第4章 抗衰落技术
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移动通信抗衰落技术
OFDM在移动通信抗衰落中的应用摘要：针对移动通信信道的衰落，人们提出了许多解决方法。
OFDM是其中比较好的一种，文章简要论述了一下OFDM的基本原理，求出子载频正交的条件，并考察了OFDM在频域中的特点。
最后论述了OFDM在应用中的优缺点。
关键词：抗衰落OFDM原理优缺点移动通信信道是一个非常恶劣的通信环境，其中既有噪声、干扰也存在衰落，这三个方面的因素对移动通信系统的性能都会产生一定的负面影响，而其中衰落时我们最为关注的因素，因为衰落时移动信道的基本特性，信号在传输过程中会有信号的反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，导致信号产生衰落，从而降低了信号的传输质量。
移动通信要得以实现也必须有相应的技术来克服这些因素的影响。
一般而言，提高移动通信系统性能的技术有：分集、均衡和信道编码。
分集是抗衰落的主要技术，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，如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码间干扰，并且调制信号将会展宽。
而接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿。
若信道不理想，在已调信号频带上很那保持理想传输特性时，会造成信号的严重失真和码间串扰。
为了解决这个问题，除了采用均衡器外，途径之一就是采用多个载波，将信道分成许多子信道。
将基带马援均匀分散地对每个子信道的载波调制。
假设有10个子信道，若每个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道的带宽也随之减小为1/10。
若子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服。
随着要求传输的码元速率不断提高，传输带宽也越来越宽，今日多媒体通信的信息传输速率已经到达若干Mb/s，并且移动通信的传输信道可能是在大城市中多径衰落严重的无线信道。
为了解决这个问题，并行调制的体制再次受到重视，正交频分复用（OFDM）就是在这种形势下得到发展的。
OFDM也是一类多载波并行调制的体制。
为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠。
第四章 抗衰落技术
3
素有关。在移动通信中，通常取： 市区 d=0.5λ 郊区：d=0.8λ 满足上式的条件下， 两信号的衰落相关性已很弱了； d 越大， 相关性就越弱。 例如，在 900MHz 的频段工作时，两副天线的间隔约为 0.27m。 天线的间隔， 可以垂直间隔也可以水平间隔， 但垂直间隔分集性能较差。 在空间分集中，天线 N 越大，分集效果越好，但是分集与不分集差异很 大，属于质变；而分集增益正比于分集天线数，一般当 N 大于 3 时，增 益改善不再明显，且随着 N 增大而逐步减少，属于量变。然而 N 的增 大意味着设备复杂度的增大，所以在工程上要在性能与复杂度之间做一 折中，一般取 N＝2～4 即可。 2．极化分集 （1）概念 利用天线水平与垂直极化方向上的正交性能来实现分集功能的， 即利用极化 的正交性来实现衰落的不相关性。 电磁波的极化方向可分为水平极化和垂直极化，这两种极化波是正交的，利 用这一点，在发送端分别装上两副距离很近但极化方向不同的天线分别发送信 号，就可得到两路衰落特性不相关的信号，在接收端同样用两副距离很近但极化 方向不同的天线来接收这两路不相关的衰落信号，就可获得分集的效果。 极化分集可看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两副天线（二重分集 情况） ，但它仅仅利用了不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短 了天线之间的距离，在工程上常常将两副天线集成于一副天线内实现。从外观看 上去只是一副天线。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：在移动时变信道中，极化正交性很难保证，且发送端的功率要 分配给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失 3dB。 3．角度分集 （1）概念 由于地形地貌和建筑物等环境的不同， 到达接收端的不同路径的信号可能来
最大比合并
照总信噪比最大化的 原则 将 M 重分集支路按 等权值相加
素有关。在移动通信中，通常取： 市区 d=0.5λ 郊区：d=0.8λ 满足上式的条件下， 两信号的衰落相关性已很弱了； d 越大， 相关性就越弱。 例如，在 900MHz 的频段工作时，两副天线的间隔约为 0.27m。 天线的间隔， 可以垂直间隔也可以水平间隔， 但垂直间隔分集性能较差。 在空间分集中，天线 N 越大，分集效果越好，但是分集与不分集差异很 大，属于质变；而分集增益正比于分集天线数，一般当 N 大于 3 时，增 益改善不再明显，且随着 N 增大而逐步减少，属于量变。然而 N 的增 大意味着设备复杂度的增大，所以在工程上要在性能与复杂度之间做一 折中，一般取 N＝2～4 即可。 2．极化分集 （1）概念 利用天线水平与垂直极化方向上的正交性能来实现分集功能的， 即利用极化 的正交性来实现衰落的不相关性。 电磁波的极化方向可分为水平极化和垂直极化，这两种极化波是正交的，利 用这一点，在发送端分别装上两副距离很近但极化方向不同的天线分别发送信 号，就可得到两路衰落特性不相关的信号，在接收端同样用两副距离很近但极化 方向不同的天线来接收这两路不相关的衰落信号，就可获得分集的效果。 极化分集可看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两副天线（二重分集 情况） ，但它仅仅利用了不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短 了天线之间的距离，在工程上常常将两副天线集成于一副天线内实现。从外观看 上去只是一副天线。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：在移动时变信道中，极化正交性很难保证，且发送端的功率要 分配给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失 3dB。 3．角度分集 （1）概念 由于地形地貌和建筑物等环境的不同， 到达接收端的不同路径的信号可能来
