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移动电视双天线分集接收技术分析

我爱方案网| 移动电视,接收| 2012-02-28
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中心议题:
    *  多径信号衰落和多普勒效应
    *  分集接收技术思想
    *  DVB-T中的分集接收技术的应用理论
    *  DIBCOM分集接收的具体测试

随着DVB-T在手机电视、车载电视、楼宇电视、地铁电视等户外广播领域内的发展,在这些接收范围内,多径衰落、多普勒频移等小范围衰落是不可避免的问题,解决这些衰落和干扰成为倍受关注的问题。为了解决衰落,改善数字电视广播移动接收的信号质量,在接收设备上使用了多种措施,如信道解码纠错技术、抗衰落接收技术等,但双/多天线分集接收技术是最明显有效的解决方案。

一 多径信号衰落和多普勒效应

什么是衰落,简单的说信号电平因受各种因素影响而随时间变化叫衰落,衰落分为慢衰落和快衰落。衰落产生的原因很多,无线地面传输信号很容易受到因高楼大厦、山地丘陵地形等障碍物云雨等天气的影响,这些影响都会产生衰落。在DVB-T移动接收中常见的两种衰落是多径信号衰落和多普勒频移。

图1

上图(图1)就是一个多径衰落产生过程,当地面波信号在传输途径当中受到高楼、丘陵、运动车辆等多个障碍物的阻挡时,就会产生反射或散射,形成多路信号到达接收天线,由于到达接受天线的时间不同、相位不同,相反相位的不同信号因叠加而相互消弱,从而产生信号的衰落。

图2

另一种移动接收过程不可避免的问题是多普勒效应。如果信号以波的形式传播,当接收者与产生者发生相对运动时,接收者接收到的信号频率会因运动而发生变化,这就叫多普勒效应。这是任何波动过程都具有的特性,电磁波也是如此。如果接收几相对于发射机时,接收机接收到的信号也会发生多普勒效应,具体取决于接收机相对于发射机移动的方向和速度(如上图2 所示),当接收机和发射机相向运动时,他接收到的信号频率就高于发射频率,相反,当他们发生相背运动时,接收的信号频率就低于发射频率,这种频率变化也叫多普勒频移,它产生的衰落会对使接收机很难准确的解出信号。

多径衰落和多普勒频移导致的小范围衰落对移动接收设备的接收信号破坏力极强,能引起较大的码间干扰和频率的矢量减小,因此在接收时要求信号功率足够强或接收机灵敏度足够高。多径衰落和多普勒频移引起的衰落在小范围内都属于快衰落,理论和实测表明:快衰落的振幅服从瑞利分布,相位服从均匀分布,克服快衰落影响的有效办法是分集接收。

二 分集接收技术思想

上面说明了信号衰落的产生原因,由于信号在传输过程中因反射等干扰产生多径分量信号,接收端利用多天线同时接收不同路径的信号,然后将这些信号选择、合并成总的信号,以减轻信号衰落的影响,这叫分集接收。分集就是把分散得到的信号集中合并,只要几个信号之间是相互独立的,经恰当的合并后就能得到最大的信号增益。

分集的方式有:
(1)空间分集:不同天线的接收信号相互独立
(2)极化分集:水平极化和垂直极化的信号相互独立
(3)频率分集:不同频率的接收信号相互独立
(4)时间分集:不同时间的接收信号相互独立。

合并方式有:
(1)最佳选择式
(2)等增益相加式
(3)最大比值相加式

三种合并方式中最大比值相加式合并性能最好,具体比较如下图(图3)

图3
 

 


三 DVB-T中的分集接收技术的应用理论

DVB-T(Digital Video Broadcasting Terrestrial)是DVB标准中的数字电视地面波传输标准。DVB -T 标准创建于1997 年,采用COFDM (正交频分复用编码)调制传输,内编码采用卷积码,外编码采用RS 码,交织器采用卷积交织。

在DVB -T 标准中编码和交织方案都已确定的情况下,要再提高它的移动接收性能,就只能在接收机上做改进了,改进基本途径一般有两条:

