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分集接收技术分集接收技术 陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信道引起的多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散等，会严重影响接收信号质量，使通信系统性能大大降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用抗衰落的有效措施。常采用的技术措施有抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、分集接收技术等。其中分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。所谓分集接收，是指接收端按照某种方式使它收到的携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。从广义信道的角度来看，分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分，通过分集接收使包括分集接收在内的随参信道衰落特性得到改善。分集接收包含有两重含义：一是分散接收，使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；二是集中处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。分集方式分集方式 为了在接收端得到多个互相独立或基本独立的接收信号，一般可利用不同路径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集方式也有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等多种方式。1.空间分集空间分集 空间分集是接收端在不同的位置上接收同一个信号，只要各位置间的距离大到一定程度，则所收到信号的衰落是相互独立的。因此，空间分集的接收机至少需要两副间隔一定距离的天线，其基本结构如图 1所示。图中，发送端用一副天线发射，接收端用N副天线接收。图1 空间分集示意图 为了使接收到的多个信号满足相互独立的条件，接收端各接收天线之间的间距应满足 d3 式中，d为接收端各接收天线之间的间距，为工作频率的波长。通常，分集天线数(分集重数)越多，性能改善越好。但当分集重数多到一定数时，分集重数继续增多，性能改善量将逐步减小。因此，分集重数在 24 重比较合适。2.频率分集频率分集 频率分集是将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波频率之间的间隔大到一定程度，则接收端所接收到信号的衰落是相互独立的。在实际中，当载波频率间隔大于相关带宽时，则可认为接收到信号的衰落是相互独立的。因此，载波频率的间隔应满足 式中，f为载波频率间隔，Bc为相关带宽，m为最大多径时延差。在移动通信中，当工作频率在900MHz频段，典型的最大多径时延差为5 s，此时有 3.时间分集时间分集 时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。在移动通信中，多普勒频移的扩散区间与移动台的运动速度及工作频率有关。因此，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满足 式中，fm为衰落频率，v为移动台运动速度，为工作波长。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t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。以上介绍的是几种显分集方式，在CDMA系统中还采用Rake接收机形式的隐分集方式。另外，在实际应用中还可以将多种分集结合使用。例如在CDMA移动通信系统中，通常将空间分集与Rake接收相结合，改善传输条件，提高系统性能。合并方式合并方式 在接收端采用分集方式可以得到N个衰落特性相互独立的信号，所谓合并就是根据某种方式把得到的各个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。合并可以在中频进行，也可以在基带进行，通常是采用加权相加方式合并。假设N个独立衰落信号分别为r1(t),r2(t),rN(t)，则合并器输出为式中，ai为第i个信号的加权系数。选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的三种合并方式是：选择式合并、等增益合并和最大比值合并。表征合并性能的参数有平均输出信噪比、合并增益等。1.选择式合并选择式合并 选择式合并是所有合并方式中最简单的一种，其原理是检测所有接收机输出信号的信噪比，选择其中信噪比最大的那一路信号作为合并器的输出，其原理图如图 2所示。选择式合并的平均输出信噪比为合并增益为图 2 选择式合并原理图 式中，为合并器平均输出信噪比，为支路信号最大平均信噪比。可见，对选择式分集，每增加一条分集路径，对合并增益的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。2.等增益合并等增益合并 等增益合并原理如图 3 所示。当加权系数k1=k2=kN时，即为等增益合并。假设每条支路的平均噪声功率是相等的，则等增益合并的平均输出信噪比为 合并增益为图 3 等增益合并、最大比值合并原理式中，为合并前每条支路的平均信噪比。3.最大比值合并最大比值合并 最大比值合并方法最早是由Kahn提出的，其原理可参见图 3。最大比值合并原理是各条支路加权系数与该支路信噪比成正比。信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。若每条支路的平均噪声功率是相等的，可以证明，当各支路加权系数为 时，分集合并后的平均输出信噪比最大。式中，Ak为第k条支路信号幅度，2为每条支路噪声平均功率。最大比值合并后的平均输出信噪比为 合并增益为 可见，合并增益与分集支路数N成正比。三种分集合并的性能如图 4所示。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。比较式可以看出，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。图 4 三种分集合并的性能比较