固有源特性的弹性波多径分离与分集接收的研究

李亭亭 蒋继娟

摘 要：本文主要研究了当源特性固有时，根据弹性波在地层中的传播特性，选取了路径分集技术对弹性波多径信号进行分集接收、最大比合并技术进行合并处理，然后设计了基于路径分集及最大比合并技术的RAKE接收机并进行了仿真，结果表明，利用RAKE接收技术，选取三路多径信号能明显提高弹性波接收信号的信噪比，从而改善系统的通信质量。

关键词：弹性波；路径分集；最大比合并；RAKE接收

弹性波在地层中传播时，由于地层结构的复杂性，在接收端接收到信号会产生严重的多径衰落现象，使信号质量严重下降。假设弹性波的源特性没有发生变化，若要克服弹性波的多径效应，则在接收端需采取有效措施来克服弹性波的衰落[ 1 ]。而分集接收方法中的RAKE接收技术就是一种有效且应用最广泛的抗衰落技术[ 2 ]。分集技术对信号的处理主要包含两个过程，即分散传输和合并处理[ 3 ]。故首先要获得个相互独立的多径信号分量，然后对其进行处理以获得信噪比的改善，这就是合并技术。本文将路径分集与最大比合并应用于弹性波RAKE接收中，然设计弹性波RAKE接收方案，最后对弹性波RAKE接收进行仿真及结果分析。

1 弹性波多径信号分集接收方案的选择

1）独立多径信号获取方案的选择。为了在弹性波接收系统中得到相互独立衰落的多径信号，常用的分集技术有空间分集、频率分集、时间分集以及路径分集等[ 4 ]。其中路径分集是指当来自两个不同路径信号的时延大于某一值时，这两个衰落信号可看作互不相关的特性。由于弹性波在地层中传播时，会经过不同的路径到达接收端，且每条传播路径的长度（时延）与衰减都是不同的，故本文选取路径分集对接收到的弹性波进行分离。

2）多径信号接收方案的选择。接收端接收到来自弹性波检波器的个独立的多径时延信号，可以采用选择式合并、最大比值合并和等增益合并等不同形式的合并技术对多径信号进行合并处理，从而获得较高的分集增益。由于最大比值合并充分利用了所有的多徑时延信号，最大限度的提高分集增益，是所有分集合并方式中最优的。且由于弹性波大地信道存在强干扰，信号能量损失严重，故选择最大比值合并方式来实现检波器接收到的多径信号的合并，从而提高输出信噪比，改善通信质量。

2 弹性波多径信号的RAKE接收方案的设计

弹性波在地层中传播时，会产生严重的多径衰落，本文采用路径分集技术进行分离，采用最大比合并技术来进行接收合并处理，然后设计基于路径分集与最大比合并的RAKE接收机。

2.1 弹性波多径信号的RAKE接收原理

弹性波多径信号的RAKE接收实现框图如图1所示。假设RAKE接收机搜索到N条多径信号，其中传输时延最小的直达波信号首先到达，随后其它N-1条多径信号依次到达。通过电路检测得到每条多径信号的到达时间，假设以第1条多径信号（即直达波）到达时间为基准，设为t，即Δt1=0，第2条多径信号与第1条多径信号的时延差为Δt2，第3条多径信号的相对时延差为Δt3，依次类推，第N条多径信号的相对时延差为ΔtN，此时有：ΔtN>ΔtN-

N条多径信号经过解调后，然后分别进入并行相关器中进行处理，然后得到最小的多径时延c（t），其余N-1条多径时延为c（t-Δt2），c（t-Δt3），…，c（t-ΔtN），多径时延信号经过相位同步后加入到积分器中，每次积分时间为Tb，第N个多径时延信号在Tb时刻末尾进入电平保持电路，直到Tb+ΔtN。这样所有的相关器于Tb+ΔtN时刻产生输出，通过相加求和电路，再经过判决电路产生数据输出。

2.2 弹性波RAKE接收仿真模型及结果分析

利用MATLAB对弹性波的RAKE接收方案进行了仿真，多径信号的条数对接收系统误码率的影响如图2所示。

从图2可以看出，误码率随信噪比的增加而降低；在同一信噪比下，随着合并有效多径信号条数的增加，误码率逐渐降低；且在仿真中，合并三路多径信号已经显著的改善了系统的误码率性能，第四路的能力已经损耗到很低，对系统误码率的改善并不是十分明显。

参考文献：

[1] 姚善化.井下移动通信的多径分集接收技术研究[J].煤炭工程，2010，（1）：115-116.

[2] 田昌英.弹性波透地通信系统RAKE接收技术研究[D].山东：山东科技大学，2012.

[3] 陈赓.弹性波透地通信信号接收关键技术的研究[D].山东：山东科技大学，2010.

[4] Gupta S C，Ashwani Kumar.Seismic wave atenuation characteristics of three Indian regions：a comparative study[J].Current Science，2002，82（4）：407-413.