移动通信(西电第四版)第四章 抗衰落技术
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k 1 M
20
(1)选择式合并
选择式合并是指检测所有分集支路的信号, 以选 择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并 器的输出。
a t max a1 t , a 2 t , a 3 t ,
某指标
21
这种分集有M个接收机进行支路的解调， 输出信号送入选择逻辑。选择逻辑从M个 接收信号中选择具有最高基带信噪比 （SNR）的基带信号作为输出，在选择性 合并器中，加权系数只有一项为1，其余 为 0。 选择式合并又称开关式相加。这种方式方 法简单，实现容易。但由于未被选择的支 路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两 种方式。
13
(2)频率分集
由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所 遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可 以用两个以上不同的频率传输同一信息， 那么在接收端就可以得到衰落特性不相关 的信号，以实现频率分集（多路FSK）。 缺点：不仅需要占用更多的频谱资源，而 且需要有和频率分集中采用的频道数相等 的若干个接收机。
12
空间分集接收抗衰落的效果
某通信系统不采用分集接收时的中断率是P1=0.01，若采
用双重空间分集，并假设两路信号具有相同的中断率，求合
成信号的中断率？ 解：两路信号同时中断时，合成信号才会中断，所以分集 合并后的中断率是
P=P1×P2=0.0001
即中断率降低了100倍，若等效成衰落储备，相当 于避免了将微波发信机的功率从1W提高到100W。
4
4.1 分集接收
4.1.1 分集接收原理 1. 什么是分集接收 所谓分集接收，是指接收端对它收到 的多个衰落特性互相独立 ( 携带同一信息 ) 的信号进行特定的处理（ Combining ）， 以降低信号电平起伏的办法。 分集：接收多路不相关的信号并合并。 目标：对抗多径信道造成的衰落和延 时串扰。
基 站B
山丘
图 4.1 宏观分集
设基站A接收到的信号中值为mA, 基站B接收到的信号中值为mB,它们都服从对数正态分 布。 若mA> mB,则确定用基站A与移动台通信； 若mA< mB,则确定用基站B与移动台通信。
如图中，移动台在B路段运动时，可以和基站B通信；而在A路段则和基站A通信。 基站数视需要而定
合并技术通常是应用在空间分集中的。在接收 端取得M条相互独立的支路信号以后，可以通 过合并技术来得到分集增益。 一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰 落信号相加后合并输出。常用的有三种方式。
r (t ) a1r1 (t ) a2 r2 (t ) aM rM (t ) ak rk (t )
1 1 T 2 f m 2( / )
18
现有的主要分集技术
Rake接收机——时间分集 智能天线——空间角度分集 多天线阵——空间位置分集 ARQ重传——时间分集 直接序列扩频——频率分集
19
3、合并方式
接收端收到 M(M≥2) 个分集信号后，如何利用 这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。
则
2 N k t
0
Pk (rk )drk 1 e
2 N k t / k
2 Nk t / k
PM ( s t ) (1 e
k 1
M
)
如果各支路的信号具有相同的方差， 即
2 1 2 2
2
32
各支路的噪声功率也相同，即
M M
(4 - 6)
式中， 下标R表征最大比值合并方式。
24
M路信号进行加权的权重是由各路信号所对应的信号电压 与噪声功率的比值所决定的。 合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比愈大的 支路对合并后的信号贡献愈大。 最大比值合并的输出SNR等于各路SNR之和。所以，即使 当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解出时， 最大比值合并算法仍有可能合成出一个达到SNR要求的可 以被解调的信号。
26
(3) 等增益合并方式实现比较简单， 其性能接近于最大比值合并。
等增益合并器输出的信号包络为
接收机 1 ∑ 接收机 1 ∑ rk k=1
M
rE rk
k 1
M
(4 - 7)
式中， 下标E表征等增益合并。
27
同相电路
28
4.1.2 分集合并性能的分析与比较 众所周知，在通信系统中信噪比是一项很重要的 性能指标。在模拟通信系统中，信噪比决定了话音质 量； 在数字通信系统中，信噪比(或载噪比)决定了误 码率。分集合并的性能系指合并前、后信噪比的改善 程度。为便于比较三种合并方式，假设它们都满足下 列三个条件： (1) 每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关， 噪声均值为零，具有恒定均方根值； (2) 信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频 率； (3) 各支路信号的衰落互不相关， 分集：主要用于蜂窝通信系统中，也称 为“多基站”分集。这是一种减小慢衰落 影响的分集技术，其作法是把多个基站设 置在不同的地理位置上和不同方向上，同 时和小区内的一个移动台进行通信，不会 出现严重的慢衰落，使通话质量受到影响。
