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  • 2021-04-21 03:53:56

    41528d3028836879cd698677c3999917.gif分集接收技术.doc

    I 题目:多径衰落信道下分集接收技术性能仿 真 学科门类(文、理、工、医):工 院 系:信息工程学院 专 业:通信与信息系统 初 审: 评 审: 2014 年郑州大学第九届研究生论文 大赛 编 号:___________ _______ 研究方向:_________ _ _______II 多径衰落信道下分集接收技术性能仿真 摘 要:随着信息时代的到来,近几年来,在通信领域,很多的技术都得到了发展和应用, 通信质量问题也得到越来越多的关注,当信号在实际的无线通信系统中传输时,多径传输 的存在会而使信号产生衰落,衰落会影响通信的质量,多径效应是影响无线通信质量的一 个重要因素,多径效应通常会影响信号的传输,然而分集技术可以有效的减弱多径效应带 给无线信道的不良的影响。使用分集技术可以获得分集增益,通过获得分集增益来提高通 信的质量。 本设计介绍了有关通信系统仿真的方法和概念,也对多径衰落信道做了详细的介绍, 论文的最后一章用MATLAB仿真了多径衰落信道,通过仿真可以比较直观的看出此信道的特 点,论文详细的介绍了几种分集合并技术,并对这几种技术做了简单的分析和比较,仿真 了信号在不同的分集接收技术上的BER。 关键词:信号;多径效应;分集技术;通信仿真The perance simulation of diversity reception technology on Rayleigh fading channel Abstract:With the ination age coming, in recent years, in the field of communication, many techniques are making a big development, the communication quality issues have been more and more attention, when the signal transmit in a real communication system .In multipath transmission signal will be fading, fading affects the quality of the communication .multipath effect is an important factor affecting the quality of the radio communication, multipath effects usually affect the signal transmission, however, the diversity technique can be effectively reduced multipath effects bring the adverse effects of the radio channel. Diversity gain can be obtained by obtaining the diversity gain to improve the quality of the communication using the diversity technique. This topic provides ination communication system simulation s and concepts. In this paper, I make a detailed introduction about multipath fading channel .In final chapter, MATLAB is used to simulate the multipath fading channel, Through the simulation we can see this channel characteristics more intuitive, the paper describes in detail several diversity combining techniques, and these types of technology to do a simple analysis and comparison of simulated signals in different diversity reception technology BER. Keywords: signal Multi-path effects diversity reception technology 1 绪论 1.1 引言 达接收端的信号路径不只有一条。即存在多径传输。多径传输会给信号带来多径衰落。 多径衰落会使到达接收机的信号在实际的无线通信中,信号在传输过程中存在反射、折射、 绕射等现象使到与原来的发射信号相差较大,造成错码,因此,怎样提高信号的输出信噪 比,提高信道特性是现在通信领域的重要研究课题。 分集技术的关键是“分” , “分”的含义就是要使信号通过多个信道,这里所说的信道 可以是空间的,可以是时间的,也可以是频率的。通过多个信道传送同一信号,然后在接 收端会接收到多个信道信息,因为每个信道的特性不可能完全相同,在不同信道上传输的 多路信号的衰落就不尽相同。多径信号叠加后在每个时间点上的信号就会减少衰落,多条 信号叠加后所包含的的信息比较接近原来的信号,这样接收机就能比较准确的恢复原来的 信号。因此分集技术可以降低衰落,如果不用分集技术,在这种情况下要想获得比较高的III 输出信号信噪比,发射机必须要有较高的信号发射功率,信号的发射功率较小会使到达接 收端的衰落信号的功率更小。因此在不采用分集技术的情况下,要想获得较高的信号输出 信噪比,就必须有较高的信号发射功率。在移动无线通信中,因为发射信号的功率是有限, 并且一味的增大发射功率无疑就增加了通信的成本。而采用分集方法可以在降低发射功率 的前提下提高分集增益,因此分集技术在通信领域是一项很重要的技术,分集技术应该得 到广泛的应用。 1.2 课题研究的目的和意义 在非理想的移动通信系统中,移动台大都是工作在复杂的环境中,如果移动台工作在 复杂的建筑群中,而且移动台的位置不是固定的,移动的方向、速度都是不确定的。信号 发送后,信号在信道传输的过程中会被衰落,衰落后的信号与原来的信号在幅度值和相位 值上都有区别。在传送的过程中信号达到接收端的路径不止有一条,造成多条路径的原因 是信号在传送时,信道不是理想的,信号在信道传输的过程中存在这折射、绕射、反射等 现象。这使信号在传送时不单单的存在直射现象,这就使信号的传送存在延时,信号从发 送端到接收端的路径不止有一条,每条路径的信号衰落和延时都不同,接收端收到的的信 号不是只有直射信号,而是多个幅值、相位各不相同的信号的叠加,多条路径信号的叠加 会使接收到的信号出现随机起伏的变化,这就是多径衰落。每条路径的参数不同

