分集接收技术.doc

编 号：_ _研究方向：_ _ _2014年郑州大学第九届研究生论文大赛题目：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：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 performance simulation of diversity reception technology on Rayleigh fading channel Abstract:With the information 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 information communication system simulation methods 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使不同路径的信号的传播时间延时不同，相位不同，振幅也不同，即每条路径的信号衰落是不同的。在信号的接收端接收机接收到的信号是多条路径信号的叠加，因此叠加后的信号在某个时间点上可能会增强。而在某个时间点上可能会减弱。在这种情况下严重的衰落将会产生。严重的衰落会降低有用信号的功率，会使得接收机的接收到的信号产生失真。分集接收技术可以有效地减小或者可以解决多径传输带给信号的不良影响。分集接收技术可以通过获得分集增益来提高通信的质量。2 多径衰落信道和通信系统仿真2.1多径衰落信道下面我们通过一个简单的模拟图示来详细的说明多径衰落信道。如下图所示：图 2-1多径衰落信道如上图，假设有基站，有移动台，最右边的是一个能反射电磁波的反射墙。假设基站和移动台都是固定的，从上图我们可以清晰的看到，从基站的发射机发送的信号有两条路径到达接收端的移动台。各段的距离如上图所示。因为信号在传输的过程中存在墙面的反射，接收端的移动台将会接受到两路信号，一路是直射信号，另一路是存在反射的反射信号。那么经过反射后的信号到达接收端的时间与直射信号相比将会有时间延时，接收端收到的信号将是两路信号的叠加。此模拟就是多径传输，所谓多径通过上图可以很明了的理解。当然实际的通信中信号的传输是不止两条路径的，所有的路径在同一个时间点上的衰落是有区别的，在一个固定的时间点上，所有路径信号的相位是不同的，当其相位是相反的时，这样会致使合成后信号最大值要小于单一的直射径的信号幅值。这样就会造成由于多径传输使得接收端接收到的信号强度小于原来发送端发送的信号，这种情况就是多径衰落信道。3 分集接收技术3.1 分集技术的基本原理分集技术是接收好几个支路上的信号，并且这几个支路的信号是同一信号但是它们的相关性很小。然后在接收端通过合并技术，合并技术使多个支路信号合并，分集技术是通过获得分集增益来改善信号的质量。 “分集技术”中的“分”是指分散传输，“分集技术”中的“集”是指集中处理。通信领域近几年快速发展，分集技术有其特殊的优点，也因此得到广泛的应用。分集技术的关键是两点，一是分散传输，二是集中处理，分集技术的使用并不是无条件的，在采用分集技术时，为了获得更高的分集增益，要求每条路径的信号之间的相关性很小，相关性太高时分集技术用着不理想。分集技术有好几种，在时域内的分集技术叫时间分集。时间分集的关键是在不同的时间发送信号，为获得更好的分集效果，要求在不同的时间点发送的信号是相互独立的，时间分集要求不同分集支路发送信号的时间的间隔应该满足一定的条件。频率分集是在不同的频段上发送同一信号，但不同频段是有频率间隔的，并且其间隔要满足一定的条件，间隔太小，不能满足信号间的不相关性，分集的效果不好，间隔太大浪费了频带资源。对于一个特定的信道，信道的相干带宽是固定的，当频率间隔大于它时，在这样的条件下，每个信道上传播的信号就满足了条件。采用多个天线发送和接收数据的分集技术属于空间分集，空间分集为了保证信号的独立性，也应该满足一定的条件，其必要条件是各个天线之间的距离要足够大，天线之间的距离应该满足一定的条件，只有这样不同天线之间的信号就可以看做是相互独立的。3.2 分集技术的基本方法（1） 空间分集空间分集也被称为天线分集，同一接收信号在两个不同的位置上，如果两个天线的位置达到一定的距离，那么两个位置的衰落信号是不相关的。空间分集的原理图如图3-1所示。发射机用一副发射天线发射信号，接收端用若干个接收天线接收信号。在实际的无线通信系统中，天线间的距离要根据具体环境而设定。在理想情况下，天线间的距离为半波长就可以保证各接收路信号是不相关的。