分集接收技術(shù)

1、編 號：_ _研究方向：_ _ _2014年鄭州大學(xué)第九屆研究生論文大賽題目：多徑衰落信道下分集接收技術(shù)性能仿真學(xué)科門類（文、理、工、醫(yī)）：工院 系：信息工程學(xué)院專 業(yè)：通信與信息系統(tǒng)初 審：評 審：多徑衰落信道下分集接收技術(shù)性能仿真摘 要:隨著信息時代的到來，近幾年來，在通信領(lǐng)域，很多的技術(shù)都得到了發(fā)展和應(yīng)用，通信質(zhì)量問題也得到越來越多的關(guān)注，當(dāng)信號在實際的無線通信系統(tǒng)中傳輸時，多徑傳輸?shù)拇嬖跁剐盘柈a(chǎn)生衰落，衰落會影響通信的質(zhì)量，多徑效應(yīng)是影響無線通信質(zhì)量的一個重要因素，多徑效應(yīng)通常會影響信號的傳輸，然而分集技術(shù)可以有效的減弱多徑效應(yīng)帶給無線信道的不良的影響。使用分集技術(shù)可以獲得分集增益

2、，通過獲得分集增益來提高通信的質(zhì)量。本設(shè)計介紹了有關(guān)通信系統(tǒng)仿真的方法和概念，也對多徑衰落信道做了詳細(xì)的介紹，論文的最后一章用MATLAB仿真了多徑衰落信道，通過仿真可以比較直觀的看出此信道的特點，論文詳細(xì)的介紹了幾種分集合并技術(shù)，并對這幾種技術(shù)做了簡單的分析和比較，仿真了信號在不同的分集接收技術(shù)上的BER。關(guān)鍵詞：信號；多徑效應(yīng)；分集技術(shù)；通信仿真 The performance simulation of diversity reception technology on Rayleigh fading channel Abstract:With the information age c

3、oming, in recent years, in the field of communication, many techniques are making a big development, the communication quality issues have been more and more attention, when the signal transmit in a real communication system .In multipath transmission signal will be fading, fading affects the qualit

4、y of the communication .multipath effect is an important factor affecting the quality of the radio communication, multipath effects usually affect the signal transmission, however, the diversity technique can be effectively reduced multipath effects bring the adverse effects of the radio channel. Di

5、versity gain can be obtained by obtaining the diversity gain to improve the quality of the communication using the diversity technique. This topic provides information communication system simulation methods and concepts. In this paper, I make a detailed introduction about multipath fading channel .

6、In final chapter, MATLAB is used to simulate the multipath fading channel, Through the simulation we can see this channel characteristics more intuitive, the paper describes in detail several diversity combining techniques, and these types of technology to do a simple analysis and comparison of simu

7、lated signals in different diversity reception technology BER.Keywords: signal Multi-path effects diversity reception technology 1 緒論1.1 引言達(dá)接收端的信號路徑不只有一條。即存在多徑傳輸。多徑傳輸會給信號帶來多徑衰落。多徑衰落會使到達(dá)接收機的信號在實際的無線通信中，信號在傳輸過程中存在反射、折射、繞射等現(xiàn)象使到與原來的發(fā)射信號相差較大，造成錯碼，因此，怎樣提高信號的輸出信噪比，提高信道特性是現(xiàn)在通信領(lǐng)域的重要研究課題。分集技術(shù)的關(guān)鍵是“分”，“分”的含義就是要

8、使信號通過多個信道，這里所說的信道可以是空間的，可以是時間的，也可以是頻率的。通過多個信道傳送同一信號，然后在接收端會接收到多個信道信息，因為每個信道的特性不可能完全相同，在不同信道上傳輸?shù)亩嗦沸盘柕乃ヂ渚筒槐M相同。多徑信號疊加后在每個時間點上的信號就會減少衰落，多條信號疊加后所包含的的信息比較接近原來的信號，這樣接收機就能比較準(zhǔn)確的恢復(fù)原來的信號。因此分集技術(shù)可以降低衰落，如果不用分集技術(shù)，在這種情況下要想獲得比較高的輸出信號信噪比，發(fā)射機必須要有較高的信號發(fā)射功率，信號的發(fā)射功率較小會使到達(dá)接收端的衰落信號的功率更小。因此在不采用分集技術(shù)的情況下，要想獲得較高的信號輸出信噪比，就必須有較高

