《電子技術(shù)應(yīng)用》
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詳解移動(dòng)電視雙天線分集接收技術(shù)方案
摘要: 隨著DVB-T在手機(jī)電視、車載電視、樓宇電視、地鐵電視等戶外廣播領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展,在這些接收范圍內(nèi),多徑衰落、多普勒頻移等小范圍衰落是不可避免的問題,解決這些衰落和干擾成為倍受關(guān)注的問題。為了解決衰落,改善數(shù)字電視廣播移動(dòng)接收的信號(hào)質(zhì)量,在接收設(shè)備上使用了多種措施,如信道解碼糾錯(cuò)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)等,但雙/多天線分集接收技術(shù)是最明顯有效的解決方案。
Abstract:
Key words :

隨著DVB-T在手機(jī)電視、車載電視、樓宇電視、地鐵電視等戶外廣播領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展,在這些接收范圍內(nèi),多徑衰落、多普勒頻移等小范圍衰落是不可避免的問題,解決這些衰落和干擾成為倍受關(guān)注的問題。為了解決衰落,改善數(shù)字電視廣播移動(dòng)接收的信號(hào)質(zhì)量,在接收設(shè)備上使用了多種措施,如信道解碼糾錯(cuò)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)等,但雙/多天線分集接收技術(shù)是最明顯有效的解決方案。

一 多徑信號(hào)衰落和多普勒效應(yīng)

什么是衰落,簡(jiǎn)單的說信號(hào)電平因受各種因素影響而隨時(shí)間變化叫衰落,衰落分為慢衰落和快衰落。衰落產(chǎn)生的原因很多,無線地面?zhèn)鬏斝盘?hào)很容易受到因高樓大廈、山地丘陵地形等障礙物云雨等天氣的影響,這些影響都會(huì)產(chǎn)生衰落。在DVB-T移動(dòng)接收中常見的兩種衰落是多徑信號(hào)衰落和多普勒頻移。

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圖1

上圖(圖1)就是一個(gè)多徑衰落產(chǎn)生過程,當(dāng)?shù)孛娌ㄐ盘?hào)在傳輸途徑當(dāng)中受到高樓、丘陵、運(yùn)動(dòng)車輛等多個(gè)障礙物的阻擋時(shí),就會(huì)產(chǎn)生反射或散射,形成多路信號(hào)到達(dá)接收天線,由于到達(dá)接受天線的時(shí)間不同、相位不同,相反相位的不同信號(hào)因疊加而相互消弱,從而產(chǎn)生信號(hào)的衰落。

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圖2

另一種移動(dòng)接收過程不可避免的問題是多普勒效應(yīng)。如果信號(hào)以波的形式傳播,當(dāng)接收者與產(chǎn)生者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收者接收到的信號(hào)頻率會(huì)因運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化,這就叫多普勒效應(yīng)。這是任何波動(dòng)過程都具有的特性,電磁波也是如此。如果接收幾相對(duì)于發(fā)射機(jī)時(shí),接收機(jī)接收到的信號(hào)也會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng),具體取決于接收機(jī)相對(duì)于發(fā)射機(jī)移動(dòng)的方向和速度(如上圖2 所示),當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相向運(yùn)動(dòng)時(shí),他接收到的信號(hào)頻率就高于發(fā)射頻率,相反,當(dāng)他們發(fā)生相背運(yùn)動(dòng)時(shí),接收的信號(hào)頻率就低于發(fā)射頻率,這種頻率變化也叫多普勒頻移,它產(chǎn)生的衰落會(huì)對(duì)使接收機(jī)很難準(zhǔn)確的解出信號(hào)。

多徑衰落和多普勒頻移導(dǎo)致的小范圍衰落對(duì)移動(dòng)接收設(shè)備的接收信號(hào)破壞力極強(qiáng),能引起較大的碼間干擾和頻率的矢量減小,因此在接收時(shí)要求信號(hào)功率足夠強(qiáng)或接收機(jī)靈敏度足夠高。多徑衰落和多普勒頻移引起的衰落在小范圍內(nèi)都屬于快衰落,理論和實(shí)測(cè)表明:快衰落的振幅服從瑞利分布,相位服從均勻分布,克服快衰落影響的有效辦法是分集接收。

