1、第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术4.1 4.1 噪声与干扰噪声与干扰4.2 4.2 分集接收分集接收 4.3 RAKE4.3 RAKE接收接收4.4 4.4 均衡技术均衡技术 思考题与习题思考题与习题 第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系4.1 噪声与干扰4.1.1 噪声的分类 移动信道中的噪声可以被分为内部噪声和外部噪声内部噪声和外部噪声。外部噪声又可以被分为自然噪声和人为噪声自然噪声和人为噪声。1.内部噪声 内部噪声是系统设备本身产生的
2、噪声，包括热噪声、散弹噪声等。这些噪声一般都是无法避免且波形不能准确预测的，一般将内部噪声作为随机噪声加以处理。2.外部噪声 在移动信道中，外部噪声的影响较大。大气噪声、太阳噪声和银河噪声是自然噪声。人为噪声是由电气装置形成的电磁辐射，这种辐射噪声除了可以直接进入移动信道外，还可以通过电力线传播，并通过电力线和接收机天线的耦合进入接收机。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 在城市中，由于大量车辆和工业电气设备的存在，辐射噪声对移动通信的危害较大。在1000MHz以下时，人为噪声，特别是城市人为噪声的影响较大。4.1.2 邻道干扰与同频道干扰 在系
3、统组网的过程中，设备之间会产生相互干扰，这些干扰包括邻道干扰、同频道干扰、互调干扰、远近效应。1、邻道干扰 邻道干扰是指在同一小区或相邻小区中，相邻或相近频率的信道之间的干扰。理论上，调频信号的频谱是很宽的，包含有无穷多对边频分量，当某些边频分量落入相邻频率的信道中时，就形成邻道干扰。为了减小邻道干扰，应当限制发射信号的带宽和增加相邻信道间的保护间隔。为了限制带宽，在发射机的调制器中采用了瞬时频偏控制电路(IDC)，主要是通过限幅器防止过大的信号进入调制器而产生过大的频偏。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系2、同频道干扰与射频防护比 在小区制通信
4、系统中，为了提高系统的频率利用率，在一定的间隔距离以外，需要重复使用相同的频率，这种技术被称为频道复用。频道复用技术可以大大提高频率利用率，但时会带来同频道干扰。信号功率是随距离的增加呈指数倍衰减的，因此，具有相同频道的小区相距越远，同频道干扰越小，但同时会使频率的利用率降低。在满足通信质量的条件下，允许使用相同频道的小区间的最小距离被称为同频道复用的最小安全距离，简称同频道复用距离。为了保证通信质量，接收端的S/I必须大于协议规定的射频防护比。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系3、同频道复用距离 在小区制系统中，保证信干比S/I大于射频防护比的
5、主要办法是保证同频小区之间的距离大于同频道复用距离。由于信号的电平与干扰强度不仅与距离有关，而且与设备、地形地貌等许多因素有关。为了简化分析，我们假设系统内所有设备参数相同，地形地貌不发生变化。)1lg(40)lg(40)lg(40/rDrrDDDLLISSISI以dB计算的信干比为：第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 由上式可知，在理想情况下，信干比S/I仅与D/r有关，D/r被称为同频道复用保护距离系数同频道复用保护距离系数。由对蜂窝系统的分析可知，同频道复用保护距离与小区的大小无关，而在所有小区形状、面积相同的假设前提下，与区群的大小N有关
6、，。在蜂窝系统中，减小区群的大小N可以提高频率的复用率，但为了保证通信质量，必须选择合适的N值，保证信干比大于射频保护比。在静态情况下，若取射频保护比为8dB，可计算出D/r为2.6，要求N大于3。若考虑信号场强的变动，射频防护比取25dB时，D/r为5.2，要求N大于9。4.1.3 互调干扰 互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的，在移动系统中，我们重点考虑的是三阶互调干扰。NrD3第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 互调干扰分为发射机互调干扰与接收机互调干扰两类。为减小互调干扰，可以依靠设备优良的互调抑制指标，也可以采用有效减小互调干扰的频
7、道分配方法频道分配方法。1、发射机的互调干扰 发射机的互调干扰一般出现在基站，是由于基站使用不同频率的发射机产生的干扰。2、接收机的互调干扰 接收机的抗互调能力是用互调抗拒比表示，是输入的干扰信号与有用信号电平的比值。在我国公用移动通信系统中主要考虑三阶互调干扰，抗拒比指标为70dB。为了减小互调干扰，首先应当在接收机前端加入滤波器，以增强选择性，减少进入高放的强干扰。其次应当提高接收机前端电路的线性，减小互调干扰发生的可能性。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系3、无三阶互调的频道组 在移动系统中，为了避免三阶互调干扰，可以通过合理选择频道组中的
8、频道，使产生的新频率不可能落入任何工作频道。我们经常用频道序号差值来判断有无三阶互调干扰。如果频道组中的所有频道差值中出现相同数据，说明有三阶互调干扰。反之，则没有三阶互调干扰，我们将其称为无三阶互调干扰频道组。例3.1 某信道组中有12个信道，试确定无三阶互调干扰的频道组。解：经计算机筛选，选择序号为1，2，5，10，12时，频道差值如下所示，没有相同值，是无三阶互调干扰组。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系频道序号12510121149112371055710212 从上述计算中可知，在占用的12个频道中，至多可以选择5 个信道组成无三阶互调
