抗多径衰落技术.doc

第4章 抗多径衰落技术

4.1 简介
分集接收就是采用几个信号的合成来提高系统的抗多径性能。数字系统经常采用时间分集－交织技术来提高抗衰落性能。另外在数字系统中，也采用信道均衡的方法，来减少多径的影响。因此我们要详细讨论这种系统。
4.2分集接收
在第三章中我们讨论了各种建筑物和其它障碍物对天线信号的反射，由于接收波间的互调，使天线上的信号产生多径衰落。在城市密密麻麻的建筑区中，这种衰落更加严重。在这些地区，信号包络在短距离时遵循瑞利分布，而在长距时遵循标准正态分布。多径接收技术可减少这种衰落。在理论上多径接收技术既适用于基站也适用于移动站。虽然要解决不同的问题。多径接收的基本构思是这样的：如果我们采集两个或更多不相干的信号样值，那么这些样值会以不相干的方式衰落。也就是说这些信号同时低于给定电平的概率要远低于独立信号低于该电平的概率。同时低于给定电平的M个样值的概率为,p为单个样值低于给定电平的概率。这可以看出，一个合适的不同样值的合成信号可以有比单个信号小的多径衰落。
分集接收的基本思想是：将接收到的多径信号分离成不相干（独立）的多路信号，然后将这些多路信号的能量按照一定的规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪功率比，对数字系统而言，使误码率最小。这样分集接收技术应包括两个方面：（1）如何把接收的多径信号分离出来，使其互不相关；（2）将分离出的多径信号怎样合并起来，获的最大的信噪比。

4.3分集技术的分类
（1）依分集的目的可分为：宏观（macroscoptic）分集和微观(microscoptic)分集
宏观分集是以抗长期衰落为目的。信号强度随移动发射机与基站接收机间地形的变化而改变。如果只使用一个天线，由于山陵等地势的变化而导致在特定地理方向移动单元发出的信号到不了接收机，因此两个不同位置的天线就可以接收两个信号然后合成以减少远端衰落。在宏观多径中我们推荐使用选择合成技术。因为其它方法要求同相合成，而这一点在接收机相距很远时是很难实现的。在短波通信系统中，经常使用宏观多径以减少电离衰落的影响。在蜂窝系统和PCS系统中当信号强度变弱时通过改变话筒到蜂窝的位置来实现这一功能。
微观的分集是以抗短期衰落为目的。它使用在同一位置的两个或多个天线。但这些天线对从接收机来的信号利用不同。
(2)依信号的传输方式可分为显分集和隐分集
显分集：构成明显分集信号的传输方式，多指利用多付天线接收信号的分集。
隐分集：分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集，隐分集只需一付天线来接收信号的分集，因此在数字移动通信中得到了广泛应用。
（3）依获得独立路径信号的方法可分为：
1、空间分集：两个相距为d的天线能提供两个相关系数很小的衰落信号。总的来说距离d随高度h和频率而变。频率越高两天线的距离d越近。一般几个波长就足以获得不相干信号。
2、 频率分集：被连续带宽隔开的两个频率的接收信号是不相关的。
3、极化分集：通过基站的两个极化天线发射，然后，移动单元通过两个极化天线接收的垂直和水平极化分量能产生两个不相关的衰落信号。极化分集能产生3dB衰落，其原因就是能量必须分到两个不同的极化天线。
4、 角度分集：当工作频率时，从发射机到接收机的散射信号产生从不同方向来的接收信号互不相关。这样在同一位置指向不同的方向两个或更多的有向天线能向合成器提供信号。这种方案在移动站比基站更经济。因为从本地建筑物和植被散射比从那麽高的天线容易的多。
5、 时间分集：如果在不同的时间段发射相同的信号，接收信号将是互不相干的。这种系统必须工作于衰落与接收机移动无关的环境中。在移动通信中移动单元在任何位置都处于停顿状态，也就是说均值很小或由衰落构成。虽然在移动单元静止时衰落仍然发生但延时信号是相关的，所以时间分集不会减小衰落。

