淺析無線通信中的分集接收技術

陳軍磊

[摘 要]無線通信技術的飛速發展可以說是一場新的革命。通信技術與計算機結合，已成為集無線、有線傳輸、數字程控交換和各類新型終端為一體的高效能綜合通信手段。移動通信使人們能更加自由地通信，最終實現全球個人通信的理想。但是無線通信的可靠性一直是通信系統設計中的重要指標，本文分析了分集接收的原理，歸納了六種分集方式，并詳細介紹了分集合并的方法。

[關鍵詞]無線通信；有線傳輸；分集方式；分集合并

中圖分類號：TD956.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0025-01

0 引言

實際的通信環境中總是存在著各種各樣的干擾源，有時雖然接收天線上感應到的信號強度遠高于接收靈敏度，但是當接收機所處環境的電磁干擾較大時，有用信號仍被淹沒在干擾信號中，而接收機又不能有效抑制干擾，同樣不能進行有效的無線電通信。為了減小干擾對通信質量的影響，可采用加大發射功率的方法，但這種方法的代價太大，且會造成對其他電臺的干擾，因此加大發射功率的方法實際上是不可行的。而分集則是有意識地分離多徑信號并恰當合并，以提高接收信號的信噪比來抗衰落。

1 分集接收技術的基本原理

分集接收技術是研究如何利用多徑信號來改善系統的性能。在一定條件下，多徑傳輸引起的快衰落對不同空間、不同極化、不同頻率、不同時間上所發送的信號，其相關性將隨著空間位置上的分開、極化的差異、頻率間隔的擴展以及時間間隔的延長而減弱。分集技術正是利用這一特點，通過把不同空間、不同極化方式、不同頻率、不同時間上所接收到的多個信號進行綜合，利用相互間的不相關性，達到抗衰落的目的。

下面介紹分集介紹技術的兩個基本環節：①分散技術：設置若干分集接收支路，且使各分集支路信號之間的相關系數盡可能的小。常用的分散技術有空間分集、角度分集、頻率分集、時間分集和極化分集等。②合并技術：將各分集支路信號合并起來，并獲得較大的分集增益。常用的合并技術有選擇合并、等增益合并、最大比合并、碼元均方誤差最小分集合并、最大估值合并、多徑分集及隱分集等。

2 分集方式

分集分為宏觀分集和微觀分集兩大類。

宏觀分集也稱為多基站分集，其主要作用是抗慢衰落。例如，在移動通信系統中，把多個基站設置在不同的物理位置上（如蜂窩小區的對角線上），同時發射相同的信號，小區內的移動臺選擇其中信號最好的基站與之通信，以減小地形、地物及大氣等對信號造成的慢衰落。

微觀分集的主要作用是抗快衰落。理論與實踐都表明，當信號在空間、頻率及時間等方面分離時，都會呈現出互相獨立的衰落特性。由此按分離方式的不同，微觀分集可分為以下幾種：

2.1 空間分集

空間分集的依據是相距間隔達到一定程度時，不同接收地點收到信號的衰落具有獨立性?？臻g分集的基本結構為發端使用一副天線發射，收端用多副天線接收。

空間分集也稱設備分集，已被廣泛用于短波通信和移動通信。如二重空間分集的短波FSK通信，較不分集時好12dB，相當于發射功率增加15倍；移動通信蜂窩基站系統廣泛采用兩副接收天線來接收同一移動臺發來的信號，以改善性能。

2.2 頻率分集

由于頻率間隔大于相關帶寬的兩個信號所遭受的衰落是不相關，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，以實現頻率分集。如在GSM系統中利用跳頻來達到頻率分集；在CDMA系統中，利用發射信號帶寬（1.25MHz）遠大于相關帶寬（市區的相關帶寬為50kHz，郊區的相關帶寬為250kHz）來獲得頻率分集效果。

