分集合并技術(shù)課件

第4章抗衰落技術(shù)4.1分集接收4.2功率控制技術(shù)4.3天線陣列與空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)4.4均衡技術(shù)4.5多用戶檢測(cè)與聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)4.6動(dòng)態(tài)信道分配與資源管理思考題與習(xí)題第4章抗衰落技術(shù)4.1分集接收4.1

分集接收4.1分集接收為什么采用分集接收？對(duì)抗多徑效應(yīng)造成的快衰落為什么采用分集接收？對(duì)抗多徑效應(yīng)造成的快衰落4.1分集接收

4.1.1分集接收原理1.什么是分集接收所謂分集接收是指接收端對(duì)它收到的多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立(攜帶同一信息)的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低信號(hào)電平起伏的辦法。

4.1分集接收4.1.1分集接收原理圖4–1選擇式分集合并示意圖4–1選擇式分集合并示意分集的含義分散傳輸：使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；集中處理：接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并（包括選擇與組合）以降低衰落的影響。分集的含義分散傳輸：使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信

2.分集方式在移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能用到兩類分集方式：一類稱為“宏分集”；另一類稱為“微分集”。

“宏分集”主要用于蜂窩通信系統(tǒng)中，也稱為“多基站”分集。這是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù)，其作法是把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置上(如蜂窩小區(qū)的對(duì)角上)和在不同方向上，同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信(可以選用其中信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信)。2.分集方式

顯然，只要在各個(gè)方向上的信號(hào)傳播不是同時(shí)受到陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的慢衰落(基站天線的架設(shè)可以防止這種情況發(fā)生)，這種辦法就能保持通信不會(huì)中斷。

“微分集”是一種減小快衰落影響的分集技術(shù)，在各種無(wú)線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。理論和實(shí)踐都表明，在空間、頻率、極化、場(chǎng)分量、角度及時(shí)間等方面分離的無(wú)線信號(hào)，都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性。據(jù)此，微分集又可分為下列六種：顯然，只要在各個(gè)方向上的信號(hào)傳播不是同時(shí)受到陰(1)空間分集?？臻g分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一個(gè)信號(hào)，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號(hào)的衰落是不相關(guān)的。為此，空間分集的接收機(jī)至少需要兩副相隔距離為d的天線，間隔距離d與工作波長(zhǎng)、地物及天線高度有關(guān)，在移動(dòng)信道中，通常取：市區(qū)d=0.5λ郊區(qū)d=0.8λ在滿足上式的條件下，兩信號(hào)的衰落相關(guān)性已很弱；d越大，相關(guān)性就越弱。由上式可知，在900MHz的頻段工作時(shí)，兩副天線的間隔也只需0.27m.(1)空間分集?？臻g分集的依據(jù)在于快衰落的(2)

頻率分集。由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個(gè)信號(hào)所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個(gè)以上不同的頻率傳輸同一信息，以實(shí)現(xiàn)頻率分集。根據(jù)相關(guān)帶寬的定義，即式中，Δ為延時(shí)擴(kuò)展。例如，市區(qū)中Δ=3μs,Bc約為53kHz。這樣頻率分集需要用兩部以上的發(fā)射機(jī)(頻率相隔53kHz以上)同時(shí)發(fā)送同一信號(hào)，并用兩部以上的獨(dú)立接收機(jī)來接收信號(hào)。它不僅使設(shè)備復(fù)雜，而且在頻譜利用方面也很不經(jīng)濟(jì)。(2)頻率分集。由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的(3)極化分集。由于兩個(gè)不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性，所以發(fā)送端和接收端可以用兩個(gè)位置很近但為不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號(hào)，以獲得分集效果。極化分集可以看成空間分集的一種特殊情況，它也要用兩副天線(二重分集情況)，但僅僅是利用不同極化的電磁波所具有的不相關(guān)衰落特性，因而縮短了天線間的距離。在極化分集中，由于射頻功率分給兩個(gè)不同的極化天線，因此發(fā)射功率要損失3dB。(3)極化分集。由于兩個(gè)不同極化的電磁波具有(4)場(chǎng)分量分集。由電磁場(chǎng)理論可知，電磁波的E場(chǎng)和H場(chǎng)載有相同的消息，而反射機(jī)理是不同的。例如，一個(gè)散射體反射E波和H波的駐波圖形相位差90°，即當(dāng)E波為最大時(shí)，H波為最小。在移動(dòng)信道中，多個(gè)E波和H波疊加，結(jié)果表明EZ、HX和HY的分量是互不相關(guān)的，因此，通過接收三個(gè)場(chǎng)分量，也可以獲得分集的效果。場(chǎng)分量分集不要求天線間有實(shí)體上的間隔，因此適用于較低工作頻段(例如低于100MHz)。當(dāng)工作頻率較高時(shí)(800~900MHz)，空間分集在結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)分量分集和空間分集的優(yōu)點(diǎn)是這兩種方式不像極化分集那樣要損失3dB的輻射功率。(4)場(chǎng)分量分集。由電磁場(chǎng)理論可知，電磁波的(5)角度分集。角度分集的作法是使電波通過幾個(gè)不同路徑，并以不同角度到達(dá)接收端，而接收端利用多個(gè)方向性尖銳的接收天線能分離出不同方向來的信號(hào)分量；由于這些分量具有互相獨(dú)立的衰落特性，因而可以實(shí)現(xiàn)角度分集并獲得抗衰落的效果。顯然，角度分集在較高頻率時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。(5)角度分集。角度分集的作法是使電波通過幾(6)時(shí)間分集。同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨(dú)立的，接收機(jī)將重復(fù)收到的同一信號(hào)進(jìn)行合并，就能減小衰落的影響。時(shí)間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號(hào)。此外，時(shí)間分集也有利于克服移動(dòng)信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號(hào)衰落現(xiàn)象。由于它的衰落速率與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度及工作波長(zhǎng)有關(guān)，為了使重復(fù)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)具有獨(dú)立的特性，必須保證數(shù)字信號(hào)的重發(fā)時(shí)間間隔滿足以下關(guān)系：(6)時(shí)間分集。同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多3.合并方式

假設(shè)M個(gè)輸入信號(hào)電壓為r1(t)，r2(t),…，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為式中，ak為第k個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。(1)選擇式合并。選擇式合并是檢測(cè)所有分集支路的信號(hào)，以選擇其中信噪比最高的那一個(gè)支路的信號(hào)作為合并器的輸出。由上式可見，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項(xiàng)為1，其余均為0。3.合并方式假設(shè)M個(gè)輸入信號(hào)電壓為r1(t圖4–2二重分集選擇式合并圖4–2二重分集選擇式合并(2)最大比值合并。最大比值合并是一種最佳合并方式，其方框圖如圖4-3所示。為了書寫簡(jiǎn)便，每一支路信號(hào)包絡(luò)rk(t)用rk表示。每一支路的加權(quán)系數(shù)ak與信號(hào)包絡(luò)rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即由此可得最大比值合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)為式中，下標(biāo)R是表征最大比值合并方式。(2)最大比值合并。最大比值合并是一種最佳合圖4–3最大比值合并方式2圖4–3最大比值合并方式2(3)等增益合并。等增益合并無(wú)需對(duì)信號(hào)加權(quán)，各支路的信號(hào)是等增益相加的，其方框圖如圖4-4。等增益合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)為式中，下標(biāo)E表征等增益合并。(3)等增益合并。等增益合并無(wú)需對(duì)信號(hào)加權(quán)圖4–4等增益合并2圖4–4等增益合并24.1.2分集合并性能的分析與比較

