关于分集技术

分集技术

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。

如何提高频谱效率和数据传输速率成为下一代无线通信系统的关键问题之一。提高通信速率和可靠性的办法之一就是使用多个发送和多个接收天线，也就是多输入多输出(MIMO，multiple-input multiple-output)的通信系统。这一点已经得到理论和实践的证明。

这一节我们考虑在多个发送天线单个接收天线的系统中不同信号发送形式时多用户分集问题，首先来看看2个发送天线1个接收天线的情形。当发送端没有信道信息，而接收端具有完全的信道信息时，最佳的单用户发送信号结构是Alamouti提出的时空正交码（STOBC）。这个码字占用两个连续的时刻，并且假定信道保持不变。这种码字的构造形成了两个子信道 1 s ，2 s 。这两个子信道具有相同的信道容量，调度的时候将它们分配给同一个用户。现在采用另外一种发送信号形式，也就是两个子流 1 s ，2 s 轮流通过发送天线1 和发送天线2发送出去，也就是在连续的两个信道使用中，第一个时刻使用第一个发送天线，第二个时刻使用第二个发送天线，这样也形成了两个子信道。这种轮流发送方式导致两个子信道的容量不等，一个子信道容量大于STOBC的容量，另一个小于STOBC的信道容量，并且导致了容量损失。从另外一方面看，采用这种信号结构之后，导致了子信道信噪比分布的尾部（tail）更大，这对于多用户分集是有利的。如果两个子信道独立调度，两个子信道可以选择各自最强的用户，从而提高了整个系统的吞吐量。由于两个子信道具有对称性，可以只求第一个子信道调度后的吞吐量。当用户数为1的时候，由于没有调度增益，轮流发送的吞吐量小于STOBC，但是当用户数多于1个时，其吞吐量大于采用STOBC 信号结构的吞吐量。因此，采用STOBC对于多用户分集是有害的。可以预见，由于LD 码是单用户最优化的，因此，其信号结构形式对于多用户分集也是有害的。如果信道是各态历经的，则这种轮流发送的方式得到的平均吞吐量和单发单收相等。

图 1 接收天线为1 时吞吐量与用户个数的关系(a=0.39)

图2 接收天线为1 时吞吐量与权值a 的关系

当接收天线为一个时，和其它发送信号结构相比，STOBC对于调度性能有着很大危害，其性能甚至低于单发送天线的性能。信道反馈信息越多，调度性能就越好，并且1 比特的反馈可以获得最大部分的增益。当接收天线为两个时，可以看出，通过发送天线选择和不同的组合选择策略，在相同的反馈信息情况下，得到不同的性能。本文主要讨论了三种组合选择策略：max-max, max-sum和max-min。由于max-max选择子信道最大的那个组合，其动态范围相对最大，因而其调度性能优于其它两种策略。因此，在发送分集系统中，发送信号的结构，反馈信息量多少，接收机结构，选择策略都严重影响着多用户分集。

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。在第二代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-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。

分集技术-基本原理

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“不相关”的。

分集技术-技术分类

总结起来,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：

1.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。

2.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。

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。

3.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。

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。

4.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。

5.角度分集

利用不同方向到达的信号的不相关性产生多路分集信号的技术。

分集技术-接收合并技术

分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性，它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域与空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾，在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；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分为四种：最大比值合并（MRC:Maximal Ratio Combining）、等增益合并(EGC:Equal Gain Combining)、选择式合并(SC:Selection Combining)和切换合并（Switching Combining）。

1.最大比合并（MRC）

在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。

最大比合并方案在收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数N 成正比。

2.等增益合并（EGC）

等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。对CDMA系统，它维持了接收信号中各用户信号间的正交性状态，即认可衰落在各个通道间造成的差异，也不影响系统的信噪比。当在某些系统中对接收信号的幅度测量不便时选用EGC。

它选择瞬时SNR最高的支路信号；

当N （分集重数）较大时，等增益合并与最大比值合并后相差不多，约仅差1dB 左右。等增益合并实现比较简单，其设备也简单。

3.选择式合并（SC）

采用选择式合并技术时，N 个接收机的输出信号先送入选择逻辑，选择逻辑再从N 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。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。

4.切换合并

接收机扫描所有的分集支路，并选择SNR 在特定的预设门限之上的特定分支。在该信号的SN R 降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输出信号。当SNR 低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切换到另一个分支，该方案也称为扫描合并。由于切换合并并非连续选择最好的瞬间信号，因此他比选择合并可能要差一些。但是，由于切换合并并不需要同时连续不停的监视所有的分集支路，因此这种方法要简单得多。

对选择合并和切换合并而言，两者的输出信号都是只等于所有分集支路中的一个信号。另外，它们也不需要知道信道状态信息。因此，这两种方案既可用于相干调制也可用于非相干调制。

