第6章分集接收技術(shù)2014

1、第六章第六章 分集接收技術(shù)分集接收技術(shù)在移動(dòng)通信中，多徑效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)延擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)快衰落，表在移動(dòng)通信中，多徑效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)延擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)快衰落，表現(xiàn)出接收信號(hào)瞬時(shí)值劇烈變化現(xiàn)出接收信號(hào)瞬時(shí)值劇烈變化分集接收分集接收是抵抗快衰落效應(yīng)的有效手段，其是抵抗快衰落效應(yīng)的有效手段，其基本思想：基本思想：將接收到的多將接收到的多徑信號(hào)分離成互不相關(guān)的、獨(dú)立的多路信號(hào)，選取信號(hào)的兩個(gè)或多個(gè)徑信號(hào)分離成互不相關(guān)的、獨(dú)立的多路信號(hào)，選取信號(hào)的兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立樣本，其衰落互不相關(guān)，意味著所有信號(hào)樣本同時(shí)低于某個(gè)給定獨(dú)立樣本，其衰落互不相關(guān)，意味著所有信號(hào)樣本同時(shí)低于某個(gè)給定電平的概率比任何一個(gè)樣本低于該

2、電平的概率要小得多。再將這些信電平的概率比任何一個(gè)樣本低于該電平的概率要小得多。再將這些信號(hào)按照一定準(zhǔn)則合并，使接收的有用信號(hào)能量最大。對(duì)于數(shù)字通信系號(hào)按照一定準(zhǔn)則合并，使接收的有用信號(hào)能量最大。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，就是使統(tǒng)而言，就是使誤碼率最?。徽`碼率最??；對(duì)于模擬通信系統(tǒng)而言，就是使對(duì)于模擬通信系統(tǒng)而言，就是使接收信接收信噪比最大噪比最大第六章第六章 分集接收技術(shù)分集接收技術(shù)分集接收包括分集接收包括兩項(xiàng)內(nèi)容：兩項(xiàng)內(nèi)容： 如何將接收的多徑信號(hào)如何將接收的多徑信號(hào)分離分離成互不相關(guān)的多路信號(hào)？成互不相關(guān)的多路信號(hào)？ 采用怎樣的采用怎樣的合并合并方式使接收的有用信號(hào)能量最大？方式使接收的有用信

3、號(hào)能量最大？分集接收分類(lèi)：顯分集、隱分集分集接收分類(lèi)：顯分集、隱分集 顯分集：顯分集：利用多副天線接收信號(hào)，構(gòu)成明顯的分集信號(hào)接收方式利用多副天線接收信號(hào)，構(gòu)成明顯的分集信號(hào)接收方式 隱分集：隱分集：只需一副天線接收信號(hào)，分集隱含在傳輸信號(hào)中，在接收端只需一副天線接收信號(hào)，分集隱含在傳輸信號(hào)中，在接收端通過(guò)信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)分集接收通過(guò)信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)分集接收 第六章第六章 分集接收技術(shù)分集接收技術(shù)顯分集技術(shù)顯分集技術(shù) 顯分集：顯分集：宏分集、微分集宏分集、微分集 宏分集宏分集 (多基站分集多基站分集) ：將多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置和不同方向：將多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置和不同方向上上 (如蜂窩小

4、區(qū)的對(duì)角線上如蜂窩小區(qū)的對(duì)角線上) ，所有基站可以同時(shí)與小區(qū)內(nèi)某個(gè)移動(dòng)終，所有基站可以同時(shí)與小區(qū)內(nèi)某個(gè)移動(dòng)終端通信，但移動(dòng)終端僅選擇對(duì)自己而言信號(hào)最好的基站進(jìn)行通信，以端通信，但移動(dòng)終端僅選擇對(duì)自己而言信號(hào)最好的基站進(jìn)行通信，以此減小地形、地物與大氣等對(duì)信號(hào)傳播的慢衰落效應(yīng)此減小地形、地物與大氣等對(duì)信號(hào)傳播的慢衰落效應(yīng) 移動(dòng)終端在移動(dòng)終端在A路段與基站路段與基站B通信，在通信，在B路段則與基站路段則與基站A通信，基站數(shù)根據(jù)需要確通信，基站數(shù)根據(jù)需要確定定顯分集技術(shù)顯分集技術(shù) 微分集：微分集：用于抵抗快衰落效應(yīng)。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：當(dāng)信號(hào)在空用于抵抗快衰落效應(yīng)。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：當(dāng)信號(hào)

