一种抗多径衰落接收机的实现方法

袁子雄+王轶

【摘 要】在SDH微波传输技术中，电磁波在空间内有多径衰落和频率选择性衰落，它引起接收电平下降，从而使载波噪声比和载波干扰比下降，同时由于频谱失真造成脉冲波形失真，而产生码间干扰（包括同相码间干扰和正交干扰）[1]，致使所恢复的载波相位误差和定时的相位抖动。更多还原因为了抑制多径衰落和频率选择性衰落的影响。本文主要研究分集接收提升抗干扰的性能。采用用两集接收天线处在不同的物理位置，通过两个接收通道下混频后，在中频进行信号合成，提高接收通道的信噪比和提升对多径和频率选择性衰落的抑制，增加了传输的可靠性。

【关键词】分级接收机；抗干扰；中频合成

0 引言

多径和频率选择性衰落是所有通信的共同特征。恶劣的环境由多径带来的衰落可达30～40dBc，严重影响着通信的质量。在这种衰落情况下，需要系统提供30～40dBc的衰落储备，如果在天气条件比较差的情况下就会使得通信收到严重影响，如果单单靠增加发射机的功率那需要增加上千倍来完成，这很显然是不现实的。当前在通信中，主要用扩频通信技术、分集技术、自适应均衡技术和差错控制编码技术来解决。本文主要研究分集接收机设计方案[2]。

1 多径衰落

接收天线接收的射频信号，往往不是单一路径的信号，而是经由许多路径来的众多反射波的合成。由于经过不同路径的射频信号有不同的传输时延，其相位也就不同，从而使接收到的射频信号幅度有时因同相迭加而增强，有时却因反相迭加而减弱。这样，接收到的射频信号的幅度将急剧变化，这就是所谓的多径衰落现象。当发射机、接收机或周围的环境其一发生空间位置变化时，接收到的射频信号的幅度也会随着发生变化。多径衰落损耗主要是由于多径传播而产生的损耗，它反映微观小尺度内几个到几十个波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其随机衰落特性一般遵从瑞利（Rayleigh）分布或莱斯（Rician）形分布。一般来说，多径衰落现象主要表现出三种特性：一是，随机时变特性，又称时间选择性，或多谱勒扩展特性；二是，时延扩展特性，又称频率选择性；三是，角度扩展特性，又称空间选择性。

决定移动无线传播环境的首要因素是多径传播，信号的多径传播导致信号的衰落和时延扩展。不同的传播环境下信道的衰落特性并不相同，信道的衰落特性对通信质量的影响主要取决于移动台相对于基站的运动速度[3]。

2 分集合成技术原理

在典型的无线蜂窝移动通信系统中，由于信号在传播过程中发生了反射、同的传播路径的信号不仅到达接收机天线阵列的传播时延不同而且到达方散射和绕射，期望用户的发射信号会沿着几条不同传播路径到达接收端，不也不同，这样就造成了接收信号的时延扩展和角度扩展。

分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输可靠性的技术。它也是研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。在陆地通信系统中存在着多径干扰和衰落，在城市环境中衰落尤为严重。分集接收技术是移动通信系统中对抗多径衰落的一种重要技术。当不同的多径分量其衰落相互独立且可分离时，在接收端就可得到信号的多个副本，此时即可以采用分集接收技术。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域、时域、频域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现。其中最基本的分集接收方法包括时间分集、频率分集、空间分集和极化分集。

电波传输过程中，由于传输信道参数变化，发生接收信号的衰落现象，引起信号失真和中断。以往，为了避免信息丢失，以多重布站来解决，这样必然造成设备复杂和高成本，又不能保证达到预期的效果。而针对不同的衰落形式，采用相应的分集接收技术，则会取得明显的效果。分集技术是抗信号衰落提高接收可靠性的一种有效措施，它是将携带同一信息的信号，利用不同路径、不同频率、不同时间或不同极化方式进行传送，在接收端将各个支路信号按某种方式加以合成，然后提取信息。如果各支路的信号衰落的互相相关性很小，采用合理的信号合成技术，就能提高接收机输出的信号噪声比[4-5]。

3 分集接收机方案

本方案采用空间分集的方式。采用多天线架设在不同的位置，接收到由不同路径发射来的信号。合成方式采用最大比值合并式（MRC）。通过多个接收机接收通道变频后，在中频或者基带部分做时延对齐，使得多个信号和源信号相关，调整通道的幅度和相位保证最大比合成，使得接收到的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪比，对于使用来看，增加的衰落储备，减小误码率，显著降低多径衰落的影响。

图1 分集接收机电路简易原理图

由图1所示，由两个天线接收到的微波信号，经过接收通道，下变频到中频信号，多路中频信号耦合进入延时检测电路和相位检测电路。延时差主要分为两部分：一部分是由于两个天线放置不同，两个天线到接收机的射频线缆长度不同引入的延时误差；另一部分是由发射机发射出来的信号，经过不同路径带来的延时误差。通过后面的延时检测电路检测出延时差，通过延时电路将延迟对应补偿到对应的通道，以保证每个通道的延时一致。然后再使用相位检测电路，将多路通道的相位差检测出来，通过控制信号改变接入每路通道的本振的相位，使得每路通道相位一致。在保证延时和相位一致的情况下，多路中频信号能够最大比例合成。通过分集接收的能很大程度上解决有多径衰落带来的影响，并且可以增加整个系统的接收灵敏度2倍。

相位检测电路的作用是检测出两个中频信号的相位差。然后通过相位补偿电路，将两路相位补偿一致。如图2相位检测电路原理框图所示，两路中频信号进入该相位检测电路后，检测电路检测出哪一集的相位超前（10）或者滞后（01），将数字信号送给MCU，MCU来控制移相器的相位相前跳还是往后调整，然后控制本振调节（下转第139页）（上接第137页）接收通道上的本振相位使得两集相位一致。

图2 相位检测电路简易原理图

延时检测电路作用是检测出两路信号的延时差。延时检测电路实现方式如图3所示。由主分集中频信号经过180°电桥合成后（如果两个信号延时不齐时，这两个反向合成信号的幅度不能达到最小值），两个信号如果在延时对齐情况下，反向合成幅度最小。由MCU控制将不同的延时电路分别接入到这两集接收通道中，通过检波电压最小值来确定出延时电路需要接入到那一集当中。由于延时误差是由天线至接收口的线缆和两个通道接收到的延时差都是基本固定的，所以只需要将延时电路固定接入到那一集中。

图3 延时检测电路简易原理图

4 结束语

采用空间分集、中频合成的方式，实现结构简单，电路设计简洁，并且能够很好的实现分集接收的性能。在接受环境较差的情况下，提升SNR=3dBc，提升通讯质量；在条件比较好的情况下，可以增加接收通道灵敏度。有效的改善了多径衰落带来的影响。

【参考文献】

[1]啜钢，王文博，常永宇，等.移动通信原理与系统[M].北京：北京邮电大学出版社， 2008：26-45；93-106.

[2]吴彦文.移动通信技术及应用[M].北京：清华大学出版，2009：99-104；122-125.

[3]Ramjee Prasad，Werner Mohr等.第三代移动通信系统[M].北京：电子工业出版社，2001：3-15.

[4]曹志华.空间分集接收相关技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[5]郭梯云，杨家玮，李建东，编.数字移动通信[M].北京：人民邮电出版社，1995.

[责任编辑：杨玉洁]