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1、北邮信息理论北邮信息理论与技术教研中心与技术教研中心BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center第八章分集与均衡第八章分集与均衡2BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center本章内容本章内容本章讨论和介绍抗平坦瑞利衰落(空间选择性衰落)和抗频率选择性衰落(多径引起的)的传统性典型抗衰落技术。为了对抗这些衰落，传统的方法是采用分集接收、RAKE接收和均衡技术。分集接收技术是传统的抗空间衰落的方法，RAKE技术是经典的抗多径衰落，提高接收信噪比的手
2、段，均衡技术是另一种抗对径衰落的常用技术。在第二代移动通信系统中，这些经典接收技术得到了广泛应用。3BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理分集技术是一项典型的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。其中空间分集技术早已成功应用于模拟的短波通信与模拟移动通信系统，对于数字式移动通信，特别是第二代移动通信，分集技术有了更加广泛的应用。在GSM系统的上行链路基站端，广泛采用二重空间分集接收。在IS-95系统中，除上行采用二重空间分集接收以外，上下行链路均采用隐分
3、集形式的RAKE接收，另外在小区软切换中也利用RAKE接收的宏分集。本节将主要讨论分集的基本概念、分类以及分集合并技术。4BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.1 基本概念与分类基本概念与分类在前述章节中已指出移动信道中存在着传播衰耗、慢衰落和各类快衰落。本节主要讨论对传输可靠性影响较大的各类快衰落。值得注意的是这里的“快”是针对不同的参量而言，即空间、频率与时间。它们分别是空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。在第二章中我们已比较详细的分析了它们的成
4、因与描述，本节将介绍对抗这些衰落的各种技术措施，分集技术就是其中最有效的方法。5BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.1 基本概念与分类基本概念与分类1.分集技术的基本概念分集技术的基本概念移动通信中由于传播的开放性，使信道的传输条件比较恶劣，发送出的已调制的信号经过恶劣的移动信道在接收端会产生严重的衰落，使接收的信号质量严重下降。分集技术是抗衰落的最有效措施之一。它是利用接收信号在结构上和统计特性的不同特点加以区分与按一定规律和原则进行集合与合并处理来实现抗衰
5、落的。分集的必要条件是在接收端必须能够接收到承载同一信息且在统计上相互独立(或近似独立)的若干不同的样值信号，这若干个不同样值信号的获得可以通过不同的方式，比如空间、频率、时间等，它主要是指如何有效的区分可接收的含同一信息内容但统计上独立的不同样值信号。6BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.1 基本概念与分类基本概念与分类分集技术的充分条件是如何将可获得含有同一信息内容但是统计上独立的不同样值，加以有效且可靠的利用，它是指分集中的集合与合并的方式，最常用的有选
6、择式合并(SC)、等增量合并(EGC)和最大比值合并(MRC)等。分集技术的初始阶段是研究如何将客观存在的分散在多条路径统计上独立的不同样值信号能量加以充分利用，即有效收集的主要措施。分集技术发展到今天，主要是将被动改变为主动，从被动利用客观存在的统计独立的不同样值信号，到主动利用信号设计与信号处理技术来有效区分统计独立的样值信号。比如扩频信号的RAKE接收、空时编码等。7BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.1 基本概念与分类基本概念与分类2.分集技术的分类分
7、集技术的分类按“分”划分，即按照接收信号样值的结构与统计特性，可分为空间、频率、时间三大基本类型；按“集”划分，即按集合、合并方式划分，可分为选择合并、等增益合并与最大比值合并；若按照合并的位置可分为射频合并、中频合并与基带合并，而最常用的为基带合并；分集还可以划分为接收端分集、发送端分集以及发/收联合分集。即多入/多出(MIMO)系统；分集从另一个角度也可以划分为显分集与隐分集。一般称采用多套设备来实现分集为传统的显分集，空间分集是典型的显分集；称采用一套设备而利用信号设计与处理来实现的分集为隐分集。8BUPT Information Theory&Technology Education&
