時間分集

時間分集（Time diversity）是被CDMA系統使用用來克服多路徑衰減的技術。通過一個犁耙式接收機，單個元素或手指，能夠偏移及時地說明多程信號的不同到達時間。時間分集主要用於在衰落信道中傳輸數字信道，它是將同一信號相隔一定的時隙進行多次重發，只要各次傳送的時間間隔大於信道的相干時間（相干時間定義：都卜勒頻展的倒數）， 則在接收端就可以獲得衰落特性相互獨立的幾個信號。

基本介紹

• 中文名：時間分集
• 外文名：time diversity
• 拼音：shí jiān  fēn  jí
• 類別：數位訊號
• 套用：通訊
• 關鍵：多次重發

時間分集概述

定義

時間分集（Time diversity）是被CDMA系統使用用來克服多路徑衰減的技術。通過一個犁耙式接收機，單個元素或手指，能夠偏移及時地說明多程信號的不同到達時間。時間分集主要用於在衰落信道中傳輸數字信道，它是將同一信號相隔一定的時隙進行多次重發，只要各次傳送的時間間隔大於信道的相干時間（相干時間定義：都卜勒頻展的倒數）， 則在接收端就可以獲得衰落特性相互獨立的幾個信號。

原理

針對對流層散射信號的時域衰落特點給出了一種適用於單天線、單發通道和單收通道輕便散射站的新型信號時間分集方法，即將待傳送信息符號按等時間間隔多次延遲後重組為一個新的傳送序列並共享頻寬發出，在接收端對各冗餘傳送信息進行合併從而獲得分集增益。分析了該體制的擴譜隱頻率分集作用以及與各種前向糾錯編碼方法的兼容特性。實測結果表明，在平坦衰落與頻率選擇性衰落信道中信號的平滑能力均與傳統的多天線空間分集體制相當。多面大口徑天線空間分集是傳統對流層散射通信站的一個顯著特徵，這種分集方式抗衰落效果顯著但需要多部天線與多台發射機; 為降低成本，角分集、頻率分集也經常使用或互相組合。大型站的空、頻域組合分集技術非常成熟，但面對低成本要求或大批量裝備需求該結構必須進一步刪減。一個最新實例是雷聲公司的 TELOS( Tactical Extensionof Line-of-Sight) 包裝箱式設備，它採用 Ku 頻段、一面0. 75 m小口徑天線，通信距離在速率1 Mb/s時大於64 km。儘管如此，該設備仍需 2 部250 W發射機與雙收發通道，功耗超過2 kW，成本依然較高。除空、頻域分集可用外，散射信號在時域也有很強的衰落選擇性，如果傳輸時延控制在用戶可接受範圍，時間分集可考慮作為一種不容忽略的抗快衰落措施予以採用。該技術僅需單天線、單發射機與單接收機，因此是一種用於低成本“三單”通信站開發的極具競爭力的手段。

結構設計

時間分集設計要素經典的對流層散射站多採用多天線、多發射機和多接收機的物理結構，設備複雜、造價很高並不利於機動使用，“三單”結構雖然簡化了設備但接收信號電平的快衰落波動太大( 可達20 dB) ，因此幾乎不能無中斷地正常解調。為解決此問題，一些可能的探索包括:採用擴譜的方法提高頻率分集的作用，這在較低的傳輸速率下十分有效，但仍然無法擺脫分集重數少、快衰落平滑不充分的窘境; 特別在使用Turbo乘積碼和 LDPC 等高效的 FEC 措施的情形下，分集不夠還會造成編碼增益減小甚至收效甚微的後果; 當信道出現反常傳播時，即使占用頻寬擴至20 ～ 30 MHz 也可能呈現帶內平坦衰落而非頻率選擇性衰落，此時只能靠設備餘量來保證衰落低谷時信息系統與網路不斷鏈;國外雷聲、Signatron 和 Comtech 等公司已充分意識到此問題，開發了雙極化、4 波束角分集天線，而高功率放大器、接收機仍然為 2 套; 在近距離通信時，國外還配裝小孔徑天線，即通過擴展波束寬度而達到增大收發波束交匯公共體體積、加長多徑時延和縮小信道相關頻寬的目的，此時雖然天線增益有所降低，但傳輸穩定性反而得以提升。多次的野外試驗均表明，散射信號的時域衰落特性與頻域衰落特性沒有簡單的一一對應關係。無論信道的相關頻寬如何變化，時域信號的包絡起伏始終是存在的，在溫帶大陸性氣候區，典型的衰落速率在0. 5 ～2 Hz。這一結果提示研究人員，若將信號重複多次傳送，在接收端採用合適的方法進行合併可以起到與多天線空間分集類似的作用，特別需要明確的是即使信道出現不利的平坦型衰落，多次收發的分集效果依然有效，這一手段即散射通信的時間分集技術。