5、在空間、頻率和時(shí)間等范圍分離時(shí)都會(huì)呈現(xiàn)出相互獨(dú)立的衰落特性。按照路間、頻率和時(shí)間等范圍分離時(shí)都會(huì)呈現(xiàn)出相互獨(dú)立的衰落特性。按照路徑分離的不同，微分集又分為：徑分離的不同，微分集又分為：空間分集、頻率分集、時(shí)間分集、極化空間分集、頻率分集、時(shí)間分集、極化分集、角度分集、場(chǎng)分量分集和路徑分集等分集、角度分集、場(chǎng)分量分集和路徑分集等 空間分集：空間分集：根據(jù)快衰落信道的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同位置接收根據(jù)快衰落信道的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同位置接收同一信號(hào)，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，兩處呈現(xiàn)出的衰落效應(yīng)同一信號(hào)，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，兩處呈現(xiàn)出的衰落效應(yīng)是不相關(guān)的?？臻g分集的

6、基本結(jié)構(gòu)是在發(fā)端使用一副天線發(fā)射，而在收是不相關(guān)的。空間分集的基本結(jié)構(gòu)是在發(fā)端使用一副天線發(fā)射，而在收端采用多副天線接收。要求：市區(qū)：天線間距端采用多副天線接收。要求：市區(qū)：天線間距 0.5 倍波長(zhǎng)；郊區(qū)：天倍波長(zhǎng)；郊區(qū)：天線間距線間距 0.8 倍波長(zhǎng)倍波長(zhǎng) 顯分集技術(shù)顯分集技術(shù) 頻率分集：頻率分集：由于頻率間隔大于相干帶寬的兩個(gè)信號(hào)所遭受的衰落是彼此由于頻率間隔大于相干帶寬的兩個(gè)信號(hào)所遭受的衰落是彼此獨(dú)立的，所以可以用兩個(gè)以上的不同頻率傳輸同一信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)頻率獨(dú)立的，所以可以用兩個(gè)以上的不同頻率傳輸同一信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)頻率分集。頻率分集要求發(fā)端采用兩個(gè)以上的發(fā)射機(jī)發(fā)送同一信號(hào)，收端采分集。頻

7、率分集要求發(fā)端采用兩個(gè)以上的發(fā)射機(jī)發(fā)送同一信號(hào)，收端采用兩個(gè)以上的接收機(jī)接收信號(hào)，再根據(jù)一定準(zhǔn)則合并接收信號(hào)用兩個(gè)以上的接收機(jī)接收信號(hào)，再根據(jù)一定準(zhǔn)則合并接收信號(hào) 時(shí)間分集：時(shí)間分集：快衰落除了具有空間和頻率獨(dú)立性外，也具有時(shí)間獨(dú)立性，快衰落除了具有空間和頻率獨(dú)立性外，也具有時(shí)間獨(dú)立性，即同一信號(hào)在不同時(shí)刻重復(fù)發(fā)送，只要兩次重發(fā)的時(shí)間間隔大于信道相即同一信號(hào)在不同時(shí)刻重復(fù)發(fā)送，只要兩次重發(fā)的時(shí)間間隔大于信道相干時(shí)間，那么各次發(fā)射信號(hào)通過(guò)信道時(shí)，呈現(xiàn)出的衰落效應(yīng)也是彼此獨(dú)干時(shí)間，那么各次發(fā)射信號(hào)通過(guò)信道時(shí)，呈現(xiàn)出的衰落效應(yīng)也是彼此獨(dú)立的。接收機(jī)將重復(fù)收到的信號(hào)按照一定準(zhǔn)則合并，也可以減小衰落效立