8
宏观分集
基站A 山丘 阴影 区 与基 站A通信 与基站B 通信
11
空间分集的接收机间隔距离d与工作波长、 地物及天线高度 有关， 在移动信道中， 通常取： 市区 d=0.5λ (4 - 1) 郊区 d=0.8λ (4 - 2) 900MHz,d=0.27m,适于车载台和笔记本电脑，不适用手机。
对空间分集而言，分集的支路数M越大，分集效果越好。 但当M较大时(如M＞3)，分集的复杂性增加，分集增益 的增加随着M的增大而变得缓慢。
17
(6)时间分集
快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即同一信 号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么 各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一 信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中 传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应 引起的信号衰落现象。为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必 须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系) (例：P135) 当移动台处于静止时，时间分集基本无作用，因为固定点对固 定点的通信在不同时刻，信道认为是恒定的。
9
微分集：是一种减小快衰落影响的分集技 术，在各种无线通信系统中都经常使用。 可以分为下列六种。
微分集
极化 分集
角度 分集
时间 分集
空间 分集
频率 分集
场分 量分集
10
(1)空间分集
空间分集，也被称为天线分集、空间位置 分集，是无线通信中使用最多的分集形式。 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性， 即在任意两个不同的位置上接收同一个信 号，只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。 空间分集技术 ———用两个以上的天线收同一个信号。
3
对慢衰落所造成的接收信号功率的波动， 通常借助“宏分集”来解决。 无线传输所面临的最大问题是信道的时变 多径衰落，克服多径衰落主要用“微分集” 来解决，这也是人们通常所说的分集技术。 抗多径衰落还常用均衡技术和差错控制编 码技术。均衡可以补偿时分信道中由于多 径效应而产生的码间干扰(ISI)。信道编码 是通过在发送信息时加入冗余的数据位来 改善通信链路的性能的。
15
(4)场分量分集
场分量分集。由电磁场理论可知，电磁波 的 E 场和 H 场载有相同的消息，而反射机 理是不同的。因此，通过接收不同的场分 量，也可以获得分集的效果。 场分量分集主要用于较低的工作频段（低 于 100M ），工作频率较高时，一般采用 空间分集结构。
16
(5)角度分集
角度分集的作法是使电波通过几个不同路 径，并以不同角度到达接收端，而接收端 利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出 不同方向来的信号分量；由于这些分量具 有互相独立的衰落特性，因而可以实现角 度分集并获得抗衰落的效果。 角度分集在较高频率时容易实现。
必须舍弃不用。显然，在选择式合并的分集接收机中，
30
只有全部M个支路的信噪比都达不到要求，才会出现通 信中断。 若第k个支路中γk＜γt的概率为Pk(γk＜γt)，则在
M个支路情况下中断概率以PM(γs＜γt)表示时，可得
PM ( s t ) Pk ( k t )
k 1
由于 (1 e t / 0 ) 的值小于1，因而在γt/γ0一定时， 分集重数M增大，可通率T随之增大。
33
图 4 – 5 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线
其中：M=1表示无分集，M=2为二重分集，M=3为三重分集，等等。由图可知， 当超过纵坐标的概率为99%时，用二重分集(M=2)和三重分集(M=3)的信噪比与无分 集(M=1)的情况相比，分别有10 dB和13 dB的增益。但是，当分集重数M＞3时，随 着M的增加，所得信噪比增益的增大越来越缓慢。因此，为了简化设备，实际中常 用二重分集或三重分集。
第四章 抗衰落技术
1
第4章 抗衰落技术
4.1 分集接收 4.2 RAKE接收 4.3 纠错编码技术 4.4 均衡技术
2
复习概述
衰落是影响通信质量的主要因素。由于多径衰 落和多普勒频移的影响，移动无线信道极其易 变，表现为快衰落（衰落速率？衰落深度？衰 落储备）。这些影响对于任何调制技术来说都 会产生很强的负面效应。 移动通信系统需要利用信号处理技术来改进恶 劣的无线电传播环境中的链路性能。 对路径传输损耗，主要靠增大发射功率，以提 高接收信号的场强来解决(不能解决深度衰落,特 别是上行链路，因为受限制于移动台的发射功 率 )。
29
4.1.2 分集合并性能的分析与比较
1. 选择式合并的性能 设第k个支路的信号功率为 第k支路的信噪比为 ，噪声功率为Nk, 可得 rk2 / 2
rk2 k 2Nk
通常，一支路的信噪比必须达到某一门限值γt，才能保 证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。如果此信 噪比因为衰落而低于这一门限时，则认为这个支路的信号
22
(2)最大比值合并
