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第4章 抗衰落技术 数字移动通信分析

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移动通信(西电第四版)第四章 抗衰落技术

移动通信(西电第四版)第四章 抗衰落技术

k 1 M
20
(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。
a t max a1 t , a 2 t , a 3 t ,
某指标
21
这种分集有M个接收机进行支路的解调， 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，在选择性 合并器中，加权系数只有一项为1，其余 为 0。 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。
13
(2)频率分集
由于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， 那么在接收端就可以得到衰落特性不相关 的信号，以实现频率分集（多路FSK）。 缺点：不仅需要占用更多的频谱资源，而 且需要有和频率分集中采用的频道数相等 的若干个接收机。
12

空间分集接收抗衰落的效果
某通信系统不采用分集接收时的中断率是P1=0.01，若采
用双重空间分集，并假设两路信号具有相同的中断率，求合
成信号的中断率？ 解：两路信号同时中断时，合成信号才会中断，所以分集 合并后的中断率是
P=P1×P2=0.0001
即中断率降低了100倍，若等效成衰落储备，相当 于避免了将微波发信机的功率从1W提高到100W。
4
4.1 分集接收
4.1.1 分集接收原理 1. 什么是分集接收 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（ Combining ）， 以降低信号电平起伏的办法。 分集：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。
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：
第4章抗干扰和衰落技术

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。
第4章 抗衰落技术

第4章 抗衰落技术

41
*4.2.5 隐分集技术
隐分集技术，是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。 分集作用是隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术
实现分集。 依据传输信号的方式不同，可实现时间隐分集和频率隐分集。采用的
技术主要有交织编码技术、跳频技术和直接序列扩频技术。
42
1．交织编码技术

s

M

k 1
1 k
（4-1）
上式中，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
Gs


s



M k 1
1 k
（4-2）
25
1．选择式合并
图4-5 分集合并后的平均信噪比改善程度
26
1．选择式合并
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。
假定RAKE接收机有M个支路，其输出分别为Z1,Z2,…Zm，对应的加 权因子分别为a1，a2，…,am,加权因子可根据各支路的输出功率或信 噪比决定。
40
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
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。
19
4.2.2 分集信号的合并技术
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。
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。
移动通信第4章抗衰落技术

移动通信第4章抗衰落技术

Bc 1 2

如市区
3 s
Bc 53KHz
优点: 与空间分集相比，减少天线数目 缺点:占用更多的频谱资源，在发射端需要多部发射 机
18
分集接收技术--时间分集

用两个以上的时段传输同一组信息；如果各个时段之间的间隔 大于信道的相干时间，则每个时段所对应的信道衰落是相互独 立的；对这些不同时段的接收信号进行某种方式的合并，就可 以起到抗衰落的作用 要求重发时间间隔满足:

场分量分集 角度分集 极化分集

8
分集接收技术---宏分集
把多个基站设置在不同的地理位置上和在不同方向上， 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）。
分集接收技术

按信号的传输方式可以分为:

显分集

构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天 线接收信号的分集。 分集作用含在传输信号中的方式，在接收端利用 信号处理技术实现分集，它包括交织编码技术， 跳频技术、直接序列扩频等。 隐分集一般用在数字移动通信中。
31
信道编码技术—概述

在移动信道上,误码有两种类型:

随机性误码:

单个码元错误,并且随机发生,主要由噪声引起;

突发性误码:

连续数个码元发生错误,主要由于衰落或阴影造成
因此,信道编码应有克服这两类误码的能力. 信道编码主要是为了纠错,也叫前向纠错 (FEC: Forward error correcting)

衰落有什么影响？

衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。 衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。 衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。 衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影 响某些跟踪过程。
移动通信4 抗衰落技术

