第5章 抗信道衰落技术
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移动通信(第四版)第5章 抗衰落技术
– 盲均衡方式
• 根据信道特性与信息的统计特性不同，直接分离信号和信道。 根据信道特性与信息的统计特性不同，直接分离信号和信道。
• 当信道特性随时间变化时 – 自适应均衡
• 通过某种方法，根据接收信号自适应调整信道均衡的参数。 通过某种方法，根据接收信号自适应调整信道均衡的参数。
第5章 均衡和分集技术
第5章 均衡和分集技术
5.2 均衡基本概念
• 采用增加增加信号电平的方法来降低迟延扩展引 起的误码率是完全徒劳的， 起的误码率是完全徒劳的，只有采用自适应均衡 才是根本的解决办法。 才是根本的解决办法。
第5章 均衡和分集技术
均衡技术
在信道特性C(ω)确知条件下，人们可以精心设计接收和 确知条件下， 在信道特性 确.1 简介
• 均衡技术指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法和实 均衡技术指各种用来处理码间干扰 指各种用来处理码间干扰 的算法和实 现方法。在移动环境中， 现方法。在移动环境中，由于信道的时变多径传播 特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡 特性，引起了严重的码间干扰，这就需要采用均衡 技术来克服码间干扰。而且要求均衡器是自适应的。 技术来克服码间干扰。而且要求均衡器是自适应的。 • 分集接收是用来补偿衰落信道衰耗的，它通常要通 分集接收是用来补偿衰落信道衰耗的， 过两个或更多的接收天线来实现。 过两个或更多的接收天线来实现。CDMA系统通常 系统通常 使用RAKE接收机，它能通过时间分集来改善链路 接收机， 使用 接收机 性能。 性能。
第5章 均衡和分集技术
• 移动通信抗干扰背景
• 抗干扰历来是无线电通信的重点研究课题。在移动信道中， 抗干扰历来是无线电通信的重点研究课题。在移动信道中， 除存在大量的环境噪声和干扰外， 除存在大量的环境噪声和干扰外，还存在大量电台产生的干 扰，如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。 如邻道干扰、共道干扰和互调干扰等。 • 网络设计者在设计、开发和生产移动通信网络时，必须预计 网络设计者在设计、开发和生产移动通信网络时， 到网络运行环境中会出现的各种干扰(包括网络外部产生的 到网络运行环境中会出现的各种干扰 ( 包括网络外部产生的 干扰和网络自身产生的干扰)强度， 并采取有效措施， 干扰和网络自身产生的干扰 强度， 并采取有效措施， 保证 强度 网络在运行时， 网络在运行时，干扰电平和有用信号相比不超过预定的门限 通常用信噪比S／ 或载干比 或载干比C／ 来度量 来度量)， 值(通常用信噪比 ／N或载干比 ／I来度量 ， 或者保证传 通常用信噪比 输差错率不超过预定的数量级。 输差错率不超过预定的数量级。
第五章 抗衰落技术(一)
概述
典型的抗衰落技术(Typical Anti-Fading Techniques)
分集技术 (Diversity Techniques)
— 出发点：有意识地分离多径信号并恰当合并以提高接收信号 的信噪比来抗衰落
— 常用的分集技术包括空间分集、频率分集和时间分集 — CDMA系统常使用RAKE接收机来改善链路性能
a11a21a31a41 …aJ1 a12a22a32a42 …aJ2 a13a23a33a43 …aJ3 ……………………
……………………
a1I a2I a3I a4I …aJI
交织技术
交织技术 (Interleaving Techniques )
交织器性能的主要参数
最小间隔F ：指突发连续错误分布的最小距
基本概念 原理：把一个较长的突发错误离散成随机错误，再 利用纠正随机错误的信道编码技术消除随机差错。 特点：交织可以在不附加任何开销的情况下，使数 字通信系统获得时间分集。不足是增加了传输时延。 为何要用交织？ 信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错 串时才有效，难以抗突发持续较长的深衰落和突发 干扰。而使用交织可使数据经无线信道后发生的差 错串长度变短，进而更易纠错。
典型的抗衰落技术(Typical Anti-Fading Techniques)
均衡技术(Equalization Techniques)
— 出发点：通过补偿信道衰落引起的畸变来减小衰落的影响， 以减小码间串扰（ISI）