最大比值合并是一种最佳合并方式。 M个分集支路经过相位调整后， 按适当的增益系数ai（i=1,2,…,M）同相相加，再送入检测器
23
每一支路的加权系数,与信号包络(正值)成正比,而与噪 声功率成反比
rk ak Nk
由此可得最大比值合并器输出的信号包络为
(4 - 5)
rk2 rR ak rk k 1 k 1 N k
N1 N 2 N
并令平均信噪比为σ2/N=γ0，则
PM ( s t ) (1 e t / 0 ) M
由此可得M重选择式分集的可通率为
(4-15)
T PM ( s t ) 1 (1 e t / 0 ) M (4-16)
在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统 计特性是最佳的。
25
(3)等增益合并
按最大比值合并虽然性能优越，但需要 适时改变加权系数，很多情况下实现起 来比较困难。 等增益合并，这种方法也是把各支路信 号进行同相后再相加，只不过加权时各 路的权重相等，各支路的信号是等增益 相加的。
i 1
5
相对电平/dB 10 0 -10 -20
信号A 信号B 合成信号C
t
两个信号同时进入深度衰落的几率很小
图4-1 选择式分集合并示意图
分集技术主要包含两方面 如何获得独立的多路信号——分散传输 如何合并独立的多路信号——集中处理
6
分集接收是抗衰落的有效措施之一。 分集技术可以分为宏观分集和微观分集 宏观分集 ——抗阴影衰落 微观分集 ——抗多径衰落 合并技术 ——获得M个相互独立的多径信 号分量，然后对它们进行处理以获得信噪 比的改善。
14
(3)极化分集
由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰 落特性（垂直极化和水平极化），因而发 送端和接收端可以用两个位置很近但为不 同极化的天线分别发送和接收信号，以获 得分集效果。（分集支路只有两路） 优点是结构比较紧凑，节省空间，缺点是 由于发射功率分配到两副天线上，信号功 率将有3 dB的损失。
M
γk≤γt，即
r / 2 N k ， t或
2 k
rk 2 N k t
因此
PM ( s t ) Pk ( rk 2 N k t )
k 1
31
M
设rk的起伏服从瑞利分布，即
p k ( rk )
可得
rk
2 k
e
2 rk2 /( 2 k )
Pk (rk 2 N k t )
20
(1)选择式合并
选择式合并是指检测所有分集支路的信号, 以选 择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并 器的输出。
a t max a1 t , a 2 t , a 3 t ,
某指标
21
这种分集有M个接收机进行支路的解调， 输出信号送入选择逻辑。选择逻辑从M个 接收信号中选择具有最高基带信噪比 （SNR）的基带信号作为输出，在选择性 合并器中，加权系数只有一项为1，其余 为 0。 选择式合并又称开关式相加。这种方式方 法简单，实现容易。但由于未被选择的支 路信号弃之不用，因此抗衰落不如后述两 种方式。
13
(2)频率分集
由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所 遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可 以用两个以上不同的频率传输同一信息， 那么在接收端就可以得到衰落特性不相关 的信号，以实现频率分集（多路FSK）。 缺点：不仅需要占用更多的频谱资源，而 且需要有和频率分集中采用的频道数相等 的若干个接收机。
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空间分集接收抗衰落的效果
某通信系统不采用分集接收时的中断率是P1=0.01，若采
用双重空间分集，并假设两路信号具有相同的中断率，求合
成信号的中断率？ 解：两路信号同时中断时，合成信号才会中断，所以分集 合并后的中断率是
P=P1×P2=0.0001
即中断率降低了100倍，若等效成衰落储备，相当 于避免了将微波发信机的功率从1W提高到100W。
4
4.1 分集接收
4.1.1 分集接收原理 1. 什么是分集接收 所谓分集接收，是指接收端对它收到 的多个衰落特性互相独立 ( 携带同一信息 ) 的信号进行特定的处理（ Combining ）， 以降低信号电平起伏的办法。 分集：接收多路不相关的信号并合并。 目标：对抗多径信道造成的衰落和延 时串扰。
基 站B
山丘
图 4.1 宏观分集
设基站A接收到的信号中值为mA, 基站B接收到的信号中值为mB,它们都服从对数正态分 布。 若mA> mB,则确定用基站A与移动台通信； 若mA< mB,则确定用基站B与移动台通信。
如图中，移动台在B路段运动时，可以和基站B通信；而在A路段则和基站A通信。 基站数视需要而定
合并技术通常是应用在空间分集中的。在接收 端取得M条相互独立的支路信号以后，可以通 过合并技术来得到分集增益。 一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰 落信号相加后合并输出。常用的有三种方式。
r (t ) a1r1 (t ) a2 r2 (t ) aM rM (t ) ak rk (t )
1 1 T 2 f m 2( / )
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现有的主要分集技术
Rake接收机——时间分集 智能天线——空间角度分集 多天线阵——空间位置分集 ARQ重传——时间分集 直接序列扩频——频率分集
