【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 立 (攜帶同一信息 )的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低信號(hào)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(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)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(hào)強(qiáng)度和相互獨(dú)立衰落特性的信號(hào)路徑，并在接收端對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?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(gè)基站設(shè)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(shí)和小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)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(wú)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?？臻g分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一個(gè)信號(hào)，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號(hào)的衰落是不相關(guān)的。為此，空間分集的接收機(jī)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(zhǎng)、 地物及天線高度有關(guān)。 (2)頻率分集。頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個(gè)信號(hào)所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個(gè)以上不同的頻率傳輸同一信息，以實(shí)現(xiàn)頻率分集。 (3) 極化分集。由于兩個(gè)不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性，因而發(fā)送端和接收端可以用兩個(gè)位置很近但為不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號(hào)，以獲得分集效果。 (4) 場(chǎng)分量分集。由電磁場(chǎng)理論可知，電磁波的 E場(chǎng)和 H場(chǎng)載有相同的消息，而反射機(jī)理是不同的。 (5) 角度分集。角度分集的作法是使電波通過(guò)幾個(gè)不同路徑，并以不同角 度到達(dá)接收端，而接收端利用多個(gè)方向性尖銳的接收天線能分離出不同方向來(lái)的信號(hào)分量；由于這些分量具有互相獨(dú)立的衰落特性，因而可以實(shí)現(xiàn)角度分集并獲得抗衰落的效果。 (6) 時(shí)間分集?？焖ヂ涑司哂锌臻g和頻率獨(dú)立性之外，還具有時(shí)間獨(dú)立性， 信息科學(xué)與工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 即同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨(dú)立的，接收機(jī)將重復(fù)收到的同一信號(hào)進(jìn)行合并，就能減小衰落的影響。時(shí)間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信號(hào)。此外，時(shí)間分集也有利于克服移動(dòng)信道中由多普勒效應(yīng)引起的信號(hào)衰落現(xiàn)象。 合并方式 接收端收到 M(M≥ 2)個(gè)分集信號(hào)后，如何利用這些信號(hào)以減小衰落的影響，這就是合并問(wèn)題。一般均使用線性合并器，把輸入的 M個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)相加后合并輸出。 假設(shè) M個(gè)輸入信號(hào)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(gè)信號(hào)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(cè)所有分集支路的信號(hào)，以選擇其中信噪比最高的那一個(gè)支路的信號(hào)作為合并器的輸出。由上式可見(jiàn)，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項(xiàng)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(gè)支路的中頻信號(hào)分別經(jīng)過(guò)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(jī)的共用部分。 選擇式合并又稱(chēng)開(kāi)關(guān)式相加。這種方式方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。但由于未被選擇的支路信號(hào)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(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)便，每一支路 信號(hào)包絡(luò) rk(t)用 rk 表示。