分集接收技术优秀课件.ppt
分集接收技术第1页，本讲稿共58页内容n分集技术l分集的概念与分集合并分集的概念与分集合并l隐分集技术隐分集技术l发送分集发送分集n信道编码与交织技术l卷积编码卷积编码l交织交织lTURBO TURBO 编码编码lLDPC LDPC 编码编码Guilin University of Electronics Technology22023/2/3第2页，本讲稿共58页分集技术n基本概念：利用接收信号在结构和统计特性方面的不同特点加以区分，并按一定规律和原则进行合并处理来实现抗衰落。n分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。Guilin University of Electronics Technology32023/2/3第3页，本讲稿共58页分集技术n 必要条件：在接收端必须能够接收到承载相同信息且在统计上相互独立(或近似独立)的若干不同的样值信号。不同样值信号的获得可以通过不同的方式，比如空间、频率、时间等，它主要是指如何有效的区分可接收的含同一信息内容但统计上独立的不同样值信号。n简而言之：分集就是通过多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并。Guilin University of Electronics Technology42023/2/3第4页，本讲稿共58页分集技术的目的n目标:对抗多径信道造成的衰落和延时串扰n问题：l如何有效地分集多径衰落信道分散的信号如何有效地分集多径衰落信道分散的信号,既既将可获得的含有同一信息内容但是统计上独将可获得的含有同一信息内容但是统计上独立的不同样值，加以有效且可靠的利用。立的不同样值，加以有效且可靠的利用。（被动）（被动）l如何主动利用信号设计技术更有效地分集多如何主动利用信号设计技术更有效地分集多径衰落信道分散的信号。（主动）径衰落信道分散的信号。（主动）Guilin University of Electronics Technology52023/2/3第5页，本讲稿共58页分集的基础n n技术技术：如何获得独立多路信号；如何合并独立多路信如何获得独立多路信号；如何合并独立多路信号。号。n n本质：对同一信号在不同时间本质：对同一信号在不同时间/频率频率频率频率/空间空间空间空间/极化极化极化极化方向方向的过采样。的过采样。n n各独立的传播路径同时经历深度衰落的概率很低。各独立的传播路径同时经历深度衰落的概率很低。Guilin University of Electronics Technology62023/2/3第6页，本讲稿共58页分集方式宏分集与微分集n宏分集：主要用于蜂窝系统减小慢衰落慢衰落影响，也称“多基站”分集l方法：利用设置在不同地理位置或方向上的多方法：利用设置在不同地理位置或方向上的多个基站，同时和一个移动台通信。个基站，同时和一个移动台通信。l效果：保持通信不会中断。效果：保持通信不会中断。n微分集：用于各种无线通信系统减小快衰落快衰落影响。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性。Guilin University of Electronics Technology72023/2/3第7页，本讲稿共58页分集技术的分类Guilin University of Electronics Technology82023/2/3第8页，本讲稿共58页常用分集技术n空间分集：用2个以上天线收同一个信号；l极化分集和角度分集极化分集和角度分集n频率分集：用2个以上的载波频率传输；n时间分集：在不同时间接收同一个信号；n。Guilin University of Electronics Technology92023/2/3第9页，本讲稿共58页空间位置分集n多天线阵元分集：l多天线发射分集；多天线发射分集；l多天线接收分集；多天线接收分集；n条件：ddcddc，dc dc 为空间为空间相关距离。Guilin University of Electronics Technology102023/2/3第10页，本讲稿共58页极化分集n使用两个极化方向相互正交(水平和垂直)的天线收发信号，就可得到两路衰落特性不相关的信号，实现极化分集。n优点：结构紧凑，节省空间。Guilin University of Electronics Technology112023/2/3第11页，本讲稿共58页角度扩展-空间角度分集空间角度分集Guilin University of Electronics Technology122023/2/3第12页，本讲稿共58页频率分集技术占用更多的频谱资源占用更多的频谱资源占用更多的频谱资源占用更多的频谱资源n两个频率成分具有相互独立的衰落特性。n条件：f2-f1 f2-f1 BcBcGuilin University of Electronics Technology132023/2/3第13页，本讲稿共58页时间分集占用更多的时间资源占用更多的时间资源占用更多的时间资源占用更多的时间资源n利用取样时间间隔足够大时，两个样点间的衰落互不相关的特点，即时间域衰落统计特性的差异来实现抗时间选择性衰落。n时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。n时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。