8、的。接收機(jī)將重復(fù)收到的信號(hào)按照一定準(zhǔn)則合并，也可以減小衰落效應(yīng)應(yīng) 顯分集技術(shù)顯分集技術(shù) 極化分集：極化分集：由于極化方式不同的電磁波也具有獨(dú)立的衰落特性，所以收由于極化方式不同的電磁波也具有獨(dú)立的衰落特性，所以收發(fā)兩端可以利用兩個(gè)位置靠近但極化方式不同的天線收發(fā)信號(hào)，也能獲發(fā)兩端可以利用兩個(gè)位置靠近但極化方式不同的天線收發(fā)信號(hào)，也能獲得分集增益。極化分集是空間分集的一種特殊形式，其優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)得分集增益。極化分集是空間分集的一種特殊形式，其優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但由于射頻功率需要分配到兩副天線上，其發(fā)射功率會(huì)緊湊，體積小，但由于射頻功率需要分配到兩副天線上，其發(fā)射功率會(huì)損失損失3dB

9、角度分集：角度分集：其實(shí)現(xiàn)方式是使發(fā)射信號(hào)通過(guò)不同路徑，并以不同角度到達(dá)其實(shí)現(xiàn)方式是使發(fā)射信號(hào)通過(guò)不同路徑，并以不同角度到達(dá)接收端，接收端利用多個(gè)方向尖銳的定向天線分離接收來(lái)自不同方向的接收端，接收端利用多個(gè)方向尖銳的定向天線分離接收來(lái)自不同方向的信號(hào)，再依據(jù)一定準(zhǔn)則合并。由于不同方向接收信號(hào)的衰落特性彼此獨(dú)信號(hào)，再依據(jù)一定準(zhǔn)則合并。由于不同方向接收信號(hào)的衰落特性彼此獨(dú)立，因而能獲得分集增益立，因而能獲得分集增益 顯分集技術(shù)顯分集技術(shù) 場(chǎng)分量分集：場(chǎng)分量分集：根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電磁波的根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電磁波的E場(chǎng)和場(chǎng)和H場(chǎng)分量承載了相同的信場(chǎng)分量承載了相同的信號(hào)，但號(hào)，但 Ez、Hx、Hy 分量

10、相互獨(dú)立，通過(guò)分別接收三個(gè)場(chǎng)分量，再按照一分量相互獨(dú)立，通過(guò)分別接收三個(gè)場(chǎng)分量，再按照一定準(zhǔn)則合并，也能獲得分集增益，且沒(méi)有定準(zhǔn)則合并，也能獲得分集增益，且沒(méi)有3dB的功率損失的功率損失 路徑分集：路徑分集：如果電磁波經(jīng)過(guò)兩條不同路徑傳播的時(shí)延大于某值如果電磁波經(jīng)過(guò)兩條不同路徑傳播的時(shí)延大于某值 (相干時(shí)相干時(shí)間間) 時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)的衰落特性也是彼此獨(dú)立的。時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)的衰落特性也是彼此獨(dú)立的。RAKE接收機(jī)就是基于接收機(jī)就是基于該特性設(shè)計(jì)的該特性設(shè)計(jì)的隱分集技術(shù)隱分集技術(shù) 交織編碼技術(shù)：交織編碼技術(shù)：舉例說(shuō)明，原始信號(hào)舉例說(shuō)明，原始信號(hào)111001101100101010110010101