8、Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术1.空间分集空间分集空间分集是利用不同接收地点(空间)位置的不同，利用不同地点接收到信号在统计上不相关性，即衰落性质上的不一样，实现抗衰落的性能。空间分集还有两类变化形式。(1)极化分集(2)角度分集在空间分集中，由于在接收端采用了N副天线，若它们尺寸、形状、增益相同，那么空间分集除了可以获得抗衰落的分集增益以外，还可以获得由于设备能力的增加而获得的设备增益，比如二重空间分集的两套设备，可获3dB设备增益。9BUPT Information Theory&Technol
9、ogy Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术2.频率分集频率分集频率分集利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗衰落(频率选择性)的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于第二章分析中所指出的频率相干区间，即其中L为接收信号的时延功率谱宽度。fF1fFL 10BUPT Information Theory&Technology Education&Resea
10、rch Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术3.时间分集时间分集时间分集利用一个随机衰落信号，当取样点的时间间隔足够大时，两个样点间的衰落是统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。11BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.2 典型的分集与合并技
11、术典型的分集与合并技术4.最大比值合并最大比值合并(MRC)在接收端由个统计不相关的分集支路，经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。最大比值合并的原理图如下所示。发射机输入移动台（发端）可变增益加权G1A1可变增益加权G2A2可变增益加权An同相相加检测器输出基站（收端）Gn12BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术5.等增益合并等增益合并(EGC)若在上述最大比值合并中，取1，当，即为等
12、增益合并。等增益合并后的平均输出信噪比为：等增益合并的增益为：显然当N(分集重数)较大时，即两者相差不多，大约在1dB左右。等增益合并实现比较简单。iG1,2,iN=?1(1)4ESNRSNRN=+1(1)4EESNRKNSNR=+EMKK13BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术6.选择式合并选择式合并选择式合并原理图如下所示。发射机1R2RNR选择电路检测器14BUPT Information Theory&Tec
13、hnology Education&Research Center8.1 分集技术的基本原理分集技术的基本原理8.1.2 典型的分集与合并技术典型的分集与合并技术7.三种主要合并方式性能比较三种主要合并方式性能比较下列图形给出三种合并方式平均信噪比的改善程度。1234567891024681012N(分集支路数）abc15BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集RAKE接收不同于传统的空间、频率与时间分集技术，它是一种典型的利用信号统计与信号处理技术将分集的作用隐含在被传
14、输的信号之中，因此又称它为隐分集或带内分集。16BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.1 RAKE接收的基本原理接收的基本原理在接收端的多径传播信号可以用下列矢量图表示如下：假设有三条主要传播路径，第1径第2径第3径接收的合成矢量17BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.1 RAKE接收的基本原理接收的基本原理若采用扩频信号设计与
15、RAKE接收的信号处理后，三条路径信号矢量图可改变成如下形式：第1径第2径第3径Rake接收后合成矢量代数和18BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.1 RAKE接收的基本原理接收的基本原理由上面分析RAKE接收的多径分集，从理论上看它应属于频率分集，但是从现象上看，它是利用多径时延进行的分集。实际上我们在第二章信道分析中已指出，正是由于时延扩散才引入了频率选择性衰落。它们之间是一对因果关系，正因为这样，有人认为称它为多径分集更为恰当。19BUPT Inform