移动通信4 抗衰落技术

11
4.1 分集技术---（4）分集的合 并方式（选择合并）
F（x）~ x的关系如图4.8所示。
由此可以看出，在 给定的门限信噪比情况 下，随着分集支路数的 增加，所需支路接收信 号的平均信噪比在下降。
12
4.1 分集技术---（4）分集的合 并方式（最大比合并）
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
和噪声功率Nk成反比，则合并器输出的信噪比有最大值，且等于 各支路信噪比之和：
15
4.1 分集技术---（4）分集的 合并方式（最大比合并）
F（x）~ x的特性如图4.11所示： 通信中断概率 ：
16
4.1 分集技术---（4）分集的合 并方式（等增益合并）
合并器输出的信号的包络等于
17
4.1 分集技术---（4）分集的合 并方式（等增益合并）
式中 即为M重分集的信噪比 概率密度函数。下面以二 重分集为例说明分集对二进制数字传输误码的影响。并以差 分相干解调DPSK 为例进行说明。DPSK的误码率为
22
4.1 分集技术---（5）各合并方式 的性能比较
1. 采用选择合并器的DPSK误码特性 2. 采用最大比值合并器的DPSK误码特性 3. 采用等增益合并器的DPSK误码特性
这是一个（n, k）=(172+12,172)=(184,172)分组码。其生成多 项式为：
35
4.3 信道编码---（2）线性分组码
（2） GSM系统中的循环冗余校验码(CRC码) 在GSM系统中话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中
都使用了CRC码。例如话音编码采用规则脉冲激励－长期预测编码 (RPE-LTP)。它以20ms为一帧，共260 bit,即速率为13kbit/s。
移动通信技术 第四章 抗衰落技术PPT课件

移动通信技术 第四章 抗衰落技术PPT课件

N-k=r为每码组中的监督码元数目，或称为监督位 数目。
图 4 - 13 分组码结构
图 4 - 14 码距的几何意义
分组码
一种编码的最小码距d0的大小直接关系着这 种编码的检错和纠错能力。
一般情况下， 码的检、 纠错能力与最小码距 d0的关系可分为以下三种情况。
(1) 为检测e个错码， 要求最小码距d0≥e+1； (2) 为纠正t个错码， 要求最小码距d0≥2t+1； (3) 为纠正t个错码， 同时检测e个错码， 要求最
抗衰落技术
本章纲要
4.1 分集接收 4.2 RAKE接收 4.3 纠错编码技术 4.4 均衡技术
分集接收
4.1.1 分集技术原理
什么是分集接收？
☺ 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。
☺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； 二是集中 处理， 即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。
小码距d0≥e+t+1 (e＞t)
图 4 - 15 码距与检、 (a) 检测e个错码； (b) 纠正t个错码； (c) 纠正t个错码， 同时检测e个错码
奇偶校验码
表4-3 奇 偶 校 验 码
CRC校验
CRC(循环冗余校验)根据输入比特序列(SK-1,
SK-2, …, S1, S0)通过CRC算法产生L位的校验 比特序列 (CL-1, CL-2, …, C1, C0)。
纠错编码技术
在信息码元序列中加入监督码元就称为差错 控制编码，也称为纠错编码。
传统的信道编码通常分成两大类即分组码和 卷积码。
移动通信——抗衰落技术

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

可以看成是空间分集的一种特殊情况。也需要两 幅天线。
优点：利用了不同极化的电磁波所具有的不相关 衰落特性，因此缩短了天线间的距离。
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波的驻波图形相差 90°相位，即当E波为最大时，H波维最小。
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
(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：
N1 = N2 = … = N
(4 - 14)
第4章 抗衰落技术
并令平均信噪比为 2 / N 0 ， 则
PM ( S t ) (1 e t / 0 )M
由此可得M重选择式分集的可通率为
(4 - 15)
T PM ( S t ) 1 (1 e ) t / 0 M (4 - 16)
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。
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

