3.4分集接收

交织编码的目的是把一个较长的连续 突发差错离散成随机的非连续差错，再用 纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机 差错。交织深度越大，则离散度越大，抗 突发差错能力也就越强，但处理时间也越 长，从而造成数据传输时延增大。也就是 说，交织编码是以时间为代价的。因此， 交织编码属于时间隐分集。
交织编码技术举例如下：
1 SNRS SNRm i 1 i
M SNRS 1 ks SNRm i 1 i
M
（式3-24） （式3-25）
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3-29给出了三种合并方式平均信噪比的改善程 度。
图3-29 三种分集合并性能比较
3.4 分集接收

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分集技术的分类 几种常用的显分集技术 几种常用的隐分集技术 分集合并技术
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。它的基本思路 是：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。
2．跳频技术
跳频有慢跳频（SFH）和快跳频（FFH ）两种。慢跳频的跳频速率低于信息比特 率，即连续几个信息比特跳频一次。GSM 系统中，传输频率在一个完整的突发脉冲 传输期间保持不变，属于慢跳频。快跳频 的跳频速率高于或等于信息比特率，即每 个信息比特跳频一次以上。
3.4.4分集合并技术
• 最大比值合并 • 等增益合并 • 选择式合并
2．时间分集
快衰落除了具有空间和频率独立性之 外，还具有时间独立性，即同一信号以大 于相干时间的时间间隔重复传输M次，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，即 得到M条独立的分集支路。接收机将重复收 到的同一信号进行合并，以减小衰落的影 响。
3．频率分集
频率分集就是将信息分别在不同的载 频上发射出去，要求载频间的频率间隔要 大于信道相关带宽，以保证各频率分集信 号在频域上的独立性，在接收端就可以得 到衰落特性不相干的信号。在移动通信系 统中，可采用信号载波频率跳变扩展频谱 技术来达到频率分集的目的。和空间分集 相比，频率分集的优点是减少了天线数目 ，缺点是要占用更多的频谱资源，在发端 需要多部发射机。
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3-20）、（式3-21）所示。
1．空间分集
空间分集在发端采用一副天线发射， 而在接收端采用多副间隔距离d≥λ/2（λ为 工作波长）的天线接收，以保证接收天线 输出信号的衰落特性是相互独立的。经相 应的合并电路从中选出信号幅度较大、信 噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线 输出信号，从而降低了信道衰落的影响， 改善了传输的可靠性。该技术在FDMA、 TDMA及CDMA移动通信系统中都有应用。
SNRE SNR1 ( M 1) 4
（式3-22）
SNRE KE 1 ( M 1) SNR 4
（式3-23）
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3-19）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3-24）、（式3-25）所示。
目前，分集技术已经有了非常广泛的 应用，如IS-95中用RAKE进行二重空间接收 ，而第三代移动通信中不论WCDMA还是 CDMA2000则都采用发端分集技术。
3.4.1 分集技术的分类
“分”与“集”是一对矛盾。为了在接收 端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空 域、频域和时域的不同角度、不向方法来加以 实现。因此分集技术研究是利用信号的基本参 量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何 收集起来的技术。
SNRR M SNR
SNRR KR M SNR
（式3-20） （式3-21）
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。
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3-10）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3-22）、 （式3-23）所示。
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3-28（a）所示。 将图3-28（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3-28 （b）中的左面第一列1010， 然后第二列ll01…。
图3-28 交织原理示意图
4．角度分集
当工作频率高于10GHz时，从发射机到 接收机的散射信号产生从不同方向来的互 不相关的信号。这样接收端利用方向性天 线，在同一位置设置指向不同方向的两个 或更多的有向天线，向合成器提供信号， 以达到克服衰落的目的。采用这种方案， 移动台比基站的电路更有效。
5．极化分集
极化分集实际上是空间分集的特殊情况。两 个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信 号呈现出互不相关的衰落特性。利用这一特点， 在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发 射天线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极 化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不 相关的极化分量。这种方法的优点是结构紧凑， 节省空间，缺点是由于发射功率要分配到两副天 线上，将有3dB的信号功率损失。
RF输出 869～894MHz IF带通 第一振荡器 第二振荡器
相关器1 IF放大 和带通 A/D 转换器 相关器2 相关器3 搜寻相关器
合 并 器
话音输出
声码器
维特比译码
反交织
控制微处理器
图3-27 移动台接收机方框图
3.4.3 几种常用的隐分集技术
• 交织编码技术 • 跳频技术
1．交织编码技术
宏分集
空间分集
频率分集
显分集
微分集 分集技术
时间分集
极化分集 路径分集 场分量分集 角度分集
交织编码技术
隐分集 跳频技术
直接扩频技术
3.4.4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。
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，它又分为宏分集和微分集（包括空间分集、 频率分集、时间分集、极化分集、路径分集、场 分量分集、角度分集等）；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，它 又分为交织编码技术、跳频技术、直接扩频技术 等。
6．场分量分集
由电磁场理论可知，电磁波的E场和H 场载有相同的消息，而反射机理是不同的 ，例如一个散射体反射E波和H波的驻波图 形相位差90°，即当E波为最大时，H波最 小。因此利用场分量的这个特点也可以实 现分集。
7．多径分集
移动台接收到的信号是一个多径衰落 信号。通常这一多径衰落信号的时延差很 小且是随机的，对于窄带系统（如模拟 TACS、数字GSM系统），在同一地点，到 达的各路信号是相关的，无法分离。只有 特定设计的扩频信号才可以进行分离，分 离的手段是相关接收。 现以三条路径为例简述RAKE接收机的 工作原理，如下图3-27所示。
3.4.2 几种常用的显分集技术
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，它的做法是把多个基站设置在不同 的地理位置和不同方向上，同时和一个移 动台进行通信，也可以选用其中信号最好 的一个基站与移动台进行通信。
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。