最大比合并
照总信噪比最大化的 原则 将 M 重分集支路按 等权值相加
思考题与习题
第4章 抗衰落技术
思考题与习题
1.分集技术如何分类？在移动通信中采用了哪几种分集 接收技术？
2.对于DPSK信号，采用等增益合并方式，4重分集相对 于3重分集，其平均误码率能降多少？
3.为什么说扩频通信起到了频率分集的作用,而交织编码 起到了时间分集的作用?RAKE接收属于什么分集？
4.试画出（2，1）卷积编码器的原理图。假定输入的信 息序列为01101（0为先输入），试画出编码器输出的序列。
第4章 抗衰落技术
5.Turbo编码器中，交织器的作用是什么？它对译码器的 性能有何影响？
6.cdma2000系统中的Turbo码与WCD-25 所 示 的 Turbo 码 编 码 器 中 ， 如 果 输 入 序 列 为 {111000111010110} ， 经 过 交 织 后 的 序 列 为 {010110111010101}，试给出码率分别为1/2、1/3、1/4和1/5的 输出符号序列。
12.在GSM系统中，应用均衡器后性能的改善程度如 何？试举例说明。
第4章 抗衰落技术
图4-41 一个两抽头的自适应均衡器
第4章 抗衰落技术
9.自适应均衡可以采用哪些最佳准则？ 10.RLS算法与LMS算法的主要异同点是什么？ 11.假定一个移动通信系统的工作频率为900mHz，移动 速度v=80km/h，试求： （1）信道的相干时间； （2）假定符号速率为24.3ks/s，在不更新均衡器系数的 情况下，最多可以传输多少个符号？
第4章 抗衰落技术
8.假定有一个两抽头的自适应均衡器如图4-41所示。 （1）求出以w0、w1和n表示的MSE表达式； （2）如果n>2，求出最小MSE； （3）如果w0=0,w1=-2和n=4样点/周期，MSE是多少？ （4）如果参数与(3)中相同，
思考题与习题
1.分集技术如何分类？在移动通信中采用了哪几种分集 接收技术？
2.对于DPSK信号，采用等增益合并方式，4重分集相对 于3重分集，其平均误码率能降多少？
3.为什么说扩频通信起到了频率分集的作用,而交织编码 起到了时间分集的作用?RAKE接收属于什么分集？
4.试画出（2，1）卷积编码器的原理图。假定输入的信 息序列为01101（0为先输入），试画出编码器输出的序列。
第4章 抗衰落技术
5.Turbo编码器中，交织器的作用是什么？它对译码器的 性能有何影响？
6.cdma2000系统中的Turbo码与WCD-25 所 示 的 Turbo 码 编 码 器 中 ， 如 果 输 入 序 列 为 {111000111010110} ， 经 过 交 织 后 的 序 列 为 {010110111010101}，试给出码率分别为1/2、1/3、1/4和1/5的 输出符号序列。
12.在GSM系统中，应用均衡器后性能的改善程度如 何？试举例说明。
第4章 抗衰落技术
图4-41 一个两抽头的自适应均衡器
第4章 抗衰落技术
9.自适应均衡可以采用哪些最佳准则？ 10.RLS算法与LMS算法的主要异同点是什么？ 11.假定一个移动通信系统的工作频率为900mHz，移动 速度v=80km/h，试求： （1）信道的相干时间； （2）假定符号速率为24.3ks/s，在不更新均衡器系数的 情况下，最多可以传输多少个符号？
第4章 抗衰落技术
8.假定有一个两抽头的自适应均衡器如图4-41所示。 （1）求出以w0、w1和n表示的MSE表达式； （2）如果n>2，求出最小MSE； （3）如果w0=0,w1=-2和n=4样点/周期，MSE是多少？ （4）如果参数与(3)中相同，
第4章抗干扰和衰落技术
LOGO
典型的智能天线系统示意图
接收/下行转换
A/D
y0 ( t ) y1 (t )ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制部分 w0 w1
接收/下行转换
A/D
∑
r (t )
产生误差 信号 自适应 算法
解调
d (t )
接收/下行转换
A/D
y M 1 (t )
wM 1
天线阵列
波束成型网络
LOGO 智能天线技术也是3G中的一项非常重要的技术。智能天 线包括两个重要组成部分：一是对来自移动台发射的多径 电波方向进行入射角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制 其他移动台的干扰；二是对基站发送信号进行波束形成， 使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移 动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。 DOA是指无线电波到达天线阵列的方向。 在每个天线阵元后端，有一个加权系数，所有的加权系数 合在一起构成的向量即为阵列加权向量。阵列加权向量是 与信号到达方向有关的一个向量，天线阵列各阵元的信号 通过加权，可以调整天线的接收方向图，因此可以认为阵 列加权向量是移动台位置的函数。
LOGO
时间分集
时间分集利用一个随机衰落信号，当取样点的时 间间隔足够大时，两个样点间的衰落是统计上互 不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异 来实现抗时间选择性衰落的功能。 时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收 天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增 大了开销，降低了传输效率。
LOGO
内环和外环
LOGO
RAKE接收
RAKE接收不同于传统的空间、频率与时间分集 技术，它是一种典型的利用信号统计与信号处理 技术将分集的作用隐含在被传输的信号之中，因 此又称它为隐分集或带内分集。 作用：通过多个相关检测器接收多径信号中的各 路信号，并把它们合并在一起。由于在多径信号 中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以 通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。 理论基础：当传播时延超过一个码片周期时，多 径信号实际上可被看作是互不相关的。
移动通信第四章抗衰落技术
S(
D) D g(D)
L
CL1DL1
...
