分集技术

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。分集技术介绍 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。分集技术的基本原理 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。 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ldquo;不相关rdquo;的。分集技术的研究意义 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。 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。

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）。 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。 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。

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: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）。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。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。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。 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。三种合并方式性能比较可以看出，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。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。

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。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。