二 分集接收技術(shù)思想

上面說明了信號(hào)衰落的產(chǎn)生原因,由于信號(hào)在傳輸過程中因反射等干擾產(chǎn)生多徑分量信號(hào),接收端利用多天線同時(shí)接收不同路徑的信號(hào),然后將這些信號(hào)選擇、合并成總的信號(hào),以減輕信號(hào)衰落的影響,這叫分集接收。分集就是把分散得到的信號(hào)集中合并,只要幾個(gè)信號(hào)之間是相互獨(dú)立的,經(jīng)恰當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍艿玫阶畲蟮男盘?hào)增益。

分集的方式有:

(1)空間分集:不同天線的接收信號(hào)相互獨(dú)立

(2)極化分集:水平極化和垂直極化的信號(hào)相互獨(dú)立

(3)頻率分集:不同頻率的接收信號(hào)相互獨(dú)立

(4)時(shí)間分集:不同時(shí)間的接收信號(hào)相互獨(dú)立。

合并方式有:

(1)最佳選擇式

(2)等增益相加式

(3)最大比值相加式

三種合并方式中最大比值相加式合并性能最好,具體比較如下圖(圖3)

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圖3



三 DVB-T中的分集接收技術(shù)的應(yīng)用理論

DVB-T(Digital Video Broadcasting Terrestrial)是DVB標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)字電視地面波傳輸標(biāo)準(zhǔn)。DVB -T 標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建于1997 年,采用COFDM (正交頻分復(fù)用編碼)調(diào)制傳輸,內(nèi)編碼采用卷積碼,外編碼采用RS 碼,交織器采用卷積交織。

在DVB -T 標(biāo)準(zhǔn)中編碼和交織方案都已確定的情況下,要再提高它的移動(dòng)接收性能,就只能在接收機(jī)上做改進(jìn)了,改進(jìn)基本途徑一般有兩條:

(1) 在現(xiàn)有內(nèi)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)下,提高接收機(jī)中頻率、定時(shí)地同步與跟蹤算法,針對(duì)瑞利衰落信道提高信道估計(jì)和補(bǔ)償算法的效能;

(2) 改變現(xiàn)有接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)研究表明,雙/多天線分集技術(shù)可以有效地對(duì)抗信號(hào)衰落,對(duì)DVB -T 的移動(dòng)接收性能有較大改善。原因在于某個(gè)已知點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度是主信號(hào)和多徑信號(hào)的矢量和(相加或相減),故利用移動(dòng)天線或是利用間隔為至少一個(gè)波長(zhǎng)的多個(gè)天線,在每個(gè)天線處都會(huì)產(chǎn)生不同的信號(hào)電平,此時(shí)移動(dòng)天線可以引起接收電平的變化,并且總是可以找到一個(gè)最強(qiáng)的信號(hào),可使接收質(zhì)量比使用單一天線有明顯的改善。為了使組合天線的輸出信號(hào)得到明顯的改善,應(yīng)用最大比例組合技術(shù)MRC,來解決分集信號(hào)的最佳合成問題,但目前只有法國(guó)DIBCOM公司成功地運(yùn)用了該技術(shù)。

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圖4

圖4是天線分集技術(shù)來提高DVB -T 性能的解決方案。首先部分地解調(diào)信號(hào),然后利用最大比例合成技術(shù)MRC,因此解決了信號(hào)的最佳合成問題。這項(xiàng)技術(shù)可以直接的改善靈敏度, 降低C/N門限值, 提高多鏡路抗干擾性能。

四 DIBCOM中天線分集接收技術(shù)的應(yīng)用

目前在DVB-T領(lǐng)域中天線分集接收技術(shù)應(yīng)用最為領(lǐng)先、成熟的是法國(guó)DIBCOM公司。法國(guó)DIBCOM是DVB解調(diào)IC的專業(yè)設(shè)計(jì)公司,DIBCOM在這一領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利. 英諾科技作為DIBCOM的設(shè)計(jì)公司與代理商,已地將DIBCOM的成熟技術(shù)應(yīng)用于手持移動(dòng)設(shè)備、車載、家用機(jī)頂盒,PVR,地鐵、樓宇等場(chǎng)合, 并與市場(chǎng)上絕大多數(shù)主流后端芯片完成了搭配,如Freescale,ST,Telechips,Zoran,Fujitsu等公司的后端。

