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分集技术内容摘要：u 分集技术的研究意义u 分集技术的基本概念及原理u 分集技术的分类u 分集技术的应用专业:电子信息科学与技术学号:07094099姓名:李红倩 分集技术的研究意义在实际移动通信系统中，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。 在移动通信网中如何保证信号传输链路的可靠性，是一项重要指标。为了提高移动通信系统的性能，可以通过多种技术来实现，从影响接收端信号功率的三个主要因素来分析：第一、自由空间的传播损耗和弥散，这可通过加大发射机功率来改善；第二、地形起伏、建筑物及障碍物的遮挡引起的阴影衰落，这可通过“宏分集”技术来改善；第三、在传输路径中各种物体产生的直射波、反射波和散射波的相互影响，即多径衰落，以及多普勒频移产生的损耗，这可通过“微分集”技术来改善。从以上的分析可以看出，分集技术对改善无线传输链路的性能可以起到很大的作用。 分集技术的基本概念及原理分集技术是指通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的（至少是高度不相关的）多径信号来实现，简单的说，如果一条无线传播路径中经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号，因此可以在多个信号中选择两个或更多的信号进行合并，这样可以同时提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，一般可提高20dB到30dB。分集技术是移动通信的一种抗衰落技术，是一种用相对较低廉的投资就可以大幅度的改进无线链路性能的强有力的接收技术。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“不相关”的。 分集技术的分类l 根据分级的目的可分为：（1）宏观分集 它以抗衰落为目的。由于地面等高线的多样性，局部地区有多种多样的变化。如果仅仅使用一个天线场地，由于地形是变化的，如丘陵或山坡，移动台接收不到中心位置地面信号，因此，必须采用两个独立天线场地来发射或接收两个或多个不同的信号，并组合这些信号，以降低慢衰落速度。选择性组合技术是宏观分集方案中最受欢迎的技术之一，它意味着总是选择两个衰落信号最强的一个。（2）微观分集它是以抗快衰落为目的采用同一天线场地方式的分集技术。根据获得独立路径信号的方法又可分为：空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、角度分集和多径分集等。l 根据信号传输的方式可分为：（1） 显分集构成明显的分集信号的传输方式，指利用多副天线接收信号的分集。（2） 隐分集分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集是只需一副天线来接收信号的分集，因此，在数字移动通信中得到了广泛的应用。目前，主要的隐分集技术有交织编码技术、跳频技术、直接扩频技术等。 以下几种常用的显分集技术：第一、空间分集。也称天线分集. 我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。 空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d0.61，并且最好选在l/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到1/4，也能起到相当好的分集效果。 空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。 空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。是移动通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长的一半就可以了。第二、极化分集。在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2 路衰落特性不相关的信号。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。 这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。 而且若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120“扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性，两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。 第三、角度分集。信号在传输过程中受环境的影响，使得到达接收的信号不可能是同方向的，这样在接收端安装方向性天线就可得到不相关的信号进行合并。第四、频率分集。 频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间，即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，Tm为最大多径时延差。 当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。同空间分集系统一样，在频率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小(即频率相关性较小)，只有这样，才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差，即频率间隔 f=f2-f1越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。 频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源，所以，一般又称它为带内(频带内)分集，并且在发送端可能需要采用多个发射机。 理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积。频率分集是指在多于一个载频上传送信号，其原理是基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。这一技术比空间分集节省天线数目，缺点是不仅需要占用更多的频谱资源，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，但对于特殊业务，这个费用也许是值得的。这一技术经常用在频分双工（FDM）方式的视距微波链路中，在实际应用中，有一种工作方式被称作1:N保护交换方式。第五、时间分集。时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。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该满足： fm为衰落频率，V为移动台运动速度，最后一个参数为工作波长。 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才为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。附：分集技术相关信息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。 1 空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。2. 空间分集接收：在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。示意图如下。 空间分集接受是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d/2（为工作波长），以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。为了克服这个缺点，近来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点，在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量Ex和Ey。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号，同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性，两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。 分集天线把多径信号分离出来，使其互不相干，然后通过合并技术将分离出来的信号合并起来，获得最大的信噪比收益。常用的合并方法有选择性合并、切换合并、最大比合并、等增益合并等. 2频率分集 频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响，这种工作方式叫做频率分集。当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。 同空间分集系统一样，在频率分集系统中也要求两个分集接收信号相关性较小（即频率相关性较小），只有这样，才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差，即频率间隔f= f2- f1越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。 无论何种分集方式，都是利用在不同的传播条件下，几个微波信号同时发生深衰落的概率小于单一微波信号同一衰落深度的概率来取得分集改善效果的。 -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。现用下图加以说明： 上图中的纵坐标及横坐标的意义已于图中标出。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。例如上图中，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。累积时间百分比越小，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