C1D
C0
生成多项式的选择不是任意的， 它必须使得生成的校验 序列有很强的检错能力。 常用的几个L阶CRC生成多项式为：
CRC-16(L=16)： g(D)=D16+D15+D2+1 CRC-32(L=32)： g(D)= D32+D26+D23+D22+D16+D12+D11+D10
具有检错能力
一. 纠错编码
如果纠错编码可以纠正t个错码，检测e个错码（t<e）， 则： • 当接收码组在纠错能力范围之内：
按纠错方式工作 • 当接收码组在纠错能力范围之外，检错能力范围之内：
按检错方式工作
二. 常用的纠错编码：
▪ 奇偶校验码、CRC校验: 常用的检错码。
▪ 卷积码：主要可以纠随机差错，也具有一定 的纠正突发差错的能力。
得到：C(D)
S(D) ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱL
Remainder
g(D)
S(D) DL
C(D) Remainder
g(D)
D23 D21 D20 D18 D17 D16
Remainder
D16 D15 D2 1
(D7 D6 D4 D3 D)(D16 D15 D2 1) D9 D8 D7 D5 D4 D
第四章 抗衰落技术
二. 分集方式和方法 移动通信中有两类分集方式：
1. 宏分集
主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分 集。
其做法是把多个基站设置在不同的地理位置上 （如蜂窝小区的对角上）和在不同方向上，同时 和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中 信号最好的一个基站通信）。
4、抗衰落技术
图4-3 空间分集的合并
25
4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
• 对于具体的合并技术来说，通常有4类： 选择式合并（Selective Combining）、最 大比合并（Maximum Ratio Combing）、 等增益合并（Equal Gain Combining）和 开关式合并（Switching Combining）。
移 动 通 信 原 理
18
2．极化分集（Polarization Diversity）
• 在移动环境下，两个在同一地点极化方 向相互正交的天线发出的信号呈现出不 相关衰落特性。 • 极化分集实际上是空间分集的特殊情况， 其分集支路只有两路。
移 动 通 信 原 理
19
3．角度分集（Angle Diversity）
23
4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
• 根据在接收端使用合并技术的位置不同， 可以分为检测前（Predetection）合并技 术和检测后（Postdetection）合并技术， 如图4-3所示。这两种技术都得到了广泛 的应用
24
4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
• （1）直接序列扩频抗多径的原理是：当 发送的直接序列扩频信号的码片（chip） 宽度Tc小于或等于最小多径时延差时， 接收端利用直扩信号的自相关特性进行 相关解扩后，将有用信号检测出来，从 而具有抗多径的能力。
50
3．直接序列扩频技术
移 动 通 信 原 理
Hale Waihona Puke • （2）直接序列扩频抗干扰 • 直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外部干 扰的原理，也是利用直扩信号的自相关 特性，经相关接收和窄带通滤波后，将 有用信号检测出来，而那些窄带干扰和 多址干扰都处理为背景噪声。其抗干扰 的能力可用直接序列扩频处理增益来表 征。
[工学]移动通信第四章抗衰落技术详细
![[工学]移动通信第四章抗衰落技术详细](https://img.taocdn.com/s3/m/549e5f104b73f242326c5f1e.png)
目标： －－对抗多径造成的衰落和延时串扰
技术： －－如何获得独立多径信号 －－如何合并获得独立多径信号
本质： －－对同一信号在不同空间/频率/极化/时间的过 取样
6
4.1 分集接收
分集的两重含义 一是分散传输，是接收端能获得多个统计独立的、携 带同一信息的衰落信号；二是集中处理，接收机将收 到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的 影响。
（2,1,4）卷积编码。 卷积码在CDMA/IS-95系统也得到广泛应用。 例如 在前向和反向信道，系统都使用了约束长 度K=9的编码器。
利用天线阵的波束赋性产生多 个独立的波束并自适应的调整 波束方向来跟踪每一个用户
形成方向图在不同的方向上给 予不同的增益,可以提高接收 信号的信噪比,从而提高系统 的容量
可以将频率相近但空间可分离 的信号分离开
15
分集技术
4.1 分集接收
智能天线
提高SINR改善通信质量 增加系统容量提高用户数量 提高频谱利用率 扩大通信覆盖区域 降低基站发射功率 自动跟踪用户信号位置定位 减小用户发射功率提高电池寿命
最大信噪比准则等。
21
4.1 分集接收
从分集信号中以什么方式作为输出？
M
S(t) msm (t) m1
选择式合并：选择最好的支路作为输出， 其它支路丢弃。
等增益合并：调整各个支路的相位，使之 同相，然后进行等增益相加。
最大比合并：调整各个支路的相位，使之 同相，然后按照各个支路的信噪比数值进 行加权相加。
如果S=0,则R是一个码字；若S 0,则传输一定有错。
由于 S RHT (C e)HT CHT eHT eHT
可见伴随式仅与错误图样有关，与发送的具体码字 无关；(n , k)线性码对接收码字的译码步骤如下： ① 计算伴随式 ST=HRT ; ② 根据伴随式捡出错误图样e； ③ 计算发送码字的估值 Cˆ R e
技术： －－如何获得独立多径信号 －－如何合并获得独立多径信号
本质： －－对同一信号在不同空间/频率/极化/时间的过 取样
6
4.1 分集接收
分集的两重含义 一是分散传输，是接收端能获得多个统计独立的、携 带同一信息的衰落信号；二是集中处理，接收机将收 到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的 影响。