1.選擇式合并的性能

設(shè)第k個(gè)支路的信號(hào)功率為，噪聲功率為Nk,可得第k支路的信噪比為

通常，一支路的信噪比必須達(dá)到某一門限值γt，才能保證接收機(jī)輸出的話音質(zhì)量(或者誤碼率)達(dá)到要求。如果此信噪比因?yàn)樗ヂ涠陀谶@一門限時(shí)，則認(rèn)為這個(gè)支路的信號(hào)必須舍棄不用。顯然，在選擇式合并的分集接收機(jī)中，4.1.2分集合并性能的分析與比較1.選擇式合并的性只有全部M個(gè)支路的信噪比都達(dá)不到要求，才會(huì)出現(xiàn)通信中斷。若第k個(gè)支路中γk＜γt的概率為Pk(γk＜γt)，則在M個(gè)支路情況下中斷概率以PM(γs＜γt)表示時(shí)，可得γk≤γt，即，或因此只有全部M個(gè)支路的信噪比都達(dá)不到要求，才會(huì)出現(xiàn)通信中斷。若設(shè)rk的起伏服從瑞利分布，即可得則如果各支路的信號(hào)具有相同的方差，即設(shè)rk的起伏服從瑞利分布，即可得則如果各支路的信號(hào)具有各支路的噪聲功率也相同，即并令平均信噪比為σ2/N=γ0，則由此可得M重選擇式分集的可通率為

由于的值小于1，因而在γt/γ0一定時(shí)，分集重?cái)?shù)M增大，可通率T隨之增大。(4-15)各支路的噪聲功率也相同，即并令平均信噪比為σ2/N=γ0，圖4–5選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線圖4–5選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線

其中：M=1表示無(wú)分集，M=2為二重分集，M=3為三重分集，等等。由圖可知，當(dāng)超過縱坐標(biāo)的概率為99%時(shí)，用二重分集(M=2)和三重分集(M=3)的信噪比與無(wú)分集(M=1)的情況相比，分別有10dB和14dB的增益。但是，當(dāng)分集重?cái)?shù)M＞3時(shí)，隨著M的增加，所得信噪比增益的增大越來越緩慢。因此，為了簡(jiǎn)化設(shè)備，實(shí)際中常用二重分集或三重分集。其中：M=1表示無(wú)分集，M=2為二重分集，M=32.最大比值合并的性能最大比值合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)如式(4-6)所示，即

假設(shè)各支路的平均噪聲功率是相互獨(dú)立的，合并器輸出的平均噪聲功率是各支路的噪聲功率之和，即為。因此合并器輸出信噪比(4-17)2.最大比值合并的性能假設(shè)各支路的平均噪聲由于各支路信噪比為即代入式(4-17),可得(4-18)由于各支路信噪比為即代入式(4-17),可得(4-1根據(jù)許瓦爾茲不等式現(xiàn)令則有根據(jù)許瓦爾茲不等式現(xiàn)令則有利用上述關(guān)系式，代入式(4-18)得由上式可知，最大比值合并器輸出可能得到的最大信噪比為各支路信噪比之和，即(4-20)利用上述關(guān)系式，代入式(4-18)得由上式可知，最大比值合

綜上所述，最大比值合并時(shí)各支路加權(quán)系數(shù)與本路信號(hào)幅度成正比，而與本路的噪聲功率成反比，合并后可獲得最大信噪比輸出。若各路噪聲功率相同，則加權(quán)系數(shù)僅隨本路的信號(hào)振幅而變化，信噪比大的支路加權(quán)系數(shù)就大，信噪比小的支路加權(quán)系數(shù)就小。最大比值合并的信噪比γR的概率密度函數(shù)為綜上所述，最大比值合并時(shí)各支路加權(quán)系數(shù)與本路由上式畫出的最大比值合并分集系統(tǒng)的累積概率分布曲線如圖4-6所示。不難得知，在同樣條件下，與圖4-5選擇式合并分集系統(tǒng)相比，它具有較強(qiáng)的抗衰落性能。例如，二重分集(M=2)與無(wú)分集(M=1)相比，在超過縱坐標(biāo)概率為99%情況下有13dB增益，優(yōu)于選擇式合并(10dB增益)。由上式畫出的最大比值合并分集系統(tǒng)的累積概率分布曲線如圖4-圖4-6最大比值合并分集系統(tǒng)輸出載噪比的累積概率分布曲線圖4-6最大比值合并分集系統(tǒng)輸出載噪比的累積概率分布曲

3.等增益合并的性能等增益合并意為各支路的加權(quán)系數(shù)ak(k=1,2,…,M)都等于1，因此等增益合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)rE如式(4-7)所示，即若各支路的噪聲功率均等于N，則(4-24)3.等增益合并的性能若各支路的噪聲功率均等圖4-7等增益合并分集系統(tǒng)載噪比累積概率分布曲線圖4-7等增益合并分集系統(tǒng)載噪比累積概率分布曲線

4.平均信噪比的改善所謂平均信噪比的改善，是指分集接收機(jī)合并器輸出的平均信噪比較無(wú)分集接收機(jī)的平均信噪比改善的分貝數(shù)。

(1)

選擇式合并的改善因子。在選擇式合并方式中，由信噪比γS的概率密度p(γS)可求得平均信噪比為式中，p(γS)可由式(4-15)求得，即(4-25)4.平均信噪比的改善式中，p(γS)可由將上式代入式(4-25)，得選擇式合并器輸出的平均信噪比為因而平均信噪比的改善因子為(4-28)由上式可見，選擇式合并的平均信噪比改善因子隨分集重?cái)?shù)(M)增大而增大，但增大速率較小。改善因子常以dB計(jì)，即式(3-99)可寫成將上式代入式(4-25)，得選擇式合并器輸出的平均信噪比為(2)最大比值合并的改善因子

。由式(4-20)可知即得最大比值合并的信噪比改善因子為由上式可知，最大比值合并的信噪比改善因子隨分集重?cái)?shù)的增大而成正比地增大。以dB計(jì)時(shí)可寫成(2)最大比值合并的改善因子(3)等增益合并的改善因子

。等增益合并時(shí)，由式(4-24)可知因?yàn)橐鸭俣ǜ髦沸盘?hào)不相關(guān)，即有以及瑞利分布性質(zhì)確定的及，可得出平均信噪比為(3)等增益合并的改善因子式中,γ0=σ2/N。最后得出等增益合并的信噪比改善因子為或式中,γ0=σ2/N?；?/p>

例4-1

在二重分集情況，試分別求出三種合并方式的信噪比改善因子。解由式(4-28)可知或由式(4-31)可知或例4-1在二重分集情況，試分別求出三種由式(4-35)可知或

圖4-8給出了三種合并方式的與M的關(guān)系曲線。由圖4-8可見，在相同分集重?cái)?shù)(即M相同)情況下，以最大比值合并方式改善信噪比最多，等增益合并方式次之；在分集重?cái)?shù)M較小時(shí)，等增益合并的信噪比改善接近最大比值合并。選擇式合并所得到的信噪比改善量最少，其原因在前面已指出過，在于合并器輸出只利用了最強(qiáng)一路信號(hào)，而其它各支路都沒有被利用。由式(4-35)可知或圖4-8給出了三圖4-8三種合并方式的與M關(guān)系曲線圖4-8三種合并方式的與M關(guān)系曲線4.1.3數(shù)字化移動(dòng)通信系統(tǒng)的分集性能

1.NFSK二重分集系統(tǒng)平均誤碼率在加性高斯噪聲情況下，NFSK的誤碼率公式為式中，γ為信噪比(或載噪比)。在瑞利衰落信道中，需用平均誤碼率表征，記作，即式中，p(γ)為載噪比γ的概率密度函數(shù)。4.1.3數(shù)字化移動(dòng)通信系統(tǒng)的分集性能在選擇式合并方式中，

p(γ)即為p(γS),由式(4-26)可知，二重分集時(shí)，M=2,此時(shí)平均誤碼率用表示，則有無(wú)分集時(shí)(即M=1)的平均誤碼率為在選擇式合并方式中，p(γ)即為p(γS),由式(4-2如果平均載噪比γ0>>1,則由上述兩式可得例如，無(wú)分集時(shí)，平均誤碼率；采用二重分集后，，即平均誤碼率下降為無(wú)分集時(shí)的1/25。同理，可以求得最大比值合并方式的平均誤碼率。當(dāng)采用二重分集時(shí)，載噪比γR的概率密度p(γR)為如果平均載噪比γ0>>1,則由上述兩式可得例如，無(wú)分集時(shí)由此可得平均誤碼率為

