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分集技術(shù)在數(shù)字移動微波中的應用

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分集技術(shù)在數(shù)字移動微波中的應用

.........................................................................................................................

微波是一種電磁波，微波射頻為300MHz~300GHz，是全部電磁波頻譜的一個有限頻段，在自由空間（又稱為理想介質(zhì)空間，即相當于真空狀態(tài)的理想空間）傳播的電磁波其能量會因向空間擴散而被衰耗，因為電磁波由天線輻射后，便向周圍空間傳播，到達接收地點的能量僅是一小部分。距離越遠，這一部分能量越小，如同一只燈泡所發(fā)出的光一樣，均勻地向四面八方擴散出去。顯而易見，距離光源越遠的地方單位面積上接受到的能量也越少。大氣中有對流、平流、端流以及雨霧等現(xiàn)象,它們都是由對流層中一些特殊的大氣環(huán)境造成的，并且是隨機產(chǎn)生的，另外還有地面反射對電磁波傳播的影響，就使發(fā)射端到接收端之間的電磁波被散射、折射、吸收，或被地面反射。在同一瞬間，可能只有一種現(xiàn)象發(fā)生也可能幾種現(xiàn)象同時發(fā)生，其發(fā)生的頻次及影響程度都帶有隨機性。綜合這些影響就使收信電平隨時間而變化，并產(chǎn)生隨機衰落現(xiàn)象。在已建成的數(shù)字微波線路上，對某些衰落嚴重的接力段，尤其是頻率選擇性衰落嚴重的接力段，就應采取更有效的抗衰落技術(shù)，分集技術(shù)就是其中一種.
　　一．分集技術(shù)
　　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)，從分集的類型看，使用較多的是空間分集和頻率分集，除此之外，還有以下幾種：
　　把空間分集和頻率分集組合起來，即發(fā)站用兩個頻率發(fā)送同一信息，收站用垂直分隔的兩副天線各自接收不同頻率的信號，再進行合成或選擇，就稱為混合分集。
　　此外還有站址分集、時間分集、角度分集等。
　　由于傳播環(huán)境的惡劣，微波信號會產(chǎn)生深度衰落和多普勒頻移等，使接收電平下降到熱噪聲電平附近，相位亦隨時間產(chǎn)生隨機變化，從而導致通信質(zhì)量下降。對此，采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響，獲得分集增益，提高接收靈敏度。
　　1．空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個系統(tǒng)，本文以空間分集接收為例說明這種技術(shù)。
　　空間分集接收：在空間不同的垂直高度上設置幾副天線，同時接收一個發(fā)射天線的微波信號，然后合成或選擇其中一個強信號，這種方式稱為空間分集接收。示意圖如下。
　　空間分集接受是利用多副接收天線來實現(xiàn)的。在發(fā)射端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離d≥λ／2（λ為工作波長），以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的，也就是說，當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，改善了傳輸?shù)目煽啃��？臻g分集接收的優(yōu)點是分集增益高，缺點是還需另外單獨的接收天線。為了克服這個缺點，近來又生產(chǎn)出定向雙極化天線。兩個在同一地點、極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出互不相關(guān)衰落特性。利用這一特點，在發(fā)射端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在接收端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量Ex和Ey。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體中，通過極化分集接收來達到空間分集接收的效果，所以極化分集實際上是空間分集的特殊情況。這種方法的優(yōu)點是它只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點是它的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現(xiàn)空間分集�？臻g上的位置分離保證兩面接收天線分別接收不同路徑來的微波信號，同時也使兩面天線間滿足一定隔離度的要求。若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對于極化分集的雙極化天線來說，天線中兩個交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號場強。兩個交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個120°扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個分集接收天線端口信號的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個分集接收端口獲得較好的信號不相關(guān)特性，兩個端口之間的隔離度通常要求達到30dB以上。
　　分集天線把多徑信號分離出來，使其互不相干，然后通過合并技術(shù)將分離出來的信號合并起來，獲得最大的信噪比收益。常用的合并方法有選擇性合并、切換合并、最大比合并、等增益合并等。

　2．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，然后進行合成或選擇，以減輕衰落影響，這種工作方式叫做頻率分集。當采用兩個微波頻率時，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)中也要求兩個分集接收信號相關(guān)性較�。ḿ搭l率相關(guān)性較�。�，只有這樣，才不會使兩個微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)兩個微波頻率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。
　　無論何種分集方式，都是利用在不同的傳播條件下，幾個微波信號同時發(fā)生深衰落的概率小于單一微波信號同一衰落深度的概率來取得分集改善效果的。
　　二．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，常用標稱改善效果，即用分集增益和分集改善度這兩個指標來描述�，F(xiàn)用下圖加以說明：
　　上圖中的縱坐標及橫坐標的意義已于圖中標出。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。例如上圖中，對應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。累積時間百分比越小，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。在上圖中，當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。還能不同程度地改善帶內(nèi)失真，改善交叉極化鑒別度。目前基于其技術(shù)的數(shù)字移動微波主要以進口產(chǎn)品為主，如日立、湯姆迅等，我所的這方面研究正加緊進行，不久即將面世，到那時，移動數(shù)字微波將會提供高質(zhì)量的數(shù)字信號，更好的為廣播電視等行業(yè)服務。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，改善了傳輸?shù)目煽啃浴？臻g分集接收的優(yōu)點是分集增益高，缺點是還需另外單獨的接收天線。為了克服這個缺點，近來又生產(chǎn)出定向雙極化天線。兩個在同一地點、極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出互不相關(guān)衰落特性。利用這一特點，在發(fā)射端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在接收端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量Ex和Ey。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體中，通過極化分集接收來達到空間分集接收的效果，所以極化分集實際上是空間分集的特殊情況。這種方法的優(yōu)點是它只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點是它的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現(xiàn)空間分集�？臻g上的位置分離保證兩面接收天線分別接收不同路徑來的微波信號，同時也使兩面天線間滿足一定隔離度的要求。若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對于極化分集的雙極化天線來說，天線中兩個交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號場強。兩個交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個120°扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個分集接收天線端口信號的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個分集接收端口獲得較好的信號不相關(guān)特性，兩個端口之間的隔離度通常要求達到30dB以上。

[ 本帖最后由 wfwuxian 于 2010-2-4 22:48 編輯 ]

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