分集接收技術(shù)

衰落效應(yīng)是影響無(wú)線通信質(zhì)量的主要因素之一。其中的快衰落深度可達(dá)30~40dB，如果想利用加大發(fā)射功率、增加天線尺寸和高度等方法來(lái)克服這種深衰落是不現(xiàn)實(shí)的，而且會(huì)造成對(duì)其它電臺(tái)的干擾。而采用分集方法即在若干個(gè)支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號(hào)，然后通過(guò)合并技術(shù)再將各個(gè)支路信號(hào)合并輸出，那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。相應(yīng)的還需要采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響，以獲得分集增益，提高接收靈敏度，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括移動(dòng)通信，短波通信等隨參信道中。在第二和第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，這些分集接收技術(shù)都已得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)信號(hào)論原理，若有其他衰減程度的原發(fā)送信號(hào)副本提供給接收機(jī)，則有助于接收信號(hào)的正確判決。這種通過(guò)提供傳送信號(hào)多個(gè)副本來(lái)提高接收信號(hào)正確判決率的方法被稱為分集。分集技術(shù)是用來(lái)補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常利用無(wú)線傳播環(huán)境中同一信號(hào)的獨(dú)立樣本之間不相關(guān)的特點(diǎn)，使用一定的信號(hào)合并技術(shù)改善接收信號(hào)，來(lái)抵抗衰落引起的不良影響?？臻g分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機(jī)之間的距離要滿足大于3倍波長(zhǎng)的基本條件。分集的基本原理是通過(guò)多個(gè)信道(時(shí)間、頻率或者空間)接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號(hào)。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限的條件下，發(fā)射機(jī)必須要發(fā)送較高的功率，才能保證信道情況較差時(shí)鏈路正常連接。在移動(dòng)無(wú)線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低發(fā)射功率，這在移動(dòng)通信中非常重要。分集技術(shù)包括2個(gè)方面：一是分散傳輸，使接收機(jī)能夠獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào);二是集中處理，即把接收機(jī)收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個(gè)信號(hào)之間應(yīng)該是“不相關(guān)”的。

總結(jié)起來(lái)，發(fā)射分集技術(shù)的實(shí)質(zhì)可以認(rèn)為是涉及到空間、時(shí)間、頻率、相位和編碼多種資源相互組合的一種多天線技術(shù)。根據(jù)所涉及資源的不同，可分為如下幾個(gè)大類(lèi)：

空間分集我們知道在移動(dòng)通信中，空間略有變動(dòng)就可能出現(xiàn)較大的場(chǎng)強(qiáng)變化。當(dāng)使用兩個(gè)接收信道時(shí)，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時(shí)刻經(jīng)受深衰落谷點(diǎn)影響的可能性也很小，因此這一設(shè)想引出了利用兩副接收天線的方案，獨(dú)立地接收同一信號(hào)，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集?？臻g分集是利用場(chǎng)強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小。這里所提相關(guān)性是個(gè)統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)，表明信號(hào)間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離。經(jīng)過(guò)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，移動(dòng)單元兩天線間距大于0.6個(gè)波長(zhǎng)，即d>0.61，并且最好選在l/4的奇數(shù)倍附近。若減小天線間距，即使小到1/4，也能起到相當(dāng)好的分集效果?？臻g分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)。其中空間分集接收是在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào)，然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)，這種方式稱為空間分集接收。接收端天線之間的距離應(yīng)大于波長(zhǎng)的一半，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說(shuō)，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃??？臻g分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接收天線?？臻g分集還有兩類(lèi)變化形式:. 極化分集:它利用在同一地點(diǎn)兩個(gè)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)可以呈現(xiàn)不相關(guān)的衰落特性進(jìn)行分集接收，即在收發(fā)端天線上安裝水平、垂直極化天線，就可以把得到的兩路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行極化分集。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間;缺點(diǎn):由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，因此有3dB的損失。.角度分集:由于地形、地貌、接收環(huán)境的不同，使得到達(dá)接收端的不同路徑信號(hào)可能來(lái)自不同的方向，這樣在接收端可以采用方向性天線，分別指向不同的到達(dá)方向。而每個(gè)方向性天線接收到的多徑信號(hào)是不相關(guān)的。

頻率分集頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，利用位于不同頻段的信號(hào)經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)特性，即不同頻段衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來(lái)實(shí)現(xiàn)抗頻率選擇性衰落的功能。實(shí)現(xiàn)時(shí)可以將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在頻率不相關(guān)的載波上發(fā)射，所謂頻率不相關(guān)的載波是指當(dāng)不同的載波之間的間隔大于頻率相干區(qū)間，即載波頻率的間隔應(yīng)滿足:分集技術(shù)式中：△f為載波頻率間隔，Bc為相關(guān)帶寬，△Tm為最大多徑時(shí)延差。當(dāng)采用兩個(gè)微波頻率時(shí)，稱為二重頻率分集。同空間分集系統(tǒng)一樣，在頻率分集系統(tǒng)中要求兩個(gè)分集接收信號(hào)相關(guān)性較小(即頻率相關(guān)性較小)，只有這樣，才不會(huì)使兩個(gè)微波頻率在給定的路由上同時(shí)發(fā)生深衰落，并獲得較好的頻率分集改善效果。在一定的范圍內(nèi)兩個(gè)微波頻率f1與f2相差，即頻率間隔△ f=f2-f1越大，兩個(gè)不同頻率信號(hào)之間衰落的相關(guān)性越小。頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點(diǎn)是在接收端可以減少接受天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量，缺點(diǎn)是要占用更多的頻帶資源，所以，一般又稱它為帶內(nèi)(頻帶內(nèi))分集，并且在發(fā)送端可能需要采用多個(gè)發(fā)射機(jī)。

時(shí)間分集時(shí)間分集是將同一信號(hào)在不同時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送時(shí)間間隔足夠大，則各次發(fā)送降格出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的。時(shí)間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計(jì)上互不相關(guān)的特點(diǎn)，即時(shí)間上衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)抗時(shí)間選擇性衰落的功能。為了保證重復(fù)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)具有獨(dú)立的衰落特性，重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔應(yīng)該滿足：分集技術(shù)fm為衰落頻率，V為移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度，最后一個(gè)參數(shù)為工作波長(zhǎng)。若移動(dòng)臺(tái)是靜止的，則移動(dòng)速度v=0，此時(shí)要求重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔才為無(wú)窮大。這表明時(shí)間分集對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)是無(wú)效果的。時(shí)間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時(shí)隙資源增大了開(kāi)銷(xiāo)，降低了傳輸效率。

極化分集在移動(dòng)環(huán)境下，兩副在同一地點(diǎn)，極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在收發(fā)端分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可以得到2 路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)。所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個(gè)物理實(shí)體中，通過(guò)極化分集接收來(lái)達(dá)到空間分集接收的效果，所以極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有2 路。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn)是它的分集接收效果低于空間分集接收天線，并且由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將會(huì)造成3dB的信號(hào)功率損失。分集增益依賴于天線間不相關(guān)特性的好壞，通過(guò)在水平或垂直方向上天線位置間的分離來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集。而且若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對(duì)于極化分集的雙極化天線來(lái)說(shuō)，天線中兩個(gè)交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號(hào)上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個(gè)交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。兩個(gè)交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個(gè)120“扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個(gè)分集接收天線端口信號(hào)的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個(gè)分集接收端口獲得較好的信號(hào)不相關(guān)特性，兩個(gè)端口之間的隔離度通常要求達(dá)到30dB以上。