11、1共計(jì)共計(jì)28bit，按照，按照47矩陣排列，依次按行寫(xiě)入發(fā)送矩陣矩陣排列，依次按行寫(xiě)入發(fā)送矩陣 假如由于某種干擾導(dǎo)致傳輸發(fā)生突發(fā)連續(xù)錯(cuò)誤，收端將無(wú)法正確恢復(fù)假如由于某種干擾導(dǎo)致傳輸發(fā)生突發(fā)連續(xù)錯(cuò)誤，收端將無(wú)法正確恢復(fù)碼字。交織編碼就是改變發(fā)送信號(hào)的傳輸順序，對(duì)圖碼字。交織編碼就是改變發(fā)送信號(hào)的傳輸順序，對(duì)圖 (a) 中的數(shù)據(jù)采中的數(shù)據(jù)采用用“橫寫(xiě)豎讀橫寫(xiě)豎讀”法寫(xiě)入塊交織器，此時(shí)交織器輸出就按照?qǐng)D法寫(xiě)入塊交織器，此時(shí)交織器輸出就按照?qǐng)D(b)從左從左至右的順序，先發(fā)第一列至右的順序，先發(fā)第一列1010，再發(fā)第二列，再發(fā)第二列1101。這樣，當(dāng)所傳輸。這樣，當(dāng)所傳輸?shù)拇a序列連續(xù)出現(xiàn)的碼序列連續(xù)出

12、現(xiàn)4個(gè)錯(cuò)誤碼元時(shí)，對(duì)應(yīng)的每個(gè)碼字僅有個(gè)錯(cuò)誤碼元時(shí)，對(duì)應(yīng)的每個(gè)碼字僅有1個(gè)錯(cuò)誤，即個(gè)錯(cuò)誤，即將連續(xù)差錯(cuò)分散開(kāi)，通過(guò)分組碼糾錯(cuò)就可以糾正部分差錯(cuò)，從而糾正將連續(xù)差錯(cuò)分散開(kāi)，通過(guò)分組碼糾錯(cuò)就可以糾正部分差錯(cuò)，從而糾正了突發(fā)連續(xù)差錯(cuò)了突發(fā)連續(xù)差錯(cuò) 交織陣列的行列越多，抗干擾能力越強(qiáng)，但由于在接收端必須完成整交織陣列的行列越多，抗干擾能力越強(qiáng)，但由于在接收端必須完成整個(gè)交織矩陣的所有數(shù)據(jù)接收后才能執(zhí)行糾檢錯(cuò)處理，所以交織矩陣越個(gè)交織矩陣的所有數(shù)據(jù)接收后才能執(zhí)行糾檢錯(cuò)處理，所以交織矩陣越大，由此產(chǎn)生的傳輸時(shí)延也越大大，由此產(chǎn)生的傳輸時(shí)延也越大 隱分集技術(shù)隱分集技術(shù) 跳頻技術(shù)：跳頻技術(shù)：基帶跳頻、射頻跳頻基

13、帶跳頻、射頻跳頻 基帶跳頻：基帶跳頻：基帶信號(hào)依據(jù)跳頻圖樣采用不同的中頻調(diào)制，再上變頻到基帶信號(hào)依據(jù)跳頻圖樣采用不同的中頻調(diào)制，再上變頻到固定射頻發(fā)射固定射頻發(fā)射 射頻跳頻：射頻跳頻：基帶信號(hào)采用固定中頻調(diào)制，但按照一定的跳頻圖樣采用基帶信號(hào)采用固定中頻調(diào)制，但按照一定的跳頻圖樣采用不同的射頻傳輸不同的射頻傳輸 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)：直接序列擴(kuò)頻技術(shù)：利用高速擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)頻譜，在接利用高速擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)頻譜，在接收端用相同擴(kuò)頻碼序列解擴(kuò)，還原信號(hào)，由此獲得擴(kuò)頻增益。其優(yōu)點(diǎn)：收端用相同擴(kuò)頻碼序列解擴(kuò)，還原信號(hào)，由此獲得擴(kuò)頻增益。其優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)、抗截獲能力

