通信信道与时域均衡原理

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有线传输方式
主前端 第一个有线环 Primary Ring 社区前端 第二个有线环 Secondary Ring 集线器
有线传输 信号质量好 传输距离长,增加放大 近似AWGN
光节点
CATV 网
约125 -2000 用户
HFC - Hybrid Fiber Coax 混合光纤同轴网络
市区（中、小城市）：a (hm) = [1.1*log(f) - 0.7]*hm - [1.56*log(f) - 0.8] 市区（大城市）：a (hm) = 8.29*[log(1.54*hm)]2 - 1.1（f ≤ 300 MHz） a (hm) = 3.2*[log(11.75*hm)]2 - 4.97 （ f ≥ 300 MHz） 郊区：Lsu (dB) = Lu-2*[log(f/28)]2-5.4 农村 (准开阔地)：Lrqo (dB) = Lu-4.78*[log(f)]2 + 18.33*log(f)-35.9 农村 (开阔地)：Lro (dB) = Lu-4.78*[log(f)]2+18.33*log(f)-40.94
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无线传输方式
固定 (室外定向天线， 如八木天线) 便携 (室内天线) 移动 (全向） 增益低
信道存在多径，移动还带来时变
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无线信道环境
大尺度效应: 包括视距路径损耗/绕射、阴影和雨或植被造成的衰 落等效应。
– 用来预测无线覆盖范围
小尺度效应: 短距离（几个波长以内）或短时间（秒量级）内接 收信号强度经历的剧烈变化
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多径时延扩展
一个离散脉冲变成一个连续信号脉冲 多径时延分布是一个随机变量，也只能从统计的观点 来研究
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多径时延扩展 多径信道的冲激响应模型
h(t ,τ )
• • • • 服从广义平稳不相关分布 时变性 时变冲激响应特性的线性滤波器 信道的冲激响应可用于预测和比较不同移动通信系 统的性能，以及传输带宽
绕射损耗
T R
穿透损耗
T
R
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阴影衰落
路径损耗和阴影衰落与传播距离的关系
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小尺度效应
小尺度效应主要是由于信号从不同路径传播到接收 机上引起的 小尺度衰落的三个主要表现:
• 经过段距离或短时间传播后信号强度急剧快速变化; • 在不同的多径信号上，存在着时变的多普勒频移所引起的 随机频率调制; • 不同的传播时延引起的时间扩展;
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自由空间损耗（ Free space loss）
自由空间是指各向同性、无吸收、电导率为零的均匀介质所 存在的空间。 传播损耗 （发射机和接收机直线传输 ）
FSL(dB) = 10 log10 (
4πd
λ
)2
• d是路径长度，单位m； λ 是信号波长，单位m 常用形式
k k k k
k
rms时延扩展（ σ τ ）
στ = τ −τ
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（τ2 =
2 P ( τ ) τ k k k
P(τ k )
k
）
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多径时延
（2）相干带宽 是从rms时延扩展得出的一个信道参量 含义：频率范围，该范围内的频率分量有很强的 幅度相关性 相关函数0.9： 1 Bc ≈ 50σ τ 相关函数0.5：
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多径信道模型
h(t ,τ )
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多径时延信号功率延时分布
P(τ ) 为归一化的功率延时分布，其均值为多径平均时 延 τ ，均方差为多径时延扩展
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多径时延
移动多径信道的参数 （1）时间色散 平均附加时延（τ ）
τ
P(τ )τ = P(τ )
实际环境中的无 线传播
①建筑物反射波 ②绕射波 ③直射波 ④地面反射波
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阴影衰落
阴影衰落和地形：遇有高大建筑物、树林、地形起 伏等障碍物的阻挡
– 接收场强均值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变 化称为慢衰落。 – 衰落均值变动服从对数正态分布 – 衰落强度与载波频率有关：频率越高绕射损耗越大、穿透 建筑物能力强。
– 相关因素：移动速度v、信号载波频率fc、入射角θ – 不同的到达波入射角导致不同的多普勒频移，从而所有 多径分量叠加形成了连续的多普勒功率谱
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相干时间
相干时间是多普勒频移的时域表示，描述信道频率 色散的时变特性 9
Tc ≈
16πFd
– 数据符号周期远远小于相干时间——慢衰落 – 否则为快衰落信道，时间选择性衰落信道
– 产生原因:无线信号的多径传播 – 用于传输技术的选择和数字接收机的设计
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大尺度效应和小尺度效应
空间传播损耗: Path loss (大尺度) 阴影效应: 由地形结构引起，表现为慢衰落(大尺度) 多径效应: 由移动体周围的局部散射体引起 (小尺度) 的多径传播，表现为快衰落。
COST231-Hata模型是根据奥村－hata模型进行 一定的修改得到的。 COST231模型适用于1500－2000MHz，在1km 以内预测不准。COST231-hata模型也是奥村等 人的测试结果作为依据，通过对较高频段的传 播曲线进行分析，得到建议公式。
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COST 231-Hata模型
Bc ≈
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1 5σ τ
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相干带宽
τ
ττ τ
在相干带宽之内，信道是一个频率非选择性信道。 信号带宽超过相干带宽，信道是一个频率选择性信道。 从频域角度定义窄带系统和宽带系统
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多普勒频移
接收机与发射机的相对运动会产生多普勒频移
ν f c cos θ ν θ cos fd = = = Fd cos θ λ c
数字通信系统
调制
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内接收机
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无线电波频段划分
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不同的频段内的频率具有不同的传播特性
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卫星传输方式
转发 下行 上行
抛物面天线: 天线增益高 方向角小 点对点视距通信(LOS) 自由空间衰减公式计算传输损耗 近似AWGN（加性高斯噪声）
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电波传播方式