— 接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿 — 由于移动信道是时变的，所以要求均衡器是自适应的
信道编码技术 (Channel Coding Techniques)
— 出发点：通过增加信息的冗余度来纠正衰落引起的误码 — 常用的有分组编码、卷积编码和交织技术 OFDM技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexity Techniques) —出发点：将高速数据通过串并变换，分割成若干低速数据传
第五章 抗衰落技术
第五章抗衰落技术(Typical Anti-Fading Techniques)本章要求：1.掌握分集技术的基本概念及分集信号的合并技术；2.掌握隐分集的概念，理解信道交织技术；3.了解时域均衡的概念，掌握自适应均衡的工作原理⏹典型的抗衰落技术(Typical Anti-Fading Techniques)⏹均衡技术(Equalization Techniques)—出发点：通过补偿信道衰落引起的畸变来减小衰落的影响，以减小码间串扰（ISI）—接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿—由于移动信道是时变的，所以要求均衡器是自适应的⏹分集技术(Diversity Techniques)—出发点：有意识地分离多径信号并恰当合并以提高接收信号的信噪比来抗衰落—常用的分集技术包括空间分集、频率分集和时间分集— CDMA系统常使用RAKE接收机来改善链路性能⏹信道编码技术(Channel Coding Techniques)—出发点：通过增加信息的冗余度来纠正衰落引起的误码—常用的有分组编码、卷积编码和交织技术—格码调制，不需增加带宽就可获得巨大的编码增益⏹OFDM技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexity Techniques)—出发点：将高速数据通过串并变换，分割成若干低速数据传输，以增大信息码元周期来达到减少多径时延扩展的目的。
⏹扩频技术—直扩：带宽；跳频：躲避§5-1 分集技术（Diversity Reception）移动通信的最大特点是具有多径效应。
多径传播（瑞利衰落衰落）时，信号瞬时值快速变动，而阴影衰落（对数正态衰落）时，信号平均值（中值）慢速变动。
这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化。
虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。
而采用分集技术便可在接收终端上大大降低深衰落的影响，从而改善传输的可靠性。
第5章 抗衰落技术
性能上有一定的差异。
分集接收性能可以用信噪比改善因子、分集增益、中断 率(Outage Rate)和误码率等指标描述。 之前已经针对信噪比改善因子给出了比较，下面通过图 5-3给出各种合并方式的分集增益特性曲线。
4. 合并方式的性能比较
12 最大值合并
合并增益（dB）
9 等增益合并 6 选择合并 3
提高程度由分集方式、支路个数、合并方式、支路相关
性等因素共同决定。
分集技术的代价：
占用了更多的资源； 移动通信网因为资源问题，用的最多的是多天线分集。
5.2.3 空间分集
空间分集是利用相距足够远的不同天线产生的电场相互独 立 这 一 特 性 而 构 成 的 分 集 技 术 ， 也 称 为 天 线 分 集 (Antenna Diversity) 。接收天线之间的距离 d 只要足够大，就可以认为各 天线输出信号间衰落特性是相互独立的。
偿。均衡可分为两类：线性均衡和非线性均衡。均衡器的结
构可采用横向或格型等结构。由于无线衰落信道是随机的、 时变的，故需要研究均衡器自适应地跟踪信道的时变特性。
自适应均衡也可分成三类：基于训练序列的均衡、盲均衡
(Blind Equalization，BE)与半盲均衡。
信道编码与正交频分复用技术
信道编码技术的出发点是通过增加信息的冗余度来纠正衰 落引起的误码。常用的信道编码技术有分组编码、卷积编码 和交织技术。另外，利用编码调制技术，不需增加带宽就可 获得巨大的编码增益。 正交频分复用技术(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing Techniques)的出发点是将高速数据通过串并变换，
《移动通信》
第5章 抗衰落技术
移动通信基础课件-第5章 抗衰落技术
据此，微分集又可分为下列6种。
