CN103647593A

CN103647593A - 一种无线分集接收方法

Info

Publication number: CN103647593A
Application number: CN201310636294.2A
Authority: CN
Inventors: 徐永键; 徐广健; 吴成郊; 谭洪舟
Original assignee: SYSUNG ELECTRONICS AND TELECOMM RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: SYSU HUADU INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY INSTITUTE
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开一种无线分集接收方法，接收端利用两副或多副天线同时接收不同路径的信号，各路径信号分别经低噪声放大器放后，输入混频器，再经过混频器下变频为中频信号，输入中频放大器，中频放大器将中频信号放大后，分两路中频信号输出；一路输入解调器，解调器解调出来的数据经打包，送给MCU选择器；另一路输入ADC，转换为RSSI参数；将多条路径输出的RSSI数据送给MCU的比较器，比较确定RSSI参数最好的那一路路径信号，MCU选择器选择该RSSI参数最好的那路的路径信号的打包数据作为信号输出。减轻信号衰落的影响，提高了信号传输的质量，克服在无线通讯中出现声音与视频断断续续和丢失数据包等不良现象。

Description

一种无线分集接收方法

技术领域

本发明涉及高频通信接收技术领域，更具体地，涉及一种适用于无线局域网2.4GHz的无线麦克风、移动视频、移动广播电视、蓝牙、WiFi等无线接收的无线分集接收方法。

背景技术

无线分集接收方法，是指接收端对它收到的多个互相独立（携带同一信息）的衰落特性信号进行特定的选择处理，以降低信号电平起伏的办法。发射端发送信号在空间中分散传输，而接收端利用双天线或多天线同时接收不同路径的信号，只要几个信号之间是相互独立，然后将这些信号选择最大增益的总信号，以减轻信号衰落的影响。

在无线领域的发展与应用已经深入了人们的生活方式和工作当中，而人们对无线通讯的要求也越来越高，特别是通讯质量和通讯距离的要求也越来越高，在平常的生活中，无线麦克风、手机电视、地铁电视等户内外广播领域的发展，人们对声音与视频的质量要求越来越高，而在高数据量的无线传输过程中，发射设备向空间发送信号，当地面波信号在传输途径当中受到高楼、丘陵、运动车辆等多个障碍物的阻挡时，就会产生反射或散射，形成多路信号到达接收天线，由于到达接受天线的时间不同、相位不同，相反相位的不同信号因叠加而相互消弱，从而产生信号的衰落，如图 1所示，而接收到信号很弱，导致数据包丢失，声音与视频会断断续续。当接收机和发射机相向运动时，他接收到的信号频率就高于发射频率，相反，当他们发生相背运动时，接收的信号频率就低于发射频率，产生了多普勒频移，如图 2所示，它产生的衰落会对使接收机很难准确的解出信号。

在上述中，多径衰落和多普勒频移导致的小范围衰落对移动接收设备的接收信号破坏力极强，能引起较大的码间干扰和频率的矢量变化，从而导致接收机丢失数据包，声音与视频断断续。这样多径衰落、多普勒频移等小范围衰落是不可避免的问题，而现在有的接收机都是单通道接收机，大数据量传输，经常出现信号弱，丢失数据包，声音与视频不通畅等不良现象。

当前各种无线通讯中，随着DVB-T在手机电视、车载电视、楼宇电视、地铁电视、无线麦克风等无线领域的发展，在这些接收范围内，多径衰落、多普勒频移等小范围衰落是不可避免的问题，衰落降低了信号传输质量，从而导致接收设备接收到的声音一会强，一会弱，或者断断续续，视频也会断断续续，甚至无法接收信号等不良现象，而当今现有的接收设备普遍采用单通道接收，受衰落的影响较大，所以很容易产生以上现不良现象。如何解决这些衰落和干扰成为倍受关注的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种无线分集接收方法，用于减少衰落带来的不良影响，改善无线传输中接收信号的质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种无线分集接收方法，信号在传输过程中因干扰产生多径分量信号，接收端利用两副或多副天线同时接收不同路径的信号，各路径信号分别经低噪声放大器放后，输入混频器，再经过混频器下变频为中频信号，输入中频放大器，中频放大器将中频信号放大后，分两路中频信号输出；

一路输入解调器，解调器解调出来的数据经打包，送给MCU选择器；

另一路输入ADC，转换为RSSI参数；

将多条路径输出的RSSI数据送给MCU的比较器，比较确定RSSI参数最好的那一路路径信号，MCU选择器选择该RSSI参数最好的那路的路径信号的打包数据作为信号输出。

无线分集接收方法包括空间分集与选择式合并两个步骤：

1）空间分集

空间分集接收是利用不同高度的两副天线，接收同一频率的微波信号以达到克服衰落的目的。由于衰落因子与反射波和直射波的行程差有关，当采用不同高度的天线接收同一信号时，电波到达不同天线的行程差不一样。因此当某一副天线收到的电波发生衰落时，另一副天线收到的电波不一定同时发生衰落，采用信号选择的方法就可以克服衰落的影响。空间分集必须是不同天线的接收信号相互独立。

