2019最新第4章 抗衰落技术 41 抗衰落技术概述42 分集接收技术43 均衡基本概念数学

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。理论和实 践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角 度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相 独立的衰落特性。据此，微分集可分为六种：
1，空间分集 2，极化分集 重点1 3，角度分集 4，频率分集
5，时间分集 6，场分量分集
1，空间分集：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，d越大，两信号的衰落相 关性越小，在移动信道中，通常取：
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
分集技术研究如何利用多径信号来改善系 统的性能。
分集有两重含义：一是分散传输，使接收 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，以尽可 能降低衰落的影响，改善传输的可靠性。
2，最大比值合并：是最佳合并方式，为
书写简便，每一支路信号包络rk(t)用 rk 表示， 每一支路的加权系数ak与 rk 成正比，与噪声 功率Nk成反比
ak

rk Nk
最大比值合并实质是按信噪比加权，由
此可得最大比值合并输出的信号包络为
a1
接收机1
a2
∑
M rk2
k 1 N k
接收机2
最大比值合并方式示意图
在数字化移动通信系统中，衡量分集的效 果是误码率，下表列出了三种合并方式下 DPSK系统的误码率较无分集（M=1）时的比 较。由表可见，误码率的改善同样以最大比值 合并为最好，选择式合并最差
4.2.4 RAKE接收机
1．RAKE接收机的定义 RAKE接收机通过多个相关检测器接收多径信
号进行合并以改善信号的信噪比。是分集接收技术的 集中体现，接收机原理如下图所示：
(3) 各支路信号的衰落互不相关，彼此独立
用改善因子表示平均信噪比的改善，即分 集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接 收机的平均信噪比改善的分贝数(dB)
选择式合并及开关式合并的平均信噪比改 善因子随分集重数(M)增大而增大， 但增大速 率较小
DS (M ) S


6，场分量分集：电磁波的E场和H场载有 相同的消息，但反射机理不同，在移动通信中， Ez Hx Hy三个分量互不相关，可以通过接收 这三个场分量获得分集效果，场分量分集不要 求天线间的空间间隔，因此主要用于较低的工 作频段，如低于100MHz。当工作频率较高， 如800-900MHz时，空间分集很容易实现， 没有必要使用三副天线进行场分量分集
0


10
lg
M k 1
1 k
wenku.baidu.com
(dB)
最大比值合并的信噪比改善因子随分集 重数的增大而成正比地增大
DR(M ) R 0 10lg M (dB)
等增益合并的信噪比改善因子为
(dB)
三种合并方式的平均载噪比改善因子与 分集重数的关系曲线图见下页：
-
图 4
11 瑞 利 衰 落 中 有 无 分 集 时 误 码 性 能
为进行简化的比较，我们把开关式合并看 作是选择式合并的一种，只比较三种合并方式， 并且假设三种合并方式都满足下列条件： (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 (2) 信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调
分集接收示意图：A与B代表同一来源的 两个独立衰落信号，选择式合并法分集接收 只选择其中相对较强者
相 对 电 平 /dB 10
C
信 号A 信 号B 合 成 信 C号
0 t
－ 10 B A
－ 20
重点1 蜂窝移动通信系统的分集方式分为 宏分集和微分集两类：宏分集也称多基站分集， 是把多个基站设置在不同的地理位置和不同方 向上，如小区的对角上，同时和小区内的一个 移动台进行通信，或选用其中信号最好的一个 基站通信。显然，只要在各个方向上的信号传 播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现 严重的慢衰落(基站天线的架设可以防止这种情 况发生)，这种办法就能保持通信不会中断，是 一种减小慢衰落影响的分集技术
由于无须损耗3dB的辐射功率，场分量分 集和空间分集都优于极化分极，
作业 W4-1，移动通信系统有那些分集方式?
4.2.2 分集信号的合并技术
接收端收到多路相互独立的分集信号后， 可以 通过合并技术得到分集增益，合并技术研究如何合并 以减小衰落的影响。
根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以 分为检测前合并和检测后合并，这两种技术都得到了 广泛的应用
市区 d=0.5λ
郊区 d=0.8λ
在900MHz系统中，两副天线的间隔只需 0.27m 在小汽车顶部安装这样两副天线并不困难， 因此空间分集不仅适用于基站，也可用于移动台
空间分集的支路数M 越大，分集的效果 越好。但当M >3 时，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：由于两个不同极化的电磁 波具有独立的衰落特性，发送端和接收端可以 用两个不同极化方向的天线分别发送和接收信 号，以获得分集效果
4.2.3 分集系统的性能
信噪比是通信系统重要的性能指标。模拟系统 的信噪比决定话音质量；数字系统的信噪比决定误 码率。分集系统的性能即指分集前后信噪比的改善 程度。
使用分集接收会使数字系统的误码率得到明显 改善，以16kpbs速率的信号实验结果为例：若要求 千分之一的误码率，使用选择性分集，可以降低 12dB的信噪比要求，所以基站一般均采用二重空间 分集接收，可获得10dB左右的分集增益，相关的实 验曲线见下页：
接收端为减小衰落的影响，一般使用线性 合并器，把输入的M个独立衰落信号相加输出
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) a1r1(t) a2r2 (t) aM rM (t) akrk (t)
k 1
式中，ak为第k个信号的加权系数，选择
分集的缺点是要占用更多的频谱资源，而且需
要多部发射机和接收机。
5，时间分集：将同一信号间隔一定 的时间重复传输，只要时间间隔大于相干 时间，各次发送信号所出现的快衰落将是 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
时间分集可用于克服移动信道中由多 普勒效应引起的信号衰落。
式（4-1）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
å Gs=
<
s >
=
M1 k=1 k
（4-2）
如果使用检测前合并方式，则选择 在天线输出端进行，从M个天线输出中 选择一个最好的信号，再经过一部接收 机就可以得到合并后的基带信号。
选择式合并方法简单， 实现容易。 但由于未被选择的支路信号弃之不用， 抗衰落效果不如后两种方式
不同的加权系数，即构成不同的合并方式，主 要有四种：选择式合并，最大比值合并，等增 益合并和开关式合并
1，选择式合并：如下图所示，将M个接收机的
输出信号送入选择逻辑，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。即在上式中，加权 系数只有一项为1，其余均为0
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
各支路的信号等增益相加，实现比较简单，合
并增益和输出的信号包络分别为：
< GE >
=<
E >
=
1+
(M -
1) π 4
（4-8）
接收机1
M
∑
M
rk
k 1
rE rk
接收机2
k 1
对于最大比合并和等增益合并，可以在 发射信号中插入导频的方式，在接收端通过提 取导频的相位信息来实现同相相加。也可以采 用下图所示同相调整电路来实现同相相加。
分集技术用于补偿信道衰落，通常通过 两个或更多的接收天线来实现。分集技术有多 种，主要可分为两大类：显分集和隐分集。基 站和移动台的接收机都可以应用分集技术。
均衡技术用于补偿时分信道中由于多径 效应而产生的码间干扰，以便支持高数据率通 信。
信道编码用于检错和纠错，通过在发送 信息时加入冗余的数据位来降低通信链路的误 码率
极化分集由于仅仅利用两电磁波的不同极 化方向，因而可大大缩短两天线间的距离，但 由于射频功率要分给两不同的极化天线，这会 导致3dB的射频功率损失
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，采用方向性尖锐的天线，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，具有互相独立 的衰落特性，因而可以实现角度分集，获得抗 衰落的效果
4，频率分集：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，
实现频率分集。根据相关带宽的定义：
Bc