（1）空间分集。 （2）极化分集。 （3）角度分集。 （4）频率分集。 （5）时间分集。
5.1.2 接收分集系统模型
接收分集将多个接收天线上的独立衰落 信号按一定规则合并为一路，再送给解调器 解调。
大多数合并方式都是线性合并，即合并 输出的是各个不同支路的加权和，图5-1所示 的是M支路分集合并原理。
E
1 N0M
M i1
ri
2
（5-22）
等增益合并的输出信噪比 E 的概率
密度函数和累积分布函数都不存在一个显 式的表达，且推导复杂，此处省略。
5.1.7 分集方式比较
不同分集方式的性能比较一般用平 均信噪比的改善因子表示。
平均信噪比的改善因子，是指分集
接收机合并器输出的平均信噪比与无分 集时接收机的输出平均信噪比相比改善 量，一般用分贝表示。
假设发端的信号为 x(t) ，则接收端的均衡器 接收到的信号为
y(t) x(t) h(t) n(t)
（5-62）
式中，n(t) 是等效噪声， 表示卷积运算，
等效的无线通信系统的结构如图5-18所示。
图5-18 等效的无线传输系统的结构
图5-19是采用数字均衡器时，系统端 到端的等效基带框图。Βιβλιοθήκη 各个支路同相相加，因此合并输出
的包络是
r
M
ai ri
。
假设每个i1 支路的噪声功率谱密度都
是
N0
/
2
，则合并输出的总噪声功率谱密 M
度是
Ntot / 2
a2 i
N0
/
2
，这样，可得MRC合
并输出的信i噪1 比为
r2
1
（1）空间分集。 （2）极化分集。 （3）角度分集。 （4）频率分集。 （5）时间分集。
5.1.2 接收分集系统模型
接收分集将多个接收天线上的独立衰落 信号按一定规则合并为一路，再送给解调器 解调。
大多数合并方式都是线性合并，即合并 输出的是各个不同支路的加权和，图5-1所示 的是M支路分集合并原理。
E
1 N0M
M i1
ri
2
（5-22）
等增益合并的输出信噪比 E 的概率
密度函数和累积分布函数都不存在一个显 式的表达，且推导复杂，此处省略。
5.1.7 分集方式比较
不同分集方式的性能比较一般用平 均信噪比的改善因子表示。
平均信噪比的改善因子，是指分集
接收机合并器输出的平均信噪比与无分 集时接收机的输出平均信噪比相比改善 量，一般用分贝表示。
假设发端的信号为 x(t) ，则接收端的均衡器 接收到的信号为
y(t) x(t) h(t) n(t)
（5-62）
式中，n(t) 是等效噪声， 表示卷积运算，
等效的无线通信系统的结构如图5-18所示。
图5-18 等效的无线传输系统的结构
图5-19是采用数字均衡器时，系统端 到端的等效基带框图。Βιβλιοθήκη 各个支路同相相加，因此合并输出
的包络是
r
M
ai ri
。
假设每个i1 支路的噪声功率谱密度都
是
N0
/
2
，则合并输出的总噪声功率谱密 M
度是
Ntot / 2
a2 i
N0
/
2
，这样，可得MRC合
并输出的信i噪1 比为
r2
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移动通信网络规划：抗衰落技术
抗衰落技术1、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）引起衰落的原因衰落主要由多径干涉和非正常衰减引起。
多径干涉，即多条射线的相互干涉，是最常见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。
这种衰落通常称为衰减型衰落。
2）抗衰落技术的种类在移动通信中，为了改善接收信号的质量，所采取的一系列方法、手段、措施被称为抗衰落技术。
常用的抗衰落技术包括分集接收技术、均衡技术、信道编码技术和扩频技术，在实际应用中根据信道情况来应用。
2、分集技术所谓分集技术是指在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。
分集方式: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和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信。
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。
可以分为时间分集、空间分集、频率分集、极化分集、场分量分集和角度分集六种，常用的只是前三种。
3、均衡技术在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性,减少码间干扰的影响。
无线 第5章 小尺度衰落
第5.2节、多径信道的参数
