浅析无线通信中的分集接收技术

陈军磊

[摘 要]无线通信技术的飞速发展可以说是一场新的革命。通信技术与计算机结合，已成为集无线、有线传输、数字程控交换和各类新型终端为一体的高效能综合通信手段。移动通信使人们能更加自由地通信，最终实现全球个人通信的理想。但是无线通信的可靠性一直是通信系统设计中的重要指标，本文分析了分集接收的原理，归纳了六种分集方式，并详细介绍了分集合并的方法。

[关键词]无线通信；有线传输；分集方式；分集合并

中图分类号：TD956.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0025-01

0 引言

实际的通信环境中总是存在着各种各样的干扰源，有时虽然接收天线上感应到的信号强度远高于接收灵敏度，但是当接收机所处环境的电磁干扰较大时，有用信号仍被淹没在干扰信号中，而接收机又不能有效抑制干扰，同样不能进行有效的无线电通信。为了减小干扰对通信质量的影响，可采用加大发射功率的方法，但这种方法的代价太大，且会造成对其他电台的干扰，因此加大发射功率的方法实际上是不可行的。而分集则是有意识地分离多径信号并恰当合并，以提高接收信号的信噪比来抗衰落。

1 分集接收技术的基本原理

分集接收技术是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。在一定条件下，多径传输引起的快衰落对不同空间、不同极化、不同频率、不同时间上所发送的信号，其相关性将随着空间位置上的分开、极化的差异、频率间隔的扩展以及时间间隔的延长而减弱。分集技术正是利用这一特点，通过把不同空间、不同极化方式、不同频率、不同时间上所接收到的多个信号进行综合，利用相互间的不相关性，达到抗衰落的目的。

下面介绍分集介绍技术的两个基本环节：①分散技术：设置若干分集接收支路，且使各分集支路信号之间的相关系数尽可能的小。常用的分散技术有空间分集、角度分集、频率分集、时间分集和极化分集等。②合并技术：将各分集支路信号合并起来，并获得较大的分集增益。常用的合并技术有选择合并、等增益合并、最大比合并、码元均方误差最小分集合并、最大估值合并、多径分集及隐分集等。

2 分集方式

分集分为宏观分集和微观分集两大类。

宏观分集也称为多基站分集，其主要作用是抗慢衰落。例如，在移动通信系统中，把多个基站设置在不同的物理位置上（如蜂窝小区的对角线上），同时发射相同的信号，小区内的移动台选择其中信号最好的基站与之通信，以减小地形、地物及大气等对信号造成的慢衰落。

微观分集的主要作用是抗快衰落。理论与实践都表明，当信号在空间、频率及时间等方面分离时，都会呈现出互相独立的衰落特性。由此按分离方式的不同，微观分集可分为以下几种：

2.1 空间分集

空间分集的依据是相距间隔达到一定程度时，不同接收地点收到信号的衰落具有独立性。空间分集的基本结构为发端使用一副天线发射，收端用多副天线接收。

空间分集也称设备分集，已被广泛用于短波通信和移动通信。如二重空间分集的短波FSK通信，较不分集时好12dB，相当于发射功率增加15倍；移动通信蜂窝基站系统广泛采用两副接收天线来接收同一移动台发来的信号，以改善性能。

2.2 频率分集

由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落是不相关，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。如在GSM系统中利用跳频来达到频率分集；在CDMA系统中，利用发射信号带宽（1.25MHz）远大于相关带宽（市区的相关带宽为50kHz，郊区的相关带宽为250kHz）来获得频率分集效果。

2.3 时间分集

实践证明，快衰落除了具有空间和频率的独立性，还具时间的独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要两次重发间隔足够大，那么各次发送的信号通过信道后，出现的衰落将是彼此独立的。

时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号，如短波和移动通信系统中，用交织来改变原来的码元顺序供发端发射，以达到时间分集的目的。

2.4 极化分集

由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以发端和收端可以用两个位置很近、单极化方向不同的天线发送和接收信号，以获得分集效果。极化分集可以看作空间分集的一种特殊情况，其优点是设备的结构紧凑，节省空间；缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，因此有3dB损失。

2.5 角度分集

角度分集的依据是从不同入射角入射的两个信号所受到的衰具有彼此独立的特性，其基本结构是：收端使用多个锐方向性接收天线来接收不同方向来的信号分量。角度分集也可看作空间分集的一种特殊情况，显然它在频率较高时比较容易实现。