19
3、合并方式
接收端收到 M(M≥2) 个分集信号后，如何利用 这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。
则
2 N k t
0
Pk (rk )drk 1 e
2 N k t / k
2 Nk t / k
PM ( s t ) (1 e
k 1
M
)
如果各支路的信号具有相同的方差， 即
2 1 2 2
2
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各支路的噪声功率也相同，即
M M
(4 - 6)
式中， 下标R表征最大比值合并方式。
24
M路信号进行加权的权重是由各路信号所对应的信号电压 与噪声功率的比值所决定的。 合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比愈大的 支路对合并后的信号贡献愈大。 最大比值合并的输出SNR等于各路SNR之和。所以，即使 当各路信号都很差，使得没有一路信号可以被单独解出时， 最大比值合并算法仍有可能合成出一个达到SNR要求的可 以被解调的信号。
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(3) 等增益合并方式实现比较简单， 其性能接近于最大比值合并。
等增益合并器输出的信号包络为
接收机 1 ∑ 接收机 1 ∑ rk k=1
M
rE rk
k 1
M
(4 - 7)
式中， 下标E表征等增益合并。
27
同相电路
28
4.1.2 分集合并性能的分析与比较 众所周知，在通信系统中信噪比是一项很重要的 性能指标。在模拟通信系统中，信噪比决定了话音质 量； 在数字通信系统中，信噪比(或载噪比)决定了误 码率。分集合并的性能系指合并前、后信噪比的改善 程度。为便于比较三种合并方式，假设它们都满足下 列三个条件： (1) 每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关， 噪声均值为零，具有恒定均方根值； (2) 信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频 率； (3) 各支路信号的衰落互不相关， 分集：主要用于蜂窝通信系统中，也称 为“多基站”分集。这是一种减小慢衰落 影响的分集技术，其作法是把多个基站设 置在不同的地理位置上和不同方向上，同 时和小区内的一个移动台进行通信，不会 出现严重的慢衰落，使通话质量受到影响。
8
宏观分集
基站A 山丘 阴影 区 与基 站A通信 与基站B 通信
11
空间分集的接收机间隔距离d与工作波长、 地物及天线高度 有关， 在移动信道中， 通常取： 市区 d=0.5λ (4 - 1) 郊区 d=0.8λ (4 - 2) 900MHz,d=0.27m,适于车载台和笔记本电脑，不适用手机。
对空间分集而言，分集的支路数M越大，分集效果越好。 但当M较大时(如M＞3)，分集的复杂性增加，分集增益 的增加随着M的增大而变得缓慢。
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(6)时间分集
快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即同一信 号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么 各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一 信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中 传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应 引起的信号衰落现象。为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必 须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系) (例：P135) 当移动台处于静止时，时间分集基本无作用，因为固定点对固 定点的通信在不同时刻，信道认为是恒定的。
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微分集：是一种减小快衰落影响的分集技 术，在各种无线通信系统中都经常使用。 可以分为下列六种。
微分集
极化 分集
角度 分集
时间 分集
空间 分集
频率 分集
场分 量分集
10
(1)空间分集
空间分集，也被称为天线分集、空间位置 分集，是无线通信中使用最多的分集形式。 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性， 即在任意两个不同的位置上接收同一个信 号，只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。 空间分集技术 ———用两个以上的天线收同一个信号。
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对慢衰落所造成的接收信号功率的波动， 通常借助“宏分集”来解决。 无线传输所面临的最大问题是信道的时变 多径衰落，克服多径衰落主要用“微分集” 来解决，这也是人们通常所说的分集技术。 抗多径衰落还常用均衡技术和差错控制编 码技术。均衡可以补偿时分信道中由于多 径效应而产生的码间干扰(ISI)。信道编码 是通过在发送信息时加入冗余的数据位来 改善通信链路的性能的。
