數(shù)字通信原理

數(shù)字通信原理第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月§8.1分集技術(shù)第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容和要求內(nèi)容目的無線鏈路傳輸?shù)幕咎攸c克服無線衰落的基本手段掌握分集的基本手段熟悉發(fā)射分集的原理掌握分集合并接收技術(shù)分集失效性原理要求難點為無線信道的基本模型與分集中的信號合并技術(shù)，分集技術(shù)、合并技術(shù)要求重點掌握。4第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1、無線信號的傳輸方式直線傳輸反射折射散射一、無線信號傳輸?shù)奶攸c5第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、無線信道對通信產(chǎn)生的影響衰落碼間串?dāng)_時變信道共道干擾3、信道衰落分類大尺度衰落（Large-ScaleFading）小尺度衰落（Small-ScaleFading）一、無線信號傳輸?shù)奶攸c6第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月大尺度衰落（Large-ScaleFading）由于接收機位置在較大范圍之間變化，由于建筑物的陰影、路徑長度的變化而引起接收信號電的變化。一般陰影衰落呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度為： 其方差與環(huán)境具有很大關(guān)系，在市區(qū)環(huán)境下較大，在郊區(qū)環(huán)境下較小，其值一般取5-12dB，其均值一般與距離呈2-4次方的關(guān)系，在實際中一般可以通過實測獲得。一、無線信號傳輸?shù)奶攸c7第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月小尺度衰落（Small-ScaleFading） 由于在接收端的反射波、散射波成形的干涉場，同時由于周圍環(huán)境或接收機位置的變化，使得接收天線不斷經(jīng)過干涉場的波節(jié)與波腹，造成接收信號電平的快速變化。另外接收機的移動也造成接收信號相位的變化，對信號傳輸產(chǎn)生損傷。一、無線信號傳輸?shù)奶攸c8第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月4、接收信號電平的概率分布 一般認(rèn)為：接收信號的幅度服從瑞利（沒有直射分量）或萊斯分布（具有直射分量）瑞利分布：萊斯分布:

其中：K定義為直射信號功率與散射信號功率之比。一、無線信號傳輸?shù)奶攸c9第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月5、信道參數(shù)擴展時延擴展 有多條不同時延與幅度的信號同時到達(dá)接收機。其中兩條延時差最大量定義為延時擴展（有些場合也采用時延的均方根來定義）。相干帶寬：其物理含意是由于延時擴展而使得在寬的頻譜范圍內(nèi)信號的衰落呈現(xiàn)相關(guān)性。頻率平坦性衰落：頻率選擇性衰落：一、無線信號傳輸?shù)奶攸c10第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月多頻勒頻移擴展

當(dāng)接收機產(chǎn)生運動時，則信號的頻率分量產(chǎn)生的一定偏移，其偏移量為：一般定義信道的相干時間為：非時間選擇性衰落信道：時間選擇性衰落：一、無線信號傳輸?shù)奶攸c11第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月角度擴展

原因：接收端的角度擴展是指到達(dá)接收機信號方向（AOA）的擴展。影響：大的角度擴展使到接收機的信號以隨機的方式進(jìn)行信號合成，從而造成信號幅度上的變化。改善方式：采用方向性較強的天線。相關(guān)距離：角度擴展越大，則相關(guān)距離越小一、無線信號傳輸?shù)奶攸c12第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)一、無線信號傳輸?shù)奶攸c13第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月6、衰落對通信性能的影響 個典的衰落模型：對于BPSK/QPSK信號經(jīng)瑞利衰落信道，其誤碼率不再與Eb/N0呈指數(shù)衰減關(guān)系，而是呈倒數(shù)衰減：從圖中可以看出，為達(dá)到10-5的信道誤碼率，在瑞利衰落環(huán)境下所需的信噪比較高斯白噪聲信道所需的信噪比高35dB，這將是一般通信終端所不能容忍的。一、無線信號傳輸?shù)奶攸c14第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月例：對于一個二狀態(tài)信道，如果信道處于狀態(tài)1時，則信道增益為；如果信道處于狀態(tài)2時，則信道增益為。處于這兩個信道狀態(tài)的概率分別與。為了保證發(fā)送功率的歸一化（即在任何情況之下，接收接收端的平均功率是恒定的，只有在這一情況之下，對不同情況的比較才有意義），有： 在瑞利衰落環(huán)境下，接收信號電平低于x分布服從：一、無線信號傳輸?shù)奶攸c15第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月 可以令： 也即有：物理含意：也反映了在簡單二狀態(tài)衰落狀態(tài)下的衰落深度為，即在一狀態(tài)上接收的電平會比平均電平低的數(shù)值量。信道的平均誤碼率為：一、無線信號傳輸?shù)奶攸c16第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月性能曲線一、無線信號傳輸?shù)奶攸c17第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論無線衰落環(huán)境下，需要一種新的手段來戰(zhàn)勝（克服）多徑對通信性能的影響。多徑是通信的天敵！??！ 衰落是通信中的有害因素，采用有效方法削除無線衰落對通信的影響。（目前的認(rèn)識）一、無線信號傳輸?shù)奶攸c18第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1、原始思想信道容限： 因而接收端決定了整個無線鏈路的質(zhì)量。無線信道通信質(zhì)量極差的原因：衰落其中主要的原因是接收信號的電平的降低，從而造成實際傳輸信號容量超出當(dāng)時信道的允許容量。因而分集的主要任務(wù)是：

