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        深圳市鵬鑫威科技有限公司

        COFDM分集接收技術

        發布時間:2013/08/19

               衰落效應是影響無線通信質量的主要因素之一。其中的深度可達30~40dB,如果想利用加大發射功率、增加天線尺寸高度等方法來克服這種深衰落是不現實的,而且會造成對其它電臺的干擾。而采用分集方法即在若干個支路上接收相互間相關性很小的載有同一消息的信號,然后通過合并技術再將各個支路信號合并輸出,那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。相應的還需要采用分集接收技術減輕衰落的影響,以獲得分集增益,提高接收靈敏度,這種技術已廣泛應用于包括移動通信,短波通信等隨參信道中。在第二和第三代移動通信系統中,這些分集接收技術都已得到了廣泛應用。

        損耗        根據信號論原理,若有其他衰減程度的原發送信號副本提供給接收機,則有助于接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判決率的方法被稱為分集。分集技術是用來補償衰落信道的,它通常利用無線傳播環境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點,使用一定的信號合并技術改善接收信號,來抵抗衰落引起的不良影響??臻g分集手段可以克服空間選擇性衰落,但是分集接收機之間的距離要滿足大于3倍波長的基本條件。

         

         

        頻率分集的基本原理是通過多

        信道(時間、或者空間)接收到承載相同信息的多個副本,由于多個信道的傳輸特性不同,信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復出原發送信號。如果不采用分集技術,在噪聲受限的條件下,發射機必須要發送較高的功率,才能保證信道情況較差時鏈路正常連接。在移動無線環境中,由于手持終端的電池容量非常有限,所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限,而采用分集方法可以降低發射功率,這在移動通信中非常重要。

         
         
        分集技術包括2個方面:一是分散傳輸,使接收機能夠獲得多個統計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號;二是集中處理,即把接收機收到的多個統計獨立的衰落信號進行合并以降低衰落的影響。因此,要獲得分集效果最重要的條件是各個信號之間應該是“不相關”的。

         
        技術分類
        總結起來,發射分集技術的實質可以認為是涉及到空間、時間、頻率、相位和編碼多種資源相互組合的一種多天線

        技術。根據所涉及資源的不同,可分為如下幾個大類:

        空間分集

         