Guilin University of Electronics Technology142023/2/3第14页，本讲稿共58页时间分集的条件n由于衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：Guilin University of Electronics Technology152023/2/3第15页，本讲稿共58页时间分集的实现n针对多径的每一径时延不同，进行多径分离合并RAKE RAKE 接收机。接收机。n重发时间大于信道的相关时间ARQARQ。n用信道相关时间设计交织编码深度。Guilin University of Electronics Technology162023/2/3第16页，本讲稿共58页分集合并n问题：接收端如何利用收到M(M2)个信号，以减小衰落的影响。n方法：一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。n假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t),，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为：式中，ak为第k个信号的加权系数。Guilin University of Electronics Technology172023/2/3第17页，本讲稿共58页分集合并技术n分类：选择不同的加权系数，可构成不同的合并方式。l选择合并（选择合并（Selective CombiningSelective CombiningSelective CombiningSelective Combining）：选择具有）：选择具有）：选择具有）：选择具有最最最最大大SNR SNR SNR SNR 的分枝；的分枝；的分枝；的分枝；l等增益合并（等增益合并（Equal-Gain CombiningEqual-Gain CombiningEqual-Gain CombiningEqual-Gain Combining）：所有）：所有）：所有）：所有分分分分枝等权重相干合并；枝等权重相干合并；l最大比合并（最大比合并（maximal Ratio Combiningmaximal Ratio Combiningmaximal Ratio Combiningmaximal Ratio Combining）：所）：所）：所）：所有有有有分枝依其分枝依其SNR SNR SNR SNR 进行加权相干合并。进行加权相干合并。进行加权相干合并。进行加权相干合并。n信号合并准则：最大信噪比准则；眼图最大张开度准则；误码率最小准则Guilin University of Electronics Technology182023/2/3第18页，本讲稿共58页选择式合并n检测所有支路信号，选择其中信噪比最高的支路信号作为合并器的输出。n加权系数只有一项为1，其余均为0Guilin University of Electronics Technology192023/2/3第19页，本讲稿共58页选择式分集合并示意图2023/2/3Guilin University of Electronics Technology20第20页，本讲稿共58页选择式合并的评估n选择式合并又称开关式相加。n优点：方法简单，实现容易。n缺点：未被选择的支路信号弃之不用，从能量接收的角度可见，有些浪费，因此抗衰落不如后述两种方式。Guilin University of Electronics Technology212023/2/3第21页，本讲稿共58页等增益合并(EGC)n若在最大比值合并中,取 ,当 即为等增益合并。n优点：无需对信号加权，各支路信号等增益相加。实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。n等增益合并器输出的信号包络Guilin University of Electronics Technology222023/2/3第22页，本讲稿共58页最大比值合并(MRC)n在接收端由多个统计不相关的分集支路，经过相位校正，并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。Guilin University of Electronics Technology232023/2/3第23页，本讲稿共58页最大比值合并(MRC)n最大比值合并是一种最佳合并方式。n每一支路的加权系数ak与信号包络rk(t)成正比而与噪声功率Nk成反比，即n最大比值合并器输出的信号包络为 Guilin University of Electronics Technology242023/2/3第24页，本讲稿共58页分集合并性能的分析与比较n指标选择：合并前、后信噪比的改善程度l模拟通信信噪比决定话音质量；模拟通信信噪比决定话音质量；l数字通信系统信噪比数字通信系统信噪比(或载噪比或载噪比)决定误码率决定误码率n衡量指标：l载噪比的累积概率分布，提高可通率。载噪比的累积概率分布，提高可通率。l改善因子（合并增益）改善因子（合并增益）平均信噪比改善平均信噪比改善的分贝数。所谓平均信噪比的改善，是指分的分贝数。所谓平均信噪比的改善，是指分集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集集接收机合并器输出的平均信噪比较无分集接收机的平均信噪比改善的分贝数。接收机的平均信噪比改善的分贝数。