高速衰落多径信道中时间尺度分集接收机的分析

［!］ 等基于无线信道的规范时频表示， 提出了时频 ’()* 接收机， 利用短时付氏变换 ,# ]# I(L**P 来估计信道参量以高效地实现多径 3 多普勒频率联合分集， 性能分析表明： 即使相对较小的
\DXXK* 扩展也会产生很大的分集增益。 ［2］ 但是， 时频 ’()* 接收机只有在满足 “窄带条件” 的情况下才是最佳的，
表" 三种信道模型不同的信道环境下的有效处理时间
收发信机 相对静止 抽头延迟线 扩展函数模型 时间 $ 尺度模型 无穷大 无穷大 无穷大 收发信机径向相 对速度恒定 （$) ） % ! &" ’ 无穷大 % # &" 收发信机径向 加速度恒定 / / ! %’
%2
%
其中， （$) ） 从上表我们可以看到， 传统 #$%& 接收机只能适用于慢衰 % 为信道的相干时间。 落的情况。 而时间 $ 尺度模型具有最长的有效处理时间， 其参量估计更强健。
（!# 9I0 0(J;D<(K -*L @(M# DN O;P;(< Q<;R*ST;JL， O;U(< $!%%$!， VB;<(； "# ,SJ;KK*SL ,G(P*WL， C*N*; "&%%&!， VB;<(）
9:$-&%’-$： /B* ’,-. S*G*;R*S X*SNDSW(<G* ;T T;E<;N;G(<JKL P*ES(P*P ;< GDWWH<;G(J;D< DR*S N(TJ N(P;<E WHKJ;X(JB GB(<<*KT# 8(T*P D< ,Y/ (<P J;W* (<P TG(K* S*TDKHJ;D< DN ( T;E<(K， JB;T X(X*S， R;( JB*DS*J;G(K (<(KLT;T (<P GDW= XHJ*S T;WHK(J;D<， *>XKDS*T GB(<<*K WDP*K;<E (<P JB* X*SNDSW(<G* DN JB* J;W*=TG(K* ’,-. S*G*;R*S， (<P W()*T GD<JS(TJ Z;JB JS(P;J;D<(K ’()* S*G*;R*S# /B* T;WHK(J;D< S*THKJT ;<P;G(J* JB(J ;J G(< ZDS) M*JJ*S JB(< JS(P;J;D<(K ’()* S*G*;R*S ;< N(TJ N(P;<E WHKJ;=X(JB GB(<<*KT# （,Y/） ； ;#3 <)&1$： N(TJ=N(P;<E； WHKJ;X(JB GB(<<*KT； (HJD Z(R*K*J JS(<TNDSW J;W*=TG(K* ’()* S*G*;R*S
7 & -
（5）
3 （ "） 为估计的信号成分。 % 下面我们就可以对接收机的性能进行分析。 （)）首先考虑单路径非衰落的情况： 此时， （ - ）$ -’ ; 7， 7 $ 8 6， 9:# 8 6 表示信号每比特的 能量， 那么， 接收机的误码率表达式为 - ’ ; 7 为噪声的双边功率谱密度。 （"7 8 6 ; -’ ） （)’） .$ $ < ) 2 + "7 ; 7 （ ! ）$ 式中 < $ 3" "7 !! （7）当有多个路径存在但不可分时， 信道等价于单路径 !"8*$9,: 衰落信道， 时间尺度 !"#$ 接收机的误码率可表示为
"
=
引言
［! [ &］ 在无线通信当中， 多径衰落严重地影响了系统的性能 。 为了抑制多径衰落的影响， 需
在接收机和发射机中采用高效的分集技术。 传统的分集技术都是从一维的角度来考虑信道特 性。 多径衰落信道是一种时变信道， 需采用时频二维处理技术来充分利用信道提供的内在的分 集。 传统 \I + V\], 系统通过扩展频谱和 ’()* 接收以实现多径分集。 它对于慢衰落信道是最佳 的。 当 信 道 为 快 速 衰 落 时，由 于 对 信 道 状 态 估 计 的 错 误， ’()* 接 收 机 的 性 能 就 会 下 降。
) ； 并假定信道参量能够完全 =
?
.= $
（) + > ） [) ] 7
= = +)
! ?$’
+)& ? （) & > ） ] (= )[ ) 7 ?
（)7）
・ 4! ・
通
信
学
报
!### 年
! "
!
