3.4 分集接收解析

3.4分集接收学习目标了解分集技术的分类了解几种常用的显分集技术了解几种常用的隐分集技术掌握分集合并技术3.4分集接收3.4.1分集技术的分类3.4.2几种常用的显分集技术3.4.3几种常用的隐分集技术3.4.4分集合并技术分集接收技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性，其本质就是采用两种或两种以上的不同方法接收同一信号以克服衰落，其作用是在不增加发射机功率或信道带宽的情况下充分利用传输中的多径信号能量，以提高系统的接收性能。为说明问题，图6－1给出了一种利用“选择式”合并法进行分集的示意图。图中，A与B代表两个同一来源的独立衰落信号。如果在任意时刻，接收机选用其中幅度大的一个信号，则可得到合成信号如图中C所示。由于在任一瞬间，两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率是极小的，因此合成信号C的衰落程度会明显减小。不过，这里所说的“非相关”条件是必不可少的，倘若两个衰落信号同步起伏，那么这种分集方法就不会有任何效果。图4-1选择式分集合并示意图基本思路是：将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号，即选取了一个信号的两个或多个独立的采样，这些样本的衰落是互不相关的，这意味着所有样本同时低于一个给定电平的概率比任何一个样本低于该值的概率要小得多；然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大。对数字系统而言，使接收端的误码率最小，对模拟系统而言，提高接收端的信噪比。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。3.4.1分集技术的分类从信号传输的方式来看，分集技术分为显分集和隐分集两大类。其中显分集指利用多副天线接收信号的分集，构成明显的分集信号的传输方式；隐分集只需一副天线来接收信号的分集，分集隐含在传输信号之中，在接收端利用信号处理技术来实现分集接收。分集技术空间分集频率分集显分集隐分集时间分集极化分集路径分集场分量分集角度分集宏分集微分集交织编码技术跳频技术直接扩频技术分类图如下所示：3.4.2几种常用的显分集技术在显分集技术中又分为宏分集与微分集两种形式。宏分集（也称为“多基站”分集）以减少由于阴影效应而引起的大范围慢衰落为目的，它的作法是把多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上，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）。显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，用这种方法就能保证通信不会中断。分集数N越大，分集效果就越好，即分集增益正比于分集的数量Ｎ，且分集增益的增加随着Ｎ的增加而逐步减小。工程上要在性能或复杂性间作一折衷，一般取Ｎ＝２～４微分集是以抗快衰落为目的，同一天线场地使用两个或多个天线的分集方式。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，因此可采用空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、角度分集和多径分集等多种分集技术。1.空间分集空间分集在发送端采用一副天线发射，而在接收端采用多副间隔距离d≥λ/2的天线接收，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的。经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。2.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，即同一信号以大于相干时间的时间间隔重复传输M次，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，即得到M条独立的分集支路。3.频率分集频率分集就是将信息分别在不同的载频上发射出去，要求载频间的频率间隔要大于信道相关带宽，以保证各频率分集信号在频域上的独立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信号.在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多的频谱资源，在发送端需要多部发射机。4.角度分集当工作频率高于10GHz时，从发射机到接收机的散射信号产生从不同方向来的互不相关的信号。这样接收端利用方向性天线，在同一位置设置指向不同方向的两个或更多的有向天线，向合成器提供信号，已达到克服衰落的目的。5.极化分集极化分集实际上是空间分集的特殊情况，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出信号呈现出互不相关的衰落特性。利用这一特点，在发送端同一地点装上垂直极化和水平极化两幅发射天线，在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两幅接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。这种方法的优点是结构紧凑、节省空间，缺点是由于发射功率要分配到两幅天线上，将有3dB的信号功率损失。6.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，例如，一个散射体反射E波和H波的驻波图形相位相差90º，即当E波为最大时，H波最小。因此利用场分量的这个特点也可以实现分集。7.多径分集移动台接收到的信号是一个多径衰落信号。通常这一多径衰落信号的时延差很小且是随机的，对于窄带系统(如模拟TACS、数字GSM系统），在同一地点，到达的各路信号是相关的，无法分离。只有特定设计的扩频信号才可以进行分离，分离的手段是相关接收。因此多径分集也称为码分集它要求直扩系统饿时间（T）与带宽（W）的积远大于1，即TW≥1，使用RAKE接收技术，利用伪随机码的相关性，对各路信号分别进行相关接收，提出不同时延的相关峰，然后进行适当的合并，再进行信息解调。从而既克服了多径效应的问题，又等效增加了接收功率（或发射功率）。