8.1 分集技术的基本原理在线视频

同学们大家好

那么今天我们讲

第8章的内容

分集与均衡

我们从第三章开始

实际上是按照通信系统的

移动通信系统的

链路处理的顺序

从发送端到接收端

来介绍各项关键技术

那么这一章

我们是给大家介绍一下

移动通信当中

两种经典的对抗衰落的技术

也就是分集技术与均衡技术

那么这一章的内容

我们分为5个方面

前两部分

我们重点来给大家讲述一下

分集技术它的基本原理

以及一种代表性的频率分析技术

也就是RAKE接收

和多径分析

那么第3和第4部分呢

我们来介绍一下

另外一种对抗

多径衰落的典型手段

也就是信道均衡技术

以及它的一些

在3G和4G当中

一些增强性的改进

最后我们做一下本章的总结

那么首先我们先看呢分集

分集的基本原理

它的顾名思义

实际上就是先分后集

所以分集的术语

它的中文表达

其实我认为比英文表达更准确

我们知道

分集的英文

实际上是diversity

这个含义在英文当中

其实主要的含义是分的含义

或者说

那我们在中介领域当中

我们指的是分集

那么在生物学领域当中

这个实际叫做是生物多样性就在

主要指 指的是多种多样分离的

意思

而我们翻成中文以后

反而体现了

分集技术

它的一些辩证的思想

就是我们刚才提到的

它是先分后集

我们从两个方面来看待技术的

作用或者一个消息

那么首先呢我们先看分

它从字面上来理解

或者它的一些核心思想

实际上是要实现的就

采用一些信号处理技术

实现了对混叠以后的信号的有序

分离

就我的首先采用一些技术手段

能够把经过了衰落以后

混叠到一起去的

信号你要分离出来

所以要保证的是有序分离

那么在此基础上

我们在实现有效合并

那么通过把分离之后的信号

做有效合并

最终的目的

就可以提高了

接收信号的质量

所以分集大家看呢

从中文角度来讲

这个词

就简单的两个字

体现了一个辩证法的事情

能够概括的技术的本质

那么分集技术

其实移动通信系统当中

一类典型的抗衰落的技术

那么它可以极大的提高

在这种多进式信道当中

传输的可靠性

我们第二章的内容介绍当中

大家已经了解到

移动信道在小尺度上面是

实际上有空

时频三个维度上的

选择性的衰落

为了对抗这些衰落

采用分集技术

就是一种有效的手段

那么分集技术

在移动通信体制

和系统当中的应用

已经非常的长了

最早期的应用

甚至可以追溯到模拟

就第一代移动通信体制

那么典型的应用

从2G GSM时代

开始

已经被普遍使用

比如说我们可以举两个例子

让大家经常能够在

我们在这种高速公路

行车的时候

能够看到路边上面

有很多的这些铁塔

对吧

铁塔基站

如果是咱们本专业的技术人员

仔细观察的话

你比如说像我就有这种职业病

经常在高速公路上看

你连着高速公路

坐着车走的时候你就能看

老看铁塔看啥

我们仔细观察

铁塔上面往往是这种样子

还是有一个铁架子

其他上面提这样子

比较早的往往是

这样放着是两圈的

两圈

每圈有一根这种立式的

铁棒式的这种天线

这个天线就是典型的GSM

900兆

或者是1800兆

阶段的天线

那么这样的天线

是什么样的一个结构呢

实际上你仔细数一数

大多数典型配置

是3扇区

6天线

三扇区的概念

我们前面介绍

也就是说

我们把一个小区

划分为三个扇区

每个扇区

它其实是覆盖了120度

那么我们可以有一个天线

还是定向天线

指向的这一个扇区

来进行覆盖的

但为什么是6天线呢

这就涉及到分集

我们在下行基站发送信号的时候

其实一般都是单个天线发

单天线发

但在上行接收的时候

因为基站是收 移动才是发

而移动台的信号呢

往往都是

小功率弱信号

那么在基站端

为了提高接收质量CAM

这个空间选择性衰落

因此往往是采用2天线