16、ation Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.2 IS-95中中RAKE接收机的工程实现接收机的工程实现搜索可分为初始搜索、解调中搜索和更软切换搜索三种工作状态，分别如下：(1)初始搜索初始搜索(2)解调中的搜索解调中的搜索(3)更软切换搜索更软切换搜索20BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.2 IS-95中中RAKE接收机的工程实现接收机的工程实现2.IS
17、-95中移动台中移动台RAKE接收接收上面介绍的是基站RAKE接收，它属于上行(反向)链路，上行链路是“多点对一点”的通信链路，基站用它接收多个用户信号。但是由于在IS-95中上行属于异步码分，因此采用非相干检测。但是对于多径信号的搜索与跟踪仍然是必须解决的先决条件。移动台RAKE接收则是属于下行(前向)链路，它是“一点对多点”通信链路，多个用户利用它接收来自同一基站的信号。在下行信道中基站专门设置了导频信道且给予较大的功率分配，它可供给移动台搜索、跟踪，相干解调提供参考信号。21BUPT Information Theory&Technology Education&Research Cen
18、ter8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.2 IS-95中中RAKE接收机的工程实现接收机的工程实现移动台RAKE接收与基站RAKE接收基本原理是一样的。只是在下行中移动台可利用基站发送的导频进行同步码分、相干检测。它说明每一个用户信号都可以锁定在导频信号上进行相干检测，而路径时延只需通过导频序列来搜索即可实现。下面从一个形象化的图形直观的总结和表达RAKE接收的基本原理。22BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.2 IS-95中中RAKE接收机
19、的工程实现接收机的工程实现1 2 341234()P()P23BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.2 IS-95中中RAKE接收机的工程实现接收机的工程实现图中的三角形表示伪随机码的相关函数，而数字1，2，3，4，表示4条路径。RAKE接收就是利用扩频码信号设计，及其RAKE接收的信号处理，即利用扩频码的相关接收，将移动信道中实际扩散信号能量分离开并加以有效的利用。图中4个相关峰代表RAKE接收的四个相关接收解调器，即4个“Figner”，它们分别将已扩散的信
20、号能量分离取出并加以有效利用。24BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.3 WCDMA系统中系统中RAKE接收机原理接收机原理与IS-95系统相比，WCDMA系统的信号带宽为5MHz，远大于信道相关带宽，因此可分辨路径更多。一般采用上行8径/下行6径Rake接收机结构，通过频率分集方法，将分散在各个路径中的独立信号相干合并，从而提高了接收端的信干噪比(SINR)。25BUPT Information Theory&Technology Education&Res
21、earch Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集 Rake接收机的结构一般由四部分构成，包括多个指峰(Finger)接收机、多径搜索与配置单元、信道估计与权重计算单元以及信号合并单元。12L1w2wLw26BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.3 WCDMA系统中系统中RAKE接收机原理接收机原理 单用户条件下，Rake接收机等效于多径匹配滤波器组，因此渐近趋于最佳接收性能。但WCDMA是多用户系统，每个指峰接收机输出信号包含四部分：当前径有
22、用信号、多径造成的本用户ISI干扰信号、其它用户的MAI干扰信号以及加性噪声。对于WCDMA系统下行信道，由于多径时延扩展很大，每径能量相对很小，并且此时多用户OVSF码无法保证正交，因此每径都会受到MAI强干扰。此时采用传统Rake接收机结构无法有效抑制多址干扰。27BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.3 WCDMA系统中系统中RAKE接收机原理接收机原理仿真条件为WCDMA单小区24个用户，扩频因子SF=128，4径码片延迟信道，各径相对幅度(dB)为0,
