《通信原理,第十四讲
§ 3.4 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。
分集接收包含有两重含义：一是分散接收；二是集中处理。
一,分集方式
a) 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 3-24 所示。
分集接收发送端接收端输出
M
图 3-24 空间分集示意图
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 2~4 重比较合适。
b) 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，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
m
c
Bf
τ?
=≥?
1
(3.4-2)
式中,f? 为载波频率间隔，
c
B 为相关带宽，
m
τ? 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 sμ,
此时有
kHzBf
m
c
200
105
11
6
=
×
=
=≥?
τ
c) 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。时间分集主要用于衰落信道中传输数字信号。
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
()λvf
t
m
2
1
2
1
=≥? (3.4-3)
式中，
m
f 为衰落频率,v为移动台运动速度,λ为工作波长。
若移动台是静止的，则移动速度 0=v,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。
二,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 N 个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。
假设 N 个独立衰落信号分别为 )(,),(),(
21
trtrtr
N
,则合并器输出为
∑
=
=+++=
N
i
iiNN
tratratratratr
1
2211
)()()()()( (3.4-4)
式中，
i
a 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。表征合并性能的参数有平均输出信噪比、合并增益等。
a) 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。
选择逻辑发送端接收端输出
M
1
k
2
k
N
k
M
图 3-25 选择式合并原理图
选择式合并的平均输出信噪比为
∑
=
=
N
k
M
k
rr
1
0
1
(3.4-5)
合并增益为
∑
=
==
N
k
M
M
kr
r
G
10
1
(3.4-6)
式中，
M
r 为合并器平均输出信噪比，
0
r 为支路信号最大平均信噪比。
b) 等增益合并
当加权系数
N
kkk === L
21
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
()
+=
4
11
π
Nrr
M
(3.4-7)
合并增益为
()
4
11
π
+== N
r
r
G
M
M
(3.4-8)
式中,r 为合并前每条支路的平均信噪比。
相加发送端接收端输出
M
1
k可变增益加权
M
2
k可变增益加权
N
k可变增益加权
图 3-26 等增益合并、最大比值合并原理
c) 最大比值合并
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
2
σ
k
k
A
a = (3.4-9)
时，分集合并后的平均输出信噪比最大。式中，
k
A 为第 k 条支路信号幅度，
2
σ 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
rNr
M
= (3.4-10)
合并增益为
N
r
r
G
M
M
== (3.4-11)
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 3-27 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 (3.4-8)和式 (3.4-11)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 3-27 三种分集合并的性能比较
§ 3.4 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。
分集接收包含有两重含义：一是分散接收；二是集中处理。
一,分集方式
a) 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 3-24 所示。
分集接收发送端接收端输出
M
图 3-24 空间分集示意图
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 2~4 重比较合适。
b) 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，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
m
c
Bf
τ?
=≥?
1
(3.4-2)
式中,f? 为载波频率间隔，
c
B 为相关带宽，
m
τ? 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 sμ,
此时有
kHzBf
m
c
200
105
11
6
=
×
=
=≥?
τ
c) 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。时间分集主要用于衰落信道中传输数字信号。
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
()λvf
t
m
2
1
2
1
=≥? (3.4-3)
式中，
m
f 为衰落频率,v为移动台运动速度,λ为工作波长。
若移动台是静止的，则移动速度 0=v,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。
二,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 N 个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。
假设 N 个独立衰落信号分别为 )(,),(),(
21
trtrtr
N
,则合并器输出为
∑
=
=+++=
N
i
iiNN
tratratratratr
1
2211
)()()()()( (3.4-4)
式中，
i
a 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。表征合并性能的参数有平均输出信噪比、合并增益等。
a) 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。
选择逻辑发送端接收端输出
M
1
k
2
k
N
k
M
图 3-25 选择式合并原理图
选择式合并的平均输出信噪比为
∑
=
=
N
k
M
k
rr
1
0
1
(3.4-5)
合并增益为
∑
=
==
N
k
M
M
kr
r
G
10
1
(3.4-6)
式中，
M
r 为合并器平均输出信噪比，
0
r 为支路信号最大平均信噪比。
b) 等增益合并
当加权系数
N
kkk === L
21
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
()
+=
4
11
π
Nrr
M
(3.4-7)
合并增益为
()
4
11
π
+== N
r
r
G
M
M
(3.4-8)
式中,r 为合并前每条支路的平均信噪比。
相加发送端接收端输出
M
1
k可变增益加权
M
2
k可变增益加权
N
k可变增益加权
图 3-26 等增益合并、最大比值合并原理
c) 最大比值合并
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
2
σ
k
k
A
a = (3.4-9)
时，分集合并后的平均输出信噪比最大。式中，
k
A 为第 k 条支路信号幅度，
2
σ 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
rNr
M
= (3.4-10)
合并增益为
N
r
r
G
M
M
== (3.4-11)
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 3-27 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 (3.4-8)和式 (3.4-11)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 3-27 三种分集合并的性能比较