或者是双天线的收分集

我们可以把

两个天线收到的信号呢合并

这样的话我能够获得

两重的收分集的增益

可以极大的增强

接受信号的质量

对抗性空间与衰落

所以这就是一个典型的

天线分集的技术

所以在GSM当中

已经普遍产生了

这样的一种手段

那么到了3G时代

向CDMA系统当中

我们在发端都采用直扩的方式

把窄带信号扩展到

扩展了一个宽带的信号

那么宽带的信号

可以对抗

在信道传输当中的

各种脉冲

或者窄带干扰

那么多进就会

就是一种典型的窄带干扰

因此它可以抗

接收端怎么来实现

把扩散到宽带信号当中的

或者扩散的多进当中的信号

分离和合并

我们就用到了

扩频序列的码字特征

可以采用RAKE接收机

把分离到 就扩散到

多条路径当中的信号的

在分解出来

然后合并起来

所以 CDMA系统当中的

瑞RAKE接收机

就是一种典型的频率分析的技术

所以这都是一些基本的概念

可以给大家做一个介绍

那么下面我们首先讨论一下

分集的基本概念

把它的一些分类

我们先看分集的必要条件

请大家注意不是

任意的两路信号叠加

就能够获得分集增益

分集

能够取得效果的必要条件

是我需要把两路或者是多路

在统计意义上相互独立的信号

叠加

这样才能够获得

信号质量的提升

至于说

多路信号

它到底是在哪个信号域上来进行

叠加

这是没有限制的

但是请大家注意

必须保证

这些信号是相互独立的

那么如何保证信号相互独立

这是我们在设计分集技术的时候

首先要考虑的问题

你比如说我们举一个例子

空间上如果要分集

你要收分集

我们必须保证

接收到的这两个信号

要相互独立

在空间上是相互独立的

如何保证空间上相互独立呢

其实我们要求这两户接收天线

他们的间距要比较大

一般来讲

至少要大于我的接收电磁波

过长的

10倍

已经10倍的λ这样

在空间上的隔离的距离呢

已经充分的大了

那么从接收到的信号

我们相互独立的

我们再举例子

比如说像频率分析

RAKE接收机

CDMA系统当中采用接收机

那么RAKE接收机

我是要分离的

是频率的信号

那这两个频率

频率分量什么时候

就能保证相互独立

那么这两个信号的频率上的

间隔

要充分的大

大家回忆一下

我们在第二章讲

整个信道

移动信道的时候

曾经提到过

在多进行到当中

会产生频率选择性衰落

如果两个频率分量

它们之间的间隔大于相干带宽的话

这两个频率分量

就是相互独立的

我这换句话讲

你如果采用RAKE接收机

或者频率分集的增益

你要分离的

或者接收的每一条路径的信号

这两条路径必须是可分离性

也就是说他们之间的

频率偏差

或者他们之间的

带宽的差异

至少要大于相关带宽

那么只有频差

超过相关带宽的经济分量

才是相互独立的

才能够进行合并

这就是一些典型的事例

我们再看一下

分集的和

和的话就相当于是

我怎么把这个信号合并

合并的技术

我们在方式上

最常采用的

有三种方式

也就是所谓的

最大比合并

MRC等增益合并

EGC还有选择式合并

那么这些基本概念

我们后面再做进一步的解释

下面我们来讨论

分集技术的分类

分集技术它的分类

其实有多种不同的划分标准

如果我们按照分的方式

可以把它划分为

也就说我们按照

有序分离

是处理的是信号的哪一个不同的

那么按照处理信号域的差异

可以把分集技术划分为是空间

分集

频率分析

时间分析

这样的三类

我们前面其实已经举过例子

比如说空间分析

用两个独立的天线来接收

那就是空间

收分集

如果我们能用两路独立的天线发

那显然就应当是空间发分集

不管是收还是发

如果你用多个天线

那么其实就实现的是空间分析集

那么类似的频率分集

如果我们用CDMA制式的话

RAKE接收机

它接收的是