2.6 路径分集

多径分集的依据是来自两个不同路径的信号时延大于某一值时，这两个衰落信号可看作互不相关。一般通信系统中的多径信号很难分离，但在扩频通信系统中，存在多径信号的内在可分离特性，既具有抗多径干扰的能力。当然，在扩频通信系统中若不采用路径分集时，则多径干扰被当作噪声处理；若采用路径分集时，则将多径干扰变害为利。

3 空间分集合并技术

分集接收时，从接收端得到的n个不同的独立信号，可以通过不同形式的合并技术来获得合并增益。从接收链路看，可以在中频和射频上进行，也可以在基带进行。

3.1 信号合并准则

最大信噪比准则：该准则最早用于模拟信号的合并。应注意的是，在频率选择性衰落信道中，对数字信号合并时，最大信噪比准则不是最佳的。

眼图最大张开准则：该准则适用于数字信号的合并。眼图张开最大，表征码间干扰最小，因此在频率选择性衰落信道中，眼图最大张开准则是一种信号合并的最佳准则。

误码率最小准则：数字信号合并的最终结果是希望误码率达到最小。因此，误码率最小准则就是数字信号的最佳合并准则。

3.2 本文介绍的空间分集接收机原理框图如图1所示。它具有下述特点：采用垂直空间分集天线，可使两分集支路信号的相关系数小于0.6，而两支路接收信号电平相差小于1dB。

采用鉴频后等增益合并技术，便于实现，且可改善信噪比3dB，具有抗多径衰落的效果。采用鉴频器检测多电平判决方法解调GMSK数字信号，对载频漂移和随机调频噪声不敏感，有利于降低误比特率。

4 分集接收技术的应用

分集接收技术早已在模拟无线通信系统中得到成功应用，近年来在数字无线通信领域得到了更加广泛的应用。目前，在GSM系统中，基站广泛采用二重空间分集接收，提高系统性能；在CDMA系统中，手机和基站都采用RAKE（多径）接收机进行分集接收，来减小衰落的影响；在短波通信中，采用具有带内频率分集和编码分集的多径并传方法来降低系统的误码率；在对流层散射通信中，采用四重频率分集的时频调制来提高系统性能。

最后，应当指出：分集接收技术仅仅是采用信号处理技术抗衰落的一种方法，通常与其他抗衰落的信号处理技术联合应用，从而达到提高系统的性能的目的。

5 结论

本文采用的空间分集接收技术能有效地改善数字无线通信中的多径衰落。

参考文献

[1] 傅海洋.分集接收在TDSCDMA智能天线中的应用[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2008（2）：27-28.

[2] 樊昌信，等.通信原理.北京：国防工业出版社，1995，10.

作者简介

陈雪燕：石家庄桥西区宫家庄新世纪小区B区2号楼2单元704室陈雪燕13180582457endprint

[摘 要]无线通信技术的飞速发展可以说是一场新的革命。通信技术与计算机结合，已成为集无线、有线传输、数字程控交换和各类新型终端为一体的高效能综合通信手段。移动通信使人们能更加自由地通信，最终实现全球个人通信的理想。但是无线通信的可靠性一直是通信系统设计中的重要指标，本文分析了分集接收的原理，归纳了六种分集方式，并详细介绍了分集合并的方法。

[关键词]无线通信；有线传输；分集方式；分集合并

中图分类号：TD956.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0025-01

0 引言

实际的通信环境中总是存在着各种各样的干扰源，有时虽然接收天线上感应到的信号强度远高于接收灵敏度，但是当接收机所处环境的电磁干扰较大时，有用信号仍被淹没在干扰信号中，而接收机又不能有效抑制干扰，同样不能进行有效的无线电通信。为了减小干扰对通信质量的影响，可采用加大发射功率的方法，但这种方法的代价太大，且会造成对其他电台的干扰，因此加大发射功率的方法实际上是不可行的。而分集则是有意识地分离多径信号并恰当合并，以提高接收信号的信噪比来抗衰落。

1 分集接收技术的基本原理

分集接收技术是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。在一定条件下，多径传输引起的快衰落对不同空间、不同极化、不同频率、不同时间上所发送的信号，其相关性将随着空间位置上的分开、极化的差异、频率间隔的扩展以及时间间隔的延长而减弱。分集技术正是利用这一特点，通过把不同空间、不同极化方式、不同频率、不同时间上所接收到的多个信号进行综合，利用相互间的不相关性，达到抗衰落的目的。

