分集接收技術(shù)在公安數(shù)字通信組網(wǎng)中的應(yīng)用

常偉龍 公安部第一研究所

一、引言

隨著公安信息化建設(shè)的發(fā)展，滿足警用需求的新一代數(shù)字集群通信系統(tǒng)將逐步取代現(xiàn)有的模擬通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的MPT模擬通信系統(tǒng)具有更多的功能和優(yōu)勢。但如何降低通信系統(tǒng)建設(shè)成本是我們需要著重考慮的問題。為滿足通信覆蓋的要求，盡量擴(kuò)大通信基站信號的有效覆蓋范圍、減少通信基站的建設(shè)數(shù)量、有效降低呼損率，分集接收技術(shù)無疑是一種有效手段。

二、分集接收的目的

在實(shí)際的移動通信系統(tǒng)中，移動臺常常工作在城市建筑群或其他復(fù)雜的地理環(huán)境中，而且移動的速度和方向是任意的。發(fā)送的信號經(jīng)過多個路徑反射、散射后，到達(dá)接收端的往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會使復(fù)合信號相互抵消或增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率并增加干擾的影響，使得接收機(jī)的接收信號產(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，以至完全不能通信，尤其在數(shù)字通信系統(tǒng)中更易造成語音解碼和數(shù)字信令解碼的失效。

無線通信中的多徑衰落效應(yīng)是影響無線通信質(zhì)量的主要因素之一。其中的快衰落深度可達(dá)30～40dB甚至更大，如果想利用加大發(fā)射功率、增加天線尺寸和高度等方法來克服這種深衰落是不現(xiàn)實(shí)的，而且會造成對其他電臺的干擾。為了提高移動通信系統(tǒng)的性能，可以采用分集接收技術(shù)來改進(jìn)接收信號質(zhì)量。

三、分集接收的概念

根據(jù)信號原理，若有其他衰減程度的原發(fā)送信號副本提供給接收機(jī)，則有助于接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判選率的方法被稱為分集。分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨(dú)立的）多路信號，然后將這些多路分離信號的能量按一定的規(guī)則合并起來，使接收到的有用信號能量最大，進(jìn)而提高接收信號的信噪比，即提高接收靈敏度。 因此，分集接收包括兩個方面內(nèi)容：一是如何把接收到的多徑信號分離出來使其互不相關(guān)；二是將分離出來的多徑信號恰當(dāng)合并，以獲得最大的信噪比。

四、分集技術(shù)的分類

（一）空間分集

在移動通信中，空間略有變動就可能出現(xiàn)較大的場強(qiáng)變化。當(dāng)使用多個接收信道時，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時刻經(jīng)受深衰落谷點(diǎn)影響的可能性也很小，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。因此這一設(shè)想引出了利用多付接收天線的方案，獨(dú)立接收同一信號，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集。空間分集的基本結(jié)構(gòu)為發(fā)射端使用一付天線，接收端使用多付天線（一般為2～3付）。

空間分集分為分集發(fā)送和分集接收兩個系統(tǒng)。其中空間分集接收是在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線，同時接收一個發(fā)射天線的信號，然后合成或選擇其中一個強(qiáng)信號，這種方式稱為空間分集接收。接收端天線之間的距離（d）應(yīng)大于波長（λ）的一半，以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號很低時，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個總的接收天線輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響，相當(dāng)于提高了接收信號的靈敏度，改善了傳輸?shù)目煽啃?。根?jù)經(jīng)驗(yàn)值：

城區(qū)基站天線架設(shè)應(yīng)滿足d>0.5λ

郊區(qū)基站天線架設(shè)應(yīng)滿足d>0.8λ

（二）頻率分集

頻率分集是采用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，利用位于不同頻段的信號經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)特性，即不同頻段衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來實(shí)現(xiàn)抗頻率選擇性衰落的功能。實(shí)現(xiàn)時可以將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在頻率不相關(guān)的載波上發(fā)射，所謂頻率不相關(guān)的載波是指當(dāng)不同的載波之間的間隔大于頻率相干區(qū)間，即載波頻率的間隔應(yīng)滿足頻率分集技術(shù)公式：

