一種電視分集天線系統(tǒng)的設計和實現

隨著有線電視技術的進步和普及，無線電視傳播固有的缺點使得該技術研究處于停頓狀態(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，采用全新的數字體制，即數字壓縮和數字調制及信道、信源編碼等新技術。但這需要和新一代數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。這也需要對電視發(fā)射臺和電視機進行大的技術改造，不易普及；其三，是在現有模擬體制基礎上采用當代通信技術的最新研究成果，如多天線天線技術、低噪聲放大技術、頻譜處理技術等，使現在大量存在模擬電視機的收視效果提高一個數量級。

1 電視傳播信道分析

當前，數字電視技術的發(fā)展與普及速度進展緩慢，其主要原因在于其技術過于復雜，也不能與模擬體制兼容，網絡改造和使用成本太高。由于電磁環(huán)境的惡化及發(fā)射設備陳舊，無線電視廣播傳輸質量極大下降，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有模擬電視網絡資源，通過技術改造，優(yōu)化現有無線網絡，在模擬與數字過渡期起到很好的橋梁作用。特別是在我國廣大農村地區(qū)，利用分集技術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”，這種衰落服從對數正態(tài)分布。分集技術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。

2 空間分集技術

空間分集：也稱天線分集，是通信中使用較多的分集形式，簡單的說，就是采用多付接收天線來接收信號，然后進行合并。為保證接收信號的不相關性，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λ的一半就可以了。

根據信號論原理，若有其他衰減程度的原發(fā)送信號副本提供給接收機，則有助于接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判決率的方法被稱為分集。分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常利用無線傳播環(huán)境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點，使用一定的信號合并技術改善接收信號，來抵抗衰落引起的不良影響?？臻g分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機之間的距離要滿足大于3倍波長的基本條件。

空間分集是利用場強隨空間的隨機變化實現的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強的相關性就越小。這里所提相關性是個統(tǒng)計術語，表明信號間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離。經過測試和統(tǒng)計，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，移動單元兩天線間距大于0.6個波長，即d>0.61,并且最好選在l/4的奇數倍附近。若減小天線間距，即使小到1/4,也能起到相當好的分集效果。

分集天線把原本無線通信中有害的多徑效應變?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，分集接收的實質就是在接收端如何將得到的這些不相關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表示其加權系數，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對系數傳輸性能的影響，需要對系數ak歸一化，即滿足

若加權系數中只有一個不為零，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)。若在最短時間內自動調節(jié)加權系數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)。

假設每個分支的包絡ri的衰弱服從瑞利分布，其平均功率為σ2。定義參數：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，根據參數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程度。各個副本之間的相關性越小，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為完全不相關。工程上只要兩個信號包絡的互相關系數≤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，且假設兩分支之間互不相關。由于兩分支間完全不相關，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關系的參數

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，實際應用中，選擇分集方式時還應估算分支信號的平均幅度。

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。用于增強因接收距離太遠而造成的較弱信號、補償天線與電視機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，以提高接收質量。

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 非線性自適應盲算法及合并原理

自適應過程是一個不斷逼近目標的過程。它所遵循的途徑以數學模型表示，稱為自適應算法。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。自適應算法可以用硬件（處理電路）或軟件（程序控制）兩種辦法實現。前者依據算法的數學模型設計電路，后者則將算法的數學模型編制成程序并用計算機實現。算法有很多種，它的選擇很重要，它決定處理系統(tǒng)的性能質量和可行性。

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，采用自適應天線，就可以很好地抑制干擾，并提高通信鏈路的質量。如圖3所示，自適應算法是一個非線性的自適應盲算法，無需空間信號或導頻信號的先驗知識作為訓練序列，保證算法簡單。

設兩個天線單元空間間隔為d，第一個單元作為參考。假設一個信號從側面以角度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構造成的相位差。θ的取值在-π／2≤θ≤π／2。第二個天線單元有—全反饋回路，輸出結果中相移調整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 結束語

空間分集已成功應用于新一代移動通信中，而且其中的一些技術可以移植到無線電視傳輸領域。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。