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專欄文章

【十分鐘看懂】天線系統分集合併技術

2021-02-22 釋五吉

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先進通訊系統所採用之MIMO技術為從分集技術衍生而來的,其目的欲藉由多路資料流傳輸提升系統吞吐量;前述文章已說明天線分集對通訊系統帶來之好處,本專欄將進一步探討分集合併技術及其特點。

 

當訊號透過多個通道傳輸至接收端時,需利用訊號合併技術演算法將訊號處理後才能進行後續解調動作,因此,不同訊號合併方式為通訊系統之重要核心技術。

圖一所示為分集通道模型架構,一般分集合併技術(Combining Techniques of Diversity)可分為:(1)選擇式合併(Selection Combining)(2)切換式合併(Switching Combining)(3)等增益合倂(Equal Gain Combining)(4)最大比值合併(Maximal Ratio Combining)四種,圖二與圖三分別表示這四種合併技術之分類。

圖一、分集通道模型架構

圖一、分集通道模型架構

 

圖二、選擇式與切換式合併技術

圖二、選擇式與切換式合併技術

 

圖三、等增益與最大比值合併技術

圖三、等增益與最大比值合併技術

 

選擇式合併技術可以選擇最佳訊號至接收器,但缺點在於需要不斷偵測SNR值,因此,以系統觀點來說較為耗電。切換式合併技術與選擇式合併技術不同點在於當訊號低於設計門檻值後再做切換即可。因此,不像選擇式合併技術一直需偵測最佳之SNR值,以效能來看雖低於選擇式合併技術,但整體架構具省電優勢。

等增益合倂技術也稱為相位均衡,即僅對通道的相位偏移進行校正而幅度不做調整,當只有假設每個鏈路訊號之SNR比相同的情況下,其SNR比最大化才可呈現出來,所以此架構效能較差。最大比值合併技術亦即調整SINR為最佳狀態,透過調整不同信號通道之權重,包括訊號大小與相位,使得訊號同相位輸出,在做合併時可得到最佳之訊號強度,同時可將雜訊與干擾降至最低,雖方法較為複雜,但效能最佳。

一般而言,探討分集增益(Diversity Gain)需包含後端合併技術演算法一起考量,其比較對象是與「單一天線」做比較。舉例而言,兩支相關性很差之天線,搭配Selection Combining 演算法,其SNR接收效能可以比單一天線好上5dB, 所衍生的5dB就是透過兩支天線接收所獲得之好處,即為分集增益。若是這兩支天線之相關係數很低,同樣搭配Selection Combining 演算法,其SNR的接收效能可以比單一天線好上10.2dB。若使用Maximal Ratio Combining演算法搭配相關係數很低的兩支天線,其分集增益能夠到達13dB,比Selection Combining演算法提升3dB。因此,若增加分集天線數量並搭配合適的分集合併演算法,即可讓整體通訊系統之接收訊雜比達到最佳化。

 

參考資料

[1] SIMON R. SAUNDERS, ALEJANDRO ARAGO´ N-ZAVALA, “ANTENNAS AND PROPAGATION FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS”, Second Edition, John Wiley & Sons, 2007.

[2] A.A.H. Azremi, J. Toivanen, T. Laitinen, P. Vainikainen, X. Chen, N. Jamaly, J. Carlsson, P.-S Kildal, S. Pivnenko, “On Diversity Performance of Two-Element Coupling Element Based Antenna Structure for Mobile Terminal” Fourth European Conference on Antennas and Propagation,  2010.

[3] Raviraj Adve, "Receive Diversity" , [Online]. Available: https://www.comm.utoronto.ca/~rsadve/Notes/DiversityReceive.pdf


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