本质： 对同一路信号在不同的时间/空间/频率的过采样。
第4章 抗衰落技术
4.1 分 集 接收
2. 分集方式
• 分集技术可以分为宏观分集和微观分集 – 宏观分集 ——阴影衰落 – 微观分集 ——微观衰落 • 合并技术 ——获得M个相互独立的多径信号分量，然后对
它们进行处理以获得信噪比的改善
Mobile Communication Theory
• 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（或移动的时间足够长大，大于信 道的相干时间） ，则两处所收信号的衰落是不相关的。 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d 的天线
k1
• 如果各支路的信号具有相同的方差， 即
1222 2
• 各支路的噪声功率也相同， 即
N1 = N2 = … = N
(4 - 14)
第4章 抗衰落技术
• 并令平均信噪比为 2 /，N则0
P M (St)(1e t/0)M
(4 - 15)
• 由此可得M重选择式分集的可通率为
k1
2Nkt )
(4 - 10) (4 - 11)
设rk的起伏服从瑞利分布， 即
pk(rk)
rk
2
erk2/(2k2)
可得
k
Pk(rk
2Nk
t
2Nkt 0
pk(k)drk 1eNkt/k2
(4 - 12)
第4章 抗衰落技术
•则
M
PM( S t) (1eNkt ) /k2 (4 - 13)

移动通信第四章(抗衰落技术详细)


译码器根据编码规则和信道特性，对所接收到的 码字进行判决，这一过程就是译码。设发送的码 字为C,接收到的码字R=C+e,其中e为错误图样，它 指示码字中错误码元的位置。当没有错误时，e为 全零矢量。
26
分组码的基本描述
4.3 纠错编码技术
S RHT
定义接收码字R的伴随式（或校验子）为
如果S=0,则R是一个码字；若S 0,则传输一定有错。 由于
16
4.1
分集接收
时间分集



对信号振幅进行顺序取样，在时间上间隔 足够远的两个样点是互不相关的。 将信号相隔一定的时间间隔重复传输M次， 只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M 条独立的分集支路。 当移动台处于静止状态时，时间分集基本 是没有用处的。
17
4.1
时间分集
分集接收
时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外， 时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的 信号衰落现象。
7
4.1
分集接收

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。 基站数视需要而定

GH O
C aG
24
分组码的基本描述
H称作校验矩阵，它也满足
CHT O
4.3 纠错编码技术
任意两个码字之间汉明距离的最小值称作码的最 小距离，表为dmin。dmin是衡量码的抗干扰能力 （检、纠错能力）的重要参数，dmin越大，码的 抗干扰能力就越强。理论分析表明：

移动通信第四章抗衰落技术应用

移动通信第四章抗衰落技术应用在移动通信领域，信号在传输过程中往往会受到多种因素的影响而导致衰落，这对通信质量和可靠性构成了严重挑战。

第四章所探讨的抗衰落技术，正是为了解决这一关键问题应运而生的。

抗衰落技术的重要性不言而喻。

当我们在使用手机进行通话、上网或者观看视频时，都希望能够获得稳定、清晰和流畅的通信体验。

然而，由于移动环境的复杂性，例如建筑物的遮挡、多径传播、多普勒频移等，信号强度会出现快速而剧烈的变化，从而导致衰落现象的发生。

这可能表现为通话中断、数据传输错误、视频卡顿等问题，严重影响用户的使用感受。

分集技术是一种常见且有效的抗衰落方法。

它的基本原理是通过在不同的空间、时间、频率或极化方向上接收多个副本的信号，并对这些信号进行适当的合并处理，以降低衰落的影响。

空间分集通过在不同的地理位置设置天线来实现；时间分集则利用信号在不同时间的发送和接收来获取多个独立的衰落样本；频率分集借助在不同频率上传输相同的信息；极化分集依靠不同极化方向的天线来接收信号。