式中，△f為載波頻率間隔，Bc為相關(guān)帶寬，△Tm為最大多徑時延差。

當(dāng)采用兩個載波頻率時，稱為二重頻率分集。同空間分集系統(tǒng)一樣，在頻率分集系統(tǒng)中要求兩個分集接收信號相關(guān)性較小(即頻率相關(guān)性較小)，只有這樣，才不會使兩個載波頻率在給定的路由上同時發(fā)生深衰落，并獲得較好的頻率分集改善效果。在一定的范圍內(nèi)兩個載波頻率f1與f2相差，即頻率間隔△ f=f2-f1越大，兩個不同頻率信號之間衰落的相關(guān)性越小。

頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點(diǎn)是在接收端可以減少接受天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量，缺點(diǎn)是要占用更多的頻帶資源，所以，一般又稱它為帶內(nèi)(頻帶內(nèi))分集，并且在發(fā)送端可能需要采用多個發(fā)射機(jī)。

（三）時間分集

時間分集是將同一信號在不同時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送時間間隔足夠大，則各次發(fā)送降格出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的。時間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計(jì)上互不相關(guān)的特點(diǎn)，即時間上衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異來實(shí)現(xiàn)抗時間選擇性衰落的功能。為了保證重復(fù)發(fā)送的數(shù)字信號具有獨(dú)立的衰落特性，重復(fù)發(fā)送的時間間隔應(yīng)該滿足：

時間分集公式

式中，fm為衰落頻率，V為移動臺動速λ為工作波長

時間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。

（四）極化分集

在移動環(huán)境下，兩副在同一地點(diǎn)，極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在收發(fā)端分別裝上垂直極化天線和水平極化天線，就可以得到2 路衰落特性不相關(guān)的信號。所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個物理實(shí)體中，通過極化分集接收來達(dá)到空間分集接收的效果，所以極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況,其分集支路只有2路。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn)是其分集接收效果低于空間分集接收天線，并且由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將會造成3dB的信號功率損失。分集增益依賴于天線間不相關(guān)特性的好壞，通過在水平或垂直方向上天線位置間的分離來實(shí)現(xiàn)空間分集。而且若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。

五、接收合并技術(shù)

分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸?shù)目煽啃?，它也是一?xiàng)研究利用信號的基本參量在時域、頻域與空域中，如何分散開又如何收集起來的技術(shù)?！胺帧迸c“集”是一對矛盾，在接收端取得若干條相互獨(dú)立的支路信號以后，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；合并也可以在檢測器以后，即在基帶上進(jìn)行合并。合并準(zhǔn)則與方式主要有三種：最大比值合并、等增益合并和選擇性合并。

（一）最大比合并

在接收端由多個分集支路，經(jīng)過相位調(diào)整后，按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，同相相加，再送入檢測器進(jìn)行檢測。在接受端各個不相關(guān)的分集支路經(jīng)過相位校正，并按適當(dāng)?shù)目勺冊鲆婕訖?quán)再相加后送入檢測器進(jìn)行相干檢測。在做的時候可以設(shè)定第i個支路的可變增益加權(quán)系數(shù)為該分集之路的信號幅度與噪聲功率之比。

最大比合并方案在收端只需對接收信號做線性處理，然后利用最大似然檢測即可還原出發(fā)端的原始信息。其譯碼過程簡單、易實(shí)現(xiàn)。合并增益與分集支路數(shù)N成正比。

（二）等增益合并

等增益合并也稱為相位均衡，僅僅對信道的相位偏移進(jìn)行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意義上的最佳合并方式，只有假設(shè)每一路信號的信噪比相同的情況下，在信噪比最大化的意義上，它才是最佳的，其輸出的結(jié)果是各路信號幅值的疊加。

（三）選擇式合并

采用選擇式合并技術(shù)時，N個接收機(jī)的輸出信號先送入選擇邏輯，選擇邏輯再從N個接收信號中選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比的貢獻(xiàn)僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。

六、合并方式性能比較

這里比較的主要是最大比合并、等增益合并、選擇式合并三種方式。

可以看出，在這三種合并方式中，最大比值合并的性能最好，選擇式合并的性能最差。當(dāng)N較大時，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。

