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1、單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標題樣式,*,第二級,第三級,第四級,第五級,第,4,章 抗衰落技術(shù),分集接收原理,學(xué)習內(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
2、，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
3、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
4、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,顯分集,隱分集,時間分集,極化分集,路徑分集,場分量分集,角度分集,宏分集,微分集,交織編碼技術(shù),跳頻技術(shù),直接序列擴頻技術(shù),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
5、應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴重的慢衰落，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
6、.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，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
7、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。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
8、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，一個散射體反射,E,波和,H,波的駐波圖形相位相差,90,，,即當,E,波為最大時，,H,波最
9、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。因此多徑分集也稱為碼分
10、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?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,IF,帶通,IF,放大,和帶通,A,/,D,轉(zhuǎn)換器,相關(guān)器,2,搜尋相關(guān)器,相關(guān)器,3,相關(guān)器,1,反交織,維
11、特比譯碼,聲碼器,控制微處理器,RF,輸出,869,894,MHz,合,并,器,話音輸出,第一振蕩器,第二振蕩器,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，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,A,D,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
12、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,111001
13、1011001010101100101011,，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,ll01,。這樣，,當所傳輸?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
14、,，,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)，不同頻率的信號遭受的衰落不同。當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
15、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。,快調(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
16、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 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
17、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
18、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,r,1,(t),，,r,2,(t),，,，,r,M,(t),，,則合并器輸出電壓,r(t),為：,（式,2,-1）,式中，,a,k,為第,k,個信號的加權(quán)系數(shù)。,1,、最大比值合并,最大比合并是在接收端有,N,個分集支路，經(jīng)過相位調(diào)整后，按適當?shù)脑鲆嫦到y(tǒng)，同相相加，再送入檢測器進行檢測
19、。利用許瓦茲不等式，設(shè),N,為每支路噪聲功率，可以證明當可變加權(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),a,k,=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。,（式
20、,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,r,k,2,/2,噪聲功率為,N,k,則第,k,支路的信噪比為,信噪比門限值為,t,，當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,k,t,的概率為，,P,k,(,k,t,),由此，通信的總的中斷概率,P,M,(,s,3,以后，信噪比的增益增大趨于緩慢,實際系統(tǒng)中常常使用,M=2,和,M=3,的選擇式分集,選擇式合并的改善因子。,在選擇式合并方式中，由信噪比 的概率密度，可求得平均信噪比為：,又,得到,所以改善因子為：,圖3-,25,三種分集合并性能比較,圖3-,25,給出三種合并方式平均信噪比的改善程度。,
分集接收原理綜述