14、強(qiáng)，可同頻工作，便抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)、抗截獲能力強(qiáng)，可同頻工作，便于實(shí)現(xiàn)多址通信于實(shí)現(xiàn)多址通信 分集接收合并方式分集接收合并方式 在接收端，多路接收信號(hào)表現(xiàn)為線性疊加在接收端，多路接收信號(hào)表現(xiàn)為線性疊加 信噪比的改善與加權(quán)因子有關(guān)，對(duì)加權(quán)因子的選擇方式不同，形成了信噪比的改善與加權(quán)因子有關(guān)，對(duì)加權(quán)因子的選擇方式不同，形成了三種典型的合并方式：三種典型的合并方式：選擇合并選擇合并（SC）、）、最大比合并最大比合并（MRC）和）和等增等增益合并益合并（EGC） 分集合并的前提條件分集合并的前提條件： 各支路噪聲與信號(hào)無(wú)關(guān)，為零均值、功率恒定的加性噪聲各支路噪聲與信號(hào)無(wú)關(guān)，為零均值、功率

15、恒定的加性噪聲 信號(hào)幅度變化由衰落引起，其衰落速率比信號(hào)最低調(diào)制頻率低很多信號(hào)幅度變化由衰落引起，其衰落速率比信號(hào)最低調(diào)制頻率低很多 各支路信號(hào)相互獨(dú)立，服從瑞利分布，且平均功率相同各支路信號(hào)相互獨(dú)立，服從瑞利分布，且平均功率相同1( )( )( )Mkkkf ta t ft選擇合并選擇合并 在所接收的多路信號(hào)中，合并器選擇信噪比最大的在所接收的多路信號(hào)中，合并器選擇信噪比最大的1條支路輸出，等條支路輸出，等效于對(duì)效于對(duì)M個(gè)加權(quán)因子的某個(gè)因子取值為個(gè)加權(quán)因子的某個(gè)因子取值為1，其余因子取值為，其余因子取值為0選擇合并選擇合并 由于由于M個(gè)分集支路的衰落是互不相關(guān)的，所有支路的信噪比同時(shí)小于個(gè)分

16、集支路的衰落是互不相關(guān)的，所有支路的信噪比同時(shí)小于某個(gè)給定值的概率某個(gè)給定值的概率 假設(shè)假設(shè)x為接收機(jī)正常工作門(mén)限，為接收機(jī)正常工作門(mén)限，F(xiàn)(x)是通信中斷概率。至少有一條支路是通信中斷概率。至少有一條支路信噪比超過(guò)信噪比超過(guò)x的概率就是使接收機(jī)正常通信的概率（可通率）為的概率就是使接收機(jī)正常通信的概率（可通率）為 給定信噪比門(mén)限，給定信噪比門(mén)限， 分集數(shù)越多，所需支路接收信噪比越低分集數(shù)越多，所需支路接收信噪比越低/1( )PrPr(1)MxMSCkkF xxxe/1( )1 (1)xMF xe 最大比合并最大比合并 在信號(hào)合并前對(duì)各路載波相位進(jìn)行調(diào)整，使之同相，然后相加。此時(shí)在信號(hào)合并前對(duì)

17、各路載波相位進(jìn)行調(diào)整，使之同相，然后相加。此時(shí)合并器輸出信號(hào)包絡(luò)為合并器輸出信號(hào)包絡(luò)為 輸出噪聲功率等于各支路噪聲功率之和輸出噪聲功率等于各支路噪聲功率之和 合并器接收信噪比合并器接收信噪比 如果如果 有有 通信中斷概率通信中斷概率 結(jié)論結(jié)論：如果第：如果第k條支路的加權(quán)因子與該支路的信號(hào)幅度成正比，與噪條支路的加權(quán)因子與該支路的信號(hào)幅度成正比，與噪聲功率成反比，那么，合并器輸出信噪比最大聲功率成反比，那么，合并器輸出信噪比最大 1MMRCk kkra r21MkkkNa N2211() / 2MMMRCk kkkkka ra N/kkkarN1MMRCkk1/1( /)( )1(1)!kMx

