一種電視分集天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

隨著有線電視技術(shù)的進(jìn)步和普及，無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)線電視廣播傳輸質(zhì)量極大下降，已到了沒(méi)有有線電視就無(wú)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(guò)技術(shù)改造，優(yōu)化現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在模擬與數(shù)字過(guò)渡期起到很好的橋梁作用。特別是在我國(guó)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(wú)線電視頻段的電波傳播是通過(guò)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(huà)面的閃爍、重影等現(xiàn)象。因此，通常定義無(wú)線電視傳播信道是一種多徑衰落信道。

研究表明，無(wú)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(guò)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。

2 空間分集技術(shù)

空間分集：也稱天線分集，是通信中使用較多的分集形式，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是采用多付接收天線來(lái)接收信號(hào)，然后進(jìn)行合并。為保證接收信號(hào)的不相關(guān)性，這就要求天線之間的距離足夠大，這樣做的目的是保證了接收到的多徑信號(hào)的衰落特性不同。在理想情況下，接收天線之間的距離只要波長(zhǎng)λ的一半就可以了。

根據(jù)信號(hào)論原理，若有其他衰減程度的原發(fā)送信號(hào)副本提供給接收機(jī)，則有助于接收信號(hào)的正確判決。這種通過(guò)提供傳送信號(hào)多個(gè)副本來(lái)提高接收信號(hào)正確判決率的方法被稱為分集。分集技術(shù)是用來(lái)補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常利用無(wú)線傳播環(huán)境中同一信號(hào)的獨(dú)立樣本之間不相關(guān)的特點(diǎn)，使用一定的信號(hào)合并技術(shù)改善接收信號(hào)，來(lái)抵抗衰落引起的不良影響。空間分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機(jī)之間的距離要滿足大于3倍波長(zhǎng)的基本條件。

空間分集是利用場(chǎng)強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小。這里所提相關(guān)性是個(gè)統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)，表明信號(hào)間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離。經(jīng)過(guò)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，移動(dòng)單元兩天線間距大于0.6個(gè)波長(zhǎng)，即d>0.61,并且最好選在l/4的奇數(shù)倍附近。若減小天線間距，即使小到1/4,也能起到相當(dāng)好的分集效果。

分集天線把原本無(wú)線通信中有害的多徑效應(yīng)變?yōu)橛杏玫囊蛩兀瑢⒍鄰叫盘?hào)分離出來(lái)，使其互不相干，然后通過(guò)合并技術(shù)再將分離出來(lái)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(lái)，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(lái)說(shuō)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?；诖耍氡碚鲀煞种骄戎g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

用于天線與饋線間的超高頻、寬帶、低噪聲放大器。用于增強(qiáng)因接收距離太遠(yuǎn)而造成的較弱信號(hào)、補(bǔ)償天線與電視機(jī)間傳輸距離的損耗以及共用天線系統(tǒng)中保證分配器獲得必需的輸入功率，以提高接收質(zhì)量。

為了使每副天線增益達(dá)到最佳，通常將VFH和UFH分開(kāi)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(méi)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(guò)寬和強(qiáng)弱信號(hào)差別過(guò)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(guò)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(guò)，再加到IC2信號(hào)輸入端進(jìn)行約20 dB的放大，輸出后通過(guò)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

自適應(yīng)過(guò)程是一個(gè)不斷逼近目標(biāo)的過(guò)程。它所遵循的途徑以數(shù)學(xué)模型表示，稱為自適應(yīng)算法。通常采用基于梯度的算法，其中最小均方誤差算法（即LMS算法）尤為常用。自適應(yīng)算法可以用硬件（處理電路）或軟件（程序控制）兩種辦法實(shí)現(xiàn)。前者依據(jù)算法的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)電路，后者則將算法的數(shù)學(xué)模型編制成程序并用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。算法有很多種，它的選擇很重要，它決定處理系統(tǒng)的性能質(zhì)量和可行性。

對(duì)于無(wú)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(wú)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(wèn)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(wú)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(shuō)明，通過(guò)調(diào)整α的值能使得輸出功率最大。引入迭代算法來(lái)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(yǔ)

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(wú)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(wú)線電視傳輸方式也將獲得更多的進(jìn)步與發(fā)展。