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1、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??;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
2、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。
3、,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。空間分集的基本結(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
4、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),顯分集技術(shù),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
5、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)損失3dB 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)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)立,因而能獲得分集增益。,顯分集技術(shù),場(chǎng)分量分集:根據(jù)電磁場(chǎng)理論,電磁波的E場(chǎng)和H場(chǎng)分量承載了相同的信號(hào),但Ez、Hx、Hy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3dB的功率損失 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(相干時(shí)間)時(shí),這兩個(gè)信號(hào)的衰落特
6、性也是彼此獨(dú)立的。RAKE接收機(jī)就是基于該特性設(shè)計(jì)的,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47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
7、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
8、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
9、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
10、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,RA
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