電視分集天線系統(tǒng)的研究

電視分集天線系統(tǒng)的研究

隨著有線電視技術(shù)的進(jìn)步和普及，無線電視傳播固有的缺點(diǎn)使得該技術(shù)研究處于停頓狀態(tài)。由于無線電視接收終端相對(duì)固定的特點(diǎn)，其研究的難度遠(yuǎn)比移動(dòng)通信要容易得多。目前，對(duì)無線電視的研究大體可以分3種方案：其一，是放棄原有的模擬體制，采用全新的數(shù)字體制，即數(shù)字壓縮和數(shù)字調(diào)制及信道、信源編碼等新技術(shù)。但這需要和新一代數(shù)字電視接收機(jī)配合推出，且無法和目前的模擬電視機(jī)兼容；其二，是在原有模擬體制上進(jìn)行改進(jìn)，全面采用第四代移動(dòng)通信中的分集和頻譜壓縮等技術(shù)。這也需要對(duì)電視發(fā)射臺(tái)和電視機(jī)進(jìn)行大的技術(shù)改造，不易普及；其三，是在現(xiàn)有模擬體制基礎(chǔ)上采用當(dāng)代通信技術(shù)的最新研究成果，如多天線天線技術(shù)、低噪聲放大技術(shù)、頻譜處理技術(shù)等，使現(xiàn)在大量存在模擬電視機(jī)的收視效果提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　1 電視傳播信道分析

　　當(dāng)前，數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展與普及速度進(jìn)展緩慢，其主要原因在于其技術(shù)過于復(fù)雜，也不能與模擬體制兼容，網(wǎng)絡(luò)改造和使用成本太高。由于電磁環(huán)境的惡化及發(fā)射設(shè)備陳舊，無線電視廣播傳輸質(zhì)量極大下降，已到了沒有有線電視就無法收看電視節(jié)目的地步。本研究方案可以充分利用現(xiàn)有模擬電視網(wǎng)絡(luò)資源，通過技術(shù)改造，優(yōu)化現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)，在模擬與數(shù)字過渡期起到很好的橋梁作用。特別是在我國廣大農(nóng)村地區(qū)，利用分集技術(shù)這種簡(jiǎn)單高效的收視方式會(huì)有很大的市場(chǎng)空間。

　　無線電視頻段的電波傳播是通過直射、反射、散射等多種傳播方式進(jìn)行的。接收終端信號(hào)的幅度、時(shí)延及相位隨時(shí)隨地發(fā)生變化，從而使信號(hào)的電平起伏不穩(wěn)定，這些多徑信號(hào)相互迭加就會(huì)形成衰落。也就是看到的電視畫面的閃爍、重影等現(xiàn)象。因此，通常定義無線電視傳播信道是一種多徑衰落信道。

　　研究表明，無線電視傳播信道屬于“慢衰落”，這種衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。分集技術(shù)是克服多徑衰落的一個(gè)有效方法。采用這種方法，電視接收機(jī)可對(duì)多個(gè)攜帶相同信息且衰落特性相互獨(dú)立的接收信號(hào)在合并處理之后進(jìn)行判決。由于衰落具有頻率、時(shí)間和空間的選擇性，因此分集技術(shù)包括頻率分集、時(shí)間分集和空間分集。

　　減弱慢衰落宜采用空間分集，即用幾個(gè)獨(dú)立天線或在不同場(chǎng)地分別發(fā)射和接收信號(hào)，以保證各信號(hào)之間的衰落獨(dú)立。由于這些信號(hào)傳輸過程中地理環(huán)境不同，因而各信號(hào)的衰落各不相同。利用選擇合成技術(shù)選出信號(hào)較強(qiáng)的一個(gè)輸出，從而大大降低地形等因素對(duì)信號(hào)的影響。

　　由于現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，高樓林立，各種通信系統(tǒng)迅速增加。高樓大廈對(duì)無線電波的傳播直接造成了遮擋、反射、折射等障礙；各種無線通信系統(tǒng)和電磁設(shè)備對(duì)無線信道的干擾不斷增多。文中是對(duì)無線傳輸電視節(jié)目研究的初步，主要是采用前面所述的第三種方案，即在原有模擬體制下，對(duì)無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。重點(diǎn)利用空間分集技術(shù)有效克服無線收視的重影等問題；采用鎖相等技術(shù)，有效克服相位失真；對(duì)電視加重技術(shù)和方法進(jìn)一步研究和改進(jìn)，改善接收信噪比。從而使無線方式收看電視節(jié)目的效果提高一個(gè)數(shù)量級(jí)成為可能。

　　2 空間分集技術(shù)