因此，接收端各天线间的距离不是无条件的不是随意的，是应该满足一定的条件的，只有在实际的通信中用空间分集天线的距离满足一定的条件时，才能达到高的分集增益。图 3-1 空间分集图（2） 极化分集在实际的移动的环境下,在同一地点,极化方向有垂直极化方向和水平极化方向，如果两幅天线相互正交，那么两幅天线所传送的信号满足不相关的特性。我们可以利用这一特点来实现极化分集,极化分集需要用到两幅天线，并且这两幅天线的极化方向是互相垂直的，垂直极化天线和水平极化天线分别装在信号的接收端和发送端,这样就可以得到两路信号，并且由于两幅天线的极化方向是垂直的，所以这两路信号满足衰落特性不相关。3.3合并技术的基本概念和方法在分集接受的过程中接收端利用分集技术从多个相互独立的信号支路获得多路信号，此多路信号满足一定的条件后大都是独立不相关的。在接收端接收机需要把接收到的信号合并接收，以此获得分集增益。在分集技术中，属于线性的合并方式基本有四种，它们是最大比合并、等增益合并、开关合并和选择式合并，在实际中，这四种应用的最多。3.3.1最大比合并最大比合并是指：接收机在接收端接收到多径信号后，系统按照适当的增益系数加权相加，可以用此等式表示，合并后的信号=路径1的信号*加权值+路径2信号*加权值+路径3信号*加权值这就是最大比合并。其个式中的加权系数是不同的。假设多径的每条路径的增益是G，那么到接受端接收到的多径信号的信号是 (3-1)如果每条路径的信道噪声的功率值都为一个确定的值，假设都为N，那么总的噪声功率就是： (3-2)因此我们可以得到信号的输出信噪比为： （3-3）根据有关的理论可知当G满足一定的条件时，SNR可以达到最大 （3-4）由此公式可以看出最大比合并的输出的信噪比与各个支路的每个输出信噪比的关系。 （3-5） （3-6） （3-7） （其中M是分集的集数） （3-8）由以上的公式我们可以看出最大比合并技术的输出信噪比是和分集的集数是有关系的。下图就是最大比合并的结构图：检测器自适应控制输出同向求和天线12G2G1Y1GmYmY2Ym 图 3-1 最大比合并通过上图我们得知：如果信道特性很差，这样会导致每一路的信号经过信道后都会变得很弱，这样就不能用选择式合并去解调出近似原发送的信号，只要有足够的接收信号，最大比合并就能得到好的信号。因此，这种方法的抗衰落特性是最佳的，最大比合并方式成了数字信号处理技术和数字接收技术的主要应用方式。3.3.2.等增益合并上一小节我们讨论了最大比合并方式，最大比合并技术的关键是估算各分集支路中信号的信噪比，由此产生合适的权值系数，如果每个分集支路的权值系数都是1，即分集权值系数都相同，这种方法叫等增益合并。其能能比最大比合并方式差点，但是比选择方式好得多。等增益合并输出的结果是各路信号按照一定的加权相叠加，只是各路的加权系数都相同且为1。即G=1，则信号在接收端的包络是 （3-9）接收端的SNR是：（3.3-10）其均值是： （3-11）比较式子（3.3-8）和（3.3-11）我们可以得出结论最大比合并技术的输出信噪比比较大。等增益合并在实际中的应用也比较多。同向相加 天线输出a0012Ma0a0图3-2等增益合并4 性能仿真与分析 4.1 仿真模型 本毕业设计采用多径衰落信道模型，信号的调制和解调都采用QPSK方式。为了方便理解和简单的画出方框图来说明问题，我们假设信号传输的路径条数为两条，下图简单的画出了分集接收的仿真框图Multipath fading Channel #1Delay#1Multipath fading Channel #2Delay#2DiversityCombinerTransmit Filtern1(t)n2(t)Upper SampleQPSK EncoderReceive FilterSampleQPSK Decoderbkbk CompareBERCounter图 4-1分集接收仿真流图4.2 QPSK的简介在整个设计中，通过信道的信号是QPSK信号，因此先简单的介绍一下QPSK的调制和解调。4.2.1 QPSK的原理QPSK是四进制相移键控，它的每一个码元含有2比特的信息，两比特的信息可用两位的二进制表示，所以QPSK有四种相位，我们可以用0和1表示这四种相位信息，即我们可以表示为00、01、10、11.（1） QPSK调制原理QPSK又叫正交相移调制，QPSK有四种相位。由于每一种相位有两个比特信息。因此可以用双比特来表示QPSK，在QPSK中通常用格雷码来表示，格雷码有很多的优点，格雷码的优点是相邻相位的数字比特只有一位不相同，因此格雷码使调制后的误码率发生在相邻相位上的错判比较大，所以格雷码可以使信号总的误码率比较低。