通过这些分集方式，即使其中一个或几个分集支路受到严重衰落，其他支路仍可能保持较好的信号质量，从而提高了整体接收信号的可靠性。

均衡技术也是对抗衰落的重要手段之一。

在多径传播的环境中，不同路径的信号到达接收端的时间不同，会导致符号间干扰（ISI）。

均衡技术的目的就是通过对接收信号进行补偿和校正，消除或减轻 ISI 的影响。

自适应均衡器能够根据信道的变化实时调整均衡参数，以适应不同的传输条件。

它可以有效地提高通信系统在衰落信道下的性能，减少误码率，提高数据传输的准确性。

纠错编码技术在抗衰落中也发挥着关键作用。

通过在发送端对信息进行编码，引入一定的冗余度，使得接收端能够在存在噪声和衰落的情况下检测和纠正错误。

常见的纠错编码方式有卷积码、Turbo 码等。

这些编码技术可以大大提高通信系统的容错能力，即使部分信号受到衰落而出现错误，也能够通过纠错机制恢复原始信息，保证通信的可靠性。

移动通信原理与技术第4章-抗信道衰落技术课件.ppt


线性均衡器还可以由格型滤波器实现，如图4.11所示。
图4.11 格型均衡器结构
注意：当移动台处于静止状态时，时间分集不能减 小由多普勒效应引起的信号衰落。
4）极化分集：Polarization Diversity
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。 极 化分集可以看作空间分集的一种特殊情况，也需要两 副天线，只是利用了不同极化波具有不相关的衰落特 性而缩短了天线间的距离。
4.2 分集技术及应用
4.2.1 分集技术的概念
· 分集技术（Diversity Techniques）主要研 究如何利用无线传播环境中相互独立的（或至 少是高度不相关的）多径信号来改善系统的性 能。
· 这些多径信号在结构上和统计特性上具有 不同的特点，对这些信号进行区分，并按一定 规律和原则进行集合与合并处理来实现抗衰落。
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。
4.2.2 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。
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。
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)。
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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
图 4 - 2 二重分集选择式合并
第4章 抗衰落技术
图 4 - 2 为二重分集选择式合并的示意图。 两个支 路的中频信号分别经过解调， 然后作信噪比比较， 选择 其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。
市区 d=0.5λ
(4 - 1)
郊区 d=0.8λ
(4 - 2)
在满足上述条件下，两信号的衰落相关性已经很 弱；d越大，相关性就越弱。
第4章 抗衰落技术
(2) 频率分集。 由于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，以实现频率分集。
Bc
(6) 时间分集。 快衰落除了具有空间和频率独立性之外， 还具有时间独 立性， 即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。
T 1 1
2 fm 2(v / )
式中，fm为衰落频率，v为车速，λ为工作波长，例如，移动速度为30km/h， 工作频率为450MHz，可算得∆T≥40ms。
可以看成是空间分集的一种特殊情况。也需要两 幅天线。
优点：利用了不同极化的电磁波所具有的不相关 衰落特性，因此缩短了天线间的距离。
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波的驻波图形相差 90°相位，即当E波为最大时，H波维最小。
若移动台处于静止状态，即v=0， ∆T为无穷大，表明此时时间分集的得 益将丧失。换句话说，时间分集对静止状态的移动台无助于减小这种衰落。
第4章 抗衰落技术
3. 合并方式
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。
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，这种办法就能保持通信不会中断。
第4章 抗衰落技术
（2）“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。
第4章 抗衰落技术
相 对 电 平 /dB
10 C
0
－ 10 B A
－ 20
信 号A 信 号B 合 成 信 C号
t
图 4 - 1 选择式分集合并示意图
第4章 抗衰落技术
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； 二是集中处理， 即接收机把收到的多个统计独
1
2
∆为时延扩展。例如，市区中∆=3µs，Bc约为53kHz，这样频率分集需要 用两部以上的发射机（频率间隔53kHz以上）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。
缺点：设备复杂；在频谱利用方面也不经济。
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， 因而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。
第4章 抗衰落技术
第4章 抗衰落技术
4.1 分集接收 4.2 RAKE接收
第4章 抗衰落技术
4.1 分集接收
4.1.1 分集接收原理 1. 什么是分集接收 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。 为说明问题， 图 4 - 1 给出了一种利用 “选择式”合并法进行分集的示意图。 图中， A与B 代表两个同一来源的独立衰落信号。
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”。 （1）“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)。