15
(4)场分量分集
场分量分集。由电磁场理论可知，电磁波 的 E 场和 H 场载有相同的消息，而反射机 理是不同的。因此，通过接收不同的场分 量，也可以获得分集的效果。 场分量分集主要用于较低的工作频段（低 于 100M ），工作频率较高时，一般采用 空间分集结构。
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(5)角度分集
角度分集的作法是使电波通过几个不同路 径，并以不同角度到达接收端，而接收端 利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出 不同方向来的信号分量；由于这些分量具 有互相独立的衰落特性，因而可以实现角 度分集并获得抗衰落的效果。 角度分集在较高频率时容易实现。
必须舍弃不用。显然，在选择式合并的分集接收机中，
30
只有全部M个支路的信噪比都达不到要求，才会出现通 信中断。 若第k个支路中γk＜γt的概率为Pk(γk＜γt)，则在
M个支路情况下中断概率以PM(γs＜γt)表示时，可得
PM ( s t ) Pk ( k t )
k 1
由于 (1 e t / 0 ) 的值小于1，因而在γt/γ0一定时， 分集重数M增大，可通率T随之增大。
33
图 4 – 5 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线
其中：M=1表示无分集，M=2为二重分集，M=3为三重分集，等等。由图可知， 当超过纵坐标的概率为99%时，用二重分集(M=2)和三重分集(M=3)的信噪比与无分 集(M=1)的情况相比，分别有10 dB和13 dB的增益。但是，当分集重数M＞3时，随 着M的增加，所得信噪比增益的增大越来越缓慢。因此，为了简化设备，实际中常 用二重分集或三重分集。
第四章 抗衰落技术
1
第4章 抗衰落技术
4.1 分集接收 4.2 RAKE接收 4.3 纠错编码技术 4.4 均衡技术
2
复习概述
衰落是影响通信质量的主要因素。由于多径衰 落和多普勒频移的影响，移动无线信道极其易 变，表现为快衰落（衰落速率？衰落深度？衰 落储备）。这些影响对于任何调制技术来说都 会产生很强的负面效应。 移动通信系统需要利用信号处理技术来改进恶 劣的无线电传播环境中的链路性能。 对路径传输损耗，主要靠增大发射功率，以提 高接收信号的场强来解决(不能解决深度衰落,特 别是上行链路，因为受限制于移动台的发射功 率 )。
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4.1.2 分集合并性能的分析与比较
1. 选择式合并的性能 设第k个支路的信号功率为 第k支路的信噪比为 ，噪声功率为Nk, 可得 rk2 / 2
rk2 k 2Nk
通常，一支路的信噪比必须达到某一门限值γt，才能保 证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。如果此信 噪比因为衰落而低于这一门限时，则认为这个支路的信号
22
(2)最大比值合并
最大比值合并是一种最佳合并方式。 M个分集支路经过相位调整后， 按适当的增益系数ai（i=1,2,…,M）同相相加，再送入检测器
23
每一支路的加权系数,与信号包络(正值)成正比,而与噪 声功率成反比
rk ak Nk
由此可得最大比值合并器输出的信号包络为
(4 - 5)
rk2 rR ak rk k 1 k 1 N k
N1 N 2 N
并令平均信噪比为σ2/N=γ0，则
PM ( s t ) (1 e t / 0 ) M
由此可得M重选择式分集的可通率为
(4-15)
T PM ( s t ) 1 (1 e t / 0 ) M (4-16)
在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落统 计特性是最佳的。
25
(3)等增益合并
按最大比值合并虽然性能优越，但需要 适时改变加权系数，很多情况下实现起 来比较困难。 等增益合并，这种方法也是把各支路信 号进行同相后再相加，只不过加权时各 路的权重相等，各支路的信号是等增益 相加的。
i 1
5
相对电平/dB 10 0 -10 -20
信号A 信号B 合成信号C
t
两个信号同时进入深度衰落的几率很小
图4-1 选择式分集合并示意图
分集技术主要包含两方面 如何获得独立的多路信号——分散传输 如何合并独立的多路信号——集中处理
6
分集接收是抗衰落的有效措施之一。 分集技术可以分为宏观分集和微观分集 宏观分集 ——抗阴影衰落 微观分集 ——抗多径衰落 合并技术 ——获得M个相互独立的多径信 号分量，然后对它们进行处理以获得信噪 比的改善。
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(3)极化分集
由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰 落特性（垂直极化和水平极化），因而发 送端和接收端可以用两个位置很近但为不 同极化的天线分别发送和接收信号，以获 得分集效果。（分集支路只有两路） 优点是结构比较紧凑，节省空间，缺点是 由于发射功率分配到两副天线上，信号功 率将有3 dB的损失。
M
γk≤γt，即
r / 2 N k ， t或
2 k
rk 2 N k t
因此
PM ( s t ) Pk ( rk 2 N k t )
k 1
31
M
设rk的起伏服从瑞利分布，即
p k ( rk )
可得
rk
2 k
e
2 rk2 /( 2 k )
Pk (rk 2 N k t )