独立的频率分量合并

这就是频率分析

包括像均衡技术

它也是把多个独立的频率分量

来进行有机合并

也实际上从这个意义上讲

也算是进行了分集

还有包括

频率均衡也是类似的

它的效果是提到了平均分集的

效果

还有像时间分集

假如我们能够

把多个独立时间段的数据进行

合并

这就获得了时间分集的增益

时间分集

其实也有一些典型的例子

比如说像 HARQ 我们在上

一章给大家讲过的

混合自动反馈重传

HARQ技术

像其中的太和gts合并

或者太帕尔增量冗余的方式

那么它是初传的数据

还有重传的数据

因为进行合并

因为你想着初传

占用一个时间段

重船占用另外一个时间段

只要初传和重传

他们时间上是相互独立的

那么通过合并

显然就能够获得能力

信噪比的增益

或者提升信号的质量

所以这就是时间问题

的一个典型例子

我们再看

如果我们按照呢

合并的方式

来划分的话

也有另外有很多的这种类型

比如说按合并方式

我们可以划分为和的方式

可以划分为是

最大比合并

下面我们会解释

EGC也就是等增益合并

还有SC选择合并

我们还可以按照合并的位置

我们把这个信号如何合并

那么具体在接收机的哪个位置

合并

也能够做出区分

那么可以是在

接收机的射频前端

来进行合并

那么这就属于是射频合并

还可以是在接收机的中频处理上

进行合并

这属于是中频合并

当然我们现在

因为数字接收机的普遍使用

其实我们主要用到的是基带合并

在数字接收机这一端来进行合并

那么除掉上述这些

分类方式之外

分集还可以

按照它的发射机和接收机的

处理的手段

可以归纳为三种分集方式

你就所谓的收分集

发分集

还有收发联合分集

这也是一种分类的方式

另外我们还要再给大家

引入一些概念

按照分集所获得的增益的大小

或者说它增益的来源

我们还能够把分集技术

分为是显分集

和隐分集

所谓显分集

如图所示

啥意思呢

就是说我这样的分集增益

是靠付出了设备的成本代价

所换来的

典型的代表就是呢

比如说

天线分集

我额外多增加

一幅天线

那就能获得了两重的分集增益

这个系统性能得到了提升

但是我付出了代价

我的成本翻了一倍

这就是

好

付出成本设备成本的概念

所获得的增益

那种是显示的增

你能看得到

你增加一幅天线

那你就有什么增

再增加一个就三重增

再增加一个四重增

所以这就是显示

那么与之相对应的

我们称为是隐分集

隐分集一般来讲

不用增加硬件的设备

它是靠我去优化信号体制

发端的编码调制

或者信号的波形体制

以及接收端的密码

还有检测算法

我们靠付出一些

优化的这个这个手段

或者说我们靠信号处理的算法

来获得增益

E这种增益

我们就称为是

隐分集增益

一般来讲

显分集

它的增益大

动则会有10几个db

甚至几十个db的增益

但是代价也大

因为它要成本很高

隐分集一般来讲

增益适中

不是增益小

实际上隐分集增益也不算小

只不过比显分集小一些

所以我们叫做增益适中

但是隐分集

不需要付出什么代价

就是稍微增加一些复杂的

在软件或者算法上进行优化

所以

在我们实际通讯系统设计

和优化的时候

这两者是不可偏废的

那么尤其是在成本受限

或者说

是在技术受限的情况下

隐分集它是更重要的

我们可以靠算法的优势

来弥补一些技术手段的限制

从而能够让系统的性能

能够达到整体的最优

好

这就是分集的一些基本概念

下面

我们通过一些分类的介绍

给大家举个例子

说明了各种分集技术

它的特点

和它的优势

首先我们先看到

空间分集技术

空间分集

前面我们已经说了不少

它其实就是靠有多副天线

在空间上的独立的位置

或者独立的区域来

接收

把接收和合并的独立的信号分量

对抗的空间

选择性的衰落

一般来讲

它的付出成本的代价

