多天線智能分集接收系統的設計

謝俊國

（廣東輕工職業技術學院，廣東廣州510300）

1.引言

在移動通信系統中，移動臺常常工作在城市建筑群或其它復雜的地理環境中，而且移動的速度和方向是任意的，發送的信號經過反射、散射等傳播路徑，到達接收端的信號是附加有信道噪聲的多個時延不同，幅度和相位不同的信號的疊加，它們的疊加會使復合信號產生相互抵消，使接收機的信號幅度出現隨機起伏變化，導致嚴重的衰落。這種衰落降低有用信號功率并加大干擾，使接收信號產生失真、波形重疊和畸變，造成通信出錯甚至無法通信。

此外，即使在接收機非移動情況下，當期所處位置不佳或發射機出現移動時也同樣出現這種衰落。如無線遙控、無線音視頻傳輸、無線麥克風等，也即凡是利用電磁波做傳輸媒介的領域幾乎都會遇到上述衰落特性的影響。

為了提高無線通信接收系統的性能，本文提出采用多天線分集接收技術結合智能控制處理技術可以大大抵御多徑衰落的影響，提高接收信號的質量，因而具有極為廣闊的應用領域和前景。

2.分集接收技術的種類

分集接收技術包括頻率分集、時間分集、空間分集和極化分集等多種。

空間分集是采用兩個以上相距大于一個波長的天線及接收電路，利用電路分別接收兩個或更多的輸入信號，將這些互不相關的隨機衰落信號，通過接收處理、分析比較，以最佳算法進行智能選擇合并，實現增強信號、克服衰落、提高接收質量的目的。

頻率分集是采用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的頻率同時發送同一信息，接收端利用不同頻率的信號衰落特性上的差異，再合并輸出提高抗衰落能力。

時間分集是將同一信號在不同時間區間多次重發，各次發送的時間間隔足夠大，利用衰落互不相關的特點，再合并輸出提高接收質量。其缺點是對于靜止狀態的移動臺無效，傳輸效率較低。

極化分集是利用電磁波極化方向相互正交的天線發出信號，接收端由垂直極化水平極化天線得到兩路衰落特性不相關的信號處理，提高抗衰落能力。

由于空間分集接收具有分集增益高，適用于模擬和數字接收，技術實現容易，應用領域廣泛，因此本文以空間分集技術探討多天線智能分集接收及其應用。

3.分集接收技術的信號合并算法

3.1 幾種信號合并算法的比較

分集接收天線接收的信號主要有四種合并算法：選擇合并、開關合并、最大比值合并和等增益合并。

選擇合并是將信噪比最高的接收信號作為輸出信號，專業無線分集接收麥克風系統多采用該方法。其缺點是需要有與天線數目相等的射頻接收單元，當天線較多時成本較高。

開關合并是在接收端設置門限電平，當某天線接收正常時就始終保持該路天線信號的連接，直到該信號電平低于門限電平時，才轉換到另一路較強天線端口。開關合并的多個天線可共用一個接收裝置，成本低，性能低于選擇合并。

最大比值合并是將多路接收信號進行加權求和，效果較好。

等增益合并是在上述合并中，各支路信號的加權系數相同，易于實現。

在接收電平均等的條件下，上述合并方式中最大比值合并性能最好，其接收改善效果如圖1所示。

圖1 幾種合并算法性能比較

3.2 最大比值合并算法的加權分析

多徑傳播路徑上的信號幅度、時延以及相位隨時隨地發生變化，所以接收端的信號電平是起伏、不穩定的，這些多徑信號相互疊加引起信號幅度變化，最終形成信號衰落，嚴重衰落時的深度達20-40dB。