2.3 時間分集

實踐證明，快衰落除了具有空間和頻率的獨立性，還具時間的獨立性，即同一信號在不同的時間區間多次重發，只要兩次重發間隔足夠大，那么各次發送的信號通過信道后，出現的衰落將是彼此獨立的。

時間分集主要用于在衰落信道中傳輸數字信號，如短波和移動通信系統中，用交織來改變原來的碼元順序供發端發射，以達到時間分集的目的。

2.4 極化分集

由于兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落特性，所以發端和收端可以用兩個位置很近、單極化方向不同的天線發送和接收信號，以獲得分集效果。極化分集可以看作空間分集的一種特殊情況，其優點是設備的結構緊湊，節省空間；缺點是由于發射功率要分配到兩副天線上，因此有3dB損失。

2.5 角度分集

角度分集的依據是從不同入射角入射的兩個信號所受到的衰具有彼此獨立的特性，其基本結構是：收端使用多個銳方向性接收天線來接收不同方向來的信號分量。角度分集也可看作空間分集的一種特殊情況，顯然它在頻率較高時比較容易實現。

2.6 路徑分集

多徑分集的依據是來自兩個不同路徑的信號時延大于某一值時，這兩個衰落信號可看作互不相關。一般通信系統中的多徑信號很難分離，但在擴頻通信系統中，存在多徑信號的內在可分離特性，既具有抗多徑干擾的能力。當然，在擴頻通信系統中若不采用路徑分集時，則多徑干擾被當作噪聲處理；若采用路徑分集時，則將多徑干擾變害為利。

3 空間分集合并技術

分集接收時，從接收端得到的n個不同的獨立信號，可以通過不同形式的合并技術來獲得合并增益。從接收鏈路看，可以在中頻和射頻上進行，也可以在基帶進行。

3.1 信號合并準則

最大信噪比準則：該準則最早用于模擬信號的合并。應注意的是，在頻率選擇性衰落信道中，對數字信號合并時，最大信噪比準則不是最佳的。

眼圖最大張開準則：該準則適用于數字信號的合并。眼圖張開最大，表征碼間干擾最小，因此在頻率選擇性衰落信道中，眼圖最大張開準則是一種信號合并的最佳準則。

誤碼率最小準則：數字信號合并的最終結果是希望誤碼率達到最小。因此，誤碼率最小準則就是數字信號的最佳合并準則。

3.2 本文介紹的空間分集接收機原理框圖如圖1所示。它具有下述特點：采用垂直空間分集天線，可使兩分集支路信號的相關系數小于0.6，而兩支路接收信號電平相差小于1dB。

采用鑒頻后等增益合并技術，便于實現，且可改善信噪比3dB，具有抗多徑衰落的效果。采用鑒頻器檢測多電平判決方法解調GMSK數字信號，對載頻漂移和隨機調頻噪聲不敏感，有利于降低誤比特率。

4 分集接收技術的應用

分集接收技術早已在模擬無線通信系統中得到成功應用，近年來在數字無線通信領域得到了更加廣泛的應用。目前，在GSM系統中，基站廣泛采用二重空間分集接收，提高系統性能；在CDMA系統中，手機和基站都采用RAKE（多徑）接收機進行分集接收，來減小衰落的影響；在短波通信中，采用具有帶內頻率分集和編碼分集的多徑并傳方法來降低系統的誤碼率；在對流層散射通信中，采用四重頻率分集的時頻調制來提高系統性能。

最后，應當指出：分集接收技術僅僅是采用信號處理技術抗衰落的一種方法，通常與其他抗衰落的信號處理技術聯合應用，從而達到提高系統的性能的目的。

5 結論

本文采用的空間分集接收技術能有效地改善數字無線通信中的多徑衰落。

參考文獻

[1] 傅海洋.分集接收在TDSCDMA智能天線中的應用[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2008（2）：27-28.

[2] 樊昌信，等.通信原理.北京：國防工業出版社，1995，10.

