第4章抗衰落技術(shù)

第4章抗衰落技術(shù)本章提示衰落是移動(dòng)通信信道的基本特征。多徑傳播使接收信號不僅多普勒頻移和幾十分貝的深度衰落，而且有數(shù)微秒的時(shí)延差。這些影響會造成傳輸性能的下降和嚴(yán)重的碼間干擾（ISI），使數(shù)字信號誤碼率增加。陰影效應(yīng)和氣象條件的變化會造成信號幅度的降低和相位變化。這都是移動(dòng)信道獨(dú)有的特性，它將影響移動(dòng)通信系統(tǒng)的接收性能。本章提示

為了提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能，采用分集、信道均衡和信道編碼三種技術(shù)來改善接收信號質(zhì)量。這三種技術(shù)的共同特點(diǎn)，都是如何適應(yīng)信道的衰落，時(shí)延擴(kuò)展和信道的時(shí)間特性。而交織技術(shù)則是改變信道特性以解決由于突發(fā)干擾而造成成串誤碼的問題。第4章抗衰落技術(shù)4.1抗衰落技術(shù)概述4.2分集接收技術(shù)*4.3均衡基本概念4.1抗衰落技術(shù)概述在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,發(fā)送的信號經(jīng)過反射、散射等傳播路徑，到達(dá)接收端的信號往往是多個(gè)幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落，如下圖4-1。

圖4-1移動(dòng)信道中典型的衰落信號4.1抗衰落技術(shù)概述在移動(dòng)通信信道中，除了多徑衰落還有陰影衰落。氣象條件等的變化也都影響信號的傳播，使接收到的信號的幅度和相位發(fā)生變化。為了提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能，分集、均衡和信道編碼這三種技術(shù)在用來改進(jìn)接收信號質(zhì)量時(shí)，既可單獨(dú)使用，也可組合使用。1．分集技術(shù)分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常要通過兩個(gè)或更多的接收天線來實(shí)現(xiàn)?；竞鸵苿?dòng)臺的接收機(jī)都可以應(yīng)用分集技術(shù)。分集技術(shù)有多種，主要可分為兩大類：顯分集和隱分集。1．分集技術(shù)顯分集：包括空間分集、天線極化分集、頻率分集和時(shí)間分集等；隱分集：把分集作用隱蔽于傳輸信號之中（如交織編碼、直接擴(kuò)頻和RAKE接收技術(shù)等）。2．均衡技術(shù)均衡技術(shù)可以補(bǔ)償時(shí)分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的碼間干擾（ISI）。3．信道編碼信道編碼是通過在發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能。4.2分集接收技術(shù)4.2.1分集技術(shù)的基本概念及方法4.2.2分集信號的合并技術(shù)4.2.3分集系統(tǒng)的性能*4.2.4RAKE接收機(jī) *4.2.5隱分集技術(shù)4.2.1分集技術(shù)的基本概念

及方法分集技術(shù)（DiversityTechniques）就是研究如何利用多徑信號來改善系統(tǒng)的性能?；舅枷耄豪枚鄺l傳輸相同信息且具有近似相等的平均信號強(qiáng)度和相互獨(dú)立衰落特性的信號路徑，并在接收端對這些信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，以便大大降低多徑衰落的影響，從而改善傳輸?shù)目煽啃浴?．空間分集

（SpaceDiversity）發(fā)射端采用一副發(fā)射天線，接收端采用多副天線。接收端天線之間的距離d應(yīng)足夠大，保證各接收天線輸出信號的衰落特性相互獨(dú)立。1．空間分集

（SpaceDiversity）空間分集的原理如圖4-2；圖4-2空間分集示意圖1．空間分集

（SpaceDiversity）在移動(dòng)通信中，空間的間距越大，多徑傳播的差異就越大，所收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。為獲得相同的相關(guān)系數(shù)，基站兩分集天線之間垂直距離應(yīng)大于水平距離。1．空間分集

（SpaceDiversity）對于空間分集而言，分集的支路數(shù)M越大，分集的效果越好。但當(dāng)M較大時(shí)（如M>3），分集的復(fù)雜性增加，分集增益的增加隨著M的增大而變得緩慢。2．極化分集

（PolarizationDiversity）在移動(dòng)環(huán)境下，兩個(gè)在同一地點(diǎn)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān)衰落特性。利用這一點(diǎn)，在發(fā)送端同一地點(diǎn)分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號。2．極化分集

（PolarizationDiversity）極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有兩路。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省空間。缺點(diǎn)：由于發(fā)射功率要分配到兩幅天線上，信號功率將有3dB的損失。3．角度分集

（AngleDiversity）由于地形地貌和建筑物等環(huán)境的不同，到達(dá)接收端的不同路徑的信號可能來自于不同的方向。在接收端，采用方向性天線，分別指向不同的信號到達(dá)方向，則每個(gè)方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的。4．頻率分集

