移动通信：第四章-抗衰落技术

任意地形、地区的传播损耗中值LA陆地移动信道场强估算方法---Okumura模型

任意地形、地区接收信号的功率中值PPC上节课的主要内容其他移动信道的传播特点建筑物的穿透损耗限定空间中的电波传播海上、航空及卫星通信移动信道的特点2/6/20231信息与通信工程系第四章抗衰落技术4.2RAKE接收本章内容4.3干扰与噪声4.4邻道干扰与同频干扰4.5互调干扰4.1分集接收2/6/20232信息与通信工程系4.1分集接收背景•衰落是影响通信质量的主要因素，快衰落深度可达30-40dB，如果想利用加大发射功率(1000-10000倍)来克服这种深衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰。•分集（Diversity)

接收是抗衰落的一种有效措施，广泛应用于移动通信，短波通信等随参信道中。2/6/20233信息与通信工程系4.1分集接收4.1.1分集接收原理4.1.2分集合并性能的分析与比较4.1.3数字化移动通信系统的分集性能2/6/20234信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•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。•集中处理，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。1.分集的两重含义2/6/20235信息与通信工程系4.1.1分集接收原理选择式分集合并示意2/6/20236信息与通信工程系4.1.1分集接收原理2.分集接收原理

接收端对收到的多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行特定处理，以降低信号电平起伏。

在任一瞬间，两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率是极小的，因此合成信号的衰落程度会明显减小。2/6/20237信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•减小慢衰落。•主要用于蜂窝通信系统，也称为多基站分集。•把多个基站设置在不同的地理位置上和在不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可选用其中信号最好的一个通信）。3.分集方式—宏分集、微分集宏分集(Macroscopicdiversity)2/6/20238信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•克服快衰落•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。微分集(Microscopicdiversity

)2/6/20239信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•依据：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。•接收天线间隔：

0.5波长（市区）

0.8波长（郊区）（1）空间分集(Spacediversity)2/6/202310信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•依据：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。设备复杂，频谱利用率低。（2）频率分集(Frequencydiversity)2/6/202311信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•依据：两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以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。•可看成空间分集的一种特殊情况，缩短了天线间的距离。•发射功率损失3dB。（3）极化分集(Polarizationdiversity)2/6/202312信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•依据：由电磁场理论，电磁波的E

场和H

场载有相同的信息，但反射机理不同。•在移动信道中，多个E波和H波叠加，Ez、Hx、Hy

的分量是互不相关的，通过接收三个场分量，可获得分集效果。（4）场分量分集(Fieldcomponentdiversity)2/6/202313信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•依据：电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可实现角度分集并获得抗衰落的效果。•方法：接收端利用多个方向性尖锐的接收天线分离出不同方向来的信号分量。•角度分集在较高频率时容易实现。（5）角度分集(Anglediversity)2/6/202314信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•依据：时间独立性

---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，各次发送信号的衰落是彼此独立的，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。•主要用于在衰落信道中传输数字信号。•时间独立性要求：（6）时间分集(Timediversity)2/6/202315信息与通信工程系4.1.1分集接收原理空间、频率、极化、场分量、角度及时间分集

----显分集技术隐分集：分集隐含在信号处理过程中。

扩频技术（抗频率选择衰落）交织编码（抗突发干扰）2/6/202316信息与通信工程系

在实际通信系统中，为了抵抗突发干扰，往往在发送端要对信道纠错编码后的数据进行交织，在接收端进行去交织后再做纠错译码。交织编码：

按照一定的规则将数据顺序打乱，把后面的数据先移到前面去处理，使得信道的突发错误在时间上被扩散开来，把突发差错信道改造成独立的随机差错信道，将突发性错误转化为随机性错误，使得分散后的误码个数落在纠错码的纠错范围内。2/6/202317信息与通信工程系可以提高系统的抗干扰性能不会引入冗余码，从而不会降低频谱利用率应用广泛(级联编码、Turbo编码）离散无记忆信道输入编码器交织器突发信道去交织器译码器输出交织编码特点：思考题：交织编码提高了系统的可靠性，它的代价是什么？2/6/202318信息与通信工程系交织器:

用“横入纵出”的结构实现,如上图。将数据排成m行n列矩阵形式。阵列的每一行包含一个长度为n

的码字，m阶交织器由m行（m个码字）组成。比特按照列的方向被读出，送至信道。解交织器:

把数据存储成同样的矩阵形式，但按照行的方向读出，就能够将数据恢复。m行n列c57c56c55c54c53c52c51c47c46c45c44c43c42c41c37c36c35c34c33c32c31c27c26c25c24c23c22c21c17c16c15c14c13c12c11写入读出2/6/202319信息与通信工程系4.1.1分集接收原理•接收端收到分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响——即合并问题。•一般用线性合并器•不同的加权系数，可构成不同的合并方式。4.合并方式(Combining)2/6/202320信息与通信工程系4.1.1分集接收原理

检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一路信号作为合并器的输出。——又称开关式相加

（1）选择式(Selectiondiversity)二重分集选择式合并2/6/202321信息与通信工程系4.1.1分集接收原理

一种最佳合并方式，每支路的加权系数与信号包络成正比而与噪声功率成反比。（2）最大比值合并(MaximalRatioCombining)最大比值合并方式2/6/202322信息与通信工程系4.1.1分集接收原理等增益合并（3）等增益合并(EqualGainCombining)无需对信号加权，各支路的信号等增益相加。2/6/202323信息与通信工程系4.1.2分集合并性能的分析与比较模拟通信系统—信噪比数字通信系统—误码率（可反推信噪比）•分集合并性能：指合并前后信噪比的改善程度。-选择式-最大比值合并-等增益合并2/6/202324信息与通信工程系4.1.2分集合并性能的分析与比较平均信噪比的改善结论（信噪比改善依次减少）：1.最大比值合并2.等增益合并3.选择式2/6/202325信息与通信工程系4.1.3数字化移动通信系统的分集性能

数字通信系统中，误码率的大小不仅与信号的调制及解调方式有关，在多径衰落情况下平均误码率还与分集重数和合并方式有关。2/6/202326信息与通信工程系4.1.3数字化移动通信系统的分集性能1.NFSK二重分集系统平均误码率2.DPSK多重分集系统平均误码率3.三种合并方式的误码率比较2/6/202327信息与通信工程系上节课主要内容空间、频率、极化、场分量、角度及时间分集

隐分集：分集隐含在信号处理过程中。扩频技术（抗频率选择衰落）交织编码（抗突发干扰）分集方式：宏分集、微分集宏分集：减小慢衰落，也称为多基站分集。微分集：克服快衰落，在各种无线通信系统使用。----显分集技术分集合并方式：选择式、最大比值合并、等增益合并RAKE接收2/6/202328信息与通信工程系4.2RAKE接收RAKE接收思想：将多径信号按一定的准则合成一路信号进行接收。即利用多径信号来增强接收信号强度。RAKE接收方法：利用多个并行相关检测器检测多径信号。以第一条路信号为基准，测定各条路径与第一条路径信号的相对时延差，并按一定的准则合并。2/6/202329信息与通信工程系4.2RAKE接收RAKE接收机结构2/6/202330信息与通信工程系4.2RAKE接收RAKE接收机结构2/6/202331信息与通信工程系4.3噪声与干扰干扰（Interference）

有用信号以外的各种波形的总称。噪声（Noise）

可用随机过程来描述的起伏干扰。背景

信道对信号传输的影响除了损耗和衰落外，另一重要因素是噪声和干扰。2/6/202332信息与通信工程系4.3噪声与干扰

脉冲干扰

电台间相互干扰起伏干扰（噪声）

邻道干扰

同频干扰

互调干扰近端对远端信号干扰（远近效应）组合频率干扰发射机寄生辐射干扰电台间相互干扰2/6/202333信息与通信工程系4.3噪声与干扰

内部噪声自然噪声外部噪声

噪声（银河、大气、太阳）人为噪声（汽车、电焊机等）2/6/202334信息与通信工程系4.3噪声与干扰4.3.1噪声4.3.2邻道干扰与同频干扰4.3.3互调干扰2/6/202335信息与通信工程系4.3噪声4.3.1噪声的分类与特性4.3.2人为噪声4.3.3环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响4.3.4发射机产生的噪声及寄生辐射2/6/202336信息与通信工程系4.3.1噪声的分类与特性•基准噪声功率•等效噪声系数Fa，噪声温度Ta噪声功率的计算2/6/202337信息与通信工程系