（2,1,4）卷积编码。 卷积码在CDMA/IS-95系统也得到广泛应用。 例如 在前向和反向信道，系统都使用了约束长 度K=9的编码器。
利用天线阵的波束赋性产生多 个独立的波束并自适应的调整 波束方向来跟踪每一个用户
形成方向图在不同的方向上给 予不同的增益,可以提高接收 信号的信噪比,从而提高系统 的容量
可以将频率相近但空间可分离 的信号分离开
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分集技术
4.1 分集接收
智能天线
提高SINR改善通信质量 增加系统容量提高用户数量 提高频谱利用率 扩大通信覆盖区域 降低基站发射功率 自动跟踪用户信号位置定位 减小用户发射功率提高电池寿命
最大信噪比准则等。
21
4.1 分集接收
从分集信号中以什么方式作为输出？
M
S(t) msm (t) m1
选择式合并：选择最好的支路作为输出， 其它支路丢弃。
等增益合并：调整各个支路的相位，使之 同相，然后进行等增益相加。
最大比合并：调整各个支路的相位，使之 同相，然后按照各个支路的信噪比数值进 行加权相加。
如果S=0,则R是一个码字；若S 0,则传输一定有错。
由于 S RHT (C e)HT CHT eHT eHT
可见伴随式仅与错误图样有关，与发送的具体码字 无关；(n , k)线性码对接收码字的译码步骤如下： ① 计算伴随式 ST=HRT ; ② 根据伴随式捡出错误图样e； ③ 计算发送码字的估值 Cˆ R e
第四章抗衰落技术
12
合并问题
合并问题
–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。
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
假设M个输入信号电压为r1(t)， r2(t), …， rM(t)， 则合并器输出电压 r(t)为
M
r(t) a 1 r 1 (t) a 2 r 2 (t) a M r M (t)a kr k(t)
k 1
式中， ak为第k个信号的加权系数。
选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。
13
合并方式
合并方式
– 选择式合并 – 最大比值合并 – 等增益合并
选择式合并
– 检测所有分集支路的信号，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。
– 在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。
M
rE rk
式中， 下标E表征等增益合并方式
k 1
优点：实现简单，性能接近于最大比值合并
17
分集合并性能的分析与比较
性能指标
– 信噪比
分集合并性能指标
– 分集合并前后信噪比的改善程度
三种合作方式性能比较的假设条件
– 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 ，
– 信号幅度的衰落速率 – 各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。
号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即
ak
rk Nk
由此可得最大比值合并器输出的信号包络为
rR
M
akrk
k1
M k1
rk2 Nk
式中， 下标R表征最大比值合并方式。
16
等增益合并
抗衰落技术
抗衰落技术在微波通信中，收信机的接收电平会发生变化，有时会降低到接收门限电平以下而导效通信中断。
这是由于电被在传播中，发生了各种各样的衰落的缘故。
衰落是影响微波进信传输质量的一个重要因素。
衰落的大小与气候条件、站距的长短有关。
衰落的持续时间长短不一，有的衰落持续的时间程想，只有儿沙忡，这种让我你为快是然:有的就燕持体的时间没长，可快儿分钱甚至几小时，这就是慢衰落。
因多经传播而造成的衰落被称为频率选择性衰落。
衰落的出现将使收信机的接收电平起伏变化，显然慢衰落和下衰落对微波通信将产生较大影响，尤其是下衰落中的接收电平任于收信机门限电平的深衰落，将导致通信信号的中断。
微被传播中的软落现象给中维传输带来了不利影响，所以人们在研究电波传播统计规律的基础上提出了各种对付电波装品的技术指施，即抗衰落技术。
(一)空间分集空间分集分为空间分集发信和空间分集接收两种系统，通常使用空间分集接收方式即在接收晚安装几副高度不同的天线，利用电磁波到达各接收天线的不同行程来减少或消除衰落的影响。
这种方法通常应用在微波干线上。
(二)频率分集利用两个成两个以上具有一定频率间隔的微频率问时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响，这种工作方式叫做频率分集。
备用波道工作就属于频本分集方式。
(三)自适应均衡技术高性能的敷学微波信道往往把空间分集和自适应均衡技术配合使用，以最大限度地减少通信中断时间。
自适应均衡技术有频城自适应和时城自适应之分。
(1自适均衡器。
这种均街器是一个诺振频率/和网路值可变的中预请报电路。
用该中频谐振电路产生的与多径衰落造成的幅频特性相反的特性，去抵消带内振福偏差，使带内失真减至最小。
当电波衰落的结果使干涉波与直射波的时延差非常大时，可能造成接收机的输人频诺中有两个凹陷点，这时再用这种只有一个诺振电路的频城自适应均衡器就无法补偿其幅频特性了，而必须采用能适应时间变化的时城自适应均衡器。
(2衡器。
时自适应衡器的方案很多，常使用加在基带电路中的横向滤波器式均衡器。
移动通信——抗衰落技术
