抗多径衰落技术

第4章抗多径衰落技术

4.1 简介

分集接收就是采用几个信号的合成来提高系统的抗多径性能。数字系统经常采用时间分集－交织技术来提高抗衰落性能。另外在数字系统中，也采用信道均衡的方法，来减少多径的影响。因此我们要详细讨论这种系统。

4.2分集接收

在第三章中我们讨论了各种建筑物和其它障碍物对天线信号的反射，由于接收波间的互调，使天线上的信号产生多径衰落。在城市密密麻麻的建筑区中，这种衰落更加严重。在这些地区，信号包络在短距离时遵循瑞利分布，而在长距时遵循标准正态分布。多径接收技术可减少这种衰落。在理论上多径接收技术既适用于基站也适用于移动站。虽然要解决不同的问题。多径接收的基本构思是这样的：如果我们采集两个或更多不相干的信号样值，那么这些样值会以不相干的方式衰落。也就是说这些信号同时低于给定电平的概率要远低于独立信号低于该电

平的概率。同时低于给定电平的M个样值的概率为p M,p为单个样值低于给定

电平的概率。这可以看出，一个合适的不同样值的合成信号可以有比单个信号小的多径衰落。

分集接收的基本思想是：将接收到的多径信号分离成不相干（独立）的多路信号，然后将这些多路信号的能量按照一定的规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪功率比，对数字系统而言，使误码率最小。这样分集接收技术应包括两个方面：（1）如何把接收的多径信号分离出来，使其互不相关；（2）将分离出的多径信号怎样合并起来，获的最大的信噪比。

4.3分集技术的分类

（1）依分集的目的可分为：宏观（macroscoptic）分集和微观(microscoptic)分集

宏观分集是以抗长期衰落为目的。信号强度随移动发射机与基站接收机间地形的变化而改变。如果只使用一个天线，由于山陵等地势的变化而导致在特定地理方向移动单元发出的信号到不了接收机，因此两个不同位置的天线就可以接收两个信号然后合成以减少远端衰落。在宏观多径中我们推荐使用选择合成技术。因为其它方法要求同相合成，而这一点在接收机相距很远时是很难实现的。在短波通信系统中，经常使用宏观多径以减少电离衰落的影响。在蜂窝系统和PCS系统中当信号强度变弱时通过改变话筒到蜂窝的位置来实现这一功能。

微观的分集是以抗短期衰落为目的。它使用在同一位置的两个或多个天线。但这些天线对从接收机来的信号利用不同。

(2)依信号的传输方式可分为显分集和隐分集

显分集：构成明显分集信号的传输方式，多指利用多付天线接收信号的分集。

隐分集：分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集，隐分集只需一付天线来接收信号的分集，因此在数字移动通信中得到

了广泛应用。

（3）依获得独立路径信号的方法可分为：

1、空间分集：两个相距为d 的天线能提供两个相关系数很小的衰落信号。总的来说距离d 随高度h 和频率而变。频率越高两天线的距离d 越近。一般几个波长就足以获得不相干信号。

2、 频率分集：被连续带宽B c 隔开的两个频率的接收信号是不相关的。

3、极化分集：通过基站的两个极化天线发射，然后，移动单元通过两个极化天线接收的垂直和水平极化分量E E x y 和能产生两个不相关的衰落信号。极化分集能产生3dB 衰落，其原因就是能量必须分到两个不同的极化天线。

4、 角度分集：当工作频率≥10GHz 时，从发射机到接收机的散射信号产生从不同方向来的接收信号互不相关。这样在同一位置指向不同的方向两个或更多的有向天线能向合成器提供信号。这种方案在移动站比基站更经济。因为从本地建筑物和植被散射比从那麽高的天线容易的多。

5、 时间分集：如果在不同的时间段发射相同的信号，接收信号将是互不相干的。这种系统必须工作于衰落与接收机移动无关的环境中。在移动通信中移动单元在任何位置都处于停顿状态，也就是说均值很小或由衰落构成。虽然在移动单元静止时衰落仍然发生但延时信号是相关的，所以时间分集不会减小衰落。

4.4显分集合成方法

1、 信号合并准则

（1） 合并信号的表达式

设分集重数为L ，则合并的信号的表示为：

)(...)()()(2211t s k t s k t s k t s L L +++=

其中i k 为加权系数，L i ...,3,2,1,0=。选择不同的加权系数就形成了不同的合并方法。

（2） 信号合并准则

1〕 最大信噪比准则

2〕 眼图最大张开度准则

3〕 误码率最小准则

2、 最大信噪比准则下的信号合并方法

（1） 选择性合并

选择性合并方法是在多支路（子信道）接收信号中，选择信噪比最高的支路的信号作为输出信号。

（2） 切换合并

切换合并的方法与选择性合并的方法不同之处在于：选择性合并法的选择逻辑是对支路信号进行比较，取最大者为输出信号；切换合并法需设置门限电平，其选择逻辑是将一支路信号与门限电平比较，当低于此电平时，发生切换，接收另一支路，若所有支路都低于门限电平时，停止切换，进入保持状态。

（3） 最大比合并

每一支路有一个加权（放大器增益），加权的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。

（4）等增益合并

当最大比合并中的加权系数为1时，就是等增益合并。

3、

a-

4．5 多径信号的分离和合并

4．5．1多径信号分离和合并的概念

1、多径分集的特点

多径分集的概念是基于多径信号的时间延迟扩展：如果接收的多径信号可以分离的话，可以设法只收主路径的信号，或者将分离的多径信号合并起来，以增加有用信号的能量，这就是多径信号的分离和合并，其目的在于减少延迟扩展引起的符号间干扰。

但是通常接收的多径信号时延差很小且是随机的，叠加后的多径信号一般很难分离，而只有特定设计的信号才可以进行分离，这种信号即扩频信号。分离的手段是相关接收。

2、多径信号分离与合并的关键技术

（1）多径信号分离与信号设计

多径信号分离的基础是采用直接扩展频谱信号。对于直扩序列的码片（chip）宽度为Tc的系统，所能分离的最小路径时延差为Tc。并且所采用的直扩序列信号的自相关性和互相关性要好。

（2）多径合并与合并准则

多径合并是指：接收端对多径信号检测获得的多个相互独立的峰值包络，并对多个峰值进行采样，再以适当的方式合并这些采样值。

多径合并准则有：①第一路径准则，②最强路径准则，③检测后积分准则，

④等增益合并准则，⑤最大比合并准则，⑥自适应合并准则。具体采用何种

准则应依电波传播环境、系统性能要求等而定。

4.5.2 Rake接收机

1958年,R.PRICE和P。E。GREEN提出一种解决多径的方法。这种方法是先使用宽带伪随机序列调制，再使用其它调制方法（FM或AM）的接收机。伪随机序列具有与延时无关的特性。这样用伪随机序列的延时不同来对接收信号进行互