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抗衰落和抗干扰技术

1、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。 
跳频系统原理
图10    跳频系统原理框图
跳频信号频谱
图11     跳频信号频谱
跳频系统处理增益的定义为
抗衰落和抗干扰技术(图3)
更直观的表达式为
GP=N(可供选用的频率数目) (10-31)
(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w0,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有先有后。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w1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,换句话说,要求跳频的速率应足够的快。比如,若多径延迟时间差为1咨,则要求跳频速率为I。'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用于抗干扰和抗衰落。
(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,这样这些用户之间会产生干扰,即同频干扰。釆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。
跳频技术
       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。
2. 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。
       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釆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,均釆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,称扩频处理增益,可表示为:
抗衰落和抗干扰技术(图5)
       式(10-32)中,Bw为发射扩频信号的带宽;B8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=10kHz、射频带宽为Bw=5MHz、则G「=500时,近似获得27dB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,我们可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平,这样,窄带内的信噪比就大大提高了。为了提高抗干扰性,希望处理增益越大越好。
扩频-解扩处理过程
图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1",则要求直扩信号的码片(Chip)宽度匸等于或小于1“s,即要求码片速率R.等于或大于1Mchip/s。在窄带CD-MA数字蜂窝移动通信系统的标准IS-95中,采用的码片速率R为1.23Mchip/s。因此,它可抗13的多径干扰。
       若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。
3. 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14所示。
信道均衡示意图
图14  信道均衡示意图
      均衡是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。
4.多载波和OFDM技术
       多载波传输通过把数据流分解成若干个子比特流,这样每个子数据流将具有低得多的比特速率,用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波,从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。传统多载波技术釆用频分复用方式,将高速信息利用多个独立的载波传输,这样可以降低每个载波上的信息传送量。一般不同载波信号间保留一定的频率间隔来防止干扰.这降低了全部的频谱利用率,如图10.15(a)。
        正交频分复用(OFDM)系统是一种特殊的多载波传输方案,它可以被看作一种调制技术,也可以被当作一种复用技术。正交频分复用是对多载波调制(MCM:Multi-CarrierModulation)的一种改进。它的特点是各子载波相互正交,于是扩频调制后的频谱可以相互重叠,不但减小了子载波间的相互干扰.还大大提高了频谱利用率,如图10.15(b)。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中,一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效,但是在多载波系统中,某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。 
   多载波传输技术
图15   多载波传输技术
   为OFDM发送端的典型框图如图10.16所示。发送端将被传输的数字数据转换成子载波幅度和相位的映射,并进行IDFT变换将数据的频谱表达变为时域上。IFFT变换与IDFT变换的作用相同,只是有更高的计算效率,所以适用于所有的应用系统。把高速率数据流通过串并转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,从而可以有效地减少无线信道的时间弥散所带来的ISI这样就减小了接收机内均衡的复杂度,有时甚至可以不采用均衡器.而仅仅通过釆用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。
多载波OFDM发送机原理
图16  多载波OFDM发送机原理