下面介绍分集介绍技术的两个基本环节：①分散技术：设置若干分集接收支路，且使各分集支路信号之间的相关系数尽可能的小。常用的分散技术有空间分集、角度分集、频率分集、时间分集和极化分集等。②合并技术：将各分集支路信号合并起来，并获得较大的分集增益。常用的合并技术有选择合并、等增益合并、最大比合并、码元均方误差最小分集合并、最大估值合并、多径分集及隐分集等。

2 分集方式

分集分为宏观分集和微观分集两大类。

宏观分集也称为多基站分集，其主要作用是抗慢衰落。例如，在移动通信系统中，把多个基站设置在不同的物理位置上（如蜂窝小区的对角线上），同时发射相同的信号，小区内的移动台选择其中信号最好的基站与之通信，以减小地形、地物及大气等对信号造成的慢衰落。

微观分集的主要作用是抗快衰落。理论与实践都表明，当信号在空间、频率及时间等方面分离时，都会呈现出互相独立的衰落特性。由此按分离方式的不同，微观分集可分为以下几种：

2.1 空间分集

空间分集的依据是相距间隔达到一定程度时，不同接收地点收到信号的衰落具有独立性。空间分集的基本结构为发端使用一副天线发射，收端用多副天线接收。

空间分集也称设备分集，已被广泛用于短波通信和移动通信。如二重空间分集的短波FSK通信，较不分集时好12dB，相当于发射功率增加15倍；移动通信蜂窝基站系统广泛采用两副接收天线来接收同一移动台发来的信号，以改善性能。

2.2 频率分集

由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落是不相关，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。如在GSM系统中利用跳频来达到频率分集；在CDMA系统中，利用发射信号带宽（1.25MHz）远大于相关带宽（市区的相关带宽为50kHz，郊区的相关带宽为250kHz）来获得频率分集效果。

2.3 时间分集

实践证明，快衰落除了具有空间和频率的独立性，还具时间的独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要两次重发间隔足够大，那么各次发送的信号通过信道后，出现的衰落将是彼此独立的。

时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号，如短波和移动通信系统中，用交织来改变原来的码元顺序供发端发射，以达到时间分集的目的。

2.4 极化分集

由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以发端和收端可以用两个位置很近、单极化方向不同的天线发送和接收信号，以获得分集效果。极化分集可以看作空间分集的一种特殊情况，其优点是设备的结构紧凑，节省空间；缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，因此有3dB损失。

2.5 角度分集

角度分集的依据是从不同入射角入射的两个信号所受到的衰具有彼此独立的特性，其基本结构是：收端使用多个锐方向性接收天线来接收不同方向来的信号分量。角度分集也可看作空间分集的一种特殊情况，显然它在频率较高时比较容易实现。

2.6 路径分集

多径分集的依据是来自两个不同路径的信号时延大于某一值时，这两个衰落信号可看作互不相关。一般通信系统中的多径信号很难分离，但在扩频通信系统中，存在多径信号的内在可分离特性，既具有抗多径干扰的能力。当然，在扩频通信系统中若不采用路径分集时，则多径干扰被当作噪声处理；若采用路径分集时，则将多径干扰变害为利。

3 空间分集合并技术

分集接收时，从接收端得到的n个不同的独立信号，可以通过不同形式的合并技术来获得合并增益。从接收链路看，可以在中频和射频上进行，也可以在基带进行。

3.1 信号合并准则

最大信噪比准则：该准则最早用于模拟信号的合并。应注意的是，在频率选择性衰落信道中，对数字信号合并时，最大信噪比准则不是最佳的。

眼图最大张开准则：该准则适用于数字信号的合并。眼图张开最大，表征码间干扰最小，因此在频率选择性衰落信道中，眼图最大张开准则是一种信号合并的最佳准则。

误码率最小准则：数字信号合并的最终结果是希望误码率达到最小。因此，误码率最小准则就是数字信号的最佳合并准则。

3.2 本文介绍的空间分集接收机原理框图如图1所示。它具有下述特点：采用垂直空间分集天线，可使两分集支路信号的相关系数小于0.6，而两支路接收信号电平相差小于1dB。

