分集技術(shù)及其在遙測接收系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊晰++李云龍

摘 要分集技術(shù)是應(yīng)對衰落影響的一種解決方案。極化分集技術(shù)是分集技術(shù)中的一種，該技術(shù)在無線環(huán)境復(fù)雜多變、信號易受干擾的情況下可以明顯改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，因此在遙測系統(tǒng)地面站接收機(jī)中得到了應(yīng)用。介紹極化分集技術(shù)的基本原理及其在工程中的應(yīng)用方法，并運(yùn)用Matlab仿真了不同情況下極化分集合成的結(jié)果，說明了極化分集接收機(jī)在提高接收信號的信噪比，減小誤碼率方面的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】分集技術(shù) 遙測接收機(jī) 誤碼率 仿真分析

分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常通過兩個或更多的接收天線來實(shí)現(xiàn)。同均衡器一樣，在滿足不增加傳輸功率和帶寬的條件下，提高無線通信信道的傳輸質(zhì)量。信號經(jīng)過反射、散射等方式傳播后，到達(dá)接收端的信號通常是幅度和相位各異的信號的疊加，使接收到的信號幅度呈現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落。通過不同路徑傳播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，疊加后的復(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，同時增加干擾的影響，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。

在各類武器裝備飛行試驗(yàn)中，要求遙測地面接收系統(tǒng)能夠穩(wěn)定接收信號。但由于測試環(huán)境的復(fù)雜多變，無線信號受到各種干擾和多徑效應(yīng)的影響，使接收到的信號產(chǎn)生較大的衰落。為了提高輸出信號的信噪比，地面接收系統(tǒng)常采用分集接收技術(shù)。從其分集方式來分，包括極化分集、頻率分集、空間分集和時間分集等。其中極化分集不但可以有效克服信道的瑞利衰落，并且對于非多徑信道也具有很好的性能，而且從經(jīng)濟(jì)性和工程實(shí)現(xiàn)的方便性來說，極化分集也具有較大的優(yōu)越性。

1 電磁波及天線極化理論概述

電波除了直接傳播外，遇到障礙物還會產(chǎn)生反射，因此，到達(dá)接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸，多徑傳播使得電波的極化方向發(fā)生變化，所謂極化，它反映的是空間電磁波的時變電場矢量的幅度大小和方向隨傳播方向變化的情況，無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，稱為垂直極化波；如果電波的電場方向平行于地面，稱為水平極化波；如果電波的電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫橢圓極化波；旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度保持不變，就叫圓極化波；向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波；反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。天線的極化則定義為電磁場中電場的分量相對于地面的方向，是指天線向一定方向輻射或接收電磁波的能力，同樣分為垂直極化天線、水平極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。當(dāng)電磁波與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中就會產(chǎn)生極化損失。

2 分集技術(shù)的基本原理

2.1 分集的基本原理

分集就是指通過兩條或兩條以上途徑傳輸同一信息，以減輕衰落影響的一種技術(shù)措施。分集技術(shù)包括分集發(fā)送技術(shù)和分集接收技術(shù)。

分集技術(shù)包括2個方面：一是分散傳輸，使接收機(jī)能夠獲得多個統(tǒng)計獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號；二是集中處理，即把接收機(jī)收到的多個統(tǒng)計獨(dú)立的衰落信號進(jìn)行合并以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個信號之間應(yīng)該是“不相關(guān)”的。是通過多個信道（時間、頻率、或者空間）接收到承載相同信息的多個副本，由于多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機(jī)使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號。

2.2 極化分集

極化分集的基本原理是兩個不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落，所以發(fā)送端和接收端可以用兩個位置很近但為不同極化的天線分別發(fā)送和接收信號，以獲得分集效果。

極化分集可以看成空間分集的一種特殊情況，它也要用兩付天線，但僅僅是利用不同極的電磁波所具有的不同衰落特性，因而縮短了天線間的距離。在極化分集中，由于射頻功率分給兩個不同極化天線，因此發(fā)生功率要損失約3dB。

2.3 分集接收技術(shù)

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。合并時采用的準(zhǔn)則與方式主要有選擇合并、最大比值合并和等增益合并。無論是哪種合并方法都可以歸結(jié)為下面的公式：

即：合并技術(shù)的關(guān)鍵就是確定加權(quán)值。

極化分集接收時同時接收不同旋向極化（左旋極化和右旋極化）的信號，然后進(jìn)行合成輸出。合成的方式包括選擇式相加、等增益相加和最大比相加。

2.3.1 選擇性合并方式

選擇合并原理是選擇出來一個信噪比最好的信號，即：只有一個加權(quán)值為1，其余均為零?？梢哉９ぷ鞯母怕嗜缦拢?/p>

其中：x為判決門限，F(xiàn)（x）為信噪比低于判決門限的概率（中斷概率），ξ為信噪比，M為副本數(shù)。這種合成方式需要一個高速開關(guān)和信號比較電路，其輸出信噪比等于最強(qiáng)支路的信噪比。

2.3.2 最大比合并方式

最大比值合并原理是各條支路加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。信噪比越大則加權(quán)系數(shù)越大，對合并后信號貢獻(xiàn)也越大。

其中：r為信號包絡(luò)，N為噪聲功率。如果第K路的加權(quán)值和信號幅度成正比，和噪聲功率成反比，則可取得最大值，

，即各支路信噪比之和。

2.3.3 等增益合并方式

原理類似最大比值合并，只不過將加權(quán)值全都置為1，犧牲部分性能來換取系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的簡易性。在兩路信號信噪比相當(dāng)時，其合成輸出信號信噪比應(yīng)該有所改善。同時當(dāng)其中一路信號很差時，相加后輸出的信號信噪比很可能變差。

輸出信噪比為：

其中M為副本數(shù)，N為噪音功率，r為信號包絡(luò)。