分集接收技術

分集接收技術第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月內容分集技術分集的概念與分集合并隱分集技術發(fā)送分集信道編碼與交織技術卷積編碼交織TURBO編碼LDPC編碼GuilinUniversityofElectronicsTechnology22023/7/30第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集技術基本概念：利用接收信號在結構和統(tǒng)計特性方面的不同特點加以區(qū)分，并按一定規(guī)律和原則進行合并處理來實現(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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology32023/7/30第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集技術

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)計上相互獨立(或近似獨立)的若干不同的樣值信號。不同樣值信號的獲得可以通過不同的方式，比如空間、頻率、時間等，它主要是指如何有效的區(qū)分可接收的含同一信息內容但統(tǒng)計上獨立的不同樣值信號。簡而言之：分集就是通過多路不相關的衰落路徑傳送相同的信號并合并。GuilinUniversityofElectronicsTechnology42023/7/30第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集技術的目的目標:對抗多徑信道造成的衰落和延時串擾問題：如何有效地分集多徑衰落信道分散的信號,既將可獲得的含有同一信息內容但是統(tǒng)計上獨立的不同樣值，加以有效且可靠的利用。（被動）如何主動利用信號設計技術更有效地分集多徑衰落信道分散的信號。（主動）GuilinUniversityofElectronicsTechnology52023/7/30第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集的基礎技術：如何獲得獨立多路信號；如何合并獨立多路信號。本質：對同一信號在不同時間/頻率/空間/極化方向的過采樣。各獨立的傳播路徑同時經歷深度衰落的概率很低。GuilinUniversityofElectronicsTechnology62023/7/30第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集方式——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：利用設置在不同地理位置或方向上的多個基站，同時和一個移動臺通信。效果：保持通信不會中斷。微分集：用于各種無線通信系統(tǒng)減小快衰落影響。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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology72023/7/30第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集技術的分類GuilinUniversityofElectronicsTechnology82023/7/30第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月常用分集技術空間分集：用2個以上天線收同一個信號；極化分集和角度分集頻率分集：用2個以上的載波頻率傳輸；時間分集：在不同時間接收同一個信號；。GuilinUniversityofElectronicsTechnology92023/7/30第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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為空間相關距離。GuilinUniversityofElectronicsTechnology102023/7/30第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月極化分集使用兩個極化方向相互正交(水平和垂直)的天線收發(fā)信號，就可得到兩路衰落特性不相關的信號，實現(xiàn)極化分集。優(yōu)點：結構緊湊，節(jié)省空間。GuilinUniversityofElectronicsTechnology112023/7/30第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月角度擴展---空間角度分集GuilinUniversityofElectronicsTechnology122023/7/30第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率分集技術——占用更多的頻譜資源兩個頻率成分具有相互獨立的衰落特性。條件：f2-f1>>BcGuilinUniversityofElectronicsTechnology132023/7/30第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月時間分集——占用更多的時間資源利用取樣時間間隔足夠大時，兩個樣點間的衰落互不相關的特點，即時間域衰落統(tǒng)計特性的差異來實現(xiàn)抗時間選擇性衰落。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設備的數(shù)目，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。時間分集也有利于克服移動信道中由多普勒效應引起的信號衰落現(xiàn)象。GuilinUniversityofElectronicsTechnology142023/7/30第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月時間分集的條件由于衰落速率與移動臺的運動速度及工作波長有關，因而為了使重復傳輸?shù)臄?shù)字信號具有獨立的特性，必須保證數(shù)字信號的重發(fā)時間間隔滿足以下關系：GuilinUniversityofElectronicsTechnology152023/7/30第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月時間分集的實現(xiàn)針對多徑的每一徑時延不同，進行多徑分離合并——RAKE接收機。重發(fā)時間大于信道的相關時間——ARQ。用信道相關時間設計交織編碼深度。GuilinUniversityofElectronicsTechnology162023/7/30第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集合并問題：接收端如何利用收到M(M≥2)個信號，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個獨立衰落信號相加后合并輸出。假設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：式中，ak為第k個信號的加權系數(shù)。GuilinUniversityofElectronicsTechnology172023/7/30第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集合并技術分類：選擇不同的加權系數(shù)，可構成不同的合并方式。選擇合并（SelectiveCombining）：選擇具有最大SNR的分枝；等增益合并（Equal-GainCombining）：所有分枝等權重相干合并；最大比合并（maximalRatioCombining）：所有分枝依其SNR進行加權相干合并。信號合并準則：最大信噪比準則；眼圖最大張開度準則；誤碼率最小準則GuilinUniversityofElectronicsTechnology182023/7/30第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇式合并檢測所有支路信號，選擇其中信噪比最高的支路信號作為合并器的輸出。加權系數(shù)只有一項為1，其余均為0GuilinUniversityofElectronicsTechnology192023/7/30第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇式分集合并示意圖2023/7/30GuilinUniversityofElectronicsTechnology20第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇式合并的評估選擇式合并又稱開關式相加。優(yōu)點：方法簡單，實現(xiàn)容易。缺點：未被選擇的支路信號棄之不用，從能量接收的角度可見，有些浪費，因此抗衰落不如后述兩種方式。GuilinUniversityofElectronicsTechnology212023/7/30第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月等增益合并(EGC)若在最大比值合并中,取,當即為等增益合并。優(yōu)點：無需對信號加權，各支路信號等增益相加。實現(xiàn)比較簡單，其性能接近于最大比值合并。等增益合并器輸出的信號包絡GuilinUniversityofElectronicsTechnology222023/7/30第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月最大比值合并(MRC)在接收端由多個統(tǒng)計不相關的分集支路，經過相位校正，并按適當?shù)目勺冊鲆婕訖嘣傧嗉雍笏腿霗z測器進行相干檢測。GuilinUniversityofElectronicsTechnology232023/7/30第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月最大比值合并(MRC)最大比值合并是一種最佳合并方式。每一支路的加權系數(shù)ak與信號包絡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包絡為GuilinUniversityofElectronicsTechnology242023/7/30第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分集合并性能的分析與比較指標選擇：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：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，是指分集接收機合并器輸出的平均信噪比較無分集接收機的平均信噪比改善的分貝數(shù)。2023/7/3025GuilinUniversityofElectronicsTechnology第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月合并性能分析與比較的前提假設它們都滿足下列三個條件：每一支路的噪聲均為加性噪聲且與信號不相關，噪聲均值為零，具有恒定均方根值；信號幅度的衰落速率遠低于信號的最低調制頻率；各支路信號的衰落互不相關，彼此獨立。GuilinUniversityofElectronicsTechnology262023/7/30第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇式合并的性能選擇式合并器的輸出信噪比，即當前選用的那個支路送入合并器的信噪比。設第k個支路的信號功率為r2k/2，噪聲功率為Nk,可得第k支路的信噪比為2023/7/3027GuilinUniversityofElectronicsTechnology第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月通常，信噪比必須達到某一門限值γt，才能保證接收機輸出的話音質量(或者誤碼率)達到要求。顯然，在選擇式合并的分集接收機中，只有全部M個支路的信噪比都達不到要求，才會出現(xiàn)通信中斷。若第k個支路中γk＜γt的概率為Pk(γk＜γt)，則在M個支路情況下中斷概率以PM(γS＜γt)表示時，可得2023/7/3028GuilinUniversityofElectronicsTechnology第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月由選擇式合并的信噪比可知，γk≤γt，即r2k/2Nk≤γt，或因此設rk的起伏服從瑞利分布，即可得2023/7/3029GuilinUniversityofElectronicsTechnology第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月則如果各支路的信號具有相同的方差，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2023/7/3030GuilinUniversityofElectronicsTechnology第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線2023/7/3031GuilinUniversityofElectronicsTechnology第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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GuilinUniversityofElectronicsTechnology322023/7/30第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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數(shù)(M)增大而增大，但增大速率較小。改善因子常以dB計，即上式可寫成2023/7/3033GuilinUniversityofElectronicsTechnology第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月等增益合并的性能各支路加權系數(shù)ak(k=1,2,…,M)都等于1，等增益合并器輸出的信號包絡rE若各支路的噪聲功率均等于N，則2023/7/3034GuilinUniversityofElectronicsTechnology第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月等增益合并分集系統(tǒng)載噪比的

