分集接收技术

分集接收技术第一页，共五十八页，2022年，8月28日内容分集技术分集的概念与分集合并隐分集技术发送分集信道编码与交织技术卷积编码交织TURBO编码LDPC编码GuilinUniversityofElectronicsTechnology22023/3/14第二页，共五十八页，2022年，8月28日分集技术基本概念：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。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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology32023/3/14第三页，共五十八页，2022年，8月28日分集技术

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。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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology42023/3/14第四页，共五十八页，2022年，8月28日分集技术的目的目标:对抗多径信道造成的衰落和延时串扰问题：如何有效地分集多径衰落信道分散的信号,既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。（被动）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）GuilinUniversityofElectronicsTechnology52023/3/14第五页，共五十八页，2022年，8月28日分集的基础技术：如何获得独立多路信号；如何合并独立多路信号。本质：对同一信号在不同时间/频率/空间/极化方向的过采样。各独立的传播路径同时经历深度衰落的概率很低。GuilinUniversityofElectronicsTechnology62023/3/14第六页，共五十八页，2022年，8月28日分集方式——宏分集与微分集宏分集：主要用于蜂窝系统减小慢衰落影响，也称“多基站”分集方法：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。效果：保持通信不会中断。微分集：用于各种无线通信系统减小快衰落影响。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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology72023/3/14第七页，共五十八页，2022年，8月28日分集技术的分类GuilinUniversityofElectronicsTechnology82023/3/14第八页，共五十八页，2022年，8月28日常用分集技术空间分集：用2个以上天线收同一个信号；极化分集和角度分集频率分集：用2个以上的载波频率传输；时间分集：在不同时间接收同一个信号；。GuilinUniversityofElectronicsTechnology92023/3/14第九页，共五十八页，2022年，8月28日空间位置分集多天线阵元分集：多天线发射分集；多天线接收分集；条件：d>>dc，dc为空间相关距离。GuilinUniversityofElectronicsTechnology102023/3/14第十页，共五十八页，2022年，8月28日极化分集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。优点：结构紧凑，节省空间。GuilinUniversityofElectronicsTechnology112023/3/14第十一页，共五十八页，2022年，8月28日角度扩展---空间角度分集GuilinUniversityofElectronicsTechnology122023/3/14第十二页，共五十八页，2022年，8月28日频率分集技术——占用更多的频谱资源两个频率成分具有相互独立的衰落特性。条件：f2-f1>>BcGuilinUniversityofElectronicsTechnology132023/3/14第十三页，共五十八页，2022年，8月28日时间分集——占用更多的时间资源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。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。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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology142023/3/14第十四页，共五十八页，2022年，8月28日时间分集的条件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：GuilinUniversityofElectronicsTechnology152023/3/14第十五页，共五十八页，2022年，8月28日时间分集的实现针对多径的每一径时延不同，进行多径分离合并——RAKE接收机。重发时间大于信道的相关时间——ARQ。用信道相关时间设计交织编码深度。GuilinUniversityofElectronicsTechnology162023/3/14第十六页，共五十八页，2022年，8月28日分集合并问题：接收端如何利用收到M(M≥2)个信号，以减小衰落的影响。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。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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology172023/3/14第十七页，共五十八页，2022年，8月28日分集合并技术分类：选择不同的加权系数，可构成不同的合并方式。选择合并（SelectiveCombining）：选择具有最大SNR的分枝；等增益合并（Equal-GainCombining）：所有分枝等权重相干合并；最大比合并（maximalRatioCombining）：所有分枝依其SNR进行加权相干合并。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GuilinUniversityofElectronicsTechnology182023/3/14第十八页，共五十八页，2022年，8月28日选择式合并检测所有支路信号，选择其中信噪比最高的支路信号作为合并器的输出。加权系数只有一项为1，其余均为0GuilinUniversityofElectronicsTechnology192023/3/14第十九页，共五十八页，2022年，8月28日选择式分集合并示意图2023/3/14GuilinUniversityofElectronicsTechnology20第二十页，共五十八页，2022年，8月28日选择式合并的评估选择式合并又称开关式相加。优点：方法简单，实现容易。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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology212023/3/14第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日等增益合并(EGC)若在最大比值合并中,取,当即为等增益合并。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。等增益合并器输出的信号包络GuilinUniversityofElectronicsTechnology222023/3/14第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日最大比值合并(MRC)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。GuilinUniversityofElectronicsTechnology232023/3/14第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日最大比值合并(MRC)最大比值合并是一种最佳合并方式。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，即最大比值合并器输出的信号包络为GuilinUniversityofElectronicsTechnology242023/3/14第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日分集合并性能的分析与比较指标选择：合并前、后信噪比的改善程度模拟通信信噪比决定话音质量；数字通信系统信噪比(或载噪比)决定误码率衡量指标：载噪比的累积概率分布，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接收机的平均信噪比改善的分贝数。2023/3/1425GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日合并性能分析与比较的前提假设它们都满足下列三个条件：每一支路的噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均值为零，具有恒定均方根值；信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频率；各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。GuilinUniversityofElectronicsTechnology262023/3/14第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日选择式合并的性能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2023/3/1427GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日通常，信噪比必须达到某一门限值γt，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。若第k个支路中γk＜γt的概率为Pk(γk＜γt)，则在M个支路情况下中断概率以PM(γS＜γt)表示时，可得2023/3/1428GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日由选择式合并的信噪比可知，γk≤γt，即r2k/2Nk≤γt，或因此设rk的起伏服从瑞利分布，即可得2023/3/1429GuilinUniversityofElectronicsTechnology第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日则如果各支路的信号具有相同的方差，即各支路的噪声功率也相同，即