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，即利用多径现象来增强信号。现以三条路径为例简述RAKE接收机的工作原理，如下图3-23所示。图3-32移动台接收机方框图IF带通IF放大和带通A/D转换器相关器2搜寻相关器相关器3相关器1反交织维特比译码声码器控制微处理器RF输出869～894MHz合并器话音输出第一振荡器第二振荡器基本原理如下：移动台RAKE接收部分主要由相关器1~3、搜寻相关器和合并器等组成。伪随机码调制过的信号由发端发射，经多条不同的路径延时和损耗后与噪声一起进入接收机，经过变频、中频放大和A／D变换后，进入RAKE接收部分。该部分的搜寻相关器从到达的各路信号中找出三路最强的信号，并给出这三路信号中伪随机码的参考相位，使本地码的三个发生器的输出码相位分别与这三路信号中的伪随机码同步，经过各自解扩，相关解调输出同一信息的数据，经相应的合并后进行译码。由于每一个相关器都等效一个接收机，三个相关器等效三个接收机，其输出经合并后的信号的信噪比得到了很大的改善（一般平均有3dB的增益）。另外，搜寻相关器总是搜索和估计各路中最强的三个信号供其他三个相关器进行相关解调，从而系统可以处于最佳的接收状态。3.4.3几种常用的隐分集技术1、交织编码技术交织编码的目的是把一个较长的连续突发差错离散成随机的非连续差错，再用纠正随机差错的编码技术消除随机差错。交织深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力就越强，但处理时间也越长，从而造成数据传输时延增大，也就是说，交织编码是以时间为代价的。因此交织编码属于时间隐分集。交织编码技术举例如下：假设原始为11101101100101010110D101011，共计28位，按4╳7矩阵排列，依次按行写入发送矩阵。如图3-24（a）所示。图3-24交织原理示意图假设由于某种干扰出现突发错误，即使7个码元中连续错两个或两个以上时，接收端如果不采用交织编码技术就不能正确恢复，出现码字错误。为了提高纠错能力，在发端改变一下传输顺序，即将图3-24（a）中的数据用“横写竖读”法写入块交织器，这时交织器的输出就是按图3-24（b）中的左面第一列1010，然后第二列ll01…。这样，当所传输的码序列连续错4个码元时，对应的每个码字只错一个，已将连续错码分散开来，通过分组码纠错技术、可以纠正少量的差错，从而纠正了突发性的连续差错。交织阵列的行、列数越多，抗干扰能力越强。但是，只有在接收端收到最后一个数据，才能进行纠检错处理，从而造成数据传输时延增大。所以在设计交织编码阵列时，应该统筹考虑。上面只是作了原理性说明，但有了这样的概念或基础，就可理解GSM和CDMA等系统中的各种交织编码技术。2、跳频技术瑞利衰落与信号频率有关，不同频率的信号遭受的衰落不同。当两个频率相距足够远时，可认为它们的衰落是不相关的。通过跳频，信号的所有突发脉冲不会被瑞利衰落以同一方式破坏，从而提高系统的抗干扰能力。可见，调频相当于频率分集。调频有慢跳频（SFH）和快调频（FFH）两种。慢跳频的调频速率低于信息比特率，即连续几个信息比特调频一次。GSM系统中，传输频率在一个完整的突发脉冲传输期间保持不变，属于慢跳频。快调频的跳频速率高于或等于信息比特率，即每个信息比特跳频一次以上。跳频的实现方式有两种，一是基带跳频，它将话音信号随着时间的变换使用不同频率的发射机发射，基带跳频适合于发射机数量较多的高话务量小区。二是射频跳频，又称合成器跳频，它是话音信号使用固定的发射机，在一定跳频序列的控制下，频率合成器合成不同的频率来进行发射。射频跳频比基带跳频有更高的性能改善和抗同频干扰能力，但它只有当每个小区有4个以上频率时效果比较明显，且所需用的合成器会引入一定的衰落，减小覆盖范围。GSM系统的跳频是在时—频域内的时隙和频隙上同时进行的，即以一定的时间间隔不断地在不同的频隙上跳变。为了保证在小区内的跳频信道之间不发生干扰，采用正交跳频组网方式，即小区内的跳频图案是相互正交的，从而不会使不同频率用户的通信在同一个时-频隙内发生碰撞。由于使用了跳频技术，从而提高了系统频谱利用率。3.4.4分集合并技术在分集接收中，在接收端从不同的N个独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。如果从合并所处的位置来看：合并可以在检测器以前，即中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要可以分为三种：最大比值合并、等增益合并和选择式合并。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3-10）式中，ak为第k个信号的加权系数。1、最大比值合并最大比合并是在接收端有N个分集支路，经过相位调整后，按适当的增益系统，同相相加，再送入检测器进行检测。利用切比雪夫不等式，设N为每支路噪声功率，可以证明当可变加权系数为时，分集合并后的信噪比达到最大值最大比合并的平均输出信噪比、最大比合并增益分别如（式3-11）、（式3-12）所示。（式3-11）（式3-12）可见信噪比越大，最大比合并对合并后的信号贡献越大；另外平均输出信噪比随M（分集支路数目）的增加而增加。2、等增益合并等增益合并是各支路的信号等增益相加，即式(3-10)中加权系数ak=1，k=1，2，……，M。等增益合并后平均输出信噪比、等增益合并增益分别如（式3-13）、（式3-14）所示。（式3-13）（式3-14）3、选择式合并选择式合并是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作为合并器的输出。由式(3-10)可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为l，其余均为0。选择式合并又称为开关式相加。这种方式方法简单，实现容易。（式3-15）（式3-16）可见，每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。选择式合并的平均输出信噪比、选择式合并增益分别如（式3-15）、（式3-16）所示。图3-25三种分集合并性能比较图3-25给出三种合并方式平均信噪比的改善程度。4.2RAKE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。需要特别指出的是，一般的分集技术把多径信号作