9、的信號發(fā)射功率。在移動無線通信中，因為發(fā)射信號的功率是有限，并且一味的增大發(fā)射功率無疑就增加了通信的成本。而采用分集方法可以在降低發(fā)射功率的前提下提高分集增益，因此分集技術(shù)在通信領(lǐng)域是一項很重要的技術(shù)，分集技術(shù)應(yīng)該得到廣泛的應(yīng)用。1.2 課題研究的目的和意義在非理想的移動通信系統(tǒng)中，移動臺大都是工作在復(fù)雜的環(huán)境中，如果移動臺工作在復(fù)雜的建筑群中，而且移動臺的位置不是固定的，移動的方向、速度都是不確定的。信號發(fā)送后，信號在信道傳輸?shù)倪^程中會被衰落，衰落后的信號與原來的信號在幅度值和相位值上都有區(qū)別。在傳送的過程中信號達(dá)到接收端的路徑不止有一條，造成多條路徑的原因是信號在傳送時，信道不是理想的，信

10、號在信道傳輸?shù)倪^程中存在這折射、繞射、反射等現(xiàn)象。這使信號在傳送時不單單的存在直射現(xiàn)象，這就使信號的傳送存在延時，信號從發(fā)送端到接收端的路徑不止有一條，每條路徑的信號衰落和延時都不同，接收端收到的的信號不是只有直射信號，而是多個幅值、相位各不相同的信號的疊加，多條路徑信號的疊加會使接收到的信號出現(xiàn)隨機起伏的變化，這就是多徑衰落。每條路徑的參數(shù)不同使不同路徑的信號的傳播時間延時不同，相位不同，振幅也不同，即每條路徑的信號衰落是不同的。在信號的接收端接收機接收到的信號是多條路徑信號的疊加，因此疊加后的信號在某個時間點上可能會增強。而在某個時間點上可能會減弱。在這種情況下嚴(yán)重的衰落將會產(chǎn)生。嚴(yán)重的衰

11、落會降低有用信號的功率，會使得接收機的接收到的信號產(chǎn)生失真。分集接收技術(shù)可以有效地減小或者可以解決多徑傳輸帶給信號的不良影響。分集接收技術(shù)可以通過獲得分集增益來提高通信的質(zhì)量。2 多徑衰落信道和通信系統(tǒng)仿真2.1多徑衰落信道下面我們通過一個簡單的模擬圖示來詳細(xì)的說明多徑衰落信道。如下圖所示：圖 2-1多徑衰落信道如上圖，假設(shè)有基站，有移動臺，最右邊的是一個能反射電磁波的反射墻。假設(shè)基站和移動臺都是固定的，從上圖我們可以清晰的看到，從基站的發(fā)射機發(fā)送的信號有兩條路徑到達(dá)接收端的移動臺。各段的距離如上圖所示。因為信號在傳輸?shù)倪^程中存在墻面的反射，接收端的移動臺將會接受到兩路信號，一路是直射信號，另

12、一路是存在反射的反射信號。那么經(jīng)過反射后的信號到達(dá)接收端的時間與直射信號相比將會有時間延時，接收端收到的信號將是兩路信號的疊加。此模擬就是多徑傳輸，所謂多徑通過上圖可以很明了的理解。當(dāng)然實際的通信中信號的傳輸是不止兩條路徑的，所有的路徑在同一個時間點上的衰落是有區(qū)別的，在一個固定的時間點上，所有路徑信號的相位是不同的，當(dāng)其相位是相反的時，這樣會致使合成后信號最大值要小于單一的直射徑的信號幅值。這樣就會造成由于多徑傳輸使得接收端接收到的信號強度小于原來發(fā)送端發(fā)送的信號，這種情況就是多徑衰落信道。3 分集接收技術(shù)3.1 分集技術(shù)的基本原理分集技術(shù)是接收好幾個支路上的信號，并且這幾個支路的信號是同一

13、信號但是它們的相關(guān)性很小。然后在接收端通過合并技術(shù)，合并技術(shù)使多個支路信號合并，分集技術(shù)是通過獲得分集增益來改善信號的質(zhì)量。 “分集技術(shù)”中的“分”是指分散傳輸，“分集技術(shù)”中的“集”是指集中處理。通信領(lǐng)域近幾年快速發(fā)展，分集技術(shù)有其特殊的優(yōu)點，也因此得到廣泛的應(yīng)用。分集技術(shù)的關(guān)鍵是兩點，一是分散傳輸，二是集中處理，分集技術(shù)的使用并不是無條件的，在采用分集技術(shù)時，為了獲得更高的分集增益，要求每條路徑的信號之間的相關(guān)性很小，相關(guān)性太高時分集技術(shù)用著不理想。分集技術(shù)有好幾種，在時域內(nèi)的分集技術(shù)叫時間分集。時間分集的關(guān)鍵是在不同的時間發(fā)送信號，為獲得更好的分集效果，要求在不同的時間點發(fā)送的信號是相互

