分集接收原理全解.ppt

1、分集接收原理,學(xué)習(xí)內(nèi)容 分集技術(shù)的分類 幾種常用的顯分集技術(shù) 幾種常用的隱分集技術(shù) 分集合并技術(shù),主講人：陳家盛,分集接收技術(shù)是一項主要的抗衰落技術(shù)，它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性，其本質(zhì)就是采用兩種或兩種以上的不同方法接收同一信號以克服衰落，其作用是在不增加發(fā)射機功率或信道帶寬的情況下充分利用傳輸中的多徑信號能量，以提高系統(tǒng)的接收性能。,為說明問題，下圖給出了一種利用“選擇式”合并法進行分集的示意圖。圖中，A與B代表兩個同一來源的獨立衰落信號。如果在任意時刻，接收機選用其中幅度大的一個信號， 則可得到合成信號如圖中C所示。由于在任一瞬間，兩個非相關(guān)的衰落信號同時處于深度衰落的概率是

2、極小的，因此合成信號C的衰落程度會明顯減小。不過，這里所說的“非相關(guān)”條件是必不可少的，倘若兩個衰落信號同步起伏， 那么這種分集方法就不會有任何效果。,選擇式分集合并示意圖,基本思路是： 將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨立的）多路信號，即選取了一個信號的兩個或多個獨立的采樣，這些樣本的衰落是互不相關(guān)的，這意味著所有樣本同時低于一個給定電平的概率比任何一個樣本低于該值的概率要小得多；然后將這些信號的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大。對數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小，對模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。 分集有兩重含義： 一是分散傳輸， 使接收端能獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同

3、一信息的衰落信號； 二是集中處理， 即接收機把收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并(包括選擇與組合)以降低衰落的影響。,2.1.1 分集技術(shù)的分類,從信號傳輸?shù)姆绞絹砜?，分集技術(shù)分為顯分集和隱分集兩大類。其中顯分集指利用多副天線接收信號的分集，構(gòu)成明顯的分集信號的傳輸方式 ；隱分集只需一副天線來接收信號的分集，分集隱含在傳輸信號之中，在接收端利用信號處理技術(shù)來實現(xiàn)分集接收 。,分集技術(shù),空間分集,頻率分集,分類圖如下所示：,2.1.2 幾種常用的顯分集技術(shù),在顯分集技術(shù)中又分為宏分集與微分集兩種形式。 宏分集（也稱為“多基站”分集）以減少由于陰影效應(yīng)而引起的大范圍慢衰落為目的，它的作法是把多個

4、基站設(shè)置在不同的地理位置和不同方向上，同時和小區(qū)內(nèi)的一個移動臺進行通信（可以選用其中信號最好的一個基站進行通信） 。,顯然，只要在各個方向上的信號傳播不是同時受到陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的慢衰落，用這種方法就能保證通信不會中斷。 分集數(shù)N越大，分集效果就越好，即分集增益正比于分集的數(shù)量，且分集增益的增加隨著的增加而逐步減小。 工程上要在性能或復(fù)雜性間作一折衷，一般取,微分集是以抗快衰落為目的，同一天線場地使用兩個或多個天線的分集方式。理論和實踐都表明，在空間、頻率、極化、場分量、角度及時間等方面分離的無線信號，都呈現(xiàn)互相獨立的衰落特性，因此可采用空間分集、時間分集、頻率分集、極化分集、角

5、度分集和多徑分集等多種分集技術(shù)。,1.空間分集 空間分集在發(fā)送端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副間隔距離d/2（一般情況下市區(qū)取 /2，郊區(qū)取0.8 ）的天線接收，以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的。經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個總的接收天線輸出信號，從而降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?空間分集接收的優(yōu)點是分集增益高，缺點是還需另外單獨的接收天線。,2.時間分集 快衰落除了具有空間和頻率獨立性之外，還具有時間獨立性，即同一信號以大于相干時間的時間間隔重復(fù)傳輸M次，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨立的