第5.2节、多径信道的参数
3、多普勒扩展和相干时间 多普勒扩展和相干时间是用来描述小尺度内信道的时变特性的两个参数。 时变特性可能是由移动台与基站之间的相对运动引起，也可能是由信道 传输路径中物体的运动引起。 多普勒扩展是频谱展宽的测量值，这个频谱展宽是移动无线信道的时间 变化率的一种量度。多普勒扩展定义为一个频率范围，在此范围内接收 的多普勒频谱有非零值。多普勒扩展的大小取决于移动台与发射源的相 对速度、运动方向与入射波方向的夹角和信号的波长（频率）。 相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的 时变特性。时间间隔大于相干时间的两个接收信号所受到信道的影响各 不相同。
第5.3节、小尺度衰落的类型
P（dBm）
f（MHz）
总结
在无线通信系统中，接收机会收到经过直射、反射和绕射等多条路径 到达的电磁波，这种现象就是多径。这些经过不同路径到达的电磁波的相 位不一致而且具有时变性，导致接收信号呈现衰落状态。这些电磁波的到 达时延不同，又会导致码间干扰，产生误码。这种由于多径效应而产生的 小尺度衰落叫多径衰落。 从空间的角度考虑，由于多径信号到达接收机的相位不同，合成后的 接收信号幅度会随着移动台移动距离的变动而剧烈变化。从时间的角度考 虑，由于信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，当基站 发出一个脉冲信号时，接收信号不仅包含该脉冲，还包括此脉冲的延时信 号，这种由于多径效应引起的脉冲宽度扩展称为时延扩展。 发射机和接收机之间的相对运动，还会产生多普勒扩展，使信号的带 宽被展宽，这也会造成信号衰落。
第5.3节、小尺度衰落的类型
移动无线信道中的时间色散与频率色散是两种彼此独立的传播机制，可 能产生四种小尺度衰落效应。
03-抗衰落技术3
RAKE接收机（1）
(RAKE Receiver)
分集支路的形成与合并 (The Forming and Combing of Diversity Branches)
如何分离多径信号?
出发点：采用特定设计的信号使多径信号之间差异明显。 — 分离基础
设有两多径信号，平均功率为P0=E{[y(t)]2},则合成信号的总 功率为：
(43)
RAKE接收机（5）
(RAKE Receiver)
分集支路的形成与合并 (The Forming and Combing of Diversity Branches)
如何分离多径信号?
与一般分集、均衡的区别： — 一般分集：需要建立多个独立的多径信号，然后在接收端 按最佳合并准则接收； — 均衡：适合与信号不可分离多径的情况，用于解决符号间 的干扰问题，其分集特性是隐含的； — 多径分集：利用多径信号的有用信息，消除多径衰落的影 响。但在一般系统只能将多径信号视为干扰。 小结：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。所以，在一般的分集中，需要建立 多个独立路径信号，在接收端按最佳合并准则进行接收。而 多径分集是通过发端的特定信号设计来达到接收端接收多径 信号的分离，它是扩频系统所特有的。
RAKE接收机（3）
(RAKE Receiver)
扩频与解扩示意图
信息数据为+1，扩频码极性不变，信息数据为-1，扩频码极性倒相， 记为b(t)c(t)，如补充图2所示：
Tc Tb
补图2 扩频与 解扩示意图
RAKE接收机（4）
(RAKE Receiver)
以m序列为例，当k很大时，自相关函数近似为：
抗信道衰落技术PPT77页
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
77
抗信道衰落技术
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
▪
抗信道衰落技术
2 1
2018/10/24
西安电子科技大学信息科学研究所
13
由格型滤波器实现的线性均衡器。
2018/10/24
西安电子科技大学信息科学研究所
14
线性均衡器由格型滤波器实现时，输入信号yk 被转变为一组作中间值的前向和后向误差信号， 即fn(k)和bn(k)。这组中间信号被看成各级乘法 器的输入，用以计算并更新滤波系数。格型结 构的每一级由下列递归方程表示为
西安电子科技大学信息科学研究所 22
2018/10/24
预测DFE中的FBF也可以用格型结构来实现。 这时，可以用RLS格型算法产生快速收敛。 预测DFE 如图
2018/10/24
西安电子科技大学信息科学研究所
23
