分集技術(shù)及其在遙測(cè)接收系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊晰++李云龍

摘 要分集技術(shù)是應(yīng)對(duì)衰落影響的一種解決方案。極化分集技術(shù)是分集技術(shù)中的一種，該技術(shù)在無線環(huán)境復(fù)雜多變、信號(hào)易受干擾的情況下可以明顯改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，因此在遙測(cè)系統(tǒng)地面站接收機(jī)中得到了應(yīng)用。介紹極化分集技術(shù)的基本原理及其在工程中的應(yīng)用方法，并運(yùn)用Matlab仿真了不同情況下極化分集合成的結(jié)果，說明了極化分集接收機(jī)在提高接收信號(hào)的信噪比，減小誤碼率方面的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】分集技術(shù) 遙測(cè)接收機(jī) 誤碼率 仿真分析

分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常通過兩個(gè)或更多的接收天線來實(shí)現(xiàn)。同均衡器一樣，在滿足不增加傳輸功率和帶寬的條件下，提高無線通信信道的傳輸質(zhì)量。信號(hào)經(jīng)過反射、散射等方式傳播后，到達(dá)接收端的信號(hào)通常是幅度和相位各異的信號(hào)的疊加，使接收到的信號(hào)幅度呈現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落。通過不同路徑傳播的信號(hào)分量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，疊加后的復(fù)合信號(hào)相互抵消或增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。這種衰落會(huì)降低可獲得的有用信號(hào)功率，同時(shí)增加干擾的影響，使得接收機(jī)的接收信號(hào)產(chǎn)生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統(tǒng)解調(diào)器輸出出現(xiàn)大量差錯(cuò)，以至完全不能通信。

在各類武器裝備飛行試驗(yàn)中，要求遙測(cè)地面接收系統(tǒng)能夠穩(wěn)定接收信號(hào)。但由于測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜多變，無線信號(hào)受到各種干擾和多徑效應(yīng)的影響，使接收到的信號(hào)產(chǎn)生較大的衰落。為了提高輸出信號(hào)的信噪比，地面接收系統(tǒng)常采用分集接收技術(shù)。從其分集方式來分，包括極化分集、頻率分集、空間分集和時(shí)間分集等。其中極化分集不但可以有效克服信道的瑞利衰落，并且對(duì)于非多徑信道也具有很好的性能，而且從經(jīng)濟(jì)性和工程實(shí)現(xiàn)的方便性來說，極化分集也具有較大的優(yōu)越性。

1 電磁波及天線極化理論概述

電波除了直接傳播外，遇到障礙物還會(huì)產(chǎn)生反射，因此，到達(dá)接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸，多徑傳播使得電波的極化方向發(fā)生變化，所謂極化，它反映的是空間電磁波的時(shí)變電場(chǎng)矢量的幅度大小和方向隨傳播方向變化的情況，無線電波的電場(chǎng)方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場(chǎng)方向垂直于地面，稱為垂直極化波；如果電波的電場(chǎng)方向平行于地面，稱為水平極化波；如果電波的電場(chǎng)的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫橢圓極化波；旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場(chǎng)的幅度保持不變，就叫圓極化波；向傳播方向看去順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波；反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。天線的極化則定義為電磁場(chǎng)中電場(chǎng)的分量相對(duì)于地面的方向，是指天線向一定方向輻射或接收電磁波的能力，同樣分為垂直極化天線、水平極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。當(dāng)電磁波與接收天線的極化方向不一致時(shí)，在接收過程中就會(huì)產(chǎn)生極化損失。

2 分集技術(shù)的基本原理

2.1 分集的基本原理

分集就是指通過兩條或兩條以上途徑傳輸同一信息，以減輕衰落影響的一種技術(shù)措施。分集技術(shù)包括分集發(fā)送技術(shù)和分集接收技術(shù)。

分集技術(shù)包括2個(gè)方面：一是分散傳輸，使接收機(jī)能夠獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即把接收機(jī)收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)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(gè)信號(hào)之間應(yīng)該是“不相關(guān)”的。是通過多個(gè)信道（時(shí)間、頻率、或者空間）接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號(hào)。

2.2 極化分集

極化分集的基本原理是兩個(gè)不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落，所以發(fā)送端和接收端可以用兩個(gè)位置很近但為不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號(hào)，以獲得分集效果。

極化分集可以看成空間分集的一種特殊情況，它也要用兩付天線，但僅僅是利用不同極的電磁波所具有的不同衰落特性，因而縮短了天線間的距離。在極化分集中，由于射頻功率分給兩個(gè)不同極化天線，因此發(fā)生功率要損失約3dB。

2.3 分集接收技術(shù)

在接收端取得若干條相互獨(dú)立的支路信號(hào)以后，可以通過合并技術(shù)來得到分集增益。從合并所處的位置來看，合并可以在檢測(cè)器以前，即在中頻和射頻上進(jìn)行合并，且多半是在中頻上合并；合并也可以在檢測(cè)器以后，即在基帶上進(jìn)行合并。合并時(shí)采用的準(zhǔn)則與方式主要有選擇合并、最大比值合并和等增益合并。無論是哪種合并方法都可以歸結(jié)為下面的公式：

即：合并技術(shù)的關(guān)鍵就是確定加權(quán)值。

極化分集接收時(shí)同時(shí)接收不同旋向極化（左旋極化和右旋極化）的信號(hào)，然后進(jìn)行合成輸出。合成的方式包括選擇式相加、等增益相加和最大比相加。

2.3.1 選擇性合并方式

選擇合并原理是選擇出來一個(gè)信噪比最好的信號(hào)，即：只有一個(gè)加權(quán)值為1，其余均為零。可以正常工作的概率如下：

其中：x為判決門限，F(xiàn)（x）為信噪比低于判決門限的概率（中斷概率），ξ為信噪比，M為副本數(shù)。這種合成方式需要一個(gè)高速開關(guān)和信號(hào)比較電路，其輸出信噪比等于最強(qiáng)支路的信噪比。

2.3.2 最大比合并方式

最大比值合并原理是各條支路加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。信噪比越大則加權(quán)系數(shù)越大，對(duì)合并后信號(hào)貢獻(xiàn)也越大。

其中：r為信號(hào)包絡(luò)，N為噪聲功率。如果第K路的加權(quán)值和信號(hào)幅度成正比，和噪聲功率成反比，則可取得最大值，

，即各支路信噪比之和。

2.3.3 等增益合并方式

原理類似最大比值合并，只不過將加權(quán)值全都置為1，犧牲部分性能來換取系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性。在兩路信號(hào)信噪比相當(dāng)時(shí)，其合成輸出信號(hào)信噪比應(yīng)該有所改善。同時(shí)當(dāng)其中一路信號(hào)很差時(shí)，相加后輸出的信號(hào)信噪比很可能變差。

輸出信噪比為：

其中M為副本數(shù)，N為噪音功率，r為信號(hào)包絡(luò)。