分集技术

信号分散传输和集中接收技术

分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的接收天线来实现。同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。

研究意义

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，如果发射机或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。

图1 移动通信中的分集技术

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。

基本原理

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。

图2 分集技术

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。

分集就是指通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。分集技术包括分集发送技术和分集接收技术，从分集的类型看，使用较多的是空间分集和频率分集，除此之外，还有以下几种：

把空间分集和频率分集组合起来，即发站用两个频率发送同一信息，收站用垂直分隔的两副天线各自接收不同频率的信号，再进行合成或选择，就称为混合分集。此外还有站址分集、时间分集、角度分集等。

由于传播环境的恶劣，微波信号会产生深度衰落和多普勒频移等，使接收电平下降到热噪声电平附近，相位亦随时间产生随机变化，从而导致通信质量下降。对此，采用分集接收技术减轻衰落的影响，获得分集增益，提高接收灵敏度。

技术分类

常用的分集方式主要有两种：宏分集和微分集。

宏分集

宏分集也称为“多基站分集”，主要是用于蜂窝系统的分集技术。在宏分集中，把多个基站设置在不同的地理位置和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信。只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，这种办法就可以保证通信不会中断。它是一种减少慢衰落的技术。

微分集

微分集是一种减少快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。微分集采用的主要技术有：空间分集、极化分集、频率分集、场分量分集、角度分集、时间分集等分集技术。

（1）空间分集

空间分集的基本原理是在任意两个不同的位置上接收同一信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收到的信号衰落是不相关的，也就是说快衰落具有空间独立性。

空间分集也称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集技术。

空间分集至少要两付天线，且相距为d，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动通信中通常取：市区d=0.5，郊区d=0.8，d值越大，相关性就越弱。

图3 空间分集

（2）频率分集

频率分集的基本原理是频率间隔大于相关带宽的两个信号的衰落是不相关的，因此，可以用多个频率传送同一信息，以实现频率分集。

根据相关带宽的定义，即：

式中为时延扩展。在市区，=0.3μs，此时Bc=53kHz。

频率分集需要用两个发射机来发送同一信号，并用两个接收机来接收同一信号。

这种分集技术多用于频分双工(FDM)方式的视距微波通信中。由于对流层的传播和折射，有时会在传播中发生深度衰落。

在实际的使用过程中，常称作1∶N保护交换方式。当需要分集时，相应的业务被切换到备用的一个空闲通道上。其缺点是：不仅需要备用切换，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机。

图4 频率分集

（3）极化分集

极化分集的基本原理是两个不同极化的电磁波具有独立的衰落，所以发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。

极化分集可以看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两付天线(二重分集情况)，但仅仅是利用不同极的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。

在极化分集中，由于射频功率分给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失约3dB左右。

（4）场分量分集

电磁波E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。

一个散射体反射的E波和H波的驻波图形相位相差90°，即当E波为最大时，H波最小。

在移动信道中，多个E波和H波叠加，Ex，Hx，Hy的分量是互相独立的，因此通过接收3个场分量，也可以获得分集的效果。

场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，因此适用于较低(100MHz)工作频段。当工作频率较高时(800～900MHz)，空间分集在结构上容易实现。

（5）角度分集

角度分集的作法是使电波通过几个不同的路径，并以不同的角度到达接收端，而接收端利用多个锐方向性接收天线能分离出不同方向来的信号分量，由于这些信号分量具有相互独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。

（6）时间分集

快衰落除了具有空间和频率独立性以外，还具有时间独立性，即同一信号在不同时间、区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。

时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。

合并技术

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、频域与空域中，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，即在中频和射频上进行合并，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:MaximalRatioCombining）、等增益合并(EGC:EqualGainCombining)、选择式合并(SC:SelectionCombining)和切换合并（SwitchingCombining）。

最大比合并

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

等增益合并原理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。

图5 等增益合并技术

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。

选择式合并

选择式合并系统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。

图6 选择式合并系统

切换合并

切换合并原理图如下：

图7 切换合并原理图

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。

分集技术与合并方式性能比较:

这里比较的主要是最大比合并，等增益合并选择式合并三种方式。

合并性能比较

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。

分集技术与分集改善效果:

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。

分集改善效果

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。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。

分集改善度定义

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。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。基于其技术的数字移动微波主要以进口产品为主，如日立、汤姆迅等，我所的这方面研究正加紧进行，不久即将面世，到那时，移动数字微波将会提供高质量的数字信号，更好的为广播电视等行业服务。

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