CDMA分集接收技術(shù)

幸福的落葉@ing 2010-11-01

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分集技術(shù)用來減小衰落的影響,，在不增加發(fā)射機功率或信道帶寬的情況下提高系統(tǒng)的可靠性,。分集接收的基本思想，如果對同一信號做兩個或多個采樣,，這些樣本的衰落是互不相關(guān)的,。這意味著所有樣本同時低于一個給定電平的概率比任何一個樣本低于該值的概率要小得多,。如果其中單個樣本低于給定值的概率是，則個樣本同時低于該值的概率是 ,，因此,，在接收端將不同樣本適當(dāng)合并而成的信號比任何一個單個樣本的衰落要小得多，從而改善了傳輸?shù)目煽啃运ヂ湫?yīng)是影響無線通信質(zhì)量的主要因素之一,。其中的快衰落深度可達30~40dB,，如果想利用加大發(fā)射功率、增加天線尺寸和高度等方法來克服這種深衰落是不現(xiàn)實的,，而且會造成對其它電臺的干擾,。而采用分集方法即在若干個支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號,，然后通過合并技術(shù)再將各個支路信號合并輸出，那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率,。相應(yīng)的還需要采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響,，以獲得分集增益，提高接收靈敏度,，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括移動通信,，短波通信等隨參信道中。在第二和第三代移動通信系統(tǒng)中,，這些分集接收技術(shù)都已得到了廣泛應(yīng)用

分集技術(shù)-研究意義

分集原理示意圖
在實際的移動通信系統(tǒng)中,，移動臺常常工作在城市建筑群或其他復(fù)雜的地理環(huán)境中，而且移動的速度和方向是任意的,。發(fā)送的信號經(jīng)過反射、散射等的傳播路徑后,，到達接收端的信號往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加,，使接收到的信號幅度出現(xiàn)隨機起伏變化，形成多徑衰落,。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延,、相位和振幅，并附加有信道噪聲,，它們的疊加會使復(fù)合信號相互抵消或增強,，導(dǎo)致嚴重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率并增加干擾的影響,，使得接收機的接收信號產(chǎn)生失真,、波形展寬、波形重疊和畸變,，甚至造成通信系統(tǒng)解調(diào)器輸出出現(xiàn)大量差錯,，以至完全不能通信。此外,，如果發(fā)射機或接收機處于移動狀態(tài),，或者信道環(huán)境發(fā)生變化，會引起信道特性隨時間隨機變化,，接收到的信號由于多普勒效應(yīng)會產(chǎn)生更為嚴重的失真,。在實際的移動通信中，除了多徑衰落外還有陰影衰落,。當(dāng)信號受到高大建筑物（例如移動臺移動到背離基站的大樓面前）或地形起伏等的阻擋,，接收到的信號幅度將降低。另外,，氣象條件等的變化也都影響信號的傳播,，使接收到的信號幅度和相位發(fā)生變化,。這些都是移動信道獨有的特性，它給移動通信帶來了不利的影響,。
為了提高移動通信系統(tǒng)的性能,，可以采用分集，均衡和信道編碼這3種技術(shù)來改進接收信號質(zhì)量,，它們既可以單獨使用,，也可以組合使用。

分集技術(shù)-基本原理

根據(jù)信號論原理,，若有其他衰減程度的原發(fā)送信號副本提供給接收機,，則有助于接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判決率的方法被稱為分集,。分集技術(shù)是用來補償衰落信道損耗的,，它通常利用無線傳播環(huán)境中同一信號的獨立樣本之間不相關(guān)的特點，使用一定的信號合并技術(shù)改善接收信號,，來抵抗衰落引起的不良影響,。空間分集手段可以克服空間選擇性衰落,，但是分集接收機之間的距離要滿足大于3倍波長的基本條件,。
分集的基本原理是通過多個信道（時間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個副本,，由于多個信道的傳輸特性不同,，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號,。如果不采用分集技術(shù),，在噪聲受限的條件下，發(fā)射機必須要發(fā)送較高的功率,，才能保證信道情況較差時鏈路正常連接,。在移動無線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限,，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限,，而采用分集方法可以降低發(fā)射功率，這在移動通信中非常重要,。
分集技術(shù)包括2個方面：一是分散傳輸,使接收機能夠獲得多個統(tǒng)計獨立的,、攜帶同一信息的衰落信號;二是集中處理,即把接收機收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并以降低衰落的影響。因此,，要獲得分集效果最重要的條件是各個信號之間應(yīng)該是“不相關(guān)”的,。