由上述分析可知，從平均誤碼率來看，最大比值合并也是最佳的。在二重分集情況下，較選擇式合并有3dB增益。由此可得平均誤碼率為由上述分析可知，從平均2.DPSK多重分集系統(tǒng)平均誤碼率已知在恒參信道下，DPSK的誤碼率為而在瑞利衰落信道下，平均誤碼率為式中，p(γ)為γ的概率密度函數(shù)，選擇式合并的p(γ)用p(γS)表示，由前面分析已知p(γS)為2.DPSK多重分集系統(tǒng)平均誤碼率而在瑞利衰落信道下，平均由此可得出，無(wú)分集時(shí)(M=1)的平均誤碼率為同理，可求得二重分集(M=2)時(shí)的平均誤碼率為當(dāng)平均載噪比γ0>>1時(shí)，則由此可得出，無(wú)分集時(shí)(M=1)的平均誤碼率當(dāng)M=3時(shí)，有當(dāng)M=4時(shí)，有

由以上所導(dǎo)出的不同分集重?cái)?shù)時(shí)的平均誤碼率計(jì)算式可知，由無(wú)分集改用分集后，誤碼率獲得明顯改善。當(dāng)M=3時(shí)，有當(dāng)M=4時(shí)，有由以上所導(dǎo)出3.三種合并方式的誤碼率比較

表4-1三種合并方式平均誤碼率的比較3.三種合并方式的誤碼率比較表4-1三種合并方式平均

綜上所述，等增益合并的各種性能與最大比值合并相比，低得不多，但從電路實(shí)現(xiàn)上看，較最大比值合并簡(jiǎn)單，尤其是加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，前者遠(yuǎn)較后者簡(jiǎn)單，因此等增益合并是一種較實(shí)用的方式，而當(dāng)分集重?cái)?shù)不多時(shí)，選擇式合并方式仍然是可取的。綜上所述，等增益合并的各種性能與最大比值合分集技術(shù)概念：接收多路

不相干信號(hào)并合并。目標(biāo)：對(duì)抗多徑效應(yīng)造成的快衰落技術(shù)---兩方面如何獲得獨(dú)立多路信號(hào)如何合并獨(dú)立多路信號(hào)

本質(zhì)：對(duì)同一信號(hào)在不同時(shí)間/空間/頻率的過采樣。t分集技術(shù)概念：接收多路不相干信號(hào)并合并。t分集技術(shù)分類跳頻分集技術(shù)分類跳頻分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行過采樣空間分集技術(shù)——用2個(gè)以上的天線收同一個(gè)信號(hào)頻率分集技術(shù)——用2個(gè)以上的載波頻率傳輸時(shí)間分集技術(shù)——在不同時(shí)間接收同一個(gè)信號(hào)極化分集——接收垂直和水平極化信號(hào)Ad/f/t/p常用分集技術(shù)分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行過采樣Ad/f/t/p常用分集時(shí)間分集技術(shù)重發(fā)時(shí)間大于信道的相關(guān)時(shí)間--ARQ技術(shù)用信道相關(guān)時(shí)間設(shè)計(jì)交織編碼的深度。信號(hào)強(qiáng)度時(shí)間t0t1t2t3...

信號(hào)強(qiáng)度時(shí)間快衰落慢衰落時(shí)間分集技術(shù)重發(fā)時(shí)間大于信道的相關(guān)時(shí)間--ARQ技術(shù)信號(hào)強(qiáng)頻率分集技術(shù)兩個(gè)頻率成分具有相互獨(dú)立的衰落特性條件：f2-f1

>>Bc信號(hào)譜密度頻率Rake接收是什么分集技術(shù)？多徑的每一徑時(shí)延不同，進(jìn)行多徑分離合并頻率分集技術(shù)兩個(gè)頻率成分具有相互獨(dú)立的衰落特性信號(hào)譜密度頻率空間位置分集多天線陣元分集多天線發(fā)射分集多天線接收分集條件：d>>dcdc為空間相關(guān)距離信號(hào)強(qiáng)度地理位置空間位置分集多天線陣元分集信號(hào)強(qiáng)度地理位置角度擴(kuò)展---空間角度分集相關(guān)天線陣列：d<1/2波長(zhǎng)>>c0°360°信號(hào)強(qiáng)度角度擴(kuò)展---空間角度分集相關(guān)天線陣列：d<1/2波長(zhǎng)0°3分集合并技術(shù)合并信號(hào)的表達(dá)式信號(hào)信號(hào)合并準(zhǔn)則最大信噪比準(zhǔn)則眼圖最大張開度準(zhǔn)則誤字率最小準(zhǔn)則分類：選擇性合并(SelectiveCombining)等增益合并(Equal-GainCombining)最大比合并(maximalRatioCombining)接收信號(hào)強(qiáng)度t信號(hào)1信號(hào)2分集合并技術(shù)合并信號(hào)的表達(dá)式信號(hào)接收信號(hào)強(qiáng)度t信號(hào)1信號(hào)2合并方法的性能比較合并方法的性能比較分集技術(shù)抗衰落多徑效應(yīng)導(dǎo)致的“快衰落”抗多徑傳輸導(dǎo)致的其它衰落頻率選擇性衰落?時(shí)間選擇性衰落?空間選擇性衰落?抗干擾其它信源產(chǎn)生的干擾？CCI，ISI，MAI？分集技術(shù)抗衰落現(xiàn)有的主要分集技術(shù)Rake接收---？智能天線---空間角度分集多天線陣---空間位置分集ARQ重傳---時(shí)間分集跳擴(kuò)頻---頻率分集+時(shí)間(隱分集)直接序列擴(kuò)頻---頻率分集(隱分集)現(xiàn)有的主要分集技術(shù)Rake接收---？a、隱分集技術(shù)a、隱分集技術(shù)隱分集技術(shù)概念：隱含在信號(hào)傳輸方式中的分集技術(shù)，接收端通過信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集包括：交織編碼技術(shù)，抗深衰落、抗突發(fā)干擾跳頻技術(shù)，抗多徑ISI，抗衰落、抗干擾直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗多徑，抗衰落和干擾隱分集技術(shù)概念：隱含在信號(hào)傳輸方式中的分集技術(shù)，a.1跳頻技術(shù)概念跳頻隱分集跳頻抗多徑ISI跳頻抗同信道干擾跳頻抗頻率選擇性衰落跳頻應(yīng)用GSM慢跳頻Bluetooth快跳頻，每秒1600次高速快調(diào)頻，每比特調(diào)頻一次a.1跳頻技術(shù)概念a.2直接序列擴(kuò)頻(DSSS)擴(kuò)頻/解擴(kuò)過程實(shí)現(xiàn)頻率分集和抗干擾RAKE抗多徑效應(yīng)和衰落信號(hào)譜密度頻率接收信號(hào)功率不變a.2直接序列擴(kuò)頻(DSSS)擴(kuò)頻/解擴(kuò)過程實(shí)現(xiàn)頻率分集和b、Rake接收技術(shù)b、Rake接收技術(shù)b.1多徑信號(hào)分離與合并多徑的分離與合并原因：無(wú)線傳輸信道是一個(gè)多徑信道目標(biāo)：分離+合并多徑，信號(hào)矢量和標(biāo)量和增強(qiáng)信號(hào)，減小干擾，減輕衰落方法：分離：特征碼擴(kuò)頻/解擴(kuò)合并：RAKE接收技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)特征碼的設(shè)計(jì)和信號(hào)帶寬的設(shè)計(jì)。要求直擴(kuò)序列信號(hào)的自相關(guān)性能和互相關(guān)性能要好。Bs>>Bc合并方法和準(zhǔn)則有：第一路徑方法，最強(qiáng)路徑法，等增益合并法，最大比合并法，自適應(yīng)合并法等等b.1多徑信號(hào)分離與合并多徑的分離與合并R.Price和P.E.Green在1958年提出通過RAKE接收機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集主信號(hào)擴(kuò)頻碼時(shí)延擴(kuò)展信號(hào)本地相關(guān)信號(hào)相關(guān)輸出信號(hào)延時(shí)后合成輸出3Tc信道的時(shí)延擴(kuò)展發(fā)脈沖收主信號(hào)時(shí)延擴(kuò)展+接收信號(hào)b.2Rake接收機(jī)原理R.Price和P.E.Green在1958年提出主信號(hào)擴(kuò)頻b.3Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)---匹配濾波器基本概念：finger，路徑搜索，信道估計(jì)，合并匹配濾波(S2(t))包絡(luò)檢波x2(t)匹配濾波(S1(t))包絡(luò)檢波x1(t)匹配濾波(SL(t))包絡(luò)檢波xL(t)