2023/2/325Guilin University of Electronics Technology第25页，本讲稿共58页合并性能分析与比较的前提n假设它们都满足下列三个条件：l每每一一支支路路的的噪噪声声均均为为加加性性噪噪声声且且与与信信号号不不相相关，噪声均值为零，具有恒定均方根值；关，噪声均值为零，具有恒定均方根值；l信信号号幅幅度度的的衰衰落落速速率率远远低低于于信信号号的的最最低低调调制制频率；频率；l各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。Guilin University of Electronics Technology262023/2/3第26页，本讲稿共58页选择式合并的性能n选择式合并器的输出信噪比，即当前选用的那个支路送入合并器的信噪比。设第k个支路的信号功率为r2k/2，噪声功率为Nk,可得第k支路的信噪比为2023/2/327Guilin University of Electronics Technology第27页，本讲稿共58页n通常，信噪比必须达到某一门限值t，才能保证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。显然，在选择式合并的分集接收机中，只有全部M个支路的信噪比都达不到要求，才会出现通信中断。n若第k个支路中kt的概率为Pk(kt)，则在M个支路情况下中断概率以PM(St)表示时，可得2023/2/328Guilin University of Electronics Technology第28页，本讲稿共58页n由选择式合并的信噪比可知，kt，即r2k/2Nkt，或n因此n设rk的起伏服从瑞利分布，即 n可得 2023/2/329Guilin University of Electronics Technology第29页，本讲稿共58页n则n如果各支路的信号具有相同的方差，即n各支路的噪声功率也相同，即 N1=N2=Nn令平均信噪比为 ，则n由此可得M重选择式分集的可通率为2023/2/330Guilin University of Electronics Technology第30页，本讲稿共58页选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线2023/2/331Guilin University of Electronics Technology第31页，本讲稿共58页选择式合并的改善因子n在选择式合并方式中，由信噪比S的概率密度P(S)可求得平均信噪比为Guilin University of Electronics Technology322023/2/3第32页，本讲稿共58页n选择式合并平均信噪比的改善因子n由上式可见，选择式合并的平均信噪比改善因子随分集重数(M)增大而增大，但增大速率较小。改善因子常以dB计，即上式可写成2023/2/333Guilin University of Electronics Technology第33页，本讲稿共58页等增益合并的性能n各支路加权系数ak(k=1,2,M)都等于1，等增益合并器输出的信号包络rEn若各支路的噪声功率均等于N，则2023/2/334Guilin University of Electronics Technology第34页，本讲稿共58页等增益合并分集系统载噪比的累积概率分布曲线2023/2/335Guilin University of Electronics Technology第35页，本讲稿共58页等增益合并的改善因子n等增益合并时，合并后的平均信噪比为n因为已假定各支路信号不相关，即有 2023/2/336Guilin University of Electronics Technology第36页，本讲稿共58页n最后得出等增益合并的信噪比改善因子为n显然当M(分集重数)较大时，趋于常数，信噪比的改善程度趋缓。2023/2/337Guilin University of Electronics Technology第37页，本讲稿共58页最大比值合并的性能 n最大比值合并器输出的信号包络如下：2023/2/338Guilin University of Electronics Technology第38页，本讲稿共58页n由于各支路信噪比为：n即n 代入（1）式，n根据许瓦尔兹不等式 2023/2/339Guilin University of Electronics Technology第39页，本讲稿共58页n则有n利用上述关系式，代入（2）式n可见，最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比为各支路信噪比之和，即2023/2/340Guilin University of Electronics Technology第40页，本讲稿共58页n最大比值合并时各支路加权系数与本路信号幅度成正比，而与本路的噪声功率成反比，合并后可获得最大信噪比输出。若各路噪声功率相同，则加权系数仅随本路的信号振幅变化。n最大比值合并信噪比R的概率密度函数：n累积概率分布：2023/2/341Guilin University of Electronics Technology第41页，本讲稿共58页n由上式画出的最大比值合并分集系统的累积概率分布曲线如图下页所示。n不难得知，在同样条件下，与选择式合并分集系统相比，最大比值合并分集系统具有较强的抗衰落性能。n例如，二重分集(M=2)与无分集(M=1)相比，在超过纵坐标概率为99%情况下有13dB增益，优于选择式合并分集系统(10 dB增益)。