9、干扰组，频道的利用率仅5/12。另外，在上述选择的频道组中，存在邻道干扰，如果要求即无三阶互调干扰又无邻道干扰，则频道的利用率会进一步降低。因此，在需要频道多的大型系统中，往往从设备上考虑抑制互调干扰。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系4.2 分集接收抗干扰措施-分集技术、纠错编码技术、自动功率控制技术4.2.1 分集接收原理1.什么是分集接收 所谓分集接收分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。CDMA-路径分集接收技术（RAKE）TDMA-自适应均衡技术 第第4 4章章
10、 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 2.分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式：一类称为“宏分集”；另一类称为“微分集”。“宏分集宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站多基站”分集。这是一种减小慢衰落影响的分集技术一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上(如蜂窝小区的对角上)和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信(可以选用其中信号最好的一个基站进行通信)。“微分集微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。理论和实践都表明，在空间空间、频率、极化极化、场
11、分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性。据此，微分集又可分为下列六种 第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 (1)(1)空间分集：空间分集：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，则两处所收信号的衰落是不相关的。为此，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：市区市区 d=0.5 (4-1)d=0.5 (4-1)郊区郊区 d=0.8 (4-2)d=0.8 (4-2)(2)频率分集：由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落
12、可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。根据相关带宽的定义，即 21cB第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 (3)极化分集：极化分集：由于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但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。(4)场分量分集：由电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。(5)角度分集：角度分集的作法是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量。第第4 4
13、章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 (6)时间分集：快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即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，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。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：)/(2121mfT(4-3)第第4 4章
14、章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 3.合并方式 (1)选择式合并：选择式合并：是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。这种方式方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两种方式。(2)最大比值合并：最大比值合并：最大比值合并是一种最佳合并方式。最大比值合并器输出的信号包络为 211MMkRk kkkkrra rN(4-4)rk表示每一支路信号包络rk(t)；Nk噪声功率第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 (3)等增益合并：等增益合并：等
15、增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的。等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。等增益合并器输出的信号包络为MkkErr1(4-5)4.2.2 分集合并性能的分析与比较 在模拟通信系统中，信噪比决定了话音质量；在数字通信系统中，信噪比(或载噪比)决定了误码率。分集合并的性能系指合并前、后信噪比的改善程度。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 1.选择式合并的性能 选择式合并器的输出信噪比，即当前选用的那个支路送入合并器的信噪比。设第k个支路的信号功率为r2k/2，噪声功率为Nk,可得第k支路的信噪比为kkkNrr22(4-
