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分集接收技术

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  衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达30~40dB,如果想利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不现实的,而且会造成对其它电台的干扰。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号,然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出,那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。相应的还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响,以获得分集增益,提高接收灵敏度,这种技术已广泛应用于包括移动通信,短波通信等随参信道中。在第二和第三代移动通信系统中,这些分集接收技术都已得到了广泛应用。

  根据信号论原理,若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机,则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的,它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点,使用一定的信号合并技术改善接收信号,来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落,但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。

  分集的基本原理是通过多个信道(时间、频率或者空间)接收到承载相同信息的多个副本,由于多个信道的传输特性不同,信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术,在噪声受限的条件下,发射机必须要发送较高的功率,才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中,由于手持终端的电池容量非常有限,所以反向链路中所能获得的功率也非常有限,而采用分集方法可以降低发射功率,这在移动通信中非常重要。

  分集技术包括2个方面:一是分散传输,使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是集中处理,即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此,要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。

  总结起来,发射分集技术的实质可以认为是涉及到空间时间频率相位和编码多种资源相互组合的一种多天线

  我们知道在移动通信中,空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时,它们受到的衰落影响是不相关的,且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小,因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案,独立地接收同一信号,再合并输出,衰落的程度能被大大地减小,这就是空间分集。

  空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的,空间距离越大,多径传播的差异就越大,所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语,表明信号间相似的程度,因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计,CCIR建议为了获得满意的分集效果,移动单元两天线的奇数倍附近。若减小天线,也能起到相当好的分集效果。

  空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后合成或选择其中一个强信号,这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半,以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,也就是说,当某一副接收天线的输出信号很低时,其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象,经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路,得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响,改善了传输的可靠性。

  . 极化分集:它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收,即在收发端天线上安装水平、垂直极化天线,就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。优点:结构紧凑、节省空间;缺点:由于发射功率要分配到两副天线dB的损失。

  .角度分集:由于地形、地貌、接收环境的不同,使得到达接收端的不同路径信号可能来自不同的方向,这样在接收端可以采用方向性天线,分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。

  频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息,然后进行合成或选择,利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性,即不同频段衰落统计特性上的差异,来实现抗频率选择性衰落的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射,所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间,即载波频率的间隔应满足:

  当采用两个微波频率时,称为二重频率分集。同空间分集系统一样,在频率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小(即频率相关性较小),只有这样,才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落,并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差,即频率间隔△ f=f2-f1越大,两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。

  频率分集与空间分集相比较,其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量,缺点是要占用更多的频带资源,所以,一般又称它为带内(频带内)分集,并且在发送端可能需要采用多个发射机。

  时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发,只要各次发送时间间隔足够大,则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点,即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性,重复发送的时间间隔应该满足:

  若移动台是静止的,则移动速度v=0,此时要求重复发送的时间间隔才为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。时间分集与空间分集相比较,优点是减少了接收天线及相应设备的数目,缺点是占用时隙资源增大了开销,降低了传输效率。

  在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线 路衰落特性不相关的信号。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中,通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果,所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。

  这种方法的优点是它只需一根天线,结构紧凑,节省空间,缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线,并且由于发射功率要分配到两副天线dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏,通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。

  而且若采用交叉极化天线,同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说,天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性,并且在整个120“扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性,代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果,要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性,即两个分集接收天线端口信号的不相关性,决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性,两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。

  分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量,以改善传输的可靠性,它也是一项研究利用信号的基本参量在时域频域空域中,如何分散开又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾,在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后,可以通过合并技术来得到分集增益。从合并所处的位置来看,合并可以在检测器以前,即在中频射频上进行合并,且多半是在中频上合并;合并也可以在检测器以后,即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要分为四种:最大比值合并(MRC:Maximal Ratio Combining)、等增益合并(EGC:Equal Gain Combining)、选择式合并(SC:Selection Combining)和切换合并(Switching Combining)。

  在接收端由多个分集支路,经过相位调整后,按照适当的增益系数,同相相加,再送入检测器进行检测。在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正,并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。