! （ # # " $ %# !） ! （ $& # # " $ %# !）
而传统的 %&’( 接收机只能分离延迟不同的多径分量， 所以其分集级数少； 同时其在分离 延迟不同的多径时也会引入相关损失， 因此在满足 “宽带条件”下， %&’( 接收机的性能会远远 低于时间尺度接收机。 下面的模拟实验也证明了这一点。 !"# 实验研究 在实验中， 我们利用下列方法设计两个宽带子波 （ ： 首先产生两个长度 % 分别为 $!) ’ (） 和 *! 的高斯分布伪随机序列 ’ （ )） ， 然后用矩形波进行调制。 其时宽 *’ 为 $， 带宽 +’ 近似为 $!) 和 *!。 本实验采用了 + 种信道模型： （$）单路径无衰落； （!）单路径 %&,-(./0 衰落； （*）两路径 （+）三 路 径 %&,-(./0 衰 落。其 对 应 的 接 收 信 号 分 别 为： %&,-(./0 衰 落； ( - "$ $ 、 ’ ,$ , !$
#
时间 $ 尺度联合分集接收机
自子波变换 （’01） 是指子波函数关于自身的连续子波变换， 自子波变换可以解释为子波
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4期
毕见鑫等： 高速衰落多径信道中时间 % 尺度分集接收机的分析
・ () ・
函数与其自身的伸缩和平移后的信号进行了相关运算。 接收机利用自子波变换来提取多径分 量并进行最大比合并， 以实现时间尺度联合分集。 此方法类似于传统的 !"#$ 接收机， 只不过在 多个尺度上采用了并行 !"#$ 结构。 !"# 时间 % 尺度联合分集接收机的性能分析与比较 假定发射端采用二进制波形编码， 发射波形 ! （ "） 为宽带子波， 则接收信号可表示为 （ （ "） # " ）$ （ % " ）& ’
(
)
*$ +, ’$’
! ! .*，’!*，’
(
)
其中， 1 -". 表示某一多径相对于接收机的最大径向速度。 3 *， 当发射信号到达接收机后， 首先对其进行 /01 来估计信道参量 . 其表达式为 ’， ) 3 *， . ’ $ / "
$
&2 +2
（ （ # "） !* ， 3" $ ’ "）
) / "
（!# 西安电子科技大学 综合业务网国家重点实验室， 陕西 西安 安徽 合肥 $!%%$!；"# 炮兵学院， "&%%&!）
要： 在高速衰落多径信道中， 传统的 ’()* 接收机的性能会大大降低。本文基于自子波变换和
时间、 尺度分辨率的概念， 从理论和仿真实验两方面对信道建模和时间 + 尺度 ’()* 接收机进行了 分析， 并与传统的 ’()* 接收机进行了比较， 结果表明时间 + 尺度联合分集能有效地克服高速衰落 多径信道的影响。 关键词： 快速衰落； 多径信道； 自子波变换； 时间 + 尺度 ’,-. 接收机 中图分类号： /01!2 文献标识码： , 文章编号： （"%%%） !%%% 3 2&4 5 %6 3 %%41 3 %7
$
.) $
) 7 )+
(
"
7 （ 8 6 ; -’ 8 "） 7 （ )& 8 8 6 ; -’ "）
)
（))）
式中， " 为信号的衰落因子 （;）考虑有 = 个可分路径存在的情况。 时间尺度 !"#$ 接收机能够同时在时间和尺度上分
7 离多径。 假设第 ’ 个路径的 !"8*$9,: 衰落因子" 为"’ ， （ 8 "’ ）$ ［;］ 估计且接收机采用最大比合并时， 其误码率表达式为
收稿日期： 修订日期： !111 3 %7 3 !"； "%%% 3 %2 3 "1 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （416$"%"$）
・ 2/ ・
通
信
学
报
"/// 年
（!） ! " ! ! " # $ % " ! $ &’ 其中， # 表示收发信机的相对径向速度， % 为电磁波在媒质中的传播速度， ! 表示接收信号的尺 度参量， 当 “窄带条件”被破坏时， 其性能就会大大下 & 表示信号的时宽， ’ 表示信号的带宽。 降。 所以， 本文主要研究在满足 “宽带条件” 的前提下， 在高速衰落的多径信道中实现宽带通信 的有关问题， 包括信道建模、 接收机的性能分析等。
) -
（&） （(）
（ " ）$ ( % 其中， !* ， ’ $
" +! ) * . * 上式中， （ 自子波变换的 ! / ）0! $ ’/* 0! $ ’/* !， ， ， / $ /’ ， *， ’ $ . / $ /’ 。 ’! ’ ’! ’ / / " ， 它由发射信号 ! （ "） 的时间和尺度分辨率来决定， 采样格为 （ / ）$（ ’/* /* / ’ 为信号的 !， ’! ’， ’） 尺度分辨率， 且有 , # * # ) 。 ) 和 , 值由下式确定 !’ 为信号的时间分辨率； ) ) $「 *+, /（ ) & 1 -". % 2 ） , $「 *+, /’ ’ ) + 1 -". % 2