分集接收技術在公安數字通信組網中的應用

常偉龍 公安部第一研究所

一、引言

隨著公安信息化建設的發展，滿足警用需求的新一代數字集群通信系統將逐步取代現有的模擬通信系統。數字通信系統相比傳統的MPT模擬通信系統具有更多的功能和優勢。但如何降低通信系統建設成本是我們需要著重考慮的問題。為滿足通信覆蓋的要求，盡量擴大通信基站信號的有效覆蓋范圍、減少通信基站的建設數量、有效降低呼損率，分集接收技術無疑是一種有效手段。

二、分集接收的目的

在實際的移動通信系統中，移動臺常常工作在城市建筑群或其他復雜的地理環境中，而且移動的速度和方向是任意的。發送的信號經過多個路徑反射、散射后，到達接收端的往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現隨機起伏變化，形成多徑衰落。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會使復合信號相互抵消或增強，導致嚴重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率并增加干擾的影響，使得接收機的接收信號產生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統解調器輸出出現大量差錯，以至完全不能通信，尤其在數字通信系統中更易造成語音解碼和數字信令解碼的失效。

無線通信中的多徑衰落效應是影響無線通信質量的主要因素之一。其中的快衰落深度可達30～40dB甚至更大，如果想利用加大發射功率、增加天線尺寸和高度等方法來克服這種深衰落是不現實的，而且會造成對其他電臺的干擾。為了提高移動通信系統的性能，可以采用分集接收技術來改進接收信號質量。

三、分集接收的概念

根據信號原理，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選率的方法被稱為分集。分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關的（獨立的）多路信號，然后將這些多路分離信號的能量按一定的規則合并起來，使接收到的有用信號能量最大，進而提高接收信號的信噪比，即提高接收靈敏度。 因此，分集接收包括兩個方面內容：一是如何把接收到的多徑信號分離出來使其互不相關；二是將分離出來的多徑信號恰當合并，以獲得最大的信噪比。

四、分集技術的分類

（一）空間分集

在移動通信中，空間略有變動就可能出現較大的場強變化。當使用多個接收信道時，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，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。因此這一設想引出了利用多付接收天線的方案，獨立接收同一信號，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集。空間分集的基本結構為發射端使用一付天線，接收端使用多付天線（一般為2～3付）。

空間分集分為分集發送和分集接收兩個系統。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（d）應大于波長（λ）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，相當于提高了接收信號的靈敏度，改善了傳輸的可靠性。根據經驗值：

城區基站天線架設應滿足d>0.5λ

郊區基站天線架設應滿足d>0.8λ

（二）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別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頻率分集技術公式：

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。

當采用兩個載波頻率時，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，才不會使兩個載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載波頻率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。

（三）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：

時間分集公式

式中，fm為衰落頻率，V為移動臺動速λ為工作波長

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。

（四）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。

這種方法的優點是只需一根天線，結構緊湊，節省空間，缺點是其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。

五、接收合并技術

分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸的可靠性，它也是一項研究利用信號的基本參量在時域、頻域與空域中，如何分散開又如何收集起來的技術。“分”與“集”是一對矛盾，在接收端取得若干條相互獨立的支路信號以后，可以通過合并技術來得到分集增益。從合并所處的位置來看，合并可以在檢測器以前，即在中頻和射頻上進行合并，且多半是在中頻上合并；合并也可以在檢測器以后，即在基帶上進行合并。合并準則與方式主要有三種：最大比值合并、等增益合并和選擇性合并。

（一）最大比合并

在接收端由多個分集支路，經過相位調整后，按照適當的增益系數，同相相加，再送入檢測器進行檢測。在接受端各個不相關的分集支路經過相位校正，并按適當的可變增益加權再相加后送入檢測器進行相干檢測。在做的時候可以設定第i個支路的可變增益加權系數為該分集之路的信號幅度與噪聲功率之比。