美国ITT’ReferenceDataForRadioEngineer中将噪声分为6种：大气噪声太阳噪声自然噪声银河噪声郊区人为噪声市区人为噪声典型接收机内部噪声4.3.1噪声的分类与特性2/6/202338信息与通信工程系4.3.1噪声的分类与特性2/6/202339信息与通信工程系4.3.2人为噪声•各种电器装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，如电动机、电焊机、高频电器装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。•直接辐射，或通过电力线传播。•多属脉冲干扰，但在城市，带有起伏干扰性质。2/6/202340信息与通信工程系4.3.2人为噪声

在移动信道中，人为噪声主要是车辆的点火噪声。这种由车辆引起的环境噪声的大小主要决定于汽车流量。2/6/202341信息与通信工程系4.3.2人为噪声2/6/202342信息与通信工程系4.3.2人为噪声2/6/202343信息与通信工程系4.3.2人为噪声2/6/202344信息与通信工程系4.3.3

环境噪声和多径传播

对话音质量综合影响•根据主观评定的效果看多径效应及环境噪声对接收质量的影响。•ITU资料表明，多径效应对接收质量的影响与火花干扰相似。•车辆在行进时，同时遭受火花干扰和多径效应的影响，在计算服务区范围时，必须确定这两种影响所引起的接收机性能的恶化量。2/6/202345信息与通信工程系恶化量

是指在车辆行进时的动态条件下，为达到同静态条件下一样的话音质量所需的接收电平的增加量。4.3.3环境噪声和多径传播

对话音质量综合影响•话音质量采用主观的评定方法，分为5级。•基站同样存在恶化量问题，通常小于移动台接收机的恶化量。2/6/202346信息与通信工程系4.3.3

环境噪声和多径传播

对话音质量综合影响2/6/202347信息与通信工程系4.3.3环境噪声和多径传播

对话音质量综合影响2/6/202348信息与通信工程系4.3.4发射机产生的噪声及寄生辐射

发射机即使未加入调制信号，也存在以载频为中心，分布频率范围相当宽的噪声，称为发射机边带噪声（发射机噪声）。1.发射机边带噪声2/6/202349信息与通信工程系4.3.4发射机产生的噪声及寄生辐射•移动台大多采用晶体振荡器，通过多级倍频器倍频到所需载频，除了所需信号频率外，还有一系列寄生信号成分。•如果滤波不好，发射机的输出端会产生污染信道的寄生辐射波，干扰与寄生频率相近的接收机。2.发射机的寄生辐射2/6/202350信息与通信工程系4.3.4

发射机产生的噪声及寄生辐射2/6/202351信息与通信工程系4.3.4发射机产生的噪声及寄生辐射(1)倍频次数要尽可能小(2)各级倍频器应具有良好的滤波性能(3)各级倍频器应屏蔽隔离,防止电磁耦合或泄漏(4)发射机的输出回路应具有良好的滤波性能，以抑制寄生分量。减小寄生辐射的方法:2/6/202352信息与通信工程系4.4邻道干扰与同频干扰4.4.1邻道干扰（AdjacentChannelInterference

）4.4.2同频干扰（Co-channelInterference）与射频防护比

4.4.3同频再用距离2/6/202353信息与通信工程系4.4.1邻道干扰邻道干扰相邻或邻近频道的信号相互干扰。

例如，调频信号的频谱较宽，理论上调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻道干扰。2/6/202354信息与通信工程系4.4.1邻道干扰邻道干扰示意图2/6/202355信息与通信工程系4.4.1邻道干扰在最坏情况，落入邻道接收机通带内的最低边频次数为2/6/202356信息与通信工程系4.4.2同频道干扰与射频防护比•为提高频率利用率，相隔一定距离后，重复使用相同的频道，称为频率再用(FrequencyReuse)。•带来的问题：同频道干扰•再用距离越近，同频道干扰越大；再用距离越远，同频道干扰越小，但频率利用率要降低。2/6/202357信息与通信工程系蜂窝网移动系统中区群概念频复用系数1/N4.4.2同频道干扰与射频防护比2/6/202358信息与通信工程系4.4.2同频道干扰与射频防护比射频防护比

接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比。•由于同频道干扰影响与调制制度及频偏有关，因此在不同信号和不同干扰下，射频防护比有所不同。2/6/202359信息与通信工程系4.4.2同频道干扰与射频防护比2/6/202360信息与通信工程系4.4.2同频道干扰与射频防护比发射标识信号类型用三个符号表示。第一个符号：主载波调制方式。如F为调频、G为调相、