七、分集改善效果

分集改善效果指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)兩者相比，對減輕深衰落影響所得到的效果(好處)。為了定量的衡量分集的改善程度，常用標(biāo)稱改善效果，即用分集增益和分集改善度這兩個指標(biāo)來描述。

現(xiàn)在用圖7中的分集效果改善圖加以說明。圖中的縱坐標(biāo)及橫坐標(biāo)的意義已經(jīng)標(biāo)出。曲線A表示在深衰落情況下無分集時的相對電平累積分布曲線；曲線B表示采用分集接收的相對電平累積分布曲線。

分集增益是指在某一累積時間百分比內(nèi)，分集接收與單一接收時的收信電平差。這一電平差越大，分集增益越高，說明分集改善效果越好。例如圖7中，對應(yīng)50%、5%、0.1%的累積時間百分比時，這一電平差分別為3dB、5.5dB、14dB。積累時間百分比越小，分集增益越高。0.1%時間百分比的分集增益為14dB，意味著：無分集時由曲線A查出此時的衰深深度比自由空間收信電平低30dB；采用分集技術(shù)后，由曲線B查出此時的衰落深度僅比自由空間收信電平低16dB?？梢姺旨邮帐顾ヂ渖疃葴p輕了14dB。分集改善度是指在某一相對的收信電平時，單一接收與分集接收的衰落累積時間百分比之比。其比值越大，說明分集改善效果越好。在圖7中，當(dāng)收信電平低于自由空間收信電平20dB時，單一接收與分集接收對于同一收信電平，其衰落的累積時間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100，亦即分集改善為100。在數(shù)字微波系統(tǒng)中，不管采用哪一種分集接收方式，都會使系統(tǒng)的有效衰落儲備增加，即抗頻率選擇性衰落的能力增強(qiáng)。還能不同程度地改善帶內(nèi)失真，改善交叉極化鑒別度。

八、公安通信組網(wǎng)中的典型應(yīng)用

現(xiàn)有的公安模擬集群基站多采用單接收天線體系，而在PDT數(shù)字通信系統(tǒng)中語音是經(jīng)過壓縮編碼的數(shù)字信號，由于發(fā)射信號的多徑衰落效應(yīng)，尤其是快衰落嚴(yán)重影響了無線通信信號質(zhì)量，更易造成語音解碼和數(shù)字信令解碼的失效，造成較大的呼損率。從概率上講，這種由于多徑衰落引起的呼損是在單天線的通信覆蓋邊緣部位概率比較大。綜合來看，無論是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度還是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的成本來看，分集接收在公安數(shù)字通信系統(tǒng)組網(wǎng)的典型應(yīng)用中一般是采用空間分集技術(shù)，即在通信基站上架設(shè)多天線，一般是采用2-3分集，而在移動終端上無需做改變?；镜姆旨邮仗炀€應(yīng)垂直隔離架設(shè)，對于350兆頻段，波長λ將近1米，2付接收天線的垂直隔離距離最好大于1米，隔離距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，呼損率降低，相對通信覆蓋的范圍即可擴(kuò)大。從實(shí)際組網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)看，采用分集接收技術(shù)的基站要比單接收天線基站的有效通信覆蓋范圍擴(kuò)大15%～25%。

九、結(jié)語

分集接收技術(shù)充分利用了傳輸中的多徑信號能量，改善了傳輸?shù)目煽啃浴南到y(tǒng)建設(shè)的性價比考慮出發(fā)，在公安數(shù)字無線通信組網(wǎng)中應(yīng)首選“空間分集接收”方式，它的應(yīng)用可大大提升無線通信系統(tǒng)中信道機(jī)的接收能力，擴(kuò)大基站信號覆蓋范圍，降低通信系統(tǒng)工程建設(shè)成本，在公安新一代數(shù)字集群通信中應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。

[1]綴鋼.移動通信原理.電子工業(yè)出版社,2012.

[2]郭梯云．移動通信.西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[3]Brarkavucetic,Jinhong Yuan．空時編碼技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4]蔣慶生,陳妍．PDT在公安無線通信“模轉(zhuǎn)數(shù)”中的作用．警察技術(shù), 2010（6）.