6、，即得到M條獨立的分集支路。 時間分集與空間分集相比較，優(yōu)點是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。,3.頻率分集 頻率分集就是將信息分別在不同的載頻上發(fā)射出去，要求載頻間的頻率間隔要大于信道相關(guān)帶寬，以保證各頻率分集信號在頻域上的獨立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信號.在移動通信系統(tǒng)中，可采用信號載波頻率跳變擴展頻譜技術(shù)來達到頻率分集的目的。 和空間分集相比，頻率分集的優(yōu)點是減少了天線數(shù)目，缺點是要占用更多的頻譜資源，在發(fā)送端需要多部發(fā)射機。,4.角度分集 當(dāng)工作頻率高于10GHz時，從發(fā)射機到接收機的散射信號產(chǎn)生從不同方向來的互不相關(guān)的信號。

7、這樣接收端利用方向性天線，在同一位置設(shè)置指向不同方向的兩個或更多的有向天線，向合成器提供信號，以達到克服衰落的目的。,5.極化分集 極化分集實際上是空間分集的特殊情況，兩個在同一地點極化方向相互正交的天線發(fā)出信號呈現(xiàn)出互不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點，在發(fā)送端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩幅發(fā)射天線，在接收端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩幅接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量。 這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間，缺點是由于發(fā)射功率要分配到兩幅天線上，將有3dB的信號功率損失。,6.場分量分集 根據(jù)電磁場理論，電磁波的E場和H場載有相同的消息，而反射機理是不同的，例如，一個散

8、射體反射E波和H波的駐波圖形相位相差90，即當(dāng)E波為最大時，H波最小。在移動信道中。多個E波和H波疊加結(jié)果表明Ez、Hz和Hy的分量是互不相關(guān)的，因此，通過接收三個場分量，也可以獲得分集的效果。場分量分集不要求天線間有實體上的間隔，因此適用于較低的工作頻段（例如低于100MHz）。當(dāng)工作頻率較高時（800900MHz），空間分集在結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)。,7.多徑分集 移動臺接收到的信號是一個多徑衰落信號。通常這一多徑衰落信號的時延差很小且是隨機的，對于窄帶系統(tǒng)(如模擬TACS、數(shù)字GSM系統(tǒng)），在同一地點，到達的各路信號是相關(guān)的，無法分離。 只有特定設(shè)計的擴頻信號才可以進行分離，分離的手段是相關(guān)接收

9、。因此多徑分集也稱為碼分集它要求直擴系統(tǒng)餓時間（T）與帶寬（W）的積遠大于1，即TW1，,使用RAKE接收技術(shù)，利用偽隨機碼的相關(guān)性，對各路信號分別進行相關(guān)接收，提出不同時延的相關(guān)峰，然后進行適當(dāng)?shù)暮喜?，再進行信息解調(diào)。從而既克服了多徑效應(yīng)的問題，又等效增加了接收功率（或發(fā)射功率）。 一般的分集技術(shù)把多徑信號作為干擾來處理，而RAKE接收機采取變害為利，即利用多徑現(xiàn)象來增強信號?，F(xiàn)以三條路徑為例簡述RAKE接收機的工作原理，如下圖3-23所示。,圖3-32 移動臺接收機方框圖,基本原理如下： 移動臺RAKE接收部分主要由相關(guān)器1 3、搜尋相關(guān)器和合并器等組成。 偽隨機碼調(diào)制過的信號由發(fā)端發(fā)射，

10、經(jīng)多條不同的路徑延時和損耗后與噪聲一起進入接收機，經(jīng)過變頻、中頻放大和AD變換后，進入RAKE接收部分。 該部分的搜尋相關(guān)器從到達的各路信號中找出三路最強的信號，并給出這三路信號中偽隨機碼的參考相位，使本地碼的三個發(fā)生器的輸出碼相位分別與這三路信號中的偽隨機碼同步，經(jīng)過各自解擴，相關(guān)解調(diào)輸出同一信息的數(shù)據(jù)，經(jīng)相應(yīng)的合并后進行譯碼。,由于每一個相關(guān)器都等效一個接收機，三個相關(guān)器等效三個接收機，其輸出經(jīng)合并后的信號的信噪比得到了很大的改善（一般平均有3dB的增益）。另外，搜尋相關(guān)器總是搜索和估計各路中最強的三個信號供其他三個相關(guān)器進行相關(guān)解調(diào)，從而系統(tǒng)可以處于最佳的接收狀態(tài)。,2.1.3 幾種常用

