)果為為非線性關(guān)系性能較優(yōu)判決反饋均衡器（DFE）最大似然序列估值器（MLSE）4.4.2非線性均衡器644.3均衡技術(shù)

均衡按實現(xiàn)的域分類時域/頻域均衡在寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)中常用頻域均衡技術(shù)在窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)中常用時域均衡。主要內(nèi)容4.1概述4.2分集技術(shù)4.3信道編碼4.4均衡技術(shù)4.5擴頻通信4.6多天線和空時編碼4.6鏈路自適應(yīng)技術(shù)664.5擴頻通信直接序列擴頻根據(jù)香農(nóng)公式C=W×Log2(1+S/N)，展寬信號帶寬W，以帶寬的增加來換取傳輸性能的改善擴頻的定義利用遠高于符號速率的序列碼流與信號流相乘，得到寬帶（相對于信號帶寬）調(diào)制信號的技術(shù)擴頻的本質(zhì)：頻率分集時間分集/多徑分集67上節(jié)內(nèi)容均衡：接收端產(chǎn)生與信道相反的特性，消除信道的時間和頻率選擇性,也稱自適應(yīng)均衡均衡技術(shù)類型線性均衡器最小峰值失真準(zhǔn)則最小均方誤差準(zhǔn)則非線性均衡器684.5.1偽噪聲序列PN序列的產(chǎn)生典型：m序列（最長線性反饋移位寄存器序列）

m:寄存器個數(shù)最長序列長度：表4.469

m序列具備的隨機性質(zhì)

平衡特性

在m序列的周期內(nèi)，0,1個數(shù)相差為1

游程特性

每個周期內(nèi)，游程總數(shù)

長度為l的游程數(shù)為相關(guān)特性A:序列a,b對應(yīng)位模二和后0比特數(shù)目D:序列a,b對應(yīng)位模二和后1比特數(shù)目70自相關(guān)特性m序列的功率譜類噪聲序列舉例，m序列，m=4，c1=c4=1輸出1111，0101，1001，000平衡特性

7個0,8個1個，相差為1游程特性

長度1的游程：4個=8/2長度2的游程：2個=8/4長度3的游程：1個=8/3長度4的游程：1個=8/4舉例，m序列，m=4，c1=c4=1輸出1111，0101，1001，000自相關(guān)特性4.5.2擴頻通信原理擴頻增益定義為頻譜擴展前的信息帶寬

F與頻帶擴展后的信號帶寬W之比G＝W／F

=Ts/Tc

發(fā)端信息的擴頻收端信息的解擴直接序列擴頻原理圖Rs=1/TsRc=1/TcTsTc

G=Ts/Tc000101例，輸入比特序列為01101，如果用長度為4的擴頻碼1010對其進行直接序列擴頻（每比特擴展為4個碼片），求擴頻后的碼片序列是什么？擴頻增益為多少dB？4.5.2直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾的原理發(fā)端信息帶寬增加;功率譜密度下降；受到干擾有效信號解擴后，恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升干擾信號只經(jīng)過了一次被模二相加的調(diào)制過程，頻譜被擴展，功率譜密度下降4.5擴頻通信直接序列擴頻的特點由高碼率的擴頻序列對低速率的信息進行調(diào)制以擴展頻譜擴頻碼序列多采用偽隨機碼(PN)3.接收端多采用本地PN序列對接收信號進行相關(guān)解擴擴頻和解擴的偽隨機碼序列應(yīng)有嚴(yán)格的同步一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實現(xiàn)其抗干擾能力的提高。784.5.3抗多徑干擾和RAKE接收機RAKE接收：利用擴頻碼的相關(guān)特性進行多徑分離與合并，實現(xiàn)時間分集大于Chip周期794.5.3抗多徑干擾和RAKE接收機無Rake接收時，多徑信號的矢量合成：采用Rake接收后的合成矢量：804.5.3抗多徑干擾和RAKE接收機Rake接收示意圖2M81

RAKE接收原理多徑分離Chip周期小于多徑時延差直擴序列信號的自相關(guān)和互相關(guān)性好多徑合并準(zhǔn)則第一路徑準(zhǔn)則；最強路徑準(zhǔn)則；檢測后合并準(zhǔn)則……82直擴的抗衰落性能抗多徑：擴頻碼的碼片時間小于多徑時延差時，可利用擴頻碼的自相關(guān)特性進行相關(guān)解調(diào)，從而抑制多徑干擾抗干擾：利用擴頻和互相關(guān)特性把窄帶干擾能量分布在寬帶范圍內(nèi)，從而降低了信號帶寬內(nèi)的干擾強度，再利用窄帶濾波器，濾出帶外干擾抗衰落：當(dāng)直擴信號的頻譜擴展寬度遠大于信道相關(guān)帶寬時，可獲得頻率分集增益83上節(jié)內(nèi)容擴頻：利用遠高于符號速率的序列碼流與信號流相乘，得到寬帶（相對于信號帶寬）調(diào)制信號的技術(shù)定義

擴頻前符號

擴頻碼片=chip=擴頻碼中的1位

擴頻增益決定于擴頻前后的帶寬比=擴頻前后符號周期和碼片周期的比值84上節(jié)內(nèi)容直擴的抗衰落性能抗干擾：利用擴頻和互相關(guān)特性把窄帶干擾能量分布在寬帶范圍內(nèi)，從而降低了信號帶寬內(nèi)的干擾強度，再利用窄帶濾波器，濾出帶外干擾抗衰落：當(dāng)直擴信號的頻譜擴展寬度遠大于信道相關(guān)帶寬時，可獲得頻率分集增益抗多徑：擴頻碼的碼片時間小于多徑時延差時，可利用擴頻碼的自相關(guān)特性進行相關(guān)解調(diào)，從而抑制多徑干擾85信息符號：1擴頻(G=15):1111，0101，1001，000BPSK:-1-1-1-1,1-11-1,-111-1,111(C)

兩徑，延遲差2碼片，增益分別h1,h2

接收信號-1-1-1-1,1-11-1,-111-1,111,00×h10.8A

00-1-1-1-1,1-11-1,-111-1,111×h20.5B-1-1-1-1,1-11-1,-111-1,111r=0.8A+0.5B與本地序列(C)滑動相關(guān)，尋找相關(guān)峰n=0,0.8×1+0.5×(1/15)n=1,0.8×(1/15)+0.5×(1/15)

n=2,0.8×(1/15)+0.5×(1)n=3,0.8×(1/15)+0.5×(1/15)

86信息符號：1擴頻(G=15):1111，0101，1001，000BPSK:-1-1-1-1,1-11-1,-111-1,111(C)

兩徑，延遲差2碼片，增益分別h1,h2

接收信號-1-1-1-1,1-11-1,-111-1,111,00×h10.8A

00-1-1-1-1