(1) 在现有内接收机的结构下,提高接收机中频率、定时地同步与跟踪算法,针对瑞利衰落信道提高信道估计和补偿算法的效能;
(2) 改变现有接收机的结构。

试验研究表明,双/多天线分集技术可以有效地对抗信号衰落,对DVB -T 的移动接收性能有较大改善。原因在于某个已知点的信号强度是主信号和多径信号的矢量和(相加或相减),故利用移动天线或是利用间隔为至少一个波长的多个天线,在每个天线处都会产生不同的信号电平,此时移动天线可以引起接收电平的变化,并且总是可以找到一个最强的信号,可使接收质量比使用单一天线有明显的改善。为了使组合天线的输出信号得到明显的改善,应用最大比例组合技术MRC,来解决分集信号的最佳合成问题,但目前只有法国DIBCOM公司成功地运用了该技术。

图4

图4是天线分集技术来提高DVB -T 性能的解决方案。首先部分地解调信号,然后利用最大比例合成技术MRC,因此解决了信号的最佳合成问题。这项技术可以直接的改善灵敏度, 降低C/N门限值, 提高多镜路抗干扰性能。

四 DIBCOM中天线分集接收技术的应用

目前在DVB-T领域中天线分集接收技术应用最为领先、成熟的是法国DIBCOM公司。法国DIBCOM是DVB解调IC的专业设计公司,DIBCOM在这一领域拥有多项专利. 英诺科技作为DIBCOM的设计公司与代理商,已地将DIBCOM的成熟技术应用于手持移动设备、车载、家用机顶盒,PVR,地铁、楼宇等场合, 并与市场上绝大多数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完全适用与基于COFDM调制的DVB-T、DVB-H、DVB-SH、ISDB-T、T-DMB、CMMB等。DIBCOM公司的天线分集接收技术和通信的基本原理并没有太大的变化,但在分散信号的合成算法上远远领先于其他方案。

1 DIBCOM的分集接收原理及应用

DIBCOM的分集接受采用最大比值合并算法,如下图(图5),双天线分集接收分别控制各支路接收增益,获得不同天线的最好信号,同时还时实时提供着个支路信号的信噪比,信号经相位调整后,以适当的增益系数,同相合并后,就获得最大信噪比的优质信号。

图5
 

 


对于信道衰落大,或移动速度要求更高的环境下,DIBCOM 还可多颗IC采用菊花链形式连接实现分集接收,即每个芯片都可以把自己接收到的信号根其他芯片接收到的信号最大比值合并,这也是DIBCOM公司的专利技术。

图6

2. DIBCOM分集接收天线的处理

实践研究表明,即使两根天线相距大约为λ/5,仍然可以得到80%的功效,譬如两根天线相距8cm,对UHF来说,仍然有很高的效率,这是其他方案做不到的(分集接收要求天线体相距至少为1个波长)。

如果天线接收了两个不同极性的信号,效率会更加高,譬如两个天线呈90度放置,或不同极化方向的天线等,会获得更好的分集接收效果。

3. DIBCOM在分集接收下的性能

仅双天线分集接收,在8k QAM64 2/3的调制模式下,信号灵敏度可以提高2~10dB,降低6dB的C/N门限值,在周边复杂环境的情况下,如闹市区,展览会等地区,可以提高多达3dB以上的多镜路抗干扰性能。

一般条件下,双天线分集接收将使你更可能接收到好的信号,相对来讲可以使信号覆盖扩大3倍。

车载等运动接收,同等条件下,可以使运动速度提高3倍。

4. DIBCOM分集接收的具体测试

下图是室内接收的效果比较图,由于室内接收时不仅存在信号被建筑物等吸收的问题,还同样存在小范围衰落。下面两附图分别是DIBCOM解调器的测试,图7采用双天线分集接收,在BER<10-4时,接收范围达可到95%,同样条件,图8单天线只能达到67%。

图7

图8
 

 


车载移动接收时,分集接收也同样表现出它的优越性能。下面(图 9)三幅图是在法国某城市DVB-T标准信号下的实地测试图,三幅图分别示意出单天线接收、双天线分集接收和四天线分集接收不同效果。

图9

五 结束语

双/多天线分集接收不仅在DVB-T移动接收中,有着很强的抗衰落效果,它带给终端用户了更大的信号覆盖面积、更高的信号质量和更快的接收机移动速度。今后在车载机、手持机,室内机等要求高的地方会得到更大的发展和普及。

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