11、的隱分集技術(shù),1、交織編碼技術(shù) 交織編碼的目的是把一個較長的連續(xù)突發(fā)差錯離散成隨機的非連續(xù)差錯，再用糾正隨機差錯的編碼技術(shù)消除隨機差錯。交織深度越大，則離散度越大，抗突發(fā)差錯能力就越強，但處理時間也越長，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時延增大，也就是說，交織編碼是以時間為代價的。因此交織編碼屬于時間隱分集。,交織編碼技術(shù)舉例如下： 假設(shè)原始為1110011011001010101100101011，共計28位，按47矩陣排列，依次按行寫入發(fā)送矩陣。如圖2-3（a）所示。,圖2-3交織原理示意圖,假設(shè)由于某種干擾出現(xiàn)突發(fā)錯誤，即使7個碼元中連續(xù)錯兩個或兩個以上時，接收端如果不采用交織編碼技術(shù)就不能正確恢復(fù)，出

12、現(xiàn)碼字錯誤。為了提高糾錯能力，在發(fā)端改變一下傳輸順序，即將圖2-3（a）中的數(shù)據(jù)用“橫寫豎讀”法寫入塊交織器，這時交織器的輸出就是按圖2-3（b）中的左面第一列1010，然后第二列l(wèi)l01。這樣，當(dāng)所傳輸?shù)拇a序列連續(xù)錯4個碼元時，對應(yīng)的每個碼字只錯一個，已將連續(xù)錯碼分散開來，即它將一個突發(fā)信道改造成一個隨機獨立差錯信道，通過分組碼糾錯技術(shù)、可以糾正少量的差錯，從而糾正了突發(fā)性的連續(xù)差錯。,交織陣列的行、列數(shù)越多，抗干擾能力越強。但是，只有在接收端收到最后一個數(shù)據(jù)，才能進行糾檢錯處理，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時延增大。所以在設(shè)計交織編碼陣列時，應(yīng)該統(tǒng)籌考慮。,2、跳頻技術(shù) 瑞利衰落與信號頻率有關(guān)，不同頻

13、率的信號遭受的衰落不同。當(dāng)兩個頻率相距足夠遠時，可認為它們的衰落是不相關(guān)的。通過跳頻，信號的所有突發(fā)脈沖不會被瑞利衰落以同一方式破壞，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力?？梢?，調(diào)頻相當(dāng)于頻率分集。,調(diào)頻有慢跳頻（SFH）和快調(diào)頻（FFH）兩種。慢跳頻的調(diào)頻速率低于信息比特率，即連續(xù)幾個信息比特調(diào)頻一次。GSM系統(tǒng)中，傳輸頻率在一個完整的突發(fā)脈沖傳輸期間保持不變，屬于慢跳頻?？煺{(diào)頻的跳頻速率高于或等于信息比特率，即每個信息比特跳頻一次以上。,跳頻的實現(xiàn)方式有兩種，一是基帶跳頻，它將話音信號隨著時間的變換使用不同頻率的發(fā)射機發(fā)射，基帶跳頻適合于發(fā)射機數(shù)量較多的高話務(wù)量小區(qū)。二是射頻跳頻，又稱合成器跳頻，它是

