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数字通信原理数字通信原理第1页，本讲稿共37页第2页，本讲稿共37页8.18.1 分集技术分集技术 第3页，本讲稿共37页内容和要求内容和要求内容目的内容目的无线链路传输的基本特点无线链路传输的基本特点克服无线衰落的基本手段克服无线衰落的基本手段掌握分集的基本手段掌握分集的基本手段熟悉发射分集的原理熟悉发射分集的原理掌握分集合并接收技术掌握分集合并接收技术分集失效性原理分集失效性原理要求要求难点为无线信道的基本模型与分集中的信号合并技术，难点为无线信道的基本模型与分集中的信号合并技术，分集技术、合并技术要求重点掌握。分集技术、合并技术要求重点掌握。4第4页，本讲稿共37页1、无线信号的传输方式、无线信号的传输方式直线传输直线传输反射反射折射折射散射散射一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 5第5页，本讲稿共37页2、无线信道对通信产生的影响、无线信道对通信产生的影响 衰落衰落码间串扰码间串扰时变信道时变信道共道干扰共道干扰3、信道衰落分类、信道衰落分类大尺度衰落（大尺度衰落（Large-Scale Fading）小尺度衰落（小尺度衰落（Small-Scale Fading）一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 6第6页，本讲稿共37页大尺度衰落（大尺度衰落（大尺度衰落（大尺度衰落（Large-Scale FadingLarge-Scale Fading）由于接收机位置在较大范围之间变化，由于建筑物的由于接收机位置在较大范围之间变化，由于建筑物的阴影、路径长度的变化而引起接收信号电的变化。阴影、路径长度的变化而引起接收信号电的变化。一般阴影衰落呈现一般阴影衰落呈现对数正态分布对数正态分布，其概率密度为：，其概率密度为：其方差与环境具有很大关系，其方差与环境具有很大关系，在市区环境下较大，在市区环境下较大，在郊区环境下较小，其值一般取在郊区环境下较小，其值一般取5-12dB，其均值一般，其均值一般与距离呈与距离呈2-4次方的关系，在实际中一般可以通过实测次方的关系，在实际中一般可以通过实测获得。获得。一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 7第7页，本讲稿共37页小尺度衰落（小尺度衰落（小尺度衰落（小尺度衰落（Small-Scale FadingSmall-Scale Fading）由于在接收端的反射波、散射波成形的干涉场，同由于在接收端的反射波、散射波成形的干涉场，同时由于周围环境或接收机位置的变化，使得接收天线不时由于周围环境或接收机位置的变化，使得接收天线不断经过干涉场的波节与波腹，造成接收信号电平的快速断经过干涉场的波节与波腹，造成接收信号电平的快速变化。另外接收机的移动也造成接收信号相位的变化，变化。另外接收机的移动也造成接收信号相位的变化，对信号传输产生损伤。对信号传输产生损伤。一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 8第8页，本讲稿共37页4、接收信号电平的概率分布、接收信号电平的概率分布 一般认为：接收信号的幅度服从一般认为：接收信号的幅度服从瑞利瑞利（没有直射分量）或（没有直射分量）或莱莱斯斯分布（具有直射分量）分布（具有直射分量）瑞利分布：瑞利分布：瑞利分布：瑞利分布：莱斯分布莱斯分布莱斯分布莱斯分布:其中：其中：K K定义为定义为直射信号功率与散射信号功率之比直射信号功率与散射信号功率之比。一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 9第9页，本讲稿共37页5、信道参数扩展、信道参数扩展时延扩展时延扩展时延扩展时延扩展有多条不同时延与幅度的信号同时到达接收机。有多条不同时延与幅度的信号同时到达接收机。其中两条延时差最大量其中两条延时差最大量 定义为延时扩展（有些场定义为延时扩展（有些场合也采用时延的均方根来定义）。合也采用时延的均方根来定义）。相干带宽：相干带宽：其物理含意是由于延时扩展而使得在其物理含意是由于延时扩展而使得在宽的频谱范围内信号的衰落呈现相关性。宽的频谱范围内信号的衰落呈现相关性。