目录抗衰落技术 (2)一、概述 (2)1）引起衰落的原因 (2)2）抗衰落技术的种类 (2)二、分集接收技术 (2)1）基本思想 (3)2）适用范围 (3)3）如何实现自身的功能 (3)（1）时间分集 (3)（2）空间分集 (4)（3）频率分集 (5)4）各分集技术之间的优缺点 (5)三、合并技术 (5)1）基本思想： (5)2）适用范围： (6)3）如何实现自身的功能： (6)四、均衡技术 (6)1）基本思想 (6)2）适用范围 (7)3）如何实现自身的功能 (7)五、信道编码技术 (7)1）信道编码技术产生的原因与作用 (7)2）信道编码技术的基本思想及优缺点 (8)3）适用范围 (8)4）信道编码技术及功能的实现 (8)（1）分组码 (9)（2）卷积码 (9)（3）Turbo码 (10)（4）交织 (10)（5）伪随机序列扰码 (11)六、扩频技术 (11)1）基本思想 (12)2）适用范围 (12)3）如何实现自身的功能 (12)（1）直接序列扩频与解扩的原理 (12)（2）跳频扩频通信系统 (12)抗衰落技术一、概述衰落对传输信号的质量和传输可靠度都有很大的影响，严重的衰落甚至会使传播中断，随着移动通信技术的发展，传输的数据速率越来越高，人们对信号正确有效地接收的要求也越来越重要，在移动通信中，移动信道的多径传播、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移会使接收信号产生严重衰落；阴影效应会使接收的信号过弱而造成通信中断；信道存在的噪声和干扰也会使接收信号失真而造成误码；为了改善和提高接收信号的质量，在移动通信中就必须使用到抗衰落技术。
1）引起衰落的原因的也是最重要的衰落成因。
多条射线的产生，可能是由于地面、大气不均匀层或天线附近的地形地物的反射，也可能是由于电离层多次反射、电离层中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现。
多径干涉形成的衰落通常称为多径衰落或干涉型衰落。
非正常衰减发生时，接收信号电平低于正常值，从而形成衰落。
第四章抗衰落技术
Mobile Communication Theory
11
1. 选择合并
F(x)－ x的关系如图4.8所示。
Mobile Communication Theory
Mobile Communication Theory
8
4.2.1 常用的分集合并技术
在下面的讨论中假设：
① 每支路的噪声与信号无关，为零均值、功率恒定的加性 噪声。 ② 信号幅度的变化是由于信号的衰落，其衰落的速率比信 号的最低调制频率低许多。 ③ 各支路信号相互独立，服从瑞利分布，具有相同的平均 功率。
Mobile Communication Theory
4
4.1.1 宏 观 分 集
Mobile Communication Theory
5
4.1.1 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。
f t 1 t f1 t 2 t f 2 t M t f M t k t f k t
M
k t 其中，f k t 为第k支路的信号， 为第k支路信号的加权因子。
k 1
信噪比的改善和加权因子有关，对加权因子的选择方式不 同，形成 3种基本的合并方式：选择合并、最大比值合并 和等增益合并。
Mobile Communication Theory
10
1. 选择合并
由于M个分集支路的衰落是互不相关的，所有支路 的ξk（k=1，2，…,M）同时小于某个给定值x的概 率为
《抗衰落技术总汇》课件
《抗衰落技术总汇》PPT 课件
欢迎阅读《抗衰落技术总汇》PPT课件，本课件将带您深入了解衰落技术及其 对通信系统的影响，以及各种抗衰落技术的应用与发展趋势。
什么是衰落？
衰落是指信号在传输过程中因信号的幅值、相位、频率等参数变化而引起的信号强度的衰减或变化的现 象。
衰落对通信的影响
1 信号质量下降
衰落会导致信号的强度 变弱，从而影响通信质 量，增加误码率和丢包 率。
2 传输速率下降
衰落增加了信道的噪声 和干扰，降低了通信系 统的传输速率。
3 信号延迟增加
衰落还会导致信号经过 多次反射或绕射而产生 多路径传播，增加信号 的传播延迟。
抗衰落技术
信道编码技术
通过添加冗余码来 增强信号的抗干扰 能力，如卷积码和 纠正码。
5
频率选择和频率再使用
选择合适的频率带宽和频率再使用方案，减小频率选择性衰落。
应用举例
移动通信
抗衰落技术广泛应用于移动通 信，提高信号的稳定性和通信 质量。
无线数据通信
无线数据通信需要抗衰落技术 来保证数据传输的可靠性和速 率。
卫星通信
卫星通信面临多路径传播和频 率选择性衰落，抗衰落技术能 提高通信效果。
衰落环境下通信系统的优化
1
功率控制
通过动态调整传输功率，实现信号质量的优化。
2
编码技术的选择
根据衰落环境的特点选择合适的编码技术，提高信号的抗干扰能力和纠错能力。
3
天线配置和天线策略
合理配置天线，选用适当的天线策略，提高信号的接收和发送性能。
4
调度算法的优化
通过优化调度算法，合理分配资源，提高系统的容量和性能。
发展趋势
5 G网络
5G技术将进一步提高抗衰落 能力，在更复杂的衰落环境 下实现更可靠的通信。
欢迎阅读《抗衰落技术总汇》PPT课件，本课件将带您深入了解衰落技术及其 对通信系统的影响，以及各种抗衰落技术的应用与发展趋势。
什么是衰落？
衰落是指信号在传输过程中因信号的幅值、相位、频率等参数变化而引起的信号强度的衰减或变化的现 象。
衰落对通信的影响
1 信号质量下降
衰落会导致信号的强度 变弱，从而影响通信质 量，增加误码率和丢包 率。
2 传输速率下降
衰落增加了信道的噪声 和干扰，降低了通信系 统的传输速率。
3 信号延迟增加
衰落还会导致信号经过 多次反射或绕射而产生 多路径传播，增加信号 的传播延迟。
抗衰落技术
信道编码技术
通过添加冗余码来 增强信号的抗干扰 能力，如卷积码和 纠正码。
5
频率选择和频率再使用
选择合适的频率带宽和频率再使用方案，减小频率选择性衰落。
应用举例
移动通信
抗衰落技术广泛应用于移动通 信，提高信号的稳定性和通信 质量。
无线数据通信
无线数据通信需要抗衰落技术 来保证数据传输的可靠性和速 率。
卫星通信
卫星通信面临多路径传播和频 率选择性衰落，抗衰落技术能 提高通信效果。
衰落环境下通信系统的优化
1
功率控制
通过动态调整传输功率，实现信号质量的优化。
2
编码技术的选择
根据衰落环境的特点选择合适的编码技术，提高信号的抗干扰能力和纠错能力。
3
天线配置和天线策略
合理配置天线，选用适当的天线策略，提高信号的接收和发送性能。
4
调度算法的优化
通过优化调度算法，合理分配资源，提高系统的容量和性能。
发展趋势
5 G网络
5G技术将进一步提高抗衰落 能力，在更复杂的衰落环境 下实现更可靠的通信。
移动通信的抗衰落与技术
2018/9/8
13
角度分集(Angle diversity)
角度分集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。 这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可实 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。
