分集技術

分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常通過兩個或更多的接收天線來實現。同均衡器一樣，它在不增加傳輸功率和頻寬的前提下，而改善無線通信信道的傳輸質量。在移動通信中，基站和移動台的接收機都可以採用分集技術。

分集是接收端對它收到的衰落特性相互獨立地進行特定處理，以降低信號電平起伏的辦法。分集是指分散傳輸和集中接收。所謂分散傳輸是使接收端能獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號。集中接收是接收機把收到的多個統計獨立的衰落信號進行合併(選擇與組合)以降低衰落的影響。

根據信號論原理，若有其他衰減程度的原傳送信號副本提供給接收機，則有助於接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判決率的方法被稱為分集。分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常利用無線傳播環境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點，使用一定的信號合併技術改善接收信號，來抵抗衰落引起的不良影響。空間分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機之間的距離要滿足大於3倍波長的基本條件。

基本介紹

• 中文名：分集技術
• 外文名：Diversity
• 根據：信號論原理
• 影響因素：衰落效應
• 作用：有助於接收信號的正確判決
• 套用學科：通信

研究意義

在實際的移動通信系統中，移動台常常工作在城市建築群或其他複雜的地理環境中，而且移動的速度和方向是任意的。傳送的信號經過反射、散射等的傳播路徑後，到達接收端的信號往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現隨機起伏變化，形成多徑衰落。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，並附加有信道噪聲，它們的疊加會使複合信號相互抵消或增強，導致嚴重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率並增加干擾的影響，使得接收機的接收信號產生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統解調器輸出出現大量差錯，以至完全不能通信。此外，如果發射機或接收機處於移動狀態，或者信道環境發生變化，會引起信道特性隨時間隨機變化，接收到的信號由於都卜勒效應會產生更為嚴重的失真。在實際的移動通信中，除了多徑衰落外還有陰影衰落。當信號受到高大建築物（例如移動台移動到背離基站的大樓面前）或地形起伏等的阻擋，接收到的信號幅度將降低。另外，氣象條件等的變化也都影響信號的傳播，使接收到的信號幅度和相位發生變化。這些都是移動信道獨有的特性，它給移動通信帶來了不利的影響。

圖1 移動通信中的分集技術

為了提高移動通信系統的性能，可以採用分集，均衡和信道編碼這3種技術來改進接收信號質量，它們既可以單獨使用，也可以組合使用。

基本原理

分集的基本原理是通過多個信道（時間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個副本，由於多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復出原傳送信號。如果不採用分集技術，在噪聲受限的條件下，發射機必須要傳送較高的功率，才能保證信道情況較差時鏈路正常連線。在移動無線環境中，由於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，而採用分集方法可以降低發射功率，這在移動通信中非常重要。

圖2 分集技術

分集技術包括2個方面：一是分散傳輸,使接收機能夠獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號;二是集中處理,即把接收機收到的多個統計獨立的衰落信號進行合併以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個信號之間應該是“不相關”的。

分集就是指通過兩條或兩條以上途徑傳輸同一信息，以減輕衰落影響的一種技術措施。分集技術包括分集傳送技術和分集接收技術，從分集的類型看，使用較多的是空間分集和頻率分集，除此之外，還有以下幾種：

把空間分集和頻率分集組合起來，即發站用兩個頻率傳送同一信息，收站用垂直分隔的兩副天線各自接收不同頻率的信號，再進行合成或選擇，就稱為混合分集。此外還有站址分集、時間分集、角度分集等。

由於傳播環境的惡劣，微波信號會產生深度衰落和都卜勒頻移等，使接收電平下降到熱噪聲電平附近，相位亦隨時間產生隨機變化，從而導致通信質量下降。對此，採用分集接收技術減輕衰落的影響，獲得分集增益，提高接收靈敏度。

技術分類

目前常用的分集方式主要有兩種：宏分集和微分集。

宏分集

宏分集也稱為“多基站分集”，主要是用於蜂窩系統的分集技術。在宏分集中，把多個基站設定在不同的地理位置和不同的方向上，同時和小區內的一個移動台進行通信。只要在各個方向上的信號傳播不是同時受到陰影效應或地形的影響而出現嚴重的慢衰落，這種辦法就可以保證通信不會中斷。它是一種減少慢衰落的技術。

