第4章抗衰落技术

2．最大比合并
设每个支路的噪声功率为σ2，则可以证明：
当
ai

ri 2
后输出为
时，合并后的信噪比达到最大，合并
M

Ti2ri

1
2
M
ri2
i1
i1
从上式可以看出，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。在具体实现时，需要实时测量出每个 支路的信噪比，以便及时对增益系数进行调整。
4.1 抗衰落技术概述
在移动通信系统中,发送的信号经过反射、散射等传播路 径，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的 信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形 成多径衰落，如下图4-1。
图4-1 移动信道中典型的衰落信号
4.1 抗衰落技术概述
在移动通信信道中，除了多径衰落还有阴影 衰落。
基本思想：
利用多条传输相同信息且具有近似相等的 平均信号强度和相互独立衰落特性的信号 路径，并在接收端对这些信号进行适当的 合并，以便大大降低多径衰落的影响，从 而改善传输的可靠性。
1．空间分集 （Space Diversity）
发射端采用一副发射天线，接收端采用多 副天线。接收端天线之间的距离d应足够大， 保证各接收天线输出信号的衰落特性相互 独立。
（2）搜索器结构与搜索策略
图4-15 分集路径合并原理框图
3．RAKE接收的工程实现
（3）搜索器的三种工作状态 ① 初始搜索。 ② 解调中的搜索。 ③ 更换切换搜索。
3．RAKE接收的工程实现
（4）IS-95中移动台RAKE接收 ① 上面介绍的基站RAKE是属于上行（反向）
以避免频率复用引起的同频干扰。 利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同
频干扰离散化，亦即减少同频干扰的重合次 数，从而减少同频干扰的影响。
2．跳频技术
（3）跳频抗衰落 跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。 跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔大
于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间 内的信号相互独立。换句话说，在不同的载 波频率上同时发生衰落的可能性很小。
2．RAKE接收机的支路的 合并技术
根据在接收端使用合并技术的位置不同，可 以分为检测前合并技术和检测后合并技术。
图4-13 空间分集的合并
3．RAKE接收的工程实现
（1）IS-95中基站RAKE接收的总体实现方案
图4-14 IS-95中基站RAKE接收总体框图
3．RAKE接收的工程实现
利用这一点，在发送端同一地点分别装上 垂直极化天线和水平极化天线，就可得到 两路衰落特性不相关的信号。
2．极化分集 （Polarization Diversity）
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。
优点：结构比较紧凑，节省空间。 缺点：由于发射功率要分配到两幅天线上，
4.2.4 RAKE接收机
1．RAKE接收机的定义 RAKE接收机就是通过多个相关检测器接收多径信号中的
各路信号，并把它们合并起来。 CDMA系统中的RAKE接收机如图4-12 所示。
图4-12 RAKE接收原理实现框图
1．RAKE接收机的定义
RAKE接收机利用相关检测器检测出多径信 号中最强的M个支路信号，然后对每个 RAKE支路的输出进行加权合并，以提供优 于单支路信号的接收信噪比，然后再在此基 础上进行判决。
1．选择式合并
M个接收机的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。
1．选择式合并
图4-4 选择式合并的原理
1．选择式合并
令Γ为每个支路的平均信噪比，则可以证明：选择
式合并的平均输出信噪比为