分集技术-合并方式性能比较

这里比较的主要是最大比合并，等增益合并选择式合并三种方式。

三种合并方式性能比较

可以看出，在这三种合并方式中，最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最差。当N较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。

分集技术-分集改善效果

分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果(好处)。为了定量的衡量分集的改善程度，常用标称改善效果，即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。

现在用下面的分集效果改善图加以说明。图中的纵坐标及横坐标的意义已经标出。曲线A表示在深衰落情况下无分集时的相对电平累积分布曲线；曲线B表示采用分集接收的相对电平累积分布曲线。

分集改善效果

分集增益是指在某一累积时间百分比内，分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。例如下图中，对应50%、5%、0.1%的累积时间百分比时，这一电平差分别为3dB、5.5dB、14dB。积累时间百分比越小，分集增益越高。0.1%时间百分比的分集增益为14dB意味着：无分集时由曲线A查出此时的衰深深度比自由空间收信电平低30 dB;采用分集技术后，由曲线B查出此时的衰落深度仅比自由空间收信电平低16dB。可见分集接收使衰落深度减轻了14dB。

分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。其比值越大，说明分集改善效果越好。在上图中，当收信电平低于自由空间收信电平20dB时，单一接收与分集接收对于同一收信电平，其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%，两者的比值为100，亦即分集改善为100。在数字微波系统中，不管采用哪一种分集接收方式，都会使系统的有效衰落储备增加，即抗频率选择性衰落的能力增强。还能不同程度地改善带内失真，改善交叉极化鉴别度。

移动电视双天线分集接收技术

随着DVB-T在手机电视、车载电视、楼宇电视、地铁电视等户外广播领域内的发展，在这些接收范围内，多径衰落、多普勒频移等小范围衰落是不可避免的问题，解决这些衰落和干扰成为倍受关注的问题。为了解决衰落，改善数字电视广播移动接收的信号质量，在接收设备上使用了多种措施，如信道解码纠错技术、抗衰落接收技术等，但双/多天线分集接收技术是最明显有效的解决方案。

一多径信号衰落和多普勒效应

什么是衰落，简单的说信号电平因受各种因素影响而随时间变化叫衰落，衰落分为慢衰落和快衰落。衰落产生的原因很多，无线地面传输信号很容易受到因高楼大厦、山地丘陵地形等障碍物云雨等天气的影响，这些影响都会产生衰落。在DVB-T移动接收中常见的两种衰落是多径信号衰落和多普勒频移。

上图（图1）就是一个多径衰落产生过程，当地面波信号在传输途径当中受到高楼、丘陵、运动车辆等多个障碍物的阻挡时，就会产生反射或散射，形成多路信号到达接收天线，由于到达接受天线的时间不同、相位不同，相反相位的不同信号因叠加而相互消弱，从而产生信号的衰落。

另一种移动接收过程不可避免的问题是多普勒效应。如果信号以波的形式传播，当接收者与产生者发生相对运动时，接收者接收到的信号频率会因运动而发生变化，这就叫多普勒效应。这是任何波动过程都具有的特性，电磁波也是如此。如果接收几相对于发射机时，接收机接收到的信号也会发生多普勒效应，具体的特性，电磁波也是如此。如果接收几相对于发射机时，接收机接收到的信号也会发生多普勒效应，具体取决于接收机相对于发射机移动的方向和速度（如上图2 所示），当接收机和发射机相向运动时，他接收到的信号频率就高于发射频率，相反，当他们发生相背运动时，接收的信号频率就低于发射频率，这种频率变化也叫多普勒频移，它产生的衰落会对使接收机很难准确的解出信号。

多径衰落和多普勒频移导致的小范围衰落对移动接收设备的接收信号破坏力极强，能引起较大的码间干扰和频率的矢量减小，因此在接收时要求信号功率足够强或接收机灵敏度足够高。多径衰落和多普勒频移引起的衰落在小范围内都属于快衰落，理论和实测表明：快衰落的振幅服从瑞利分布，相位服从均匀分布，克服快衰落影响的有效办法是分集接收。

二分集接收技术思想

上面说明了信号衰落的产生原因，由于信号在传输过程中因反射等干扰产生多径分量信号，接收端利用多天线同时接收不同路径的信号，然后将这些信号选择、合并成总的信号，以减轻信号衰落的影响，这叫分集接收。分集就是把分散得到的信号集中合并，只要几个信号之间是相互独立的，经恰当的合并后就能得到最大的信号增益。

三DVB-T中的分集接收技术的应用理论

DVB-T（Digital Video Broadcasting Terrestrial）是DVB标准中的数字电视地面波传输标准。DVB -T 标准创建于1997 年，采用COFDM （正交频分复用编码）调制传输，内编码采用卷积码，外编码采用RS 码，交织器采用卷积交织。

