分集接收技術(shù)

分集接收技術(shù)第一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日內(nèi)容分集技術(shù)分集的概念與分集合并隱分集技術(shù)發(fā)送分集信道編碼與交織技術(shù)卷積編碼交織TURBO編碼LDPC編碼GuilinUniversityofElectronicsTechnology22023/6/16第二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集技術(shù)基本概念：利用接收信號(hào)在結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)特性方面的不同特點(diǎn)加以區(qū)分，并按一定規(guī)律和原則進(jìn)行合并處理來(lái)實(shí)現(xiàn)抗衰落。分集有兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并(包括選擇與組合)以降低衰落的影響。GuilinUniversityofElectronicsTechnology32023/6/16第三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集技術(shù)

必要條件：在接收端必須能夠接收到承載相同信息且在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立(或近似獨(dú)立)的若干不同的樣值信號(hào)。不同樣值信號(hào)的獲得可以通過(guò)不同的方式，比如空間、頻率、時(shí)間等，它主要是指如何有效的區(qū)分可接收的含同一信息內(nèi)容但統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的不同樣值信號(hào)。簡(jiǎn)而言之：分集就是通過(guò)多路不相關(guān)的衰落路徑傳送相同的信號(hào)并合并。GuilinUniversityofElectronicsTechnology42023/6/16第四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集技術(shù)的目的目標(biāo):對(duì)抗多徑信道造成的衰落和延時(shí)串?dāng)_問(wèn)題：如何有效地分集多徑衰落信道分散的信號(hào),既將可獲得的含有同一信息內(nèi)容但是統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的不同樣值，加以有效且可靠的利用。（被動(dòng)）如何主動(dòng)利用信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)更有效地分集多徑衰落信道分散的信號(hào)。（主動(dòng)）GuilinUniversityofElectronicsTechnology52023/6/16第五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集的基礎(chǔ)技術(shù)：如何獲得獨(dú)立多路信號(hào)；如何合并獨(dú)立多路信號(hào)。本質(zhì)：對(duì)同一信號(hào)在不同時(shí)間/頻率/空間/極化方向的過(guò)采樣。各獨(dú)立的傳播路徑同時(shí)經(jīng)歷深度衰落的概率很低。GuilinUniversityofElectronicsTechnology62023/6/16第六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集方式——宏分集與微分集宏分集：主要用于蜂窩系統(tǒng)減小慢衰落影響，也稱“多基站”分集方法：利用設(shè)置在不同地理位置或方向上的多個(gè)基站，同時(shí)和一個(gè)移動(dòng)臺(tái)通信。效果：保持通信不會(huì)中斷。微分集：用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)減小快衰落影響。理論和實(shí)踐都表明，在空間、頻率、極化、場(chǎng)分量、角度及時(shí)間等方面分離的無(wú)線信號(hào)，都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性。GuilinUniversityofElectronicsTechnology72023/6/16第七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集技術(shù)的分類GuilinUniversityofElectronicsTechnology82023/6/16第八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日常用分集技術(shù)空間分集：用2個(gè)以上天線收同一個(gè)信號(hào)；極化分集和角度分集頻率分集：用2個(gè)以上的載波頻率傳輸；時(shí)間分集：在不同時(shí)間接收同一個(gè)信號(hào)；。GuilinUniversityofElectronicsTechnology92023/6/16第九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日空間位置分集多天線陣元分集：多天線發(fā)射分集；多天線接收分集；條件：d>>dc，dc為空間相關(guān)距離。GuilinUniversityofElectronicsTechnology102023/6/16第十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日極化分集使用兩個(gè)極化方向相互正交(水平和垂直)的天線收發(fā)信號(hào)，就可得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)極化分集。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間。GuilinUniversityofElectronicsTechnology112023/6/16第十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日角度擴(kuò)展---空間角度分集GuilinUniversityofElectronicsTechnology122023/6/16第十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日頻率分集技術(shù)——占用更多的頻譜資源兩個(gè)頻率成分具有相互獨(dú)立的衰落特性。條件：f2-f1>>BcGuilinUniversityofElectronicsTechnology132023/6/16第十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日時(shí)間分集——占用更多的時(shí)間資源利用取樣時(shí)間間隔足夠大時(shí)，兩個(gè)樣點(diǎn)間的衰落互不相關(guān)的特點(diǎn)，即時(shí)間域衰落統(tǒng)計(jì)特性的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)抗時(shí)間選擇性衰落。時(shí)間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時(shí)隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。時(shí)間分集也有利于克服移動(dòng)信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號(hào)衰落現(xiàn)象。