【文章內(nèi)容簡介】 立 (攜帶同一信息 )的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的方法。 分集接收有兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號；二是集中處理，即接收機把收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并以降低衰落的影響。 分集技術(shù)利用多條傳輸相同信息且具有近似相等的平均信號強度和相互獨立衰落特性的信號路徑，并在接收端對這些信號進行適當?shù)暮喜?，以便大大降低多徑衰落的影響，從而改善傳輸?shù)目煽啃浴? 分集接收的方式 分集方式主 要可分為“宏分集”和“微分集”：“宏分集”主要用于蜂窩通信系統(tǒng)中，是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù)，其作法是把多個基站設置在不同的地理位置上，并使其在不同的方向上，這些接站同時和小區(qū)內(nèi)的移動臺進行通信；“微分集”是一種減小快衰落影響的分集技術(shù)，在各種無線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。 “微分集”主要可以分為以下六種： (1)空間分集。空間分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨立性，即在任意兩個不同的位置上接收同一個信號，只要兩個位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號的衰落是不相關的。為此，空間分集的接收機至少需要兩副相隔距離為 d 的天線，間隔距離 d與工作波長、 地物及天線高度有關。 (2)頻率分集。頻率間隔大于相關帶寬的兩個信號所遭受的衰落可以認為是不相關的，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，以實現(xiàn)頻率分集。 (3) 極化分集。由于兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落特性，因而發(fā)送端和接收端可以用兩個位置很近但為不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號，以獲得分集效果。 (4) 場分量分集。由電磁場理論可知，電磁波的 E場和 H場載有相同的消息，而反射機理是不同的。 (5) 角度分集。角度分集的作法是使電波通過幾個不同路徑，并以不同角 度到達接收端，而接收端利用多個方向性尖銳的接收天線能分離出不同方向來的信號分量；由于這些分量具有互相獨立的衰落特性，因而可以實現(xiàn)角度分集并獲得抗衰落的效果。 (6) 時間分集?？焖ヂ涑司哂锌臻g和頻率獨立性之外，還具有時間獨立性， 信息科學與工程學院 2020 屆本科畢業(yè)設計 (論文 ) 8 即同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨立的，接收機將重復收到的同一信號進行合并，就能減小衰落的影響。時間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號。此外，時間分集也有利于克服移動信道中由多普勒效應引起的信號衰落現(xiàn)象。 合并方式 接收端收到 M(M≥ 2)個分集信號后，如何利用這些信號以減小衰落的影響，這就是合并問題。一般均使用線性合并器，把輸入的 M個獨立衰落信號相加后合并輸出。 假設 M個輸入信號電壓為 r1(t)， r2(t), ?， rM(t)，則合并器輸出電壓 r(t)為： 2221 1 11N N Nii i i ii i iAA G A A A??? ? ?? ? ? ?? ? ? (21) 式中， ak 為第 k個信號的加權(quán)系數(shù)。 選擇不同的加權(quán)系數(shù)，就可構(gòu)成不同的合并方式。常用的有以下三種方式： (1)選擇式合并。選擇式合并是指 檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一個支路的信號作為合并器的輸出。由上式可見，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項為 1，其余均為 0。 圖 22 為二重分集選擇式合并的示意圖。兩個支路的中頻信號分別經(jīng)過解調(diào)，然后作信噪比比較，選擇有較高信噪比的支路接到接收機的共用部分。 選擇式合并又稱開關式相加。這種方式方法簡單，實現(xiàn)容易。