抗衰落和干扰技术的优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：信道衰落和干扰是无线通信中需要面对的问题，信道的随机衰落造成通信链路的中断，一般采取分集技术对抗信道的随机衰落现象，降低通信的中断率；干扰有来自系统内和系统外的干扰，需要采取相应的措施对抗干扰，常见的抗干扰方法包括扩频技术、自适应均衡技术等。所以，目前在数字蜂窝移动通信中采用跳频技术的目的主要是抗干扰和抗衰落。

信道衰落和干扰是无线通信中需要面对的问题，信道的随机衰落造成通信链路的中断，一般采取分集技术对抗信道的随机衰落现象，降低通信的中断率；干扰有来自系统内和系统外的干扰，需要采取相应的措施对抗干扰，常见的抗干扰方法包括扩频技术、自适应均衡技术等。

1.分集技术

分集技术是用来补偿信道衰落影响的，它通常要通过两个或更多的接收支路来实现。基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。由于在任一瞬间，两个非相关的衰落信号同时处于深衰落的概率是极小的，因此合成信号的衰落程度会明显减小。

分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，以降低衰落的影响。

分集的接收合并方式主要有三种：选择性合并、最大比合并和等增益合并。

设分集重数为L，则合并的信号的表示为

其中ki为加权系数，i=0，1，2，3…，L。选择不同的加权系数就形成了不同的合并方法。

（1）选择性合并

选择性合并方法是在多支路（子信道）接收信号中，选择信噪比最高的支路的信号作为输出信号。

（2）最大比合并

每一支路有一个加权（放大器增益），加权的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。

（3）等增益合并

当最大比合并中的加权系数为1时，就是等增益合并。

理论分析表明最大比合并的性能最好，其次是等增益合并。

分集技术有多种，依信号的传输方式主要可分为两大类：显分集和隐分集。

显分集最通用的分集技术是空间分集，即几个天线被分隔开来，并被连到一个公共的接收系统中。当一个天线未检测到信号时，另一个天线却有可能检测到信号的峰值，而接收机可以随时选择接收到的最佳信号作为输入。其他的显分集技术包括天线极化分集、频率分集和时间分集等。

隐分集主要是指把分集作用隐蔽于传输信号之中（如交织编码、直接序列扩频技术等），在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集只需一副天线来接收信号，因此在数字移动通信系统中得到了广泛的应用。例如，码分多址（CDMA）系统通常使用RAKE 接收机，它能够通过时间分集来改善链路性能。

另外根据分集的目的，分集还可分为宏分集和微分集。

宏分集主要用于蜂窝移动通信系统中，也称为多基站分集。这是一种减少慢衰落影响的分集技术，其做法是把多个基站设备放在不同的地理位置和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，接收机可选择其中一个信号最好的基站进行通信。

微分集是一种减少快衰落的分集技术，根据获得分支的方法不同，可分为空间分集、频率分集、极化分集、场分集、角度分集和时间分集等。常用的分集技术有天线分集技术、时间分集技术、频率隐分集技术和多径分集技术等。

在无线通信系统中，很多都采用两个接收天线，以达到空间分集的效果；采用编码加交织方式实现时间隐分集的作用。在无线数据传输中，采用多种自动重传技术实现时间分集；采用跳频扩频或直接序列扩频技术实现频率隐分集作用。

2.信道编码和交织技术

信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能的。在发射机的基带部分，信道编码器把一段数字序列映射成另一段包含更多数字比特的码序列。然后，把已编码的码序列进行调制，以便在无线信道中传送。

接收机可以用信道编码来检测或纠正由于在无线信道中传输而引入的一部分或全部的误码。由于解码是在接收机进行解调之后执行的，所以编码被看作一种后检测技术。信道编码通常有两类：分组编码和卷积编码。

交织编码的目的是把一个由衰落造成的较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错。以线性分组码为例，先将k 位信息编成具有t 位纠错能力的n位码字的分组码（n，k，t），再将其编码码字序列构成交织编码矩阵。现以分组码（7，3）为例给出交织编码矩阵，如图10.9所示。

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图10.9　交织矩阵

交织编码矩阵中的每一行为FEC的码字，它由k位信息位及n-k位冗余位组成，矩阵中行的数目M 为交织深度。交织编码的过程是将FEC 码字序列按行写入而按列读出，其交织编码输出序列为

若交织编码输出序列中的突发差错如下划线所示从a11到mM2，则经过解交织（交织编码的逆过程）后，每一FEC码字中只发生2位差错，当t≥2时即可消除差错。

交织深度M 越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。若FEC纠错能力为t时，交织编码可纠正一次突发差错的长度

或者说，可纠正t次突发差错长度为M 位的差错。交织深度M 越大，交织编码处理时间越长，即是以时间为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。

3.跳频技术

图10.10给出了跳频系统的原理方框图。如果图中的频率合成器被设定在某一频率上，这就是普通的数字调制系统，其射频为一窄带频谱。当利用伪码随机设定频率合成器时，发射机的振荡频率在很宽的频率范围内不断地改变，从而使射频载波亦在一个很宽的范围内变化，于是形成了一个宽带离散谱，如图10.11所示。接收端必须以同样的伪码设定本地频率合成器，使其与发端的频率作相同的改变，即收发跳频必须同步，这样才能保证通信的建立。解决同步及定时是实现跳频系统的一个关键问题。

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图10.10　跳频系统原理框图

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图10.11　跳频信号频谱

跳频系统处理增益的定义为

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更直观的表达式为

（1）跳频抗多径

跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波频率为ω0，当存在多径传播环境时，因多径延迟的不同，信号到达接收端的时间先后有别。若接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一频率ω1上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。为此，要求跳频信号驻留时间小于多径延迟时间差，即要求跳频的速率应足够快。例如，若多径延迟时间差为1μs，则要求跳频速率为106 跳/秒。目前，要实现这样高的跳频速率，跳频通信系统在技术上尚存在困难。所以，目前在数字蜂窝移动通信中采用跳频技术的目的主要是抗干扰和抗衰落。