GuilinUniversityofElectronicsTechnology142023/6/16第十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日時(shí)間分集的條件由于衰落速率與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度及工作波長(zhǎng)有關(guān)，因而為了使重復(fù)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)具有獨(dú)立的特性，必須保證數(shù)字信號(hào)的重發(fā)時(shí)間間隔滿足以下關(guān)系：GuilinUniversityofElectronicsTechnology152023/6/16第十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日時(shí)間分集的實(shí)現(xiàn)針對(duì)多徑的每一徑時(shí)延不同，進(jìn)行多徑分離合并——RAKE接收機(jī)。重發(fā)時(shí)間大于信道的相關(guān)時(shí)間——ARQ。用信道相關(guān)時(shí)間設(shè)計(jì)交織編碼深度。GuilinUniversityofElectronicsTechnology162023/6/16第十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集合并問(wèn)題：接收端如何利用收到M(M≥2)個(gè)信號(hào)，以減小衰落的影響。方法：一般均使用線性合并器，把輸入的M個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)相加后合并輸出。假設(shè)M個(gè)輸入信號(hào)電壓為r1(t)，r2(t),…，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為：式中，ak為第k個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。GuilinUniversityofElectronicsTechnology172023/6/16第十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集合并技術(shù)分類：選擇不同的加權(quán)系數(shù)，可構(gòu)成不同的合并方式。選擇合并（SelectiveCombining）：選擇具有最大SNR的分枝；等增益合并（Equal-GainCombining）：所有分枝等權(quán)重相干合并；最大比合并（maximalRatioCombining）：所有分枝依其SNR進(jìn)行加權(quán)相干合并。信號(hào)合并準(zhǔn)則：最大信噪比準(zhǔn)則；眼圖最大張開度準(zhǔn)則；誤碼率最小準(zhǔn)則GuilinUniversityofElectronicsTechnology182023/6/16第十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇式合并檢測(cè)所有支路信號(hào)，選擇其中信噪比最高的支路信號(hào)作為合并器的輸出。加權(quán)系數(shù)只有一項(xiàng)為1，其余均為0GuilinUniversityofElectronicsTechnology192023/6/16第十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇式分集合并示意圖2023/6/16GuilinUniversityofElectronicsTechnology20第二十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇式合并的評(píng)估選擇式合并又稱開關(guān)式相加。優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。缺點(diǎn)：未被選擇的支路信號(hào)棄之不用，從能量接收的角度可見，有些浪費(fèi)，因此抗衰落不如后述兩種方式。GuilinUniversityofElectronicsTechnology212023/6/16第二十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日等增益合并(EGC)若在最大比值合并中,取,當(dāng)即為等增益合并。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需對(duì)信號(hào)加權(quán)，各支路信號(hào)等增益相加。實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，其性能接近于最大比值合并。等增益合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)GuilinUniversityofElectronicsTechnology222023/6/16第二十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日最大比值合并(MRC)在接收端由多個(gè)統(tǒng)計(jì)不相關(guān)的分集支路，經(jīng)過(guò)相位校正，并按適當(dāng)?shù)目勺冊(cè)鲆婕訖?quán)再相加后送入檢測(cè)器進(jìn)行相干檢測(cè)。GuilinUniversityofElectronicsTechnology232023/6/16第二十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日最大比值合并(MRC)最大比值合并是一種最佳合并方式。每一支路的加權(quán)系數(shù)ak與信號(hào)包絡(luò)rk(t)成正比而與噪聲功率Nk成反比，即最大比值合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)為GuilinUniversityofElectronicsTechnology242023/6/16第二十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日分集合并性能的分析與比較指標(biāo)選擇：合并前、后信噪比的改善程度模擬通信信噪比決定話音質(zhì)量；數(shù)字通信系統(tǒng)信噪比(或載噪比)決定誤碼率衡量指標(biāo)：載噪比的累積概率分布，提高可通率。改善因子（合并增益）——平均信噪比改善的分貝數(shù)。所謂平均信噪比的改善，是指分集接收機(jī)合并器輸出的平均信噪比較無(wú)分集接收機(jī)的平均信噪比改善的分貝數(shù)。2023/6/1625GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日合并性能分析與比較的前提假設(shè)它們都滿足下列三個(gè)條件：每一支路的噪聲均為加性噪聲且與信號(hào)不相關(guān)，噪聲均值為零，具有恒定均方根值；信號(hào)幅度的衰落速率遠(yuǎn)低于信號(hào)的最低調(diào)制頻率；各支路信號(hào)的衰落互不相關(guān)，彼此獨(dú)立。GuilinUniversityofElectronicsTechnology262023/6/16第二十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇式合并的性能選擇式合并器的輸出信噪比，即當(dāng)前選用的那個(gè)支路送入合并器的信噪比。設(shè)第k個(gè)支路的信號(hào)功率為r2k/2，噪聲功率為Nk,可得第k支路的信噪比為2023/6/1627GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日通常，信噪比必須達(dá)到某一門限值γt，才能保證接收機(jī)輸出的話音質(zhì)量(或者誤碼率)達(dá)到要求。顯然，在選擇式合并的分集接收機(jī)中，只有全部M個(gè)支路的信噪比都達(dá)不到要求，才會(huì)出現(xiàn)通信中斷。若第k個(gè)支路中γk＜γt的概率為Pk(γk＜γt)，則在M個(gè)支路情況下中斷概率以PM(γS＜γt)表示時(shí)，可得2023/6/1628GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日由選擇式合并的信噪比可知，γk≤γt，即r2k/2Nk≤γt，或因此設(shè)rk的起伏服從瑞利分布，即可得2023/6/1629GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日則如果各支路的信號(hào)具有相同的方差，即各支路的噪聲功率也相同，即