微分集

微分集是一種減少快衰落影響的分集技術，在各種無線通信系統中都經常使用。目前微分集採用的主要技術有：空間分集、極化分集、頻率分集、場分量分集、角度分集、時間分集等分集技術。

（1）空間分集

空間分集的基本原理是在任意兩個不同的位置上接收同一信號，只要兩個位置的距離大到一定程度，則兩處所收到的信號衰落是不相關的，也就是說快衰落具有空間獨立性。

空間分集也稱為天線分集，是無線通信中使用最多的分集技術。

空間分集至少要兩付天線，且相距為d，間隔距離d與工作波長、地物及天線高度有關，在移動通信中通常取：市區d=0.5，郊區d=0.8，d值越大，相關性就越弱。

圖3 空間分集

（2）頻率分集

頻率分集的基本原理是頻率間隔大於相關頻寬的兩個信號的衰落是不相關的，因此，可以用多個頻率傳送同一信息，以實現頻率分集。

根據相關頻寬的定義，即：

式中為時延擴展。在市區，=0.3μs，此時Bc=53kHz。

頻率分集需要用兩個發射機來傳送同一信號，並用兩個接收機來接收同一信號。

這種分集技術多用於頻分雙工(FDM)方式的視距微波通信中。由於對流層的傳播和折射，有時會在傳播中發生深度衰落。

在實際的使用過程中，常稱作1∶N保護交換方式。當需要分集時，相應的業務被切換到備用的一個空閒通道上。其缺點是：不僅需要備用切換，而且需要有和頻率分集中採用的頻道數相等的若干個接收機。

圖4 頻率分集

（3）極化分集

極化分集的基本原理是兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落，所以傳送端和接收端可以用兩個位置很近但為不同極化的天線分別傳送和接收信號，以獲得分集效果。

極化分集可以看成是空間分集的一種特殊情況，它也要用兩付天線(二重分集情況)，但僅僅是利用不同極的電磁波所具有的不相關衰落特性，因而縮短了天線間的距離。

在極化分集中，由於射頻功率分給兩個不同的極化天線，因此發射功率要損失約3dB左右。

（4）場分量分集

電磁波E場和H場載有相同的訊息，而反射機理是不同的。

一個散射體反射的E波和H波的駐波圖形相位相差90°，即當E波為最大時，H波最小。

在移動信道中，多個E波和H波疊加，Ex，Hx，Hy的分量是互相獨立的，因此通過接收3個場分量，也可以獲得分集的效果。

場分量分集不要求天線間有實體上的間隔，因此適用於較低(100MHz)工作頻段。當工作頻率較高時(800～900MHz)，空間分集在結構上容易實現。

（5）角度分集

角度分集的作法是使電波通過幾個不同的路徑，並以不同的角度到達接收端，而接收端利用多個銳方向性接收天線能分離出不同方向來的信號分量，由於這些信號分量具有相互獨立的衰落特性，因而可以實現角度分集並獲得抗衰落的效果。

（6）時間分集

快衰落除了具有空間和頻率獨立性以外，還具有時間獨立性，即同一信號在不同時間、區間多次重發，只要各次傳送的時間間隔足夠大，那么各次傳送信號所出現的衰落將是彼此獨立的，接收機將重複收到的同一信號進行合併，就能減小衰落的影響。

時間分集主要用於在衰落信道中傳輸數位訊號。

合併技術

分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸的可靠性，它也是一項研究利用信號的基本參量在時域、頻域與空域中，如何分散開又如何收集起來的技術。“分”與“集”是一對矛盾，在接收端取得若干條相互獨立的支路信號以後，可以通過合併技術來得到分集增益。從合併所處的位置來看，合併可以在檢測器以前，即在中頻和射頻上進行合併，且多半是在中頻上合併；合併也可以在檢測器以後，即在基帶上進行合併。合併時採用的準則與方式主要分為四種：最大比值合併（MRC:MaximalRatioCombining）、等增益合併(EGC:EqualGainCombining)、選擇式合併(SC:SelectionCombining)和切換合併（SwitchingCombining）。