累積概率分布曲線2023/7/3035GuilinUniversityofElectronicsTechnology第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月等增益合并的改善因子等增益合并時，合并后的平均信噪比為因為已假定各支路信號不相關，即有2023/7/3036GuilinUniversityofElectronicsTechnology第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月最后得出等增益合并的信噪比改善因子為顯然當M(分集重數(shù))較大時，趨于常數(shù)，信噪比的改善程度趨緩。2023/7/3037GuilinUniversityofElectronicsTechnology第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月最大比值合并的性能最大比值合并器輸出的信號包絡如下：2023/7/3038GuilinUniversityofElectronicsTechnology第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月由于各支路信噪比為：即代入（1）式，根據(jù)許瓦爾茲不等式2023/7/3039GuilinUniversityofElectronicsTechnology第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月則有利用上述關系式，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2023/7/3040GuilinUniversityofElectronicsTechnology第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月最大比值合并時各支路加權系數(shù)與本路信號幅度成正比，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，則加權系數(shù)僅隨本路的信號振幅變化。最大比值合并信噪比γR的概率密度函數(shù)：累積概率分布：2023/7/3041GuilinUniversityofElectronicsTechnology第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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)具有較強的抗衰落性能。例如，二重分集(M=2)與無分集(M=1)相比，在超過縱坐標概率為99%情況下有13dB增益，優(yōu)于選擇式合并分集系統(tǒng)(10dB增益)。2023/7/3042GuilinUniversityofElectronicsTechnology第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月最大比值合并輸出載噪比的累積概率分布曲線

2023/7/3043GuilinUniversityofElectronicsTechnology第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月最大比值合并的改善因子因為，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為2023/7/3044GuilinUniversityofElectronicsTechnology第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月例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2023/7/30GuilinUniversityofElectronicsTechnology45第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月等增益合并或2023/7/30GuilinUniversityofElectronicsTechnology46圖4-8給出了三種合并方式的[AKD-](M)與M的關系曲線。第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三種合并方式的D(M)與M關系GuilinUniversityofElectronicsTechnology472023/7/30第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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)GuilinUniversityofElectronicsTechnology482023/7/30第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月NFSK選擇式合并的平均誤碼率此時，P(γ)即為P(γS),代入γS可知：二重分集時，M=2,此時平均誤碼率用Pe,2表示，則有GuilinUniversityofElectronicsTechnology492023/7/30第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月無分集時(即M=1)的平均誤碼率Pe,1為如果平均載噪比γ0>>1,則GuilinUniversityofElectronicsTechnology502023/7/30第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月NFSK最大比值合并的平均誤碼率采用二重分集時，載噪比γR的概率密度P(γR)為由此可得平均誤碼率為GuilinUniversityofElectronicsTechnology512023/7/30第51頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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)，GuilinUniversityofElectronicsTechnology522023/7/30第52頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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)為無分集時(M=1)的平均誤碼率Pe,1為GuilinUniversityofElectronicsTechnology