采用鉴频后等增益合并技术，便于实现，且可改善信噪比3dB，具有抗多径衰落的效果。采用鉴频器检测多电平判决方法解调GMSK数字信号，对载频漂移和随机调频噪声不敏感，有利于降低误比特率。

4 分集接收技术的应用

分集接收技术早已在模拟无线通信系统中得到成功应用，近年来在数字无线通信领域得到了更加广泛的应用。目前，在GSM系统中，基站广泛采用二重空间分集接收，提高系统性能；在CDMA系统中，手机和基站都采用RAKE（多径）接收机进行分集接收，来减小衰落的影响；在短波通信中，采用具有带内频率分集和编码分集的多径并传方法来降低系统的误码率；在对流层散射通信中，采用四重频率分集的时频调制来提高系统性能。

最后，应当指出：分集接收技术仅仅是采用信号处理技术抗衰落的一种方法，通常与其他抗衰落的信号处理技术联合应用，从而达到提高系统的性能的目的。

5 结论

本文采用的空间分集接收技术能有效地改善数字无线通信中的多径衰落。

参考文献

[1] 傅海洋.分集接收在TDSCDMA智能天线中的应用[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2008（2）：27-28.

[2] 樊昌信，等.通信原理.北京：国防工业出版社，1995，10.

作者简介

陈雪燕：石家庄桥西区宫家庄新世纪小区B区2号楼2单元704室陈雪燕13180582457endprint

[摘 要]无线通信技术的飞速发展可以说是一场新的革命。通信技术与计算机结合，已成为集无线、有线传输、数字程控交换和各类新型终端为一体的高效能综合通信手段。移动通信使人们能更加自由地通信，最终实现全球个人通信的理想。但是无线通信的可靠性一直是通信系统设计中的重要指标，本文分析了分集接收的原理，归纳了六种分集方式，并详细介绍了分集合并的方法。

[关键词]无线通信；有线传输；分集方式；分集合并

中图分类号：TD956.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0025-01

0 引言

实际的通信环境中总是存在着各种各样的干扰源，有时虽然接收天线上感应到的信号强度远高于接收灵敏度，但是当接收机所处环境的电磁干扰较大时，有用信号仍被淹没在干扰信号中，而接收机又不能有效抑制干扰，同样不能进行有效的无线电通信。为了减小干扰对通信质量的影响，可采用加大发射功率的方法，但这种方法的代价太大，且会造成对其他电台的干扰，因此加大发射功率的方法实际上是不可行的。而分集则是有意识地分离多径信号并恰当合并，以提高接收信号的信噪比来抗衰落。

1 分集接收技术的基本原理

分集接收技术是研究如何利用多径信号来改善系统的性能。在一定条件下，多径传输引起的快衰落对不同空间、不同极化、不同频率、不同时间上所发送的信号，其相关性将随着空间位置上的分开、极化的差异、频率间隔的扩展以及时间间隔的延长而减弱。分集技术正是利用这一特点，通过把不同空间、不同极化方式、不同频率、不同时间上所接收到的多个信号进行综合，利用相互间的不相关性，达到抗衰落的目的。

下面介绍分集介绍技术的两个基本环节：①分散技术：设置若干分集接收支路，且使各分集支路信号之间的相关系数尽可能的小。常用的分散技术有空间分集、角度分集、频率分集、时间分集和极化分集等。②合并技术：将各分集支路信号合并起来，并获得较大的分集增益。常用的合并技术有选择合并、等增益合并、最大比合并、码元均方误差最小分集合并、最大估值合并、多径分集及隐分集等。

2 分集方式

分集分为宏观分集和微观分集两大类。

宏观分集也称为多基站分集，其主要作用是抗慢衰落。例如，在移动通信系统中，把多个基站设置在不同的物理位置上（如蜂窝小区的对角线上），同时发射相同的信号，小区内的移动台选择其中信号最好的基站与之通信，以减小地形、地物及大气等对信号造成的慢衰落。

微观分集的主要作用是抗快衰落。理论与实践都表明，当信号在空间、频率及时间等方面分离时，都会呈现出互相独立的衰落特性。由此按分离方式的不同，微观分集可分为以下几种：