作者簡介

陳雪燕：石家莊橋西區宮家莊新世紀小區B區2號樓2單元704室陳雪燕13180582457endprint

[摘 要]無線通信技術的飛速發展可以說是一場新的革命。通信技術與計算機結合，已成為集無線、有線傳輸、數字程控交換和各類新型終端為一體的高效能綜合通信手段。移動通信使人們能更加自由地通信，最終實現全球個人通信的理想。但是無線通信的可靠性一直是通信系統設計中的重要指標，本文分析了分集接收的原理，歸納了六種分集方式，并詳細介紹了分集合并的方法。

[關鍵詞]無線通信；有線傳輸；分集方式；分集合并

中圖分類號：TD956.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0025-01

0 引言

實際的通信環境中總是存在著各種各樣的干擾源，有時雖然接收天線上感應到的信號強度遠高于接收靈敏度，但是當接收機所處環境的電磁干擾較大時，有用信號仍被淹沒在干擾信號中，而接收機又不能有效抑制干擾，同樣不能進行有效的無線電通信。為了減小干擾對通信質量的影響，可采用加大發射功率的方法，但這種方法的代價太大，且會造成對其他電臺的干擾，因此加大發射功率的方法實際上是不可行的。而分集則是有意識地分離多徑信號并恰當合并，以提高接收信號的信噪比來抗衰落。

1 分集接收技術的基本原理

分集接收技術是研究如何利用多徑信號來改善系統的性能。在一定條件下，多徑傳輸引起的快衰落對不同空間、不同極化、不同頻率、不同時間上所發送的信號，其相關性將隨著空間位置上的分開、極化的差異、頻率間隔的擴展以及時間間隔的延長而減弱。分集技術正是利用這一特點，通過把不同空間、不同極化方式、不同頻率、不同時間上所接收到的多個信號進行綜合，利用相互間的不相關性，達到抗衰落的目的。

下面介紹分集介紹技術的兩個基本環節：①分散技術：設置若干分集接收支路，且使各分集支路信號之間的相關系數盡可能的小。常用的分散技術有空間分集、角度分集、頻率分集、時間分集和極化分集等。②合并技術：將各分集支路信號合并起來，并獲得較大的分集增益。常用的合并技術有選擇合并、等增益合并、最大比合并、碼元均方誤差最小分集合并、最大估值合并、多徑分集及隱分集等。

2 分集方式

分集分為宏觀分集和微觀分集兩大類。

宏觀分集也稱為多基站分集，其主要作用是抗慢衰落。例如，在移動通信系統中，把多個基站設置在不同的物理位置上（如蜂窩小區的對角線上），同時發射相同的信號，小區內的移動臺選擇其中信號最好的基站與之通信，以減小地形、地物及大氣等對信號造成的慢衰落。

微觀分集的主要作用是抗快衰落。理論與實踐都表明，當信號在空間、頻率及時間等方面分離時，都會呈現出互相獨立的衰落特性。由此按分離方式的不同，微觀分集可分為以下幾種：

2.1 空間分集

空間分集的依據是相距間隔達到一定程度時，不同接收地點收到信號的衰落具有獨立性?？臻g分集的基本結構為發端使用一副天線發射，收端用多副天線接收。

空間分集也稱設備分集，已被廣泛用于短波通信和移動通信。如二重空間分集的短波FSK通信，較不分集時好12dB，相當于發射功率增加15倍；移動通信蜂窩基站系統廣泛采用兩副接收天線來接收同一移動臺發來的信號，以改善性能。

2.2 頻率分集

由于頻率間隔大于相關帶寬的兩個信號所遭受的衰落是不相關，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，以實現頻率分集。如在GSM系統中利用跳頻來達到頻率分集；在CDMA系統中，利用發射信號帶寬（1.25MHz）遠大于相關帶寬（市區的相關帶寬為50kHz，郊區的相關帶寬為250kHz）來獲得頻率分集效果。