2018/9/8
7
分集的分类
按“分”划分，即按照接收信号样值的结构与统 计特性，可分为空间、频率、时间三大基本类型 ； 按“集”划分，即按集合、合并方式划分，可分 为选择合并、等增益合并与最大比值合并； 若按照合并的位置可分为射频合并、中频合并与 基带合并，而最常用的为基带合并； 分集还可以划分为接收端分集、发送端分集以及 发/收联合分集。即多入/多出(MIMO)系统；
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3
第五章 抗衰落技术
5.1 分集 5.2 编码 5.3 均衡
2018/9/8
4
分集
分集技术是一项典型的抗衰落技术，它可以大大提高多 径衰落信道下的传输可靠性。 空间分集技术早已成功应用于模拟的短波通信与模拟移 动通信系统，对于数字式移动通信，特别是第二代移动 通信，分集技术有了更加广泛的应用。 在GSM系统的上行链路基站端，广泛采用二重空间分 集接收。在IS-95系统中，除上行采用二重空间分集 接收以外，上下行链路均采用隐分集形式的RAKE接收 ，另外在小区软切换中也利用RAKE接收的宏分集。
2018/9/8
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空间分集（space diversity）
空间分集是利用不同接收地点(空间)位置的不同，利用不同 地点接收到信号在统计上不相关性，即衰落性质上的不一样， 实现抗衰落的性能。 在空间分集中，由于在接收端采用了N副天线，若它们尺寸、 形状、增益相同，那么空间分集除了可以获得抗衰落的分集增 益以外，还可以获得由于设备能力的增加而获得的设备增益， 比如二重空间分集的两套设备，可获3dB设备增益。 接收天线间隔d，与工作波长、地物及天线高度有关，在移动 信道中通常取 ： 0.5波长（市区） 0.8波长（郊区） 在900MHz的频段工作时，两副天线的间隔只需0.27m。
(完整版)分集合并技术
在极化分集中，由于射频功率分给两个不同的极化天 线， 因此发射功率要损失 3 dB。
第4章 抗衰落技术
(4) 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。例如，一个散 射体反射E波和H波的驻波图形相位差90°，即当E波为最 大时，H波为最小。在移动信道中，多个E波和H波叠加， 结果表明EZ、HX和HY的分量是互不相关的，因此，通过接 收三个场分量，也可以获得分集的效果。场分量分集不要 求天线间有实体上的间隔， 因此适用于较低工作频段(例如 低于100MHz)。当工作频率较高时(800~900MHz)，空间分 集在结构上容易实现。
集中处理：接收机把收到的多个统计独立的衰落 信号进行合并（包括选择与组合）以降低衰落 的影响。
第4章 抗衰落技术
2. 分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式： 一类称 为“宏分集”；另一类称为“微分集”。 “宏分集”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(如蜂窝小区 的对角上)和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台 进行通信(可以选用其中信号最好的一个基站进行通信)。
第4章 抗衰落技术
(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， 所以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。
极化分集可以看成空间分集的一种特殊情况，它也要 用两副天线(二重分集情况)，但仅仅是利用不同极化的电 磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。
(1) 选择式合并。选择式合并是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。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数 只有一项为1，其余均为0。
第4章 抗衰落技术
(4) 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。例如，一个散 射体反射E波和H波的驻波图形相位差90°，即当E波为最 大时，H波为最小。在移动信道中，多个E波和H波叠加， 结果表明EZ、HX和HY的分量是互不相关的，因此，通过接 收三个场分量，也可以获得分集的效果。场分量分集不要 求天线间有实体上的间隔， 因此适用于较低工作频段(例如 低于100MHz)。当工作频率较高时(800~900MHz)，空间分 集在结构上容易实现。
集中处理：接收机把收到的多个统计独立的衰落 信号进行合并（包括选择与组合）以降低衰落 的影响。
第4章 抗衰落技术
2. 分集方式 在移动通信系统中可能用到两类分集方式： 一类称 为“宏分集”；另一类称为“微分集”。 “宏分集”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(如蜂窝小区 的对角上)和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台 进行通信(可以选用其中信号最好的一个基站进行通信)。
第4章 抗衰落技术
(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， 所以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。
极化分集可以看成空间分集的一种特殊情况，它也要 用两副天线(二重分集情况)，但仅仅是利用不同极化的电 磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。
(1) 选择式合并。选择式合并是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。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数 只有一项为1，其余均为0。
