謝俊國

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510300）

1.引言

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)常常工作在城市建筑群或其它復(fù)雜的地理環(huán)境中，而且移動(dòng)的速度和方向是任意的，發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過反射、散射等傳播路徑，到達(dá)接收端的信號(hào)是附加有信道噪聲的多個(gè)時(shí)延不同，幅度和相位不同的信號(hào)的疊加，它們的疊加會(huì)使復(fù)合信號(hào)產(chǎn)生相互抵消，使接收機(jī)的信號(hào)幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。這種衰落降低有用信號(hào)功率并加大干擾，使接收信號(hào)產(chǎn)生失真、波形重疊和畸變，造成通信出錯(cuò)甚至無法通信。

此外，即使在接收機(jī)非移動(dòng)情況下，當(dāng)期所處位置不佳或發(fā)射機(jī)出現(xiàn)移動(dòng)時(shí)也同樣出現(xiàn)這種衰落。如無線遙控、無線音視頻傳輸、無線麥克風(fēng)等，也即凡是利用電磁波做傳輸媒介的領(lǐng)域幾乎都會(huì)遇到上述衰落特性的影響。

為了提高無線通信接收系統(tǒng)的性能，本文提出采用多天線分集接收技術(shù)結(jié)合智能控制處理技術(shù)可以大大抵御多徑衰落的影響，提高接收信號(hào)的質(zhì)量，因而具有極為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。

2.分集接收技術(shù)的種類

分集接收技術(shù)包括頻率分集、時(shí)間分集、空間分集和極化分集等多種。

空間分集是采用兩個(gè)以上相距大于一個(gè)波長(zhǎng)的天線及接收電路，利用電路分別接收兩個(gè)或更多的輸入信號(hào)，將這些互不相關(guān)的隨機(jī)衰落信號(hào)，通過接收處理、分析比較，以最佳算法進(jìn)行智能選擇合并，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)信號(hào)、克服衰落、提高接收質(zhì)量的目的。

頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的頻率同時(shí)發(fā)送同一信息，接收端利用不同頻率的信號(hào)衰落特性上的差異，再合并輸出提高抗衰落能力。

時(shí)間分集是將同一信號(hào)在不同時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，各次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，利用衰落互不相關(guān)的特點(diǎn)，再合并輸出提高接收質(zhì)量。其缺點(diǎn)是對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)無效，傳輸效率較低。

極化分集是利用電磁波極化方向相互正交的天線發(fā)出信號(hào)，接收端由垂直極化水平極化天線得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號(hào)處理，提高抗衰落能力。

由于空間分集接收具有分集增益高，適用于模擬和數(shù)字接收，技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，因此本文以空間分集技術(shù)探討多天線智能分集接收及其應(yīng)用。

3.分集接收技術(shù)的信號(hào)合并算法

3.1 幾種信號(hào)合并算法的比較

分集接收天線接收的信號(hào)主要有四種合并算法：選擇合并、開關(guān)合并、最大比值合并和等增益合并。

選擇合并是將信噪比最高的接收信號(hào)作為輸出信號(hào)，專業(yè)無線分集接收麥克風(fēng)系統(tǒng)多采用該方法。其缺點(diǎn)是需要有與天線數(shù)目相等的射頻接收單元，當(dāng)天線較多時(shí)成本較高。

開關(guān)合并是在接收端設(shè)置門限電平，當(dāng)某天線接收正常時(shí)就始終保持該路天線信號(hào)的連接，直到該信號(hào)電平低于門限電平時(shí)，才轉(zhuǎn)換到另一路較強(qiáng)天線端口。開關(guān)合并的多個(gè)天線可共用一個(gè)接收裝置，成本低，性能低于選擇合并。

最大比值合并是將多路接收信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和，效果較好。

等增益合并是在上述合并中，各支路信號(hào)的加權(quán)系數(shù)相同，易于實(shí)現(xiàn)。

在接收電平均等的條件下，上述合并方式中最大比值合并性能最好，其接收改善效果如圖1所示。

圖1 幾種合并算法性能比較

3.2 最大比值合并算法的加權(quán)分析

多徑傳播路徑上的信號(hào)幅度、時(shí)延以及相位隨時(shí)隨地發(fā)生變化，所以接收端的信號(hào)電平是起伏、不穩(wěn)定的，這些多徑信號(hào)相互疊加引起信號(hào)幅度變化，最終形成信號(hào)衰落，嚴(yán)重衰落時(shí)的深度達(dá)20-40dB。

設(shè)在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)設(shè)置M個(gè)天線分集接收機(jī)，M個(gè)接收信號(hào)的幅度分別為r1(t)，r2(t)，……rM(t)，則加權(quán)合并后的信號(hào)為：

