分集接收技術(shù)

分集接收技術(shù)第一頁，共五十八頁，2022年，8月28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GuilinUniversityofElectronicsTechnology22023/3/14第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日分集技術(shù)基本概念：利用接收信號在結(jié)構(gòu)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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology32023/3/14第三頁，共五十八頁，2022年，8月28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(nèi)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(guān)的衰落路徑傳送相同的信號并合并。GuilinUniversityofElectronicsTechnology42023/3/14第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日分集技術(shù)的目的目標(biāo):對抗多徑信道造成的衰落和延時串?dāng)_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(nèi)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(shè)計技術(shù)更有效地分集多徑衰落信道分散的信號。（主動）GuilinUniversityofElectronicsTechnology52023/3/14第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日分集的基礎(chǔ)技術(shù)：如何獲得獨立多路信號；如何合并獨立多路信號。本質(zhì)：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(jīng)歷深度衰落的概率很低。GuilinUniversityofElectronicsTechnology62023/3/14第六頁，共五十八頁，2022年，8月28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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology72023/3/14第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日分集技術(shù)的分類GuilinUniversityofElectronicsTechnology82023/3/14第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日常用分集技術(shù)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；。GuilinUniversityofElectronicsTechnology92023/3/14第九頁，共五十八頁，2022年，8月28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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology102023/3/14第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日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(guān)的信號，實現(xiàn)極化分集。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間。GuilinUniversityofElectronicsTechnology112023/3/14第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日角度擴展---空間角度分集GuilinUniversityofElectronicsTechnology122023/3/14第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日頻率分集技術(shù)——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>>BcGuilinUniversityofElectronicsTechnology132023/3/14第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日時間分集——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(guān)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(yīng)設(shè)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(yīng)引起的信號衰落現(xiàn)象。GuilinUniversityofElectronicsTechnology142023/3/14第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日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(guān)，因而為了使重復(fù)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(guān)系：GuilinUniversityofElectronicsTechnology152023/3/14第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日時間分集的實現(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(guān)時間——ARQ。用信道相關(guān)時間設(shè)計交織編碼深度。GuilinUniversityofElectronicsTechnology162023/3/14第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日分集合并問題：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(shè)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(quán)系數(shù)。GuilinUniversityofElectronicsTechnology172023/3/14第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28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進行加權(quán)相干合并。信號合并準(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GuilinUniversityofElectronicsTechnology182023/3/14第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日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(quán)系數(shù)只有一項為1，其余均為0GuilinUniversityofElectronicsTechnology192023/3/14第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日選擇式分集合并示意圖2023/3/14GuilinUniversityofElectronicsTechnology20第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日選擇式合并的評估選擇式合并又稱開關(guān)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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology212023/3/14第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28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：無需對信號加權(quán)，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(luò)GuilinUniversityofElectronicsTechnology222023/3/14第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日最大比值合并(MRC)在接收端由多個統(tǒng)計不相關(guān)的分集支路，經(jīng)過相位校正，并按適當(dāng)?shù)目勺冊鲆婕訖?quán)再相加后送入檢測器進行相干檢測。GuilinUniversityofElectronicsTechnology232023/3/14第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28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包絡(luò)為GuilinUniversityofElectronicsTechnology242023/3/14第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28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)。2023/3/1425GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28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條件：每一支路的噪聲均為加性噪聲且與信號不相關(guān)，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(diào)制頻率；各支路信號的衰落互不相關(guān)，彼此獨立。GuilinUniversityofElectronicsTechnology262023/3/14第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日選擇式合并的性能選擇式合并器的輸出信噪比，即當(dāng)前選用的那個支路送入合并器的信噪比。設(shè)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2023/3/1427GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日通常，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(zhì)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2023/3/1428GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28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2023/3/1429GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日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2023/3/1430GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日選擇式合并輸出載噪比累積概率分布曲線2023/3/1431GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28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GuilinUniversityofElectronicsTechnology322023/3/14第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28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2023/3/1433GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28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包絡(luò)rE若各支路的噪聲功率均等于N，則2023/3/1434GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日等增益合并分集系統(tǒng)載噪比的

累積概率分布曲線2023/3/1435GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日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(guān)，即有2023/3/1436GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日最后得出等增益合并的信噪比改善因子為顯然當(dāng)M(分集重數(shù))較大時，趨于常數(shù)，信噪比的改善程度趨緩。2023/3/1437GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日最大比值合并的性能最大比值合并器輸出的信號包絡(luò)如下：2023/3/1438GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28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2023/3/1439GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28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2023/3/1440GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日最大比值合并時各支路加權(quán)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(quán)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：2023/3/1441GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28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(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)。2023/3/1442GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日最大比值合并輸出載噪比的累積概率分布曲線

2023/3/1443GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日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2023/3/1444GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28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2023/3/14GuilinUniversityofElectronicsTechnology45第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日等增益合并或2023/3/14GuilinUniversityofElectronicsTechnology46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，共五十八頁，2022年，8月28日三種合并方式的D(M)與M關(guān)系GuilinUniversityofElectronicsTechnology472023/3/14第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28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)GuilinUniversityofElectronicsTechnology482023/3/14第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日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GuilinUniversityofElectronicsTechnology492023/3/14第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日無分集時(即M=1)的平均誤碼率Pe,1為如果平均載噪比γ0>>1,則GuilinUniversityofElectronicsTechnology502023/3/14第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日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GuilinUniversityofElectronicsTechnology512023/3/14第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28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)，GuilinUniversityofElectronicsTechnology522023/3/14第五十二頁，共五十八頁，2022年，8月28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)為無分集時(M=1)的平均誤碼率Pe,1為GuilinUniversityofElectronicsTechnology53