23、-1.5,-3,-4.5，相对相位0,600,1200,1800。Rake接收机配置为4径，对应时延0,1,2,3码片，G-Rake有三种配置：(a)与Rake接收机相同配置；(b)4径，对应时延-1,0,1,2码片；(c)5径，对应时延-1,0,1,2,3码片。28BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.3 WCDMA系统中系统中RAKE接收机原理接收机原理 当超前配置抵消干扰后，G-Rake的性能要优于Rake接收机约两个量级。与传统Rake相比，多增加一些指
24、峰接收机以及权重与多径配置算法，G-Rake可以获得13.5dB的增益。对于WCDMA系统而言，可以折算为系统容量提高1倍。可见G-Rake实现复杂度很低，并能够抑制多址干扰，非常适合于移动终端。29BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.2 RAKE接收与多径分集接收与多径分集8.2.3 WCDMA系统中系统中RAKE接收机原理接收机原理 广义Rake(G-Rake)基本结构与Rake类似，主要差别在于多径配置与权重计算。G-Rake将每个指峰的MAI信号建模为有色高斯噪声，通过统计平均，得到干扰信号的相关矩
25、阵，然后基于最大似然准则计算权重向量，对指峰输出信号进行加权。另外G-Rake不再按照每径信号强弱从大到小配置多径，而是以最大化合并信号的SNR为准则配置多径，其多径窗一般为，大于传统Rake接收机，并且在最强径之间往往配置多径接收机。这样做可以等效为信道逆滤波，从而能够有效抵消本小区多址干扰。30BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术均衡是改造限带信道传递特性的一种有效手段，它起源于对固定式有线传输网络中的频域均衡滤波器。均衡目前有两个基本途径：频域均衡，它主要从频域角度来满足无失真传输
26、条件，它是通过分别校正系统的幅频特性和群时延特性来实现的。主要用于早期的固定式有线传输网络中。31BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术时域均衡，它主要从时间响应考虑以使包含均衡器在内的整个系统的冲击响应满足理想的无码间串绕的条件。目前广泛利用横向滤波器来实现，它可以根据信道的特性的变化而不断的进行调整，实现比频域方便，性能一般也比频域好，故得到广泛的应用。特别是在时变的移动信道中，几乎都采用时域的实现方式，因此下面仅讨论时域自适应均衡。在衰落信道中引入均衡的目的是减轻或消除由于频率选择性
27、衰落造成的符号间的干扰ISI。并非所有移动通信系统均要求使用自适应均衡器，实际上，如果信道频率选择性衰落引入时延功率谱的扩散(即多径扩散)区间为,而传输的消息符号的持续时间为，当时，移动信道就可以不必要使用自适应均衡，因为这时，时延扩散对传送的消息符号的影响可以忽略不计。32BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术在IS-95系统中，采用扩频码的码分多址CDMA方式来区分用户，对于每个用户传送的原始消息符号持续时间，因此对于CDMA系统一般不采用自适应均衡技术。另一种情况，若将来进一步采用正
28、交频分复用OFDM方式，对每一个正交的子载波所传送的消息符号持续时间，亦可不采用自适应均衡技术；反之，若消息符号持续时间小于时延扩散即：则在接收信号中会出现符号间干扰ISI，这时就需要使用自适应均衡器来减轻或消除ISI。smT?smT?smT33BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术GSM数字式蜂窝系统，由于是采用了时分多址TDMA方式，对各用户信息传送是采用时分复用方式，而不是上述码分用户的并行方式，或者是正交多载波OFDM的频分复用方式，其符号速率比较高，所以一般满足的条件，所以必须使
29、用自适应均衡技术。北美的IS-54、IS-136等数字式蜂窝系统也满足这一条件，也需要采用自适应均衡器；影响均衡效果的另一个重要因素的信道参数是信道多普勒频移宽度，或者相对应的信道相干时间。因为在接收端使用均衡器，必须测量信道特性即信道冲击响应，信道特性随时间变化的速度必须小于传送符号的持续时间，即必须小于信道多径扩散时间，即：也就是必须满足：smTdB1/ddTB=m1mdB?1mdB?34BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.1 时域均衡器的分类时域均衡器的分类时域均衡从原理上
30、可以划分为线性与非线性两大类型。而每一种类型均可分为几种结构。而每一种结构的实现又可根据特定的性能准则采用若干种自适应调整滤波器参数的算法。我们根据时域自适应均衡的类型、结构、算法给出的分类。书上有详细分类图。1.线性均衡器线性均衡器线性均衡器结构相对比较简单，主要实现方式为横向滤波器，后面将专门介绍，另外还有格形滤波器。2.非线性均衡器非线性均衡器在最小序列误差概率准则下，最大似然序列判决MLSD是最优的，但是其实现的计算复杂度是随着多径干扰符号长度L呈指数增长。35BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3