采用多個獨立的分支信號來保證總接收信號的信噪比在規(guī)定門限以上。二、克服無線衰落的主要技術(shù)19第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、可采用的技術(shù)分集技術(shù)：多個獨立的無線接收機（它們獨立接收經(jīng)衰落的無線信號），它們同時經(jīng)歷衰落的或能性隨著獨立接收機的數(shù)量而降低。Rake接收機：改善一條已衰落無線鏈路的性能，使其性能趨向高斯加噪信道性能。其它方法：？？有等進(jìn)一步研究?？赡苓€需對衰落進(jìn)行進(jìn)一步的研究與認(rèn)識。二、克服無線衰落的主要技術(shù)20第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1、分集技術(shù)的必要條件獨立性原則：在接收端必須能夠收到承載同一信息并且在統(tǒng)計上相互獨立的若干不同的樣值信號，這若干個不同樣值信號的獲得可以通過不同的方式，如空間、頻率、時間等。2、分集接收技術(shù)主要組成如何把接收的多徑信號分離出來使其互不相關(guān)；將分離出來的多徑信號恰當(dāng)合并，以獲得最大信噪比。三、分集接收技術(shù)概述21第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月分集技術(shù)分類空間分集；頻率分集；時間分集極化分集3、信號合并技術(shù)有效性原則常用的合并方法有三種：選擇性合并（SD）最大比值合并（MRC）及等增益合并（EGC）三、分集接收技術(shù)概述22第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1、空間分集定義：空間分集也稱為天線分集，空間分集在發(fā)射端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。條件：為了保證各個天線接收信號的相互獨立性，需要使各個天線之間的間隔距離等于或大于半波長。特點：需采用多個接收天線，系統(tǒng)成本較高。四、分集技術(shù)23第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月舉例：二重空間分集的短波FSK通信，較不分集時好12dB；移動通信蜂窩基站采用兩副接收天線改善性能。四、分集技術(shù)24第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、頻率分集定義：用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，實現(xiàn)頻率分集。條件：頻率間隔大于相關(guān)帶寬。舉例：GSM系統(tǒng)中利用跳頻來達(dá)到頻率分集；特點：可以減少接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量。占用更多的頻帶資源。四、分集技術(shù)25第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3、時間分集定義：時間分集就是將要傳輸?shù)男畔⒎謩e在不同的時隙發(fā)射出去。條件：要求重發(fā)信號的時隙間隔要大于信道相干時間，以保證重發(fā)信號在時域上的獨立性。舉例：如短波和移動通信系統(tǒng)中，用交織來改變原來的碼元順序供發(fā)端發(fā)射，以達(dá)到時間分集。特點：減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目；占用時隙資源，增大了開銷，降低了傳輸效率。四、分集技術(shù)26第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月4、極化分集定義：利用在同一地點極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號，呈現(xiàn)出互不相關(guān)的衰落。在接收端裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線進(jìn)行接收。條件：傳輸介質(zhì)對電磁波信號不產(chǎn)生嚴(yán)重的去極化性效應(yīng)。特點：由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，因此有3dB的信號功率損失。四、分集技術(shù)27第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月1、分集合并技術(shù)考慮的因素通過不同形式的選擇與合并技術(shù)來獲得盡可能大的分量增益和抗衰落性能。簡化硬件的實現(xiàn)復(fù)雜度，特別是對射頻電路單元的要求。五、信號合并技術(shù)28第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2、選擇性合并方法：在多支路接收信號中,選取信噪比最高的支路信號作為輸出信號。性能：合并處理增益五、信號合并技術(shù)29第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3、最大比合并方法：在接收端由N個統(tǒng)計不相關(guān)的分集支路經(jīng)過相位校正，按適當(dāng)?shù)目勺冊鲆婕訖?quán)再相加后送入檢測器進(jìn)行相干檢測。加權(quán)依據(jù)：權(quán)重依各支路信噪比來分配，信噪比大的支路權(quán)重大，信噪比小的支路權(quán)重小。五、信號合并技術(shù)30第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月性能： 處理增益：Gm=L五、信號合并技術(shù)31第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月4、等增益合并方法：在最大比值合并方案中，取ai=1（i=1，2，…，L。）即為等增益合并。性能：等增益合并性能僅次于最大比值合并，當(dāng)L較大時，其性能比最大比值合并相關(guān)不多，約1dB左右。五、信號合并技術(shù)32第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月5、幾種合并方法的性能比較結(jié)論：最大比值合并和等增益合并使平均信噪比獲得較大的改善。五、信號合并技術(shù)33第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月分集失效主要是由于以下兩方面的原因當(dāng)采用分集的支路具有相關(guān)性時，使得分集支路同時出現(xiàn)深度衰落。另一方面，如果接收的支路信號功率出現(xiàn)嚴(yán)重的不平衡，使得支路在信號合并中不再起作用，從而導(dǎo)至分集失效。六、分集的失效性原理34第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2