分集技術(shù)-技術(shù)分類

總結(jié)起來,發(fā)射分集技術(shù)的實質(zhì)可以認為是涉及到空間、時間,、頻率,、相位和編碼多種資源相互組合的一種多天線
技術(shù),。根據(jù)所涉及資源的不同,可分為如下幾個大類：
1.空間分集
我們知道在移動通信中，空間略有變動就可能出現(xiàn)較大的場強變化,。當(dāng)使用兩個接收信道時,，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時刻經(jīng)受深衰落谷點影響的可能性也很小,，因此這一設(shè)想引出了利用兩副接收天線的方案,，獨立地接收同一信號，再合并輸出,，衰落的程度能被大大地減小,，這就是空間分集。
空間分集是利用場強隨空間的隨機變化實現(xiàn)的,，空間距離越大,，多徑傳播的差異就越大，所接收場強的相關(guān)性就越小,。這里所提相關(guān)性是個統(tǒng)計術(shù)語,，表明信號間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離,。經(jīng)過測試和統(tǒng)計，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果,，移動單元兩天線間距大于0.6個波長,，即d>0.61,，并且最好選在l/4的奇數(shù)倍附近,。若減小天線間距，即使小到1/4,，也能起到相當(dāng)好的分集效果,。
空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個系統(tǒng),。其中空間分集接收是在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線，同時接收一個發(fā)射天線的微波信號,，然后合成或選擇其中一個強信號,，這種方式稱為空間分集接收。接收端天線之間的距離應(yīng)大于波長的一半,，以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的,，也就是說，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號很低時,，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象,，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路,，得到一個總的接收天線輸出信號,。這樣就降低了信道衰落的影響,，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?br>空間分集接收的優(yōu)點是分集增益高，缺點是還需另外單獨的接收天線,。
2.頻率分集
頻率分集是采用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時發(fā)送和接收同一信息,，然后進行合成或選擇，利用位于不同頻段的信號經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計上的不相關(guān)特性,，即不同頻段衰落統(tǒng)計特性上的差異,，來實現(xiàn)抗頻率選擇性衰落的功能。實現(xiàn)時可以將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在頻率不相關(guān)的載波上發(fā)射,，所謂頻率不相關(guān)的載波是指當(dāng)不同的載波之間的間隔大于頻率相干區(qū)間,，即載波頻率的間隔應(yīng)滿足:

分集技術(shù)
式中：
△f為載波頻率間隔，Bc為相關(guān)帶寬,，△Tm為最大多徑時延差,。
當(dāng)采用兩個微波頻率時，稱為二重頻率分集,。同空間分集系統(tǒng)一樣,，在頻率分集系統(tǒng)中要求兩個分集接收信號相關(guān)性較小(即頻率相關(guān)性較小)，只有這樣,，才不會使兩個微波頻率在給定的路由上同時發(fā)生深衰落,，并獲得較好的頻率分集改善效果。在一定的范圍內(nèi)兩個微波頻率f1與f2相差,，即頻率間隔△ f=f2-f1越大,，兩個不同頻率信號之間衰落的相關(guān)性越小。
頻率分集與空間分集相比較,，其優(yōu)點是在接收端可以減少接受天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量,，缺點是要占用更多的頻帶資源，所以,，一般又稱它為帶內(nèi)(頻帶內(nèi))分集,，并且在發(fā)送端可能需要采用多個發(fā)射機。
3.時間分集
時間分集是將同一信號在不同時間區(qū)間多次重發(fā),，只要各次發(fā)送時間間隔足夠大,，則各次發(fā)送降格出現(xiàn)的衰落將是相互獨立統(tǒng)計的。時間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計上互不相關(guān)的特點,，即時間上衰落統(tǒng)計特性上的差異來實現(xiàn)抗時間選擇性衰落的功能,。為了保證重復(fù)發(fā)送的數(shù)字信號具有獨立的衰落特性，重復(fù)發(fā)送的時間間隔應(yīng)該滿足：