1
2
式中Δ为延时扩展，在市区中Δ=3μs，
可算得相关带宽为53kHz，频率分集需用两
部频率相隔53kHz的发射机同时发送同一信
号并用两部独立接收机来接收信号，因此频率
图4-1 移动信道中典型的衰落信号
在移动通信信道中，除了多径衰落还有 阴影衰落。气象条件等的变化也会影响信号 的传播，使接收到的信号的幅度和相位发生 变化。这些都会给移动通信带来不利影响， 是移动信道独有特性。
为克服这些不利影响，改进接收信号的 质量，常常使用分集，均衡，信道编码三项 抗衰落技术
由于多普勒衰落速率与移动台的运动速度 及工作波长有关，为使重复传输的信号具有独 立的特性，必须保证信号的重发时间间隔满足 以下关系：
T 1 1 2 fm 2( / )
若移动台处于静止状态，v=0，则重发时
间间隔为无穷大，即相干时间与移动台运动速 度成反比，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，开关式合并：检测前二重开关式合并如下图所示， 优点是仅作用一套接收设备，开关式合并监视接收 信号的瞬时包络，当本支路瞬时包络低于预定门限 时，将天线开关转接到另一支路上
图4-9 开关式合并的输出包络
如下图所示，也可在基站方面采用两副发射天 线来实现开关式合并，当移动台接收的信号包络低 于预定门限时，移动台向基站发出指令，将基站发 射开关转换到另一副天线上
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
4.1 抗衰落技术概述
在移动通信系统中，一方面移动台常常 工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中， 而且移动的速度和方向是任意的。
另一方面，发送的信号经过反射、散射 等传播路径后，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。
最大比值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。合并后的平均输出信噪比为
< M > =MΓ （4-5）
合并增益为
GM =
< M >
= M（4-6）
即合并增益与M 成线性关系，
3，等增益合并：在最大比值合并中，实
时改变ai是比较困难的，通常希望ai为常量， 取ai = 1就是等增益合并。即无需对信号加权，
平 均 信 噪 比 改D(善M)/dB
10
9 最大比值
8
7
等增益
6
5
4
3
选择式
2
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 M
分集重数相同 时，最大比值合并 改善最大，选择式 合并改善最少
分集重数为2或 3时，等增益合并的 改善接近于最大比 值合并，但等增益 合并的实现电路要 简单得多，因而常 用于CDMA的 RAKE接收机中
2．RAKE接收机的支路的合并技术
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，对每个支路的输出进行 加权合并，然后再在此基础上进行判决。
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和检测后合并。
3，多径信号的时间同步
由于时延扩展，RAKE接收机收到的多径信号相 互间会有很大的相对时延差，需使用电平保持电路来 实现多径信号的同步