　　分集技術(shù)是指通過查找和利用自然界無線傳播環(huán)境中獨(dú)立的(至少是高度不相關(guān)的)多徑信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單的說，如果一條無線傳播路徑中經(jīng)歷了深度衰落，而另一條相對(duì)獨(dú)立的路徑中可能仍包含著較強(qiáng)的信號(hào)，因此可以在多個(gè)信號(hào)中選擇兩個(gè)或更多的信號(hào)進(jìn)行合并，這樣可以同時(shí)提高接收端的瞬時(shí)信噪比和平均信噪比，一般可提高20~30 dB。分集技術(shù)是無線通信的一種抗衰落技術(shù)，是一種用相對(duì)較低廉的投資就可以大幅度改進(jìn)無線鏈路性能的強(qiáng)有力的接收技術(shù)。顯然，分集技術(shù)就是利用兩個(gè)或更多的不相關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，而不相關(guān)信號(hào)的采集可以通過空域、時(shí)域和頻域3種方式實(shí)現(xiàn)。

　　空間分集是利用多副接收天線來實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)射端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離d≥λ／2(λ為工作波長(zhǎng))，以保證接收天線的輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路或?qū)⒍嗦方邮招盘?hào)進(jìn)行某種組合，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

　　分集天線把原本無線通信中有害的多徑效應(yīng)變?yōu)橛杏玫囊蛩?，將多徑信?hào)分離出來，使其互不相干，然后通過合并技術(shù)再將分離出來的信號(hào)合并，獲得最大的信噪比收益。常用的合并方法有選擇性合并、切換合并、最大比合并、等增益合并等。

　　3 合并準(zhǔn)則

　　如果接收機(jī)中存在多條接收分支，則需要把這些分支所接收的信號(hào)進(jìn)行組合，以獲得極大化的信號(hào)功率。其實(shí)，分集接收的實(shí)質(zhì)就是在接收端如何將得到的這些不相關(guān)的信號(hào)副本進(jìn)行組合。

　　信號(hào)的組合方式，如圖1所示。

　合并后信號(hào)r(t)可用下式表示
??
其中，rk(t)記為第k(k=1，2，…，M)條路徑上所收到的信號(hào)副本，ak表示其加權(quán)系數(shù)，r(t)表示最后得到組合信號(hào)。為了便于分析和比較分集技術(shù)對(duì)系數(shù)傳輸性能的影響，需要對(duì)系數(shù)ak歸一化，即滿足

　　若加權(quán)系數(shù)中只有一個(gè)不為零，其他皆為零，且口ak1=1，ak2=0(k1≠k2；k1，k2=1，2，…，M)。這種組合方法為最佳選擇合并方式 (OSC，Optimal Selection Combining)；若不論信號(hào)優(yōu)劣，把所有收到的信號(hào)全都疊加起來，即a1=a2……=ak，就得到等增益合并方式(EGC)。若在最短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)ak使得組合信號(hào)r(t)的信噪比最高，就得到最大信噪比合并方式(MRC)。

　　假設(shè)每個(gè)分支的包絡(luò)ri的衰弱服從瑞利分布，其平均功率為σ2。定義參數(shù)：ωi為每個(gè)分支路的瞬時(shí)信號(hào)功率／平均噪聲功率；T為每個(gè)分支的平均信號(hào)功率／平均噪聲功率。顯然，根據(jù)參數(shù)ωi和T的定義，可以定量分析每種分集方式的效果。

　　4 影響分集增益的基本因素

　　(1)相關(guān)性要求。

　　分集是否起作用主要取決于各個(gè)信號(hào)副本之間的相關(guān)程度。各個(gè)副本之間的相關(guān)性越小，分集作用越明顯。實(shí)際上，分集支路中的信號(hào)副本之間不可能呈現(xiàn)為完全不相關(guān)。工程上只要兩個(gè)信號(hào)包絡(luò)的互相關(guān)系數(shù)≤0．7，對(duì)于空間分集，一般要求各個(gè)天線的分隔距離大于相干距離；

　　(2)信號(hào)強(qiáng)度要求。

　　類似于相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，仍以兩分支分集系統(tǒng)為例來說明，且假設(shè)兩分支之間互不相關(guān)。由于兩分支間完全不相關(guān)，所以它們的平均幅度必定不總是相等。基于此，引入表征兩分支平均幅度之間關(guān)系的參數(shù)
??
其中，△=1表示兩分支信號(hào)平均幅度相等，而△=0則表示其中一個(gè)分支完全消失。

　　當(dāng)△較小時(shí)，較弱支路幾乎全是噪聲干擾，但EGC還是將它們與強(qiáng)信號(hào)以相同的比例疊加在合并信號(hào)中，而OSC方式則只選擇了較強(qiáng)支路為輸出，所以EGC的性能反倒差一些。因此，實(shí)際應(yīng)用中，選擇分集方式時(shí)還應(yīng)估算分支信號(hào)的平均幅度。