DIBCOM的dmodulator完全適用與基于COFDM調(diào)制的DVB-T、DVB-H、DVB-SH、ISDB-T、T-DMB、CMMB等。DIBCOM公司的天線分集接收技術(shù)和通信的基本原理并沒有太大的變化,但在分散信號(hào)的合成算法上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他方案。

1 DIBCOM的分集接收原理及應(yīng)用

DIBCOM的分集接受采用最大比值合并算法,如下圖(圖5),雙天線分集接收分別控制各支路接收增益,獲得不同天線的最好信號(hào),同時(shí)還時(shí)實(shí)時(shí)提供著個(gè)支路信號(hào)的信噪比,信號(hào)經(jīng)相位調(diào)整后,以適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù),同相合并后,就獲得最大信噪比的優(yōu)質(zhì)信號(hào)。

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圖5

對(duì)于信道衰落大,或移動(dòng)速度要求更高的環(huán)境下,DIBCOM 還可多顆IC采用菊花鏈形式連接實(shí)現(xiàn)分集接收,即每個(gè)芯片都可以把自己接收到的信號(hào)根其他芯片接收到的信號(hào)最大比值合并,這也是DIBCOM公司的專利技術(shù)。

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圖6


2. DIBCOM分集接收天線的處理

實(shí)踐研究表明,即使兩根天線相距大約為λ/5,仍然可以得到80%的功效,譬如兩根天線相距8cm,對(duì)UHF來說,仍然有很高的效率,這是其他方案做不到的(分集接收要求天線體相距至少為1個(gè)波長(zhǎng))。

如果天線接收了兩個(gè)不同極性的信號(hào),效率會(huì)更加高,譬如兩個(gè)天線呈90度放置,或不同極化方向的天線等,會(huì)獲得更好的分集接收效果。

3. DIBCOM在分集接收下的性能

僅雙天線分集接收,在8k QAM64 2/3的調(diào)制模式下,信號(hào)靈敏度可以提高2~10dB,降低6dB的C/N門限值,在周邊復(fù)雜環(huán)境的情況下,如鬧市區(qū),展覽會(huì)等地區(qū),可以提高多達(dá)3dB以上的多鏡路抗干擾性能。

一般條件下,雙天線分集接收將使你更可能接收到好的信號(hào),相對(duì)來講可以使信號(hào)覆蓋擴(kuò)大3倍。

車載等運(yùn)動(dòng)接收,同等條件下,可以使運(yùn)動(dòng)速度提高3倍。

4. DIBCOM分集接收的具體測(cè)試

下圖是室內(nèi)接收的效果比較圖,由于室內(nèi)接收時(shí)不僅存在信號(hào)被建筑物等吸收的問題,還同樣存在小范圍衰落。下面兩附圖分別是DIBCOM解調(diào)器的測(cè)試,圖7采用雙天線分集接收,在BER<10-4時(shí),接收范圍達(dá)可到95%,同樣條件,圖8單天線只能達(dá)到67%。

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圖7

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圖8

車載移動(dòng)接收時(shí),分集接收也同樣表現(xiàn)出它的優(yōu)越性能。下面(圖 9)三幅圖是在法國(guó)某城市DVB-T標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)下的實(shí)地測(cè)試圖,三幅圖分別示意出單天線接收、雙天線分集接收和四天線分集接收不同效果。

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圖9

五 結(jié)束語(yǔ)

雙/多天線分集接收不僅在DVB-T移動(dòng)接收中,有著很強(qiáng)的抗衰落效果,它帶給終端用戶了更大的信號(hào)覆蓋面積、更高的信號(hào)質(zhì)量和更快的接收機(jī)移動(dòng)速度。今后在車載機(jī)、手持機(jī),室內(nèi)機(jī)等要求高的地方會(huì)得到更大的發(fā)展和普及。

 

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