1、無線信道

與有線通信中良好的信道狀況(一般可以用加性白色高斯噪聲信道來仿真)完全不同，無線通信中的無線信道狀況非常惡劣，信道是多徑、時(shí)變的，從而使無線信號(hào)在短時(shí)間或短距離傳播后幅度快速衰落，即產(chǎn)生一定尺度衰落現(xiàn)象。下面以移動(dòng)通信為例說明無線信道特性。

由于無線信道中各種反射物的存在，導(dǎo)致信號(hào)幅度、相位以及時(shí)間的變化，這些因素使發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)時(shí)，形成在時(shí)間、空間上互相區(qū)別的多個(gè)無線電波，形成多徑傳播效應(yīng)。這些多徑成分具有隨機(jī)分布的幅度、相位和入射角度，它們被接收機(jī)天線按向量合并，從而使接收信號(hào)產(chǎn)生衰落失真。同時(shí)，由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)以及無線信道所處環(huán)境中其他物體的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)穿過多徑區(qū)域時(shí)，空間的瞬時(shí)變化轉(zhuǎn)換為信號(hào)的瞬時(shí)變化，這就是無線信道的時(shí)變現(xiàn)象。在空間不同點(diǎn)的多徑波的影響下，高速運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)可以在很短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過若干次衰落，接收機(jī)甚至可能在一段時(shí)間內(nèi)停留在某個(gè)衰落很大的位置上。

通常用時(shí)域的均方根時(shí)延擴(kuò)展和頻域的相干帶寬兩個(gè)參數(shù)來描述多徑信道的時(shí)間色散特性。均方根時(shí)延擴(kuò)展是多徑信號(hào)的功率延遲分布的二階矩的平方根，而相干帶寬是從均方根時(shí)延擴(kuò)展得出，兩者成反比關(guān)系。相干帶寬是一特定頻率范圍，在該范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。在無線通信系統(tǒng)中，如果信號(hào)的帶寬小于信道的相干帶寬，則接收信號(hào)會(huì)經(jīng)歷平坦衰落過程，此時(shí)發(fā)送信號(hào)的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)仍能保持不變。然而，由于信道增益的起伏，接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間變化。反之，如果信號(hào)的帶寬大于信道的相干帶寬，則接收信號(hào)會(huì)經(jīng)歷頻率選擇性衰落，此時(shí)接收信號(hào)的某些頻率比其他分量獲得了更大的增益，使接收信號(hào)產(chǎn)生了失真，從而引起符號(hào)間干擾。

多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間是描述小尺度內(nèi)信道時(shí)變特性的兩個(gè)參數(shù)，兩者成反比關(guān)系。多普勒擴(kuò)展是頻譜展寬的測(cè)量值，它由移動(dòng)臺(tái)和環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)速度所決定，是一個(gè)頻率范圍，在范圍之內(nèi)接收的多普勒頻譜有非零值。相干時(shí)間是信道時(shí)間變化率的一種量度，它是一段時(shí)間間隔，在間隔內(nèi)，兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。在無線通信系統(tǒng)中，如果信道的相干時(shí)間比發(fā)送信號(hào)周期短，則接收信號(hào)會(huì)經(jīng)歷快衰落過程，或者稱為時(shí)間選擇性衰落，此時(shí)接收信號(hào)會(huì)發(fā)生失真。反之，如果信道的相干時(shí)間遠(yuǎn)大于發(fā)送信號(hào)的信號(hào)周期，則接收信號(hào)經(jīng)歷慢衰落過程，此時(shí)接收信號(hào)不會(huì)發(fā)生失真。

均衡在帶寬受限且時(shí)間擴(kuò)散的無線移動(dòng)信道中，由于多徑影響而導(dǎo)致的碼間干擾會(huì)使傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生變形，從而在接收時(shí)產(chǎn)生誤碼。所以碼間干擾被認(rèn)為是在移動(dòng)無線通信信道中傳輸高速率數(shù)據(jù)時(shí)的主要障礙，而均衡正是解決碼間干擾的一項(xiàng)技術(shù)。任何能夠減小碼間干擾的信號(hào)處理操作都可以認(rèn)為是一種均衡，它可以在接收端的基帶或者射頻部分實(shí)現(xiàn)。

均衡技術(shù)可以分為線形均衡和非線性均衡。如果接收信號(hào)經(jīng)過均衡后，再經(jīng)過判決器的輸出被反饋給均衡器，并改變了均衡器的后續(xù)輸出，那么均衡器就是非線性的，否則就是線性的。常用的非線性算法有判決反饋均衡(DFE)、最大似然符號(hào)檢測(cè)及最大似然序列估值(MLSE)。顯然，非線性均衡有著比線性均衡更好的性能，尤其是在信道中有深度衰落導(dǎo)致失真太嚴(yán)重的時(shí)候。均衡器一般可以用線性橫向?yàn)V波器或格型濾波器實(shí)現(xiàn)。