但由于未被選擇的支路信號棄之不用，因此抗衰落不如后述兩種方式。 (2) 最大比值合并。最大比值合并是一種最佳合并方式，其方框圖如圖 23所示。為了書寫簡便，每一支路 信號包絡 rk(t)用 rk 表示。每一支路的加權(quán)系數(shù) ak 與信號包絡 rk 成正比而與噪聲功率 Nk成反比，即 (22) 由此可得最大比值合并器輸出的信號包絡為 (23) 可見合并增益與分集支路數(shù) N成正比。 (3) 等增益合并。等增益合并無需對信號加權(quán)，各支路的信號是等增益相加的，kkkra N?211MMkk k kkk krr a r N?????? 信息科學與工程學院 2020 屆本科畢業(yè)設計 (論文 ) 9 其方框圖如圖 24 所示。等增益合并方式實現(xiàn)比較簡單，其性能接近于最大比值合并。 等增益合并器輸出的信號包絡為 ： (24) 圖 22 二重分集選擇式合并 RAKE 接收機 RAKE 接收機的定義 RAKE接收技術(shù)是第三代 CDMA移動通信系統(tǒng)中的一項 非常 重要 的 技術(shù)。在 CDMA移動通信系統(tǒng)中， 由于 信號帶寬 比 較寬，存在著 比較 復雜的多徑無線電信號，通信 會 受到多徑衰落的影響。 RAKE 接收技術(shù)實際上是一種多徑分集接收技術(shù)， 可以在時間上分辨出細微的多徑信號，對這些分辨出來的多徑信號分別進行加權(quán)調(diào)整、使之復合成加強的信號。由于該接收機中橫向濾波器具有類似于鋸齒狀的抽頭，就像耙子一樣，故稱該接收機為 RAKE接收機。橫向濾波器如圖 25 所示。 圖 25 實現(xiàn)最佳合并的橫向濾波器 1MEkkrr???接收機 1接收機 2接收機 1接收機 2∑ ??Mk kkNr12a1a2接收機 1接收機 2∑ ??Mkkr1圖 23 最大比值合并 圖 24 等增益合并 信息科學與工程學院 2020 屆本科畢業(yè)設計 (論文 ) 10 RAKE 接收機的原理 在陸地通信系統(tǒng)中 普遍 存在著多徑干擾和衰落，在城市環(huán)境中尤為嚴重。當不同的多徑分量 的 衰落相互獨立時， 就 可以采用分集接收技術(shù) 來 對抗衰落。 多徑信號分離的基礎 原理 是采用直接序列 對信號頻譜進行擴展 。當直擴序列碼片寬度為 TC 時， 系統(tǒng)所能分離的最小路徑時延差為 TC。 RAKE 接收機利用直擴序列的相關特性，采用多個相關器來分離直擴 多徑信號，然后按照 一定 的 規(guī)則將分離后的多徑信號合并起來 ，用 以獲得最大的有用信號能量。這樣 就 將有害的多徑信號變 成了 有利的有用信號。 由于用戶 移動 的隨機性，接收到的多徑分量的數(shù)量、幅度、時延、相位 都是隨機量。若 不采用 RAKE 接收機，多徑信號的合成如圖 26(a)所示，若采用 了 RAKE接收機， 則 多徑信號的合成如圖 26(b)所示。 接 收 后 的 合成 矢 量第 三 徑第 二 徑第 一 徑a ) 無 R A K E 接 收 項第 一 徑 第 二 徑 第 三 徑接 收 后 的 合 成 矢 量代 數(shù) 和b ) 有 R A K E 接 收 項 圖 26 多徑信號的矢量 合成圖 RAKE 接收機主要應用在直擴 通信 系統(tǒng)中，特別是民用 的 CDMA 通信系統(tǒng)。 在移動通信的環(huán)境中， 不僅 需要移動臺收發(fā)器，也需要 基站 收發(fā)器 。 無論移動臺 處 在通信區(qū)域 中 的哪一個位置 上 ，系統(tǒng)都能 夠 提供一條高品質(zhì)的通信鏈路。對窄帶系統(tǒng)來說， 由于 在傳送一個符號的時間內(nèi)，總會有 那么 一小部份功率較強的多徑信號 會 出現(xiàn)在接收機端，因此系統(tǒng) 需要 通過軟件 操作 來實現(xiàn)信道 等 化功能，以便 消除 符碼之間的干擾現(xiàn)象。 由于 CDMA 通信 系統(tǒng)具有寬帶的特性（碼片速率 較高 ），因此 在 這些路徑 上可能會超過一個 CDMA 位的寬度 。 在這種 情況 下，傳統(tǒng)的等化 功能將不再適用，因此 需要一種新的技術(shù)，它必須能 夠 接收所有路徑的信號，然后 將它們 組成一個完整的信號。 RAKE 接收機就 扮演這樣的角色 ，它可以收到所有可能路徑 上 的信號，然后再將這些路徑上的信號 按一定規(guī)則 組合成一個清晰的信 號， 它的 強度遠超過單個路徑上 接收到 的信號 。 基本上， RAKE 接收機會計算 出 參考模式與接收信號之間的相關性， 而后 找出個別信號的傳送路徑。 所謂 的 RAKE 接收機，就是利用多個并行相關器 來 檢測多徑信號，按照一定的準則合成一路信號 以 供解調(diào)用的接收機。