每一支路的加權(quán)系數(shù) ak 與信號(hào)包絡(luò) 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(hào)包絡(luò)為 (23) 可見(jiàn)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(wú)需對(duì)信號(hào)加權(quán)，各支路的信號(hào)是等增益相加的，kkkra N?211MMkk k kkk krr a r N?????? 信息科學(xué)與工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 其方框圖如圖 24 所示。等增益合并方式實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，其性能接近于最大比值合并。 等增益合并器輸出的信號(hào)包絡(luò)為 ： (24) 圖 22 二重分集選擇式合并 RAKE 接收機(jī) RAKE 接收機(jī)的定義 RAKE接收技術(shù)是第三代 CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的一項(xiàng) 非常 重要 的 技術(shù)。在 CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中， 由于 信號(hào)帶寬 比 較寬，存在著 比較 復(fù)雜的多徑無(wú)線電信號(hào)，通信 會(huì) 受到多徑衰落的影響。 RAKE 接收技術(shù)實(shí)際上是一種多徑分集接收技術(shù)， 可以在時(shí)間上分辨出細(xì)微的多徑信號(hào)，對(duì)這些分辨出來(lái)的多徑信號(hào)分別進(jìn)行加權(quán)調(diào)整、使之復(fù)合成加強(qiáng)的信號(hào)。由于該接收機(jī)中橫向?yàn)V波器具有類(lèi)似于鋸齒狀的抽頭，就像耙子一樣，故稱(chēng)該接收機(jī)為 RAKE接收機(jī)。橫向?yàn)V波器如圖 25 所示。 圖 25 實(shí)現(xiàn)最佳合并的橫向?yàn)V波器 1MEkkrr???接收機(jī) 1接收機(jī) 2接收機(jī) 1接收機(jī) 2∑ ??Mk kkNr12a1a2接收機(jī) 1接收機(jī) 2∑ ??Mkkr1圖 23 最大比值合并 圖 24 等增益合并 信息科學(xué)與工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 RAKE 接收機(jī)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(yán)重。當(dāng)不同的多徑分量 的 衰落相互獨(dú)立時(shí)， 就 可以采用分集接收技術(shù) 來(lái) 對(duì)抗衰落。 多徑信號(hào)分離的基礎(chǔ) 原理 是采用直接序列 對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行擴(kuò)展 。當(dāng)直擴(kuò)序列碼片寬度為 TC 時(shí)， 系統(tǒng)所能分離的最小路徑時(shí)延差為 TC。 RAKE 接收機(jī)利用直擴(kuò)序列的相關(guān)特性，采用多個(gè)相關(guān)器來(lái)分離直擴(kuò) 多徑信號(hào)，然后按照 一定 的 規(guī)則將分離后的多徑信號(hào)合并起來(lái) ，用 以獲得最大的有用信號(hào)能量。這樣 就 將有害的多徑信號(hào)變 成了 有利的有用信號(hào)。 由于用戶(hù) 移動(dòng) 的隨機(jī)性，接收到的多徑分量的數(shù)量、幅度、時(shí)延、相位 都是隨機(jī)量。若 不采用 RAKE 接收機(jī)，多徑信號(hào)的合成如圖 26(a)所示，若采用 了 RAKE接收機(jī)， 則 多徑信號(hào)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(wú) R A K E 接 收 項(xiàng)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(xiàng) 圖 26 多徑信號(hào)的矢量 合成圖 RAKE 接收機(jī)主要應(yīng)用在直擴(kuò) 通信 系統(tǒng)中，特別是民用 的 CDMA 通信系統(tǒng)。 在移動(dòng)通信的環(huán)境中， 不僅 需要移動(dòng)臺(tái)收發(fā)器，也需要 基站 收發(fā)器 。 無(wú)論移動(dòng)臺(tái) 處 在通信區(qū)域 中 的哪一個(gè)位置 上 ，系統(tǒng)都能 夠 提供一條高品質(zhì)的通信鏈路。對(duì)窄帶系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 由于 在傳送一個(gè)符號(hào)的時(shí)間內(nèi)，總會(huì)有 那么 一小部份功率較強(qiáng)的多徑信號(hào) 會(huì) 出現(xiàn)在接收機(jī)端，因此系統(tǒng) 需要 通過(guò)軟件 操作 來(lái)實(shí)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(huì)超過(guò)一個(gè) 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(hào)，然后 將它們 組成一個(gè)完整的信號(hào)。 RAKE 接收機(jī)就 扮演這樣的角色 ，它可以收到所有可能路徑 上 的信號(hào)，然后再將這些路徑上的信號(hào) 按一定規(guī)則 組合成一個(gè)清晰的信 號(hào)， 它的 強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)單個(gè)路徑上 接收到 的信號(hào) 。 基本上， RAKE 接收機(jī)會(huì)計(jì)算 出 參考模式與接收信號(hào)之間的相關(guān)性， 而后 找出個(gè)別信號(hào)的傳送路徑。 