分集技術(shù)
fm為衰落頻率,，V為移動臺運動速度,，最后一個參數(shù)為工作波長。
若移動臺是靜止的,，則移動速度v=0,，此時要求重復(fù)發(fā)送的時間間隔才為無窮大,。這表明時間分集對于靜止?fàn)顟B(tài)的移動臺是無效果的。時間分集與空間分集相比較,，優(yōu)點是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目,，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率,。
4.極化分集
在移動環(huán)境下,兩副在同一地點,極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān)的衰落特性,。利用這一特點,在收發(fā)端分別裝上垂直極化天線和水平極化天線,就可以得到2 路衰落特性不相關(guān)的信號。所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個物理實體中,，通過極化分集接收來達到空間分集接收的效果,，所以極化分集實際上是空間分集的特殊情況,其分集支路只有2 路。
這種方法的優(yōu)點是它只需一根天線,，結(jié)構(gòu)緊湊,，節(jié)省空間，缺點是它的分集接收效果低于空間分集接收天線,，并且由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上,，將會造成3dB的信號功率損失。分集增益依賴于天線間不相關(guān)特性的好壞,，通過在水平或垂直方向上天線位置間的分離來實現(xiàn)空間分集,。
而且若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求,。對于極化分集的雙極化天線來說,，天線中兩個交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號場強,。兩個交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個120“扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性,，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果,。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率,。雙極化天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性,，即兩個分集接收天線端口信號的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果,。為了在雙極化天線的兩個分集接收端口獲得較好的信號不相關(guān)特性,，兩個端口之間的隔離度通常要求達到30dB以上。

分集技術(shù)-接收合并技術(shù)

分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量,，以改善傳輸?shù)目煽啃?，它也是一項研究利用信號的基本參量?a class=innerlink title=時域 jQuery1275279650531="46">時域、頻域與空域中,，如何分散開又如何收集起來的技術(shù),。“分”與“集”是一對矛盾,，在接收端取得若干條相互獨立的支路信號以后，可以通過合并技術(shù)來得到分集增益,。從合并所處的位置來看,，合并可以在檢測器以前，即在中頻和射頻上進行合并,，且多半是在中頻上合并,；合并也可以在檢測器以后，即在基帶上進行合并,。合并時采用的準則與方式主要分為四種：最大比值合并（MRC:Maximal Ratio Combining）,、等增益合并(EGC:Equal Gain Combining)、選擇式合并(SC:Selection Combining)和切換合并（Switching Combining）,。
1.最大比合并
在接收端由多個分集支路,，經(jīng)過相位調(diào)整后，按照適當(dāng)?shù)?a class=innerlink title=增益系數(shù) jQuery1275279650531="53">增益系數(shù),，同相相加,，再送入檢測器進行檢測。在接受端各個不相關(guān)的分集支路經(jīng)過相位校正,，并按適當(dāng)?shù)目勺冊鲆?a class=innerlink title=加權(quán) jQuery1275279650531="55">加權(quán)再相加后送入檢測器進行相干檢測,。在做的時候可以設(shè)定第i個支路的可變增益加權(quán)系數(shù)為該分集之路的信號幅度與噪聲功率之比。
最大比合并方案在收端只需對接收信號做線性處理,，然后利用最大似然檢測即可還原出發(fā)端的原始信息,。其譯碼過程簡單、易實現(xiàn),。合并增益與分集支路數(shù)N 成正比,。
2.等增益合并

