分集技术,分集技术的定义

分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的接收天线来实现。同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。

分集是接收端对它收到的衰落特性相互独立地进行特定处理，以降低信号电平起伏的办法。分集是指分散传输和集中接收。所谓分散传输是使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号。集中接收是接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(选择与组合)以降低衰落的影响。

根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落，但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。分集技术介绍 衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达30~40dB，如果想利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。相应的还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响，以获得分集增益，提高接收灵敏度，这种技术已广泛应用于包括移动通信，短波通信等随参信道中。在第二和第三代移动通信系统中，这些分集接收技术都已得到了广泛应用。分集技术的基本原理 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ldquo;不相关rdquo;的。分集技术的研究意义 在实际的移动通信系统中，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。

目前常用的分集方式主要有两种：宏分集和微分集。 微分集是一种减少快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。目前微分集采用的主要技术有：空间分集、极化分集、频率分集、场分量分集、角度分集、时间分集等分集技术。

（1）空间分集

空间分集的基本原理是在任意两个不同的位置上接收同一信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收到的信号衰落是不相关的，也就是说快衰落具有空间独立性。

空间分集也称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集技术。

空间分集至少要两付天线，且相距为d，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动通信中通常取：市区d=0.5，郊区d=0.8，d值越大，相关性就越弱。 图3 空间分集

（2）频率分集

频率分集的基本原理是频率间隔大于相关带宽的两个信号的衰落是不相关的，因此，可以用多个频率传送同一信息，以实现频率分集。

根据相关带宽的定义，即：

式中为时延扩展。在市区，=0.3μs，此时Bc=53kHz。

频率分集需要用两个发射机来发送同一信号，并用两个接收机来接收同一信号。

这种分集技术多用于频分双工(FDM)方式的视距微波通信中。由于对流层的传播和折射，有时会在传播中发生深度衰落。

在实际的使用过程中，常称作1∶N保护交换方式。当需要分集时，相应的业务被切换到备用的一个空闲通道上。其缺点是：不仅需要备用切换，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。 图4 频率分集

（3）极化分集

极化分集的基本原理是两个不同极化的电磁波具有独立的衰落，所以发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。

极化分集可以看成是空间分集的一种特殊情况，它也要用两付天线(二重分集情况)，但仅仅是利用不同极的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。

在极化分集中，由于射频功率分给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失约3dB左右。

（4）场分量分集

电磁波E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。

一个散射体反射的E波和H波的驻波图形相位相差90°，即当E波为最大时，H波最小。

在移动信道中，多个E波和H波叠加，Ex，Hx，Hy的分量是互相独立的，因此通过接收3个场分量，也可以获得分集的效果。

场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，因此适用于较低(100MHz)工作频段。当工作频率较高时(800～900MHz)，空间分集在结构上容易实现。

（5）角度分集

角度分集的作法是使电波通过几个不同的路径，并以不同的角度到达接收端，而接收端利用多个锐方向性接收天线能分离出不同方向来的信号分量，由于这些信号分量具有相互独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。

（6）时间分集

快衰落除了具有空间和频率独立性以外，还具有时间独立性，即同一信号在不同时间、区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。

时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。