s

M

k 1
1 k
该式表明每增加一条分集支路，它对输出信噪比的 贡献仅为总分集支路数的倒数倍。其合并增益为
4.2 分集接收技术
4.2.1 分集技术的基本概念及方法 4.2.2 分集信号的合并技术 4.2.3 分集系统的性能 *4.2.4 RAKE接收机 *4.2.5 隐分集技术
4.2.1 分集技术的基本概念 及方法
分集技术（Diversity Techniques）就是 研究如何利用多径信号来改善系统的性能。
1．空间分集 （Space Diversity）
对于空间分集而言，分集的支路数M越大， 分集的效果越好。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。
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。
本章提示
为了提高移动通信系统的性能，采用分集、 信道均衡和信道编码三种技术来改善接收信 号质量。这三种技术的共同特点，都是如何 适应信道的衰落，时延扩展和信道的时间特 性。而交织技术则是改变信道特性以解决由 于突发干扰而造成成串误码的问题。
第4章 抗衰落技术
4.1 抗衰落技术概述 4.2 分集接收技术 *4.3 均衡基本概念
3．直接序列扩频技术
（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。
3．直接序列扩频技术
（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
1．空间分集 （Space Diversity）
空间分集的原理如图4（Space Diversity）
在移动通信中，空间的间距越大，多径传 播的差异就越大，所收场强的相关性就越 小。
为获得相同的相关系数，基站两分集天线 之间垂直距离应大于水平距离。
信号功率将有3dB的损失。
3．角度分集 （Angle Diversity）
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。
4．频率分集 （Frequency Diversity）
1．选择式合并
图4-5 分集合并后的平均信噪比改善程度
2．最大比合并
M个分集支路经过相位调整后，按适当的增益系 数同相相加（检测前合并），再送入检测器，如 图4-6所示 。
图4-6 最大比合并的原理
2．最大比合并
合并后信号的包络为
M
a i ri
i1
式中，ri为第i条支路的信号振幅；ai为第i条 支路的增益系数。
第4章 抗衰落技术
本章提示
衰落是移动通信信道的基本特征。多径传 播使接收信号不仅多普勒频移和几十分贝 的深度衰落，而且有数微秒的时延差。这 些影响会造成传输性能的下降和严重的码 间干扰（ISI），使数字信号误码率增加。
阴影效应和气象条件的变化会造成信号幅 度的降低和相位变化。这都是移动信道独 有的特性，它将影响移动通信系统的接收 性能。
将要传输的信息分别以不同的载频发射出去， 只要载频之间的间隔足够大（大于相干带 宽），那么在接收端就可以得到衰落特性不 相关的信号。
优点：与空间分集相比，减少了天线的数目。
缺点：要占用更多的频谱资源，在发射端需 要多部发射机。
5．时间分集 （Time Diversity）
对于一个随机衰落的信号来说，如果对其振 幅进行顺序取样，那么在时间上间隔足够远 (大于相干时间)的两个样点是互不相关的。
根据在接收端使用合并技术的位置不同， 可以分为检测前合并技术和检测后合并技 术。
4.2.2 分集信号的合并技术
图4-3 空间分集的合并
4.2.2 分集信号的合并技术
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） 开关式合并（Switching Combining）
图4-7 同相调整电路
三种合并技术的比较
图4-5 分集合并后的平均信噪比改善程度
从图中可以看出在三种合并方式中，最大比值合并平均信噪比 改善最多，其次是等增益合并，最差是选择式合并。
4．开关式合并
图4-8 开关式合并示意图
当本支路的瞬时包络低于预定门限时，将天线开关 置于另一个支路上。优点是：仅使用一套接收设备。
时间分集——将给定的信号在时间上相差一 定的间隔重复传输M次，就可以得到M条独 立的分集支路。
5．时间分集 （Time Diversity）
由于相干时间与移动台运动速度成反比，因 此当移动台处于静止状态时，时间分集基本 上是没有用处的。
4.2.2 分集信号的合并技术
在接收端取得M条相互独立的支路信号以后， 可以通过合并技术得到分集增益。
1．交织编码技术
交织编码的目的是把一个较长的突发差错离 散成随机差错，再用纠正随机差错的编码 （FEC）技术消除随机差错。
以线性分组码为例，先将k位信息编成具有t 位纠错能力的n位码字的分组码(n，k，t)， 再将其编码码字序列构成交织编码矩阵。
2．跳频技术
数字移动通信中采用跳频技术抗多径、抗干 扰和抗衰落。
气象条件等的变化也都影响信号的传播，使 接收到的信号的幅度和相位发生变化。
为了提高移动通信系统的性能，分集、均衡 和信道编码这三种技术在用来改进接收信号 质量时，既可单独使用，也可组合使用。
1．分集技术
分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通 常要通过两个或更多的接收天线来实现。