16、6)通常，一支路的信噪比必须达到某一门限值t，才能保证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。如果此信噪比因为衰落而低于这一门限，则认为这个支路的信号必须舍弃不用。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 在选择式合并的分集接收机中，只有全部M个支路的信噪比都达不到要求，才会出现通信中断。若第k个支路中kt的概率为Pk(kt)，则在M个支路情况下中断概率以PM(St)表示时，可得)()(1tkMkktSMPP(4-7)平均信噪比 ，则 02/NMtSMteP)1()(0/(4-8)由此可得M重选择式分集的可通率为 MtSMtePT)1(1)(0/(
17、4-9)M越大，可通率越大。常用二重分集或三重分集。常用二重分集或三重分集。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系2.最大比值合并的性能 最大比值合并器输出的信号包络如式(4-6)所示，即MkkkMkkkRNrrar121 最大比值合并的信噪比R的概率密度函数为 MkkRRRMMRMRRMkpMp1100001)!1()/(exp1)()!1()/exp()(4-10)(4-11)可求得累积概率分布为 在同样条件下，与选择式合并分集系统相比，最大比值合在同样条件下，与选择式合并分集系统相比，最大比值合并分集系统具有较强的抗衰落性能。例如，二重分集并分
18、集系统具有较强的抗衰落性能。例如，二重分集(M M=2)=2)与无与无分集分集(M M=1)=1)相比，在超过纵坐标概率为相比，在超过纵坐标概率为99%99%情况下有情况下有13dB13dB增益，增益，优于选择式合并分集系统优于选择式合并分集系统(10 dB(10 dB增益增益)。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系3.等增益合并的性能 等增益合并意为各支路的加权系数ak(k=1,2,M)都等于1，因此等增益合并器输出的信号包络rE如式(4-7)所示，即NkkErr1若各支路的噪声功率均等于N，则NMrNMrMkkEE2)2/(212(4-12)第
19、第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系4.平均信噪比的改善 所谓平均信噪比的改善，是指分集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数。(1)选择式合并的改善因子 MkSSkMD101lg10)(dB)(4-13)(2)最大比值合并的改善因子 MMDRRlg10)(0(4-14)(3)等增益合并的改善因子 4)1(1lg10)(4)1(1)(00MMDMMDEEEE(4-15)(4-16)第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系图4-1 三种合并方式的D(M)与M关系曲线 选择式10987
20、6543211 23456789 10M平均信噪比改善D(M)/dB最大比值等增益第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系3.三种合并方式的误码率比较 表4-1 列出了三种合并方式下DPSK系统的误码率较无分集时的益处。由表可见，误码率的改善以最大比值合并为最好，选择式合并最差。表 4-1 三种合并方式平均误码率的比较第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 4.3 RAKE接收 在CDMA通信系统，由于扩频码在选择时要求其自相关性很好，因此当路径之间的时延差大于一个扩频码片宽度时，就可以认为多径信号是不相关的
21、。在CDMA系统中，利用多径信号加强接收效果。所谓RAKERAKE接收机接收机，就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。需要特别指出的是，一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。图4-2示出了简化的RAKE接收机的组成。可用等增益合并方式、最大比合并或最佳样点合并方式，利用多个并行相关器，获得各多径信号能量，即RAKE接收机利用多径信号，提高了通信质量。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系图4-2 简化的RAKE接收机组成 积分Tb保持至TbNTb
22、c1(t)积分Tb保持至TbNTb2c1(t2)积分Tb保持至TbNTb3c1(t3)积分Tb保持至TbNTbNc1(tN)判决cosct123路径 NRxTx第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 假设发端从Tx发出的信号经N条路径到达接收天线Rx。路径1距离最短，传输时延也最小，依次是第二条路径，第三条路径，时延时间最长的是第N条路径。通过电路测定各条路径的相对时延差，以第一条路径为基准时，第二条路径相对于第一条路径的相对时延差为2，第三条路径相对于第一条路径的相对时延差为3，第N条路径相对于第一条路径的相对时延差为N，且有NN-132(1=0)
23、。RAKE接收技术解决了多径干扰问题，当从各种障碍物反射回的信号时延大于一个码片间隔时，RAKE接收机就能把它们区分出来。一般的接收机把这部分当作干扰看待，而RAKE接收机利用了多径成分，可大大提高系统性能。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 4.4 均衡技术 4.4.1均衡的原理 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。在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡技术来克服码间干扰。在一个通信系统中，我们可以将发射机（含调制器）、信道和接收机(含接收机前端、中频和检测器中的匹配滤波器)等效