2.3 時間分集

實踐證明，快衰落除了具有空間和頻率的獨立性，還具時間的獨立性，即同一信號在不同的時間區間多次重發，只要兩次重發間隔足夠大，那么各次發送的信號通過信道后，出現的衰落將是彼此獨立的。

時間分集主要用于在衰落信道中傳輸數字信號，如短波和移動通信系統中，用交織來改變原來的碼元順序供發端發射，以達到時間分集的目的。

2.4 極化分集

由于兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落特性，所以發端和收端可以用兩個位置很近、單極化方向不同的天線發送和接收信號，以獲得分集效果。極化分集可以看作空間分集的一種特殊情況，其優點是設備的結構緊湊，節省空間；缺點是由于發射功率要分配到兩副天線上，因此有3dB損失。

2.5 角度分集

角度分集的依據是從不同入射角入射的兩個信號所受到的衰具有彼此獨立的特性，其基本結構是：收端使用多個銳方向性接收天線來接收不同方向來的信號分量。角度分集也可看作空間分集的一種特殊情況，顯然它在頻率較高時比較容易實現。

2.6 路徑分集

多徑分集的依據是來自兩個不同路徑的信號時延大于某一值時，這兩個衰落信號可看作互不相關。一般通信系統中的多徑信號很難分離，但在擴頻通信系統中，存在多徑信號的內在可分離特性，既具有抗多徑干擾的能力。當然，在擴頻通信系統中若不采用路徑分集時，則多徑干擾被當作噪聲處理；若采用路徑分集時，則將多徑干擾變害為利。

3 空間分集合并技術

分集接收時，從接收端得到的n個不同的獨立信號，可以通過不同形式的合并技術來獲得合并增益。從接收鏈路看，可以在中頻和射頻上進行，也可以在基帶進行。

3.1 信號合并準則

最大信噪比準則：該準則最早用于模擬信號的合并。應注意的是，在頻率選擇性衰落信道中，對數字信號合并時，最大信噪比準則不是最佳的。

眼圖最大張開準則：該準則適用于數字信號的合并。眼圖張開最大，表征碼間干擾最小，因此在頻率選擇性衰落信道中，眼圖最大張開準則是一種信號合并的最佳準則。

誤碼率最小準則：數字信號合并的最終結果是希望誤碼率達到最小。因此，誤碼率最小準則就是數字信號的最佳合并準則。

3.2 本文介紹的空間分集接收機原理框圖如圖1所示。它具有下述特點：采用垂直空間分集天線，可使兩分集支路信號的相關系數小于0.6，而兩支路接收信號電平相差小于1dB。

采用鑒頻后等增益合并技術，便于實現，且可改善信噪比3dB，具有抗多徑衰落的效果。采用鑒頻器檢測多電平判決方法解調GMSK數字信號，對載頻漂移和隨機調頻噪聲不敏感，有利于降低誤比特率。

4 分集接收技術的應用

分集接收技術早已在模擬無線通信系統中得到成功應用，近年來在數字無線通信領域得到了更加廣泛的應用。目前，在GSM系統中，基站廣泛采用二重空間分集接收，提高系統性能；在CDMA系統中，手機和基站都采用RAKE（多徑）接收機進行分集接收，來減小衰落的影響；在短波通信中，采用具有帶內頻率分集和編碼分集的多徑并傳方法來降低系統的誤碼率；在對流層散射通信中，采用四重頻率分集的時頻調制來提高系統性能。

最后，應當指出：分集接收技術僅僅是采用信號處理技術抗衰落的一種方法，通常與其他抗衰落的信號處理技術聯合應用，從而達到提高系統的性能的目的。

5 結論

本文采用的空間分集接收技術能有效地改善數字無線通信中的多徑衰落。

參考文獻

[1] 傅海洋.分集接收在TDSCDMA智能天線中的應用[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2008（2）：27-28.

[2] 樊昌信，等.通信原理.北京：國防工業出版社，1995，10.

