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                                            第四章 現代無線通信信號處理技術 - 圖文 - 下載本文

                                            第四章 現代無線通信信號處理技術

                                            近20年來,隨著現代無線通信技術的發展, 人們希望通過無線方式高速率、高質量地傳輸信息。由于無線信道是開放時變信道,極易受多徑干擾、多址干擾和噪聲等的影響。要利用好無線信道,必需針對無線信道的弱點研發新的信號處理技術。本章首先介紹無線信道的特點、噪聲與無線電通信干擾,然后介紹自適應均衡技術、多用戶檢測技術和寬帶無線通信信號處理技術,最后討論無線通信系統中的電磁兼容技術。

                                            4.1無線信道的特點

                                            1.無線信道的主要特點

                                            有線信道可建模為加性高斯白噪聲(AGWN)和線性濾波器信道(Linear Filter Channel),信號通過有線信道后的接收信號分別為

                                            y(t)??s(t)?n(t) (無限帶寬理想信道) y(t)?s(t)?h(t)?n(t) (有限帶寬恒參信道)

                                            ?????h(?)?(t??)d??n(t)

                                            上式中,α是信道的衰減因子;h(t)是信道的沖激響應。有線信道是封閉信道。

                                            無線信道可建模為線性時變濾波器信道(Linear Time-Variant Filter Channel),信號通過無線信道后的接收信號為

                                            y(t)?s(t)?h(?,t)?n(t)

                                            ??h(?;t)s(t??)d??n(t)

                                            ???對多徑信道

                                            h(?;t)??ak(t)?(???k)

                                            K?1Ly(t)??ak(t)s(t??k)?n(t)

                                            K?1L無線信道的主要特點是:開放信道,極易受干擾和噪聲的影響;無線信道接收點地理環境復雜,多樣;無線通信用戶可能慢速步行,亦可能高速運動。

                                            2.移動無線信道

                                            移動通信中,移動點接收到的無線電波功率為

                                            Pr(d)?d?ns(d)R(d)

                                            上式中,d是無線電波的路徑損失指數;s(d)是由于無線電波傳播路徑上受到障礙物阻塞而引起的慢衰落;R(d)是由于多徑、多普勒效應和接收天線的空間選擇性引起的快衰落。路徑損失指數描述大尺度區間(數百米)接收功率隨距離d的變化特性。慢衰落描述中等尺度(數百個波長)范圍內接收中值電平的慢變化特性?焖ヂ涿枋鲂〕叽鐓^間(數個波長)范圍內接收功率瞬時值的快變化特性。表4.1給出了不同環境下的路徑損失指數n。表4.2給出了1.8GHz蜂窩式移動通信中典型的時延擴展、角度擴展和多普勒擴展。

                                            表4.1不同環境下的路徑損失指數 環境 路徑損失指數n

                                            表4.2典型環境下的擴展值 地理環境 室內 農村 都市 丘陵 小區 時延擴展(L) 0.1μs 0.5μs 5μs 20μs 0.2μs 角度擴展(φ) 360° 1° 20° 30° 120° 多普勒頻率擴展(B) 5Hz 190 Hz 120 Hz 190 Hz 10 Hz 自由空間 城區(蜂窩式) 2 2.7~3.5 城市陰影區樓層(被阻樓房(直射) (蜂窩式) 塞) 3~5 1.6~1.8 4~6 工廠(被阻塞) 2~3 -n

                                            理論分析表明:時延擴展的均值Δτ與相干帶寬BC的關系為BC=1/2πΔτ。多普勒擴展FS與相關時間的關系為FS≈1/TC,若同時考慮時延擴展和多普勒擴展,信道特性可建模為

                                            H(?;v)??h(?;t)e?j2?vtdt?S(?;v)

                                            ???上式中,S(τ;v)被稱為散射函數(Scattering Function)。

                                            若對某一市區,查得以上三類擴展分別為FS=120Hz,Δτ=5μs,φ=20°,則BC=1/Δτ=200KHz,TC=1/FS=83μs,RC=λ/4=360°λ/2π(20°)=3λ?梢,為了克服以上三類擴展,可分別采用不同的技術手段?朔臻g選擇性衰落可采用空間分集手段,但是分集接收機間的距離應大于3λ;克服頻率選擇性衰落可采用Rake接收方式,但是在設計Rake接收時,其頻率相關區間一定要大于200KHz,才有多徑分集效果;克服時間選擇性衰落可采用信道交織技術,但交織區間一定要大于83μs。

                                            3.現代無線通信信號處理技術

                                            現代通信中,針對不同的信道特性,提出了不同的信號處理技術。

                                            (1)信道寬帶無限,信道僅受噪聲的影響,這時可采用相關接收機或匹配濾波器技術;