31、 均衡技术均衡技术8.3.1 时域均衡器的分类时域均衡器的分类在移动通信中，由于多径衰落的影响，当所需传送的消息符号速率较高时，比如数百个千比特以上时，一般ISI的符号长度L=10时，MLSD的计算已太复杂，而无法使用，这时DFE具有次优而计算效率高的特点，是最为适合的时域自适应均衡方式。其基本思路为如果携带信息的符号已被检测出来，那么该符号对将来符号所造成的影响也就可以被估计出来，而且可以从被接收的信号中消除掉。DFE也可以用于GSM移动通信中，而且其实现复杂度要比MLSD方案简单，而性能下降也并不很明显。36BUPT Information Theory&Technology Educat
32、ion&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.2 横向滤波器横向滤波器横向滤波器是时域均衡的主要实现方式。它由多级抽头延迟线、可变增益加权系数乘法器以及相加器共同组成。横向滤波器结构如下图所示：STSTSTSTSTST输入x(t)NW1W0W1W1NWNW1NW+37BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.2 横向滤波器横向滤波器输入信号x(t)经过2N级延迟线，每级的群时延为，其中为传送系统的奈奎斯特取样频率，即信号x(t)的最高频率。在每一级延迟线的输出端
33、都相应引出信号，并分别经过可变增益加权系数相乘以后，送入求和电路进行代数相加，形成总的输出信号y(t)。其中滤波器抽头共有2N+1个，加权系数可变、可调且能取正负值，并对中心抽头系数归一化。1/2SHTf=Hf()Sx tnT(0,1,.)kw kN=kW38BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.2 横向滤波器横向滤波器若横向滤波器的冲击响应为g(t)，则：这时，输出响应就成为：或可见，横向滤波器的接入将使系统的输出波形y(t)成为2N+1个经过不同时延的均衡器的输入波形x(t)的
34、加权和。对于一个实际响应波形x(t)，只要适当的选择抽头增益系数就可以使输出波形在各个奈氏取样点(k=0处除外)趋于零。()()NkSkNg tWtkT=0()()()tty txg td=()()()y tx tg t=()NkSkNW x tkT=39BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.2 横向滤波器横向滤波器当时，有或简写成：StnT=()()NSkSkNy nTW x nk T=Nnkn kkNyW x=40BUPT Information Theory&Technolo
35、gy Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.2 横向滤波器横向滤波器上述公式中的表示以n为中心的前后k个符号在取样时刻时对第n个符号所造成的ISI。这样，横向滤波器的作用就是要调节抽头增益系数(不含)使得以n为中心的前后符号在取样时刻t=的样值趋于零。即消除它们对第n个符号的干扰。所以横向滤波器可以控制并消除个符号内符号间干扰。并将横向滤波器达到这一状态的特性称之为“收敛”特性。显然，横向滤波器抽头越多即N越大，控制范围也就越大，均衡的效果也就越好。但是越大、抽头越多，调整也就越困难，工程上应在性能与实现复杂性上进行合理的折中。n kx(0,1,2,
36、.)kN=StnT=kW0WSnTN41BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.2 横向滤波器横向滤波器1.均衡器的调节准则均衡器的调节准则在上述均衡器取有限抽头()的情况下，均衡器输出将达不到理想的无ISI状况，它必然还存在剩余失真，且N越小失真越大。那么均衡器的抽头增益应该按照什么样的原则来调节才是最佳的呢？又如何来实现呢？前一个问题称为调节准则的选取，后一个问题称为调节算法的选定。这里首先讨论前一个问题即调节准则的选取问题。最常用的两个准则为峰值失真准则和均方误差MSE准则。N
37、42BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.2 横向滤波器横向滤波器峰值失真准则峰值失真准则：它可以简单的定义为在均衡器输出端最坏情况下的符号间干扰ISI值，寻求这个性能指标下的最小化为峰值失真准则。均方误差均方误差MSE准则准则：该算法综合考虑了均衡器输出端既存在ISI也存在加性噪声，并以最小均方误差准则来计算横向滤波器的抽头系数。43BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.