合并b.3Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)---匹配濾波器基本概念：fingb.4Rake接收機(jī)設(shè)計(jì)b.4Rake接收機(jī)設(shè)計(jì)b.5QualComm的Rake接收機(jī)并行相關(guān)器結(jié)構(gòu)移動(dòng)臺(tái)：3個(gè)并行相關(guān)器+多徑搜索器相關(guān)接收最大比合并基站：4個(gè)并行相關(guān)器+多徑搜索器非相關(guān)接收最大比合并相關(guān)器1相關(guān)器2相關(guān)器3搜索器合并b.5QualComm的Rake接收機(jī)并行相關(guān)器結(jié)構(gòu)相關(guān)器4.2功率控制技術(shù)4.2功率控制技術(shù)4.2.1功率控制技術(shù)功率控制技術(shù)的意義對(duì)抗“陰影效應(yīng)”，減小慢衰落減小同信道干擾(CCI)，增加蜂窩系統(tǒng)容量。如同頻網(wǎng)，如adhoc網(wǎng)絡(luò)(802.11b無(wú)功率控制)合理的調(diào)整功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。對(duì)于CDMA，減小“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，提高QoS。功率控制主要因CDMA技術(shù)的發(fā)展而提出的(Qualcomm），也可用于GSM系統(tǒng)4.2.1功率控制技術(shù)功率控制技術(shù)的意義4.2.2功率控制的方法從通信鏈路的角度：反向功率控制前向功率控制從實(shí)現(xiàn)功率控制的方式：集中式功率控制，復(fù)雜分布式功率控制，簡(jiǎn)單，性能非最佳從功率控制的方式：開環(huán)功率控制閉環(huán)功率控制---“乒乓”式控制4.2.2功率控制的方法從通信鏈路的角度：4.2.3CDMA功率控制準(zhǔn)則【主流準(zhǔn)則】

功率平衡準(zhǔn)則指在接收端收到的有用信號(hào)功率相等上行：各個(gè)移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)功率相等下行：各個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到基站的有用信號(hào)相等

信干比SIR平衡準(zhǔn)則指接收到的信干比相等上行：基站收到的各移動(dòng)臺(tái)信干比相等下行：各個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到基站的信干比相等

比較功率平衡準(zhǔn)則容易實(shí)現(xiàn)，性能不如SIR平衡準(zhǔn)則單小區(qū)上行，功率平衡準(zhǔn)則與SIR平衡準(zhǔn)則等效下行鏈路兩準(zhǔn)則意義不同SIR準(zhǔn)則可能導(dǎo)致正反饋，功率控制不穩(wěn)定

其它準(zhǔn)則功率平衡和SIR相結(jié)合誤碼率BER平衡準(zhǔn)則WCDMA采用SIR平衡準(zhǔn)則與誤幀率FER相結(jié)合4.2.3CDMA功率控制準(zhǔn)則【主流準(zhǔn)則】比較4.2.4CDMA中的功率控制

前向功率控制方案：

前向同步CDMA鏈路優(yōu)于反向異步CDMA鏈路前向功控不是重點(diǎn)，用簡(jiǎn)單的慢速閉環(huán)功控功控依據(jù)：各移動(dòng)臺(tái)的誤幀率調(diào)節(jié)步長(zhǎng)：一般0.5dB(12%)調(diào)節(jié)范圍：4～6dB功控調(diào)節(jié)算法：QualComm公司專利

反向功率控制方案

是系統(tǒng)功控的重點(diǎn)，由粗控、精控和外環(huán)控制組成粗控：移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行開環(huán)功率控制精控：移動(dòng)臺(tái)和基站配合進(jìn)行閉環(huán)功率修正外環(huán)控制：確定閉環(huán)精控的門限閾值

動(dòng)態(tài)變化范圍：32dB4.2.4CDMA中的功率控制前向功率控制方案：1前向功率控制基站根據(jù)移動(dòng)臺(tái)提供的信號(hào)功率測(cè)量結(jié)果，調(diào)整基站對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的功率。它又可分為兩種：一種為開環(huán)控制，是基站利用接收移動(dòng)臺(tái)功率，估算正向信道傳輸損耗，從而控制基站業(yè)務(wù)信道發(fā)送功率大小；另一種為閉環(huán)控制，是基站與移動(dòng)臺(tái)相結(jié)合進(jìn)行的動(dòng)態(tài)功率控制。1前向功率控制基站根據(jù)移動(dòng)臺(tái)提供的2反向功率控制反向開環(huán)功率控制是移動(dòng)臺(tái)根據(jù)在小區(qū)中所接收功率的變化，迅速調(diào)節(jié)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率。開環(huán)功率控制的目的，是使所有移動(dòng)臺(tái)（不管遠(yuǎn)、近情況）發(fā)出的信號(hào)在到達(dá)基站時(shí)都有相同的標(biāo)稱功率。它是一種移動(dòng)臺(tái)自己的功率控制。2反向功率控制反向開環(huán)功率控制是移目標(biāo):使基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)的開環(huán)功率進(jìn)行迅速估算或糾正，并使移動(dòng)臺(tái)始終保持最理想的發(fā)射功率。這解決了正向鏈路和反向鏈路間增益容許度和傳輸損耗不一致的問題，保證了在基站收到每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)功率足夠大，同時(shí)對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾又最小。2反向功率控制目標(biāo):使基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)的開環(huán)功率進(jìn)行迅速估算或糾正，并使移動(dòng)臺(tái)IS-95A中的功率控制在IS-95A中，只有基站對(duì)上行鏈路移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行反向功率控制時(shí)，支持頻率為800Hz的快速功率控制?？焖俟β士刂茖?duì)移動(dòng)速度較低的用戶的控制效果比對(duì)高速移動(dòng)用戶的控制效果要好。這是因?yàn)楣β士刂拼嬖谝欢ǖ臅r(shí)延，在進(jìn)行快速功率控制時(shí)，由于時(shí)延的存在使功控速度跟不上高速用戶快衰落的變化時(shí)，功率控制的結(jié)果就很不理想。IS-95A中的功率控制在IS-95A中，只WCDMA系統(tǒng)中的功率控制在WCDMA系統(tǒng)中，功率控制是一項(xiàng)重要的無(wú)線資源管理控制方法。由于WCDMA系統(tǒng)是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)，為了達(dá)到最大的容量，在上行鏈路，需要減小由每個(gè)移動(dòng)臺(tái)引起的干擾功率，避免所謂的遠(yuǎn)近效應(yīng)。如果在上行鏈路不進(jìn)行功率控制，一個(gè)離基站較近的移動(dòng)臺(tái)就可能阻塞整個(gè)小區(qū)，引起小區(qū)內(nèi)部通信障礙。而在下行鏈路，通過對(duì)基站的發(fā)射功率的調(diào)整，使其能夠滿足下行鏈路QOS，達(dá)到順暢通信所要求的SIR值。