双比特码元载波相位abA方式B方式0110001122531545135090180270表 4-2 QPSK比特码元和相位的关系图 4-3 QPSK信号的矢量图（2） QPSK的解调四进制的可以看作两个二进制信号的合成，这两个信号是2PSK类型的，因此解调QPSK的方法可以去解调二进制信号的两条支路。这两条支路信号的编码方式是2PSK的类型，这样就把解调过程简单化。并且这两天支路是互相正交的关系，这样就很容易分离解调出原信号。其原理框图如图2.3-4所示。低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并串变换90相移载波提取定时 定时 I 数据输出Qcosctsinct图 4-4QPSK的解调原理图4.2.4 仿真四进制的可以看作是两条二进制的信号，这两天信号是I 路和Q路，两路信号的载波不一样，I 路信号用的载波是余弦的信号， Q路信号用的载波是正弦的。在仿真中a表示是I 路，b就是Q 路，它们分布与各自的载波相乘分别输出 I 路信号和 Q 路信号。输出信号是两路信号的相加。当 载波信号的相位是0时，用二进制“1”表示，当 载波信号的相位是180时，用二进制“0”表示.图4-5 QPSK的调制仿真在解调时，解调得到两路信号是I(t)和Q(t)，两路信号经判决后和并/串变换后可解调出原始信息。 图 4-6QPSK的解调仿真4.3多径衰落信道的仿真随参信道有各种各样的，信道的参数不确定的就叫随参信道。实际的通信中大多都是随参信道。恒参信道是比较理想的信道，实际的信道中恒参信道存在的比较少。然而不管是什么样的随参信道都具有相同的特性。特点之一是信号的衰落是不确定的，衰落是随着时间的变化而变化的，特点之二是信号的时间延时也是不确定的，不同的时间点上的时间延时是不同的，是随时间而变的，特点之三是随参信道中存在多径效应。在下图中，其中d为信号直射时传播路径，d1路径为信号经地面反射后的路径，d2路径为信号经散射后的路径。当然实际的多径传输不知有三条路径，有若干条路径，若干条路径大致分为以上的三类。图 4-7多径传输的图示 图 4-8多径信道的仿真由以上的仿真图形可知，接收端接收到的信号时直射信号和反射信号的叠加，有上图可以很明了的看出，并且我们可以很清楚的看到当发射信号的频率改变时信号的衰落也不同，这是是多径信道的特征之一。在接受端接收到的信号中，不仅有直射信号，而且还有反射信号的存在，接收机处接受到的信号在不同的时间点上有不同的特征，如果是在频谱域分析，信号的衰落与频率有关，在某些频率分量上的信号强度是增强的，而在某些频率分量上的信号强度是减弱的。4.4几种合并技术仿真的比较 在分集技术几种接收合并技术中最大比合并的应用最为广泛，在分集支路N很大时，最大比合并的性能比等增益合并的性能要好很多，当分集支路比较少时，例如当分集支路只有两路时等增益合并的分集增益近似等于最大比合并技术的分集增益，即两者的分集增益相差很小。最大比合并的增益随着分集数的增加并不是固定不变的，而是分集增益随着分集增益的增加将有所变化，大概的关系如下图所示图 4-9 最大比合并与分集数的关系信号的输出信噪比是移动通信的最重要的性能指标之一，当然信号的输出信噪比越大越好，信噪比影响通信的质量，信噪比也决定了信号传输的误码率。因此在三种合并方式中，由下图的实验结果可知在相同信噪比的情况下误码率最低的合并技术的性能最好。 图 4-10 三种分集合并方式的比较由上图的实验结果可知：在信噪比相同的情况下，比较它们的误码率，最大比合并的最小，等增益合并的次之，选择式合并的是三种合并技术中最大的。因为选择合并的输出只有一路信号，因此它的性能稍差。并且在信噪比比较小时，它们的误码率相差并不是很大，在信噪比很小很小时，三条曲线几乎是重合的，但是随着信噪比的增大，三者的误码率的差异逐渐增大。结 论移动通信技术的发展是很迅速的，改变着人们的生活，分集改变了多径衰落带给信道的不良影响。由多径衰落信道的仿真可以看出，多径效应影响了无线通信的质量。而采用分集技术后，多径效应对信道的影响会减弱，分集技术可以通过获得分集增益来提高无线通信的质量。论文对有关内容进行了仿真，由此得出结论：分集接收技术确实能够从衰落的多径信道中近似恢复原发送信号。三种分集接收方式大大提高了系统的可靠性，提高了无线通信的质量，最大比合并方式的系统性能比等增益合并方式的性能好，等增益合并方式的系统性能要比选择式合并方式的性能优良。在分集的集数较少时，等增益合并和最大比合并的性能相差很小，选择式合并的输出只有一路信号，因