2023/2/342Guilin University of Electronics Technology第42页，本讲稿共58页最大比值合并输出载噪比的累积概率分布曲线 2023/2/343Guilin University of Electronics Technology第43页，本讲稿共58页最大比值合并的改善因子n因为，最大比值合并器输出可能得到的最大信噪比为各支路信噪比之和，因此n最大比值合并的信噪比改善因子为2023/2/344Guilin University of Electronics Technology第44页，本讲稿共58页n例 4-1 在二重分集情况下，试分别求出三种合并方式的信噪比改善因子。n解:选择式合并n或n最大比率合并n或2023/2/3Guilin University of Electronics Technology45第45页，本讲稿共58页n等增益合并n或2023/2/3Guilin University of Electronics Technology46图 4-8 给出了三种合并方式的AKD-(M)与M的关系曲线。第46页，本讲稿共58页三种合并方式的D(M)与M关系Guilin University of Electronics Technology472023/2/3第47页，本讲稿共58页NFSK二重分集系统平均误码率 n加性高斯噪声情况下，NFSK误码率公式为信噪比(或载噪比)n瑞利衰落信道下，需用平均误码率表征，记作Pe，即 P()为载噪比的概率密度函数Guilin University of Electronics Technology482023/2/3第48页，本讲稿共58页NFSK选择式合并的平均误码率n此时，P()即为P(S),代入S可知：n二重分集时，M=2,此时平均误码率用Pe,2表示，则有Guilin University of Electronics Technology492023/2/3第49页，本讲稿共58页n无分集时(即M=1)的平均误码率Pe,1为n如果平均载噪比01,则Guilin University of Electronics Technology502023/2/3第50页，本讲稿共58页NFSK最大比值合并的平均误码率n采用二重分集时，载噪比R的概率密度P(R)为n由此可得平均误码率为Guilin University of Electronics Technology512023/2/3第51页，本讲稿共58页DPSK多重分集系统平均误码率 n 恒参信道下，DPSK的误码率为n瑞利衰落信道下，平均误码率为n式中，P()为的概率密度函数，Guilin University of Electronics Technology522023/2/3第52页，本讲稿共58页DPSK选择式合并的平均误码率n选择式合并的P()用P(S)表示，由前面分析已知P(S)为n无分集时(M=1)的平均误码率Pe,1为 Guilin University of Electronics Technology532023/2/3第53页，本讲稿共58页n二重分集(M=2)时的平均误码率Pe,2为n当平均载噪比01时，则n当M=3时，有n当M=4时，有 2023/2/3Guilin University of Electronics Technology54第54页，本讲稿共58页三种合并方式的误码率比较n下表列出了三种合并方式下DPSK系统的误码率较无分集时的益处。误码率的改善以最大比值合并为最好，选择式合并最差。Guilin University of Electronics Technology552023/2/3第55页，本讲稿共58页隐分集技术n概念：隐含在信号传输方式中的分集技术n接收端通过信号处理技术实现分集。n包括：l交织编码技术，抗深衰落、抗突发干扰；交织编码技术，抗深衰落、抗突发干扰；l跳频技术，抗多径、抗衰落、抗干扰；跳频技术，抗多径、抗衰落、抗干扰；l直接序列扩频技术，抗多径、抗衰落和干扰。直接序列扩频技术，抗多径、抗衰落和干扰。Guilin University of Electronics Technology562023/2/3第56页，本讲稿共58页直接序列扩频（DSSSDSSS）n扩频/解扩过程实现频率分集和抗干扰；解扩过程实现频率分集和抗干扰；nRAKE RAKE 抗多径效应和衰落。抗多径效应和衰落。Guilin University of Electronics Technology572023/2/3第57页，本讲稿共58页DSSS DSSS 多径的分离与合并多径的分离与合并nDSSS DSSS 多径的分离与合并：多径的分离与合并：uu原因无线传输信道是一个多径信道；原因无线传输信道是一个多径信道；uu目标分离目标分离+合并多径信号矢量和合并多径信号矢量和合并多径信号矢量和合并多径信号矢量和标量和；标量和；标量和；标量和；uu增强信号、减小干扰、减轻衰落；增强信号、减小干扰、减轻衰落；uu分离方法：特征码、扩频分离方法：特征码、扩频/解扩；解扩；解扩；解扩；uu合并：合并：RAKE RAKE RAKE RAKE 接收技术。接收技术。接收技术。接收技术。n关键技术：uu特征码的设计和信号带宽的设计。要求直扩序列特征码的设计和信号带宽的设计。要求直扩序列信号的自相关性能和互相关性能要好，信号的自相关性能和互相关性能要好，BsBcBsBcBsBcBsBc。uu合并方法和准则：第一路径方法、最强路径法、合并方法和准则：第一路径方法、最强路径法、等增益合并法、最大比合并法、自适应合并法等等增益合并法、最大比合并法、自适应合并法等Guilin University of Electronics Technology582023/2/3第58页，本讲稿共58页