空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，它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。接收端天线之间要保持一定的距离d，同时接收一个发射天线的微波信号，然后选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半，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，经相应的比较选择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。

空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。两个互相独立的信号经过低噪放放大，进入混频器，下变为中频信号，进入中频放大器，中频放大器分两路信号输出，一路信号输出给ADC，并转化为RSSI参数，送给比较器，而另一路信号输出给解调器，解调出来的数据打包送给选择器。

2）选择式合并

选择式合并，就是N个接收机的输出信号先送入比较器，选择器再从N 个接收信号中选择具有最高RSSI的基带信号作为输出。当接收机送入的RSSI数据进入比较器，得出最高的RSSI那一路信号，选择器选择一个该路的打包基带数据做为输出。每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍，所以在实际系统中不能对各支路信噪比进行快速计算。

在实际系统考虑到实现的复杂性，一般采用最大输出电平 (S+N)准则，选择一条支路最大电平做为输出电平。

经过测试和统计，建议为了获得满意的分集效果，接收端的两个接收天线间距大于0.6个波长，所述接收天线设置在空间不同的垂直高度，λ为工作频率的波长。

两个接收天线间距最好选在l/4的奇数倍附近，若减小天线间距，即使小到1/4，也能确保两个天线接收到两个互相独立的信号，所述各接收天线之间的距离d=0.75λ。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的主要优点是减轻信号衰落的影响，提高了信号传输的质量，克服在无线通讯中出现声音与视频断断续续和丢失数据包等不良现象。所以分集接收带给终端用户了更大的信号覆盖面积、更高的信号质量和更快的接收机移动速度。在移动接收时，分集接收也同样表现出它的优越性，双/多天线分集接收不仅在移动接收中，有着很强的抗衰落效果，今后在车载机、手持机，室内机等要求高的地方会得到更大的发展和普及。

附图说明

图1为多径衰落示意图。

图2为多普勒效应示意图。

图3为单天线接收机原理框图。

图4为单天线收发测试示意图。

图5为两个独立单天线接收机原理框图。

图6为单天线发射、双天线接收测试示意图.

图7为分集接收框图。

图8为双天线分集接收机测试示意图。

图9为室内双天线接收范围图。

图10为室内单天线接收范围图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

如图1，当地面波信号在传输途径当中受到高楼、丘陵、运动车辆等多个障碍物的阻挡时，就会产生反射或散射，形成多路信号到达接收天线，由于到达接受天线的时间不同、相位不同，相反相位的不同信号因叠加而相互消弱，从而产生信号的衰落。

如图2，假如信号以波的形式传播，当接收者与产生者发生相对运动时，接收者接收到的信号频率会因运动而发生变化，这就叫多普勒效应。这是任何波动过程都具有的特性，电磁波也是如此。假如接收几相对于发射机时，接收机接收到的信号也会发生多普勒效应，具体取决于接收机相对于发射机移动的方向和速度，当接收机和发射机相向运动时，接收到的信号频率就高于发射频率，相反，当发生相背运动时，接收的信号频率就低于发射频率，这种频率变化也叫多普勒频移，产生的衰落会对使接收机很难正确的解出信号。

如图3，单天线接收到的信号送给低噪声放大器放大，输入给混频器，下变频为中频信号，送给中频放大器放大，并分两路信号输出，一路送给ADC，再输给串口打印出RSSI，另一路送给解调器，解调出基带信号，并打包处理，送给MCU做为输出。

如图4，以接收机为中心，无线麦克风发射机到接收机的距离R为半径，进行测试接收机的RSSI与BER参数。

如图5，两个天线接收到不同强度信号，分别输入低噪声放大器放大，输出给混频器，下变频为中频信号，送给中频放大器放大，并分两路信号输出，一路送给ADC，再输给串口打印出RSSI，另一路送给解调器，解调出基带信号，并打包处理，送给MCU做为输出。

如图6，以双天线为中心，无线麦克风发射机到接收机的距离R为半径，进行测试接收机的RSSI与BER参数。

如图7，发射机将信号发送到空间，经多径衰落，到接收机的两个天线，每个天线在空间中接收到不同强度的信号，分别经过低噪放，到下变频器，输出中频信号，中频信号经中频放器放大，输出两路信号，一路信号输出给ADC，ADC将信号转换为RSSI参数，送给比较器比较，另一路信号送给解调器，解调出基带信号并打包处理，送给选择器，选择器根据比较器得出最好RSSI参数的那一路信号去选择该路的基带信号数据包做为输出。

如图 8，以双天线分集接收机为中心，无线麦克风发射机到该接收机的距离R为半径，进行测试接收机的RSSI与BER参数。

如图 9，由于室内接收时不仅存在信号被建筑物等吸收的问题，还同样存在小范围衰落，解调器的测试得出：在BER<10^-4时，接收范围达可到95%。

如图 10，于室内接收时不仅存在信号被建筑物等吸收的问题，还同样存在小范围衰落，解调器的测试得出：在BER<10^-4时，接收范围达可到67%。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的分集接收方法进一步详细说明。值得注意的是，以下所描述的具体实例仅用于解释发明内容，并不用于限定本发明。