A为双边带调幅。第二个符号：调制信号的类别。如3模拟信号、2为数字信号第三个符号：发送消息的类别。如E为电话、B为电报。例如：GSM信号的业务信道发射标识为271KF7W。其中：

271K

必要带宽271kHzF主载波调制方式：调频7调制主载波的信号性质：包含量化或数字信息的双信道或多信道W

被发送信息的类型：电报传真数据、遥测、遥控、电话视频的组合

2/6/202361信息与通信工程系4.4.3同频道再用距离

为提高频率利用率，在满足一定通信质量的条件下，允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离，又称共道再用距离。

“安全”指接收机输入端的有用信号与同频道干扰的比值大于射频防护比。同频道再用距离2/6/202362信息与通信工程系4.4.3同频道再用距离

假定各基站与各移动台的设备参数相同，地形条件理想，则同频道再用距离与下列因素有关：•调制制度•电波传播特性•基站覆盖范围或小区半径•通信工作方式•要求的可靠通信概率2/6/202363信息与通信工程系同频道再用距离频道再用系数4.4.3同频道再用距离2/6/202364信息与通信工程系上节课主要内容噪声的分类与特性人为噪声环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响发射机产生的噪声及寄生辐射

邻道干扰、同频干扰

互调干扰互调干扰种类：三阶-I型互调：由两个干扰信号产生。

三阶-II型互调：由三个干扰信号产生。

发射机互调：发射机末级功放的非线性引起。

接收机互调：接收机前端放大器的非线性引起。2/6/202365信息与通信工程系4.4.3同频道再用距离•在小区制移动通信系统中，同频道干扰是来自周围若干个小区基站的干扰。•若多个同频道干扰源来的总干扰比单个干扰源来的干扰电平高MdB，则在计算同频道再用距离时，S/I（单个干扰源）也应提高M

dB。2/6/202366信息与通信工程系上节课主要内容噪声的分类与特性人为噪声环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响发射机产生的噪声及寄生辐射

邻道干扰、同频干扰互调干扰种类射频防护比

接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比

互调干扰2/6/202367信息与通信工程系4.5互调干扰4.5.1互调干扰的基本概念及分类

4.5.2发射机的互调干扰

4.5.3接收机的互调干扰

4.5.4无三阶互调的频道组2/6/202368信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类

当两个或多个不同频率的信号同时输入到非线性电路时，由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和组合频率分量。互调干扰

由传输信道中的非线性电路产生的组合频率干扰。其中与所需信号频率相接近的组合频率分量会通过接收机而形成干扰，即互调干扰。2/6/202369信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类ui非线性电路的伏安特性2/6/202370信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类一般非线性器件的输出电流与输入电压的关系设两个信号同时作用于非线性器件输出中会产生许多谐波和组合频率分量，包括：2/6/202371信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类（1）各失真项中都有谐波分量，不属于互调频率，且远离接收机工作频率，故不需考虑。分析（2）在二次失真项中，有互调频率，但不需考虑；同理，四次、六次等偶次失真项也不需考虑。2/6/202372信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类（3）在三次失真项中，有

等互调频率，其中

与接收机的工作频率最为接近，可能影响接收机的工作，称为三阶互调干扰。

2/6/202373信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类例如：如果有干扰频率为f

1=150.2

MHz、f

2=150.1MHz、f

3=150.0MHz，问当某用户的频率为f

0=150.3MHz时，问能否产生三阶互调干扰？

由于2f1

-f2=2*150.2

-

150.1=150.3=f0

f1

+

f2

-

f3

=f0故,会产生三阶互调干扰。2/6/202374信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类同理，在五次、七次失真项中，会产生

等互调频率，可能影响接收机的工作，分别称为五阶、七阶互调干扰。

2/6/202375信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类•高次谐波分量不属于互调干扰•偶数阶组合频率不形成互调干扰•奇数阶：五阶互调干扰的影响小于三阶常只考虑三阶。五阶以上一般都不予考虑。小结：2/6/202376信息与通信工程系4.5.1互调干扰的基本概念及分类三阶-I型互调：由两个干扰信号产生。互调干扰种类：接收机互调：接收机前端放大器的非线性引起。三阶-II型互调：由三个干扰信号产生。发射机互调：发射机末级功放的非线性引起。2/6/202377信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰•基站使用多部不同频率的发射机（FDMA系统）所产生的特殊干扰。•多部发射机设置在同一地点时，它们的信号都可能通过电磁耦合或其他途径窜入其它的发射机中，从而产生互调干扰。•常发生在末级功放（常工作于非线性状态）中。2/6/202378信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰2/6/202379信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰以(2fA-fB)=

fC为例说明•设发射机A、B的输出功率均为P

(dBW

)，这时发射机A输出的三阶互调干扰功率为三阶互调干扰电平的计算方法PTIM

=P

(dBW

)-(LC+LI

)