作者簡介

陳雪燕：石家莊橋西區宮家莊新世紀小區B區2號樓2單元704室陳雪燕13180582457endprint

[摘 要]無線通信技術的飛速發展可以說是一場新的革命。通信技術與計算機結合，已成為集無線、有線傳輸、數字程控交換和各類新型終端為一體的高效能綜合通信手段。移動通信使人們能更加自由地通信，最終實現全球個人通信的理想。但是無線通信的可靠性一直是通信系統設計中的重要指標，本文分析了分集接收的原理，歸納了六種分集方式，并詳細介紹了分集合并的方法。

[關鍵詞]無線通信；有線傳輸；分集方式；分集合并

中圖分類號：TD956.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0025-01

0 引言

實際的通信環境中總是存在著各種各樣的干擾源，有時雖然接收天線上感應到的信號強度遠高于接收靈敏度，但是當接收機所處環境的電磁干擾較大時，有用信號仍被淹沒在干擾信號中，而接收機又不能有效抑制干擾，同樣不能進行有效的無線電通信。為了減小干擾對通信質量的影響，可采用加大發射功率的方法，但這種方法的代價太大，且會造成對其他電臺的干擾，因此加大發射功率的方法實際上是不可行的。而分集則是有意識地分離多徑信號并恰當合并，以提高接收信號的信噪比來抗衰落。

1 分集接收技術的基本原理

分集接收技術是研究如何利用多徑信號來改善系統的性能。在一定條件下，多徑傳輸引起的快衰落對不同空間、不同極化、不同頻率、不同時間上所發送的信號，其相關性將隨著空間位置上的分開、極化的差異、頻率間隔的擴展以及時間間隔的延長而減弱。分集技術正是利用這一特點，通過把不同空間、不同極化方式、不同頻率、不同時間上所接收到的多個信號進行綜合，利用相互間的不相關性，達到抗衰落的目的。

下面介紹分集介紹技術的兩個基本環節：①分散技術：設置若干分集接收支路，且使各分集支路信號之間的相關系數盡可能的小。常用的分散技術有空間分集、角度分集、頻率分集、時間分集和極化分集等。②合并技術：將各分集支路信號合并起來，并獲得較大的分集增益。常用的合并技術有選擇合并、等增益合并、最大比合并、碼元均方誤差最小分集合并、最大估值合并、多徑分集及隱分集等。

2 分集方式

分集分為宏觀分集和微觀分集兩大類。

宏觀分集也稱為多基站分集，其主要作用是抗慢衰落。例如，在移動通信系統中，把多個基站設置在不同的物理位置上（如蜂窩小區的對角線上），同時發射相同的信號，小區內的移動臺選擇其中信號最好的基站與之通信，以減小地形、地物及大氣等對信號造成的慢衰落。

微觀分集的主要作用是抗快衰落。理論與實踐都表明，當信號在空間、頻率及時間等方面分離時，都會呈現出互相獨立的衰落特性。由此按分離方式的不同，微觀分集可分為以下幾種：

2.1 空間分集

空間分集的依據是相距間隔達到一定程度時，不同接收地點收到信號的衰落具有獨立性?？臻g分集的基本結構為發端使用一副天線發射，收端用多副天線接收。

空間分集也稱設備分集，已被廣泛用于短波通信和移動通信。如二重空間分集的短波FSK通信，較不分集時好12dB，相當于發射功率增加15倍；移動通信蜂窩基站系統廣泛采用兩副接收天線來接收同一移動臺發來的信號，以改善性能。

2.2 頻率分集

由于頻率間隔大于相關帶寬的兩個信號所遭受的衰落是不相關，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，以實現頻率分集。如在GSM系統中利用跳頻來達到頻率分集；在CDMA系統中，利用發射信號帶寬（1.25MHz）遠大于相關帶寬（市區的相關帶寬為50kHz，郊區的相關帶寬為250kHz）來獲得頻率分集效果。

2.3 時間分集

實踐證明，快衰落除了具有空間和頻率的獨立性，還具時間的獨立性，即同一信號在不同的時間區間多次重發，只要兩次重發間隔足夠大，那么各次發送的信號通過信道后，出現的衰落將是彼此獨立的。

