第 4 章抗衰落技术

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包含数量约为10Hz～100Hz的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。

本章提示 • 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。

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。

本章提示 • 数据速率越高，分集，均衡，信道编码和交织技术越显得重要。这些技术已成为数字信号无线传输系统中不可或缺的重要环节。在移动通信系统中，这些抗衰落技术在大多数情况下都是同时采用的。

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。

4.1 抗衰落技术概述 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。 • 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。

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。 • 基站和移动台的接收机都可以应用分集技术。 • 分集技术有多种，主要可分为两大类：显分集和隐分集。

2．均衡技术 • 均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（ISI）。

3．信道编码 • 信道编码是通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。

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。 • 分集技术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（Combining），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，以保证各接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的。

1．空间分集（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。

1．空间分集（Space Diversity） 图4-2 空间分集示意图

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。 • 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。

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） • 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。 • 频率分集的优点是与空间分集相比，减少了天线的数目。但缺点是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 • 将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输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。 • 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 • 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。

4.2.2 分集信号的合并技术 • 根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前（Predetection）合并技术和检测后（Postdetection）合并技术，如图4-3所示。这两种技术都得到了广泛的应用

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）和开关式合并（Switching Combining）。

1．选择式合并 • 选择式合并的原理如图4-4所示。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．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（4-2）

1．选择式合并 图4-5 分集合并后的平均信噪比改善程度

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。

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。

2．最大比合并 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 =（4-3） • 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：当ai = 时，合并后的信噪比达到最大，合并后输出为

2．最大比合并 • 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。

2．最大比合并 • 最大比合并后的平均输出信噪比为 • 式中，下标M表示最大比合并。合并增益为 • 由上式可以看出与M成线性关系，其结果如图4-5所示。

3．等增益合并 • 在最大比合并中，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。等增益合并后的平均输出信噪比为 • 式中，下标E表示等增益合并。合并增益为

3．等增益合并 • 其结果如图4-5所示。 • 从图中可以看出，当M较大时，等增益合并仅比最大比合并差 1.05dB。 • 对于最大比合并和等增益合并，可以采用图4-7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。

3．等增益合并 图4-7 同相调整电路

4．开关式合并 图4-8 开关式合并示意图

4．开关式合并 图4-9 开关式合并的输出包络

4．开关式合并 图4-10 切换发射天线的开关式合并

4.2.3 分集系统的性能 • 分集接收之后，误码率将会得到改善，图4-11所示的是速率的16kbit/s的GMSK(BbTb = 0.25)信号的实验结果。

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。

1．RAKE接收机的定义 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。

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。

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