1、以2.4G的无线麦克风为例，单天线接收机的接收灵敏度为-110dB，根据接收机的接收灵敏度计算公式1所示：

S＝-174+NF+10logBW+S/N （1）

式中的-174dBm/Hz为环境底噪，NF为接收机的噪声系数，BW为工作带宽，S/N为信噪比。根据此公式可计算出接收灵敏度。

1）无线麦克风的发射功率为15dBm，在空旷无干扰的坏境中，以接收机为中心，无线麦克风的到接收机的距离为R，如图4所示，天线接收到信号，经过低噪声放大器放大，输入给混频器，下变频为中频信号，送给中频放大器，中频放大器分两路信号输出，一路送给解调器，解调出来基带信号打包，送给MCU输出，另一路输入ADC，再送给串口，用串口测试接收机的RSSI和BER，如图3所示，测试的数据如表1所示：

表1 单天线接收机的RSSI与BER数据表

R（m）	RSSI	BER(﹪)
			2	182	0.0001
4	154	0.0008
			6	131	0.001
8	112	0.007
			10	98	0.03
12	85	0.12
			14	73	1.3
16	65	8.5

通过上表可知，距离到达到10m之后，信号衰弱很大，造成误码率大，数据容易丢失。

2）再放入一台同样的单天线接收机，两台接收机的的天线距离为3λ/4（λ＝C/?），如图6所示，在同样的环境中测试两台接收机的RSSI与BER参数，如图5所示，测试数据如表2所示：

表2 两个独立的单天线接收机的RSSI与BER数据表

从以上的数据分析得出，两个天线接收到不同强度独立信号，有一个天线接收到比较弱的信号，而另外一个天线接收到较强的信号。

3）如果两台接收机同步时，接收到两个不同强度信号，从中筛选出最好的一个基带信号做为输出，从而减小了衰弱的影响。如图7所示，两个天线接收到不同强度的信号，分别经过低噪声放大器放，输入混频器，下变频为中频信号，再经中频放大器放大，输出两路信号，一路输入给ADC，转换为RSSI参数，送给比较器比较，另一路送给解调器，解调出基带信号，再打包处理，送给选择器，选择器根据前面比较器比较得出最大RSSI参数那一路信号的打包基带信号做为输出。将双天线接收机放在空旷无干扰的环境中，同样麦克风到接收机的距离为R，测试接收机的RSSI与BER参数，如图8所示，测试数据如表3所示：

表3 双天线分集接收机的RSSI与BER数据表

R（m）	RSSI	BER（%）
			2	200	0.0001
4	158	0.0008
			6	151	0.009
8	118	0.08
			10	105	0.01
12	85	0.10
			14	79	0.13
16	65	8.5

从以上的数据分析和对比，双天线接收比单天线接收距离远，并且在15m内没有丢失数据，误码率较小。

2、设足够大的室内，仅存在信号被建筑物等吸收的问题，还同样存在小范围衰落。在室内的一个角里放置双天线麦克接收机，并让双天线接机处于工作姿态，其工作的频率为2.401GHz，单天线接收灵敏度-110dBm，两个天线的距离大于λ/2,将麦克风打开，其工作的频率调为2.401GHz，发射功率为15dBm，如图7所示。

1）当距离为1m时，麦克风与接收机连接成功后，在麦克风端发送数据，测试接收机端RSSI＝-50，接收机没有丢失数据包，声音质量良好，天线所接收的信号功率计算公式2如下：

P_r,dBm=10㏒Pt-20㏒?_c-20㏒d+10㏒(G_tG_r)+147.56 （2）

式中的Pt为发射功率，?_c为载波频率，d为传输距离，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益，根据式（2）可计算天线接收信号功率。

2）将麦克风距离拉远到15m左右，测试接收机端RSSI＝-82，接收机也没有丢失数据包，声音质量良好，接收距离可根据公式3计算路径衰减，路径衰减公式3如下：

PL_dB=20㏒?_c+20㏒d-10㏒(G_tG_r)-147.65 （3）

式中?_c为载波频率，d为传输距离，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益，根据式（3）可以计算出距离衰减。

麦克风在室内的每一个角落测试，接收机的信号强度都很好，声音质量也良好，用解调器的测试得出：在BER<10^-4时，接收范围达可到95%，如图9所示。而在室内采单天线接收时，用解调器的测试得出，接收范围达可到67%，如图10所示。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种无线分集接收方法，信号在传输过程中因干扰产生多径分量信号，其特征在于，接收端利用两副或多副天线同时接收不同路径的信号，各路径信号分别经低噪声放大器放后，输入混频器，再经过混频器下变频为中频信号，输入中频放大器，中频放大器将中频信号放大后，分两路中频信号输出；

另一路输入ADC，转换为RSSI参数；

2.根据权利要求1所述的无线分集接收方法，其特征在于，所述接收端的接收天线设置在空间不同的垂直高度，各接收天线之间的距离d>0.6λ，λ为工作频率的波长。

3.根据权利要求2所述的无线分集接收方法，其特征在于，所述各接收天线之间的距离d=0.75λ。