開環(huán)功控、閉環(huán)功控和外環(huán)功控WCDMA系統(tǒng)中的功率控制在WCDM開環(huán)功控（OpenloopPowerControl）開環(huán)功率控制主要是發(fā)生在當(dāng)一個(gè)移動(dòng)臺(tái)第一次接入WCDMA系統(tǒng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)功率的初始設(shè)置。移動(dòng)臺(tái)通過對(duì)路徑損耗估計(jì)，測(cè)量下行CPICH的Ec/Io值，然后根據(jù)所測(cè)量的Ec/Io來設(shè)置上行發(fā)射功率的大小。由于所測(cè)量到的Ec/Io值受到傳播環(huán)境，主要是路徑損耗和陰影衰落的影響，因此，當(dāng)測(cè)量到的路徑損耗大、導(dǎo)頻信號(hào)值小時(shí)，移動(dòng)臺(tái)就會(huì)通過功控命令增大發(fā)射功率。反之，當(dāng)導(dǎo)頻信號(hào)值大，路徑損耗小的時(shí)候，移動(dòng)臺(tái)就通過功控命令減小發(fā)射功率。通過開環(huán)功控，移動(dòng)臺(tái)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率來適應(yīng)這種無(wú)線環(huán)境的變化。開環(huán)功控（OpenloopPowerControl）閉環(huán)功控（ClosedloopPowerControl）閉環(huán)功控必須快到足以跟蹤瑞利變化，由于移動(dòng)臺(tái)是在不斷的運(yùn)行當(dāng)中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)時(shí)，多徑效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致在通話過程中接收信號(hào)的功率突然下降，這種效應(yīng)稱為快衰落（瑞利衰落）。通過閉環(huán)功控，可以快速地控制移動(dòng)臺(tái)和基站的發(fā)射功率，用于補(bǔ)償快衰落造成的信號(hào)的衰減。閉環(huán)功控（ClosedloopPowerControlWCDMA中的功控模型SIRtarget和BERtarget分別表示目標(biāo)SIR和BER（BitErrorRatio）值WCDMA系統(tǒng)中的功控命令可以分為：增加功率、保持功率和降低功率，一般的功控步長(zhǎng)為1dB。在上行鏈路中，基站會(huì)比較接收到的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的SIR值和目的SIR值，當(dāng)SIRBSr<SIRBSt時(shí)，基站會(huì)通過功控命令將功控比特位置1，命令移動(dòng)臺(tái)提高發(fā)射功率；當(dāng)SIRBSr>SIRBSt時(shí)，基站會(huì)通過功控命令將功控比特位置0，命令移動(dòng)臺(tái)減小發(fā)射功率。

WCDMA中的功控模型在上行鏈路中，基站會(huì)比較接收到的移動(dòng)外環(huán)功控（OuterLoopPowerControl）外環(huán)功控目的在于調(diào)整閉環(huán)功控的目標(biāo)SIR值，使移動(dòng)臺(tái)接收到的SIR值能夠滿足接收質(zhì)量的要求.在通常情況下，如果當(dāng)時(shí)移動(dòng)臺(tái)所接收到信號(hào)的質(zhì)量不錯(cuò)，則意味著不需要高的目標(biāo)SIR值來保證現(xiàn)在的QoS，因此通過外環(huán)功控指令可以降低移動(dòng)臺(tái)的目標(biāo)SIR值。反之，則需要提高移動(dòng)臺(tái)的目標(biāo)SIR值。外環(huán)功控（OuterLoopPowerControl）4.2.5功率控制技術(shù)小結(jié)抗衰落抗陰影效應(yīng)導(dǎo)致的“慢衰落”是否可以抗多徑效應(yīng)導(dǎo)致的“快衰落”？是否可以對(duì)抗多徑傳播導(dǎo)致的選擇性衰落？頻率選擇性衰落？時(shí)間選擇性衰落？空間選擇性衰落？抗干擾其它信號(hào)源產(chǎn)生的干擾CCI，MAI，ISI4.2.5功率控制技術(shù)小結(jié)抗衰落第4章抗衰落技術(shù)4.1分集接收4.2功率控制技術(shù)4.3天線陣列與空時(shí)聯(lián)合處理技術(shù)4.4均衡技術(shù)4.5多用戶檢測(cè)與聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)4.6動(dòng)態(tài)信道分配與資源管理思考題與習(xí)題第4章抗衰落技術(shù)4.1分集接收4.1

分集接收4.1分集接收為什么采用分集接收？對(duì)抗多徑效應(yīng)造成的快衰落為什么采用分集接收？對(duì)抗多徑效應(yīng)造成的快衰落4.1分集接收

4.1.1分集接收原理1.什么是分集接收所謂分集接收是指接收端對(duì)它收到的多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立(攜帶同一信息)的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低信號(hào)電平起伏的辦法。

4.1分集接收4.1.1分集接收原理圖4–1選擇式分集合并示意圖4–1選擇式分集合并示意分集的含義分散傳輸：使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；集中處理：接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并（包括選擇與組合）以降低衰落的影響。分集的含義分散傳輸：使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信

2.分集方式在移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能用到兩類分集方式：一類稱為“宏分集”；另一類稱為“微分集”。

“宏分集”主要用于蜂窩通信系統(tǒng)中，也稱為“多基站”分集。這是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù)，其作法是把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置上(如蜂窩小區(qū)的對(duì)角上)和在不同方向上，同時(shí)和小區(qū)內(nèi)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信(可以選用其中信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信)。2.分集方式

顯然，只要在各個(gè)方向上的信號(hào)傳播不是同時(shí)受到陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的慢衰落(基站天線的架設(shè)可以防止這種情況發(fā)生)，這種辦法就能保持通信不會(huì)中斷。

“微分集”是一種減小快衰落影響的分集技術(shù)，在各種無(wú)線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。理論和實(shí)踐都表明，在空間、頻率、極化、場(chǎng)分量、角度及時(shí)間等方面分離的無(wú)線信號(hào)，都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性。據(jù)此，微分集又可分為下列六種：顯然，只要在各個(gè)方向上的信號(hào)傳播不是同時(shí)受到陰(1)空間分集?？臻g分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一個(gè)信號(hào)，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號(hào)的衰落是不相關(guān)的。為此，空間分集的接收機(jī)至少需要兩副相隔距離為d的天線，間隔距離d與工作波長(zhǎng)、地物及天線高度有關(guān)，在移動(dòng)信道中，通常?。菏袇^(qū)d=0.5λ郊區(qū)d=0.8λ在滿足上式的條件下，兩信號(hào)的衰落相關(guān)性已很弱；d越大，相關(guān)性就越弱。由上式可知，在900MHz的頻段工作時(shí)，兩副天線的間隔也只需0.27m.(1)空間分集。空間分集的依據(jù)在于快衰落的(2)

