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反相对称法的原理分析与实验验证

崔云斌  
【摘要】: 早在1948年,香农就导出了信道容量公式并证明了香农定理。香农信息论自创立至今已历经了整整60年。在香农信息论的指引下,经典通信理论和通信技术得到了飞速的发展。特别是在数据压缩、差错控制和扩频通信等领域,香农信息论起到了重要的推动作用。 但是,香农信息论是建立在单用户(SISO)系统和加性高斯白噪声(AWGN)基础上的,香农信道容量公式也是在这种条件下导出的,当噪声幅度非高斯分布或噪声功率谱非均匀分布时,香农公式将不能直接运用。 如今,随着移动通信和网络通信技术的发展,通信系统已经由当时的以AWGN和SISO为主发展成了以非高斯噪声和多用户(MIMO)系统为主。而非高斯噪声具有一定的相关性,从而使信道具有潜在的传信率。因此对噪声相关性的研究和利用就成了一个重要课题。 反相对称法(Phase-Inversion Symmetric Method,PISM)就是利用相邻信道噪声的相关性来抑制噪声的一种简单而有效的方法。近年来该方法在时域、频域和空域中获得了应用,但它的基本原理尚不完善,对噪声相关性的研究还有待进一步的深入。 本文通过对PISM内在机理的研究,阐明了它的基本原理,建立了较为完整的理论体系,为PISM的推广应用提供了理论依据。主要内容如下: 1.论述了相邻信道噪声的相关性,给出了相关系数的测试方法,并从测试结果中得到了以下三点结论。 ①相邻频带噪声的相关系数随着带宽的减小而增大。 ②相邻空间噪声的相关系数随着距离的减小而增大。 ③恒参信道中噪声的相关系数基本不随时间变化。 2.论述了实际信道容量的问题。阐明了香农信道容量是在AWGN条件下导出的。当信道中的噪声不是高斯噪声时,实际信道容量将会大于香农信道容量。从而为PISM能使传信率超过香农信道容量提供了理论依据。 3.分别对PISM在频域、时域和空域中的应用进行了理论分析和验证。 ①对基于PISM的DSB系统进行了分析,并通过仿真证实了该系统的信噪比增益可高达30dB以上。 ②对2FSK系统的误码率与信噪比的关系进行了仿真,发现其误码率低于经典理论值。通过理论分析发现它就是PISM在频域中的一种应用,可以有效地利用相邻频带噪声的相关性来抑制噪声。 ③对时域PISM的系统模型进行了数学论证,计算出了在带限AWGN条件下相邻时隙噪声的相关系数β≈0.167,该系统的信噪比增益G≈3.1。仿真结果与理论计算结果基本吻合。经典理论认为β=0,G=2,与仿真结果不符。 ④对空域PISM进行了论述,给出了基于PISM的分集接收方法。 4.通过与传统方法的比较论证,阐述了PISM的优越性。


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