反射、绕射和散射 反射：遇到比波长大得多的物体时发生反射 绕射：遇到尖锐的障碍物阻挡时发生绕射 散射：遇到粗糙表面小物体或其他不规则物体 时，在所有的方向散射能量，如树叶、路灯杆
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无线传播环境
移动通信的电波传播机制 LOS和NLOS
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Okumura-Hata模型
Lu(dB) = 69.55 + 26.16lg(f) - 13.82lg(hb) + (44.9 -6.55lg(hb))lgd - a(hm)
• d是路径长度，单位m；f是频率，单位MHz； • hb是基站天线高度，单位m；hm是移动台高度，单位m； • a(hm) 是天线校正因子:
清华大学
通信信道与时域均衡原理
王劲涛、戴凌龙
电子工程系
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上讲回顾
发射机 信道 接收机
(f, T) (f + Δf, Ts) 发送载频 ≠ 接收机载频 （载波同步） 发送符号率≠接收采样率 （定时同步） 发送的数据结构未知（帧同步）
Ii Fi Fi +1
帧开销
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I i +1 Fi + 2
时域均衡器设计实例
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干扰的产生
发送信号
t
信道
接收信号
Tb 2Tb 3Tb
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5Tb 4Tb
6Tb
t
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干扰的表达
码间串扰 (ISI) 噪声
Noise Biblioteka Baiduhannel
desired signal
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ISI
noise
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眼图
用于观察接收波形质量的一种直观有效的方法 波形的周期性重叠，其重叠周期应为符号周期的 整数倍 眼图的观测方法
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Okumura-Hata模型 适用范围
适用范围： 频率范围 f: 基站天线高度 Hb: 移动台高度 Hm: 距离 d: 1km以内预测不适用 频率超过1500MHz以上时不适用 150～1500MHz 30～200m 1～ 10m 1～ 20km
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COST 231-Hata模型
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小尺度衰落总结
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平衰落
平坦衰落信道对信号的影响
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频率选择性衰落
频率选择性衰落信道对信号的影响
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小尺度衰落总结
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提纲
通信信道特性 均衡的目的 时域均衡原理 单载波时域均衡算法及实现
线性均衡器 判决反馈均衡器
有效数据
Fi +3
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参考书目
《现代通信原理》，曹志刚、钱亚生著；清华 大学出版社
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提纲
通信信道特性 均衡的目的 时域均衡原理 单载波时域均衡算法及实现
线性均衡器 判决反馈均衡器
时域均衡器设计实例
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数字通信系统模型
信源 编码
信道 编码
信 道
信道 解码
信源 解码
解调
可靠性和效率
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小尺度效应
主要关心无线信道的两种特性:
– 多径时延扩展：各路径有不同延迟，带来码间干扰 – 多普勒频移：接收机与发射机间的相对移动引入多普勒频 移，时变信道
设计接收机的考虑
– 大尺度效应仅影响接收机的接收门限 – 重点考虑如何在小尺度效应下保证传输质量
采用各种技术措施来抵消小尺度效应的不利影响。如调制、分集、 扩频／跳频、均衡、交织和纠错编码等。
影响小尺度衰落的因素
1）多径传播: 信道中反射物的存在，构成了一个不断消耗 信号能量的环境，导致接收信号幅度、相位以及到达时间 的变化，也就是小尺度衰落。多径传播常常延长信号基带 部分到达接收机所用的时间，由码间干扰引起信号模糊。
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影响小尺度效应衰落的因素
2）移动台的运动速度：移动台相对于基站运动，会引起随机频率 调制，这是由多径分量存在的多普勒频移引起的。决定多普勒 频移是正频移还是负频移取决于相对运动的方向。 3）环境物体的运动速度：如果无线信道中的物体处于运动状态， 就会引起时变多普勒频移。如果环境物体以大于移动台的移动 速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。否则， 可仅考虑移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的 影响。 4) 信号的传输带宽：如果无线信号的传输带宽大于多径信道带宽 ，接收信号将会失真，但是接收信号的强度不会衰落很多。信 道带宽可用相关带宽量化。相关带宽是一个频率范围，在此范 围内，传输信号的幅度保持很强的相关性。若相对于信道带宽 来说，传输信号为窄带信号，则信号幅度就会迅速改变。
FSL( dB ) = 32.5 + 20 log10 D + 20 log10 F
• D是路径长度，单位公里； F是载波频率，单位MHz 基于点到点的链路模型 • 主要运用在卫星通信、深空通信系统、点对点视距通信
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Okumura-Hata模型
Okumura－Hata模型是规划软件通常采用的传播模型，适用 于1500MHz以下的大于1公里范围的宏小区。 20世纪60年代，奥村等人在东京近郊利用宽范围的频率，几 种固定台高度，几种移动台高度，以及在各种各样不规则地 形和环境地物条件下测量信号强度，形成一系列曲线，然后 对这些曲线进行拟合建立模型，从而得到了传播模型的经验 公式。该模型已经在世界范围内广泛使用，利用修正因子可 使它适用于东京以外的地区。
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眼图的作用
最佳采样点 采样点畸变 采样时间 噪声容限 过零点畸变 定时误差
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均衡的目的
减少串扰，增加正确判决的概率
Noise Channel
Equalizer
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Lu(dB) = 46.3 + 33.9*lg(f) - 13.82*lg(hb) - a(hm) + [44.9 - 6.55*lg(hb)]*lg(d) + Cm • 中等城市和郊区中心区： Cm = 0 dB • 大城市： Cm = 3 dB 农村 (准开阔地)： Lrqo (dB) = Lu - 4.78*[lg(f)]2 + 18.33*lg(f)-35.94 农村 (开阔地)： Lro (dB) = Lu-4.78*[lg(f)]2+18.33*lg(f)-40.94