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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

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《抗衰落技术总汇》PPT课件

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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
1 < s > = å k= 1 k
M
（4-1）
1．选择式合并
式（4-1）中，下标s表示选择式合并。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
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。
第4章 抗衰落技术
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，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。 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， 如图4-1所示。
4.2.3 分集系统的性能
图4-11 瑞利衰落中GMSK有无分集时误码性 能
4.2.4 RAKE接收机
1．RAKE接收机的定义 由于在多径信号中包含有可以利用的信息， 所以，CDMA接收机可以通过合并多径信 号来改善信号的信噪比。 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。
4.2.1 分集技术的基本概念及方法

第四章 抗衰落技术

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

第4章 抗衰落技术

第4章 抗衰落技术

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：

4、抗衰落技术

4、抗衰落技术

通 信
并技术，如图4-3所示。这两种技术都
原
得到了广泛的应用
理
29
4.2.2 分集信号的合并技术
移 动 通 信 原 理
图4-3 空间分集的合并
30
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
移
–选择式合并（Selective Combining）
动
通
–最大比值合并（Maximum Ratio Combing）
倾斜 (+/- 45°)
23
3．角度分集（Angle Diversity）
• 由于地形地貌和建筑物等环境的不同，
移
到达接收端的不同路径的信号可能来自
动
于不同的方向
通
信
原 理
• 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
24
4．频率分集（Frequency Diversity）
动
通 • 4.2.3 分集系统的性能 信 • *4.2.4 RAKE接收机
原
理 • *4.2.5 隐分集技术
13
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
移
如何利用多径信号来改善系统的性能。
动
通
信 • 分集技术利用多条传输相同信息且具有近似相
• CDMA系统中的RAKE接收机如图4-7所示：
40
2．RAKE接收原理
移 动 通 信 原 理
图4-7 RAKE接收原理实现框图
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

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

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) 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
D S(M )S01l0g kM 1k 1 (dB)
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：
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
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。

第4章 抗衰落技术

第4章 抗衰落技术
4
勤学 务实 开拓 创新
分集接收
2、分类 按“分”划分：按接收信号样值结构与统计特性，可分 为空间分集、时间分集、频率分集。 按“集”划分：按合并方式，可分为选择式合并、等增 益合并、最大比值合并。 按“合并位置”划分：射频合并、中频合并、基带合并。 另外还有:接收端分集、发送端分集、收发联合分集 (MIMO)-多输入输出系统。 一般来说，采用多套设备来实现分集为传统的显分集， 采用一套设备而利用信号统计与处理技术来实现的称隐分集。
合成矢量
2
13
1
2
3
Rake 接收
勤学 务实 开拓 创新
Rake接收技术
多径分离的能力主要取决于带宽，在城区多径时延 大约为5μ s，相关带宽为200kHz，即要求载波间隔为 200kHz。 GSM的载波间隔为200kHz，无法实现多径分离，不 能用Rake接收，而IS-95载波间隔为1.25MHz，理论上有 6重隐分集的可能。 但由于多径时延扩展是随机的，实际上有利用价值 的不超过3-4径，所以在C网中，基站接收机N=4，移动 台N=3。 Rake接收理论上属于频率分集，但从现象上看，是 利用多径时延进行的分集，有人认为称为多径分集更为 恰当。
{an} T T T
f 1
T
f0
T
f L1
f L1 1
f L2 1
f L2
{nn} {rn}

21
图 4.36 信道模型

{yn}
勤学 务实 开拓 创新
均衡技术
②判决反馈均衡器 由两个滤波器组成，前馈滤波器的作用和线性均衡器 的作用一样，反馈滤波器是将已检测符号的判别输出作为 它的输入，作用是从已检测的符号来估计当前检测符号的 码间干扰，然后将它与前馈输出相减，从而减少了当前输 出符号间的串扰。

移动通信第四章抗衰落技术

移动通信第四章抗衰落技术
▪ 交织编码：主要纠正突发差错。
▪ Turbo码：具有较强的纠错能力，但译码 复杂，时延大，适合数据业务。
▪ 奇偶校验码
K个码元
k个码元＋ L个校验码元＝N个码元
举例：设信息序列长K=3， 校验序列长L=4；输入信息比特 为{S1, S2, S3}， 校验比特为{C1, C2,C3, C4}；
校验的规则为：
Remainder
D16 D15 D2 1
= D9+D8+D7+D5+D4+D = 0·D15+0·D14+0·D13+0·D12+0·D11+0·D10+1·D9+1·D8+1·D7+0·D6+1·D5
+1·D4+0·D3+0·D2+1·D1+0
输出： 101101110000001110110010
得 到 ：C(D)
S(D) DL
Remainder
g(D)
S(D) DL
C(D) Re 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
一. 原理
4.4 均衡技术
均衡技术是指各种用来处理码间干扰的算法和实现方法。
m(t)
r(t) cp(t)
t1
t2
t3
码间串扰
如果要消除码间干扰，需要系统传输特性满足无码间串扰条 件，即奈奎斯特第一准则。
第四章 抗衰落技术
二. 无码间串扰条件
1. 频域：系统传输特性满足：