2.1 空间分集

空间分集的依据是相距间隔达到一定程度时，不同接收地点收到信号的衰落具有独立性。空间分集的基本结构为发端使用一副天线发射，收端用多副天线接收。

空间分集也称设备分集，已被广泛用于短波通信和移动通信。如二重空间分集的短波FSK通信，较不分集时好12dB，相当于发射功率增加15倍；移动通信蜂窝基站系统广泛采用两副接收天线来接收同一移动台发来的信号，以改善性能。

2.2 频率分集

由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落是不相关，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。如在GSM系统中利用跳频来达到频率分集；在CDMA系统中，利用发射信号带宽（1.25MHz）远大于相关带宽（市区的相关带宽为50kHz，郊区的相关带宽为250kHz）来获得频率分集效果。

2.3 时间分集

实践证明，快衰落除了具有空间和频率的独立性，还具时间的独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要两次重发间隔足够大，那么各次发送的信号通过信道后，出现的衰落将是彼此独立的。

时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号，如短波和移动通信系统中，用交织来改变原来的码元顺序供发端发射，以达到时间分集的目的。

2.4 极化分集

由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以发端和收端可以用两个位置很近、单极化方向不同的天线发送和接收信号，以获得分集效果。极化分集可以看作空间分集的一种特殊情况，其优点是设备的结构紧凑，节省空间；缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，因此有3dB损失。

2.5 角度分集

角度分集的依据是从不同入射角入射的两个信号所受到的衰具有彼此独立的特性，其基本结构是：收端使用多个锐方向性接收天线来接收不同方向来的信号分量。角度分集也可看作空间分集的一种特殊情况，显然它在频率较高时比较容易实现。

2.6 路径分集

多径分集的依据是来自两个不同路径的信号时延大于某一值时，这两个衰落信号可看作互不相关。一般通信系统中的多径信号很难分离，但在扩频通信系统中，存在多径信号的内在可分离特性，既具有抗多径干扰的能力。当然，在扩频通信系统中若不采用路径分集时，则多径干扰被当作噪声处理；若采用路径分集时，则将多径干扰变害为利。

3 空间分集合并技术

分集接收时，从接收端得到的n个不同的独立信号，可以通过不同形式的合并技术来获得合并增益。从接收链路看，可以在中频和射频上进行，也可以在基带进行。

3.1 信号合并准则

最大信噪比准则：该准则最早用于模拟信号的合并。应注意的是，在频率选择性衰落信道中，对数字信号合并时，最大信噪比准则不是最佳的。

眼图最大张开准则：该准则适用于数字信号的合并。眼图张开最大，表征码间干扰最小，因此在频率选择性衰落信道中，眼图最大张开准则是一种信号合并的最佳准则。

误码率最小准则：数字信号合并的最终结果是希望误码率达到最小。因此，误码率最小准则就是数字信号的最佳合并准则。

3.2 本文介绍的空间分集接收机原理框图如图1所示。它具有下述特点：采用垂直空间分集天线，可使两分集支路信号的相关系数小于0.6，而两支路接收信号电平相差小于1dB。

采用鉴频后等增益合并技术，便于实现，且可改善信噪比3dB，具有抗多径衰落的效果。采用鉴频器检测多电平判决方法解调GMSK数字信号，对载频漂移和随机调频噪声不敏感，有利于降低误比特率。

4 分集接收技术的应用

分集接收技术早已在模拟无线通信系统中得到成功应用，近年来在数字无线通信领域得到了更加广泛的应用。目前，在GSM系统中，基站广泛采用二重空间分集接收，提高系统性能；在CDMA系统中，手机和基站都采用RAKE（多径）接收机进行分集接收，来减小衰落的影响；在短波通信中，采用具有带内频率分集和编码分集的多径并传方法来降低系统的误码率；在对流层散射通信中，采用四重频率分集的时频调制来提高系统性能。

最后，应当指出：分集接收技术仅仅是采用信号处理技术抗衰落的一种方法，通常与其他抗衰落的信号处理技术联合应用，从而达到提高系统的性能的目的。

5 结论

本文采用的空间分集接收技术能有效地改善数字无线通信中的多径衰落。

参考文献

[1] 傅海洋.分集接收在TDSCDMA智能天线中的应用[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2008（2）：27-28.

[2] 樊昌信，等.通信原理.北京：国防工业出版社，1995，10.

作者简介

陈雪燕：石家庄桥西区宫家庄新世纪小区B区2号楼2单元704室陈雪燕13180582457endprint