才能获得增益

除掉这种基本的空间分集手段

以外

我们还有一些变种

比如说所谓的极化分集

以及角度分集

这是两类这种变种的形式

像极化分集

它其实是一幅天线上面

我们设置两种极化的

或者说电磁波的偏振方向

一个比如说水平计划

一个是垂直计划

那么理论上

这两个计划方向

是相互隔离的

或者相互独立的

因此靠这个极化

也能够获得两重的分集增益

不过由于

电磁波在地面传播

正切着地表在受到地理环境的

影响

所以发射端来看的话

实际上两个极化方向是完全正交

但是接收端

它们会有一定的相关性

所以你真正实际系统当中

我们靠两重极化分集

不能够完全获得

两重的理想分集增益

一般来讲

达不到大概有一点几重

达到两重有点难度

另外一种变种叫角度分析

这种变种它讲的是说

比如我们举个例子

典型的天线是个抛面型的

那么它的电磁波辐射

我们是在抛面天线的焦点上

放置信号的发射源

汇源

那么这个信号发射源

在焦点上

辐射的话

那么它就产生了平行的电磁波了

那这就是我们普通的

天线方面

天线

就是这样的一个工作原理

所谓角度分析

辐射源不是位于这个焦点

而是在焦点的

上一次

有一个小的偏差

距离在上下一个偏差

距离上

我们可以放两个辐射源

每个辐射源各自进行

打造抛物面

填一种辐射

因为它们两个点阵的辐射源点源

它们都偏离了焦点一点点

所以它得到的实际上是

一个偏角的辐射

所以两路偏角辐射

它们有一定的空间上的隔离性

接收端

我们可以用单幅抛物线天线

获得了一定分集增益

当然因为这个角度

偏离没那么大

所以实际上也不是完全隔离的

但是可以节省

就额外的一幅天线的成本

所以这就是空间

分级的一些适应

好

我们再来看频率分集

频率分集

它顾名思义

我们依据我们刚才的解释

大家知道实际上是

把宽带的信号落到呢

多径不同的分量

多径分量当中的独立的分量

我们把它先分离再收集起来

从而能够对抗

多径

或者频率选择性的衰落

那么所谓的多径

什么时候就满足独立性的

请大家注意

必须要求整个信号

增量的差

大于相干带宽

所以说

相干带宽

是一个非常重要的指标参数

那么相干带宽和什么有关呢

约等于最大多近10年的

所以它是受多径实验影响的

那么典型的频率分集

比如说

CDMA系统

接收机

这就是一种典型的频率分集

我们再看看时间分集

前面我们也简单的介绍时间分集

它就是把信号扩散到

独立的时间段

然后我们再来进行收集合并

那么典型的事件分析技术

我们前面提到

HARQ这就是典型的时间

分集技术

你比如说我们这儿有一个发送端

发送端

初传的时候

从发端向收端

发了一个数据包

给接受端

那么这个数据包收到以后

我们做CRC校验译码了之后

CRC校验没通过

那说明这里面有错

我们把这份数据留着

然后向发端发了一个反馈

就要求发端进行重传

因为这出传的数据有错

发了一个NACK

信令

发端收到信令之后

知道这个数据没有正确接收

我把这个数据

再传一遍

这就是

这是初传

这是重传第二次传了

那么收端现在就收到了

两份数据

请大家注意

是两个不同时间段说的

第一个是初传时间段收到的

第二份数据是重传时间段收到

那么两份数据

它们经历了不同的衰落

因为它们相互独立

我们可以把这两份数据叠加合并

理论上讲

可以获得三个db的增益

就性价比提升两倍

或者三个db

所以显著的可以改善的

接受内容的质量

以上就是我们对空间

频率

时间分集的一些基本概念介绍

下面我们来从和的角度

来给大家介绍

分集的方式

我们看合并方式当中

典型的代表就这三种

也就是最大比合并MRC

等增益合并

EGC和选择式合并

我们先看一下

最大比合并的方式

MRC

大家看胶片上的示意

所谓MRC它指的是说

