Vielfalt kombiniert

Diversity-Kombination ist die Technik, mit der die mehreren empfangenen Signale eines Diversity- Empfangsgeräts zu einem einzigen verbesserten Signal kombiniert werden.

Es lassen sich verschiedene Techniken zur Kombination von Diversität unterscheiden:

• Gleichverstärkungskombination: Alle empfangenen Signale werden kohärent summiert.
• Die Kombination maximaler Verhältnisse ^{[ 1 ]} wird häufig in großen Phased-Array- Systemen eingesetzt: Die empfangenen Signale werden hinsichtlich ihres Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) gewichtet und anschließend summiert. Das resultierende SNR ergibt sich zu , wobei das SNR des empfangenen Signals ist .${\displaystyle \sum _{k=1}^{N}SNR_{k}}$${\displaystyle SNR_{k}}$${\displaystyle k}$
• Umgeschaltete Signalkombination: Der Empfänger schaltet auf ein anderes Signal um, sobald das aktuell ausgewählte Signal unter einen vordefinierten Schwellenwert fällt. Dies wird auch häufig als „Scanning Combining“ bezeichnet.
• Selektionskombination : Von den N empfangenen Signalen wird das stärkste ausgewählt. Sind die N Signale unabhängig und Rayleigh-verteilt , ergibt sich ein Diversitätsgewinn von , ausgedrückt als Leistungsverhältnis. ^{[ 2 ]} Daher nimmt jeder zusätzliche Gewinn mit zunehmender Kanalanzahl rasch ab. Dieses Verfahren ist effizienter als die geschaltete Kombination.${\displaystyle \sum _{k=1}^{N}{\frac {1}{k}}}$

Manchmal werden mehrere Kombinationstechniken verwendet – zum Beispiel verwendet Lucky Imaging die Selection Combining, um (typischerweise) die besten 10% der Bilder auszuwählen, gefolgt von der Equal-Gain-Kombination der ausgewählten Bilder.

Andere Signalkombinationstechniken wurden zur Rauschunterdrückung entwickelt und finden Anwendung in der Einzelmolekül -Biophysik , der Chemometrie und anderen Disziplinen. ^{[ 3 ]}

Bei der drahtlosen Übertragung längerer Signalsequenzen, wie beispielsweise Ethernet-Paketen, lassen sich spezifische Leistungsmerkmale hinsichtlich des Diversity-Gewinns in einem parallel redundanten drahtlosen Übertragungssystem beobachten. Beim „Timing-Combining“ werden Datenpakete redundant und gleichzeitig über parallele Pfade gesendet. Auf der Empfangsseite wird aus den Zweigen das zuerst eintreffende Paket ausgewählt und sofort für die Endanwendung verarbeitet. Weitere Kopien des Pakets werden – falls eintreffend – verworfen. Dieser Typ von Post-Detection-Combiner wird als „Timing-Combiner“ bezeichnet, da durch die sofortige Verarbeitung des zuerst eintreffenden Pakets eine deutliche Leistungsverbesserung erzielt wird. ^{[ 4 ]}

Im Landfunk , wo fahrzeugmontierte und tragbare Funkgeräte über eine einzige Frequenz mit einer Basisstation kommunizieren , wird Raumdiversität durch mehrere Empfänger an verschiedenen Standorten erreicht. Diversity-Kombination oder -Voting in Zweiwegfunksystemen ist eine Methode zur Verbesserung der Rücksprechreichweite von Walkie-Talkies und Fahrzeugfunkgeräten. ^{[ 5 ]}

Die Empfänger sind mit einem Gerät verbunden, das als Abstimmungskomparator oder Wähler bezeichnet wird.

Der Abstimmungskomparator wertet alle empfangenen Signale aus und wählt das am besten nutzbare aus. ^{[ 6 ]} In Repeatersystemen wird das ausgewählte Signal erneut gesendet. In Simplexsystemen wird es an den Lautsprecher der Basisstation weitergeleitet. Audiosignale von Empfängern, die nicht ausgewählt werden, werden ignoriert. Abstimmungskomparatoren in analogen FM- Systemen können innerhalb von Zehntel- oder Hundertstelsekunden (schneller als eine Silbe) zwischen den Empfängern umschalten. Solange ein verständliches Signal einen einzigen Empfänger im System erreicht, ist das wiederholte oder an den Lautsprecher der Basisstation gesendete Audiosignal verständlich.

Bei dieser Anordnung sind Empfänger an entfernten Standorten über private Telefonleitungen, einen Kanal in einer D4 -Kanalbank auf einem DS1 oder einen analogen Mikrowellen- Basisbandkanal mit dem Abstimmungskomparator verbunden .

Die ersten Vergleichsgeräte nutzten einen Ton, der über einen separaten Audiopfad codiert war. Daher benötigte jeder Empfängerstandort entweder eine 4-Draht-Leitung oder zwei Audiopfade. Die Tonhöhe änderte sich entsprechend dem Empfangssignalpegel bzw. der Begrenzerspannung des FM-Empfängers am entfernten Empfänger. Dieses Verfahren funktionierte schlecht, da es weder Mikrowellen-Basisbandrauschen noch Störungen in den Telefonleitungen berücksichtigte.