其中，

LC为耦合损耗，LI是互调转换损耗。2/6/202380信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰•耦合损耗LC：发射机B的输出功率与它进入发射机A

末级功放的功率之比。共用天线之间的耦合损耗：25dB•分用天线之间的耦合损耗主要决定于天线间距，工作波长和天线放置方向。（1）耦合损耗Lc2/6/202381信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰2/6/202382信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰（2）互调转换损耗LI•发射机B的信号进入发射机A（经耦合损耗）与由发射机A产生并输出的互调功率之比。•主要取决于发射机A末级功放的非线性特性及输出回路的滤波性能。2/6/202383信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰

互调转换损耗与发射机的频差有关。2/6/202384信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰举例2/6/202385信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰减小发射机互调电平的措施•尽量增大基站发射机之间的耦合损耗LC。如增大天线的空间隔离度；接高Q带通滤波器，增大频率隔离度，等等。•改善发射机末级功放的性能，提高其线性动态范围。•在共用天线系统中，各发射机与天线之间插入单向隔离器或高Q谐振腔。2/6/202386信息与通信工程系4.5.2发射机的互调干扰采用单向隔离器降低互调辐射电平的方案2/6/202387信息与通信工程系4.5.3接收机的互调干扰

若有两个或多个干扰信号同时进入接收机高放或混频器，只要它们的频率满足一定关系，由于器件的非线性特性，就有可能形成互调干扰。2/6/202388信息与通信工程系4.5.3接收机的互调干扰•高放和混频器宜采用具有平方律特性的器件•接收机输入回路应有良好的选择性•在接收机前端加入衰减器减轻接收机互调干扰的措施2/6/202389信息与通信工程系4.5.3接收机的互调干扰接收机抗互调干扰能力•用互调抗拒比SI

表示•SI表征了接收机对于满足互调频率关系的两个或多个无用信号的抑制能力•当输入有用信号的电平比灵敏度高3dB时，引入适当的互调干扰使接收机输出的信纳比保持12dB，此时，输入的互调干扰电平与有用信号电平的比值（dB）即接收机的互调抗拒比。2/6/202390信息与通信工程系4.5.3接收机的互调干扰

信纳比（SINA---SignaltoNoiseandDistortionRatio）由美国EIA规定，是考虑信号失真后的信噪比。

SINA=（

S+N+D）/（

N+D）其中：S

为信号功率N

为噪声功率D

为信号失真部分的功率2/6/202391信息与通信工程系4.5.3接收机的互调干扰•等效干扰电平：将接收机中由互调产物引起的干扰，等效为接收机输入端调谐频率上的干扰电平。---互调常数典型接收机对两信号三阶互调的等效互调干扰电平近似为接收机互调干扰电平的计算2/6/202392信息与通信工程系4.5.3接收机的互调干扰其中，[PSV]为接收机灵敏度，[PIM]为接收机等效干扰电平，Γ为射频防护比。•三阶互调的影响是主要的，其中又以两信号三阶互调的影响最大。•接收机的互调干扰，可折算为同频道干扰来估算它对通信的影响，即为了保证一定的接收信号质量，应满足2/6/202393信息与通信工程系4.5.4无三阶互调的频道组

移动通信系统中，为避免三阶互调干扰，在分配频率时，合理地选用频道（或波道）组中的频率，使它们可能产生的互调产物不致落入同组频道中的任一工作频道。2/6/202394信息与通信工程系4.5.4无三阶互调的频道组产生三阶互调干扰的频率是：

fi、fj、fk

是频率集合{f1,f2,…,fn}中的任意三个频率，fx

也是该集合中的一个频率。如何标称频率•用频道序号2/6/202395信息与通信工程系4.5.4无三阶互调的频道组频道序号与频率值之间的关系因此，产生三阶互调干扰的频率关系也可写为：2/6/202396信息与通信工程系4.5.