2．最大似然序列估值（MLSE）均衡器 当信道中没有任何幅度失真时，先前所描述的 基于均方差的线性均衡器是以使符号错误概率 最小为最优化准则的。 然而没有任何幅度失真的环境恰恰是移动通信 链路使用均衡器的理想环境。 正是基于均方差的均衡器的上述限制，导致了 人们对最优和次最优的非线性结构的研究。这 些均衡器采用了经典最大似然接收结构的不同 形式。
西安电子科技大学信息科学研究所 11
2018/10/24
4.1.2 线性均衡器
最简单的线性均衡器可由FIR滤波器（或称为 横向滤波器）实现。它把所收到信号的当前值 和过去值按滤波系数（即权重）作线性叠加， 并把生成的和作为输出。
2018/10/24
西安电子科技大学信息科学研究所
12
如果延时单元和抽头增益是模拟信号，那么均衡器输 出的连续信号波形将以符号速率被采样，并送至判决 器。但是，均衡器通常是在数字域中实现，其采样信 N 号被存储于移位寄存器中。 ˆ d (cn ) yk n k 在判决前，横向滤波器的输出为 n N 只使用了前馈延时，共传递函数是Z 的多项式，有很 多零点，极点都在Z=0，所以被称为有限冲激响应 （FIR）滤波器。 若均衡器同时具有前馈和反馈链路，其传递函数是Z 的有理分式，则称为无限冲激响应（IIR）滤波器。
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由格型滤波器实现的线性均衡器。
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线性均衡器由格型滤波器实现时，输入信号yk 被转变为一组作中间值的前向和后向误差信号， 即fn(k)和bn(k)。这组中间信号被看成各级乘法 器的输入，用以计算并更新滤波系数。格型结 构的每一级由下列递归方程表示为
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预测DFE中的FBF也可以用格型结构来实现。 这时，可以用RLS格型算法产生快速收敛。 预测DFE 如图
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2．最大似然序列估值（MLSE）均衡器 当信道中没有任何幅度失真时，先前所描述的 基于均方差的线性均衡器是以使符号错误概率 最小为最优化准则的。 然而没有任何幅度失真的环境恰恰是移动通信 链路使用均衡器的理想环境。 正是基于均方差的均衡器的上述限制，导致了 人们对最优和次最优的非线性结构的研究。这 些均衡器采用了经典最大似然接收结构的不同 形式。
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4.1.2 线性均衡器
最简单的线性均衡器可由FIR滤波器（或称为 横向滤波器）实现。它把所收到信号的当前值 和过去值按滤波系数（即权重）作线性叠加， 并把生成的和作为输出。
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如果延时单元和抽头增益是模拟信号，那么均衡器输 出的连续信号波形将以符号速率被采样，并送至判决 器。但是，均衡器通常是在数字域中实现，其采样信 N 号被存储于移位寄存器中。 ˆ d (cn ) yk n k 在判决前，横向滤波器的输出为 n N 只使用了前馈延时，共传递函数是Z 的多项式，有很 多零点，极点都在Z=0，所以被称为有限冲激响应 （FIR）滤波器。 若均衡器同时具有前馈和反馈链路，其传递函数是Z 的有理分式，则称为无限冲激响应（IIR）滤波器。
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在移动信道中，通常取：
市区 d=0.5λ 郊区 d=0.8λ
图5.1 空间分集示意图
2．频率分集：Frequency Diversity
频率分集需要用两部以上的发射机同时发送同
一信号，并用两部以上的独立接收机来接收信号。
因此，频率分集不仅使设备复杂，而且在频谱利用
方面也很不经济。
3．时间分集：Time Diversity
这两类均衡技术的差别主要在于均衡器的输出。 被用于反馈控制的方法。通常，模拟信号由接收机 的判决器进行限幅或阈值操作，并决定信号的数字 逻辑值d(t)。如果d(t)未被应用于均衡器的反馈逻辑 中，那么均衡器是线性的。反之。如果d(t)应用于 反馈逻辑并影响了均衡器的后续输出，那么均衡器 是非线性的。
均衡器按结构划分为：横向或格形结构。横 向结构是具有N-1个延迟单元、N个可调谐的抽 头权重因子。格形滤波器与横向滤波器相比复杂 度较高，但其数值稳定性高、收敛性好，滤波器 长度变化灵活。
