移動(dòng)通信 抗衰落

移動(dòng)通信抗衰落第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六4.1分集接收

衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素，快衰落的深度可以達(dá)到30～40dB，利用加大發(fā)射功率（1000～10000倍）來克服這種深度衰落是不現(xiàn)實(shí)的，而且會(huì)造成對(duì)其它電臺(tái)的干擾。TDMA系統(tǒng)中采用自適應(yīng)均衡技術(shù)，各種移動(dòng)通信系統(tǒng)使用不同的糾錯(cuò)編碼技術(shù)、自動(dòng)功率控制技術(shù)等，都能起到抗衰落、提高通信質(zhì)量的作用。分集接收是抗衰落的一種有效措施，CDMA采用的是路徑分集（即RAKE接收）。第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六4.1.1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。分集的含義：（1）分散傳輸：接收端能獲得統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的的衰落信號(hào)；（2）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；第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六圖3–37選擇式分集合并示意“非相關(guān)”條件必不可少

第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.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)。第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六顯然，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：第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(1)空間分集：空間分集的依據(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?。?/p>

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。因此空間分集不僅可以用于基站還可用于移動(dòng)臺(tái)。第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(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)。第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(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。第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六天線向周圍空間輻射電磁波，電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化和水平極化。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(4)場(chǎng)分量分集：由電磁場(chǎng)理論可知，電磁波由兩個(gè)相互正交的振蕩場(chǎng)組成，E場(chǎng)（電場(chǎng)）和H場(chǎng)（磁場(chǎng)），它們載有相同的消息，而反射機(jī)理是不同的。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，適用于較低工作頻段，空間分集適用于較高工作頻段（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。

第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(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。

角度分集在較高頻率時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(6)時(shí)間分集：快衰落除了具有空間和頻率獨(dú)立性之外，還具有時(shí)間上的獨(dú)立性。同一信號(hào)在不同的時(shí)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)（數(shù)據(jù)通信中對(duì)延時(shí)的要求要稍微低一些）。第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

時(shí)間分集有利于克服移動(dòng)信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號(hào)衰落現(xiàn)象。由于多普勒效應(yīng)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：若移動(dòng)臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，即v＝0，則要求時(shí)間間隔無窮大，表明此時(shí)時(shí)間分集的增益將喪失。換句話說，時(shí)間分集對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)無助于減小多普勒效應(yīng)引起的衰落。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3.合并方式

接收端收到M個(gè)分集信號(hào)之后，如何利用這些信號(hào)以減小衰落的影響，這就是合并問題。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)。第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(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。

選擇式合并又稱為開關(guān)式相加，方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但未被選用支路信號(hào)被棄置不用，因此抗衰落特性不強(qiáng)。如果在中頻或高頻中實(shí)現(xiàn)合并，則必須保證各支路的信號(hào)同相，這常常會(huì)導(dǎo)致電路的復(fù)雜度增加。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六圖3–38二重分集選擇式合并第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(2)最大比值合并：最大比值合并是一種最佳合并方式，其方框圖如下。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。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六圖3–39最大比值合并方式第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(3)等增益合并：等增益合并無需對(duì)信號(hào)加權(quán)，各支路的信號(hào)是等增益相加的，其方框圖如下。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。第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六圖3–40等增益合并第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六4.1.2分集合并性能的分析與比較在通信系統(tǒng)中，信噪比是一項(xiàng)十分重要的性能指標(biāo)，它決定了系統(tǒng)的話音質(zhì)量（模擬）和誤碼率（數(shù)字）。分集合并的性能是指合并前后信噪比的改善程度。為了比較三種合并方式，作如下假設(shè)：每支路噪聲均為加性噪聲且與信號(hào)不相關(guān)，噪聲均值為零，具有恒定的均方根值；信號(hào)幅度的衰落速率遠(yuǎn)低于信號(hào)的最低調(diào)制頻率；各支路信號(hào)的衰落互不相關(guān)，彼此獨(dú)立；第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)推導(dǎo)，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。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六4.2RAKE接收1、為什么要用到Rake接收機(jī)？

因?yàn)殛懙責(zé)o線電傳播過程（無線傳播）和有線傳播的方式是有很大不同的，無線的傳播的傳播路徑是有不確定性的，在從一個(gè)點(diǎn)傳播到另一個(gè)點(diǎn)的過程中可能會(huì)經(jīng)過反射、衍射、折射等形式。這樣的過程稱為“多徑傳播”。既然存在多徑傳播，那么從信號(hào)源（比如說我們這里就看作是基站）發(fā)出的某一個(gè)信號(hào)，因?yàn)榻?jīng)過的路徑是不同的（不一樣長(zhǎng)），所以到達(dá)信號(hào)接收點(diǎn)的時(shí)刻是不同的，有個(gè)先來后到的問題。