頻率分集。由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個(gè)信號(hào)所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個(gè)以上不同的頻率傳輸同一信息，以實(shí)現(xiàn)頻率分集。根據(jù)相關(guān)帶寬的定義，即式中，Δ為延時(shí)擴(kuò)展。例如，市區(qū)中Δ=3μs,Bc約為53kHz。這樣頻率分集需要用兩部以上的發(fā)射機(jī)(頻率相隔53kHz以上)同時(shí)發(fā)送同一信號(hào)，并用兩部以上的獨(dú)立接收機(jī)來接收信號(hào)。它不僅使設(shè)備復(fù)雜，而且在頻譜利用方面也很不經(jīng)濟(jì)。(2)頻率分集。由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的(3)極化分集。由于兩個(gè)不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性，所以發(fā)送端和接收端可以用兩個(gè)位置很近但為不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號(hào)，以獲得分集效果。極化分集可以看成空間分集的一種特殊情況，它也要用兩副天線(二重分集情況)，但僅僅是利用不同極化的電磁波所具有的不相關(guān)衰落特性，因而縮短了天線間的距離。在極化分集中，由于射頻功率分給兩個(gè)不同的極化天線，因此發(fā)射功率要損失3dB。(3)極化分集。由于兩個(gè)不同極化的電磁波具有(4)場(chǎng)分量分集。由電磁場(chǎng)理論可知，電磁波的E場(chǎng)和H場(chǎng)載有相同的消息，而反射機(jī)理是不同的。例如，一個(gè)散射體反射E波和H波的駐波圖形相位差90°，即當(dāng)E波為最大時(shí)，H波為最小。在移動(dòng)信道中，多個(gè)E波和H波疊加，結(jié)果表明EZ、HX和HY的分量是互不相關(guān)的，因此，通過接收三個(gè)場(chǎng)分量，也可以獲得分集的效果。場(chǎng)分量分集不要求天線間有實(shí)體上的間隔，因此適用于較低工作頻段(例如低于100MHz)。當(dāng)工作頻率較高時(shí)(800~900MHz)，空間分集在結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)分量分集和空間分集的優(yōu)點(diǎn)是這兩種方式不像極化分集那樣要損失3dB的輻射功率。(4)場(chǎng)分量分集。由電磁場(chǎng)理論可知，電磁波的(5)角度分集。角度分集的作法是使電波通過幾個(gè)不同路徑，并以不同角度到達(dá)接收端，而接收端利用多個(gè)方向性尖銳的接收天線能分離出不同方向來的信號(hào)分量；由于這些分量具有互相獨(dú)立的衰落特性，因而可以實(shí)現(xiàn)角度分集并獲得抗衰落的效果。顯然，角度分集在較高頻率時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。(5)角度分集。角度分集的作法是使電波通過幾(6)時(shí)間分集。同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨(dú)立的，接收機(jī)將重復(fù)收到的同一信號(hào)進(jìn)行合并，就能減小衰落的影響。時(shí)間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號(hào)。此外，時(shí)間分集也有利于克服移動(dòng)信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號(hào)衰落現(xiàn)象。由于它的衰落速率與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度及工作波長(zhǎng)有關(guān)，為了使重復(fù)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)具有獨(dú)立的特性，必須保證數(shù)字信號(hào)的重發(fā)時(shí)間間隔滿足以下關(guān)系：(6)時(shí)間分集。同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多3.合并方式

假設(shè)M個(gè)輸入信號(hào)電壓為r1(t)，r2(t),…，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為式中，ak為第k個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。(1)選擇式合并。選擇式合并是檢測(cè)所有分集支路的信號(hào)，以選擇其中信噪比最高的那一個(gè)支路的信號(hào)作為合并器的輸出。由上式可見，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項(xiàng)為1，其余均為0。3.合并方式假設(shè)M個(gè)輸入信號(hào)電壓為r1(t圖4–2二重分集選擇式合并圖4–2二重分集選擇式合并(2)最大比值合并。最大比值合并是一種最佳合并方式，其方框圖如圖4-3所示。為了書寫簡(jiǎn)便，每一支路信號(hào)包絡(luò)rk(t)用rk表示。每一支路的加權(quán)系數(shù)ak與信號(hào)包絡(luò)rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即由此可得最大比值合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)為式中，下標(biāo)R是表征最大比值合并方式。(2)最大比值合并。最大比值合并是一種最佳合圖4–3最大比值合并方式2圖4–3最大比值合并方式2(3)等增益合并。等增益合并無(wú)需對(duì)信號(hào)加權(quán)，各支路的信號(hào)是等增益相加的，其方框圖如圖4-4。等增益合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)為式中，下標(biāo)E表征等增益合并。(3)等增益合并。等增益合并無(wú)需對(duì)信號(hào)加權(quán)圖4–4等增益合并2圖4–4等增益合并24.1.2分集合并性能的分析與比較

1.選擇式合并的性能

設(shè)第k個(gè)支路的信號(hào)功率為，噪聲功率為Nk,可得第k支路的信噪比為

通常，一支路的信噪比必須達(dá)到某一門限值γt，才能保證接收機(jī)輸出的話音質(zhì)量(或者誤碼率)達(dá)到要求。如果此信噪比因?yàn)樗ヂ涠陀谶@一門限時(shí)，則認(rèn)為這個(gè)支路的信號(hào)必須舍棄不用。顯然，在選擇式合并的分集接收機(jī)中，4.1.2分集合并性能的分析與比較1.選擇式合并的性只有全部M個(gè)支路的信噪比都達(dá)不到要求，才會(huì)出現(xiàn)通信中斷。若第k個(gè)支路中γk＜γt的概率為Pk(γk＜γt)，則在M個(gè)支路情況下中斷概率以PM(γs＜γt)表示時(shí)，可得γk≤γt，即，或因此只有全部M個(gè)支路的信噪比都達(dá)不到要求，才會(huì)出現(xiàn)通信中斷。若設(shè)rk的起伏服從瑞利分布，即可得則如果各支路的信號(hào)具有相同的方差，即設(shè)rk的起伏服從瑞利分布，即可得則如果各支路的信號(hào)具有各支路的噪聲功率也相同，即并令平均信噪比為σ2/N=γ0，則由此可得M重選擇式分集的可通率為

由于的值小于1，因而在γt/γ0一定時(shí)，分集重?cái)?shù)M增大，可通率T隨之增大。(4-15)各支路的噪聲功率也相同，即并令平均信噪比為σ2/N=γ0，圖4–5選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線圖4–5選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線

其中：M=1表示無(wú)分集，M=2為二重分集，M=3為三重分集，等等。由圖可知，當(dāng)超過縱坐標(biāo)的概率為99%時(shí)，用二重分集(M=2)和三重分集(M=3)的信噪比與無(wú)分集(M=1)的情況相比，分別有10dB和14dB的增益。但是，當(dāng)分集重?cái)?shù)M＞3時(shí)，隨著M的增加，所得信噪比增益的增大越來越緩慢。因此，為了簡(jiǎn)化設(shè)備，實(shí)際中常用二重分集或三重分集。其中：M=1表示無(wú)分集，M=2為二重分集，M=32.最大比值合并的性能最大比值合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)如式(4-6)所示，即

假設(shè)各支路的平均噪聲功率是相互獨(dú)立的，合并器輸出的平均噪聲功率是各支路的噪聲功率之和，即為。因此合并器輸出信噪比(4-17)2.最大比值合并的性能假設(shè)各支路的平均噪聲由于各支路信噪比為即代入式(4-17),可得(4-18)由于各支路信噪比為即代入式(4-17),可得(4-1根據(jù)許瓦爾茲不等式現(xiàn)令則有根據(jù)許瓦爾茲不等式現(xiàn)令則有利用上述關(guān)系式，代入式(4-18)得由上式可知，最大比值合并器輸出可能得到的最大信噪比為各支路信噪比之和，即(4-20)利用上述關(guān)系式，代入式(4-18)得由上式可知，最大比值合