特別指出，一般的分集技術(shù) 會 把多徑信號作為干擾來處理， 然 而 RAKE 接收機采取變害為利的方法， 就是 利用多徑現(xiàn)象來增強信號。 圖 27 示出了簡化的 RAKE 接收機的組成。 信息科學與工程學院 2020 屆本科畢業(yè)設計 (論文 ) 11 圖 27 簡化的 RAKE 接收機組成 在最大時延擴展為 m的多徑衰落信道 中， RAKE 的概念就是采用一種特定的寬帶傳輸信號，其帶寬 W 遠遠大于信道的相干帶寬 m，根據(jù)可分離的多徑的概念，這種情況下可分離的多徑數(shù)為 L。于是 RAKE 接收機采用 L 個相關器，相鄰相關器所處理的時延之差為 1/W，每個相關器只從總的接收信號中提取相應延時的那部分多徑信號。 移動通信信道 本身 是一種多徑衰落信道， RAKE 接收 用于 分別接收每一 路的信號 并 進行解調(diào)，然后 合成 輸出達到增強接收效果的目的，這里 的 多徑信號不僅不是不利 的 因素，而且在 CDMA 系統(tǒng) 中 變成一個有利因素。 在移動通信 系統(tǒng) 中， 受到 城市建筑物和地形地貌的影響， 用 電波 進行 傳播必然會出現(xiàn) 多徑傳播 和時延，使 得 接收信號出現(xiàn) 延時 和衰落，采用 RAKE 接收技術(shù)是十分有效的 對 抗多徑衰落的方法。 在 CDMA 擴頻系統(tǒng)中，信道的 平坦衰落 帶寬遠遠小于信道帶寬。與傳統(tǒng)的調(diào)制 技術(shù)需要用 均衡 算法來消除相鄰符號間的 碼間干擾 不同的是， CDMA 擴頻碼在選擇時就要求它有很好的 自相關 特性。于是，在無線信道中出現(xiàn)的 時延擴展 ，就可以被看作是被傳信號的再次傳送。如果這些多徑信號相互間的延時超過了一個 碼片 的長度，那么它們將被 CDMA 接收機看作是非相關的噪聲， 從 而不再需要均衡了。 由于在多徑信號本身是信號，只是因為 在 傳播過程中衰落了，所以 CDMA接收機 就 利用多徑現(xiàn)象，通過合并 各路徑信號 來改善接收信號的信噪比。其實 ，RAKE 接收機所作的就是：通過多個 相關檢測器 接收多徑信號中的信號，并把它們合并在一起。圖為一個 RAKE 接收機，它是專為 CDMA 系統(tǒng)設計的經(jīng)典的分集接收器， 它的 理論基礎就是：當傳播時延超過一個碼片時，多徑信號可 以 被看 信息科學與工程學院 2020 屆本科畢業(yè)設計 (論文 ) 12 作是互不相關的。 圖 28 RAKE 接收機框圖 圖 28 中，帶 DLL 的相關器是一個具有 遲早門鎖相環(huán) 的解調(diào)相關器。遲早門和解調(diào)相關器分別相差 177。1/2(或 1/4)個碼片。遲早門的相關結(jié)果相減可以用于調(diào)整碼 相位 。延遲環(huán)路的性能取決于環(huán)路帶寬。 延遲估計的主要部件是匹配濾波器，匹配濾波器的功能是用輸入的數(shù)據(jù)和不同相位的本地碼字進行相關，取得不同碼字相位的相關能量。當串行輸入的采樣數(shù)據(jù)和本地的擴頻碼和擾碼的相位一致時，其相關能力最大，在濾波器輸出端有一個最大值。根據(jù)相關能量，延遲估計器就可以得到多徑的到達時間量。 RAKE 接收機的性 能分析 眾所周知，誤碼率是衡量系統(tǒng)抗衰落性能的重要指標。在銳利衰落情況下，平均誤碼率與分集重數(shù)和合并方式密切相關。 M 進制 DSCDMA 系統(tǒng)誤碼率 eP 和誤比特率 bP 的關系為： / 2 ( 1)beP P M M??? (25) (1)不采用 RAKE 接收 (SFR) 在不采用 RAKE 接收時。信號的接收相當于 RAKE 接收機中單一支路接收。假定接收 機隨機捕獲 L 條多徑中的一條，誤碼率為： 1 { ( 1 , ) ( 2 , ) , .. ., ( 1 , ) ( , ) }eP P s l s l s l s M l? ? ? ? 11 [ { (1 , ) ( , ) , 1} ] MP s l s k l k ?? ? ? ? 111 [1 ]SFR MeP ?? ? ? (26) 基于高斯分布假設，可推導出 1SFReP 為 ： 2 2 21 1 ( 1 , ) ( , ){ ( 1 , ) ( , ) } ( { } / ( ) )S F Re l s l s k lP P s l s k l Q E D ??? ? ? ? 信息科學與工程學院 2020 屆本科畢業(yè)設計 (論文 ) 13 22221,c o s ( ) ( 1 / )()122 c o s ( ) ( / ) ( , )l l l l l cLl l l l l c jj j lTQT m j lNN