一種抗多徑衰落接收機的實現方法

袁子雄+王軼

【摘 要】在SDH微波傳輸技術中，電磁波在空間內有多徑衰落和頻率選擇性衰落，它引起接收電平下降，從而使載波噪聲比和載波干擾比下降，同時由于頻譜失真造成脈沖波形失真，而產生碼間干擾（包括同相碼間干擾和正交干擾）[1]，致使所恢復的載波相位誤差和定時的相位抖動。更多還原因為了抑制多徑衰落和頻率選擇性衰落的影響。本文主要研究分集接收提升抗干擾的性能。采用用兩集接收天線處在不同的物理位置，通過兩個接收通道下混頻后，在中頻進行信號合成，提高接收通道的信噪比和提升對多徑和頻率選擇性衰落的抑制，增加了傳輸的可靠性。

【關鍵詞】分級接收機；抗干擾；中頻合成

0 引言

多徑和頻率選擇性衰落是所有通信的共同特征。惡劣的環境由多徑帶來的衰落可達30～40dBc，嚴重影響著通信的質量。在這種衰落情況下，需要系統提供30～40dBc的衰落儲備，如果在天氣條件比較差的情況下就會使得通信收到嚴重影響，如果單單靠增加發射機的功率那需要增加上千倍來完成，這很顯然是不現實的。當前在通信中，主要用擴頻通信技術、分集技術、自適應均衡技術和差錯控制編碼技術來解決。本文主要研究分集接收機設計方案[2]。

1 多徑衰落

接收天線接收的射頻信號，往往不是單一路徑的信號，而是經由許多路徑來的眾多反射波的合成。由于經過不同路徑的射頻信號有不同的傳輸時延，其相位也就不同，從而使接收到的射頻信號幅度有時因同相迭加而增強，有時卻因反相迭加而減弱。這樣，接收到的射頻信號的幅度將急劇變化，這就是所謂的多徑衰落現象。當發射機、接收機或周圍的環境其一發生空間位置變化時，接收到的射頻信號的幅度也會隨著發生變化。多徑衰落損耗主要是由于多徑傳播而產生的損耗，它反映微觀小尺度內幾個到幾十個波長量級接收電平的均值變化而產生的損耗，接收信號場強的瞬時值呈現快速變化的特征，其隨機衰落特性一般遵從瑞利（Rayleigh）分布或萊斯（Rician）形分布。一般來說，多徑衰落現象主要表現出三種特性：一是，隨機時變特性，又稱時間選擇性，或多譜勒擴展特性；二是，時延擴展特性，又稱頻率選擇性；三是，角度擴展特性，又稱空間選擇性。

決定移動無線傳播環境的首要因素是多徑傳播，信號的多徑傳播導致信號的衰落和時延擴展。不同的傳播環境下信道的衰落特性并不相同，信道的衰落特性對通信質量的影響主要取決于移動臺相對于基站的運動速度[3]。

2 分集合成技術原理

在典型的無線蜂窩移動通信系統中，由于信號在傳播過程中發生了反射、同的傳播路徑的信號不僅到達接收機天線陣列的傳播時延不同而且到達方散射和繞射，期望用戶的發射信號會沿著幾條不同傳播路徑到達接收端，不也不同，這樣就造成了接收信號的時延擴展和角度擴展。

分集技術是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸可靠性的技術。它也是研究利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中，如何分散開又如何收集起來的技術。在陸地通信系統中存在著多徑干擾和衰落，在城市環境中衰落尤為嚴重。分集接收技術是移動通信系統中對抗多徑衰落的一種重要技術。當不同的多徑分量其衰落相互獨立且可分離時，在接收端就可得到信號的多個副本，此時即可以采用分集接收技術。為了在接收端得到幾乎相互獨立的不同路徑，可以通過空域、時域、頻域的不同角度、不同的方法與措施來加以實現。其中最基本的分集接收方法包括時間分集、頻率分集、空間分集和極化分集。