14、話音信號使用固定的發(fā)射機，在一定跳頻序列的控制下，頻率合成器合成不同的頻率來進行發(fā)射。,射頻跳頻比基帶跳頻有更高的性能改善和抗同頻干擾能力，但它只有當(dāng)每個小區(qū)有4個以上頻率時效果比較明顯，且所需用的合成器會引入一定的衰落，減小覆蓋范圍。,GSM系統(tǒng)的跳頻是在時頻域內(nèi)的時隙和頻隙上同時進行的，即以一定的時間間隔不斷地在不同的頻隙上跳變。為了保證在小區(qū)內(nèi)的跳頻信道之間不發(fā)生干擾，采用正交跳頻組網(wǎng)方式，即小區(qū)內(nèi)的跳頻圖案是相互正交的，從而不會使不同頻率用戶的通信在同一個時-頻隙內(nèi)發(fā)生碰撞。由于使用了跳頻技術(shù)，從而提高了系統(tǒng)頻譜利用率。,3、直接序列擴頻技術(shù) 直接序列擴頻（DSSS），（Direct

15、seqcuence spread spectrdm）是直接利用具有高碼率的擴頻碼系列采用各種調(diào)制方式在發(fā)端與擴展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴頻碼序去進行解碼，把擴展寬的擴頻信號還原成原始的信息。它是一種數(shù)字調(diào)制方法，具體說，就是將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進行摸二加。 例如說在發(fā)射端將1用11000100110，而將0用00110010110去代替，這個過程就實現(xiàn)了擴頻，而在接收機處只要把收到的序列是11000100110就恢復(fù)成1是00110010110就恢復(fù)成0，這就是解擴。,這樣信源速率就被提高了11倍，同時也使處理增益達到10dB以上，從而有效地提高了整機倍噪比。 因此，直擴系

16、統(tǒng)隨著偽隨機碼字的加長，信噪比也會相應(yīng)的提高，但是要求的同步精度也就高，因而同步時間就長。,2.1.4 分集合并技術(shù),在分集接收中，在接收端從不同的N個獨立信號支路所獲得的信號，可以通過不同形式的合并技術(shù)來獲得分集增益。 如果從合并所處的位置來看：合并可以在檢測器以前，即中頻和射頻上進行合并，且多半是在中頻上合并；也可以在檢測器以后，即在基帶上進行合并。合并時采用的準(zhǔn)則與方式主要可以分為三種：最大比值合并、等增益合并和選擇式合并。,假設(shè)M個輸入信號電壓為r1(t)，r2(t)，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為：,（式2-1）,式中，ak為第k個信號的加權(quán)系數(shù)。,1、最大比值合并 最大比合

17、并是在接收端有N個分集支路，經(jīng)過相位調(diào)整后，按適當(dāng)?shù)脑鲆嫦到y(tǒng)，同相相加，再送入檢測器進行檢測。利用許瓦茲不等式，設(shè)N為每支路噪聲功率，可以證明當(dāng)可變加權(quán)系數(shù)為 時，分集合并后的信噪比達到最大值,最大比合并的平均輸出信噪比、最大比合并增益分別如 （式 2-2）、（式 2-3）所示。,（式2-2）,（式2-3）,可見信噪比越大，最大比合并對合并后的信號貢獻越大；另外平均輸出信噪比隨M（分集支路數(shù)目）的增加而增加。,2 、等增益合并 等增益合并是各支路的信號等增益相加，即式(2-1)中加權(quán)系數(shù)ak=1，k=1，2，M。等增益合并后平均輸出信噪比、等增益合并增益分別如（式2-4）、（式2-5）所示。,

18、（式2-4）,（式2-5）,3、選擇式合并 選擇式合并是檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一個支路作為合并器的輸出。由式(2-1)可見，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項為l，其余均為0。選擇式合并又稱為開關(guān)式相加。這種方式方法簡單，實現(xiàn)容易。,（式2-6）,（式2-7）,可見，每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。,選擇式合并的平均輸出信噪比、選擇式合并增益分別如（式2-6）、（式2-7）所示。,假設(shè) 第k個支路的信號功率為rk2/2 噪聲功率為Nk 則第k支路的信噪比為 信噪比門限值為t，當(dāng)全部支路的信噪比都小于此值時，通信發(fā)生中斷 第k路中