我这有一个发天线

这是一个发天线

但是会有多个收天线

我们假设有N个收天线

就一发N收

每一个传输电路

它都会经历独立的衰落

比如说我们发天线

到第一个收天线

经历的衰落是H1

那么第二个收天线

经历的衰落

是H2

依次类推到第N个收天线

所经历的衰落

就是HN我们假设说

是理想状态下

接收端可以通过插入导屏的方式

把每一路信道所经历的衰落

也就信道响应的

可以估出来

做H1H2HN都已知

那么接收端来看每一幅收天线

我都有一个增益调整器

或者说

是一个权重调整单元

它可以调整的权重系数

比如说G1

第一副天线乘G1

第二幅天线乘G2 第N幅天线乘

GN

那么乘完以后

我们再进行同向叠加

也就叠加到一起去

把叠加之后的信号再进行检测

这就是MRC的基本结构

假如我们写成数学公式的话

我们可以这样写

假设说

A2

接收天线

它所收到的信号

YL

如果我们展开写

实际上它的模型

可以写成这种

第A2个

就从发天线到第A2个收天线

衰落系数HA2

乘上呢

我们发射信号

好

那就X然后再加上

噪声

如图所示

那么这是单个接收天线

就第二个接收天线接收信号

我们看一下

合并MRC 合并的结果是什么

MRC合并

结果

就令它等于Y Y实际上应当是

把

所有N路

N副接入天线的信号

进行加权合并

那么权重系数我们就

令它是G

那么gl

假如说第A2

天线 权重系数的gl

Gl应当乘以

它就接受收信号

YL然后加A2

从1到N叠加起来

那么现在我们问的问题是说

权重系数到底怎么取

才能够让合并之后的信噪比

接受信造比最大化

问题啊

其实我们可以在理论上证明

那么采用数学当中著名的不等式

也就是科西施瓦茨不等式

就能够证明

只有权重系数gl

它所对应的信道响应系数

HL的共轭

在加权系数是信道响应系数的

共轭的情况下

那么我们进行了加权合并

可以让输出信噪比最大化

这就是 MRC的一个基本

结构

我们这儿讲的最大比合并

最大的含义指的是信噪比

最大

那么什么时候

能够让信噪比输出信噪的最大

或者合并之后的信道的最大加权

系数

能够和信道响应

是什么进行共轭

那么顺便我们要给大家

提点一些基本概念

这个概念非常的重要

同学们还记得

在本科通信原理当中我们学习过

加性噪声信道当中

最佳的接收机

加性

噪声信道

也就是AWGN信道

或者白造声信道当中

最佳接收机

应当是匹配滤波器

你们还记得吗

匹配滤波器

那么那么匹配滤波器

它的接收滤波器的波形

和谁匹配呢

应当和发送的信号的波形匹配

匹配关系

大家还记得

应当是一个共轭匹配关系

对吧

咱们这时候共轭匹配关系

大家想一想

匹配滤波器实际上是一个时域

匹配

就是我接收机的接收的滤波器

它冲激响应

要和发射的信号波形

时域上进行共轭的匹配

而现在我们讨论的 MRC

这样的一个接收机

它不是时域

它是空域的接收器

因为它是多个天线

我们可以看作是多天线

它实际上接触到的

是有个N维的向量

对吧

N 维向量的每一个维度

或者每一个分量

就是某一路天线的接收信号

它是一个空域接收器

可是完全在数学上

我们可以类比

时域上的最佳接收机

实际上最佳接收机是匹配滤波器

那么由此我们可以扩展

MRC其实空间的匹配滤波器

这是非常重要的一个观点

希望大家能够掌握

所以MRC

并不是个独立的观点

我们可以从匹配接收的观点

把时域上的匹配滤波器

和空域上的最大比合并看

就是一个东西

所以这是一个统一的观点来

对待的

这是一个本质的观点

希望大家能够掌握

正因为他们都是匹配滤波器

所以MRC的最佳

加权重系数就应当是

一发多收的这种适量的信道响应

的共轭匹配

那么每一个系数是共轭的

那么我们从向量上来肯定就是

共轭