（2）跳频抗同频干扰

移动通信系统中，地理位置上不同的用户可能使用相同的频率资源，因此这些用户之间会产生干扰，即同频干扰。采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，从而避免频率重用引起的同频干扰。即使利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同频干扰离散化，即减少同频干扰的重合次数，从而减少同频干扰的影响。

（3）跳频抗衰落

跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的载波频率上同时发生衰落的可能性很小。

对于快跳频系统，应满足传输的符号速率小于跳频速率这一条件，即一位符号是在多个跳频载波上传输。这相当于对符号的频率分集。因为跳频是在时间频率域上进行的，所以每一位符号还是在不同时隙中传输的，这又相当于对符号的时间分集。因此，快跳频技术同时具有频率分集和时间分集。

对于慢跳频系统，传输的符号速率大于跳频速率，即在一跳驻留时间内传输多个符号。因此，慢跳频不能起到对符号的频率分集作用。但是，采用慢跳频可将深衰落的影响分散开来，从而减轻深衰落对传输的影响。为了更好地发挥跳频抗衰落的作用，可将慢跳频技术与交织编码技术相结合，构成具有时间分集和频率分集作用的隐分集。

4.直接序列扩频技术

图10.12给出直接序列扩频系统的原理框图。基带信号的信码是欲传输的信号，它通过速率很高的编码序列（通常用伪随机序列）进行调制将其频谱展宽，这个过程称作扩频。频谱展宽后的序列被进行射频调制（通常多采用PSK 调制），其输出则是扩展频谱的射频信号，经天线辐射出去。

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图10.12　直接扩频系统原理框图

在接收端，射频信号经混频后变为中频信号，它与本地的发端相同的编码序列反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号，这个过程称为解扩。解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信码。

如果将扩频和解扩这两部分去掉，该系统就变成普通的数字调制系统。因此，扩频和解扩是扩展频谱调制的关键过程。

扩展频谱的特性取决于所采用的编码序列的码型和速率。为了获得具有近似噪声的频谱，均采用伪噪声序列作为扩频系统的编码序列。在接收端，将同样的编码序列与所接收的信号进行相关接收，完成解扩过程。因此，对伪噪声序列的相关性还有特殊的要求。

由频谱扩展对抗干扰性带来的好处称为扩频处理增益，可表示为

式（10-32）中，BW为发射扩频信号的带宽，Bs为信码的速率。其中BW与所采用的伪码（伪随机序列或伪噪声序列的简称）速率有关。为获得高的扩频增益，通常希望增加射频带宽BW，即提高伪码的速率。例如，当信码速率BS=10 k Hz、射频带宽为BW=5 MHz，则GP=500时，近似获得27 d B扩频增益，这是很可观的。

在发端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽，如图10.13（a）所示；在收端，利用伪码的相关性作解扩处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱，如图10.13（b）所示。宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号则被本地伪码扩展为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，因此可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，从而使窄带内的信噪比大大提高。为了提高抗干扰性，希望处理增益越大越好。

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图10.13　扩频-解扩处理过程

（1）直接扩频抗多径

直接扩频抗多径的原理是：当发送的直接序列扩频信号的码片（Chip）宽度Tc等于或小于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗多径的能力。若最小多径延迟时间差为1μs，则要求直扩信号的码片（Chip）宽度Tc等于或小于1μs，即要求码片速率Rc等于或大于1 Mchip/s。在窄带CDMA 数字蜂窝移动通信系统的标准IS-95中，采用的码片速率Rc为1.23 Mchip/s，因此它可抗1μs的多径干扰。

当利用直接扩频技术进行多径的分离与合并时，则可构成RAKE 接收机，从而实现时间分集的作用。

（2）直接扩频抗干扰

直接扩频抗蜂窝系统内部和外部干扰的原理，也是利用直扩信号的自相关特性，经相关接收和窄带通滤波后，将有用信号检测出来，而那些窄带干扰和多址干扰都被处理为背景噪声。其抗干扰的能力可用直接扩频处理增益来表征。

（3）直接扩频抗衰落

直接扩频抗衰落是指抗频率选择性衰落。当直扩信号的频谱扩展宽度远大于信道相关带宽时，其频谱成分同时发生衰落的可能性很小，接收端通过对直接扩频信号的相关处理，则起到频率分集的作用。换句话说，这种宽带扩频信号本身就具有频率分集的属性。

5.均衡技术

均衡可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（ISI）。如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码间干扰，并且调制信号将会展宽。而接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿。同分集技术一样，它不用增加传输功率和带宽即可改善移动通信链路的传输质量。分集技术通常用来减少接收时衰落的深度和持续时间，而均衡技术用来削弱码间干扰的影响。由于无线信道具有未知性和多变性，因而要求均衡器是自适应的。

均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。换句话说，通过均衡器消除信道的频率和时间的选择性。由于信道是时变的，要求均衡器的特性能够自动适应信道的变化而均衡，故称自适应均衡。如图10.14所示。

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图10.14　信道均衡示意图

均衡用于解决符号间干扰问题，适合于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号宽度的情况。它可分为频域均衡和时域均衡。频域均衡是使总的传输函数（信道传输函数和均衡器传输函数）满足无失真传输条件，即校正幅频特性和群时延特性。模拟通信多采用频域均衡。时域特性是使总的冲激响应满足无码间干扰的条件。数字通信中多采用时域均衡。

抗衰落和干扰技术的优化方案

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