分集技术在数字移动微波中的应用

  微波是一种电磁波,微波射频为300MHz~300GHz,是全部电磁波频谱的一个有限频段,在自由空间(又称为理想介质空间,即相当于真空状态的理想空间)传播的电磁波其能量会因向空间扩散而被衰耗,因为电磁波由天线辐射后,便向周围空间传播,到达接收地点的能量仅是一小部分。距离越远,这一部分能量越小,如同一只灯泡所发出的光一样,均匀地向四面八方扩散出去。显而易见,距离光源越远的地方单位面积上接受到的能量也越少。大气中有对流、平流、端流以及雨雾等现象,它们都是由对流层中一些特殊的大气环境造成的,并且是随机产生的,另外还有地面反射对电磁波传播的影响,就使发射端到接收端之间的电磁波被散射、折射、吸收,或被地面反射。在同一瞬间,可能只有一种现象发生也可能几种现象同时发生,其发生的频次及影响程度都带有随机性。综合这些影响就使收信电平随时间而变化,并产生随机衰落现象。在已建成的数字微波线路上,对某些衰落严重的接力段,尤其是频率选择性衰落严重的接力段,就应采取更有效的抗衰落技术,分集技术就是其中一种.
  
  一.分集技术
  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,从分集的类型看,使用较多的是空间分集和频率分集,除此之外,还有以下几种:
  
  把空间分集和频率分集组合起来,即发站用两个频率发送同一信息,收站用垂直分隔的两副天线各自接收不同频率的信号,再进行合成或选择,就称为混合分集。
  
  此外还有站址分集、时间分集、角度分集等。
  
  由于传播环境的恶劣,微波信号会产生深度衰落和多普勒频移等,使接收电平下降到热噪声电平附近,相位亦随时间产生随机变化,从而导致通信质量下降。对此,采用分集接收技术减轻衰落的影响,获得分集增益,提高接收灵敏度。
  
  1.空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统,本文以空间分集接收为例说明这种技术。
  
  空间分集接收:在空间不同的垂直高度上设置几副天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后合成或选择其中一个强信号,这种方式称为空间分集接收。示意图如下。
  

 

  空间分集接受是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射,而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d≥λ/2(λ为工作波长),以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,也就是说,当某一副接收天线的输出信号很低时,其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象,经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路,得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响,改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高,缺点是还需另外单独的接收天线。为了克服这个缺点,近来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点,在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线,在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线,就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量Ex和Ey。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中,通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果,所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线,结构紧凑,节省空间,缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线,并且由于发射功率要分配到两副天线上,将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏,通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号,同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线,同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说,天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性,并且在整个120°扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性,代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果,要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性,即两个分集接收天线端口信号的不相关性,决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性,两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。
  
  分集天线把多径信号分离出来,使其互不相干,然后通过合并技术将分离出来的信号合并起来,获得最大的信噪比收益。常用的合并方法有选择性合并、切换合并、最大比合并、等增益合并等.
  
  2.频率分集
  
  频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息,然后进行合成或选择,以减轻衰落影响,这种工作方式叫做频率分集。当采用两个微波频率时,称为二重频率分集。
  
  同空间分集系统一样,在频率分集系统中也要求两个分集接收信号相关性较小(即频率相关性较小),只有这样,才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落,并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率f1与f2相差,即频率间隔△f= f2- f1越大,两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。
  
  无论何种分集方式,都是利用在不同的传播条件下,几个微波信号同时发生深衰落的概率小于单一微波信号同一衰落深度的概率来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术与不采用分集技术两者相比,对减轻深衰落影响所得到的效果(好处)。为了定量的衡量分集的改善程度,常用标称改善效果,即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。现用下图加以说明:
  

  上图中的纵坐标及横坐标的意义已于图中标出。曲线A表示在深衰落情况下无分集时的相对电平累积分布曲线;曲线B表示采用分集接收的相对电平累积分布曲线。
  
  分集增益是指在某一累积时间百分比内,分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平差越大,分集增益越高,说明分集改善效果越好。例如上图中,对应50%、5%、0.1%的累积时间百分比时,这一电平差分别为3dB、5.5dB、14dB。累积时间百分比越小,分集增益越高。0.1%时间百分比的分集增益为14dB意味着:无分集时由曲线A查出此时的衰深深度比自由空间收信电平低30dB;采用分集技术后,由曲线B查出此时的衰落深度仅比自由空间收信电平低16dB。可见分集接收使衰落深度减轻了14dB。
  
  分集改善度是指在某一相对的收信电平时,单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。其比值越大,说明分集改善效果越好。在上图中,当收信电平低于自由空间收信电平20dB时,单一接收与分集接收对于同一收信电平,其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%,两者的比值为100,亦即分集改善为100。
  
  在数字微波系统中,不管采用哪一种分集接收方式,都会使系统的有效衰落储备增加,即抗频率选择性衰落的能力增强。还能不同程度地改善带内失真,改善交叉极化鉴别度。目前基于其技术的数字移动微波主要以进口产品为主,如日立、汤姆迅等,我所的这方面研究正加紧进行,不久即将面世,到那时,移动数字微波将会提供高质量的数字信号,更好的为广播电视等行业服务。