MRC的接收增益向量

应当匹配的

一发多收的

信道冲激响应的向量

所以就有它的本质

只有这样做

才能够让输出信道达到最大化

我们再看呢

MRC有什么缺点

MRC的优点

我们

不再重复了

它就是让输出信噪比最大化

但是MRC也有一些缺点

它必须要对每一个支路的信道

响应

进行估计

那么还有进行加权

要进行增益调整

所以它的设备成本是比较高的

那么我们就在设想说

我还想拿到一部

我可以损失一部分

分集增益

不追求输出信噪比最大的话

但是能不能简化一些接收机的

结构

降低成本

能不能把增益调整去掉

这是可以的这样做

我们就得到的是EGC 就所谓的

等增益合并方式

等增益合并方式当中

它还是有N个接收天线的

但是它只是把N个接收天线直接

合并

把天线增益调整去掉

因此它的接收机设备

是极大简化的

但是它的分集增益会有一定的

损失

不过在分集重复比较高的时候

损失不是特别大

大概整个信噪比上的损失

也就大约损失1db左右

但它的接收机的结构

就极其的简单

成本得到了显著的降低

前面我们讲到了

等增益合并的方式

等增益这种合并方式

虽然它损失了一点

信噪比的增益

但是带来了设备

成本的降低

因此人们就在想

还能不能再降

如果再简化

我们还能得到第三种

更简单的合并方式

就是所谓的选择式合并

选择式合并大家看

这是它的结构示意图

也是一发多收

有多副天线

它不仅没有增益调整单元

甚至我们把合并单元也去掉了

就没有叠加单元

而变成了

只是选一个天线通路

就这儿实际上就变成了一个开关

哪一个通路的信道质量

好

或者信号的能量大

我就开关就打到哪一个通路上

只选那路

接收天线的信号

进行检测处理

这就是所谓的选择式合并

正因为它采用这种简单的结构

所以它的设备成本是极低的

但是性能损失也是比较大的

我们可以把这三种合并方式

它的性能增益做一些比较

大家看这个图

横坐标实际上给的是分集支路的

数目

也就是分集的重数

那么最左端的是1

一就是单天线接收

就没有分集增益

那么最右端我们取10

最多是10路天线进行合并

就10重分集

我们看纵坐标

纵坐标

我们的指标

用的是这样的一个指标

也就是说

我们把合并之后的信噪比

与单个天线的信噪比

我们求他们比值的对数

这就相当于合并

采用分集合并的方式

相对于单天线接收

能够获得的增益

这个是性能曲线图当中有三种

合并方式

A是MRC B是EGC C是

SC

合并方式

那么我们看

随着分集重数的增长

这三种合并方式

它们能够获得的分集增益

相对于单支路而言

所获得的信噪比的增益

都趋向于饱和了

大家看这儿是有

也就是它的增益都变平了

就趋向于饱和了

对吧

我们看实际上大约在8重以上

就8重分集以上

增益就不再增长了

所以一般而言

在实际系统当中

我们最多做到8重线性分析

或者是其他的什么路径分析

再高的分集

其实增益不大

同时我们再看

MRC这种机制

和EGC两种机制

其实它们在纵坐标上的差异不大

最多就相差一个db

而它们的最终的趋势上

几乎是一样的

所以我们可以看到

等增益合并

相对MRC略微有一些性能的

损失

但是它的成本

设备成本

能得到的显著的降低

所以它在性能和成本之间

能达到呢比较好的折中

而我们再看

选择式合并

这种合并方式

它的分集增益

损失比较大

相对于前两种方式而言

性能损失是比较显著的

所以只有在成本

极其受限的情况下

才会采用

选择式合并

大多数情况下

我们都会采用前两种

如果说我们追求成本极限

极致的成本节省的话

那么前两种当中

等增益合并

是一种比较好的选择方式

如果我们不考虑成本限制的话

追求性能极限

那么MRC合并是最佳的合并方式

以上就是我们对

分集一些基本概念的介绍