所謂 的 RAKE 接收機(jī)，就是利用多個(gè)并行相關(guān)器 來(lái) 檢測(cè)多徑信號(hào)，按照一定的準(zhǔn)則合成一路信號(hào) 以 供解調(diào)用的接收機(jī)。特別指出，一般的分集技術(shù) 會(huì) 把多徑信號(hào)作為干擾來(lái)處理， 然 而 RAKE 接收機(jī)采取變害為利的方法， 就是 利用多徑現(xiàn)象來(lái)增強(qiáng)信號(hào)。 圖 27 示出了簡(jiǎn)化的 RAKE 接收機(jī)的組成。 信息科學(xué)與工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 圖 27 簡(jiǎn)化的 RAKE 接收機(jī)組成 在最大時(shí)延擴(kuò)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(hào)，其帶寬 W 遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)采用 L 個(gè)相關(guān)器，相鄰相關(guān)器所處理的時(shí)延之差為 1/W，每個(gè)相關(guān)器只從總的接收信號(hào)中提取相應(yīng)延時(shí)的那部分多徑信號(hào)。 移動(dòng)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(hào) 并 進(jìn)行解調(diào)，然后 合成 輸出達(dá)到增強(qiáng)接收效果的目的，這里 的 多徑信號(hào)不僅不是不利 的 因素，而且在 CDMA 系統(tǒng) 中 變成一個(gè)有利因素。 在移動(dòng)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(jìn)行 傳播必然會(huì)出現(xiàn) 多徑傳播 和時(shí)延，使 得 接收信號(hào)出現(xiàn) 延時(shí) 和衰落，采用 RAKE 接收技術(shù)是十分有效的 對(duì) 抗多徑衰落的方法。 在 CDMA 擴(kuò)頻系統(tǒng)中，信道的 平坦衰落 帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(lái)消除相鄰符號(hào)間的 碼間干擾 不同的是， CDMA 擴(kuò)頻碼在選擇時(shí)就要求它有很好的 自相關(guān) 特性。于是，在無(wú)線信道中出現(xiàn)的 時(shí)延擴(kuò)展 ，就可以被看作是被傳信號(hào)的再次傳送。如果這些多徑信號(hào)相互間的延時(shí)超過(guò)了一個(gè) 碼片 的長(zhǎng)度，那么它們將被 CDMA 接收機(jī)看作是非相關(guān)的噪聲， 從 而不再需要均衡了。 由于在多徑信號(hào)本身是信號(hào)，只是因?yàn)?在 傳播過(guò)程中衰落了，所以 CDMA接收機(jī) 就 利用多徑現(xiàn)象，通過(guò)合并 各路徑信號(hào) 來(lái)改善接收信號(hào)的信噪比。其實(shí) ，RAKE 接收機(jī)所作的就是：通過(guò)多個(gè) 相關(guān)檢測(cè)器 接收多徑信號(hào)中的信號(hào)，并把它們合并在一起。圖為一個(gè) RAKE 接收機(jī)，它是專(zhuān)為 CDMA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)典的分集接收器， 它的 理論基礎(chǔ)就是：當(dāng)傳播時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼片時(shí)，多徑信號(hào)可 以 被看 信息科學(xué)與工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 作是互不相關(guān)的。 圖 28 RAKE 接收機(jī)框圖 圖 28 中，帶 DLL 的相關(guān)器是一個(gè)具有 遲早門(mén)鎖相環(huán) 的解調(diào)相關(guān)器。遲早門(mén)和解調(diào)相關(guān)器分別相差 177。1/2(或 1/4)個(gè)碼片。遲早門(mén)的相關(guān)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(jì)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(jìn)行相關(guān)，取得不同碼字相位的相關(guān)能量。當(dāng)串行輸入的采樣數(shù)據(jù)和本地的擴(kuò)頻碼和擾碼的相位一致時(shí)，其相關(guān)能力最大，在濾波器輸出端有一個(gè)最大值。根據(jù)相關(guān)能量，延遲估計(jì)器就可以得到多徑的到達(dá)時(shí)間量。 RAKE 接收機(jī)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(biāo)。在銳利衰落情況下，平均誤碼率與分集重?cái)?shù)和合并方式密切相關(guān)。 M 進(jìn)制 DSCDMA 系統(tǒng)誤碼率 eP 和誤比特率 bP 的關(guān)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(shí)。信號(hào)的接收相當(dāng)于 RAKE 接收機(jī)中單一支路接收。假定接收 機(jī)隨機(jī)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(shè)，可推導(dǎo)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(xué)與工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (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