18、kxF xek 等增益合并等增益合并 合并器輸出信號(hào)包絡(luò)為合并器輸出信號(hào)包絡(luò)為 設(shè)各支路噪聲平均功率相等，那么輸出信噪比為設(shè)各支路噪聲平均功率相等，那么輸出信噪比為 此時(shí)通信中斷概率此時(shí)通信中斷概率1MEGCkkrr21() / 2MEGCkkrMN2 /( )1/(/)xxEGCF xexeerf 不同合并方式性能比較不同合并方式性能比較 為了比較不同分集合并方式的性能，引入合并方式為了比較不同分集合并方式的性能，引入合并方式改善因子改善因子指標(biāo)：分集指標(biāo)：分集合并后的輸出信噪比與未進(jìn)行分集的平均信噪比之比合并后的輸出信噪比與未進(jìn)行分集的平均信噪比之比 選擇合并方式：選擇合并方式： 最大比合

19、并方式：最大比合并方式： 等增益合并方式：等增益合并方式： 最大比合并性能最好，其次是等增益合并，最差是選擇合并。這是因?yàn)樽畲蟊群喜⑿阅茏詈?，其次是等增益合并，最差是選擇合并。這是因?yàn)檫x擇合并僅利用一個(gè)信號(hào)，其余信號(hào)未用，而前兩者對(duì)各支路信號(hào)能量選擇合并僅利用一個(gè)信號(hào)，其余信號(hào)未用，而前兩者對(duì)各支路信號(hào)能量都得到了利用都得到了利用 11/MSCkDkMRCDM1 (1)/ 4EGCDM RAKERAKE接收技術(shù)接收技術(shù)RAKE 接收基本原理：接收基本原理：在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)在傳在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到地形、地貌、地物等各種阻礙物的反射和繞射，

20、由此產(chǎn)輸過(guò)程中會(huì)受到地形、地貌、地物等各種阻礙物的反射和繞射，由此產(chǎn)生的多徑信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延不同。如果不同路徑信號(hào)的傳輸時(shí)延超生的多徑信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延不同。如果不同路徑信號(hào)的傳輸時(shí)延超過(guò)了一個(gè)過(guò)了一個(gè) PN 碼碼片的時(shí)間長(zhǎng)度，就可以認(rèn)為它們是互不相關(guān)的。接收碼碼片的時(shí)間長(zhǎng)度，就可以認(rèn)為它們是互不相關(guān)的。接收機(jī)可以將不同路徑信號(hào)分離，再分別經(jīng)過(guò)不同延遲線對(duì)齊、合并，變害機(jī)可以將不同路徑信號(hào)分離，再分別經(jīng)過(guò)不同延遲線對(duì)齊、合并，變害為利，即將原來(lái)是干擾信號(hào)變成有用信號(hào)合并為利，即將原來(lái)是干擾信號(hào)變成有用信號(hào)合并利用利用 RAKE 技術(shù)接收多徑信號(hào)可以有效抵抗多徑效應(yīng)引起的快衰落，技術(shù)接收多徑信號(hào)可以有效抵抗多徑效應(yīng)引起的快衰落，其其依據(jù)是：依據(jù)是：相互獨(dú)立的多徑信號(hào)的衰落特性是彼此獨(dú)立的，同一時(shí)間多徑相互獨(dú)立的多徑信號(hào)的衰落特性是彼此獨(dú)立的，同一時(shí)間多徑信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)同時(shí)處于深衰落的概率很小，合并可以獲得分集增益信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)同時(shí)處于深衰落的概率很小，合并可以獲得分集增益 RAKE