4.4显分集合成方法
1、 信号合并准则
（1） 合并信号的表达式
设分集重数为L，则合并的信号的表示为：

其中为加权系数，。选择不同的加权系数就形成了不同的合并方法。
（2） 信号合并准则
1〕 最大信噪比准则
2〕 眼图最大张开度准则
3〕 误码率最小准则
2、 最大信噪比准则下的信号合并方法
（1） 选择性合并
选择性合并方法是在多支路（子信道）接收信号中，选择信噪比最高的支路的信号作为输出信号。
（2） 切换合并
切换合并的方法与选择性合并的方法不同之处在于：选择性合并法的选择逻辑是对支路信号进行比较，取最大者为输出信号；切换合并法需设置门限电平，其选择逻辑是将一支路信号与门限电平比较，当低于此电平时，发生切换，接收另一支路，若所有支路都低于门限电平时，停止切换，进入保持状态。
（3） 最大比合并
每一支路有一个加权（放大器增益），加权的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。
（4） 等增益合并
当最大比合并中的加权系数为1时，就是等增益合并。
3、 最大信噪比合并准则下的几种合并法的性能比较

a

b

c

a-最大比合并，b-等增益合并，c-选择式合并

4．5 多径信号的分离和合并
4．5．1多径信号分离和合并的概念
1、多径分集的特点
多径分集的概念是基于多径信号的时间延迟扩展：如果接收的多径信号可以分离的话，可以设法只收主路径的信号，或者将分离的多径信号合并起来，以增加有用信号的能量，这就是多径信号的分离和合并，其目的在于减少延迟扩展引起的符号间干扰。
但是通常接收的多径信号时延差很小且是随机的，叠加后的多径信号一般很难分离，而只有特定设计的信号才可以进行分离，这种信号即扩频信号。分离的手段是相关接收。
2、多径信号分离与合并的关键技术
（1） 多径信号分离与信号设计
多径信号分离的基础是采用直接扩展频谱信号。对于直扩序列的码片（chip）宽度为Tc的系统，所能分离的最小路径时延差为Tc。并且所采用的直扩序列信号的自相关性和互相关性要好。
（2） 多径合并与合并准则
多径合并是指：接收端对多径信号检测获得的多个相互独立的峰值包络，并对多个峰值进行采样，再以适当的方式合并这些采样值
多径合并准则有：①第一路径准则，②最强路径准则，③检测后积分准则，④等增益合并准则，⑤最大比合并准则，⑥自适应合并准则。具体采用何种准则应依电波传播环境、系统性能要求等而定。
4.5.2 Rake接收机
1958年,R.PRICE和P。E。GREEN提出一种解决多径的方法。这种方法是先使用宽带伪随机序列调制，再使用其它调制方法（FM或AM）的接收机。伪随机序列具有与延时无关的特性。这样用伪随机序列的延时不同来对接收信号进行互连就能把经多条路径从发射机到接收机的信号分为独立的衰落信号。在接收端输出被延时。因此在被分集合并时必须通过延时器。实现系统的各种方法都要求解决多条路径的问题，其代价则是增加带宽，降低频带利用率。

在CDMA中，1.5-15MHz的频带利用率要比蜂窝或PCS信道的相关带宽宽的多。这样当接收机解决了多径后，在延时线的每一个信号是相互独立的。接收机能使用前面的任何一种方法来合成信号。CDMA系统使用信道的多路径特性来改善系统的性能。
RAKE接收机的性能将由所使用的合成系统决定。接收机设计的一个重要因素是获得发射信号的同步信号，因为相临的蜂窝使用同一频率但延时不同的WALSH码，整个CDMA系统必须同步。
4．5．3 Qualcomm RAKE接收机

QualcommRAKE接收机采用的是并行相关RAKE接收机，移动台中的RAKE接收机是由三个并行相关器和一个搜索器构成。搜索器用于搜索最强的多径信号，可搜索3路多径信号，包括多径信号的相位、到达时刻和强度参数，可利用系统中基站发送的导引信号（pilot）得到它们的估值，搜索相关器的输出控制三路并行相关器，使它们对三路最强的多径信号进行相关，并采用了相关最大比合并准则。
基站中的RAKE接收机是由4个并行相关器和一个搜索相关器构成。因为移动台不发送导引信号，基站接收机无法得到多径信号的相位信息，因此采用非相关最大比合并准则。
Qualcomm RAKE接收机在小区越区的多径分集和扇区越区的多径分集有所不同。
小区越区的多径分集，在基站方面是多个基站同时收到一个移动台的信号，每个基站有两副天线，进行空间分集。又进行四路径信号的并行相关RAKE接收和非相关最大比合并。各基站的信号在基站控制器按照“择大”准则完成多径分集。移动台方面，是有二个或多个基站同时向它发射信号，搜索相关器选择两路或三路信号按“最大比合并”准则来完成多径分集。
扇区越区的多径分集，在基站方面，两个扇区同时收到移动台的信号，所接收的信号在信道接收机按照“最大比合并”准则完成多径分集。移动台方面，有二个或多个区同时向它发射信号，搜索相关器选择两路或三路信号按“最大比合并”准则来完成多径分集。
在Qualcomm RAKE接收机中，最多只用4个并行相关器，是基于他们对多径特性的现场测试结果。分析表明，多径分集的路径数的概率分布有：3路径为20％；2路径为50％；1路径为28％。所以，至少需要具有处理2－3个路径的分集能力。