14、獨立的，時間分集要求不同分集支路發(fā)送信號的時間的間隔應(yīng)該滿足一定的條件。頻率分集是在不同的頻段上發(fā)送同一信號，但不同頻段是有頻率間隔的，并且其間隔要滿足一定的條件，間隔太小，不能滿足信號間的不相關(guān)性，分集的效果不好，間隔太大浪費了頻帶資源。對于一個特定的信道，信道的相干帶寬是固定的，當(dāng)頻率間隔大于它時，在這樣的條件下，每個信道上傳播的信號就滿足了條件。采用多個天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的分集技術(shù)屬于空間分集，空間分集為了保證信號的獨立性，也應(yīng)該滿足一定的條件，其必要條件是各個天線之間的距離要足夠大，天線之間的距離應(yīng)該滿足一定的條件，只有這樣不同天線之間的信號就可以看做是相互獨立的。3.2 分集技術(shù)的基

15、本方法（1） 空間分集空間分集也被稱為天線分集，同一接收信號在兩個不同的位置上，如果兩個天線的位置達(dá)到一定的距離，那么兩個位置的衰落信號是不相關(guān)的?？臻g分集的原理圖如圖3-1所示。發(fā)射機用一副發(fā)射天線發(fā)射信號，接收端用若干個接收天線接收信號。在實際的無線通信系統(tǒng)中，天線間的距離要根據(jù)具體環(huán)境而設(shè)定。在理想情況下，天線間的距離為半波長就可以保證各接收路信號是不相關(guān)的。因此，接收端各天線間的距離不是無條件的不是隨意的，是應(yīng)該滿足一定的條件的，只有在實際的通信中用空間分集天線的距離滿足一定的條件時，才能達(dá)到高的分集增益。圖 3-1 空間分集圖（2） 極化分集在實際的移動的環(huán)境下,在同一地點,極化方向

16、有垂直極化方向和水平極化方向，如果兩幅天線相互正交，那么兩幅天線所傳送的信號滿足不相關(guān)的特性。我們可以利用這一特點來實現(xiàn)極化分集,極化分集需要用到兩幅天線，并且這兩幅天線的極化方向是互相垂直的，垂直極化天線和水平極化天線分別裝在信號的接收端和發(fā)送端,這樣就可以得到兩路信號，并且由于兩幅天線的極化方向是垂直的，所以這兩路信號滿足衰落特性不相關(guān)。3.3合并技術(shù)的基本概念和方法在分集接受的過程中接收端利用分集技術(shù)從多個相互獨立的信號支路獲得多路信號，此多路信號滿足一定的條件后大都是獨立不相關(guān)的。在接收端接收機需要把接收到的信號合并接收，以此獲得分集增益。在分集技術(shù)中，屬于線性的合并方式基本有四種，它

17、們是最大比合并、等增益合并、開關(guān)合并和選擇式合并，在實際中，這四種應(yīng)用的最多。3.3.1最大比合并最大比合并是指：接收機在接收端接收到多徑信號后，系統(tǒng)按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)加權(quán)相加，可以用此等式表示，合并后的信號=路徑1的信號*加權(quán)值+路徑2信號*加權(quán)值+路徑3信號*加權(quán)值····這就是最大比合并。其個式中的加權(quán)系數(shù)是不同的。假設(shè)多徑的每條路徑的增益是G，那么到接受端接收到的多徑信號的信號是 (3-1)如果每條路徑的信道噪聲的功率值都為一個確定的值，假設(shè)都為N，那么總的噪聲功率就是： (3-2)因此我們可以得到信號的輸出信噪比為： （3-3）根據(jù)有關(guān)的理論可

18、知當(dāng)G滿足一定的條件時，SNR可以達(dá)到最大 （3-4）由此公式可以看出最大比合并的輸出的信噪比與各個支路的每個輸出信噪比的關(guān)系。 （3-5） （3-6） （3-7） （其中M是分集的集數(shù)） （3-8）由以上的公式我們可以看出最大比合并技術(shù)的輸出信噪比是和分集的集數(shù)是有關(guān)系的。下圖就是最大比合并的結(jié)構(gòu)圖：檢測器自適應(yīng)控制輸出同向求和天線12G2G1Y1GmYmY2Ym 圖 3-1 最大比合并通過上圖我們得知：如果信道特性很差，這樣會導(dǎo)致每一路的信號經(jīng)過信道后都會變得很弱，這樣就不能用選擇式合并去解調(diào)出近似原發(fā)送的信號，只要有足夠的接收信號，最大比合并就能得到好的信號。因此，這種方法的抗衰落特性是