其中ak為第k個(gè)信號(hào)加權(quán)系數(shù)，設(shè)第k個(gè)信號(hào)噪聲功率為Nk，可以證明，當(dāng)：

則合并輸出的信號(hào)具有最佳信噪比，輸出信號(hào)包絡(luò)為：

圖2是最大比值合并效果示意圖。

圖2 最大比值合并效果示意圖

4.智能分集接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前的無線通信可分為模擬通信和數(shù)字通信兩大部分，因而在信號(hào)的合并處理上也有所不同。無線麥克風(fēng)、短波通信、低速率遙控系統(tǒng)仍較多地采用模擬系統(tǒng)；而移動(dòng)通信技術(shù)廣泛采用數(shù)字通信。在信號(hào)處理方面，數(shù)字信號(hào)空時(shí)變換較為方便，并且在空間域和時(shí)間域聯(lián)合處理接收信號(hào)更具優(yōu)勢(shì)，因此在處理模擬信號(hào)時(shí)有越來越多的采用DSP數(shù)字運(yùn)算方式來完成處理。不同領(lǐng)域因成本和便利性考慮方法各有側(cè)重，但其基本原理是通用的和普適的。

4.18 -2-1多天線智能分集接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3是智能分集接收機(jī)原理框圖，主要由八個(gè)天線前端、兩路放大處理電路及判決合并后輸出一路信號(hào)，故簡(jiǎn)稱8-2-1多天線智能分集接收系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用低成本的1/4波長(zhǎng)的單鞭天線，天線信號(hào)經(jīng)由閾值選擇電路，相當(dāng)于前述開關(guān)合并，設(shè)置接收端門限電平，只要某天線接收正常時(shí)就始終保持該路天線信號(hào)的連接，直到該信號(hào)電平低于門限電平時(shí)，才轉(zhuǎn)換到另一路較強(qiáng)天線端口。由于四個(gè)天線共用一個(gè)接收高頻頭，成本增加不多。從模擬前端輸出的兩路IF信號(hào)分別通過A/D進(jìn)行模數(shù)變換，得到的兩路數(shù)字信號(hào)經(jīng)預(yù)解調(diào)送入合并模塊，信號(hào)經(jīng)噪聲估計(jì)送入判決電路，產(chǎn)生控制信號(hào)控制合并模塊選擇合并算法。合成模塊根據(jù)合成算法將兩路信號(hào)合成為一路同相數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字解調(diào)或解碼，最后輸出解調(diào)后的信號(hào)。

實(shí)際接收中，信號(hào)電平、信噪比差異較大，當(dāng)兩路信號(hào)電平差異較大時(shí)，選擇合并較具優(yōu)勢(shì)；當(dāng)兩路信號(hào)近乎一致時(shí)，等增益合并較具優(yōu)勢(shì)；當(dāng)兩路信號(hào)電平接近但信噪比有差異時(shí)，最大比值合并最佳。

因此，本技術(shù)方案根據(jù)信號(hào)接收效果實(shí)時(shí)采用不同的合并方式，實(shí)現(xiàn)了多種合并的智能判決接收，達(dá)到更好的接收效果，故稱之多天線智能分集接收系統(tǒng)。

圖3 8-2-1多天線智能分集接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

4.2 實(shí)施示例——空間分集無線遙控接收裝置

根據(jù)上述多天線智能分集接收系統(tǒng)的基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)化版實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)一空間分集無線遙控接收裝置，如圖4。該接收機(jī)內(nèi)置完整的雙天線接收系統(tǒng)，當(dāng)需要擴(kuò)大天線間距時(shí)，可通過電纜3-3和接插件3-6與外置高頻頭3-2相連，同時(shí)通過接插件3-6斷開33-1天線的內(nèi)置高頻頭通道。

模擬前端共有兩個(gè)高頻頭通道分別連接來自兩個(gè)天線的輸入信號(hào)，在共用一個(gè)本振的情況下，各通道獨(dú)立的對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波和放大等操作，輸出中頻信號(hào)。

數(shù)字變換主要便于進(jìn)行空域或時(shí)域分析。其中最大比值合并采用的算法是最佳比例同相合成。通過對(duì)輸入信號(hào)的采集和計(jì)算，確定移相度數(shù)和比例系數(shù)，計(jì)算信號(hào)的信噪比和幅度，比較兩路信號(hào)的相差，通過移相使兩路信號(hào)相位一致，再根據(jù)每路信號(hào)的信噪比和幅度分別予以不同的系數(shù)加權(quán)，加權(quán)后的兩路信號(hào)相加。

圖4 空間分集無線遙控接收裝置

實(shí)驗(yàn)中通過屏蔽其中一路天線使該路信號(hào)大幅衰落，控制電路及時(shí)切換到選擇合并算法，將未屏蔽的天線接收信號(hào)作為合并輸出信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中接收機(jī)接收死角出現(xiàn)概率降低80%以上，接收質(zhì)量改善效果明顯。

5.結(jié)束語

本文提出的8-2-1多天線智能分集接收系統(tǒng)方案將智能控制和空間分集技術(shù)相結(jié)合，僅需兩內(nèi)置高頻頭處理電路即可達(dá)到多天線分集，具有成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，可顯著克服信號(hào)衰落的影響，提高接收機(jī)質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于模擬、數(shù)字通信，在無線麥克風(fēng)、無線遙控技術(shù)、無線寬帶數(shù)據(jù)傳輸、微波傳輸、移動(dòng)通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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