時間分集技術

可靠接收

分集技術一種廣泛套用的、成熟的通信技術，一種用相對較低廉的投資就可以大幅度改進無線鏈路性能的強有力的接收技術。它對獨立的或至少是高度不相關的多徑信號進行相加，從而改善接收端信號的瞬時信噪比和平均信噪比，提高通信質量。通常的分集有空間分集、極化分集、頻率分集、時間分集等。相對於空間分集、極化分集、頻率分集需要對設備進行物理通道的擴容等投入，時間分集的投入較少。僅犧牲有效通信速率一項指標，就可以大幅度提高通信性能，具有很好的優勢及吸引力。主要針對時間分集技術進行研究討論。時間分集就是在持續的一段時間內，重複發 n 遍具有固定數據幀結構的數據波形，接收端對接收到的 n 重數據信號進行技術合成。在短波通信中，時間分集技術是一種有效的抗衰落的技術手段。接收天線接收到的信號在接收時間軸上的特性反映了天波信道的衰落特點，短波天波信道通常具有快衰落和慢衰落兩種特點。

衰落時間

天波信道的衰落時間（不可接收時段）小於單重數據波形持續時間的，我們稱之為快衰落；天波信道的衰落時間大於 n 重數據波形總持續時間的，稱為慢衰落。採用有效的分集合成算法後，可獲得信噪比改善。以 n 重時間分集接收為例，在接收端對 n 重數據信號在波形上進行疊加合成，由於噪聲信號不相關性，而信號是相關的，故合成後信號相加、噪聲相消，信噪比得到提高。n 等於 2 時，即 2 重時間分集理論上對信噪比有 3dB 的改善，10 重分集即有 10dB 的信噪比增益。因此，時間分集技術不僅對快衰落具有改善，對慢衰落信號同樣具有提高信噪比、改善通信質量的作用。由以上分析可知，這裡討論的時間分集是基於模擬波形信號的分集合成，區別於基於信息層面的分集合成。信息層面的分集合成指對數字解調後的比特流數據進行諸如“大數判決法”等數字域處理的方法。信息層面的分集合成實現難度較低，工程上已廣泛套用。但實際上，當信號信噪比低於一定閾值後，由於誤碼率高，導致信息域的時間分集已經無明顯效果。但是基於信號域的時間分集能夠將不同時間段的信號進行合併以提高信號的 SNR，當分集重數足夠大時，將可能獲得足夠高的SNR 增益，從而保證數據的可靠接收。

波性設計

波形設計基於模擬信號層面的多重信號分集合併，需要將信號下變頻到基帶信號再對齊累加，這時就要求輸入的信號同頻同相。影響多路信號頻率和相位的主要有多徑效應和都卜勒頻移等，實際上在傳輸中頻率的影響是很小的，比如都卜勒頻移最大只有 185Hz 左右，頻移的影響可以通過移頻校正消除。而相位 θt的累計效應是非常大的,對合併影響也非常大,所以對最大比合併而言最主要是調整多段信號達到同相狀態，這就要求數據幀的長度必須合適，使得整段數據波形在合成時基本處於同相狀態數據幀由用於捕獲的同步頭和有效數據載荷兩部分組成。其中，同步頭為固定長度的已知隨機噪聲序列，且該噪聲為一個 0~3k 範圍內的窄帶高斯噪聲。同步頭用來作為解調時的幀同步頭，接收端根據幀頭的高度相關特性提取出各信號幀，並根據分集重數對接收到的各幀做分集合併處理，恢復出原始數據。根據短波信道特性可知，短波信道在一個相對較長的時間內（百毫秒數量級）是穩定的。因此只要保證短波數據幀的幀長在這個時間之內，即可確保不會受到信道的太大影響。設計數據幀的同步頭與數據包長度比為 1∶3，即數據利用率為 75%。假設短波數據包每組包含 5 個符號，根據信道編碼效率，經編碼後數據量增加 1 倍。通過計算可得到每幀數據在通信速率為 2400bps 的情況下最多能傳輸數據報文的數量。關鍵技術實際套用研究中，其技術重點在於提高信號的捕獲能力、提高時延信息提取精度、最佳化分集合成算法以及提高所有這些處理的處理速度等。