频率平坦性衰落：频率平坦性衰落：频率选择性衰落：频率选择性衰落：一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 10第10页，本讲稿共37页多频勒频移扩展多频勒频移扩展多频勒频移扩展多频勒频移扩展 当接收机产生运动时，则信号的频率分量产生的当接收机产生运动时，则信号的频率分量产生的一定偏移，其偏移量为：一定偏移，其偏移量为：一般定义信道的一般定义信道的相干时间相干时间为：为：非时间选择性衰落信道：非时间选择性衰落信道：时间选择性衰落：时间选择性衰落：一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 11第11页，本讲稿共37页角度扩展角度扩展角度扩展角度扩展 原因：原因：接收端的角度扩展是指到达接收机信号方接收端的角度扩展是指到达接收机信号方向（向（AOA）的扩展。）的扩展。影响：影响：大的角度扩展使到接收机的信号以随机的大的角度扩展使到接收机的信号以随机的方式进行信号合成，从而造成信号幅度上的变化。方式进行信号合成，从而造成信号幅度上的变化。改善方式：改善方式：采用方向性较强的天线。采用方向性较强的天线。相关距离：相关距离：角度扩展越大，则相关距离越小角度扩展越大，则相关距离越小一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 12第12页，本讲稿共37页总结总结总结总结一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 13第13页，本讲稿共37页6、衰落对通信性能的影响、衰落对通信性能的影响 个典的衰落模型：个典的衰落模型：个典的衰落模型：个典的衰落模型：对于对于BPSK/QPSK信号经瑞利衰落信号经瑞利衰落信道，其误码率不再与信道，其误码率不再与Eb/N0呈指数衰减关系，而是呈指数衰减关系，而是呈倒数衰减：呈倒数衰减：从从图图中中可可以以看看出出，为为达达到到10-5的的信信道道误误码码率率，在在瑞瑞利利衰衰落落环环境境下下所所需需的的信信噪噪比比较较高高斯斯白白噪噪声声信信道道所所需需的的信信噪噪比比高高35dB，这这将将是是一一般通信终端所不能容忍的。般通信终端所不能容忍的。一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 14第14页，本讲稿共37页例：例：例：例：对于一个二状态信道，对于一个二状态信道，如果信道处于状态如果信道处于状态1时，则时，则信道增益为信道增益为 ；如果信道处于状态如果信道处于状态2时，时，则信道增益则信道增益为为。处于这两个信道状态的概率分别。处于这两个信道状态的概率分别 与与。为。为了保证发送功率的归一化（即在任何情况之下，接收接了保证发送功率的归一化（即在任何情况之下，接收接收端的平均功率是恒定的，只有在这一情况之下，对不收端的平均功率是恒定的，只有在这一情况之下，对不同情况的比较才有意义），有：同情况的比较才有意义），有：在瑞利衰落环境下，接收信号电平低于在瑞利衰落环境下，接收信号电平低于x分布服从：分布服从：一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 15第15页，本讲稿共37页可以令：可以令：也即有：也即有：物理含意：物理含意：也反映了在简单二状态衰落状态下的衰也反映了在简单二状态衰落状态下的衰落深度为，即在一状态上接收的电平会比平均电平落深度为，即在一状态上接收的电平会比平均电平低的数值量。低的数值量。信道的平均误码率信道的平均误码率为：为：一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 16第16页，本讲稿共37页性能曲线性能曲线性能曲线性能曲线一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 17第17页，本讲稿共37页结论结论无线衰落环境下，需要一种新的手段来战胜（克服）无线衰落环境下，需要一种新的手段来战胜（克服）多径对通信性能的影响。多径对通信性能的影响。多径是通信的天敌！多径是通信的天敌！衰落是通信中的有害因素，采用有效方法削除无线衰落对通衰落是通信中的有害因素，采用有效方法削除无线衰落对通信的影响。（目前的认识）信的影响。（目前的认识）一、无线信号传输的特点一、无线信号传输的特点 18第18页，本讲稿共37页1、原始思想、原始思想 信道容信道容信道容信道容限：限：因而因而接收端决定了整个无线链路的质量接收端决定了整个无线链路的质量。无线信道通信质量极差的原因：无线信道通信质量极差的原因：无线信道通信质量极差的原因：无线信道通信质量极差的原因：衰落其中主要的原因衰落其中主要的原因是接收信号的电平的降低，从而造成实际传输信号容是接收信号的电平的降低，从而造成实际传输信号容量超出当时信道的允许容量。