最大比合并方案在收端只需對接收信號做線性處理，然后利用最大似然檢測即可還原出發端的原始信息。其譯碼過程簡單、易實現。合并增益與分集支路數N成正比。

（二）等增益合并

等增益合并也稱為相位均衡，僅僅對信道的相位偏移進行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意義上的最佳合并方式，只有假設每一路信號的信噪比相同的情況下，在信噪比最大化的意義上，它才是最佳的，其輸出的結果是各路信號幅值的疊加。

（三）選擇式合并

采用選擇式合并技術時，N個接收機的輸出信號先送入選擇邏輯，選擇邏輯再從N個接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻僅為總分集支路數的倒數倍。

六、合并方式性能比較

這里比較的主要是最大比合并、等增益合并、選擇式合并三種方式。

可以看出，在這三種合并方式中，最大比值合并的性能最好，選擇式合并的性能最差。當N較大時，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。

七、分集改善效果

分集改善效果指采用分集技術與不采用分集技術兩者相比，對減輕深衰落影響所得到的效果(好處)。為了定量的衡量分集的改善程度，常用標稱改善效果，即用分集增益和分集改善度這兩個指標來描述。

現在用圖7中的分集效果改善圖加以說明。圖中的縱坐標及橫坐標的意義已經標出。曲線A表示在深衰落情況下無分集時的相對電平累積分布曲線；曲線B表示采用分集接收的相對電平累積分布曲線。

分集增益是指在某一累積時間百分比內，分集接收與單一接收時的收信電平差。這一電平差越大，分集增益越高，說明分集改善效果越好。例如圖7中，對應50%、5%、0.1%的累積時間百分比時，這一電平差分別為3dB、5.5dB、14dB。積累時間百分比越小，分集增益越高。0.1%時間百分比的分集增益為14dB，意味著：無分集時由曲線A查出此時的衰深深度比自由空間收信電平低30dB；采用分集技術后，由曲線B查出此時的衰落深度僅比自由空間收信電平低16dB。可見分集接收使衰落深度減輕了14dB。分集改善度是指在某一相對的收信電平時，單一接收與分集接收的衰落累積時間百分比之比。其比值越大，說明分集改善效果越好。在圖7中，當收信電平低于自由空間收信電平20dB時，單一接收與分集接收對于同一收信電平，其衰落的累積時間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100，亦即分集改善為100。在數字微波系統中，不管采用哪一種分集接收方式，都會使系統的有效衰落儲備增加，即抗頻率選擇性衰落的能力增強。還能不同程度地改善帶內失真，改善交叉極化鑒別度。

八、公安通信組網中的典型應用

現有的公安模擬集群基站多采用單接收天線體系，而在PDT數字通信系統中語音是經過壓縮編碼的數字信號，由于發射信號的多徑衰落效應，尤其是快衰落嚴重影響了無線通信信號質量，更易造成語音解碼和數字信令解碼的失效，造成較大的呼損率。從概率上講，這種由于多徑衰落引起的呼損是在單天線的通信覆蓋邊緣部位概率比較大。綜合來看，無論是技術實現的難易程度還是技術實現的成本來看，分集接收在公安數字通信系統組網的典型應用中一般是采用空間分集技術，即在通信基站上架設多天線，一般是采用2-3分集，而在移動終端上無需做改變。基站的分集接收天線應垂直隔離架設，對于350兆頻段，波長λ將近1米，2付接收天線的垂直隔離距離最好大于1米，隔離距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強的相關性就越小，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，呼損率降低，相對通信覆蓋的范圍即可擴大。從實際組網經驗看，采用分集接收技術的基站要比單接收天線基站的有效通信覆蓋范圍擴大15%～25%。

九、結語

分集接收技術充分利用了傳輸中的多徑信號能量，改善了傳輸的可靠性。從系統建設的性價比考慮出發，在公安數字無線通信組網中應首選“空間分集接收”方式，它的應用可大大提升無線通信系統中信道機的接收能力，擴大基站信號覆蓋范圍，降低通信系統工程建設成本，在公安新一代數字集群通信中應得到廣泛應用。

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