38、3.3 均衡器的算法均衡器的算法均衡器的自适应算法可以根据不同的最佳准则得到不同的算法：最常见的有最小均方算法LMS、递推最小二乘算法RLS、快速RLS算法、格型RLS算法以及Viterbi算法等。1.LMS算法算法在均衡器中往往要求具有最小的均方误差，即最小的MSE值。目前常采用一种引入随机梯度的迭代算法来实现，并称它为LMS算法。44BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.3 均衡器的算法均衡器的算法2.递归最小平方递归最小平方RLS算法算法由于LMS算法仅能调节、控制一个参数所
39、以收敛速度比较慢，如果采用递归最小平方RLS准则就可以得到较快收敛速度的调整均衡器参数的算法。RLS算法的设计准则是指数加权平方误差累积的最小化。45BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.3 均衡器的算法均衡器的算法LMS和和RLS算法收敛速度的比较算法收敛速度的比较下面图形，给出在N=11和ISI较小情况下LMS和RLS算法收敛速度的比较46BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡
40、技术8.3.4 判决反馈均衡器判决反馈均衡器DFE 为了进一步提高抑制ISI的性能，可以采用判决反馈均衡器(DFE)。DFE由两个线性滤波器组成：一个是前馈滤波器，对接收噪声进行白化，保证每个判决符号只受到以前符号()的干扰。另一个是反馈滤波器。()X z()H z()W z()Y z()F z()R z()Rz()()1F z H z()X z47BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.4 判决反馈均衡器判决反馈均衡器DFE iixx=48BUPT Information Theo
41、ry&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.4 判决反馈均衡器判决反馈均衡器DFE 由此可见，理想DFE条件下，ISI可以被完全抵消，输出信号中只含有有用信号和加性白噪声。此时输出信噪比为xZFDFEwSSNRS=49BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术8.3.4 判决反馈均衡器判决反馈均衡器DFE 可见，由于迫零均衡放大了噪声，信噪比性能要差于ZF-DFE。但上述结论的前提理想DFE并不符合实际，判决总会出错，此时反馈部
42、分会引入误差，造成错误传播现象，从而导致性能下降，尤其是低信噪比条件下，其性能甚至比线性均衡更差。50BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术 8.3.5 Tomlinson-Harashima 预编码预编码(THP)理论上，DFE具有更好的抑制ISI性能，但由于存在差错传播现象，限制了DFE的应用。Tomlinson和Harashima提出采用发端预编码，可以保证信号功率不变，并能够抵消码间干扰，现在简称THP技术。()X z()H z()W z()Y z+()X z模2M-()A z()
43、1H z 检测器模2M预编码器51BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术 8.3.5 Tomlinson-Harashima 预编码预编码(THP)接收信号不含有码间干扰，通过模2M译码，能够恢复发送信号。因此THP在发送端实现了预编码器和DFE前馈滤波器，消除了码间干扰，同时由于发送信号已知，因此不存在差错传播现象。理论上可以证明，高信噪比条件下，理想DFE与THP性能等价。但THP的应用也具有一定约束，要求发送端完全已知信道信息，一般需要通过反馈信道，由接收机向发射机传送信道响应信息，
44、信道信息估计与反馈的误差，都会导致THP性能下降。52BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术 8.3.6 频域均衡频域均衡 宽带移动通信的数据速率往往高达100Mbps1Gbps，如果仍然采用时域均衡，则抽头数目M可达到几百个，算法复杂度为O(M2)，并且收敛性和稳定性很差。为了提高系统性能，可以采用两种方案：OFDM与SC-FDE，这两种方案都采用了FFT/IFFT变换，算法复杂度降低为O(Mlog2(M)。53BUPT Information Theory&Technology Edu