第4章抗衰落和链路性能增强技术
强技术
电子信息工程系通信技术教研室
扩频通信技术
4.2 分集技术
4.2.1 分集技术原理 1. 什么是分集 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， 以降低信号电平起伏的办法。
电子信息工程系通信技术教研室
扩频通信技术
– 作用
➢提高通信的抗干扰能力，即使系统在强干扰条 件下也能安全可靠地通信
电子信息工程系通信技术教研室
扩频通信技术
4.5 扩频通信
– 基本原理
➢扩频：用一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机 码（PN码）对信息数据进行调制
➢解扩：将接收到的扩展频谱信号与一个和发端 PN完全相同的本地码相关检测
✓ 收到的信号与本地PN相匹配时，信号恢复到其扩展前 的原始带宽
电子信息工程系通信技术教研室
扩频通信技术
存入顺序
第1排 C11
读 第2排 C21
出 顺
第3排
C31
序
C12 C22 C32
C13 C23 C33
C14 C24 C34
C15 C25 C35
C16 C26 C36
C17 C27 C37
… … … … … … … …
第m排
Cm1
Cm2
Cm3
Cm4
Cm5
为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性 的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为 若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新 的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。
电子信息工程系通信技术教研室
扩频通信技术 表4-3 GSM的训练序列
电子信息工程系通信技术教研室
扩频通信技术
4.615 ms 时隙1 时隙2 时隙3 时隙4 时隙5 时隙6 时隙7 时隙8
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4.2 分集技术
4.2.1 分集技术原理 1. 什么是分集 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， 以降低信号电平起伏的办法。
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– 作用
➢提高通信的抗干扰能力，即使系统在强干扰条 件下也能安全可靠地通信
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4.5 扩频通信
– 基本原理
➢扩频：用一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机 码（PN码）对信息数据进行调制
➢解扩：将接收到的扩展频谱信号与一个和发端 PN完全相同的本地码相关检测
✓ 收到的信号与本地PN相匹配时，信号恢复到其扩展前 的原始带宽
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扩频通信技术
存入顺序
第1排 C11
读 第2排 C21
出 顺
第3排
C31
序
C12 C22 C32
C13 C23 C33
C14 C24 C34
C15 C25 C35
C16 C26 C36
C17 C27 C37
… … … … … … … …
第m排
Cm1
Cm2
Cm3
Cm4
Cm5
为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性 的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为 若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新 的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。
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扩频通信技术 表4-3 GSM的训练序列
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扩频通信技术
4.615 ms 时隙1 时隙2 时隙3 时隙4 时隙5 时隙6 时隙7 时隙8
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3.角度分集
由于地形地貌和建筑物等 环境的不同，到达接收 端的不同路径的信号可 能来自于不同的方向， 在接收端，采用方向性 天线，分别指向不同的 信号到达方向，则每个 方向性天线接收到的多 径信号是不相关的。 相关天线阵列：d<1/2 波长 >> c
4.频率分集
传输的信息以不同的载频发射出去，两 个频率成分具有相互独立的衰落特性。 条件：f2-f1 >> Bc 频率分集的优点是，与空间分集相比， 减少了天线的数目。 缺点是，要占用更多的频谱资源，在发 射端需要多部发射机。
rmr k rk
k 1
M
3．等增益合并
在最大比合并中，实时改变αi是比较困
难的，通常希望αi为常量，取αi=1就是 等增益合并。
衰 落 信 号
接收机1 相位调整
r1 r2
1 1 2 1
r 1 r2
req
接收机2 相位调整
图 4.12
二重分集等增益合并
4.开关式合并
常用分集技术
分集技术的实质对传输信号进行过取样
空间分集技术——用2个以上的天线收同一个信号
频率分集技术——用2个以上的载波频率传输
时间分集技术——在不同时间接收同一个信号 极化分集——接收垂直和水平极化信号
A
d/f /t/p
1.空间分集
空间分集的原理如图4.2所示。 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。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离 为d的天线，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：
如何获得独立多路信号 如何合并独立多路信号
本质:对同一信号在不同时间/空间/频率 的过采样.
