分集技术及其在遥测接收系统中的应用

摘 要分集技术是应对衰落影响的一种解决方案。极化分集技术是分集技术中的一种，该技术在无线环境复杂多变、信号易受干扰的情况下可以明显改善数据传输的稳定性和可靠性，因此在遥测系统地面站接收机中得到了应用。介绍极化分集技术的基本原理及其在工程中的应用方法，并运用Matlab仿真了不同情况下极化分集合成的结果，说明了极化分集接收机在提高接收信号的信噪比，减小误码率方面的优越性。

【关键词】分集技术 遥测接收机 误码率 仿真分析

分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的接收天线来实现。同均衡器一样，在满足不增加传输功率和带宽的条件下，提高无线通信信道的传输质量。信号经过反射、散射等方式传播后，到达接收端的信号通常是幅度和相位各异的信号的叠加，使接收到的信号幅度呈现随机起伏变化，形成多径衰落。通过不同路径传播的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，叠加后的复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率，同时增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。

在各类武器装备飞行试验中，要求遥测地面接收系统能够稳定接收信号。但由于测试环境的复杂多变，无线信号受到各种干扰和多径效应的影响，使接收到的信号产生较大的衰落。为了提高输出信号的信噪比，地面接收系统常采用分集接收技术。从其分集方式来分，包括极化分集、频率分集、空间分集和时间分集等。其中极化分集不但可以有效克服信道的瑞利衰落，并且对于非多径信道也具有很好的性能，而且从经济性和工程实现的方便性来说，极化分集也具有较大的优越性。

1 电磁波及天线极化理论概述

电波除了直接传播外，遇到障碍物还会产生反射，因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输，多径传播使得电波的极化方向发生变化，所谓极化，它反映的是空间电磁波的时变电场矢量的幅度大小和方向随传播方向变化的情况，无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，称为垂直极化波；如果电波的电场方向平行于地面，称为水平极化波；如果电波的电场的方向是旋转的，就叫椭圆极化波；旋转过程中，如果电场的幅度保持不变，就叫圆极化波；向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波；反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。天线的极化则定义为电磁场中电场的分量相对于地面的方向，是指天线向一定方向辐射或接收电磁波的能力，同样分为垂直极化天线、水平极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。当电磁波与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中就会产生极化损失。

2 分集技术的基本原理

2.1 分集的基本原理

分集就是指通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。分集技术包括分集发送技术和分集接收技术。

分集技术包括2个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。是通过多个信道（时间、频率、或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。

2.2 极化分集

极化分集的基本原理是两个不同极化的电磁波具有独立的衰落，所以发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。

极化分集可以看成空间分集的一种特殊情况，它也要用两付天线，但仅仅是利用不同极的电磁波所具有的不同衰落特性，因而缩短了天线间的距离。在极化分集中，由于射频功率分给两个不同极化天线，因此发生功率要损失约3dB。

2.3 分集接收技术

在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；合并也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要有选择合并、最大比值合并和等增益合并。无论是哪种合并方法都可以归结为下面的公式：

即：合并技术的关键就是确定加权值。

极化分集接收时同时接收不同旋向极化（左旋极化和右旋极化）的信号，然后进行合成输出。合成的方式包括选择式相加、等增益相加和最大比相加。

2.3.1 選择性合并方式

选择合并原理是选择出来一个信噪比最好的信号，即：只有一个加权值为1，其余均为零。可以正常工作的概率如下：

其中：x为判决门限，F（x）为信噪比低于判决门限的概率（中断概率），ξ为信噪比，M为副本数。这种合成方式需要一个高速开关和信号比较电路，其输出信噪比等于最强支路的信噪比。

2.3.2 最大比合并方式

最大比值合并原理是各条支路加权系数与该支路信噪比成正比。信噪比越大则加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。

其中：r为信号包络，N为噪声功率。如果第K路的加权值和信号幅度成正比，和噪声功率成反比，则可取得最大值，

，即各支路信噪比之和。

2.3.3 等增益合并方式

原理类似最大比值合并，只不过将加权值全都置为1，牺牲部分性能来换取系统实现的简易性。在两路信号信噪比相当时，其合成输出信号信噪比应该有所改善。同时当其中一路信号很差时，相加后输出的信号信噪比很可能变差。

输出信噪比为：

其中M为副本数，N为噪音功率，r为信号包络。

3 分集技术在遥测接收系统中的应用

3.1 分集技术在遥测接收机中的应用

如图1所示，接收解调机箱中的S频段下变频器将射频分路组合送来的左、右旋射频信号进行缓冲放大和宽带滤波。S频段下变频器第一本振源为可编程频率综合器，可变点频200个，频率步进0.5MHz，输出中频为70MHz。

调频分集接收机接收两个S频段下变频分别送来的左、右旋中频信号，经匹配隔离、放大、AGC控制后，送中频带通滤波器组进行滤波处理。中频滤波器前后均加有匹配网络及增益补偿电路，以保证各种带宽的切换不影响工作状态的稳定一致。

左、右旋信号在鉴频器之前进行最优比信号加权和连续合成，使鉴频器输入信号的信噪比获得改善。当某一信道的信号强度减小时，它对应的加权系数也随之减小，从而自动屏蔽了该信道的噪声影响。

3.2 最大比合并仿真及效果分析

采用Matlab实现了最大比合并（MRC）的分集合并程序。最大比值合并中每条支路加权系数与本条支路信号幅度成正比。并进行了仿真实验。分别仿真计算分集合成后信号的误码率、单路信号的误码率与信噪比的关系，如图2所示。

性能比较：用改善因子衡量分集接收效果。改善因子定义为分集后信噪比比分集前信噪比提升的倍数。

（1）选择合并：

（2）最大比值合并：

（3）等增益合并：

从仿真结果可以看出，当其中一路信号受到干扰，显然采用极化分集技术的结果大幅优于受干扰的单路信号。结果表明，在多路信号中，只要其中一路信号未受到干扰，采用最大比合成方式的极化分集技术可以屏蔽受到干扰的单路信号的影响，相对于没有采用分集技术的情况，提高了可靠性。

4 结束语

在復杂的测试环境中，遥测信号易受到多径效应影响或其它干扰，极化分集技术提供了一种有效的改善数据传输稳定性和可靠性的方法，具有较强的实用意义。本文阐述了分集技术的基本原理，介绍了极化分集的几种合成方式，并重点分析了最大比合成方式及其在工程中的应用方法。在分析了遥测地面站极化分集接收机工作原理的基础上，用Matlab编程进行了极化分集合并仿真分析，得出了不同情况下极化分集合并结果的误码率曲线，验证了分集合并原理。

参考文献

[1]蒋焕文，孙续.电子测量[M].北京：中国计量出版社，2009.

[2]蔡惟铮.集成电子技术[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]卢辉斌，陈鑫.混合分集合成方式的性能分析[J].电子测量技术，2009（03）.

作者单位

1.92941部队91分队 辽宁省葫芦岛市 125000

2.91351部队 辽宁省葫芦岛市 125000