        我們知道在移動通信中,空間略有變動就可能出現較大的場強變化。當使用兩個接收信道時,它們受到的衰落影響是不相關的,且二者在同一時刻經受深衰落谷點影響的可能性也很小,因此這一設想引出了利用兩副接收天線的方案,獨立地接收同一信號,再合并輸出,衰落的程度能被大大地減小,這就是空間分集。
        空間分集是利用場強隨空間的隨機變化實現的,空間距離越大,多徑傳播的差異就越大,所接收場強的相關性就越小。這里所提相關性是個統計術語,表明信號間相似的程度,因此必須確定必要的空間距離。經過測試和統計,CCIR建議為了獲得滿意的分集效果,移動單元兩天線間距大于0.6個波長,即d>0.61,并且最好選在l/4的奇數倍附近。若減小天線間距,即使小到1/4,也能起到相當好的分集效果。
        空間分集分為空間分集發送和空間分集接收兩個系統。其中空間分集接收是在空間不同的垂直高度上設置幾副天線,同時接收一個發射天線的微波信號,然后合成或選擇其中一個強信號,這種方式稱為空間分集接收。接收端天線之間的距離應大于波長的一半,以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的,也就是說,當某一副接收天線的輸出信號很低時,其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現幅度低的現象,經相應的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路,得到一個總的接收天線輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響,改善了傳輸的可靠性。
        空間分集接收的優點是分集增益高,缺點是還需另外單獨的接收天線。
        空間分集還有兩類變化形式:
        . 極化分集:它利用在同一地點兩個極化方向相互正交的天線發出的信號可以呈現不相關的衰落特性進行分集接收,即在收發端天線上安裝水平、垂直極化天線,就可以把得到的兩路衰落特性不相關的信號進行極化分集。優點:結構緊湊、節省空間;缺點:由于發射功率要分配到兩副天線上,因此有3dB的損失。
        .角度分集:由于地形、地貌、接收環境的不同,使得到達接收端的不同路徑信號可能來自不同的方向,這樣在接收端可以采用方向性天線,分別指向不同的到達方向。而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關的。
        頻率分集
        頻率分集是采用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時發送和接收同一信息,然后進行合成或選擇,利用位于不同頻段的信號經衰落信道后在統計上的不相關特性,即不同頻段衰落統計特性上的差異,來實現抗頻率選擇性衰落的功能。實現時可以將待發送的信息分調制在頻率不相關的載波上發射,所謂頻率不相關的載波是指當不同的載波之間的間隔大于頻率相干區間,即載波頻率的間隔應滿足:
        分集技術
        式中:
        △f為載波頻率間隔,Bc為相關帶寬,△Tm為最大多徑時延差。
        當采用兩個微波頻率時,稱為二重頻率分集。同空間分集系統一樣,在頻率分集系統中要求兩個分集接收信號相關性較小(即頻率相關性較小),只有這樣,才不會使兩個微波頻率在給定的路由上同時發生深衰落,并獲得較好的頻率分集改善效果。在一定的范圍內兩個微波頻率f1與f2相差,即頻率間隔△ f=f2-f1越大,兩個不同頻率信號之間衰落的相關性越小。
        頻率分集與空間分集相比較,其優點是在接收端可以減少接受天線及相應設備的數量,缺點是要占用更多的頻帶資源,所以,一般又稱它為帶內(頻帶內)分集,并且在發送端可能需要采用多個發射機
        時間分集
        時間分集是將同一信號在不同時間區間多次重發,只要各次發送時間間隔足夠大,則各次發送降格出現的衰落將是相互獨立統計的。時間分集正是利用這些衰落在統計上互不相關的特點,即時間上衰落統計特性上的差異來實現抗時間選擇性衰落的功能。為了保證重復發送的數字信號具有獨立的衰落特性,重復發送的時間間隔應該滿足:
        分集技術
        fm為衰落頻率,V為移動臺運動速度,最后一個參數為工作波長。
        若移動臺是靜止的,則移動速度v=0,此時要求重復發送的時間間隔才為無窮大。這表明時間分集對于靜止狀態的移動臺是無效果的。時間分集與空間分集相比較,優點是減少了接收天線及相應設備的數目,缺點是占用時隙資源增大了開銷,降低了傳輸效率。
        極化分集
        在移動環境下,兩副在同一地點,極化方向相互正交的天線發出的信號呈現出不相關的衰落特性。利用這一特點,在收發端分別裝上垂直極化天線和水平極化天線,就可以得到2 路衰落特性不相關的信號。所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個物理實體中,通過極化分集接收來達到空間分集接收的效果,所以極化分集實際上是空間分集的特殊情況,其分集支路只有2 路。
        這種方法的優點是它只需一根天線,結構緊湊,節省空間,缺點是它的分集接收效果低于空間分集接收天線,并且由于發射功率要分配到兩副天線上,將會造成3dB的信號功率損失。分集增益依賴于天線間不相關特性的好壞,通過在水平或垂直方向上天線位置間的分離來實現空間分集。
        而且若采用交叉極化天線,同樣需要滿足這種隔離度要求。對于極化分集的雙極化天線來說,天線中兩個交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區域內提供了相同的信號場強。兩個交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性,并且在整個120“扇區及切換重疊區內保持很好的水平跟蹤特性,代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果,要求天線在整個扇區范圍內均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個扇區范圍內的正交特性,即兩個分集接收天線端口信號的不相關性,決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個分集接收端口獲得較好的信號不相關特性,兩個端口之間的隔離度通常要求達到30dB以上。

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