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    多径效应

    多径效应(multipath effect):指电磁波经不同路径传播后,各分量场到达接收端时间不同,按各自相位相互叠加而造成干扰,使得原来的信号失真,或者产生错误。比如电磁波沿不同的两条路径传播,而两条路径的长度正好相差半个波长,那么两路信号到达终点时正好相互抵消了(波峰与波谷重合)。这种现象在以前看模拟信号电视的过程中经常会遇到,在看电视的时候如果信号较差,就会看到屏幕上出现重影,这是因为电视上的电子枪从左向右扫描时,用后到的信号在稍靠右的地方形成了虚像。因此,多径效应是衰落的重要成因。多径效应对于数字通信、雷达最佳检测等都有着十分严重的影响。

    怎样克服多径效应

    主要通过减小码元传输速率来解决,比如OFDM技术等将串行传输变为并行传输以便减小码元速率

     

    多径效应消除及解决方法

    无线通信领域,多径指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播现象。大气层对电波的散射、电离层对电波的反射和折射,以及山峦、建筑等地表物体对电波的反射都会造成多径传播。

    在无线传输系统中,多径是指同时接收到两个副本,这两个副本经过了不同的传输途径,具有不同的传输延时。

    例如:从建筑物或其他物体反射的信号与直接传输的信号(非反射信号)一起被接收机接收。这在电视接收机中会引起“叠影” — 人们可以看到在水平方向有一个衰减的回波叠加在主图像上。

    另外一个常见的例子是收音机(特别是调幅收音机),信号通过电离层反射后具有一定的延时,这个信号与直接传输的信号一起被收音机所接收。

    通常,多径对系统造成了不良影响,但在MIMO系统中不同,MIMO系统专门利用不同的天线发送信号的副本,复杂的接收系统将不同码片组合起来进行处理,以改善系统性能。

    多径带来的影响

    多径效应怎么消除_多径效应解决方法

    多径会导致信号的衰落和相移。瑞利衰落就是一种冲激响应幅度服从瑞利分布的多径信道的统计学模型。对于存在直射信号的多径信道,其统计学模型可以由莱斯衰落描述。

    在电视信号传输中可以直观地看到多径对于通信质量的影响。通过较长的路径到达接收天线的信号分量比以较短路径到达天线的信号稍迟。因为电视电子枪扫描是由左到右,迟到的信号会在早到的信号形成的电视画面上叠加一个稍稍靠右的虚像。

    基于类似的原因,单个目标会由于地形反射在雷达接收机上产生一个或多个虚像。这些虚像的运动方式与它们反射的实际物体相同,因此影响到雷达对目标的识别。为克服这一问题,雷达接收端需要将信号与附近的地形图相比对,将由反射产生的看上去在地面以下或者在一定高度以上的信号去除。

    在数字无线通信系统中,多径效应产生的符号间干扰(inter-symbol-interference,ISI)会影响到信号传输的质量。时域均衡、正交频分复用(OFDM)和Rake接收机都能用于对抗由多径产生的干扰。

    时域均衡的基本思想是使用横向滤波器在延迟时间内利用当前接收到的编码序列判断下一个编码序列,去除判断规则之外的错误编码,从而消除编码中存在的错误,减小码间干扰。例如已知编码序列11001的下一个应该是10,若出现01,则去除,接着判断下一个序列,直到恢复正确的编码序列。

    正交频分复用(OFDM)技术是LTE(UMTS标准的长期演进技术)采用的关键技术之一,它的基本思想是将数据流分解成若干个独立的低速比特流,从频域上说就是分成多个子载波,然后并行发送出去。这样可以有效地降低高速传输时,由于多径传输而带来的码间干扰。为了最大程度地消除多径效应和其他因素引起的码间干扰,OFDM技术还在每个信号中设置一段空闲的传输时段,称之为保护间隔,该时间段大于信道最大时延,从而不会对下一个信号产生延时引起的码间干扰。如图所示,虚线所示为无信号的空闲段,此时尽管由于多径传输发生前后信号的重叠,但由于空闲段的无信号,因此重叠部分不会产生干扰。实际应用中,由于空闲传输时段无波形,此时若为多个载波的重叠部分,则破坏了正交性,会由于多径传输引起信道间干扰(ICI,Inter Channel Interference),为此在空闲时间段也填入信号,称之为循环前缀,接收时则将此段信号舍弃。图中虚线部分加入信号波形后即成为循环前缀。