　　5 天線放大器

　　天線放大器在無線電視接收過程中起著非常重要的作用，弱信號(hào)通過它能顯著提高輸出電平，從而改善信噪比。接收分集系統(tǒng)首先對(duì)各個(gè)天線得到的全電視信號(hào)進(jìn)行放大，然后再進(jìn)行移相和合并處理。為了使每副天線增益達(dá)到最佳，通常將VFH和UFH分開接收。天線放大器對(duì)接收信號(hào)的處理方式有：放大后再混合與混合后再放大兩種電路。從字面上看好像似乎沒有什么區(qū)別，而僅對(duì)這幾個(gè)字的位置加以調(diào)換，實(shí)際上這兩種電路的天線放大器使用效果截然不同。在電視信號(hào)較強(qiáng)的地方，放大后再混合的天線放大器明顯優(yōu)于混合后再放大的天線放大器。理由是混合后再放大的天線放大器，其放大集成電路因工作頻帶過寬和強(qiáng)弱信號(hào)差別過大，易使其進(jìn)入非線性狀態(tài)，而造成強(qiáng)信號(hào)干擾弱信號(hào)。文中給出前一種放大器的電路圖，工作原理，如圖2所示。

　　放大一混合方式的天線放大器的電路圖，如圖2所示。1～12頻道電視信號(hào)在VHF輸入端輸入，由L1，C1，L2組成一個(gè)簡(jiǎn)易低通濾波器，濾除12頻道以后的電視信號(hào)，送到IC1信號(hào)輸入端進(jìn)行約20 dB的放大，被放大的電視信號(hào)經(jīng)電容C3輸出，通過L3，C4，L4低通濾波器與UHF信號(hào)相混合后輸送到電視信號(hào)輸出端。另一路UHF輸入端輸入的 13~57頻道電視信號(hào)，由C5，L5，C6組成簡(jiǎn)易高通濾波器，只允許UHF頻段的13頻道及以后頻道的信號(hào)通過，再加到IC2信號(hào)輸入端進(jìn)行約20 dB的放大，輸出后通過高通濾波器(C7，L6，C8)與VHF電視信號(hào)相混合后送TV OUT端。該電路的電源由變壓器T降壓、U1整流、C14濾波、IC3穩(wěn)壓后供給放大器LED1和R1為電源指示電路。

　　6 非線性自適應(yīng)盲算法及合并原理

　　對(duì)于無線通信而言，在移動(dòng)通信方面，基站智能天線已做了大量研究，許多成果已得到應(yīng)用。但對(duì)無線移動(dòng)終端智能天線的研究卻進(jìn)展緩慢。這主要是因?yàn)椋阂苿?dòng)終端體積有限，使得移動(dòng)終端的天線數(shù)目不可能太多，天線尺度也不可能太大。而且要考慮終端的移動(dòng)性，所以天線方向圖盡可能全向。在移動(dòng)終端操作成本和復(fù)雜性是首要考慮的問題之一。另外，在移動(dòng)終端，自適應(yīng)信號(hào)處理的算法要求快速。這就要求簡(jiǎn)單的計(jì)算和簡(jiǎn)單的硬件處理，制約了終端的性能的提高。在電視接收機(jī)上，采用自適應(yīng)天線，就可以很好地抑制干擾，并提高通信鏈路的質(zhì)量。如圖3所示，自適應(yīng)算法是一個(gè)非線性的自適應(yīng)盲算法，無需空間信號(hào)或?qū)ьl信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)作為訓(xùn)練序列，保證算法簡(jiǎn)單。

　　設(shè)兩個(gè)天線單元空間間隔為d，第一個(gè)單元作為參考。假設(shè)一個(gè)信號(hào)從側(cè)面以角度θ到達(dá)參考天線，則參考天線接收到的信號(hào)為
??
其中，A是幅值，ω0是中心角頻率，ρ是0～2π的隨機(jī)變量。

　　天線單元2收到的信號(hào)為

　　其中，ψ=2πdsinθ／λ，表示兩單元間由于幾何結(jié)構(gòu)造成的相位差。θ的取值在-π／2≤θ≤π／2。第二個(gè)天線單元有—全反饋回路，輸出結(jié)果中相移調(diào)整ψ，則

　　其中，α=ψ-φ，表示ψ和它的最佳值的偏差。另外，輸出功率歸一化為

　　顯然，當(dāng)α=0時(shí)，P(α)達(dá)到最大。這就充分說明，通過調(diào)整α的值能使得輸出功率最大。引入迭代算法來達(dá)到輸出功率最大。將時(shí)間離散化，則相移迭代為

　　7 結(jié)束語

　　空間分集已成功應(yīng)用于新一代移動(dòng)通信中，而且其中的一些技術(shù)可以移植到無線電視傳輸領(lǐng)域。目前在模擬體制下，如何運(yùn)用分集天線及進(jìn)行有效合并，如何最大限度提高接收信噪比，特別是在發(fā)射端運(yùn)用空間分集和頻率分集等手段有效提高電視傳輸質(zhì)量，都是值得研究的課題。相信在固定狀態(tài)下，無線電視傳輸方式也將獲得更多的進(jìn)步與發(fā)展。