設在信號覆蓋范圍內設置M個天線分集接收機，M個接收信號的幅度分別為r1(t)，r2(t)，……rM(t)，則加權合并后的信號為：

其中ak為第k個信號加權系數，設第k個信號噪聲功率為Nk，可以證明，當：

則合并輸出的信號具有最佳信噪比，輸出信號包絡為：

圖2是最大比值合并效果示意圖。

圖2 最大比值合并效果示意圖

4.智能分集接收系統的設計

目前的無線通信可分為模擬通信和數字通信兩大部分，因而在信號的合并處理上也有所不同。無線麥克風、短波通信、低速率遙控系統仍較多地采用模擬系統；而移動通信技術廣泛采用數字通信。在信號處理方面，數字信號空時變換較為方便，并且在空間域和時間域聯合處理接收信號更具優勢，因此在處理模擬信號時有越來越多的采用DSP數字運算方式來完成處理。不同領域因成本和便利性考慮方法各有側重，但其基本原理是通用的和普適的。

4.18 -2-1多天線智能分集接收系統的設計

圖3是智能分集接收機原理框圖，主要由八個天線前端、兩路放大處理電路及判決合并后輸出一路信號，故簡稱8-2-1多天線智能分集接收系統。

該系統采用低成本的1/4波長的單鞭天線，天線信號經由閾值選擇電路，相當于前述開關合并，設置接收端門限電平，只要某天線接收正常時就始終保持該路天線信號的連接，直到該信號電平低于門限電平時，才轉換到另一路較強天線端口。由于四個天線共用一個接收高頻頭，成本增加不多。從模擬前端輸出的兩路IF信號分別通過A/D進行模數變換，得到的兩路數字信號經預解調送入合并模塊，信號經噪聲估計送入判決電路，產生控制信號控制合并模塊選擇合并算法。合成模塊根據合成算法將兩路信號合成為一路同相數字信號后進行數字解調或解碼，最后輸出解調后的信號。

實際接收中，信號電平、信噪比差異較大，當兩路信號電平差異較大時，選擇合并較具優勢；當兩路信號近乎一致時，等增益合并較具優勢；當兩路信號電平接近但信噪比有差異時，最大比值合并最佳。

因此，本技術方案根據信號接收效果實時采用不同的合并方式，實現了多種合并的智能判決接收，達到更好的接收效果，故稱之多天線智能分集接收系統。

圖3 8-2-1多天線智能分集接收系統的結構框圖

4.2 實施示例——空間分集無線遙控接收裝置

根據上述多天線智能分集接收系統的基礎進行簡化版實驗驗證，設計一空間分集無線遙控接收裝置，如圖4。該接收機內置完整的雙天線接收系統，當需要擴大天線間距時，可通過電纜3-3和接插件3-6與外置高頻頭3-2相連，同時通過接插件3-6斷開33-1天線的內置高頻頭通道。

模擬前端共有兩個高頻頭通道分別連接來自兩個天線的輸入信號，在共用一個本振的情況下，各通道獨立的對天線信號進行混頻、濾波和放大等操作，輸出中頻信號。

數字變換主要便于進行空域或時域分析。其中最大比值合并采用的算法是最佳比例同相合成。通過對輸入信號的采集和計算，確定移相度數和比例系數，計算信號的信噪比和幅度，比較兩路信號的相差，通過移相使兩路信號相位一致，再根據每路信號的信噪比和幅度分別予以不同的系數加權，加權后的兩路信號相加。

圖4 空間分集無線遙控接收裝置

實驗中通過屏蔽其中一路天線使該路信號大幅衰落，控制電路及時切換到選擇合并算法，將未屏蔽的天線接收信號作為合并輸出信號。實驗中接收機接收死角出現概率降低80%以上，接收質量改善效果明顯。

5.結束語

本文提出的8-2-1多天線智能分集接收系統方案將智能控制和空間分集技術相結合，僅需兩內置高頻頭處理電路即可達到多天線分集，具有成本低，維護簡單，可顯著克服信號衰落的影響，提高接收機質量，可廣泛應用于模擬、數字通信，在無線麥克風、無線遙控技術、無線寬帶數據傳輸、微波傳輸、移動通信等領域有著廣泛的應用價值。

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