等增益合并原理
等增益合并也稱為相位均衡，僅僅對信道的相位偏移進行校正而幅度不做校正,。等增益合并不是任何意義上的最佳合并方式,，只有假設(shè)每一路信號的信噪比相同的情況下，在信噪比最大化的意義上,，它才是最佳的,。它輸出的結(jié)果是各路信號幅值的疊加。對CDMA系統(tǒng),，它維持了接收信號中各用戶信號間的正交性狀態(tài),，即認可衰落在各個通道間造成的差異，也不影響系統(tǒng)的信噪比,。當(dāng)在某些系統(tǒng)中對接收信號的幅度測量不便時選用EGC,。
當(dāng)N （分集重數(shù)）較大時，等增益合并與最大比值合并后相差不多，約僅差1dB 左右,。等增益合并實現(xiàn)比較簡單,，其設(shè)備也簡單。
3.選擇式合并

選擇式合并系統(tǒng)
采用選擇式合并技術(shù)時,， N 個接收機的輸出信號先送入選擇邏輯,，選擇邏輯再從N 個接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。每增加一條分集支路,，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍,。
4.切換合并

切換合并原理圖
接收機掃描所有的分集支路，并選擇SNR 在特定的預(yù)設(shè)門限之上的特定分支,。在該信號的SNR 降低到所設(shè)的門限值之下之前,，選擇該信號作為輸出信號。當(dāng)SNR 低于設(shè)定的門限時,，接收機開始重新掃描并切換到另一個分支,，該方案也稱為掃描合并。由于切換合并并非連續(xù)選擇最好的瞬間信號,，因此他比選擇合并可能要差一些,。但是，由于切換合并并不需要同時連續(xù)不停的監(jiān)視所有的分集支路,，因此這種方法要簡單得多,。
對選擇合并和切換合并而言，兩者的輸出信號都是只等于所有分集支路中的一個信號,。另外,，它們也不需要知道信道狀態(tài)信息。因此,，這兩種方案既可用于相干調(diào)制也可用于非相干調(diào)制,。

分集技術(shù)-合并方式性能比較

這里比較的主要是最大比合并，等增益合并選擇式合并三種方式,。

三種合并方式性能比較
可以看出,，在這三種合并方式中，最大比值合并的性能最好,，選擇式合并的性能最差,。當(dāng)N較大時,，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益,。

分集技術(shù)-分集改善效果

分集改善效果指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)兩者相比，對減輕深衰落影響所得到的效果(好處),。為了定量的衡量分集的改善程度,，常用標稱改善效果，即用分集增益和分集改善度這兩個指標來描述。
現(xiàn)在用下面的分集效果改善圖加以說明,。圖中的縱坐標及橫坐標的意義已經(jīng)標出,。曲線A表示在深衰落情況下無分集時的相對電平累積分布曲線；曲線B表示采用分集接收的相對電平累積分布曲線,。

分集改善效果

分集增益是指在某一累積時間百分比內(nèi),，分集接收與單一接收時的收信電平差。這一電平差越大,，分集增益越高,，說明分集改善效果越好。例如下圖中,，對應(yīng)50%,、5%、0.1%的累積時間百分比時,，這一電平差分別為3dB,、5.5dB、14dB,。積累時間百分比越小,，分集增益越高。0.1%時間百分比的分集增益為14dB意味著：無分集時由曲線A查出此時的衰深深度比自由空間收信電平低30dB;采用分集技術(shù)后,，由曲線B查出此時的衰落深度僅比自由空間收信電平低16dB,。可見分集接收使衰落深度減輕了14dB,。
分集改善度是指在某一相對的收信電平時,，單一接收與分集接收的衰落累積時間百分比之比。其比值越大,，說明分集改善效果越好,。在上圖中，當(dāng)收信電平低于自由空間收信電平20dB時,，單一接收與分集接收對于同一收信電平,，其衰落的累積時間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100,，亦即分集改善為100,。在數(shù)字微波系統(tǒng)中，不管采用哪一種分集接收方式,，都會使系統(tǒng)的有效衰落儲備增加,，即抗頻率選擇性衰落的能力增強。還能不同程度地改善帶內(nèi)失真,，改善交叉極化鑒別度,。

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