（FrequencyDiversity）將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去，只要載頻之間的間隔足夠大（大于相干帶寬），那么在接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號。優(yōu)點(diǎn)：與空間分集相比，減少了天線的數(shù)目。缺點(diǎn)：要占用更多的頻譜資源，在發(fā)射端需要多部發(fā)射機(jī)。5．時(shí)間分集

（TimeDiversity）對于一個(gè)隨機(jī)衰落的信號來說，如果對其振幅進(jìn)行順序取樣，那么在時(shí)間上間隔足夠遠(yuǎn)(大于相干時(shí)間)的兩個(gè)樣點(diǎn)是互不相關(guān)的。時(shí)間分集——將給定的信號在時(shí)間上相差一定的間隔重復(fù)傳輸M次，就可以得到M條獨(dú)立的分集支路。5．時(shí)間分集

（TimeDiversity）由于相干時(shí)間與移動(dòng)臺運(yùn)動(dòng)速度成反比，因此當(dāng)移動(dòng)臺處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，時(shí)間分集基本上是沒有用處的。4.2.2分集信號的合并技術(shù)在接收端取得M條相互獨(dú)立的支路信號以后，可以通過合并技術(shù)得到分集增益。根據(jù)在接收端使用合并技術(shù)的位置不同，可以分為檢測前合并技術(shù)和檢測后合并技術(shù)。4.2.2分集信號的合并技術(shù)圖4-3空間分集的合并4.2.2分集信號的合并技術(shù)

對于具體的合并技術(shù)來說，通常有4類：選擇式合并（SelectiveCombining）最大比合并（MaximumRatioCombing）等增益合并（EqualGainCombining）開關(guān)式合并（SwitchingCombining）1．選擇式合并M個(gè)接收機(jī)的輸出信號送入選擇邏輯，選擇邏輯從M個(gè)接收信號中選擇具有最高基帶信噪比（SNR）的基帶信號作為輸出。1．選擇式合并圖4-4選擇式合并的原理1．選擇式合并令Γ為每個(gè)支路的平均信噪比，則可以證明：選擇式合并的平均輸出信噪比為該式表明每增加一條分集支路，它對輸出信噪比的貢獻(xiàn)僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。其合并增益為1．選擇式合并圖4-5分集合并后的平均信噪比改善程度2．最大比合并M個(gè)分集支路經(jīng)過相位調(diào)整后，按適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)同相相加（檢測前合并），再送入檢測器，如圖4-6所示。圖4-6最大比合并的原理2．最大比合并合并后信號的包絡(luò)為式中，ri為第i條支路的信號振幅；ai為第i條支路的增益系數(shù)。2．最大比合并設(shè)每個(gè)支路的噪聲功率為σ2，則可以證明：當(dāng)時(shí)，合并后的信噪比達(dá)到最大，合并后輸出為從上式可以看出，合并后信號的振幅與各支路信噪比相聯(lián)系，信噪比愈大的支路對合并后的信號貢獻(xiàn)愈大。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要實(shí)時(shí)測量出每個(gè)支路的信噪比，以便及時(shí)對增益系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。3．等增益合并在最大比合并中，實(shí)時(shí)改變ai是比較困難的，通常希望ai為常量，取ai

=

1就是等增益合并。等增益合并后的平均輸出信噪比為3．等增益合并對于最大比合并和等增益合并，可以采用下圖所示的電路來實(shí)現(xiàn)同相相加。另外還可以在發(fā)射信號中插入導(dǎo)頻的方式，在接收端通過提取導(dǎo)頻的相位信息來實(shí)現(xiàn)同相相加。

圖4-7同相調(diào)整電路

三種合并技術(shù)的比較圖4-5分集合并后的平均信噪比改善程度從圖中可以看出在三種合并方式中，最大比值合并平均信噪比改善最多，其次是等增益合并，最差是選擇式合并。4．開關(guān)式合并

當(dāng)本支路的瞬時(shí)包絡(luò)低于預(yù)定門限時(shí)，將天線開關(guān)置于另一個(gè)支路上。優(yōu)點(diǎn)是：僅使用一套接收設(shè)備。圖4-8開關(guān)式合并示意圖4．開關(guān)式合并

圖4-9開關(guān)式合并的輸出包絡(luò)4．開關(guān)式合并

圖4-10切換發(fā)射天線的開關(guān)式合并4.2.3分集系統(tǒng)的性能

分集接收之后，誤碼率將會得到改善，圖4-11所示的是速率的16kbit/s的GMSK(BbTb

=0.25)信號的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2.3分集系統(tǒng)的性能圖4-11瑞利衰落中GMSK有無分集時(shí)誤碼性能4.2.4RAKE接收機(jī)1．RAKE接收機(jī)的定義RAKE接收機(jī)就是通過多個(gè)相關(guān)檢測器接收多徑信號中的各路信號，并把它們合并起來。CDMA系統(tǒng)中的RAKE接收機(jī)如圖4-12所示。圖4-12RAKE接收原理實(shí)現(xiàn)框圖1．RAKE接收機(jī)的定義RAKE接收機(jī)利用相關(guān)檢測器檢測出多徑信號中最強(qiáng)的M個(gè)支路信號，然后對每個(gè)RAKE支路的輸出進(jìn)行加權(quán)合并，以提供優(yōu)于單支路信號的接收信噪比，然后再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行判決。2．RAKE接收機(jī)的支路的

