通信信號(hào)處理第五章2013課件

第五章分集接收技術(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，表現(xiàn)出接收信號(hào)瞬時(shí)值劇烈變化，其衰落深度可達(dá)40-80dB分集接收是抵抗快衰落效應(yīng)的有效手段，其基本思想：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)獨(dú)立信號(hào)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)樣本低于該電平的概率都要小得多。再將這些信號(hào)的能量按照一定準(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，就是使誤碼率最小；對(duì)于模擬通信系統(tǒng)而言，就是使接收信噪比最大。第五章分集接收技術(shù)分集接收包括兩項(xiàng)內(nèi)容：如何將接收的多徑信號(hào)分離成互不相關(guān)的多路信號(hào)采用怎樣的合并方式使接收的有用信號(hào)能量最大分集接收分類(lèi)：顯分集、隱分集顯分集：利用多副天線接收信號(hào)，構(gòu)成明顯的分集信號(hào)傳輸方式隱分集：只需一副天線接收信號(hào)，分集隱含在傳輸信號(hào)中，在接收端通過(guò)信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)分集接收第五章分集接收技術(shù)顯分集技術(shù)顯分集：宏分集、微分集宏分集（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)。移動(dòng)終端在A路段與基站B通信，在B路段則與基站A通信，基站數(shù)根據(jù)需要確定。顯分集技術(shù)微分集：主要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：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分集的基本結(jié)構(gòu)是在發(fā)送端使用一副天線發(fā)射，而在接收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)：天線間距>0.8倍波長(zhǎng)顯分集技術(shù)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)送端采用兩個(gè)以上的發(fā)射機(jī)發(fā)送同一信號(hào)，接收端采用兩個(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)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，即同一信號(hào)在不同時(shí)間區(qū)間重復(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)信道后，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，也可以減小衰落效應(yīng)隱分集技術(shù)交織編碼技術(shù)：舉例說(shuō)明，原始信號(hào)1110011011001010101100101011共計(jì)28bit，按照4×7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，接收端將無(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（a）中的數(shù)據(jù)采用“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（b）從左至右的順序，先發(fā)第一列1010，再發(fā)第二列1101…。這樣，當(dāng)所傳輸?shù)拇a序列連續(xù)出現(xiàn)4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，即將連續(xù)差錯(cuò)分散開(kāi)來(lái)，通過(guò)分組碼糾錯(cuò)技術(shù)就可以糾正部分差錯(cuò)，從而糾正了突發(fā)性的連續(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)延也越大隱分集技術(shù)跳頻技術(shù)：基帶跳頻、射頻跳頻基帶跳頻：基帶信號(hào)依據(jù)跳頻圖樣采用不同的中頻調(diào)制，再上變頻到固定射頻發(fā)射射頻跳頻：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不同的射頻傳輸直接序列擴(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)、抗截獲能力強(qiáng)，可同頻工作，便于實(shí)現(xiàn)多址通信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：選擇合并（SC）、最大比合并（MRC）和等增益合并（EGC）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1條支路輸出，等效于對(duì)M個(gè)加權(quán)因子的某個(gè)因子取值為1，其余因子取值為0選擇合并由于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)小于某個(gè)給定值的概率假設(shè)x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

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)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合并器接收信噪比

如果有通信中斷概率結(jié)論：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，與噪聲功率成反比，那么，合并器輸出信噪比最大

等增益合并合并器輸出信號(hào)包絡(luò)為設(shè)各支路噪聲平均功率相等，那么輸出信噪比為此時(shí)通信中斷概率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，引入合并方式改善因子指標(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選擇合并方式：最大比合并方式：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)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)能量都得到了利用RAKE接收技術(shù)RAKE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)延超過(guò)了一個(gè)PN碼碼片（chip）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)區(qū)分開(kāi)來(lái)，再分別經(jīng)過(guò)不同的延遲線對(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，其依據(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接收技術(shù)RAKE接收技術(shù)RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式：利用多個(gè)相關(guān)檢測(cè)器接收多徑信號(hào)中的各路信號(hào)，并將其合并相關(guān)解擴(kuò)：基帶輸入信號(hào)通過(guò)與本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)信道估計(jì)：利用導(dǎo)頻符號(hào)估計(jì)信道狀態(tài)相位旋轉(zhuǎn)：由于信道衰落效應(yīng)和噪聲會(huì)影響接收信號(hào)相位，合并前根據(jù)信道估計(jì)獲得的信道狀態(tài)執(zhí)行相位旋轉(zhuǎn)，消除接收信號(hào)中衰落效應(yīng)對(duì)相位產(chǎn)生的影響RAKE接收技術(shù)延遲估計(jì)：通過(guò)匹配濾波器獲取不同時(shí)