    多径效应不仅是衰落的经常性成因,而且是限制传输带宽或传输速率的根本因素之一。在短波通信中,为保证电路在多径传输中的最大时延与最小时延差不大于某个规定值,工作频率要求不低于电路最高可用频率的某个百分数。这个百分数称为多径缩减因子,是确定电路最低可用频率的重要依据之一。图中为多径缩减因子与路径长度的关系。对流层传播信道中的抗多径措施,通常有抑制地面反射、采用窄天线波束和分集接收等。

    解决多径干扰的措施

    抗多径干扰主要有如下几个方面措施:

    (1)提高接收机的距离测量精度,如窄相关码跟踪环、相位测距、平滑伪距等;

    (2)抗多径天线;

    多径效应怎么消除_多径效应解决方法

    智能天线利用多个天线阵元的组合进行信号处理,自动调整发射和接收方向图,以针对不同的信号环境达到最优性能。智能天线是一种空分多址(SDMA)技术,主要包括两个方面:空域滤波和波达方向(DOA)估计。空域滤波(也称波束赋形)的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布,运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪声,以获得尽可能好的信号估计。

    智能天线通过自适应算法控制加权,自动调整天线的方向图,使它在干扰方向形成零陷,将干扰信号抵消,而在有用信号方向形成主波束,达到抑制干扰的目的。加权系数的自动调整就是波束的形成过程。智能天线波束成型大大降低了多用户干扰,同时也减少了小区间干扰。

    (3)抗多径信号处理与自适应抵消技术等。

    多径效应怎么消除_多径效应解决方法

    多址干扰是由于在多用户系统中采用传统单用户接收方案而造成的恶果。单用户接收机采用匹配滤波器作为相关判决的工具,并不考虑多址干扰的存在,每个用户的检测都不考虑其他用户的影响,是一种针对单用户检测的策略。一般说来,单个用户传输时不存在多址干扰,但在多用户环境中,当干扰用户数增加或者他们的发射功率增加时,多址干扰将不容忽视。因此多用户检测技术应允而生,其算法有最优检测算法和次优检测算法。

    在CDMA系统中,多用户检测问题实际上就是从若干个随机变量线性组合后加噪声的观察值中提取出目标随机变量的过程。一般情况下,多用户接收机不仅需要知道所有用户的扩频信息而且还需随着系统的时变不断更新。此外,还需估计用户的幅值、相位以及定时信息用于接收端的检测,这样势必造成计算复杂度的增加。由于这一限制,多用户检测大都应用于基站一侧,若要将其应用于移动台一侧,一种实现方法是发送已知的训练序列自适应地将接收机参数调整到理想的工作状态。该方法有明显的弊病:当信道响应突变或者用户数目变化时,就必须重新发送训练序列,而频繁发送训练序列会造成频谱资源的极大浪费。鉴于以上原因,开发不需要所有用户的扩频信息,也不需要发送训练序列的盲多用户检测算法成为业界研究的新热点。以线性检测为例,线性盲多用户检测就是在不知道干扰用户扩频信息,也不需要训练序列的情况下求出权向量的过程。由于所有用户都以相同调制方式独立工作,可以假设各用户的信息码元及同一用户的不同码元之间都是独立同分布的,而幅度的差异可以反映在信道响应混合矩阵的系数中。

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  • 分集技术

    千次阅读 2020-04-18 09:26:39
    注意分集技术的必要条件是在接收端能够接收到携带同一信息的个相互独立的信号,那到底什么才算是相互独立呢? 对于空间分集来说,以两个接收天线为例,当两个接收天线之间的空间距离大于10倍的信号波长时,就认为...

    详细内容,请参考由北京邮电大学的牛老师讲的视频,讲的很好很详细,非常值得一看!
    视频链接:移动通信原理—北京邮电大学(牛凯)

    一、分集技术的基本概念

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    注意分集技术的必要条件是在接收端能够接收到携带同一信息的多个相互独立的信号,那到底什么才算是相互独立呢?