合并技術(shù)根據(jù)在接收端使用合并技術(shù)的位置不同，可以分為檢測前合并技術(shù)和檢測后合并技術(shù)。圖4-13空間分集的合并3．RAKE接收的工程實(shí)現(xiàn)（1）IS-95中基站RAKE接收的總體實(shí)現(xiàn)方案圖4-14IS-95中基站RAKE接收總體框圖3．RAKE接收的工程實(shí)現(xiàn)（2）搜索器結(jié)構(gòu)與搜索策略圖4-15分集路徑合并原理框圖3．RAKE接收的工程實(shí)現(xiàn)（3）搜索器的三種工作狀態(tài)①初始搜索。②解調(diào)中的搜索。③更換切換搜索。3．RAKE接收的工程實(shí)現(xiàn)（4）IS-95中移動(dòng)臺RAKE接收①上面介紹的基站RAKE是屬于上行（反向）信道，上行信道是“多點(diǎn)對一點(diǎn)”的通信鏈路，基站用它接收多個(gè)用戶信號。②移動(dòng)臺RAKE接收則是屬于下行（前向）信道，下行信道是“一點(diǎn)對多點(diǎn)”的通信鏈路，多個(gè)用戶利用它接收來自同一基站的信號。*4.2.5隱分集技術(shù)隱分集技術(shù)，是指只用一副天線接收信號來實(shí)現(xiàn)分集的技術(shù)。分集作用是隱含在傳輸信號的方式中，而在接收端利用信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集。1．交織編碼技術(shù)交織編碼的目的是把一個(gè)較長的突發(fā)差錯(cuò)離散成隨機(jī)差錯(cuò)，再用糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼（FEC）技術(shù)消除隨機(jī)差錯(cuò)。以線性分組碼為例，先將k位信息編成具有t位糾錯(cuò)能力的n位碼字的分組碼(n，k，t)，再將其編碼碼字序列構(gòu)成交織編碼矩陣。2．跳頻技術(shù)數(shù)字移動(dòng)通信中采用跳頻技術(shù)抗多徑、抗干擾和抗衰落。

2．跳頻技術(shù)（1）跳頻抗多徑跳頻抗多徑的原理是：若發(fā)射的信號載波頻率為0，當(dāng)存在多徑傳播環(huán)境時(shí)，因多徑延遲的不同，信號到達(dá)接收端的時(shí)間有先有后。若接收機(jī)在收到最先到達(dá)的信號之后立即將載波頻率跳變到另一頻率1上，則可避開由于多徑延遲對接收信號的干擾。2．跳頻技術(shù)（2）跳頻抗同信道干擾采用跳頻圖案的正交性組成正交跳頻網(wǎng)，可以避免頻率復(fù)用引起的同頻干擾。利用跳頻技術(shù)構(gòu)成準(zhǔn)正交跳頻網(wǎng)，也能使同頻干擾離散化，亦即減少同頻干擾的重合次數(shù)，從而減少同頻干擾的影響。2．跳頻技術(shù)（3）跳頻抗衰落跳頻抗衰落是指抗頻率選擇性衰落。跳頻抗衰落的原理是：當(dāng)跳頻的頻率間隔大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，可使各個(gè)跳頻駐留時(shí)間內(nèi)的信號相互獨(dú)立。換句話說，在不同的載波頻率上同時(shí)發(fā)生衰落的可能性很小。3．直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（1）直接序列擴(kuò)頻抗多徑的原理是：當(dāng)發(fā)送的直接序列擴(kuò)頻信號的碼片（chip）寬度Tc小于或等于最小多徑時(shí)延差時(shí)，接收端利用直擴(kuò)信號的自相關(guān)特性進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)后，將有用信號檢測出來，從而具有抗多徑的能力。3．直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（2）直接序列擴(kuò)頻抗干擾直接序列擴(kuò)頻抗蜂窩系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾的原理，也是利用直擴(kuò)信號的自相關(guān)特性，經(jīng)相關(guān)接收和窄帶通濾波后，將有用信號檢測出來，而那些窄帶干擾和多址干擾都處理為背景噪聲。其抗干擾的能力可用直接序列擴(kuò)頻處理增益來表征。3．直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（3）直接序列擴(kuò)頻抗衰落直接序列擴(kuò)頻抗衰落是指抗頻率選擇性衰落。3．直接序列擴(kuò)頻技術(shù)圖4-16慢跳頻分散深衰落影響的示意圖*4.3均衡基本概念均衡有兩個(gè)基本途徑。一為頻域均衡，它使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件。第二個(gè)均衡途徑為時(shí)域均衡，就是直接從時(shí)間性響應(yīng)考慮，使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足無碼間串?dāng)_的條件。*4.3均衡基本概念現(xiàn)在面臨的是時(shí)變時(shí)間序列的自適應(yīng)處