  最大比合并方案在收端只需对接收信号做线性处理,然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数N 成正比。

  等增益合并也称为相位均衡,仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式,只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下,在信噪比最大化的意义上,它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。对CDMA系统,它维持了接收信号中各用户信号间的正交性状态,即认可衰落在各个通道间造成的差异,也不影响系统的信噪比。当在某些系统中对接收信号的幅度测量不便时选用EGC。

  当N (分集重数)较大时,等增益合并与最大比值合并后相差不多,约仅差1dB 左右。等增益合并实现比较简单,其设备也简单。

  采用选择式合并技术时, N 个接收机的输出信号先送入选择逻辑,选择逻辑再从N 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。每增加一条分集支路,对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。

  接收机扫描所有的分集支路,并选择SNR在特定的预设门限之上的特定分支。在该信号的SNR 降低到所设的门限值之下之前,选择该信号作为输出信号。当SNR 低于设定的门限时,接收机开始重新扫描并切换到另一个分支,该方案也称为扫描合并。由于切换合并并非连续选择最好的瞬间信号,因此他比选择合并可能要差一些。但是,由于切换合并并不需要同时连续不停的监视所有的分集支路,因此这种方法要简单得多。

  对选择合并和切换合并而言,两者的输出信号都是只等于所有分集支路中的一个信号。另外,它们也不需要知道信道状态信息。因此,这两种方案既可用于相干调制也可用于非相干调制。

  可以看出,在这三种合并方式中,最大比值合并的性能最好,选择式合并的性能最差。当N较大时,等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。

  分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比,对减轻深衰落影响所得到的效果(好处)。为了定量的衡量分集的改善程度,常用标称改善效果,即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。

  现用下面的分集效果改善图加以说明。图中的纵坐标及横坐标的意义已经标出。曲线A表示在深衰落情况下无分集时的相对电平累积分布曲线;曲线B表示采用分集接收的相对电平累积分布曲线。

  分集增益是指在某一累积时间百分比内,分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平差越大,分集增益越高,说明分集改善效果越好。例如下图中,对应50%、5%、0.1%的累积时间百分比时,这一电平差分别为3dB、5.5dB、14dB。积累时间百分比越小,分集增益越高。0.1%时间百分比的分集增益为14dB意味着:无分集时由曲线A查出此时的衰深深度比自由空间收信电平低30dB;采用分集技术后,由曲线B查出此时的衰落深度仅比自由空间收信电平低16dB。可见分集接收使衰落深度减轻了14dB。

  分集改善度是指在某一相对的收信电平时,单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。其比值越大,说明分集改善效果越好。在上图中,当收信电平低于自由空间收信电平20dB时,单一接收与分集接收对于同一收信电平,其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%,两者的比值为100,亦即分集改善为100。在数字微波系统中,不管采用哪一种分集接收方式,都会使系统的有效衰落储备增加,即抗频率选择性衰落的能力增强。还能不同程度地改善带内失真,改善交叉极化鉴别度。

  分集接收技术是一项主要的抗衰落技术,他可以大大提高多径衰落信道传输下的可靠性,在实际的移动通信系统中,移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中,而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等的传播路径后,到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加,使接收到的信号幅度出现随机起伏变化,形成多径衰落。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅,并附加有信道噪声,它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强,导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响,使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变,甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错,以至完全不能通信。此外,如果发射机接收机处于移动状态,或者信道环境发生变化,会引起信道特性随时间随机变化,接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。在实际的移动通信中,除了多径衰落外还有阴影衰落。当信号受到高大建筑物(例如移动台移动到背离基站的大楼面前)或地形起伏等的阻挡,接收到的信号幅度将降低。另外,气象条件等的变化也都影响信号的传播,使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特性,它给移动通信带来了不利的影响。

  为了提高移动通信系统的性能,可以采用分集,均衡和信道编码这3种技术来改进接收信号质量,它们既可以单独使用,也可以组合使用。