第3章第4讲 扩频通信、抗衰落技术分析
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移动通信抗干扰与抗衰落技术在当今信息时代,移动通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
无论是日常的沟通交流、工作中的信息传递,还是娱乐休闲时的在线互动,都离不开稳定、高效的移动通信网络。
然而,在移动通信的过程中,信号会受到各种干扰和衰落的影响,导致通信质量下降,甚至出现通信中断的情况。
因此,研究移动通信中的抗干扰与抗衰落技术显得尤为重要。
干扰是指在通信过程中,无用的信号对有用信号造成的影响。
干扰的来源多种多样,比如同频干扰、邻频干扰、互调干扰等。
同频干扰是指使用相同频率的信号之间相互干扰,这在频谱资源紧张的情况下尤为常见。
邻频干扰则是相邻频率的信号之间发生的干扰。
互调干扰则是由于多个信号在非线性器件中相互作用而产生的新频率分量对通信造成的干扰。
衰落则是指信号在传输过程中,由于多径传播、阴影效应等原因,导致信号强度的随机变化。
多径传播是指信号通过多条不同的路径到达接收端,这些路径的长度和传播条件不同,导致信号到达接收端的时间和相位不同,从而引起信号的衰落。
阴影效应则是由于建筑物、山丘等障碍物的遮挡,导致信号在传播过程中被衰减。
为了应对移动通信中的干扰和衰落问题,研究人员提出了多种抗干扰和抗衰落技术。
扩频技术是一种常见的抗干扰技术。
扩频通信通过将信号的频谱扩展到很宽的频带上,使得信号的功率谱密度降低,从而降低了被干扰的概率。
常见的扩频技术有直接序列扩频和跳频扩频。
直接序列扩频是将发送的信息与一个高速的伪随机码进行异或运算,将信号的频谱扩展。
跳频扩频则是通过不断地改变发送信号的频率,使得干扰信号难以跟上频率的变化,从而达到抗干扰的目的。
均衡技术是一种用于对抗多径衰落的技术。
由于多径传播导致信号在不同的路径上产生不同的延迟和衰减,接收端接收到的信号会出现码间干扰。
均衡技术通过对接收信号进行补偿和校正,消除码间干扰,提高信号的质量。
常见的均衡技术有线性均衡和非线性均衡。
线性均衡算法简单,但性能相对较差。
非线性均衡性能较好,但计算复杂度较高。
扩频通信技术最初是在军事抗干扰通信中发展起来的[3],后来又在移动通信中得到广泛的应用[4],因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段,而目前它在这两个领域仍占据重要的地位。
1. 在军事通信中的应用扩频通信系统是在50年代中期产生的,其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面[5]。
扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。
在战争后期,干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素。
战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论。
跳频通信的思路就是在这段时期出现的:如果对窄带信号使用编码的频率控制,则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分,这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。
另一方面,直序扩频则起源于导航系统中高精度测距。
真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。
麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统,在该系统的研制过程中,首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用,该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。
第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功,在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。
在此期间,喷气实验室(JPL)在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。
自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后,此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展,但都只是局部的发展,如硬件的改进和应用领域的拓展。
而个人通信业务(PCS)的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。