N1=N2=…=N令平均信噪比为，则由此可得M重选择式分集的可通率为2023/3/1430GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十页，共五十八页，2022年，8月28日选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线2023/3/1431GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日选择式合并的改善因子在选择式合并方式中，由信噪比γS的概率密度P(γS)可求得平均信噪比为GuilinUniversityofElectronicsTechnology322023/3/14第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日选择式合并平均信噪比的改善因子由上式可见，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2023/3/1433GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日等增益合并的性能各支路加权系数ak(k=1,2,…,M)都等于1，等增益合并器输出的信号包络rE若各支路的噪声功率均等于N，则2023/3/1434GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日等增益合并分集系统载噪比的

累积概率分布曲线2023/3/1435GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日等增益合并的改善因子等增益合并时，合并后的平均信噪比为因为已假定各支路信号不相关，即有2023/3/1436GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日最后得出等增益合并的信噪比改善因子为显然当M(分集重数)较大时，趋于常数，信噪比的改善程度趋缓。2023/3/1437GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日最大比值合并的性能最大比值合并器输出的信号包络如下：2023/3/1438GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日由于各支路信噪比为：即代入（1）式，根据许瓦尔兹不等式2023/3/1439GuilinUniversityofElectronicsTechnology第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日则有利用上述关系式，代入（2）式可见，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2023/3/1440GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十页，共五十八页，2022年，8月28日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。最大比值合并信噪比γR的概率密度函数：累积概率分布：2023/3/1441GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日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。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。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(10dB增益)。2023/3/1442GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日最大比值合并输出载噪比的累积概率分布曲线

2023/3/1443GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日最大比值合并的改善因子因为，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，因此最大比值合并的信噪比改善因子为2023/3/1444GuilinUniversityofElectronicsTechnology第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日例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。解:选择式合并或最大比率合并或2023/3/14GuilinUniversityofElectronicsTechnology45第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日等增益合并或2023/3/14GuilinUniversityofElectronicsTechnology46图4-8给出了三种合并方式的[AKD-](M)与M的关系曲线。第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日三种合并方式的D(M)与M关系GuilinUniversityofElectronicsTechnology472023/3/14第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日NFSK二重分集系统平均误码率加性高斯噪声情况下，NFSK误码率公式γ为信噪比(或载噪比)瑞利衰落信道下，需用平均误码率表征，

记作Pe，即P(γ)为载噪比γ的概率密度函数GuilinUniversityofElectronicsTechnology482023/3/14第四十八页，共五十八页，2022年，8月28日NFSK选择式合并的平均误码率此时，P(γ)即为P(γS),代入γS可知：二重分集时，M=2,此时平均误码率用Pe,2表示，则有GuilinUniversityofElectronicsTechnology492023/3/14第四十九页，共五十八页，2022年，8月28日无分集时(即M=1)的平均误码率Pe,1为如果平均载噪比γ0>>1,则GuilinUniversityofElectronicsTechnology502023/3/14第五十页，共五十八页，2022年，8月28日NFSK最大比值合并的平均误码率采用二重分集时，载噪比γR的概率密度P(γR)为由此可得平均误码率为GuilinUniversityofElectronicsTechnology512023/3/14第五十一页，共五十八页，2022年，8月28日DPSK多重分集系统平均误码率

恒参信道下，DPSK的误码率为瑞利衰落信道下，平均误码率为式中，P(γ)为γ的概率密度函数，GuilinUniversityofElectronicsTechnology522023/3/14第五十二页，共五十八页，2022年，8月28日DPSK选择式合并的平均误码率选择式合并的P(γ)用P(γS)表示，由前面分析已知P(γS)为无分集时(M=1)的平均误码率Pe,1为GuilinUniversityofElectronicsTechnology53