綜上所述，最大比值合并時(shí)各支路加權(quán)系數(shù)與本路信號(hào)幅度成正比，而與本路的噪聲功率成反比，合并后可獲得最大信噪比輸出。若各路噪聲功率相同，則加權(quán)系數(shù)僅隨本路的信號(hào)振幅而變化，信噪比大的支路加權(quán)系數(shù)就大，信噪比小的支路加權(quán)系數(shù)就小。最大比值合并的信噪比γR的概率密度函數(shù)為綜上所述，最大比值合并時(shí)各支路加權(quán)系數(shù)與本路由上式畫出的最大比值合并分集系統(tǒng)的累積概率分布曲線如圖4-6所示。不難得知，在同樣條件下，與圖4-5選擇式合并分集系統(tǒng)相比，它具有較強(qiáng)的抗衰落性能。例如，二重分集(M=2)與無(wú)分集(M=1)相比，在超過縱坐標(biāo)概率為99%情況下有13dB增益，優(yōu)于選擇式合并(10dB增益)。由上式畫出的最大比值合并分集系統(tǒng)的累積概率分布曲線如圖4-圖4-6最大比值合并分集系統(tǒng)輸出載噪比的累積概率分布曲線圖4-6最大比值合并分集系統(tǒng)輸出載噪比的累積概率分布曲

3.等增益合并的性能等增益合并意為各支路的加權(quán)系數(shù)ak(k=1,2,…,M)都等于1，因此等增益合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)rE如式(4-7)所示，即若各支路的噪聲功率均等于N，則(4-24)3.等增益合并的性能若各支路的噪聲功率均等圖4-7等增益合并分集系統(tǒng)載噪比累積概率分布曲線圖4-7等增益合并分集系統(tǒng)載噪比累積概率分布曲線

4.平均信噪比的改善所謂平均信噪比的改善，是指分集接收機(jī)合并器輸出的平均信噪比較無(wú)分集接收機(jī)的平均信噪比改善的分貝數(shù)。

(1)

選擇式合并的改善因子。在選擇式合并方式中，由信噪比γS的概率密度p(γS)可求得平均信噪比為式中，p(γS)可由式(4-15)求得，即(4-25)4.平均信噪比的改善式中，p(γS)可由將上式代入式(4-25)，得選擇式合并器輸出的平均信噪比為因而平均信噪比的改善因子為(4-28)由上式可見，選擇式合并的平均信噪比改善因子隨分集重?cái)?shù)(M)增大而增大，但增大速率較小。改善因子常以dB計(jì)，即式(3-99)可寫成將上式代入式(4-25)，得選擇式合并器輸出的平均信噪比為(2)最大比值合并的改善因子

。由式(4-20)可知即得最大比值合并的信噪比改善因子為由上式可知，最大比值合并的信噪比改善因子隨分集重?cái)?shù)的增大而成正比地增大。以dB計(jì)時(shí)可寫成(2)最大比值合并的改善因子(3)等增益合并的改善因子

。等增益合并時(shí)，由式(4-24)可知因?yàn)橐鸭俣ǜ髦沸盘?hào)不相關(guān)，即有以及瑞利分布性質(zhì)確定的及，可得出平均信噪比為(3)等增益合并的改善因子式中,γ0=σ2/N。最后得出等增益合并的信噪比改善因子為或式中,γ0=σ2/N?；?/p>

例4-1

在二重分集情況，試分別求出三種合并方式的信噪比改善因子。解由式(4-28)可知或由式(4-31)可知或例4-1在二重分集情況，試分別求出三種由式(4-35)可知或

圖4-8給出了三種合并方式的與M的關(guān)系曲線。由圖4-8可見，在相同分集重?cái)?shù)(即M相同)情況下，以最大比值合并方式改善信噪比最多，等增益合并方式次之；在分集重?cái)?shù)M較小時(shí)，等增益合并的信噪比改善接近最大比值合并。選擇式合并所得到的信噪比改善量最少，其原因在前面已指出過，在于合并器輸出只利用了最強(qiáng)一路信號(hào)，而其它各支路都沒有被利用。由式(4-35)可知或圖4-8給出了三圖4-8三種合并方式的與M關(guān)系曲線圖4-8三種合并方式的與M關(guān)系曲線4.1.3數(shù)字化移動(dòng)通信系統(tǒng)的分集性能

1.NFSK二重分集系統(tǒng)平均誤碼率在加性高斯噪聲情況下，NFSK的誤碼率公式為式中，γ為信噪比(或載噪比)。在瑞利衰落信道中，需用平均誤碼率表征，記作，即式中，p(γ)為載噪比γ的概率密度函數(shù)。4.1.3數(shù)字化移動(dòng)通信系統(tǒng)的分集性能在選擇式合并方式中，

p(γ)即為p(γS),由式(4-26)可知，二重分集時(shí)，M=2,此時(shí)平均誤碼率用表示，則有無(wú)分集時(shí)(即M=1)的平均誤碼率為在選擇式合并方式中，p(γ)即為p(γS),由式(4-2如果平均載噪比γ0>>1,則由上述兩式可得例如，無(wú)分集時(shí)，平均誤碼率；采用二重分集后，，即平均誤碼率下降為無(wú)分集時(shí)的1/25。同理，可以求得最大比值合并方式的平均誤碼率。當(dāng)采用二重分集時(shí)，載噪比γR的概率密度p(γR)為如果平均載噪比γ0>>1,則由上述兩式可得例如，無(wú)分集時(shí)由此可得平均誤碼率為

由上述分析可知，從平均誤碼率來看，最大比值合并也是最佳的。在二重分集情況下，較選擇式合并有3dB增益。由此可得平均誤碼率為由上述分析可知，從平均2.DPSK多重分集系統(tǒng)平均誤碼率已知在恒參信道下，DPSK的誤碼率為而在瑞利衰落信道下，平均誤碼率為式中，p(γ)為γ的概率密度函數(shù)，選擇式合并的p(γ)用p(γS)表示，由前面分析已知p(γS)為2.DPSK多重分集系統(tǒng)平均誤碼率而在瑞利衰落信道下，平均由此可得出，無(wú)分集時(shí)(M=1)的平均誤碼率為同理，可求得二重分集(M=2)時(shí)的平均誤碼率為當(dāng)平均載噪比γ0>>1時(shí)，則由此可得出，無(wú)分集時(shí)(M=1)的平均誤碼率當(dāng)M=3時(shí)，有當(dāng)M=4時(shí)，有

由以上所導(dǎo)出的不同分集重?cái)?shù)時(shí)的平均誤碼率計(jì)算式可知，由無(wú)分集改用分集后，誤碼率獲得明顯改善。當(dāng)M=3時(shí)，有當(dāng)M=4時(shí)，有由以上所導(dǎo)出3.三種合并方式的誤碼率比較

表4-1三種合并方式平均誤碼率的比較3.三種合并方式的誤碼率比較表4-1三種合并方式平均

綜上所述，等增益合并的各種性能與最大比值合并相比，低得不多，但從電路實(shí)現(xiàn)上看，較最大比值合并簡(jiǎn)單，尤其是加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，前者遠(yuǎn)較后者簡(jiǎn)單，因此等增益合并是一種較實(shí)用的方式，而當(dāng)分集重?cái)?shù)不多時(shí)，選擇式合并方式仍然是可取的。綜上所述，等增益合并的各種性能與最大比值合分集技術(shù)概念：接收多路

不相干信號(hào)并合并。目標(biāo)：對(duì)抗多徑效應(yīng)造成的快衰落技術(shù)---兩方面如何獲得獨(dú)立多路信號(hào)如何合并獨(dú)立多路信號(hào)

本質(zhì)：對(duì)同一信號(hào)在不同時(shí)間/空間/頻率的過采樣。t分集技術(shù)概念：接收多路不相干信號(hào)并合并。t分集技術(shù)分類跳頻分集技術(shù)分類跳頻分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行過采樣空間分集技術(shù)——用2個(gè)以上的天線收同一個(gè)信號(hào)頻率分集技術(shù)——用2個(gè)以上的載波頻率傳輸時(shí)間分集技術(shù)——在不同時(shí)間接收同一個(gè)信號(hào)極化分集——接收垂直和水平極化信號(hào)Ad/f/t/p常用分集技術(shù)分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行過采樣Ad/f/t/p常用分集時(shí)間分集技術(shù)重發(fā)時(shí)間大于信道的相關(guān)時(shí)間--ARQ技術(shù)用信道相關(guān)時(shí)間設(shè)計(jì)交織編碼的深度。信號(hào)強(qiáng)度時(shí)間t0t1t2t3...