    对于空间分集来说,以两个接收天线为例,当两个接收天线之间的空间距离大于10倍的信号波长时,就认为这两个接收天线接收到的信号是在空间域上相互独立的;

    对于频率分集来说,以两个频率为例,当两个频率分量的频率间隔大于信道的相干带宽时,就认为这两个频率分量所承载的信号在频率域上是相互独立的;

    对于时间分集来说,以发送两次为例,当这两次发送的时间间隔足够大时,这个足够大的时间间隔至少要大于信道的相干时间,就认为这两路信号在时间域上是相互独立的。

    二、分集的分类

    分集一般可分为空间分集、频率分集和时间分集

    2.1 空间分集

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    2.2 频率分集

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    2.3 时间分集

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    三、合并技术

    一般的合并技术可分为最大比值合并(MRC)、等增益合并(EGC)和选择式合并

    3.1 最大比值合并(MRC)

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    最大比值指的是最大接收信噪比,这种合并技术拥有复杂的接收设备和较高的分集增益,因为它需要对每一个多径信道进行配置不同的增益,所以实现起来很麻烦。类似于加性高斯白噪声信道中的最佳接收机----(时域)匹配滤波器,这种最大比值接收方式MRC其实就是(空间)匹配滤波器。

    3.2 等增益合并(EGC)

    在这里插入图片描述

    这种合并方式就是把最大比值合并中每一个多径信道的可变增益值都设置成了固定值,即省去了为每一路进行设置增益的步骤,从而大大简化了接收机的复杂度,虽然信噪比有一点损失,但是和MRC方式比起来,只是损失了1dB的增益,所以还是很划算的。

    3.3 选择式合并

    在这里插入图片描述

    这种合并方式接收机拥有最低的复杂度,它只是把接收到的多路信号中选择出信道质量最好的那一路进行后续的解调操作。当然这种方式的信噪比的改善程度并不是很好。

    3.4 三种合并方式的比较

    在这里插入图片描述

    三种实现方式各有其特点,实际工程应用中要根据实际情况选择合适的合并方式,假如说对接收质量要求很高,并且不限制成本的话,那么就应该选择最大比值合并方式;如果说对接收质量要求不高,但是成本极其受限制的情况下,那么就应该选择选择式合并方式。但是总体上来看,还是等增益合并方式的性价比比较高,接收机硬件设备也不算太复杂,并且还同时拥有比较大的信噪比增益。

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    这个若干支路的不同之处就在于时间、空间、频率导致的不同支路/路径。

    时间分集

    时间分集就是将一个码元,在不同的时间发送多次,这样不同的码元会经历不同的衰落,在接收端进行合并,会有一定延时
    只要各次发送的时间间隔足够大,则各次发送信号经历的信道衰落就可以认为是相互独立的。

    那么这个时间间隔大小分怎么控制呢?至少要在不同的相干时间间隔,我们知道由于多普勒效应的影响,相应的相干时间内的接收信号之间是经历的相同的衰落,因此不同相干时间内的信号接受的信号相互独立,而不是在一个相干时间内重发多次,如图1[2],一个码元发送4次,4个不同的码元,如果按照No Interleaving的方法,就有可能x2经历深度衰落而导致无法接受,交织Interleaving后,相同的码元分布在不同的相干时间内,即使有一个经历深衰落而消失,也能从其他时间周期中恢复。

    因此当移动台是静止的,没有多普勒频移,要求重复发送时间间隔无限大,这表明时间分集对静止状态的移动信号是无效果的,只有当移动台有足够速度时,其相干时间才有意义,才能充分利用时间分集。

    由时间分集这种分集导致的不同信道接收带来的增益称为分集增益但上述这种方法没有利用好信道自由度,因为是相同的码元在L个时间的简单重复,旋转编码可以做到这一点,但我并没有看懂,有兴趣的可以看[2]。

    图1

     

    空间/天线分集

    为了利用时间分集,必须在若干个相干时间周期内进行交织和编码,然而,当存在严格的时延限制和(或)相干时间较大(移动速度很低甚至静止)时,就不可能利用时间分集了,在这种情况下,必须采用其他形式的分集。在发射机和(或)接收机安装多副天线就可以实现天线分集,即空间分集。如果天线安装的间隔足够大,那么不同天线对之间信道增益的衰落大致是相互独立的,于是也就得到相互独立的信号路径[2]。

    接收分集

    接收分集把多个接收天线上的独立衰落信号合并为一路,再送给解调器。即使各接收信号没有经历衰落,由于多个信号合并而带来的信噪比增益称为阵列增益(功率增益)。除此之外当然也有分集增益。合并的方式有多种[3]。如下