均衡器按其所处位置可分为：预均衡与均衡。 均衡器通常都放在接收端，而预均衡器放在发射 端。
均衡器按检测级别可分为码片均衡器、 符号均衡器和序列均衡器三类。 均衡器按其频谱效率可分成三类：基于 训练序列的均衡、盲均衡BE（Blind Equalization）、半盲均衡。
5.3.3 线性均衡技术
· 线性均衡器可由有限冲激响应（FIR） 滤波器（又称为横向滤波器）实现。这种滤 波器在可用的类型中是最简单的，它的基本 框图如图5.10所示。
图5.10 线性横向均衡器结构
均衡器通常是在数字域中实现，其采样信号被存 储于移动寄存器中。对于模拟信号，均衡器输出的连 续信号波形将以符号速率被采样，并送至判决器。 线性横向均衡器最大的优点就在于其结构非常简 单，容易实现，因此在各种数字通信系统中得到了广 泛的应用。但是其结构决定了它有两个难以克服的缺 点： ① 噪声的增强会使线性横向均衡器无法均衡具有 深度零点的信道； ② 线性横向均衡器与接收信号的幅度信息关系密 切，而幅度会随着多径衰落信道中相邻码元的改变而 改变，因此滤波器抽头系数的调整不是独立的。
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
将是彼合并，就能减小衰落的影响。 时间分集有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的 信号衰落，主要用于数字信号在衰落信道中的传输。
4．极化分集：Polarization Diversity
1．Rake接收机的工作原理
Rake 的概念是 1958 年由 R.Price 和 P.E.Green 在《多径信 道中的一种通信技术》中提出来的。 RAKE接收技术是第三
代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。由于这种接收机
收集的是多条路径上的信号，其作用与农用多齿草耙（英文 为Rake）的作用相似，故称为Rake接收机。 Rake接收机不是减弱或削弱多径信号，而是充分利用多 径信号。
1．空间分集：Space Diversity
空间分集的基础是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，则两个位置上所收信号
的衰落是不相关的。 如图5.1所示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。
3．等增益合并： Equal Gain Combining
等增益合并（Equal Gain Combining，EGC）就 是使各支路信号同相后等增益相加作为合并后的信 号，它与最大比合并类似，只是加权系数设置为 1。
图5.5 等增益合并原理图
等增益合并适合在两路信号电平接近 时工作，此时可以获得约3dB的增益。但 是它不适合在两路信号相差悬殊时工作 ，因为此时信号弱的那一路也将被充分 放大后参与合并，这将会使总输出信噪 比下降。需要注意的是：等增益合并必 须在中频进行，因为若是在低频合并， 会由于各支路解调器的增益不是常数而 无法保证等增益合并。
5.3 均衡技术及应用
5.3.1 均衡原理
在移动环境中，由于信道的时变多径传播特性，
将产生严重的码间干扰，这就需要采用均衡技术来
克服码间干扰。
均衡技术是指各种用来处理码间干扰(ISI)的算法
和实现方法。
均衡的基本原理如图5.9所示。
图5.9 均衡器原理
5.3.2 均衡的分类
均衡技术按技术类型可分为：线性均衡和非线 性均衡。
6．场分集
由电磁场理论可知，当电磁波传输时，电场 E总是伴随着磁场H，且和H携带相同的信息。 若把衰落情况不同E和H的能量加以利用，得 到的就是场分集。场分集不需要把两根天线从 空间分开，天线的尺寸也基本保持不变，对带 宽无影响，但要求两根天线分别接E和H。适 用于较低工作频段(例如低于100MHz)。
5.2.3 分集合并方式及性能
· 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。 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
r (t ) a1r1 (t ) a2 r2 (t ) aM rM (t ) ak rk (t )
与一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理 不同，RAKE接收机利用多径信号来增强信号。
图5.8 Rake接收机原理