24、为一个冲激响应为f(t)的基带信道滤波器。假定发端的信号为x(t)，则接收端的均衡器接收到的信号为 )()()()(tntftxtyb(4-17)第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系图4-3 等效的无线传输系统的结构f(t)原始基带信号等效信道均衡器heq(t)判决d(t)重构的数据e(t)y(t)nb(t)等效的噪声)(td均衡器预测误差设均衡器的冲激响应为heq(t)，则均衡器的输出为)()()()()()()()()()(thtntgtxthtnthtftxtdeqbeqbeq第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工
25、程学院通信工程系 式中，g(t)=f*(t)heq(t)是f(t)和均衡器的复合冲激响应。对于一个横向滤波式的均衡器，其冲激响应可以表示为)()(nTtcthnneq（4-18）式中,cN是均衡器的复系数。假定系统中没有噪声，即Nb(t)=0，则在理想情况下，应有 ，在这种情况下没有任何码间干扰。为了使 成立，g(t)必须满足下式：)()(txtd)()(txtd)()()()(tthtftgeq（4-19）该式就是均衡器要达到的目标，在频域中上式可以表示为1)()(fFfHeq（4-20）第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 均衡器是一个等效基带
26、滤波器的逆滤波器，提供一个具有平坦频率响应和线性响应的g(t)。在具体数字化实现时，设x(t)和 (t)的采样值为xk和 ，则均衡器的设计就是按照某种最佳的准则来使xk和 或者xk和dk之间达到最佳的匹配。如果我们不直接关心波形而关心单个输出的符号dk或输出符号的序列 dk，则我们可以采用最大后验概率（MAP）准则或 最大似然（ML）准则，即dkdkd )|(maxarg)|(maxarg)|(maxarg)|(maxargkdkkdkkdkkdkdypdydPddypdydPdkkkk（4-21)（4-22）数据可靠性-常用最大后验概率（MAP）准则第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声
27、、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 4.4.2 自适应均衡技术 自适应均衡器是一个时变滤波器，它必须动态地调整其特性和参数，使其能够跟踪信道的变化，在任何情况下都能够使式(4-20)或（4-21）或（4-22)得到满足。自适应均衡器的基本结构如图4-4所示。图中符号的下标k表示离散的时间序号。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系图4-4 自适应均衡器的基本结构（横向滤波器结构）z1z1z1修正每一个加权系数 wNk的自适应算法输入信号ykyk1yk2ykNw0kw1kw2kwNk误差ekdk设置为 xk或已知的发送序列kd均衡器的输出第第4
28、4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系图4-5 均衡器类型、结构和算法 均衡器非线性判决反馈均衡器最大似然符号检测器最大似然序列估值器横向滤波器型格型横向滤波器型信道估值器梯度RLSLMSRLS快速RLS平方根RLSLMSRLS快速RLS平方根RLS横向滤波器型格型梯度RLSLMSRLS快速RLS平方根RLS线性类型结构算法第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系图4-6 线性横向滤波器型结构 z1z1*1Nc*11Nc*0cz1z1*12Nc*2Nc输出输入信号ykNykN 1ykykN 1ykNkddk门限检测器
29、22114.4.3 线性均衡技术 线性均衡器的基本结构是线性横向滤波器型结构，如图4-6所示。图中c*N是横向滤波器的复滤波系数（抽头权值），时延单元长度为T，抽头总数为N=N1+N2+1，N1和N2分别表示前向和后向部分的抽头数。第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 1.1.最小均方误差算法最小均方误差算法(LmS(LmS)最小均方误差算法(LmS)与前相同。此时的估计误差被称为预测误差。对于一个给定的信道，其预测将取决于抽头的权值wN，令代价函数J(wN)即为均方误差,使MSE最小。在最小均方误差算法(LMS)中采用了统计梯度算法来迭代求解MS
30、E的最小值，它是最简单的均衡算法，每次迭代仅需要使用2N+1次运算。LMS算法的迭代步骤如下（令N表示迭代过程的序号）：在该均衡器中，有 nkNNnnkycd)(21（4-23）第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系 )()()()1()()()()()()(nynaenwnwndnxnenynwndNkNNkkkNTNk（4-24）（4-25）（4-26）式中:是步长，它控制着算法的收敛速度和稳定性。在一个实际的系统中，为了使该均衡器能够收敛，一个首要的条件是均衡器中的传播时延(N-1)T要大于信道的最大相对时延。为了防止均衡器不稳定，的取值要满足下列条件：NiiN120（4-27）第第4 4章章 噪声、干扰与抗衰落技术噪声、干扰与抗衰落技术电子工程学院通信工程系思考题与习题思考题与习题 1.分集技术如何分类？在移动通信中采用了哪几种分集接收技术？2.自适应均衡可以采用哪些最佳准则？