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在之前的系統(tǒng)中，比如說GSM系統(tǒng)或者CDMAone(IS95A)系統(tǒng)，都沒有采用Rake接收機(jī)的這種技術(shù)，這兩個(gè)系統(tǒng)都選取接收到的多徑信號(hào)中的某一個(gè)作為接收信號(hào)，而把其他徑的信號(hào)作為干擾處理了。這樣當(dāng)然存在明顯的不足：第一是接收到的信號(hào)比較弱；第二是噪聲也就是干擾比較大。

所以說現(xiàn)在WCDMA采用了Rake接收機(jī)技術(shù)，在接收到的多徑信號(hào)中選取若干個(gè)經(jīng)處理之后合并起來（術(shù)語稱為”加權(quán)向量求和“），這樣增加了有用信號(hào)，減少了干擾。

第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2、為什么WCDMA系統(tǒng)采用Rake接收機(jī)技術(shù)而GSM和CDMAone不采用這么好的技術(shù)呢？

WCDMA的碼片速率是3.84Mcps,所以每個(gè)碼片的持續(xù)時(shí)間是1/3.84Mcps=0.26us。如果多徑分量之間的時(shí)間差至少是0.26us時(shí)，WCDMA接收機(jī)就能把這些多徑分量區(qū)分開來并結(jié)合在一起以取得多徑分集，而這個(gè)0.26us這個(gè)時(shí)間差意味著路徑的長(zhǎng)度差△l=v*△t=3*10e8*0.26us=300*0.26=78m，就是說無線傳播路徑之間差值在78m以上這個(gè)范圍上的多徑才是可以被WCDMA系統(tǒng)分辨和接收合并的。從WCDMA小區(qū)半徑為300m，500m這個(gè)一般值來講這個(gè)條件是滿足的，所以WCDMA可以采用Rake接收機(jī)技術(shù)。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

相反的，IS95A的碼片速率時(shí)1.2288M,按照剛才的算法，路徑之差要達(dá)到△l=v*△t=3*10e8*1/1.2288M=244m,各位想想，一個(gè)半徑才300到500m的小區(qū)，要求達(dá)到路徑差值為244m，不是說沒有但肯定不普遍滿足，所以IS95A是不適合用Rake接收機(jī)技術(shù)的。同樣的，GSM的更不具備條件了，它的載波間隔也才200K，那么調(diào)制速率（不是碼片速率）怎么也不可能超過200K，所以他們不是不想用Rake接收機(jī)技術(shù)，而是不能用。第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

小區(qū)半徑并不能決定RAKE的使用啊！當(dāng)然chiprate越大分集的效果越明顯。城市中的高樓林立，各種反射折射信號(hào)可能迂回幾次才能到達(dá)接收機(jī)，因此跟小區(qū)半徑的關(guān)系不是很明顯。

再說，GSM即使是很寬的帶寬也不能使用RAKE，因?yàn)樾盘?hào)是相關(guān)的！第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六RAKE接收機(jī)工作原理：（1）發(fā)送端Tx發(fā)出的信號(hào)經(jīng)N條路徑到達(dá)接收端，相對(duì)于第一條路徑的時(shí)延差依次為；（2）接收端通過解調(diào)后送入N個(gè)并行相關(guān)器；（3）經(jīng)過相關(guān)解擴(kuò)（解擴(kuò)碼為）后送入積分器（積分時(shí)間為Tb）；（4）積分器的輸出進(jìn)入電平保持電路，直到延時(shí)最大的一路信號(hào)輸出（）（5）相加求和后，最后進(jìn)行抽樣判決產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)；第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六原理圖中各條路徑加權(quán)系數(shù)為1，屬于等增益合并方式，實(shí)際中應(yīng)該采用最大比值合并，利用多個(gè)并行相關(guān)器，獲得各多徑信號(hào)能量，即RAKE接收機(jī)利用多徑信號(hào)，提高了通信質(zhì)量；在具體實(shí)現(xiàn)最大比值合并的過程中應(yīng)該估計(jì)每一條路徑的延時(shí)與權(quán)值，如果延遲線的某一抽頭的延遲與多徑時(shí)延相同，其輸出就乘以相應(yīng)的權(quán)值；如果延遲線抽頭無多徑對(duì)應(yīng)，則輸出就乘以零或者說該抽頭就不輸出。最后將所有有多徑時(shí)延對(duì)應(yīng)的抽頭求和就得到總的輸出。由于該接收機(jī)中，橫向?yàn)V波器具有類似于鋸齒狀的抽頭，因此稱為RAKE（耙）接收機(jī)。第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六4.3糾錯(cuò)編碼技術(shù)數(shù)字信號(hào)或信令在傳輸過程中，由于受到噪聲和干擾的影響，傳輸?shù)浇邮斩说臅r(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)誤判，這就需要用糾錯(cuò)編碼技術(shù)來進(jìn)行檢查與糾正。

在信息碼元序列中插入監(jiān)