45、cation&Research Center8.3 均衡技术均衡技术 8.3.6 频域均衡频域均衡 OFDM与SC-FDE的技术共同点可以总结如下。两种系统都采用了FFT/IFFT变换单元，只不过位置不同。OFDM系统中IFFT位于发端，FFT位于收端；而SC-FDE系统中FFT/IFFT都位于收端。其信道补偿都是在频域进行。为了消除数据块间干扰(IBI)，两种系统都引入了循环前缀(CP)，将数据块与信道的线性卷积截断为循环卷积，从而便于独立处理每个数据块，简化了均衡算法结构。54BUPT Information Theory&Technology Education&Research Cen
46、ter8.3 均衡技术均衡技术 8.3.6 频域均衡频域均衡 与OFDM相比，SC-FDE具有如下技术优势。OFDM信号动态范围很大，而单载波系统的PAPR较小，只随调制星座的信号点动态范围变化。适合于硬件成本受限的移动终端采用。LTE系统上行链路采用了SC-FDMA多址接入方式，首要因素就是基于峰平比考虑。OFDM系统对收发频率偏差和多普勒效应造成的ICI非常敏感，因此频偏补偿和同步算法是OFDM系统的关键模块。而单载波系统对于频偏不敏感，能够容忍较大频偏，更适合于高速运动场合，其频率同步算法也较简单。OFDM系统检测在频域进行，每个子载波单独信道补偿后再解调数据，因此低信噪比的子载波限制了
47、未编码OFDM的系统性能。而SC-FDE系统检测在时域进行，信号经过频域均衡，变换为时域再解调。这样即使有一些子载波SNR很低，但IFFT变换对恶劣信道进行了平均，减弱了深衰落的影响，相当于获得了频率分集增益，从而提高了系统性能。55BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.3 均衡技术均衡技术 8.3.6 频域均衡频域均衡理论上，频域补偿与信道编码组合，OFDM性能可以达到最优。而SC-FDE系统只进行频域均衡，即使与信道编码组合，也只是次优方案。因此有编码条件下，SC-FDE性能往往要差于COFDM，为了提高
48、单载波性能，需要采用更复杂的均衡算法，例如DFE均衡器56BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center8.4增强技术与应用增强技术与应用 分集与均衡是2G和3G移动通信系统基本的接收技术。这些经典技术主要针对点到点链路进行优化设计，没有充分考虑对干扰信号的抑制。一般的，接收机对于系统内干扰并非完全未知，利用某些系统先验或特征信息，可以有效抑制干扰，提高接收性能。本节主要介绍GSM/EDGE系统的单天线干扰抵消(SAIC)技术与WCDMA系统的增强性技术。57BUPT Information Theory&Technol
49、ogy Education&Research Center8.4增强技术与应用增强技术与应用 8.4.1 GSM/EDGE增强接收技术增强接收技术 GSM系统中影响系统容量的主要因素是共道(同频)干扰(CCI)。传统接收机将CCI看作高斯噪声，没有考虑干扰的特征信息(例如调制模式和训练序列等)，如果充分利用干扰信息，则能够进一步增强系统性能。单天线干扰抵消(SAIC)就是这样一类增强性技术，它的算法复杂度较低，适合于单天线移动终端。SAIC技术包括两类：(1)联合检测/解调(JD)与盲干扰抵消(BIC)。58BUPT Information Theory&Technology Educatio
50、n&Research Center8.4增强技术与应用增强技术与应用 8.4.1 GSM/EDGE增强接收技术增强接收技术 JD的基本原理是同时检测信号与同频干扰，本质上是联合最大似然检测算法，能够获得最优性能，但其复杂度较高。BIC技术不需要对干扰进行信道估计，只是利用了干扰的一些信号特征，例如GMSK信号恒包络或I/Q两路承载相同数据。基于这些先验信息，可以部分抵消干扰信号，然后再进行Viterbi均衡。与JD相比，BIC复杂度较低，但系统性能有所损失。接收机滤波联合解调(Viterbi均衡)信道估计移动台接收天线59BUPT Information Theory&Technology E