                                            ?h(f)ej?(f)(2)h(f)??0?f?B f?B若在信道帶寬B內,h(f)=常數,???(1/2?)d?(f)/df=常數,則稱信道為理想信道。反之,稱為非理想信道。對h(f)一定的信道,可通過信號設計來消除符號間干擾ISI(Intersymbol Interference)。例如,可采用無符號干擾的帶限信號設計準則(Nyquist)和具有受控ISI的帶限信號設計準則(部分響應技術);

                                            (3)若信道存在失真和噪聲,且h(f)未知,則ISI是導致誤碼率Pe增加的主要原因。解決方案是設計一種能補償或減少接收信號中ISI的電路(均衡器)。例如,MLSE接收(Maximum Likelihood Sequence Estimation)、線性均勻器、判決反饋均衡器。若信道特性是時變的,信道響應隨時間變化,則要求均衡器能夠自動調節抽頭系數(自適應均衡器)。

                                            (4)在蜂窩移動通信系統中,多址干擾(或多用戶干擾或同信道干擾)是導致誤碼率Pe增加的主要原因,解決辦法是多用戶檢測器(多用戶檢測理論)。

                                            (5)如果希望能夠根據信號和干擾環境自動調節天線陣的空間輻射特性,這對減少多用戶干擾和解調期望的信號是有利的,這種技術就是智能天線。

                                            (6)無線通信中同時存在碼間干擾ISI和同信道干擾,均衡技術可以補償碼間干擾,但不能抑制同信道干擾,多用戶檢測可以抑制同信道干擾,但不能補償碼間干擾,空時二維處理可同時抑制這兩種干擾。

                                            (7)空時編碼(Space-Time Coding)使用多個發射天線和接收天線,在不同無線發射信號間引入時域和空域相關,接收端進行分集接收,可獲得更高的編碼增益,提高無線通信系統的容量。

                                            (8)超寬無線電技術發射具有寬帶頻譜的超低功率無載波脈沖,脈沖寬度為10ns~1ns。采用脈沖位置調制方式,具有抗多徑、抗干擾、輻射功率極低、通信容量大和穿透能力強等優點。

                                            綜上所述,由于無線信道中存在各種衰落、碼間干擾和多用戶干擾,人們采取各種技術手段來消除它們的影響。例如,功率控制技術抗慢衰落和遠近效應;信道交織技術抗時間選擇性衰落;Rake接收技術抗頻率選擇性衰落;分集接收和分集發射抗空間選擇性衰落;均衡技術和多載波技術抗碼間干擾;智能天線抗多用戶干擾,并有利于有用信號解調;多用戶檢測抗多用戶干擾;空時二維處理抗碼間干擾和多用戶干擾;信道編碼抗差錯;軟件無線電能解決多頻段、多體制、多媒體統一化綜合終端的設計。詳細介紹上述技術超出了本書的范圍,本書僅介紹自適應均衡技術、多用戶檢測技術、超寬無線電技術、智能天線和軟件無線電技術。

                                            4.2噪聲與干擾

                                            4.2.1噪聲的分類和來源

                                            在通信系統中,除去所需要的有用信號和干擾外,其余電信號均為噪聲。由于噪聲是影響通信系統性能的重要因素,所以了解各類噪聲的特性、產生原因及降低噪聲的方法十分重要。噪聲對信號的影響可分為兩大類:一類是疊加在信號上面傳輸的,因此稱之為加性噪聲。加性噪聲與信道內傳輸的信號存在著相加的關系;加性噪聲是獨立存在的,與信道內有無信號無關;加性噪聲源于人為噪聲、自然噪聲和內部噪聲。另一類是乘性噪聲。設信道的輸入信號為ui(t),輸出總信號為u0(t),則u0(t)?k(t)ui(t)?n(t)。上式中,n(t)為加性噪聲;k(t)表示信道特性不理想,對所傳輸的輸入信號的乘性作用。乘性噪聲與加性噪聲不同,加性噪聲始終存在,而乘性噪聲隨信號的消失而消失。人們對乘性噪聲的研究很少。

                                            人為噪聲來源于其它無關的信號源。例如,各種用途的無線電發射機和各種電氣設備(如電力線、汽車點火系統、電車、電源開關、變壓器和高頻電爐等)。自然噪聲來源于雷電、磁暴、太陽黑子和宇宙射線等。內部噪聲來源于設備本身所產生的噪聲。例如,電阻等電子器件分子的熱運動產生的熱噪聲和電子器件內部載流子的起伏變化所引起的散彈噪聲等。其中,熱噪聲的噪聲功率譜密度正比于溫度、與頻率無關,又稱為白噪聲。內部噪聲波形是不規則變化的,又稱起伏噪聲或隨機噪聲。隨機噪聲是無法避免的,其波形不能準確預測。噪聲按性質可分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。單頻噪聲主要指無線電干擾,這種噪聲的主要特點是占有極窄的頻帶,可采取適當措施防止。脈沖噪聲可由工業中的電火花、斷續電流和閃光等引起,波形呈脈沖形式,持續時間短,強度大,隨機出現。通過選擇工作頻段可減弱脈沖噪聲的影響。起伏噪聲來源于熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲,它們都是不規則的隨機過程,對通信的影響是最基本的。