[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
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

移动通信课程4 抗衰落技术

移动通信课程4 抗衰落技术
1 M ∑ rk 2 k =1
M k =1 2
ξ EGC =
∑ Nk
∑ rk 2 1 M = k =1 = ∑ rk M 2N k =1 2 ∑ Nk
M k =1
2
对于M>2的情况，要求得 ξ 的累积分布函数和 概率密度函数是比较困难的，可以用数值方法求 解，但M=2时其累积分布函数为（推导过程略）：
衰 落 信 号
接收机1 相位调整
r1 r2
测 量
1r 1 1 2r 2
r MRC
接收机2 相位调整
测 量
2
图 4.9
二重分集最大比值合并
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
rMRC = ∑ αk rk
k =1
M
13
4.1 分集技术---（4）分集的合 并方式（最大比合并）
4.1 分集技术---（1）概述
分集技术是抗衰落的有效措施之一 分集技术可以分为宏分集和微分集两大类 宏分集 ——“多基站”分集，可以减小慢衰 多基站” 多基站 分集， 如阴影衰落）的影响； 落（如阴影衰落）的影响； 在空间、 微分集 ——在空间、时间、频率、极化、 在空间 时间、频率、极化、 场分量、角度等方面分离无线信号， 场分量、角度等方面分离无线信号，用来减 小快衰落影响。 小快衰落影响。
F(x) = P(ξEGC ≤ x) =1− e
−2x/ξ
ξEGC π x −x/ξ − ⋅ e ⋅ erf ξ 18 ξ
4.1 分集技术---（4）分集的合 并方式（等增益合并）
F(x)特性如图4.14所示： 特性如图4.14所示： 特性如图4.14所示

第4章 抗衰落技术 数字移动通信分析

第4章 抗衰落技术 数字移动通信分析
选择式合并又称开关式相加。 这种方式方法简单， 实现容易。 但由于未被选择的支路信号弃之不用， 因此 抗衰落不如后述两种方式。
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 rM (t) akrk (t)
k 1
(4 - 4) 式中， ak为第k个信号的加权系数。
第4章 抗衰落技术
选择不同的加权系数， 就可构成不同的合并方式。 常用的有以下三种方式：
据此，微分集又可分为下列六种。
第4章 抗衰落技术
(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， 在移动信道中， 通常取：
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，也可以获得分集效果。
优点：场分量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）。
第4章 抗衰落技术
(5) 角度分集。 角度分集的作法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； 由于这些分量具有互相独立的衰落特性， 因而可以实现角 度分集并获得抗衰落的效果。
(1) 选择式合并。 选择式合并是指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
接收机1 接收机2

第4(1)章 抗衰落技术.

第4(1)章 抗衰落技术.

图 4 - 2 二重分集选择式合并
第4章 抗衰落技术
一支路的信噪比必须达到某一门限值γt， 才能保证接收 机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。 如果此信噪比因 为衰落而低于这一门限， 则认为这个支路的信号必须舍弃不 用。 显然， 在选择式合并的分集接收机中， 只有全部M个支
路的信噪比都达不到要求， 才会出现通信中断。
3)分组码， 其中信息位为 3 比特，监督位为 4 比特， 每个
码字为 7 比特。 第一个码字为c11c12c13c14c15c16c17， 第二个 码字为 c21c22…c27 ， …， 第m个码字为cm1cm2 … cm7。
存入顺序 第 1排 读 出 顺 序 第 2排 第 3排
…
C11 C21 C31
k 1
M
式中， ak为第k个信号的加权系数。
第4章 抗衰落技术
合并方式有以下三种方式：
(1) 选择式合并。 选择式合并是指检测所有分集支路 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。
接收机1
接收机2
第4章 抗衰落技术
Tx 1 2 3 Rx
相关器
c1(t) 积分 保持至 Tb Tb＋ 2 Tb＋ N c1(t－ 2) 积分 保持至 Tb Tb＋ 3 Tb＋ N c1(t－ 3) ∑ 判 决
… …
c1(t－ N)
路径 N cos ct 积 分 Tb Tb 保持至 Tb＋ N
电平保持电路
把某种编码中各个码组间距的最小值称为最小码
距d0。
第4章 抗衰落技术
a1 (010) (110)
110 101