信號(hào)強(qiáng)度時(shí)間快衰落慢衰落時(shí)間分集技術(shù)重發(fā)時(shí)間大于信道的相關(guān)時(shí)間--ARQ技術(shù)信號(hào)強(qiáng)頻率分集技術(shù)兩個(gè)頻率成分具有相互獨(dú)立的衰落特性條件：f2-f1

>>Bc信號(hào)譜密度頻率Rake接收是什么分集技術(shù)？多徑的每一徑時(shí)延不同，進(jìn)行多徑分離合并頻率分集技術(shù)兩個(gè)頻率成分具有相互獨(dú)立的衰落特性信號(hào)譜密度頻率空間位置分集多天線陣元分集多天線發(fā)射分集多天線接收分集條件：d>>dcdc為空間相關(guān)距離信號(hào)強(qiáng)度地理位置空間位置分集多天線陣元分集信號(hào)強(qiáng)度地理位置角度擴(kuò)展---空間角度分集相關(guān)天線陣列：d<1/2波長(zhǎng)>>c0°360°信號(hào)強(qiáng)度角度擴(kuò)展---空間角度分集相關(guān)天線陣列：d<1/2波長(zhǎng)0°3分集合并技術(shù)合并信號(hào)的表達(dá)式信號(hào)信號(hào)合并準(zhǔn)則最大信噪比準(zhǔn)則眼圖最大張開度準(zhǔn)則誤字率最小準(zhǔn)則分類：選擇性合并(SelectiveCombining)等增益合并(Equal-GainCombining)最大比合并(maximalRatioCombining)接收信號(hào)強(qiáng)度t信號(hào)1信號(hào)2分集合并技術(shù)合并信號(hào)的表達(dá)式信號(hào)接收信號(hào)強(qiáng)度t信號(hào)1信號(hào)2合并方法的性能比較合并方法的性能比較分集技術(shù)抗衰落多徑效應(yīng)導(dǎo)致的“快衰落”抗多徑傳輸導(dǎo)致的其它衰落頻率選擇性衰落?時(shí)間選擇性衰落?空間選擇性衰落?抗干擾其它信源產(chǎn)生的干擾？CCI，ISI，MAI？分集技術(shù)抗衰落現(xiàn)有的主要分集技術(shù)Rake接收---？智能天線---空間角度分集多天線陣---空間位置分集ARQ重傳---時(shí)間分集跳擴(kuò)頻---頻率分集+時(shí)間(隱分集)直接序列擴(kuò)頻---頻率分集(隱分集)現(xiàn)有的主要分集技術(shù)Rake接收---？a、隱分集技術(shù)a、隱分集技術(shù)隱分集技術(shù)概念：隱含在信號(hào)傳輸方式中的分集技術(shù)，接收端通過信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集包括：交織編碼技術(shù)，抗深衰落、抗突發(fā)干擾跳頻技術(shù)，抗多徑ISI，抗衰落、抗干擾直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗多徑，抗衰落和干擾隱分集技術(shù)概念：隱含在信號(hào)傳輸方式中的分集技術(shù)，a.1跳頻技術(shù)概念跳頻隱分集跳頻抗多徑ISI跳頻抗同信道干擾跳頻抗頻率選擇性衰落跳頻應(yīng)用GSM慢跳頻Bluetooth快跳頻，每秒1600次高速快調(diào)頻，每比特調(diào)頻一次a.1跳頻技術(shù)概念a.2直接序列擴(kuò)頻(DSSS)擴(kuò)頻/解擴(kuò)過程實(shí)現(xiàn)頻率分集和抗干擾RAKE抗多徑效應(yīng)和衰落信號(hào)譜密度頻率接收信號(hào)功率不變a.2直接序列擴(kuò)頻(DSSS)擴(kuò)頻/解擴(kuò)過程實(shí)現(xiàn)頻率分集和b、Rake接收技術(shù)b、Rake接收技術(shù)b.1多徑信號(hào)分離與合并多徑的分離與合并原因：無(wú)線傳輸信道是一個(gè)多徑信道目標(biāo)：分離+合并多徑，信號(hào)矢量和標(biāo)量和增強(qiáng)信號(hào)，減小干擾，減輕衰落方法：分離：特征碼擴(kuò)頻/解擴(kuò)合并：RAKE接收技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)特征碼的設(shè)計(jì)和信號(hào)帶寬的設(shè)計(jì)。要求直擴(kuò)序列信號(hào)的自相關(guān)性能和互相關(guān)性能要好。Bs>>Bc合并方法和準(zhǔn)則有：第一路徑方法，最強(qiáng)路徑法，等增益合并法，最大比合并法，自適應(yīng)合并法等等b.1多徑信號(hào)分離與合并多徑的分離與合并R.Price和P.E.Green在1958年提出通過RAKE接收機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集主信號(hào)擴(kuò)頻碼時(shí)延擴(kuò)展信號(hào)本地相關(guān)信號(hào)相關(guān)輸出信號(hào)延時(shí)后合成輸出3Tc信道的時(shí)延擴(kuò)展發(fā)脈沖收主信號(hào)時(shí)延擴(kuò)展+接收信號(hào)b.2Rake接收機(jī)原理R.Price和P.E.Green在1958年提出主信號(hào)擴(kuò)頻b.3Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)---匹配濾波器基本概念：finger，路徑搜索，信道估計(jì)，合并匹配濾波(S2(t))包絡(luò)檢波x2(t)匹配濾波(S1(t))包絡(luò)檢波x1(t)匹配濾波(SL(t))包絡(luò)檢波xL(t)

合并b.3Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)---匹配濾波器基本概念：fingb.4Rake接收機(jī)設(shè)計(jì)b.4Rake接收機(jī)設(shè)計(jì)b.5QualComm的Rake接收機(jī)并行相關(guān)器結(jié)構(gòu)移動(dòng)臺(tái)：3個(gè)并行相關(guān)器+多徑搜索器相關(guān)接收最大比合并基站：4個(gè)并行相關(guān)器+多徑搜索器非相關(guān)接收最大比合并相關(guān)器1相關(guān)器2相關(guān)器3搜索器合并b.5QualComm的Rake接收機(jī)并行相關(guān)器結(jié)構(gòu)相關(guān)器4.2功率控制技術(shù)4.2功率控制技術(shù)4.2.1功率控制技術(shù)功率控制技術(shù)的意義對(duì)抗“陰影效應(yīng)”，減小慢衰落減小同信道干擾(CCI)，增加蜂窩系統(tǒng)容量。如同頻網(wǎng)，如adhoc網(wǎng)絡(luò)(802.11b無(wú)功率控制)合理的調(diào)整功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。對(duì)于CDMA，減小“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，提高QoS。功率控制主要因CDMA技術(shù)的發(fā)展而提出的(Qualcomm），也可用于GSM系統(tǒng)4.2.1功率控制技術(shù)功率控制技術(shù)的意義4.2.2功率控制的方法從通信鏈路的角度：反向功率控制前向功率控制從實(shí)現(xiàn)功率控制的方式：集中式功率控制，復(fù)雜分布式功率控制，簡(jiǎn)單，性能非最佳從功率控制的方式：開環(huán)功率控制閉環(huán)功率控制---“乒乓”式控制4.2.2功率控制的方法從通信鏈路的角度：4.2.3CDMA功率控制準(zhǔn)則【主流準(zhǔn)則】

功率平衡準(zhǔn)則指在接收端收到的有用信號(hào)功率相等上行：各個(gè)移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)功率相等下行：各個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到基站的有用信號(hào)相等

信干比SIR平衡準(zhǔn)則指接收到的信干比相