                                            4.2.2信噪比和噪聲系數

                                            噪聲對信號傳輸的影響可用信噪比來衡量。信噪比是傳輸過程中同一點上信號功率與噪聲功率之比

                                            S/N?Ps/Pn

                                            上式中,Ps為信號功率;Pn為噪聲功率。信噪比越大,信號質量越好。由于噪聲源在傳輸過程中處處都存在,信號不斷地有新噪聲疊加上去,使得信噪比不斷惡化。此時,采用放大信號功率的方法,由于噪聲也被同時放大,因而不能改善信噪比。要改善信噪比只有千方百計減小噪聲。例如,采用低噪聲元件、低噪聲放大器、做好阻抗匹配、隔離、濾波、屏蔽和接地等。

                                            為了衡量信號和噪聲通過線性網絡后信噪比的變化,可引入噪聲系數的概念。噪聲系數NF定義為四端口網絡輸入端信噪比與輸出端信噪比之比

                                            NF?(S/N)i/(S/N)0

                                            上式中,(S/N)i為網絡輸入端信噪比;(S/N)0為網絡輸出端信噪比。由于信號通過網絡時,網絡內部有新的噪聲疊加上去。因此,輸出端信噪比總是小于輸入端信噪比,噪聲系數NF總是大于1。NF可用來衡量網絡內部噪聲的大小,是輸出端信噪比相對于其輸入端信噪比變壞的倍數。為了保證當傳輸網絡或接收機電路一定時,NF也唯一確定。為此,定義NF時還必須附加下列條件:對傳輸網絡,規定以網絡的信號源內阻在室溫290k時產生的熱噪聲作為輸入噪聲的標準Pns;對接收機,規定以其天線的等效電阻RA在室溫290k時產生的熱噪聲作為輸入噪聲的標準Pns;NF的定義只適用于線性電路和準線性電路,即接收機檢波器以前的部分。前面討論的Pns為標準熱噪聲,且Pns?kTB?290kB,k為波爾茲曼常數,B為帶寬。故假設傳輸網絡的功率增益為G、輸入信號功率為Psi、輸出信號功率為Ps0、輸入噪聲功率為Pns和輸出噪聲功率為Pn0,則NF等于

                                            NF?(S/N)i/(S/N)0

                                            ?(Psi/Pns)/(Ps0/Pn0) ?Pn0/(GPns)

                                            Pn0?GNFPns

                                            若傳輸網絡為理想網絡(內部無噪聲),其輸出的噪聲功率為GPns。故噪聲系數的嚴格意義是:由于實際傳輸網絡內部噪聲的結果,使放大器的輸出噪聲功率擴大了NF倍。NF與輸入信號無關。

                                            4.2.3噪聲系數的計算

                                            與理想網絡比較,實際傳輸網絡引入的噪聲功率為Pn0?GP)GPns。此噪聲功率ns?(NF?1折算到網絡輸入端為(NF?1)Pns。若網絡輸入端的噪聲功率為Pn,則網絡輸入端等效噪聲功率為

                                            Pn?(NF?1)Pns,網絡輸入端等效信噪比為

                                            (PsiS )e?NPn?(NF?1)Pns若傳輸網絡由兩級相串聯,第一級和第二級增益分別為G1和G2,噪聲系數為NF1和NF2。則傳輸網絡輸入端的等效噪聲功率為Pn?(NF1?1)Pns?(NF2?1)Pns/G1。等效信噪比為

                                            (PsiS )e?NPn?(NF1?1)Pns?(NF2?1)Pns/G1與單級網絡的噪聲系數比較,兩級網絡的等效噪聲系數為

                                            NFe?NF1?1?(NF2?1)/G

                                            同理,對于m級串聯網絡,等效噪聲系數為

                                            NFe?NF1?1?(NF2?1)/G??(NFm?1)/G1G2?Gm

                                            由此可見,對多級網絡,降低第一級的噪聲系數是關鍵。

                                            在衛星通信中,經常用等效噪聲溫度Te來描述網絡的噪聲特性,它與噪聲系數的關系為

                                            Te?290(NF?1)

                                            對于m級串聯網絡,等效噪聲溫度公式為

                                            Te?Te1?Te2/G1???Tem/G1?Gm?1

                                            4.2.4無線電通信的干擾

                                            無線電干擾指在射頻(9KHz~3000GHz)頻段內,可能對有用信號造成損壞的無用信號或電磁騷擾。它可能引起無線電通信系統的接收性能下降、誤碼或信息丟失。當干擾危害正常開展的無線電業務時,這種干擾稱為有害干擾。

                                            無線電干擾通常按干擾的性質分為人為干擾和自然干擾。自然干擾來源于太陽干擾、宇宙干





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