4.6隐分集技术
隐分集技术，是指只用一付天线接收信号来实现分集的技术。分集作用是隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术实现分集。因此，在数字移动通信中得到了广泛应用。依照传输信号的方式不同，可实现时间隐分集和频率隐分集。所采用的技术主要有交织编码技术，跳频技术和直接序列扩频技术。

4．6．1 交织编码技术
交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错。以线性分组码为例，先将k位信息编成具有t位纠错能力的n位码字的分组码(n,k,t)，再将其编码码字序列构成交织编码矩阵。
读出

写入 a11 a12 a13 a14 a15 a16 a17
a21 a22 a23 a24 a25 a26 a27
a31 a32 a33 a34 a35 a36 a37
… … … … …
aM1 aM2 aM3 aM4 aM5 aM6 aM7
交织编码矩阵中的行为FEC的码字，它由k为信息位及n-k位冗余位组成。矩阵中行的数目M称为交织深度。交织编码的过程是将FEC码字序列按行写入而按列读出。交织深度M越大，离散度越大，抗突发差错能力也越强。若FEC纠错能力为t时，交织编码可纠正一次突发差错的长度为

或者说，可纠正t次突发差错长度为M的差错。交织深度M越大，交织编码处理时间也越长，即是以时间为代价的。因此，交织编码是时间隐分集。

4．6．2 跳频技术
跳频通信的原理可参见有关书籍。这里仅就数字移动通信中，采用跳频技术抗多径、抗干扰和抗衰落的问题进行讨论。
跳频抗多径的原理：若发射的信号载波频率为，当存在多径传播环境时，因多径延时的不同，信号到达接收端的时间有先有后。若接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一个频率上，则可避免由于多径延时对接收信号的干扰。为此，要求跳频信号驻留时间小于多径延迟时间差，换句话说，要求跳频的速率应足够的快。目前，要实现跳频这样高的跳频通信系统在技术上尚存在困难。所以，目前在数字移动通信中采用跳频技术的目的主要是在于抗干扰和抗衰落。
跳频抗干扰的原理：同信道干扰是蜂窝通信小区制蜂窝结构和频率重用模式的比然产物，因此，克服同信道干扰是蜂窝通信系统的关键问题之一。采用跳频技术，可利用跳频图案的正交性组成正交跳频网，从而避免频率重用引起的同频干扰。即使利用跳频技术构成准正交跳频网，也能使同频干扰离散化，即减少同频干扰的重合次数，从而减少同频干扰的影响。
跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。跳频抗衰落的原理是：当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。换句话说，在不同的载波频率上同时发生衰落的可能性很小。
对于快跳频系统，应满足传输的符号速率小于跳频速率，即一位符号是在多个跳频载波上传输。这相当于对符号的频率分集。因为跳频在时间频率域上进行的，所以每一位符号还是在不同时隙中传输的，这又相当于对符号的时间分集。因此快跳频技术同时具有频率分集和时间分集的作用。
对于慢跳频系统，传输的符号速率大于跳频速率，即在一跳频驻留时间内传输多个符号。因此，慢跳频不能起到对符号的频率分集作用，但采用慢跳频可将深衰落的影响分散开来，从而减轻深衰落对传输的影响。
在TDMA系统中，为了改善数字通信的传输性能和提高系统容量，即减小深衰落和同信道干扰的影响，常采用慢跳频技术。
4．6．3 直接扩频技术
1． 直接扩频抗多径
直接扩频抗多径的原理是：当发送的直接序列扩频信号的码片宽度T等于或小于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗多径的能力。在IS－95CDMA系统中，码片速率是1.2288Mchip/s，因此它可抗1us的多径干扰。
2． 直接扩频抗干扰
直接扩频蜂窝通信的原理是利用直扩信号的自相关性，经相关接收和窄带滤波后，将有用信号检测出来，而那些窄带干扰和多径干扰都处理为背景噪音。其抗干扰的能力可用直接扩频处理增益来表征。
3． 直接扩频抗衰落
直接扩频抗衰落是指频率选择性衰落。当直扩信号的频谱扩展宽度远大于信道相关带宽时，其频谱成分同时发生衰落的可能性很小，接收端通过对直接扩频信号的相关处理，则起到频率分集的作用。