由于移動(dòng)衰落信道具有隨機(jī)性和時(shí)變性，這就要求均衡器必須能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤移動(dòng)通信信道的時(shí)變特性，這種均衡器被稱為自適應(yīng)均衡器。自適應(yīng)均衡器一般包含兩種工作模式，即訓(xùn)練模式和跟蹤模式。首先，發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)已知的、定長的訓(xùn)練序列，以便接收機(jī)的均衡器可以完成正確的設(shè)置。典型的訓(xùn)練序列是一個(gè)二進(jìn)制偽隨機(jī)信號(hào)或是一串預(yù)先指定的數(shù)據(jù)位，而緊跟在訓(xùn)練序列之后被傳送的是用戶數(shù)據(jù)。接收機(jī)的均衡器將通過遞歸算法來評(píng)估信道特性，并且修正均衡濾波器的參數(shù)以對(duì)信道進(jìn)行補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)訓(xùn)練序列時(shí)，要求做到即使在最差的信道條件下，均衡器也能夠通過這個(gè)序列得到正確的濾波器系數(shù)，從而在收到訓(xùn)練序列后，均衡器的濾波系數(shù)已經(jīng)接近于最佳值。當(dāng)接收用戶數(shù)據(jù)時(shí)，均衡器通過均衡的自適應(yīng)算法不斷改變?yōu)V波特性，從而跟蹤不斷變化的信道。近年來，盲均衡在通信和信號(hào)處理領(lǐng)域受到了普遍關(guān)注，盲均衡是指均衡器能夠不借助訓(xùn)練序列，而僅僅利用所接收到的信號(hào)序列即可對(duì)信道進(jìn)行自適應(yīng)均衡，從而節(jié)省帶寬。

2、信道估計(jì)

由于無線信道有著很大的隨機(jī)性，導(dǎo)致接收信號(hào)的幅度、相位、頻率產(chǎn)生失真，從而給接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，在無線通信系統(tǒng)中，分集、信道均衡、最佳匹配接收機(jī)設(shè)計(jì)、最大似然檢測(cè)、相干解調(diào)及自適應(yīng)鏈路技術(shù)等均需要良好的信道估計(jì)的支持。因此，信道估計(jì)器是接收機(jī)中一個(gè)很重要的組成部分，信道估計(jì)也成為無線通信領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的課題。

信道估計(jì)可以定義為根據(jù)一定的估計(jì)準(zhǔn)則，盡可能準(zhǔn)確地描述出信道對(duì)輸入信號(hào)的影響。對(duì)于線形信道，信道估計(jì)就是對(duì)信道的沖擊響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)。無線通信中常用的信道估計(jì)準(zhǔn)則有最小均方誤差 (MMSE，Minimum Mean Square Error) 準(zhǔn)則和最大似然 (ML，Maximum Likelihood) 準(zhǔn)則。

信道估計(jì)算法大致可以分為兩種，一種是基于訓(xùn)練序列的估計(jì)算法，一種是盲估計(jì)算法。基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)是指接收機(jī)利用已知的信息來進(jìn)行信道估計(jì)，發(fā)射機(jī)周期性地發(fā)出接收機(jī)已知的訓(xùn)練序列，訓(xùn)練序列可以是與數(shù)據(jù)信息分離呈連續(xù)塊狀的信號(hào)，也可以均勻地插在數(shù)據(jù)信息中。

根據(jù)接收到的訓(xùn)練序列，接收機(jī)利用信道估計(jì)算法不斷更新估計(jì)信道模型的參數(shù)，并利用它來接收發(fā)射機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以用于所有的無線通信系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是訓(xùn)練序列的存在降低了信道傳輸?shù)挠行裕速M(fèi)了帶寬，從而導(dǎo)致頻譜效率的下降。另外，由于要將整幀的信號(hào)接收后才能提取出訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，帶來了不可避免的時(shí)延，因此對(duì)幀結(jié)構(gòu)要有所限制，比如當(dāng)信道的相關(guān)時(shí)間小于幀長時(shí)算法的應(yīng)用會(huì)受到限制。盲信道估計(jì)不需要訓(xùn)練序列，完全利用傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)在的信息來實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)。顯然，盲信道估計(jì)節(jié)約了帶寬，但它的算法運(yùn)算量較大、靈活性較差，因此在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)受到限制。

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