量超出当时信道的允许容量。因而分因而分因而分因而分集的主要集的主要任务是：任务是：任务是：任务是：采用多个独立的分支信号来保证总接收信号的信噪比采用多个独立的分支信号来保证总接收信号的信噪比在规定门限以上。在规定门限以上。二、克服无线衰落的主要技术二、克服无线衰落的主要技术19第19页，本讲稿共37页2、可采用的技术、可采用的技术分集技术：分集技术：分集技术：分集技术：多个独立的无线接收机（它们独立接收经多个独立的无线接收机（它们独立接收经衰落的无线信号），它们同时经历衰落的或能性随着衰落的无线信号），它们同时经历衰落的或能性随着独立接收机的数量而降低。独立接收机的数量而降低。RakeRake接收机：接收机：接收机：接收机：改善一条已衰落无线链路的性能，使改善一条已衰落无线链路的性能，使其性能趋向高斯加噪信道性能。其性能趋向高斯加噪信道性能。其它方法其它方法其它方法其它方法 ：？有等进一步研究。可能还需对衰落有等进一步研究。可能还需对衰落进行进一步的研究与认识。进行进一步的研究与认识。二、克服无线衰落的主要技术二、克服无线衰落的主要技术20第20页，本讲稿共37页1、分集技术的必要条件、分集技术的必要条件 独立性原则：独立性原则：独立性原则：独立性原则：在接收端必须能够收到承载同一信息并在接收端必须能够收到承载同一信息并且在统计上相互独立的若干不同的样值信号，这若干且在统计上相互独立的若干不同的样值信号，这若干个不同样值信号的获得可以通过不同的方式，如空间、个不同样值信号的获得可以通过不同的方式，如空间、频率、时间等。频率、时间等。2、分集接收技术主要组成、分集接收技术主要组成如何把接收的多径信号分离出来使其互不相关；如何把接收的多径信号分离出来使其互不相关；将分离出来的多径信号恰当合并，以获得最大信噪比。将分离出来的多径信号恰当合并，以获得最大信噪比。三、分集接收技术概述三、分集接收技术概述21第21页，本讲稿共37页分集技术分类分集技术分类分集技术分类分集技术分类空间分集；空间分集；频率分集；频率分集；时间分集时间分集极化分集极化分集3、信号合并技术、信号合并技术有效性原则有效性原则常用的合并方法有三种：常用的合并方法有三种：选择性合并（选择性合并（SD）最大比值合并（最大比值合并（MRC）及等增益合并（及等增益合并（EGC）三、分集接收技术概述三、分集接收技术概述22第22页，本讲稿共37页1、空间分集、空间分集 定义：定义：定义：定义：空间分集也称为空间分集也称为天线分集天线分集，空间分集在发射端，空间分集在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。条件：条件：条件：条件：为了保证各个天线接收信号的相互独立性，需为了保证各个天线接收信号的相互独立性，需要要使各个天线之间的间隔距离等于或大于半波长使各个天线之间的间隔距离等于或大于半波长。特点：特点：特点：特点：需采用多个接收天线，系统成本较高。需采用多个接收天线，系统成本较高。四、分集技术四、分集技术23第23页，本讲稿共37页举例：举例：举例：举例：二重空间分集的短波二重空间分集的短波FSK通信，较不分集时好通信，较不分集时好12dB；移动通信蜂窝基站采用两副接收天线改善性能。移动通信蜂窝基站采用两副接收天线改善性能。四、分集技术四、分集技术24第24页，本讲稿共37页2、频率分集、频率分集 定义：定义：定义：定义：用两个以上不同的频率传输同一信息，实现频用两个以上不同的频率传输同一信息，实现频率分集。率分集。条件：条件：条件：条件：频率间隔大于相关带宽。频率间隔大于相关带宽。举例：举例：举例：举例：GSM系统中利用跳频来达到频率分集；系统中利用跳频来达到频率分集；特点：特点：特点：特点：可以减少接收天线及相应设备的数量。可以减少接收天线及相应设备的数量。占用更多的频带资源。占用更多的频带资源。四、分集技术四、分集技术25第25页，本讲稿共37页3、时间分集、时间分集 定义：定义：定义：定义：时间分集就是将要传输的信息分别在不同的时时间分集就是将要传输的信息分别在不同的时隙发射出去。隙发射出去。条件：条件：条件：条件：要求重发信号的时隙间隔要大于信道相干时间，要求重发信号的时隙间隔要大于信道相干时间，以保证重发信号在时域上的独立性。以保证重发信号在时域上的独立性。举例：举例：举例：举例：如短波和移动通信系统中，用交织来改变原来如短波和移动通信系统中，用交织来改变原来的码元顺序供发端发射，以达到时间分集。的码元顺序供发端发射，以达到时间分集。