多天线智能分集接收系统的设计

谢俊国

（广东轻工职业技术学院，广东广州510300）

1.引言

在移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群或其它复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的，发送的信号经过反射、散射等传播路径，到达接收端的信号是附加有信道噪声的多个时延不同，幅度和相位不同的信号的叠加，它们的叠加会使复合信号产生相互抵消，使接收机的信号幅度出现随机起伏变化，导致严重的衰落。这种衰落降低有用信号功率并加大干扰，使接收信号产生失真、波形重叠和畸变，造成通信出错甚至无法通信。

此外，即使在接收机非移动情况下，当期所处位置不佳或发射机出现移动时也同样出现这种衰落。如无线遥控、无线音视频传输、无线麦克风等，也即凡是利用电磁波做传输媒介的领域几乎都会遇到上述衰落特性的影响。

为了提高无线通信接收系统的性能，本文提出采用多天线分集接收技术结合智能控制处理技术可以大大抵御多径衰落的影响，提高接收信号的质量，因而具有极为广阔的应用领域和前景。

2.分集接收技术的种类

分集接收技术包括频率分集、时间分集、空间分集和极化分集等多种。

空间分集是采用两个以上相距大于一个波长的天线及接收电路，利用电路分别接收两个或更多的输入信号，将这些互不相关的随机衰落信号，通过接收处理、分析比较，以最佳算法进行智能选择合并，实现增强信号、克服衰落、提高接收质量的目的。

频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的频率同时发送同一信息，接收端利用不同频率的信号衰落特性上的差异，再合并输出提高抗衰落能力。

时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，各次发送的时间间隔足够大，利用衰落互不相关的特点，再合并输出提高接收质量。其缺点是对于静止状态的移动台无效，传输效率较低。

极化分集是利用电磁波极化方向相互正交的天线发出信号，接收端由垂直极化水平极化天线得到两路衰落特性不相关的信号处理，提高抗衰落能力。

由于空间分集接收具有分集增益高，适用于模拟和数字接收，技术实现容易，应用领域广泛，因此本文以空间分集技术探讨多天线智能分集接收及其应用。

3.分集接收技术的信号合并算法

3.1 几种信号合并算法的比较

分集接收天线接收的信号主要有四种合并算法：选择合并、开关合并、最大比值合并和等增益合并。

选择合并是将信噪比最高的接收信号作为输出信号，专业无线分集接收麦克风系统多采用该方法。其缺点是需要有与天线数目相等的射频接收单元，当天线较多时成本较高。

开关合并是在接收端设置门限电平，当某天线接收正常时就始终保持该路天线信号的连接，直到该信号电平低于门限电平时，才转换到另一路较强天线端口。开关合并的多个天线可共用一个接收装置，成本低，性能低于选择合并。

最大比值合并是将多路接收信号进行加权求和，效果较好。

等增益合并是在上述合并中，各支路信号的加权系数相同，易于实现。

在接收电平均等的条件下，上述合并方式中最大比值合并性能最好，其接收改善效果如图1所示。

图1 几种合并算法性能比较

3.2 最大比值合并算法的加权分析

多径传播路径上的信号幅度、时延以及相位随时随地发生变化，所以接收端的信号电平是起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加引起信号幅度变化，最终形成信号衰落，严重衰落时的深度达20-40dB。

设在信号覆盖范围内设置M个天线分集接收机，M个接收信号的幅度分别为r1(t)，r2(t)，……rM(t)，则加权合并后的信号为：

其中ak为第k个信号加权系数，设第k个信号噪声功率为Nk，可以证明，当：

则合并输出的信号具有最佳信噪比，输出信号包络为：

图2是最大比值合并效果示意图。

图2 最大比值合并效果示意图

4.智能分集接收系统的设计

目前的无线通信可分为模拟通信和数字通信两大部分，因而在信号的合并处理上也有所不同。无线麦克风、短波通信、低速率遥控系统仍较多地采用模拟系统；而移动通信技术广泛采用数字通信。在信号处理方面，数字信号空时变换较为方便，并且在空间域和时间域联合处理接收信号更具优势，因此在处理模拟信号时有越来越多的采用DSP数字运算方式来完成处理。不同领域因成本和便利性考虑方法各有侧重，但其基本原理是通用的和普适的。

4.18 -2-1多天线智能分集接收系统的设计

图3是智能分集接收机原理框图，主要由八个天线前端、两路放大处理电路及判决合并后输出一路信号，故简称8-2-1多天线智能分集接收系统。

该系统采用低成本的1/4波长的单鞭天线，天线信号经由阈值选择电路，相当于前述开关合并，设置接收端门限电平，只要某天线接收正常时就始终保持该路天线信号的连接，直到该信号电平低于门限电平时，才转换到另一路较强天线端口。由于四个天线共用一个接收高频头，成本增加不多。从模拟前端输出的两路IF信号分别通过A/D进行模数变换，得到的两路数字信号经预解调送入合并模块，信号经噪声估计送入判决电路，产生控制信号控制合并模块选择合并算法。合成模块根据合成算法将两路信号合成为一路同相数字信号后进行数字解调或解码，最后输出解调后的信号。

实际接收中，信号电平、信噪比差异较大，当两路信号电平差异较大时，选择合并较具优势；当两路信号近乎一致时，等增益合并较具优势；当两路信号电平接近但信噪比有差异时，最大比值合并最佳。

因此，本技术方案根据信号接收效果实时采用不同的合并方式，实现了多种合并的智能判决接收，达到更好的接收效果，故称之多天线智能分集接收系统。

图3 8-2-1多天线智能分集接收系统的结构框图

4.2 实施示例——空间分集无线遥控接收装置

根据上述多天线智能分集接收系统的基础进行简化版实验验证，设计一空间分集无线遥控接收装置，如图4。该接收机内置完整的双天线接收系统，当需要扩大天线间距时，可通过电缆3-3和接插件3-6与外置高频头3-2相连，同时通过接插件3-6断开33-1天线的内置高频头通道。

模拟前端共有两个高频头通道分别连接来自两个天线的输入信号，在共用一个本振的情况下，各通道独立的对天线信号进行混频、滤波和放大等操作，输出中频信号。

数字变换主要便于进行空域或时域分析。其中最大比值合并采用的算法是最佳比例同相合成。通过对输入信号的采集和计算，确定移相度数和比例系数，计算信号的信噪比和幅度，比较两路信号的相差，通过移相使两路信号相位一致，再根据每路信号的信噪比和幅度分别予以不同的系数加权，加权后的两路信号相加。

图4 空间分集无线遥控接收装置

实验中通过屏蔽其中一路天线使该路信号大幅衰落，控制电路及时切换到选择合并算法，将未屏蔽的天线接收信号作为合并输出信号。实验中接收机接收死角出现概率降低80%以上，接收质量改善效果明显。

5.结束语

本文提出的8-2-1多天线智能分集接收系统方案将智能控制和空间分集技术相结合，仅需两内置高频头处理电路即可达到多天线分集，具有成本低，维护简单，可显著克服信号衰落的影响，提高接收机质量，可广泛应用于模拟、数字通信，在无线麦克风、无线遥控技术、无线宽带数据传输、微波传输、移动通信等领域有着广泛的应用价值。

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