信息与通信抗衰落技术.pptx

第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 抗衰落技术分集接收：补偿衰落信道损耗：衰弱深度及持续时间均衡技术：多径引起的码间干扰信道编码：加入冗余数据位来改善链路的性能。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1 分集接收 4.1.1 4.1.1 分集接收原理分集接收原理1.什么是分集接收 所谓分分集集接接收收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。分集：2个或多个天线来实现，BS、MS均可用第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-1 选择式分集合并示意图 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 分集有两重含义：一一是是分分散散传传输输，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；二二是是集集中中处处理理，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。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 2.分集方式分集方式“宏分集”；“微分集”“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。减小慢衰落影响的分集技术，作作法法：是把多个基站设置在不同的地理位置上(如蜂窝小区的对角上)和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信(可以选用其中信号最好的一个基站进行通信)。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 “微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术，微分集又可分为下列六种。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (1)空间分集。空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中，通常取：市区 d=0.5 郊区 d=0.8 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (2)频率分集。由于频频率率间间隔隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。根据相关带宽的定义，即第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (3)极化分集。由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。(4)场分量分集。由电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (5)角度分集。角度分集的作法是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量；由于这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (6)时间分集。快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 由于它的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：(4-3)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 3.合并方式 接收端收到M(M2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。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。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的有以下三种方式：(1)选择式合并。选择式合并是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-2 二重分集选择式合并 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-2 为二重分集选择式合并的示意图。两个支路的中频信号分别经过解调，然后作信噪比比较，选择其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。选择式合并又称开关式相加。优：这种方式方法简单，实现容易。缺：第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (2)最大比值合并。最大比值合并是一种最佳合并方式，其方框图如图 4-3 所示。为了书写简便，每一支路信号包络rk(t)用rk表示。每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即(4-5)由此可得最大比值合并器输出的信号包络为 (4-6)式中，下标R表征最大比值合并方式。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-3 最大比值合并方式 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-4 等增益合并 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (3)等增益合并。等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，其方框图如图 4-4所示。等增益合并方式实现比较简单，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为(4-7)式中，下标E表征等增益合并。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1.2 分集合并性能的分析与比较 在通信系统中信噪比是一项很重要的性能指标。在模拟通信系统中，信噪比决定了话音质量；在数字通信系统中，信噪比(或载噪比)决定了误码率。分集合并的性能系指合并前、后信噪比的改善程度。为便于比较三种合并方式，假设它们都满足下列三个条件：第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (1)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；(2)信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频(3)各支路信号的衰落互不相关，彼此独立。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 1.选择式合并的性能前面已经提到，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(4-8)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 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(4-9)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 由式(4-8)可见，kt，即r2k/2Nkt，或 因此(4-10)(4-11)设rk的起伏服从瑞利分布，即(4-12)可得 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 则(4-13)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 (4-14)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 并令平均信噪比为 ，则 (4-15)由此可得M重选择式分集的可通率为 (4-16)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图4-5 选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 2.最大比值合并的性能 最大比值合并器输出的信号包络如式(4-6)所示，即(4-17)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 由于各支路信噪比为 即代入式(4-17),可得(4-18)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 根据许瓦尔兹不等式 则有(4-19)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 利用上述关系式，代入式(4-18)得(4-20)由上式可知，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(4-21)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 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而变化，信噪比大的支路加权系数就大，信噪比小的支路加权系数就小。最大比值合并的信噪比R的概率密度函数为(4-22)(4-23)可求得累积概率分布为 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 画出的最大比值合并分集系统的累积概率分布曲线如图 4-6 所示。不难得知，在同样条件下，与图 4-5 所示的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(10 dB增益)。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-6 最大比值合并分集系统输出载噪比的累积概率分布曲线 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 3.等增益合并的性能等增益合并意为各支路的加权系数ak(k=1,2,M)都等于1，因此等增益合并器输出的信号包络rE如式(4-7)所示，即若各支路的噪声功率均等于N，则(4-24)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-7 等增益合并分集系统载噪比累积概率分布曲线第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.平均信噪比的改善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。(1)选择式合并的改善因子 。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(4-25)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 式中，P(S)可由式(4-15)求得，即 (4-26)将上式代入式(4-25)，得选择式合并器输出的平均信噪比为(4-27)因而平均信噪比的改善因子为(4-28)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 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，即式(4-28)可写成(dB)(4-29)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (2)最大比值合并的改善因子 。由式(4-20)可知(4-30)即得最大比值合并的信噪比改善因子为(4-31)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 由上式可知，最大比值合并的信噪比改善因子随分集重数的增大而成正比地增大。以dB计时可写成(4-32)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (3)等增益合并的改善因子 。等增益合并时，由式(4-24)可知(4-33)因为已假定各支路信号不相关，即有 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 最后得出等增益合并的信噪比改善因子为(4-35)(4-36)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 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 由式(4-28)可知或 由式(4-31)可知 或 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 由式(4-35)可知或 图 4-8 给出了三种合并方式的D(M)与M的关系曲线。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-8 三种合并方式的D(M)与M关系曲线 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.1.3 数字化移动通信系统的分集性能1.NFSK二重分集系统平均误码率 在通信原理教材上已讨论过，在加性高斯噪声情况下，NFSK的误码率公式为(4-37)式中，为信噪比(或载噪比)。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 在瑞利衰落信道中，需用平均误码率表征，记作Pe，即(4-38)式中，P()为载噪比的概率密度函数。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 在选择式合并方式中，P()即为P(S),由式(4-26)可知：二重分集时，M=2,此时平均误码率用Pe,2表示，则有(4-39)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 无分集时(即M=1)的平均误码率Pe,1为(4-40)如果平均载噪比01,则由上述两式可得(4-41)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 同理，可以求得最大比值合并方式的平均误码率。当采用二重分集时，载噪比R的概率密度P(R)为(4-42)由此可得平均误码率为(4-43)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 2.DPSK多重分集系统平均误码率 已知在恒参信道下，DPSK的误码率为 (4-44)而在瑞利衰落信道下，平均误码率为(4-45)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 式中，P()为的概率密度函数，选择式合并的P()用P(S)表示，由前面分析已知P(S)为由此可得出，无分集时(M=1)的平均误码率Pe,1为 (4-46)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 同理，可求得二重分集(M=2)时的平均误码率Pe,2为(4-47)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 当平均载噪比01时，则(4-48)(4-49)(4-50)当M=3时，有 当M=4时，有 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 3.三种合并方式的误码率比较表 4-1 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。由表可见，误码率的改善以最大比值合并为最好，选择式合并最差。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 表 4-1 三种合并方式平均误码率的比较第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 4.2 RAKE接收 所谓RAKE接收机，就是利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 图 4-9 简化的RAKE接收机组成 第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 假设发端从Tx发出的信号经N条路径到达接收天线Rx。路径 1 距离最短，传输时延也最小，依次是第二条路径，第三条路径，时延时间最长的是第N条路径。通过电路测定各条路径的相对时延差，以第一条路径为基准时，第二条路径相对于第一条路径的相对时延差为2，第三条路径相对于第一条路径的相对时延差为3，第N条路径相对于第一条路径的相对时延差为N，且有NN-132(1=0)。第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 在图4-9中，由于各条路径加权系数为 1，因此为等增益合并方式。在实际系统中还可以采用最大比合并或最佳样点合并方式，利用多个并行相关器，获得各多径信号能量，即RAKE接收机利用多径信号，提高了通信质量。