    选择合并
    选择合并( selection combining,SC) 输出信噪比最高的那个支路上的信号。因为每一个时刻只用一个支路, 选择舍并只要一个接收机, 随时切换到被选的天线支略上即可。不过对连续发送的系统, 可能需要毎个天线支路都安装一个接收机来监测各支路h的信噪比。选择合并输出的信噪比等于各支路信噪比的最大值。此外,因为不需要各支路同相,因此SC可以采用相干调制或差分调制。

    门限合并
    门限合并是一种更简单的合并方法, 它用同一个接收机顺序监测每个支路, 输出第一个信噪比高于门限值的信号, 从而避免了在每个支路上都安装一个接收机。一旦选定支路后, 只要该支路的怯噪比一直高于门限值, 合并器就始终输出这个支路上的信号。 当这一支路的信噪比低于门限值时, 就切换到其他支路,决定切换到哪一个其他支路上有一些不同的方法。

    最大比合并
    最大比合并(maximal-ratio comibing, MRC)输出的则是各支路倍号的加权和,各支路同相相加.目标是选择合适的权值使得合并的信噪比最大。

    等增益合并
    最太比合并要知道毎个支路上的时变信噪比, 这些值测起来比较困难。简单一些的方法是等增益合并(equal-gain combining,EGC), 它以相同的权重对各支路上的信号进行同相合并。

    发射分集

    发射分集和时间分集的发送效果是一样的,只不过是空间不同,后者是时间不同。在发射端已知信道状态信息CSI包括信道增益与相位时,发送分集与接收MRC完全类似。与时间分集类似,发送分集是空间上的重复发送,浪费自由度。在不知CSI时,可以采用空间分集与时间分集结合充分利用自由度的方式称为空时码。

    典型的空时码方案是Alamouti方案[2]

     

    频率分集

    与时间分集类似,时间分集是在不同的相干时间内发送同一信息,频率分集在不同的相干带宽内发送同一信息。即不同的相干带宽内的频率不再是平坦衰落,整个信号带宽大于相干带宽Wc。不同频率衰落统计特性上的差异,来实现抗频率选择性衰落的功能。实现频率分集的条件是两个频率之间的间隔要大。

    这种重发的方案与时间分集和空间分集中采用的一个信息码元被重复发送 L 次的重复码是类似的。

    在这种情况下, 一旦要更为频繁地发送码元,就会出现码间干扰(inter-symbol interference,ISI):即前一个码元的时延副本对当前码元产生干扰。要解决的问题就是在利用信道固有的频率分集的同时如何处理码间干扰,一般而言, 有如下三种方法[2]:

    采用均衡的单载波系统:在接收端通过线性和非线性处理, 可以在某种程度上减轻码间干扰。 利用维特比算法可以实现发射码元的最优 ML 检测,然而, 维特比算法的复杂度随着抽头的数量指数增加_并且通常仅用于有效抽头的数量较小的情况。 另外,线性均衡器在检测当前码兀的同时线性地抑制来自其他码元的千扰, 其复杂度较低。

    直接序列頻谱扩展:采用这种方法时, 信息码元被伪噪声序列调制后通过远远大于数据速率的带宽讲发射出去,因为码元速率非常低,所以码间干扰很小,从而大大简化了发射机结构。 从一个用户的角度讲, 这种方法虽然会导致不能髙效地利用系统的总自由度,但允许多个用户共享总的自由度,并且用户彼此之间都表现为伪噪声。

    多载波系统:通过发射预编码将 ISI 信道转换为一组无干扰、正交子载波,其中各子载波经历窄带平坦衰落。对不同子载波的码元进行编码就可以实现分集,这种方法称为正交频分多路复用(Orthogonal Frequency Division Mutiplexing,OFDM)。
    上面三种方法具体原理可以查阅资料,或者看[2](我觉得2讲的太简化,建议看别的书)。

    参考文献
    [1]分集和合并技术之感性理解
    [2]David Tse 的《无线通信基础》
    [3]Andrea Goldsmith的《无线通信》

    展开全文
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  • 第三代移动通信(3G时代)

    千次阅读 2013-03-31 16:57:39
    总体只是框架如下: (一)掌握3G的标准及相关基本概念 (二)第三代移动通信标准的基本技术、特点、系统结构、演进、关键技术 (三)WCDMA无线接口分层结构、信道...(五)TD-SCDMA采用的址方式、时隙帧结构、脉冲结构

空空如也

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