移动通信件.pptx
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1、抗衰落技术4.1 分集接收分集接收 4.2 RAKE接收接收4.3 纠错编码技术纠错编码技术 4.4 均衡技术均衡技术 思考题与习题思考题与习题 第4章 抗衰落技术4.1.1 分集接收原理分集接收原理 1.1.什么是分集接收什么是分集接收所谓分集接收,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。为说明问题,图61 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
2、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。4.1 分集接收分集接收第4章 抗衰落技术图4-1选择式分集合并示意图第4章 抗衰落技术分集有两重含义: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。第4章 抗衰落技术2.分集方式分集方式在移动通信系统中可能用到两类分集方式:一类称为“宏分集”;另一类称为“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。这是
3、一种减小慢衰落影响的分集技术,其作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)。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(基站天线的架设可以防止这种情况发生),这种办法就能保持通信不会中断。第4章 抗衰落技术“微分集”是一种减小快衰落影响的分集技术,在各种无线通信系统中都经常使用。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。据此,微分集又可分为下列六种。第4章 抗衰落技术(1)空间分集。空间
4、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(4-1)郊区d=0.8(4-2)第4章 抗衰落技术(2)频率分集。由于频率间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,即式 中,为 延 时 扩 展。例 如,市 区 中=3s,Bc约 为53kHz,这样频率分集需要用两部以上的发射机(频率
5、相隔53 kHz以上)同时发送同一信号,并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅使设备复杂,而且在频谱利用方面也很不经济。第4章 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。第4章 抗衰落技术(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。例如,一个散射体反射E波和H波的驻波图形相位差90,即当E波为最大时,H波为最小。在移动信道中,多个E波和H波叠加,结果表明EZ、HX和HY的分量是互不相关的,因此,通过接收三个场分量,也可以获得分集
6、的效果。场分量分集不要求天线间有实体上的间隔,因此适用于较低工作频段(例如低于100 MHz)。当工作频率较高时(800900MHz),空间分集在结构上容易实现。场分量分集和空间分集的优点是这两种方式不像极化分集那样要损失3 dB的辐射功率。第4章 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4章 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
7、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。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外,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。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4章 抗衰落技术式中,fm为衰落频率,v为车速,为工作波长。例如,移动体速度v=30km/h和工作频率为450MHz,可算得T40ms。若移动台处于静止状态,即v=0,由式(6-3)可知,要求T为无穷大,
8、表明此时时间分集的得益将丧失。换句话说,时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落。第4章 抗衰落技术(4-4)式中,ak为第k个信号的加权系数。3.合并方式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)为第4章 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
9、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4章 抗衰落技术图4-2二重分集选择式合并第4章 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4章 抗衰落技术图4-3最大比值合并方式第4章 抗衰落技术图4-4等增益合并第4章 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
10、。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式中,下标E表征等增益合并。(4-7)第4章 抗衰落技术4.1.2 分集合并性能的分析与比较分集合并性能的分析与比较众所周知,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:(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
11、此独立。第4章 抗衰落技术(4-8)1.选择式合并的性能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支路的信噪比为第4章 抗衰落技术(4-9)通常,一支路的信噪比必须达到某一门限值t,才能保证接收机输出的话音质量(或者误码率)达到要求。如果此信噪比因为衰落而低于这一门限,则认为这个支路的信号必须舍弃不用。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
12、第4章 抗衰落技术因此(4-10)(4-11)设rk的起伏服从瑞利分布,即(4-12)可得由式(4-8)可见,kt,即r2k/2Nkt,或第4章 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4章 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)由于(1-e-t/0)的值小于1,因而在t/0一定时,分集重数M增大,可通率T随之增大。第4章 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4章 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
13、)第4章 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4章 抗衰落技术根据许瓦尔兹不等式则有(4-19)第4章 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4章 抗衰落技术综上所述,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
14、布为第4章 抗衰落技术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(10dB增益)。第4章 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4章 抗衰落技术 3.等增益合并的性能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
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