時間分集主要用于在衰落信道中傳輸數字信號，如短波和移動通信系統中，用交織來改變原來的碼元順序供發端發射，以達到時間分集的目的。

2.4 極化分集

由于兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落特性，所以發端和收端可以用兩個位置很近、單極化方向不同的天線發送和接收信號，以獲得分集效果。極化分集可以看作空間分集的一種特殊情況，其優點是設備的結構緊湊，節省空間；缺點是由于發射功率要分配到兩副天線上，因此有3dB損失。

2.5 角度分集

角度分集的依據是從不同入射角入射的兩個信號所受到的衰具有彼此獨立的特性，其基本結構是：收端使用多個銳方向性接收天線來接收不同方向來的信號分量。角度分集也可看作空間分集的一種特殊情況，顯然它在頻率較高時比較容易實現。

2.6 路徑分集

多徑分集的依據是來自兩個不同路徑的信號時延大于某一值時，這兩個衰落信號可看作互不相關。一般通信系統中的多徑信號很難分離，但在擴頻通信系統中，存在多徑信號的內在可分離特性，既具有抗多徑干擾的能力。當然，在擴頻通信系統中若不采用路徑分集時，則多徑干擾被當作噪聲處理；若采用路徑分集時，則將多徑干擾變害為利。

3 空間分集合并技術

分集接收時，從接收端得到的n個不同的獨立信號，可以通過不同形式的合并技術來獲得合并增益。從接收鏈路看，可以在中頻和射頻上進行，也可以在基帶進行。

3.1 信號合并準則

最大信噪比準則：該準則最早用于模擬信號的合并。應注意的是，在頻率選擇性衰落信道中，對數字信號合并時，最大信噪比準則不是最佳的。

眼圖最大張開準則：該準則適用于數字信號的合并。眼圖張開最大，表征碼間干擾最小，因此在頻率選擇性衰落信道中，眼圖最大張開準則是一種信號合并的最佳準則。

誤碼率最小準則：數字信號合并的最終結果是希望誤碼率達到最小。因此，誤碼率最小準則就是數字信號的最佳合并準則。

3.2 本文介紹的空間分集接收機原理框圖如圖1所示。它具有下述特點：采用垂直空間分集天線，可使兩分集支路信號的相關系數小于0.6，而兩支路接收信號電平相差小于1dB。

采用鑒頻后等增益合并技術，便于實現，且可改善信噪比3dB，具有抗多徑衰落的效果。采用鑒頻器檢測多電平判決方法解調GMSK數字信號，對載頻漂移和隨機調頻噪聲不敏感，有利于降低誤比特率。

4 分集接收技術的應用

分集接收技術早已在模擬無線通信系統中得到成功應用，近年來在數字無線通信領域得到了更加廣泛的應用。目前，在GSM系統中，基站廣泛采用二重空間分集接收，提高系統性能；在CDMA系統中，手機和基站都采用RAKE（多徑）接收機進行分集接收，來減小衰落的影響；在短波通信中，采用具有帶內頻率分集和編碼分集的多徑并傳方法來降低系統的誤碼率；在對流層散射通信中，采用四重頻率分集的時頻調制來提高系統性能。

最后，應當指出：分集接收技術僅僅是采用信號處理技術抗衰落的一種方法，通常與其他抗衰落的信號處理技術聯合應用，從而達到提高系統的性能的目的。

5 結論

本文采用的空間分集接收技術能有效地改善數字無線通信中的多徑衰落。

參考文獻

[1] 傅海洋.分集接收在TDSCDMA智能天線中的應用[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2008（2）：27-28.

[2] 樊昌信，等.通信原理.北京：國防工業出版社，1995，10.

作者簡介

陳雪燕：石家莊橋西區宮家莊新世紀小區B區2號樓2單元704室陳雪燕13180582457endprint