電波傳輸過程中，由于傳輸信道參數變化，發生接收信號的衰落現象，引起信號失真和中斷。以往，為了避免信息丟失，以多重布站來解決，這樣必然造成設備復雜和高成本，又不能保證達到預期的效果。而針對不同的衰落形式，采用相應的分集接收技術，則會取得明顯的效果。分集技術是抗信號衰落提高接收可靠性的一種有效措施，它是將攜帶同一信息的信號，利用不同路徑、不同頻率、不同時間或不同極化方式進行傳送，在接收端將各個支路信號按某種方式加以合成，然后提取信息。如果各支路的信號衰落的互相相關性很小，采用合理的信號合成技術，就能提高接收機輸出的信號噪聲比[4-5]。

3 分集接收機方案

本方案采用空間分集的方式。采用多天線架設在不同的位置，接收到由不同路徑發射來的信號。合成方式采用最大比值合并式（MRC）。通過多個接收機接收通道變頻后，在中頻或者基帶部分做時延對齊，使得多個信號和源信號相關，調整通道的幅度和相位保證最大比合成，使得接收到的有用信號能量最大，從而提高接收端的信噪比，對于使用來看，增加的衰落儲備，減小誤碼率，顯著降低多徑衰落的影響。

圖1 分集接收機電路簡易原理圖

由圖1所示，由兩個天線接收到的微波信號，經過接收通道，下變頻到中頻信號，多路中頻信號耦合進入延時檢測電路和相位檢測電路。延時差主要分為兩部分：一部分是由于兩個天線放置不同，兩個天線到接收機的射頻線纜長度不同引入的延時誤差；另一部分是由發射機發射出來的信號，經過不同路徑帶來的延時誤差。通過后面的延時檢測電路檢測出延時差，通過延時電路將延遲對應補償到對應的通道，以保證每個通道的延時一致。然后再使用相位檢測電路，將多路通道的相位差檢測出來，通過控制信號改變接入每路通道的本振的相位，使得每路通道相位一致。在保證延時和相位一致的情況下，多路中頻信號能夠最大比例合成。通過分集接收的能很大程度上解決有多徑衰落帶來的影響，并且可以增加整個系統的接收靈敏度2倍。

相位檢測電路的作用是檢測出兩個中頻信號的相位差。然后通過相位補償電路，將兩路相位補償一致。如圖2相位檢測電路原理框圖所示，兩路中頻信號進入該相位檢測電路后，檢測電路檢測出哪一集的相位超前（10）或者滯后（01），將數字信號送給MCU，MCU來控制移相器的相位相前跳還是往后調整，然后控制本振調節（下轉第139頁）（上接第137頁）接收通道上的本振相位使得兩集相位一致。

圖2 相位檢測電路簡易原理圖

延時檢測電路作用是檢測出兩路信號的延時差。延時檢測電路實現方式如圖3所示。由主分集中頻信號經過180°電橋合成后（如果兩個信號延時不齊時，這兩個反向合成信號的幅度不能達到最小值），兩個信號如果在延時對齊情況下，反向合成幅度最小。由MCU控制將不同的延時電路分別接入到這兩集接收通道中，通過檢波電壓最小值來確定出延時電路需要接入到那一集當中。由于延時誤差是由天線至接收口的線纜和兩個通道接收到的延時差都是基本固定的，所以只需要將延時電路固定接入到那一集中。

圖3 延時檢測電路簡易原理圖

4 結束語

采用空間分集、中頻合成的方式，實現結構簡單，電路設計簡潔，并且能夠很好的實現分集接收的性能。在接受環境較差的情況下，提升SNR=3dBc，提升通訊質量；在條件比較好的情況下，可以增加接收通道靈敏度。有效的改善了多徑衰落帶來的影響。

【參考文獻】

[1]啜鋼，王文博，常永宇，等.移動通信原理與系統[M].北京：北京郵電大學出版社， 2008：26-45；93-106.

[2]吳彥文.移動通信技術及應用[M].北京：清華大學出版，2009：99-104；122-125.

[3]Ramjee Prasad，Werner Mohr等.第三代移動通信系統[M].北京：電子工業出版社，2001：3-15.

[4]曹志華.空間分集接收相關技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[5]郭梯云，楊家瑋，李建東，編.數字移動通信[M].北京：人民郵電出版社，1995.

[責任編輯：楊玉潔]