時間分集套用

糾錯編碼及交織技術

數字通信中，糾錯編解碼及交織技術是提高通信性能的常用有效方法。值得一提的是，為了充分發揮糾錯編解碼技術及交織技術的效能，需要根據實際的信道特點及數據幀結構進行針對性設計，同時，根據實際通信情況進行參數的適應性調整。

捕獲方法及捕獲能力

捕獲方法快速可靠的同步捕獲是時間分集處理的一項關鍵技術。通過研究比較可知，滑動相關法是最簡單、最實用的方法。收信端將接收信號與參考幀做滑動相關處理，當接收信號的相關度足夠大時，判定信號的捕獲；同時通過相關算法提取各幀數據波形的時延信息，後續用於各幀數據波形的分集合成連續流入的解調數據，與參考的同步頭（稱為參考幀）相關後，相關值形成一條時域上的連續曲線。對該曲線進行一定統計上的處理，形成判據，就可以判斷各重分集的數據幀波形的收取情況。·捕獲能力理論分析表明：信號的信噪比越高，對信號的捕獲能力越強；同步頭的持續時間越長，對信號的捕獲能力越強。仿真測試的數據舉例如下：同步頭信號長度為 500ms，信號的信噪比 SNR 等於-10dB 時，信號的捕獲機率大於 99%；同步頭信號長度每提高 1 倍，獲得相同的信號的捕獲機率，對信號的信噪比要求降低約 3dB。由此可見，不斷加長同步頭信號長度是提高信號捕獲能力的有效辦法。但實際套用中，加長同步頭信號長度帶來了處理的運算量的提高以及有效通信速率的降低，因此，同步頭信號長度需要做合適的選擇。

相位信息

提取相位信息提取是通過計算各幀信號間的相位差得到的。我們採用相關法提取相位信息。當接收信號與參考幀存在相位差時，相關波形的形狀和峰值大小隨相位差變化而變化。將接收信號經過數字移相，再同參考幀信號進行相關，依據其峰值的大小及符號，便可求得接收信號同參考幀信號之間的相位差。另外一種方法：將信號進行正交化，I、Q 路分別進行相關，得到相關峰的峰值。參考幀信號與捕獲幀信號的相位差信息通過對上述得到的峰值取反正切得到。

都卜勒移頻校正技術

短波信號的都卜勒頻移問題是實際工程套用中必須解決的問題。滑動相關法進行信號捕獲以及相位提取等處理，在低信噪比條件下，對頻差較為敏感，超過一定頻差就會引起相關失效。實際設計中，採用的設計思路是按合理小的步進頻差設計多路並行相關器，多路並行相關器同時進行相關，得到各路相關器的相關結果後，採用合適算法估算頻差準確值，最終採用準確值的頻差參數再次相關，頻差和相關結果用於後續處理工作。

信噪比估計算法

實際信號的信噪比是後續的分集合併的一項關鍵參數，需要計算得到。但實際信號的信噪比通常是不容易計算的，特別是在低信噪比的情況下。本研究中，採用了一種實際驗證有效的信噪比計算方法：基於相關法信噪比計算法。其基本思路是根據參考幀信號與捕獲幀信號的滑動相關後的峰值及相關波形統計特點計算得到。通過實際校正測試，其精度滿足要求。

最大比值合併

分集多重信號的分集合併方式主要有：選擇分集、反饋分集、等增益合併分集以及最大比合併分集。其中最大比合併分集綜合性能最優，處理也相對複雜，本文討論的時間分集技術採用的是最大比合併。最大比值合成是指在同相合成的基礎上，按照各路信號信噪比和幅度的不同分別予以不同的比例係數加權，使得合成後的信噪比最大的一種分集合成方法。分集合成部分主要的處理包括：計算各路信號的信噪比和幅度，以及各路之間的相位差信息；通過數字移相使得各路信號的相位一致；根據每路信號的信噪比和幅度分別予以不同的比例係數加權；加權後的各路同相信號相加。