Neuere Abstimmungskomparatoren vergleichen das Signal-Rausch-Verhältnis am Abstimmungskomparator und berücksichtigen dabei das Rauschen zwischen den Enden, schlechte Telefonleitungen, mangelnde Pegeldisziplin sowie den besten Diversity-Empfangspfad.

Bei der Kommunikation mit Handfunkgeräten ( Walkie-Talkies ) senden Basisstationen in der Regel weiter, als sie empfangen können. Durch die Abstimmung mehrerer Empfänger an verschiedenen Standorten wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass einer der Empfänger ein nutzbares Signal von den Funkgeräten im System empfängt.

Die Diversity-Kombination reduziert eine mögliche Fehlerquelle: Der Ausfall eines einzelnen Empfängers oder lokale Störungen an einem einzelnen Empfänger führen nicht zum Ausfall des gesamten Systems. An Standorten können sich mehrere Funksender und -empfänger befinden. ^{[ 7 ]} Ein einzelner Standort ist lokalen, standortspezifischen Störsignalen ausgesetzt. Diese Störsignale können auftreten und wieder verschwinden, wenn Sender ein- und ausgeschaltet werden.

Ein potenzielles Problem bei Empfängern an hochgelegenen Standorten besteht darin, dass sie Signale aus entfernten Landkreisen, Präfekturen oder anderen Provinzen empfangen können. Diese unerwünschten, entfernten Signale können stärker sein als die gewünschten Signale lokaler Funkgeräte. ^{[ 8 ]} In manchen Fällen können die entfernten Signale schwache lokale Signale überdecken. Mehrere Empfangsstandorte erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass einer der Standorte das lokale Signal empfängt, obwohl ein entferntes, unerwünschtes Signal vorhanden ist. ^{[ 9 ]} Durch selektives Rufen kann verhindert werden, dass Benutzer die Audioausgabe entfernter Signale hören müssen, selbst wenn diese in Empfangsreichweite eines oder mehrerer Empfänger liegen.

Für kritische oder Notfallfunksysteme wird in der Literatur eine Mindestabdeckung von 95 % angegeben. ^{[ 10 ]} Eine Definition der Systemabdeckung findet sich im Standard TSB-88A der Telecommunications Industry Association (TIA). ^{[ 11 ]}

Die meisten Installationen mit Diversity-Combining-Geräten vergleichen kontinuierlich das beste empfangene Signal mit allen anderen Signalen. Während der gesamten Dauer einer empfangenen Übertragung kann der Komparator die Empfänger alle paar Zehntelsekunden wechseln. Verursacht ein Funkgerätbenutzer durch Kopfbewegungen eine Signalabschwächung oder blockiert ein vorbeifahrender Sattelzug sein Signal am ausgewählten Empfangsort, schaltet die Kombinationseinheit schnell auf einen anderen Empfänger um. ^{[ 12 ]}

In manchen Installationen ist die Diversity-Kombinationsanlage so konfiguriert, dass sie sich auf einen Empfänger einfädelt. Beispielsweise deckt in einigen ländlichen, regionalen Versorgungssystemen jeder Empfänger ein eigenes geografisches Gebiet ab. Es gibt nur geringe Überlappungen. Besteht das System aus zwei Standorten, einem nördlichen und einem südlichen, wählt es den besseren der beiden aus und bleibt bis zum Ende der Übertragung auf diesem Empfänger fixiert. ^{[ 13 ]} Dies funktioniert besser mit Mobilfunkgeräten, da deren Signalstärke in der Regel konstant ist. ^{[ 14 ]}

In einigen Fällen wird dieses Abstimmungs- und Halteverfahren zur Senderauswahl genutzt. Betrachten wir beispielsweise ein regionales System mit zwei Basisstationen: Nord und Süd. Wenn die Diversity-Kombinationsanlage „Nord“ auswählt, wird beim nächsten Drücken der Sendetaste durch den Disponenten der nördliche Sender aktiviert. Dieses als Sendersteuerung bezeichnete Verfahren soll die Senderauswahl in Systemen mit mehreren verfügbaren Senderstandorten automatisieren. In manchen Fällen funktioniert es jedoch nicht einwandfrei. ^{[ 15 ]}

In mobilen Datensystemen wird die Vote-Lock-Option bevorzugt, da das ständige Umschalten zwischen Empfängern zu Datenpaketverlusten führt. Die Diversity-Kombinationsgeräte schalten schnell genug, um Silbenverluste zu vermeiden, aber nicht schnell genug, um Bitverluste zu verhindern. Mobile Datensysteme basieren üblicherweise auf Modems in Mobilfunkgeräten. Mobilfunkgeräte senden in der Regel stabile Signale an mehrere Empfangsstellen, sodass die Signalstärke für ein zuverlässiges Vote-Locking ausreicht. ^{[ 16 ]}

• Vielfalt vermitteln
• Antennendiversität
• Apertursynthese
• Kooperative Vielfalt
• Intelligente Antenne

• L.-C. Lin, M. Guo & KT Wong, „Two-Branch Selection in Wireless Space-Diversity Reception: An Upper Bound for Its Output Power“, IEEE Transactions on Communications, Bd. 60, Nr. 2, S. 537-546, Februar 2012.