電視分集天線系統(tǒng)的研究

隨著有線電視技術(shù)的進步和普及，無線電視傳播固有的缺點使得該技術(shù)研究處于停頓狀態(tài)。由于無線電視接收終端相對固定的特點，其研究的難度遠比移動通信要容易得多。目前，對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)字電視接收機配合推出，且無法和目前的模擬電視機兼容；其二，是在原有模擬體制上進行改進，全面采用第四代移動通信中的分集和頻譜壓縮等技術(shù)。這也需要對電視發(fā)射臺和電視機進行大的技術(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的收視效果提高一個數(shù)量級。

　　1 電視傳播信道分析

　　當前，數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展與普及速度進展緩慢，其主要原因在于其技術(shù)過于復雜，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)這種簡單高效的收視方式會有很大的市場空間。

　　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行的。接收終端信號的幅度、時延及相位隨時隨地發(fā)生變化，從而使信號的電平起伏不穩(wěn)定，這些多徑信號相互迭加就會形成衰落。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”，這種衰落服從對數(shù)正態(tài)分布。分集技術(shù)是克服多徑衰落的一個有效方法。采用這種方法，電視接收機可對多個攜帶相同信息且衰落特性相互獨立的接收信號在合并處理之后進行判決。由于衰落具有頻率、時間和空間的選擇性，因此分集技術(shù)包括頻率分集、時間分集和空間分集。

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

　　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)備對無線信道的干擾不斷增多。文中是對無線傳輸電視節(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，對無線傳輸系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進。重點利用空間分集技術(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；對電視加重技術(shù)和方法進一步研究和改進，改善接收信噪比。從而使無線方式收看電視節(jié)目的效果提高一個數(shù)量級成為可能。

　　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)境中獨立的(至少是高度不相關(guān)的)多徑信號來實現(xiàn)。簡單的說，如果一條無線傳播路徑中經(jīng)歷了深度衰落，而另一條相對獨立的路徑中可能仍包含著較強的信號，因此可以在多個信號中選擇兩個或更多的信號進行合并，這樣可以同時提高接收端的瞬時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)，是一種用相對較低廉的投資就可以大幅度改進無線鏈路性能的強有力的接收技術(shù)。顯然，分集技術(shù)就是利用兩個或更多的不相關(guān)信號進行處理，而不相關(guān)信號的采集可以通過空域、時域和頻域3種方式實現(xiàn)。

　　空間分集是利用多副接收天線來實現(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)，以保證接收天線的輸出信號的衰落特性是相互獨立的，也就是說，當某一副接收天線的輸出信號很低時，其他接收天線輸出則不一定在這同一時刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路或?qū)⒍嗦方邮招盘栠M行某種組合，得到一個總的接收天線輸出信號。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?，將多徑信號分離出來，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 合并準則

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

　　信號的組合方式，如圖1所示。

　合并后信號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副本，ak表示其加權(quán)系數(shù)，r(t)表示最后得到組合信號。為了便于分析和比較分集技術(shù)對系數(shù)傳輸性能的影響，需要對系數(shù)ak歸一化，即滿足

　　若加權(quán)系數(shù)中只有一個不為零，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)；若不論信號優(yōu)劣，把所有收到的信號全都疊加起來，即a1=a2……=ak，就得到等增益合并方式(EGC)。若在最短時間內(nèi)自動調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)ak使得組合信號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為每個分支路的瞬時信號功率／平均噪聲功率；T為每個分支的平均信號功率／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信號副本之間的相關(guān)程度。各個副本之間的相關(guān)性越小，分集作用越明顯。實際上，分集支路中的信號副本之間不可能呈現(xiàn)為完全不相關(guān)。工程上只要兩個信號包絡(luò)的互相關(guān)系數(shù)≤0．7，對于空間分集，一般要求各個天線的分隔距離大于相干距離；

　　(2)信號強度要求。

　　類似于相關(guān)性對系統(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?；诖?，引入表征兩分支平均幅度之間關(guān)系的參數(shù)
??
其中，△=1表示兩分支信號平均幅度相等，而△=0則表示其中一個分支完全消失。

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

　　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)首先對各個天線得到的全電視信號進行放大，然后再進行移相和合并處理。為了使每副天線增益達到最佳，通常將VFH和UFH分開接收。天線放大器對接收信號的處理方式有：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，而僅對這幾個字的位置加以調(diào)換，實際上這兩種電路的天線放大器使用效果截然不同。在電視信號較強的地方，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弱信號差別過大，易使其進入非線性狀態(tài)，而造成強信號干擾弱信號。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頻道電視信號在VHF輸入端輸入，由L1，C1，L2組成一個簡易低通濾波器，濾除12頻道以后的電視信號，送到IC1信號輸入端進行約20 dB的放大，被放大的電視信號經(jīng)電容C3輸出，通過L3，C4，L4低通濾波器與UHF信號相混合后輸送到電視信號輸出端。另一路UHF輸入端輸入的 13~57頻道電視信號，由C5，L5，C6組成簡易高通濾波器，只允許UHF頻段的13頻道及以后頻道的信號通過，再加到IC2信號輸入端進行約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

　　對于無線通信而言，在移動通信方面，基站智能天線已做了大量研究，許多成果已得到應(yīng)用。但對無線移動終端智能天線的研究卻進展緩慢。這主要是因為：移動終端體積有限，使得移動終端的天線數(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性，所以天線方向圖盡可能全向。在移動終端操作成本和復雜性是首要考慮的問題之一。另外，在移動終端，自適應(yīng)信號處理的算法要求快速。這就要求簡單的計算和簡單的硬件處理，制約了終端的性能的提高。在電視接收機上，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)算法是一個非線性的自適應(yīng)盲算法，無需空間信號或?qū)ьl信號的先驗知識作為訓練序列，保證算法簡單。

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

　　天線單元2收到的信號為

　　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α=0時，P(α)達到最大。這就充分說明，通過調(diào)整α的值能使得輸出功率最大。引入迭代算法來達到輸出功率最大。將時間離散化，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，如何運用分集天線及進行有效合并，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步與發(fā)展。