分集技术分类
宏观分集(抗长期衰落) 分集的目的 微观分集(抗短期衰落) 显分集 交织和编码技术 信号传输方式 隐分集调频技术 直接序列扩频技术 分集技术 空间位置分集(多天线，宏分集) 空间角度分集(智能天线) 获得多路信号的方式时间分集(T Tc ) 频率分集(调频或DSSS) 极化分集
第四章 抗衰落技术
主要内容
内容概述 分集接收 信道编码 均衡技术
4.1抗衰落技术的概述
1.引入抗衰落技术的原因： 阴影衰落 多径衰落 气象等条件的变化也影响信号的传播 2.常用的抗衰落技术 分集接收技术 均衡技术 信道编码技术
4.2 分集技术
分集概念: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 技术----两方面
发脉冲 收主信号
时延扩展
信道的时延扩展
延时后合成输出
4.2.5 隐分集技术
概念：隐含在信号传输方式中的分集技术，
接收端通过信号处理技术实现分集
包括：
交织编码技术，抗深衰落、抗突发干扰 跳频技术，抗多径，抗衰落、抗干扰 直接序列扩频技术，抗多径，抗衰落和干扰
交织编码技术
目的：把一个较长的突发差错离散成随随机差错，再
1. 选择合并
衰 落 信 号
接收机 1 前端电路
1 2
最大功率 判决
s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
接收机 1 前端电路
图 4.6
二重分集的选择合并
在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比 最高的一路输出，这相当于在M个系数S(t)中， 只有一个等于1，其余的为0。
2. 最大比值合并
在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相， 然后相加。这样合并器输出信号的包络为
4.2.2 分集合并技术
合并信号的表达式信号 信号合并准则 最大信噪比准则 眼图最大张开度准则 误字率最小准则 分类：
S (t ) kl sl (t )
l 1
接收信号强度
L 1
信号1
信号2
t
1）根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前 (predetection)合并技术和检测后(postdetection)合并技术 2）对于具体的合并技术来说，通常有四类，即选择式合并 (selecti)、最大比合并(maximum)、等增益合并(equal gain combining)和开关式合并(switching)。
5 .时间分集
信号强度
t0
t1t2 t3...
时间
多径的每一径时延 不同，进行多径分 离合并---RAKE接 收机
重发时间大于信道 的相关时间 --ARQ技术 用信道相关时间设
信号强度
快衰落
时间
慢衰落
计交织编码的深度。
现有的主要分集技术
Rake接收 --- 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 跳扩频 --- 频率分集+时间(隐分集) 直接序列扩频 --- 频率分集(隐分集)
利用纠正随机差错的编码技术消除随机误差
原因：深度衰落，较长时间人为干扰，大自然突发噪
声
写出 写入
交织器结构：
交织深度 交织深度越大， 抗突发差错能力越强
a1 a2 an b b b 2 n 1 m1 m2 mn
市区 郊区
d=0.5λ d=0.8λ
在满足上式的条件下，两信号的衰落相关性已很弱；d 越大， 相关性就越弱。
1.空间分集
由上式可知，在900MHz的频段工作时，两 副天线的间隔也只需0.27m.
2.极化分集
极化分集实际上是空间分集的特殊情况， 其分集支路只有两路。 这种方法的优点是结构比较紧凑，节省 空间；缺点是由于发射功率要分配到两 副天线上，信号功率将有3dB的损失。
检测前二重开关 式合并框图 其优点是仅使用 一套接收设备。
合并的性能比较
合并方法的比较
合并准则的比较
4.2.4 Rake接收机原理
R.Price和P.E.Green在1958年提出 通过RAKE接收机实现时间分集
3Tc
主信号扩频码
接收信号 时延扩展信号 本地相关信号 相关输出信号
+