移动通信-第4章-抗衰落技术

移动通信-第4章-抗衰落技术

4.3.6 最小码距不纠错能力
一个(n，k)码，不论码字如何选择
• 要能发现e个码位的差错，必须最小码距de+1 • 要能纠正t个码位的错误，必须最小码距d2t+1 • 要能纠正t个码位的错误，同时发现e个码位的差错，必 须最小码距dt+e+1，且et
50
接收CNR中心值/dB
20
第4章 抗衰落技术
4.1 4.2 4.3 4.4 分集接收 RAKE接收 纠错编码技术 均衡技术
21
4.2.1 多径信号的分离不合并
• 多径的分离不合并
– 原因：无线传输信道是一个多径信道 – 目标：分离+合并多径信号，矢量和→标量和；增强信号、减小 干扰、减轻衰落 – 方法：分离：特征码、扩频/解扩 合并：RAKE接收技术
• 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
15
4.1.11 合并信号的表达式
M个分集信号经合并器后的输出为r(t)
r (t ) a1r1 (t ) a 2 r2 (t ) a M rM (t ) a k rk (t )
ak为第k个信号的加权系数
• 最大比值合并
– 对每一支路的信号迚行加权合并，是一种最佳合并方式 – 每一支路信号包络rk(t)用rk表示。每一支路的加权系数ak不信号包络 rk成正比而不噪声功率Nk成反比，即
rk ak Nk
rk2 rR ak rk k 1 k 1 N k
M M
r (t ) ak rk (t )
k 1
M
16
4.1.12 选择式合并
• 选择式合并（开关式合并）
– 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。在选择式合并器中，加权系数只有一项为 1，其余均为0

4 移动通信原理 第四章 抗衰落技术

4 移动通信原理 第四章 抗衰落技术

（2）平均输出信噪比
γ s = γ0∑
1 k =1 k
M
其中 γ 0 为每个支路的平均信噪比。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。 （3）合并增益
Gs =
2．最大比合并（MRC）
γs M 1 =∑ γ 0 k =1 k
在接收端，将 M 个分集支路经过相位校正后，按适当的可变增益加权再同 相相加后送入检测器进行检测。 （1）原理图
4
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自不同的方向。在接收端，采用多个方向性很强（方向性尖锐）的接收天线就能 分离出衰落特性不相关的多个信号。 角度分集也是一种特殊的空间分集，它也要用多副天线，但它是利用多副天 线尖锐的方向性接收来自不同方向的不相关衰落信号。 同样多副方向性天线的间 距可以很近。也可将多副定向天线等效为不同角度的馈源集成于一副天线内实 现。 （2）优点：结构紧凑，节约空间； （3）缺点：实现工艺要求较高，且性能比空间分集差。 4．频率分集 （1）概念 将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只有载频之间间隔足够大（大 于相干带宽） ，那么在接收端就可得到衰落特性不相关的信号。 由于频率间隔大于相干带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 利用这一点可以实现抗信道中频率选择性衰落的功能。 根据相干带宽的定义，即
4．1 分集接收技术
一．分集技术的基本概念（吴伟陵，移动通信原理 P205，电子工业出版社） 移动通信中由于传播的开放性，使信道的传输条件比较恶劣，又由于接收环 境的复杂性使信号往往多径传播，在接收点多径信号的叠加会产生严重的衰落， 接收信号质量严重下降。分集技术就是一种最重要、应用最广泛的抗衰落措施。 从概念上讲，我们可以将分集技术从两个方面来理解：即“分”和“集” 。 “分” ：分别接收，实质上，是利用接收信号在结构上和统计特性上的不同 特点将其加以区分； “集” ：集中处理，实质上，是按一定规律和原则（将分别接收的信号）进 行合并处理。 （从而充分利用信号能量，提高系统性能） 。

第4章抗衰落技术

第4章抗衰落技术

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
1 s k 1 k

2．跳频技术
（2）跳频抗同信道干扰 采用跳频图案的正交性组成正交跳频网，可 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．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。
2．跳频技术
（1）跳频抗多径 跳频抗多径的原理是：若发射的信号载波频 率为0，当存在多径传播环境时，因多径延 迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。 若接收机在收到最先到达的信号之后立即将 载波频率跳变到另一频率1上，则可避开由 于多径延迟对接收信号的干扰。

合并后信号的包络为
ai ri
i 1
M

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。
2．最大比合并

设每个支路的噪声功率为σ2，则可以证明： r ai i2 时，合并后的信噪比达到最大，合并 当 后输出为 M T 1 M

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(完整版)分集合并技术

(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。
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0


10
lg
M k 1
1 k

(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 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。
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
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
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
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
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。
-
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
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
(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


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
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
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
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
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：
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
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
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：
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。
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。
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：
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