射频接收机非线性对分集与复用影响分析

刘锡国 刘敏 赵志勇 刘传辉 张磊

（1. 海军航空大学航空通信教研室，烟台 264001；2. 信号与信息系统山东省重点实验室，烟台 264001）

引 言

随着移动通信技术的发展和人们对提高无线通信传输速率需求的日益迫切，多天线通信系统(multiantenna communication system)[1-2]逐 渐 走 向 实 用. 如在民用领域，传统的单输入单输出(single-input singleoutput, SISO)通信系统面临严峻考验，采用多根发射天线和多根接收天线的多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)通信系统逐渐普及[3-4]. MIMO系统作为新一代移动通信系统当中采用的关键技术之一，能够提供更多的自由度，可以有效提高系统可靠性和传输速率. 然而，在一些特殊应用如军事通信中，由于地理物理条件限制、系统体制的惯性以及应用场景功率、频率、带宽等因素受限，SISO、多输入单 输 出(multiple-input single-output, MISO)、单 输 入多输出(single-input multiple-output, SIMO)等非MIMO结构的通信系统仍然广泛应用.

多天线技术在移动通信系统中主要有两类应用：1)只在接收端采用多根天线，通过天线选择或者线性合并来获得更好的可靠性[5]；2)在发射端采用多根天线，通过波束成形处理，同样可以获得可靠性方面的收益.

上述两类通信系统，只在一端配置多天线，即通常所说的SIMO 和MISO 结构，这两种结构对于系统信 道 容 量 的 提 升 是 有 限 的. 1996 年，Bell 实 验 室 的Foschini 给出了同样的结论，并先后提出了对角分层空时编码(diagonal Bell Laboratory layered space-time,D-BLAST)处理结构[6]以及实现更简单的垂直分层空时编码 (vertical Bell Laboratory layered space-time,V-BLAST)结构[7]，这些研究结果为MIMO 系统的发展扫清了障碍. MIMO 系统既可以分集提高可靠性，也可以复用以提高系统的传输速率[8-11].

虽然关于射频收发信机非理想导致的系统性能损失一直是较为热门的研究方向[12-15]，但目前研究往往聚焦于发射机末级放大器的非线性情况，通过建立放大器模型分析其对系统性能的影响. 但实际上，射频接收机放大器，尤其是末级放大器存在的非线性也会对系统性能造成较大影响[16]. 本文以包括射频发射机、传播介质和射频接收机的复合信道为研究对象，着重讨论了射频接收机的非线性对系统分集与复用折中性能的影响.

1 理想情况下分集与复用折中的定义

在射频发射机、射频接收机和传输介质的复合信道模型中，MIMO 系统既可以获得分集增益，也可

2 射频接收机非线性对系统性能的影响

鉴于理想情况下分集增益与复用增益的定义与归一化AWGN 信道条件下的信噪比有很大关系，因此首先分析射频接收机非线性对系统性能的影响.

对于普通“低成本”射频接收机的基站到终端的下行链路而言，即便射频接收机的放大器均在线性区(输出功率低于1 dB 压缩点对应的输出功率)，3 阶互调失真也会对系统的性能造成很大影响[16]，这种影响主要与射频接收机末级放大器的质量以及输出功率有关.

图1 给出了复合信道的等效模型. 其中，AMP0为等效发端放大器，DSA 为数字步进衰减器，AMP1与AMP2为等效收端放大器. 对于归一化AWGN 信道来说，信道增益为1，发射功率为ST，噪声功率为NR，总的3 阶互调失真的功率为IR，则接收天线平均信噪比S NRT和射频接收机输出的平均信噪比S NRR可表示为

图1 复合信道等效模型Fig. 1 Equivalent structure of composite channel

对比理想情况，如沿用理想情况下分集增益与复用增益的定义，可得到考虑射频接收机非线性时定义：

3 非线性射频接收机分集与复用折中

2)在实际的多载波传输系统中，3 阶互调干扰之间几乎没有相关性，其分布更接近高斯白噪声；

3)实际中在接收端进行处理时，也多将3 阶互调干扰当作高斯白噪声.

这里需要说明的是，虽然将3 阶互调干扰当作噪声处理，但其平均功率谱密度由接收机的输出功率决定，即

图2 考虑射频接收机3 阶互调失真情况下分集与复用关系Fig. 2 Diversity and multiplexing relationship considering the third-order intermodulation distortion of RF receiver

综上所述，当 0 ＜ε ≤1时，折中结果如式(27) 所示. 其中，当ε =1时，存在如下关系：

换而言之，如果目标速率按照式(17)变化，且发送平均功率满足式(28)，则可以得到与理想情况相同的分集与复用折中结果.

以上讨论的是MIMO 系统情况，复用增益r对应于系统的子流数. 但是在SISO 系统当中，子流数最多为1，也就是说最多有一个独立数据流会受到3 阶互调失真的影响，所以关于复用增益的定义也要有所区别.

令复用增益为r*，若想在SISO 系统中获得分集与复用的折中，目标速率应该按照如下规律增长：

4 结 论

本文对射频接收机非线性对分集与复用折中情况进行了研究，在对SISO 与MIMO 系统中分集增益与复用增益重新定义后，可以得出如下结论：

1)在单天线SISO 系统中，在射频接收机非线性主要是3 阶互调失真影响下，系统分集与复用的折中与文献[5]中单天线的结果一致，为d(r*)=1-r*.

2)在多天线MIMO 系统中，假定各射频接收机的非线性情况相同，在射频接收机非线性主要是3 阶互调失真影响下，相比于文献[5]中的结论，分集与复用的折中结果为d=ε(m-r)(n-r)， 且 ε不同，折中的结果也相应产生差异.

总之，在考虑射频接收机3 阶互调失真影响后，需要对原有的分集增益和复用增益进行修正，进而得到修正之后的分集与复用折中性能，即按照修正之后的复用增益改变目标速率，可以得到考虑射频接收机3 阶互调失真之后系统分集与复用之间的最优折中.