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分集接收技术

1 分集技术的分类
1.1 分集接收作用
分集接收技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性，其本质就是采用两种或两种以上的不同方法接收同一信号以克服衰落，其作用是在不增加发射机功率或信道带宽的情况下充分利用传输中的多径信号能量，以提高系统的接收性能。
1.2 基本思路
将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号，即选取了一个信号的两个或多个独立的采样，这些样本的衰落是互不相关的，这意味着所有样本同时低于一个给定电平的概率比任何一个样本低于该值的概率要小得多； 然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大。对数字系统而言，使接收端的误码率最小，对模拟系统而言，提高接收端的信噪比。
1.3 分集技术的分类
分类图如图1所示：

图1 分集技术分类
从信号传输的方式来看，分集技术分为显分集和隐分集两大类。
其中显分集指利用多副天线接收信号的分集，构成明显的分集信号的传输方式 ；
隐分集只需一副天线来接收信号的分集，分集隐含在传输信号之中，在接收端利用信号处理技术来实现分集接收 。
在显分集技术中又分为宏分集与微分集两种形式。宏分集（也称为“多基站”分集）以减少由于阴影效应而引起的大范围慢衰落为目的，它的作法是把多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中信号最好的一个基站进行通信）
微分集是以抗快衰落为目的，同一天线场地使用两个或多个天线的分集方式。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性，因此可采用空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、角度分集和多径分集等多种分集技术。
1.4 几种常见的隐分集技术
1．交织编码技术
交织编码技术举例如下：
假设原始为11101101100101010110D101011，共计28位，按4╳7矩阵排列，依次按行写入发送矩阵。
如图2（a）所示。

图2 交织原理示意图
假设由于某种干扰出现突发错误，即使7个码元中连续错两个或两个以上时，接收端如果不采用交织编码技术就不能正确恢复，出现码字错误。为了提高纠错能力，在发端改变一下传输顺序，即将图2（a）中的数据用“横写竖读”法写入块交织器，这时交织器的输出就是按图2（b）中的左面第一列1010，然后第二列1101…。这样，当所传输的码序列连续错4个码元时，对应的每个码字只错一个，已将连续错码分散开来，通过分组码纠错技术、可以纠正少量的差错，从而纠正了突发性的连续差错。
交织阵列的行、列数越多，抗干扰能力越强。但是，只有在接收端收到最后一个数据，才能进行纠检错处理，从而造成数据传输时延增大。所以在设计交织编码阵列时，应该统筹考虑。上面只是作了原理性说明，但有了这样的概念或基础，就可理解GSM和CDMA等系统中的各种交织编码技术。
2．跳频技术
跳频的实现方式有两种，一是基带跳频，它将话音信号随着时间的变换使用不同频率的发射机发射，基带跳频适合于发射机数量较多的高话务量小区。二是射频跳频，又称合成器跳频，它是话音信号使用固定的发射机，在一定跳频序列的控制下，频率合成器合成不同的频率来进行发射。
2 RAKE接收机
2.1 RAKE接收机的工作原理

图3 RAKE接收机原理
基本原理如下：
移动台RAKE接收部分主要由相关器1~ 3、搜寻相关器和合并器等组成。伪随机码调制过的信号由发端发射，经多条不同的路径延时和损耗后与噪声一起进入接收机，经过变频、中频放大和A／D变换后，进入RAKE接收部分。该部分的搜寻相关器从到达的各路信号中找出三路最强的信号，并给出这三路信号中伪随机码的参考相位，使本地码的三个发生器的输出码相位分别与这三路信号中的伪随机码同步，经过各自解扩，相关解调输出同一信息的数据，经相应的合并后进行译码。
由于每一个相关器都等效一个接收机，三个相关器等效三个接收机，其输出经合并后的信号的信噪比得到了很大的改善（一般平均有3dB的增益）。另外，搜寻相关器总是搜索和估计各路中最强的三个信号供其他三个相关器进行相关解调，从而系统可以处于最佳的接收状态。
3 分集合并技术
在分集接收中，在接收端从不同的N个独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。如果从合并所处的位置来看：合并可以在检测器以前，即中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；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可以分为三种：最大比值合并、等增益合并和选择式合并。
假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t)，…，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为：
（式1）
式中，ak为第k个信号的加权系数。
3.1 最大比值合并
最大比合并是在接收端有N个分集支路，经过相位调整后，按适当的增益系统，同相相加，再送入检测器进行检测。利用切比雪夫不等式，设N为每支路噪声功率，可以证明当可变加权系数为 时，分集合并后的信噪比达到最大值 。
最大比合并的平均输出信噪比、最大比合并增益分别如（式2）、（式3）所示。
（式2）
（式3）
可见信噪比越大，最大比合并对合并后的信号贡献越大；另外平均输出信噪比随M（分集支路数目）的增加而增加。
3.2 等增益合并
等增益合并是各支路的信号等增益相加，即式(1)中加权系数ak=1，k=1，2，……，M。等增益合并后平均输出信噪比、等增益合并增益分别如（式4）、（式5）所示。
（式4）

（式5）
3.3 选择式合并
选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路作为合并器的输出。由式(1)可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为l，其余均为0。选择式合并又称为开关式相加。这种方式方法简单，实现容易。选择式合并的平均输出信噪比、选择式合并增益分别如（式6）、（式7）所示。
（式6）

（式7）
可见，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。
图4给出三种合并方式平均信噪比的改善程度。

图4 三种分级合并性能比较
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。