4．7 自适应均衡技术
4．7．1概述
1． 什么是自适应均衡
均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。换句话说，通过均衡器消除信道的频率和时间的选择性。由于信道是时变的，要求均衡器的特性能够自动适应信道的变化而均衡，故称自适应均衡。
均衡是用于解决符号间干扰问题，适用于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号宽度的情况。它可分为频域均衡和时域均衡。频域均衡是使总的传输函数满足无失真传输条件，即校正幅度特性和群时延特性。模拟通信多采用频域均衡。数字通信中多采用时域均衡。时域均衡是使总的冲击相应满足无码间干扰的条件。
2． 时域自适应均衡器原理
均衡器可分为线性均衡器和非线性均衡器。线性均衡器是指横向滤波器中的抽头加权系数为线性关系。若抽头加权系数为非线性关系的则称非线性均衡器，如判决反馈均衡器DFE－decision Feedback Equalizer）等。

均衡器自适应算法有最小均方误差算法（LMS－lowest mean square error）；递归最小二乘法（RLS－recursive least square）；快速卡尔曼（fast Kalman）等。在比较这些算法时，主要考虑算法的快速收敛特性，跟踪快速时变信道特性和小的运算量。
自适应均衡器有两个工作状态：训练方式自适应均衡工作状态和跟踪方式自适应均衡状态。在训练方式工作状态，发送已知的测试序列启动均衡器并使之迅速收敛，完成抽头系数加权的初始化。跟踪方式工作状态，均衡器直接利用通信中传输的数字信号的判决形成误差信号，并依据自适应算法跟踪调节抽头系数。因此它能自动适应信道的随机变化，保持在最佳均衡准则下的信道均衡。在实际系统中，为了便于均衡器收敛，常在传输的数字信号中设置专门的训练序列。
3． 自适应均衡器的结构
在数字移动通信中，信道的多径传播特性产生的时延扩展可由几微秒到100微秒。例如，在IS－54标准中，规定系统应能均衡的时延扩展约为40微秒；在GSM标准中为15－20微秒。这种情况下，线性均衡器已不能满足要求，而采用非线性自适应均衡器。常采用判决反馈均衡器（DEF）和最大似然序列估值器（MLSE）。
1） 判决反馈自适应均衡器
判决反馈自适应均衡器由前馈横向滤波器、反馈横向滤波器、判决器、加法器和抽头加权算法组成。输入推动前馈横向滤波器，判决器的输出推动反馈横向滤波器。如图所示。
在最小均方误差均衡情况下，抽头加权算法是使均衡器输出的估值与所传信号的误差的均方值最小。
在训练状态，开关置向a，接通本地训练序列。本地训练序列与接收已知序列相减得到误差，依照误差自适应算法，可给出横向滤波器的抽头加权，使之收敛。在跟踪状态下，开关置向b，由判决器的输出和输入信号产生误差，自适应算法依据误差使均衡器收敛。

2）自适应信道估值器
自适应信道估值器的原理是基于从发生了符号干扰的接收信号中估计正确的符号序列。换句话说，自适应信道估值器是基于最大似然准则的最佳接收机，或称为最大似然序列估值器（MLSE）。
以维特比（Viterbi）算法来实现的最大似然序列估值器的原理框图

输出

信道估值

信道估值器
输入
维特比算法

如图所示。它由信道估值器和维特比算法构成。信道估值器的结构与线性横向均衡器相同。信道引起的参数变化由信道估值器给出，算法使实际接收序列与信道估值器输出之间误差最小。
启动自适应信道估值器来均衡时，先用一已知短序列来进行抽头系数的初始调整。在跟踪信道变化时，直接利用信号本身的判决来形成误差信号。

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