最大比合併

在接收端由多個分集支路，經過相位調整後，按照適當的增益係數，同相相加，再送入檢測器進行檢測。在接受端各個不相關的分集支路經過相位校正，並按適當的可變增益加權再相加後送入檢測器進行相干檢測。在做的時候可以設定第i個支路的可變增益加權係數為該分集之路的信號幅度與噪聲功率之比。

最大比合併方案在收端只需對接收信號做線性處理，然後利用最大似然檢測即可還原出發端的原始信息。其解碼過程簡單、易實現。合併增益與分集支路數N成正比。

等增益合併

等增益合併原理等增益合併也稱為相位均衡，僅僅對信道的相位偏移進行校正而幅度不做校正。等增益合併不是任何意義上的最佳合併方式，只有假設每一路信號的信噪比相同的情況下，在信噪比最大化的意義上，它才是最佳的。它輸出的結果是各路信號幅值的疊加。對CDMA系統，它維持了接收信號中各用戶信號間的正交性狀態，即認可衰落在各個通道間造成的差異，也不影響系統的信噪比。當在某些系統中對接收信號的幅度測量不便時選用EGC。

圖5 等增益合併技術

當N（分集重數）較大時，等增益合併與最大比值合併後相差不多，約僅差1dB左右。等增益合併實現比較簡單，其設備也簡單。

選擇式合併

選擇式合併系統採用選擇式合併技術時，N個接收機的輸出信號先送入選擇邏輯，選擇邏輯再從N個接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數的倒數倍。

圖6 選擇式合併系統

切換合併

切換合併原理圖如下：

圖7 切換合併原理圖

接收機掃描所有的分集支路，並選擇SNR在特定的預設門限之上的特定分支。在該信號的SNR降低到所設的門限值之下之前，選擇該信號作為輸出信號。當SNR低於設定的門限時，接收機開始重新掃描並切換到另一個分支，該方案也稱為掃描合併。由於切換合併並非連續選擇最好的瞬間信號，因此他比選擇合併可能要差一些。但是，由於切換合併並不需要同時連續不停的監視所有的分集支路，因此這種方法要簡單得多。

對選擇合併和切換合併而言，兩者的輸出信號都是只等於所有分集支路中的一個信號。另外，它們也不需要知道信道狀態信息。因此，這兩種方案既可用於相干調製也可用於非相干調製。

分集技術與合併方式性能比較:

這裡比較的主要是最大比合併，等增益合併選擇式合併三種方式。

合併性能比較

可以看出，在這三種合併方式中，最大比值合併的性能最好，選擇式合併的性能最差。當N較大時，等增益合併的合併增益接近於最大比值合併的合併增益。

分集技術與分集改善效果:

分集改善效果指採用分集技術與不採用分集技術兩者相比，對減輕深衰落影響所得到的效果(好處)。為了定量的衡量分集的改善程度，常用標稱改善效果，即用分集增益和分集改善度這兩個指標來描述。

分集改善效果

分集增益是指在某一累積時間百分比內，分集接收與單一接收時的收信電平差。這一電平差越大，分集增益越高，說明分集改善效果越好。積累時間百分比越小，分集增益越高。0.1%時間百分比的分集增益為14dB意味著：無分集時由曲線A查出此時的衰深深度比自由空間收信電平低30dB;採用分集技術後，由曲線B查出此時的衰落深度僅比自由空間收信電平低16dB。可見分集接收使衰落深度減輕了14dB。

分集改善度定義

分集改善度是指在某一相對的收信電平時，單一接收與分集接收的衰落累積時間百分比之比。當收信電平低於自由空間收信電平20dB時，單一接收與分集接收對於同一收信電平，其衰落的累積時間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100，亦即分集改善為100。在數字微波系統中，不管採用哪一種分集接收方式，都會使系統的有效衰落儲備增加，即抗頻率選擇性衰落的能力增強。還能不同程度地改善帶內失真，改善交叉極化鑑別度。基於其技術的數字移動微波主要以進口產品為主，如日立、湯姆迅等，我所的這方面研究正加緊進行，不久即將面世，到那時，移動數字微波將會提供高質量的數位訊號，更好的為廣播電視等行業服務。