19、最佳的，最大比合并方式成了數(shù)字信號處理技術(shù)和數(shù)字接收技術(shù)的主要應(yīng)用方式。3.3.2.等增益合并上一小節(jié)我們討論了最大比合并方式，最大比合并技術(shù)的關(guān)鍵是估算各分集支路中信號的信噪比，由此產(chǎn)生合適的權(quán)值系數(shù)，如果每個分集支路的權(quán)值系數(shù)都是1，即分集權(quán)值系數(shù)都相同，這種方法叫等增益合并。其能能比最大比合并方式差點，但是比選擇方式好得多。等增益合并輸出的結(jié)果是各路信號按照一定的加權(quán)相疊加，只是各路的加權(quán)系數(shù)都相同且為1。即G=1，則信號在接收端的包絡(luò)是 （3-9）接收端的SNR是：（3.3-10）其均值是： （3-11）比較式子（3.3-8）和（3.3-11）我們可以得出結(jié)論最大比合并技術(shù)的輸出信噪比

20、比較大。等增益合并在實際中的應(yīng)用也比較多。同向相加 天線輸出a0012Ma0a0圖3-2等增益合并4 性能仿真與分析 4.1 仿真模型 本畢業(yè)設(shè)計采用多徑衰落信道模型，信號的調(diào)制和解調(diào)都采用QPSK方式。為了方便理解和簡單的畫出方框圖來說明問題，我們假設(shè)信號傳輸?shù)穆窂綏l數(shù)為兩條，下圖簡單的畫出了分集接收的仿真框圖Multipath fading Channel #1Delay#1Multipath fading Channel #2Delay#2DiversityCombinerTransmit Filtern1(t)n2(t)Upper SampleQPSK  EncoderRec

21、eive FilterSampleQPSK Decoderbkbk CompareBERCounter圖 4-1分集接收仿真流圖4.2 QPSK的簡介在整個設(shè)計中，通過信道的信號是QPSK信號，因此先簡單的介紹一下QPSK的調(diào)制和解調(diào)。4.2.1 QPSK的原理QPSK是四進(jìn)制相移鍵控，它的每一個碼元含有2比特的信息，兩比特的信息可用兩位的二進(jìn)制表示，所以QPSK有四種相位，我們可以用0和1表示這四種相位信息，即我們可以表示為00、01、10、11.（1） QPSK調(diào)制原理QPSK又叫正交相移調(diào)制，QPSK有四種相位。由于每一種相位有兩個比特信息。因此可以用雙比特來表示QPSK，在QPSK中通

22、常用格雷碼來表示，格雷碼有很多的優(yōu)點，格雷碼的優(yōu)點是相鄰相位的數(shù)字比特只有一位不相同，因此格雷碼使調(diào)制后的誤碼率發(fā)生在相鄰相位上的錯判比較大，所以格雷碼可以使信號總的誤碼率比較低。雙比特碼元載波相位abA方式B方式01100011225°315°45°135°0°90°180°270°表 4-2 QPSK比特碼元和相位的關(guān)系圖 4-3 QPSK信號的矢量圖（2） QPSK的解調(diào)四進(jìn)制的可以看作兩個二進(jìn)制信號的合成，這兩個信號是2PSK類型的，因此解調(diào)QPSK的方法可以去解調(diào)二進(jìn)制信號的兩條支路。這兩條支路信號的編碼

23、方式是2PSK的類型，這樣就把解調(diào)過程簡單化。并且這兩天支路是互相正交的關(guān)系，這樣就很容易分離解調(diào)出原信號。其原理框圖如圖2.3-4所示。低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決并串變換90°相移載波提取定時 定時 I 數(shù)據(jù)輸出Qcosct sinct圖 4-4QPSK的解調(diào)原理圖4.2.4 仿真四進(jìn)制的可以看作是兩條二進(jìn)制的信號，這兩天信號是I 路和Q路，兩路信號的載波不一樣，I 路信號用的載波是余弦的信號， Q路信號用的載波是正弦的。在仿真中a表示是I 路，b就是Q 路，它們分布與各自的載波相乘分別輸出 I 路信號和 Q 路信號。輸出信號是兩路信號的相加。當(dāng) 載波信號的相位是0