特点：特点：特点：特点：减少了接收天线及相应设备的数目；减少了接收天线及相应设备的数目；占用时隙资源，增大了开销，降低了传输效率。占用时隙资源，增大了开销，降低了传输效率。四、分集技术四、分集技术26第26页，本讲稿共37页4、极化分集、极化分集 定义：定义：定义：定义：利用在同一地点极化方向相互正交的天线发出利用在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号，呈现出互不相关的衰落。在接收端装上垂直的信号，呈现出互不相关的衰落。在接收端装上垂直极化和水平极化两副接收天线进行接收。极化和水平极化两副接收天线进行接收。条件：条件：条件：条件：传输介质对电磁波信号不产生严重的去极化性传输介质对电磁波信号不产生严重的去极化性效应。效应。特点：特点：特点：特点：由于发射功率要分配到两副天线上，因此有由于发射功率要分配到两副天线上，因此有3dB的的信号功率损失。信号功率损失。四、分集技术四、分集技术27第27页，本讲稿共37页1、分集合并技术考虑的因素、分集合并技术考虑的因素 通过不同形式的选择与合并技术来获得尽可能大的分通过不同形式的选择与合并技术来获得尽可能大的分量增益和抗衰落性能。量增益和抗衰落性能。简化硬件的实现复杂度，特别是对射频电路单元的要简化硬件的实现复杂度，特别是对射频电路单元的要求。求。五、信号合并技术五、信号合并技术28第28页，本讲稿共37页2、选择性合并、选择性合并方法：方法：方法：方法：在多支路接收信号中在多支路接收信号中,选取信噪比最高的支路选取信噪比最高的支路信号作为输出信号。信号作为输出信号。性能：性能：性能：性能：合并处理增益合并处理增益五、信号合并技术五、信号合并技术29第29页，本讲稿共37页3、最大比合并、最大比合并方法：方法：方法：方法：在接收端由在接收端由N个统计不相关的分集支路经过相个统计不相关的分集支路经过相位校正，按适当的可变增益加权再相加后送入检测器位校正，按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。进行相干检测。加权依据：加权依据：加权依据：加权依据：权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。支路权重大，信噪比小的支路权重小。五、信号合并技术五、信号合并技术30第30页，本讲稿共37页性能：性能：性能：性能：处理增益：处理增益：处理增益：处理增益：Gm=LGm=L五、信号合并技术五、信号合并技术31第31页，本讲稿共37页4、等增益合并、等增益合并方法：方法：方法：方法：在最大比值合并方案中，取在最大比值合并方案中，取 ai=1（i=1，2，L。）即为等增益合并。）即为等增益合并。性能：性能：性能：性能：等增益合并性能仅次于最大比值合并，当等增益合并性能仅次于最大比值合并，当L较较大时，其性能比最大比值合并相关不多，约大时，其性能比最大比值合并相关不多，约1dB左右。左右。五、信号合并技术五、信号合并技术32第32页，本讲稿共37页5、几种合并方法的性能比较、几种合并方法的性能比较结论：结论：结论：结论：最大比值合并和等增益合并使平均信噪比获得最大比值合并和等增益合并使平均信噪比获得较大的改善。较大的改善。五、信号合并技术五、信号合并技术33第33页，本讲稿共37页分集失效主要是由于以下两方面的原因分集失效主要是由于以下两方面的原因当采用分集的支路具有相关性时，使得分集支路同时当采用分集的支路具有相关性时，使得分集支路同时出现深度衰落。出现深度衰落。另一方面，如果接收的支路信号功率出现严重的不平另一方面，如果接收的支路信号功率出现严重的不平衡，使得支路在信号合并中不再起作用，从而导至分衡，使得支路在信号合并中不再起作用，从而导至分集失效。集失效。六、分集的失效性原理六、分集的失效性原理34第34页，本讲稿共37页总结总结本节课主要讲解了以下内容本节课主要讲解了以下内容无线链路传输的基本特点无线链路传输的基本特点克服无线衰落的基本手段克服无线衰落的基本手段分集的基本手段分集的基本手段发射分集的原理发射分集的原理分集合并接收技术分集合并接收技术分集失效性原理分集失效性原理35第35页，本讲稿共37页作业与思考题作业与思考题8.1 何为发射分集？请举例简要说明使用发射分集可以改善何为发射分集？请举例简要说明使用发射分集可以改善系统性能的原理？系统性能的原理？8.2 论述天线接收分集技术的分类和各种分集技术的异同论述天线接收分集技术的分类和各种分集技术的异同?36第36页，本讲稿共37页谢谢 谢！谢！第37页，本讲稿共37页