· 假定有L个相关器，每个相关器与其中一个 多径分量强相关，而与其他多径分量弱相关，各 个相关器的输出经过加权后同相相加，总的输出 信号为 L y (t ) zi (t ) wi (t ) （5.2）
线性均衡器还可以由格型滤波器实现，如图5.11所示。
图5.11 格型均衡器结构
格型均衡器由于在动态调整阶数的时候不需 要重新启动自适应算法，因而在无法大概估计 信道特性的时候非常有利，可以利用格型均衡 器的逐步迭代而得到最佳的阶数，另外格型均 衡器有着优良的收敛特性和数值稳定性，这些 都有利于在高速的数字通信和深度衰落的信道 中使用格型均衡器。但是格型均衡器的结构比 较复杂，实现起来困难，从而限制了格型均衡 器在数字通信中的应用。
第 5章 抗信道衰落技术
5.1
抗衰落技术概况 分集技术
均衡技术及应用
5.2
5.3
5.4
智能天线技术
5.1 抗衰落技术概况
· 衰落是影响通信质量的主要因素。快 衰落的深度可达30～40dB，通过加大发射 功率来克服快衰落不仅不现实，而且会造 成对其它电台的干扰。因此就迫使人们利 用各种信号处理的方法来对抗衰落，分集 技术和均衡技术就是用来克服衰落、改进 接收信号质量的，它们既可单独使用，也 可以组合使用。
最大比合并和等增益合并，可以采用图5.6所示 的电路来实现同相相加。另外还可以在发射信号 中插入导频，在接收端通过提取导频的相位信息 实现同相相加。
图5.6 同相调整电路
4. 三种合并方式的性能比较
分集合并的性能指的是合并前、合并后信噪比 的改善程度。
图5.7 三种分集合并增益比较
5.2.4 RAKE接收机
5.2.2 分集的分类
移动通信系统中，从分集的区域划分，分 集方式分为宏分集和微分集两类。 ① 宏分集（也称为多基站分集）用于蜂 窝通信系统中，是一种减小慢衰落影响的 分集技术。 ② 微分集是一种减小快衰落影响的分集 技术，是各种无线通信系统经常使用的方 法。为了达到信号之间的不相关，可以从 时间、频率、空间、极化、角度等方面实 现这种不相关性。
选择合并（Selection Combining，SC）就是将天 线接收的多路信号加以比较之后选取最高信噪比的 分支。这种方式实际上并非是合并，而是从中选择 信号质量最好的一个输出，因此又称为选择分集或 开关分集。
图5.2 选择式合并的原理
选择合并有检测前合并与检测后合并两种方式， 如图5.3所示。
图5.3 检测前与检测后合并方式
2．最大比合并： Maximal Ratio Combining
最大比合并（Maximal Ratio Combining，MRC） 是最佳的分集合并方式，因为它能得到最大的输出信 噪比。
图5.4 最大比合并的原理
最大比合并的输出信噪比等于各支路的 信噪比之和。所以，即使当各路信号都很 差，以至于没有一路信号可以被单独解出 时，最大比合并算法仍有可能合成一个达 到信噪比要求的、可以被还原的信号。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最佳。
两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性， 因而发送端和接收端可以用两个位置很近、极化方式 不同的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。
5．角度分集：Angle Diversity
角度分集的原理是使电波通过几个不同路径
、以不同角度到达接收端，接收端利用多个方向 性尖锐的接收天线将来自不同方向的信号分量进 行分离。 由于不同方向来的信号分量具有互相独立的 衰落特性，所以可以实现角度分集并获得抗衰落 的效果。
k 1 M
（5.1）
式中， ak为第k个信号的加权系数。
• 合并技术通常应用在空间分集中。分集 信号的合并是指接收端收到多个独立衰落 的信号后如何合并的问题。选择不同的加 权系数，构成不同的合并方式。常用的合 并方式有选择合并、最大比合并、等增益 合并。
1．选择合并：Selective Combining
分集的概念可以简单解释如下：一条无线传 播路径中的信号经历了深度衰落，而其他相对 独立的路径中仍可能含着较强的信号，因此可 以在多径信号中选择多个信号，通过在接收端 进行适当地合并来提高接收端的瞬时信噪比和 平均信噪比，通常可以提高20dB到30dB。
分集的必要条件：在接收端必须能够接 收到承载同一信息内容且在统计上相互独 立的若干个不同的样值信号，这若干个不 同样值信号的获得可以通过不同的方式， 如空间、频率、时间等。 分集的充分条件：如何将可获得的含有 同一信息内容但统计上独立的不同样值加 以有效且可靠的利用，它是指分集中的集 合与合并。