24、時，用二進(jìn)制“1”表示，當(dāng) 載波信號的相位是180°時，用二進(jìn)制“0”表示.圖4-5 QPSK的調(diào)制仿真在解調(diào)時，解調(diào)得到兩路信號是I(t)和Q(t)，兩路信號經(jīng)判決后和并/串變換后可解調(diào)出原始信息。 圖 4-6QPSK的解調(diào)仿真4.3多徑衰落信道的仿真隨參信道有各種各樣的，信道的參數(shù)不確定的就叫隨參信道。實際的通信中大多都是隨參信道。恒參信道是比較理想的信道，實際的信道中恒參信道存在的比較少。然而不管是什么樣的隨參信道都具有相同的特性。特點之一是信號的衰落是不確定的，衰落是隨著時間的變化而變化的，特點之二是信號的時間延時也是不確定的，不同的時間點上的時間延時是不同的，是隨時間而變的

25、，特點之三是隨參信道中存在多徑效應(yīng)。在下圖中，其中d為信號直射時傳播路徑，d1路徑為信號經(jīng)地面反射后的路徑，d2路徑為信號經(jīng)散射后的路徑。當(dāng)然實際的多徑傳輸不知有三條路徑，有若干條路徑，若干條路徑大致分為以上的三類。圖 4-7多徑傳輸?shù)膱D示 圖 4-8多徑信道的仿真由以上的仿真圖形可知，接收端接收到的信號時直射信號和反射信號的疊加，有上圖可以很明了的看出，并且我們可以很清楚的看到當(dāng)發(fā)射信號的頻率改變時信號的衰落也不同，這是是多徑信道的特征之一。在接受端接收到的信號中，不僅有直射信號，而且還有反射信號的存在，接收機處接受到的信號在不同的時間點上有不同的特征，如果是在頻譜域分析，信號的衰落與頻率有

26、關(guān)，在某些頻率分量上的信號強度是增強的，而在某些頻率分量上的信號強度是減弱的。4.4幾種合并技術(shù)仿真的比較 在分集技術(shù)幾種接收合并技術(shù)中最大比合并的應(yīng)用最為廣泛，在分集支路N很大時，最大比合并的性能比等增益合并的性能要好很多，當(dāng)分集支路比較少時，例如當(dāng)分集支路只有兩路時等增益合并的分集增益近似等于最大比合并技術(shù)的分集增益，即兩者的分集增益相差很小。最大比合并的增益隨著分集數(shù)的增加并不是固定不變的，而是分集增益隨著分集增益的增加將有所變化，大概的關(guān)系如下圖所示圖 4-9 最大比合并與分集數(shù)的關(guān)系信號的輸出信噪比是移動通信的最重要的性能指標(biāo)之一，當(dāng)然信號的輸出信噪比越大越好，信噪比影響通信的質(zhì)量，

27、信噪比也決定了信號傳輸?shù)恼`碼率。因此在三種合并方式中，由下圖的實驗結(jié)果可知在相同信噪比的情況下誤碼率最低的合并技術(shù)的性能最好。 圖 4-10 三種分集合并方式的比較由上圖的實驗結(jié)果可知：在信噪比相同的情況下，比較它們的誤碼率，最大比合并的最小，等增益合并的次之，選擇式合并的是三種合并技術(shù)中最大的。因為選擇合并的輸出只有一路信號，因此它的性能稍差。并且在信噪比比較小時，它們的誤碼率相差并不是很大，在信噪比很小很小時，三條曲線幾乎是重合的，但是隨著信噪比的增大，三者的誤碼率的差異逐漸增大。結(jié) 論移動通信技術(shù)的發(fā)展是很迅速的，改變著人們的生活，分集改變了多徑衰落帶給信道的不良影響。由多徑衰落信道的仿真可以看出，多徑效應(yīng)影響了無線通信的質(zhì)量。而采用分集技術(shù)后，多徑效應(yīng)對信道的影響會減弱，分集技術(shù)可以通過獲得分集增益來提高無線通信的質(zhì)量。論文對有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了仿真，由此得出結(jié)論：分集接收技術(shù)確實能夠從衰落的多徑信道中近似恢復(fù)原發(fā)送信號。三種分集接收方式大大提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了無線通信的質(zhì)量，最大比合并方式的系統(tǒng)性能比等增益合并方式的性能好，等增益合并方式的系統(tǒng)性能要比選擇式合并方式的性能優(yōu)良。在分集的集數(shù)較少時，等增益合并和最大比合并的性能相差很小，選擇式合