2. 在民用通信中的应用一直到80年代初期,扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用,这种状况到了80年代中期才得到改变。
美国联邦通信委员会(FCC)于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告[6]。
从此,扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。
扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用,因为当时已经没有可用的频段供无绳电话使用,而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段,所以扩频技术在无绳电话的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。
目录抗衰落技术 (2)一、概述 (2)1)引起衰落的原因 (2)2)抗衰落技术的种类 (2)二、分集接收技术 (2)1)基本思想 (3)2)适用范围 (3)3)如何实现自身的功能 (3)(1)时间分集 (3)(2)空间分集 (4)(3)频率分集 (5)4)各分集技术之间的优缺点 (5)三、合并技术 (5)1)基本思想: (5)2)适用范围: (6)3)如何实现自身的功能: (6)四、均衡技术 (6)1)基本思想 (6)2)适用范围 (7)3)如何实现自身的功能 (7)五、信道编码技术 (7)1)信道编码技术产生的原因与作用 (7)2)信道编码技术的基本思想及优缺点 (8)3)适用范围 (8)4)信道编码技术及功能的实现 (8)(1)分组码 (9)(2)卷积码 (9)(3)Turbo码 (10)(4)交织 (10)(5)伪随机序列扰码 (11)六、扩频技术 (11)1)基本思想 (12)2)适用范围 (12)3)如何实现自身的功能 (12)(1)直接序列扩频与解扩的原理 (12)(2)跳频扩频通信系统 (12)抗衰落技术一、概述衰落对传输信号的质量和传输可靠度都有很大的影响,严重的衰落甚至会使传播中断,随着移动通信技术的发展,传输的数据速率越来越高,人们对信号正确有效地接收的要求也越来越重要,在移动通信中,移动信道的多径传播、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移会使接收信号产生严重衰落;阴影效应会使接收的信号过弱而造成通信中断;信道存在的噪声和干扰也会使接收信号失真而造成误码;为了改善和提高接收信号的质量,在移动通信中就必须使用到抗衰落技术。
1)引起衰落的原因的也是最重要的衰落成因。
多条射线的产生,可能是由于地面、大气不均匀层或天线附近的地形地物的反射,也可能是由于电离层多次反射、电离层中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现。
多径干涉形成的衰落通常称为多径衰落或干涉型衰落。
非正常衰减发生时,接收信号电平低于正常值,从而形成衰落。
移动通信中的衰落和抗衰落技术小结衰落的起因移动通信的传输媒介是发射机和接收机之间的无线信道,主要传播方式有直射、反射、绕射、散射等。
信号从发射机到接收机就会有很多不同的传播路径,信号经过每条路径的幅度和时延都不相同,多径分量之间有着不同的相移,这种现象叫做多径传播。
接收机无法辨别不同的多径分量,只是简单地把它们叠加起来,以至于彼此间相互干涉,这种干涉或相消或相长,会引起合成信号幅度的变化,这种效应--由不同的多径分量引起合成信号幅度的变化--称为小尺度衰落。
由于电磁波经过建筑传输,导致直射波的多径分量的幅度大大降低,这种效应叫做阴影效应,会导致大尺度衰落。
多径在宽带系统中的影响可采用两种不同的方式解释:1、信道传输函数随带宽而变化,也称为信道的频率选择性;2、信道的冲激响应会有延迟,即时延色散。
两种解释互为傅里叶变换。
相干带宽定义为相关系数小于一定门限的频率差,相干时间也是如此。
系统带宽大于相干带宽就会产生频率选择性衰落,小于相干带宽产生平坦衰落。
由相干时间决定的也会产生快衰落和慢衰落。
抗衰落技术◆分集技术◆RAKE接收◆纠错编码技术◆均衡技术分集分集的基本原理就是同一信息通过多个统计独立的信道到达接收机,用两个及以上的天线去接收,如果其中一路发生了衰落深陷,另外一路有可能没有,这样,就降低了中断概率,改善了接收端SNR的统计特性。
分集分为宏分集和微分集。
宏分集一般用于克服大尺度衰落,微分集用于克服小尺度衰落。
常见的微分集方法:空间分集:利用空间分离的天线。
时间分集:接收不同时刻的发送信号。
频率分集:在不同载频上传输信号。
角度分集:使用不同天线方向图的多个天线。
极化分集:多个天线接收不同方向的信号。
分集后的处理:1、选择合并。
选择并处理最佳的副本信号,其余副本全部丢弃。
2、合并分集。
合并所有的信号,再对合并的副本进行解码。
RAKE接收RAKE接收本质上也是一种多径分集接收机。
RAKE接收机所作的就是:通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号,并把它们合并在一起。