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4.3 纠错编码技术 4.4 均衡技术 思考题与习题 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。 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。 第4章 抗衰落技术 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)。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。第4章 抗衰落技术 “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：市区 d=0.5 (4 - 1)郊区 d=0.8 (4 - 2)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。 根据相关带宽的定义， 即第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。(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。 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。 第4章 抗衰落技术 (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。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。第4章 抗衰落技术 由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关， 因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性， 必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：(4 - 3) 第4章 抗衰落技术 3. 合并方式接收端收到M(M2)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。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(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：(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 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。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。第4章 抗衰落技术 (2) 最大比值合并。 最大比值合并是一种最佳合 并方式， 其方框图如图 4 - 3 所示。 为了书写简便， 每一支路信号包络rk(t)用rk表示。 每一支路的加权系数 ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比， 即(4 - 5) 由此可得最大比值合并器输出的信号包络为 (4 - 6) 式中， 下标R表征最大比值合并方式。 第4章 抗衰落技术 图 4 - 3 最大比值合并方式 第4章 抗衰落技术 (3) 等增益合并。 等增益合并无需对信号加权， 各支路的信号是等增益相加的， 其方框图如图 4 - 4所示。 等增益合并方式实现比较简单， 其性能接近于最 大比值合并。等增益合并器输出的信号包络为(4 - 7) 式中， 下标E表征等增益合并。 第4章 抗衰落技术 图 4 - 4 等增益合并 第4章 抗衰落技术 4.1.2 分集合并性能的分析与比较众所周知， 在通信系统中信噪比是一项很重要的性能指标。 在模拟通信系统中， 信噪比决定了话音质 量； 在数字通信系统中， 信噪比(或载噪比)决定了误码率。 分集合并的性能系指合并前、 后信噪比的改善 程度。 第4章 抗衰落技术 1. 选择式合并的性能前面已经提到， 选择式合并器的输出信噪比， 即当前选用的那个支路送入合并器的信噪比。 设第k个支路的信号功率为r2k/2， 噪声功率为Nk, 可得第k支路的信噪比为(4 - 8)第4章 抗衰落技术 图4-5 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线第4章 抗衰落技术 图 4 - 6 最大比值合并分集系统输出载噪比的累积概率分布曲线 第4章 抗衰落技术 图 4 - 7 等增益合并分集系统载噪比累积概率分布曲线第4章 抗衰落技术 图 4 - 8 三种合并方式的D(M)与M关系曲线 第4章 抗衰落技术 3. 三种合并方式的误码率比较表 4 - 1 列出了三种合并方式下DPSK系统的误码率较无分集时的益处。 由表可见， 误码率的改善以最大比值合并为最好， 选择式合并最差。第4章 抗衰落技术 表 4 - 1 三种合并方式平均误码率的比较第4章 抗衰落技术 4.2 RAKE接收 所谓RAKE接收机， 就是利用多个并行相关器检测多径信号， 按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。 需要特别指出的是， 一般的分集技术把多 径信号作为干扰来处理， 而RAKE接收机采取变害为利的方法， 即利用多径现象来增强信号。 图 4 - 9示出了简化的RAKE接收机的组成。第4章 抗衰落技术 图 4 - 9 简化的RAKE接收机组成 第4章 抗衰落技术 假设发端从Tx发出的信号经N条路径到达接收天线Rx。 路径 1 距离最短， 传输时延也最小， 依次是第二条路径， 第三条路径， ， 时延时间最长的是第N条路径。 通过电路测定各条路径的相对时延差， 以第一条路径为基准时， 第二条路径相对于第一条路径的相 对时延差为2， 第三条路径相对于第一条路径的相对时延差为3， ， 第N条路径相对于第一条路径的相对时延差为N， 且有NN-132(1=0)。第4章 抗衰落技术 在图4-9中， 由于各条路径加权系数为 1， 因此为等增益合并方式。 在实际系统中还可以采用最大比合并或最佳样点合并方式， 利用多个并行相关器， 获得 各多径信号能量， 即RAKE接收机利用多径信号，提高了通信质量。第4章 抗衰落技术 如果r(t)中包括多条路径， 则输出如图4-10所示。 图中每一个峰值对应一条多径。 图中每个峰值的幅度的不同是由每条路径的传输损耗不同引起的。 为了将这些多径信号进行有效的合并， 可将每一条多径通过延迟的方法使它们在同一时刻达到最大， 按最大比的方式合并， 就可以得到最佳的输出信号。 然后再进行判决恢复， 发送数据。 我们可采用横向滤波器来实现 上述时延和最大比合并， 如图4-11所示。 第4章 抗衰落技术 图4-10 最佳非相干接收机的输出波形 第4章 抗衰落技术 图4-11 实现最佳合并的横向滤波器 第4章 抗衰落技术 4.3 纠错编码技术 4.3.1 纠错编码的基本原理首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。 现在 我们考察由 3 位二进制数字构成的码组，它共有 2 3=8 种不同的可能组合， 若将其全部用来表示天气 ， 则可以表示 8 种不同的天气情况， 如： 000(晴)， 001(云)， 010(阴)， 011(雨)， 100(雪)， 101(霜)， 110(雾)， 111(雹)。 其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码， 则将变成另一信息码组。 这时， 接收 端将无法发现错误。第4章 抗衰落技术 若在上述 8 种码组中只准许使用 4 种来传送消息， 譬如 000 = 晴011 = 云101 = 阴110 = 雨 (4 - 51)第4章 抗衰落技术 表 4 - 2 分组码例子(3, 2) 第4章 抗衰落技术 一般分组码用符号(N, k)表示， 其中k是每组二进制信息码元的数目， N是编码组的总位数， 又称为码组的长度(码长)。 N-k=r为每码组中的监督码元数目， 或称为监督位数目。 一般分组码结构如图 4 - 13 所示。 图中前面 k 位(aN-1ar)为信息位， 后面附加r个监督位(ar-1a0)， 式(4 - 51)的分组码中N=3, k=2, r=1。第4章 抗衰落技术 图 4 - 12 分组码结构 第4章 抗衰落技术 图 4 - 13 码距的几何意义 第4章 抗衰落技术 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。 例如， 上述例子表明： d0=1时， 没有检、 纠错能力； d0=2时， 具有检查一个差错的能力； d0=3时， 用于检错时具有检查两个差错的能力， 用于纠错时具有纠正一个差错的能力。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。第4章 抗衰落技术 (1) 为检测e个错码， 要求最小码距 d0e+1 (4 - 52)(2) 为纠正t个错码， 要求最小码距 d02t+1 (4 - 53)(3) 为纠正t个错码， 同时检测e个错码， 要求最小码 距 d0e+t+1 (et) (4 - 54)第4章 抗衰落技术 在简要讨论了编码的纠(检)错能力后， 再来分析 一下