在DVB -T 标准中编码和交织方案都已确定的情况下，要再提高它的移动接收性能，就只能在接收机上做改进了，改进基本途径一般有两条：

(1) 在现有内接收机的结构下，提高接收机中频率、定时地同步与跟踪算法，针对瑞利衰落信道提高信道估计和补偿算法的效能；

(2) 改变现有接收机的结构。

试验研究表明，双/多天线分集技术可以有效地对抗信号衰落，对DVB -T 的移动接收性能有较大改善。原因在于某个已知点的信号强度是主信号和多径信号的矢量和（相加或相减），故利用移动天线或是利用间隔为至少一个波长的多个天线，在每个天线处都会产生不同的信号电平，此时移动天线可以引起接收电平的变化，并且总是可以找到一个最强的信号，可使接收质量比使用单一天线有明显的改善。为了使组合天线的输出信号得到明显的改善，应用最大比例组合技术MRC，来解决分集信号的最佳合成问题，但目前只有法国DIBCOM公司成功地运用了该技术。

上图是天线分集技术来提高DVB -T 性能的解决方案。首先部分地解调信号，然后利用最大比例合成技术MRC，因此解决了信号的最佳合成问题。这项技术可以直接的改善灵敏度, 降低C/N门限值, 提高多镜路抗干扰性能。

四DIBCOM中天线分集接收技术的应用

目前在DVB-T领域中天线分集接收技术应用最为领先、成熟的是法国DIBCOM公司。法国DI BCOM是DVB解调IC的专业设计公司，DIBCOM在这一领域拥有多项专利. 英诺科技作为DIBCO M的设计公司与代理商,已地将DIBCOM的成熟技术应用于手持移动设备、车载、家用机顶盒,PVR,地铁、楼宇等场合, 并与市场上绝大多数主流后端芯片完成了搭配,如Freescale,ST,Telechips,Zora n,Fujitsu等公司的后端。

DIBCOM的dmodulator完全适用与基于COFDM调制的DVB-T、DVB-H、DVB-SH、ISDB-T、T-DMB、CMMB等。DIBCOM公司的天线分集接收技术和通信的基本原理并没有太大的变化，但在分散信号的合成算法上远远领先于其他方案。

1 DIBCOM的分集接收原理及应用

DIBCOM的分集接受采用最大比值合并算法，如下图（图5），双天线分集接收分别控制各支路接收增益，获得不同天线的最好信号，同时还时实时提供着个支路信号的信噪比，信号经相位调整后，以适当的增益系数，同相合并后，就获得最大信噪比的优质信号。

对于信道衰落大，或移动速度要求更高的环境下，DIBCOM 还可多颗IC采用菊花链形式连接实现分集接收，即每个芯片都可以把自己接收到的信号根其他芯片接收到的信号最大比值合并，这也是DIBCOM公司的专利技术。

2. DIBCOM分集接收天线的处理

实践研究表明，即使两根天线相距大约为λ/5，仍然可以得到80％的功效，譬如两根天线相距8cm，对UHF来说，仍然有很高的效率，这是其他方案做不到的（分集接收要求天线体相距至少为1个波长）。如果天线接收了两个不同极性的信号，效率会更加高，譬如两个天线呈90度放置，或不同极化方向的天线等，会获得更好的分集接收效果。

3. DIBCOM在分集接收下的性能

仅双天线分集接收，在8k QAM64 2/3的调制模式下，信号灵敏度可以提高2～10dB，降低6 dB的C/N门限值,在周边复杂环境的情况下，如闹市区,展览会等地区，可以提高多达3dB以上的多镜路抗干扰性能。一般条件下，双天线分集接收将使你更可能接收到好的信号，相对来讲可以使信号覆盖扩大3倍。车载等运动接收，同等条件下，可以使运动速度提高3倍。

4. DIBCOM分集接收的具体测试

下图是室内接收的效果比较图，由于室内接收时不仅存在信号被建筑物等吸收的问题，还同样存在小范围衰落。下面两附图分别是DIBCOM解调器的测试，图7采用双天线分集接收，在BER< 10-4时，接收范围达可到95%，同样条件，图8单天线只能达到67%。车载移动接收时，分集接收也同样表现出它的优越性能。下面（图9）三幅图是在法国某城市DVB-T标准信号下的实地测试图，三幅图分别示意出单天线接收、双天线分集接收和四天线分集接收不同效果。

五结束语

双/多天线分集接收不仅在DVB-T移动接收中，有着很强的抗衰落效果，它带给终端用户了更大的信号覆盖

面积、更高的信号质量和更快的接收机移动速度。今后在车载机、手持机，室内机等要求高的地方会得到

更大的发展和普及。