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常见的几种分集技术

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文章附图

  发射分集技术的实质可以认为是涉及到空间、时间、频率、相位和编码多种资源相互组合的一种多天线技术。根据所涉及资源的不同,可分为如下几个大类:

空间分集

  我们知道在移动通信中,空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时,它们受到的衰落影响是不相关的,且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小,因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案,独立地接收同一信号,再合并输出,衰落的程度能被大大地减小,这就是空间分集。

  空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的,空间距离越大,多径传播的差异就越大,所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语,表明信号间相似的程度,因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计,CCIR建议为了获得满意的分集效果,移动单元两天线间距大于0.6个波长,即d>0.61,并且最好选在l/4的奇数倍附近。若减小天线间距,即使小到1/4,也能起到相当好的分集效果。

  空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后合成或选择其中一个强信号,这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半,以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,也就是说,当某一副接收天线的输出信号很低时,其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象,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。这样就降低了信道衰落的影响,改善了传输的可靠性。

  空间分集接收的优点是分集增益高,缺点是还需另外单独的接收天线。

空间分集还有两类变化形式:

. 极化分集:它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收,即在收发端天线上安装水平、垂直极化天线,就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。优点:结构紧凑、节省空间;缺点:由于发射功率要分配到两副天线上,因此有3dB的损失。

. 角度分集:由于地形、地貌、接收环境的不同,使得到达接收端的不同路径信号可能来自不同的方向,这样在接收端可以采用方向性天线,分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。

频率分集

  频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息,然后进行合成或选择,利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性,即不同频段衰落统计特性上的差异,来实现抗频率选择性衰落的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射,所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间,即载波频率的间隔应满足:

  分集技术式中:△f为载波频率间隔,Bc为相关带宽,△Tm为最大多径时延差。

  当采用两个微波频率时,称为二重频率分集。同空间分集系统一样,在频率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小(即频率相关性较小),只有这样,才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落,并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差,即频率间隔△ f=f2-f1越大,两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。

  频率分集与空间分集相比较,其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量,缺点是要占用更多的频带资源,所以,一般又称它为带内(频带内)分集,并且在发送端可能需要采用多个发射机

时间分集

  时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发,只要各次发送时间间隔足够大,则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点,即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性,重复发送的时间间隔应该满足:

分集技术fm为衰落频率,V为移动台运动速度,最后一个参数为工作波长。

  若移动台是静止的,则移动速度v=0,此时要求重复发送的时间间隔才为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。时间分集与空间分集相比较,优点是减少了接收天线及相应设备的数目,缺点是占用时隙资源增大了开销,降低了传输效率

极化分集

  在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2 路衰落特性不相关的信号。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中,通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果,所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。

  这种方法的优点是它只需一根天线,结构紧凑,节省空间,缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线,并且由于发射功率要分配到两副天线上,将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏,通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。

  而且若采用交叉极化天线,同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说,天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性,并且在整个120“扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性,代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果,要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性,即两个分集接收天线端口信号的不相关性,决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性,两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。


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