N1=N2=…=N令平均信噪比為，則由此可得M重選擇式分集的可通率為2023/6/1630GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線2023/6/1631GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇式合并的改善因子在選擇式合并方式中，由信噪比γS的概率密度P(γS)可求得平均信噪比為GuilinUniversityofElectronicsTechnology322023/6/16第三十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日選擇式合并平均信噪比的改善因子由上式可見，選擇式合并的平均信噪比改善因子隨分集重?cái)?shù)(M)增大而增大，但增大速率較小。改善因子常以dB計(jì)，即上式可寫成2023/6/1633GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日等增益合并的性能各支路加權(quán)系數(shù)ak(k=1,2,…,M)都等于1，等增益合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)rE若各支路的噪聲功率均等于N，則2023/6/1634GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日等增益合并分集系統(tǒng)載噪比的

累積概率分布曲線2023/6/1635GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日等增益合并的改善因子等增益合并時(shí)，合并后的平均信噪比為因?yàn)橐鸭俣ǜ髦沸盘?hào)不相關(guān)，即有2023/6/1636GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日最后得出等增益合并的信噪比改善因子為顯然當(dāng)M(分集重?cái)?shù))較大時(shí)，趨于常數(shù)，信噪比的改善程度趨緩。2023/6/1637GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日最大比值合并的性能最大比值合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)如下：2023/6/1638GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日由于各支路信噪比為：即代入（1）式，根據(jù)許瓦爾茲不等式2023/6/1639GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日則有利用上述關(guān)系式，代入（2）式可見，最大比值合并器輸出可能得到的最大信噪比為各支路信噪比之和，即2023/6/1640GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日最大比值合并時(shí)各支路加權(quán)系數(shù)與本路信號(hào)幅度成正比，而與本路的噪聲功率成反比，合并后可獲得最大信噪比輸出。若各路噪聲功率相同，則加權(quán)系數(shù)僅隨本路的信號(hào)振幅變化。最大比值合并信噪比γR的概率密度函數(shù)：累積概率分布：2023/6/1641GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日由上式畫出的最大比值合并分集系統(tǒng)的累積概率分布曲線如圖下頁(yè)所示。不難得知，在同樣條件下，與選擇式合并分集系統(tǒng)相比，最大比值合并分集系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗衰落性能。例如，二重分集(M=2)與無(wú)分集(M=1)相比，在超過(guò)縱坐標(biāo)概率為99%情況下有13dB增益，優(yōu)于選擇式合并分集系統(tǒng)(10dB增益)。2023/6/1642GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日最大比值合并輸出載噪比的累積概率分布曲線

2023/6/1643GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日最大比值合并的改善因子因?yàn)?，最大比值合并器輸出可能得到的最大信噪比為各支路信噪比之和，因此最大比值合并的信噪比改善因子?023/6/1644GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日例4-1在二重分集情況下，試分別求出三種合并方式的信噪比改善因子。解:選擇式合并或最大比率合并或2023/6/16GuilinUniversityofElectronicsTechnology45第四十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日等增益合并或2023/6/16GuilinUniversityofElectronicsTechnology46圖4-8給出了三種合并方式的[AKD-](M)與M的關(guān)系曲線。第四十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日三種合并方式的D(M)與M關(guān)系GuilinUniversityofElectronicsTechnology472023/6/16第四十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日NFSK二重分集系統(tǒng)平均誤碼率加性高斯噪聲情況下，NFSK誤碼率公式γ為信噪比(或載噪比)瑞利衰落信道下，需用平均誤碼率表征，

記作Pe，即P(γ)為載噪比γ的概率密度函數(shù)GuilinUniversityofElectronicsTechnology482023/6/16第四十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日NFSK選擇式合并的平均誤碼率此時(shí)，P(γ)即為P(γS),代入γS可知：二重分集時(shí)，M=2,此時(shí)平均誤碼率用Pe,2表示，則有GuilinUniversityofElectronicsTechnology492023/6/16第四十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日無(wú)分集時(shí)(即M=1)的平均誤碼率Pe,1為如果平均載噪比γ0>>1,則GuilinUniversityofElectronicsTechnology502023/6/16第五十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日NFSK最大比值合并的平均誤碼率采用二重分集時(shí)，載噪比γR的概率密度P(γR)為由此可得平均誤碼率為GuilinUniversityofElectronicsTechnology512023/6/16第五十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日DPSK多重分集系統(tǒng)平均誤碼率

恒參信道下，DPSK的誤碼率為瑞利衰落信道下，平均誤碼率為式中，P(γ)為γ的概率密度函數(shù)，GuilinUniversityofElectronicsTechnology522023/6/16第五十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日DPSK選擇式合并的平均誤碼率選擇式合并的P(γ)用P(γS)表示，由前面分析已知P(γS)為無(wú)分集時(shí)(M=1)的平均誤碼率Pe,1為GuilinUniversityofElectronicsTechnology53