圖文詳解雙天線消除同頻信號

黃峻岳

【前言】

香港2007年底開始采用國標DMB-TH多載波制式發(fā)送數(shù)碼地面電視信號，當時也成為國內唯一的真正進入實用階段的數(shù)碼電視信號，也成為鄰近香港的珠三角地區(qū)無線接收電視的試驗場。開播初期的數(shù)碼電視信號僅由慈云山（C）發(fā)射站提供，占用482MHz、586MHz及602MHz三個8MHz帶寬的頻道，其中的586MHz及602MHz頻點規(guī)劃為采用同頻網(wǎng)方式廣播。雖然發(fā)射站位處香港腹地，珠三角地區(qū)可以穩(wěn)定接收到以上3個頻點的案例也不在少數(shù)。

為了迎接08北京奧運，香港開通另外5個發(fā)射站，也就是說6個發(fā)射站同時發(fā)送586MHz及602MHz的射頻信號。在某些地方出現(xiàn)了嚴重的同頻干擾問題，原本穩(wěn)定高質量的接收出現(xiàn)了信號質量下降甚至無信號。通過場強頻譜儀測量發(fā)現(xiàn)對應頻點的信號強度通常是高過之前的單發(fā)射站信號，但是接收到的信號卻是經常出現(xiàn)嚴重馬賽克，信號質量不規(guī)則跳動，接收機無法鎖定等現(xiàn)象。

模擬電視廣播是不能使用同頻網(wǎng)概念進行廣播的，數(shù)碼電視則聲稱可以構建同頻網(wǎng)，但是事實卻是讓人失望。當然，從發(fā)射站規(guī)劃來講，珠三角地區(qū)接收香港數(shù)碼信號并不在其規(guī)劃區(qū)域之內，相對的遠程接收導致容易接收到多個發(fā)射站的信號，而且發(fā)射站之間的角度偏差較小，所以也不能就此否認數(shù)碼單頻網(wǎng)是不可行的。為了尋找在這種特定條件下接收同頻網(wǎng)數(shù)碼電視的解決方法，以下就同頻信號的混合特性作詳細分析，并探討利用天線消除或降低同頻信號造成的干擾。

主要發(fā)射站分布概況：

射頻信號在天線上合成

珠三角地區(qū)接收香港數(shù)碼電視，都會碰到同頻信號問題。具體反應就是482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz好收，586MHz和602MHz難收。通常的原因并非586MHz/602MHz信號不夠強，而是由于482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz都是“干凈”的信號，586MHz/602MHz則可能是“有點臟”。這里需要說明的是482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz的電視信號只有一個發(fā)射站發(fā)送，而586MHz/602MHz則是由數(shù)個發(fā)射站同時發(fā)送。

由于是相對的遠程接收，更容易同時“看”到香港的多個發(fā)射站，那么就很有可能同時接收到不同發(fā)射站的586/602信號。當不同發(fā)射站的信號遇到一條天線時，這條天線同時感應到電磁波并合成輸出，那么合成的電信號會出現(xiàn)什么樣的變化？

圖1和圖2顯示了兩發(fā)射站到接收天線無延遲（正好距離相同）、延遲4.9km和延遲18.7km的情況下同頻信號疊加合成的波形結果。

這種圖通常是用來解釋保護間隔是如何對付反射波與同頻信號。圖中的窗口表示數(shù)碼信號的一個符號時間，0-125μs是保護間隔，125-625μs是數(shù)據(jù)窗口。保護間隔內的波形隨著延遲不同出現(xiàn)變化，不過沒關系，需要的數(shù)據(jù)在后面的數(shù)據(jù)窗口。數(shù)據(jù)窗口還是正弦波，相位有點變沒關系，幅度變化就有點麻煩?，F(xiàn)在疊加的信號是-5dB，合成的數(shù)據(jù)窗口信號已經有可能大約降低一半，如果是0dB那就全沒了。

現(xiàn)在不去關心數(shù)碼信號是什么樣的結構，只關心信號幅度在合成之后出現(xiàn)變大變小。是不是只有延遲18.7km附近最倒霉？以此類推，延遲距離不能超過37.5km（保護間隔比1/4），否則數(shù)據(jù)窗口的波形也將被破壞。

仔細計算一下圖中正弦波的頻率，發(fā)現(xiàn)有問題，怎么只有8KHz。18.7km就是8KHz的半波長，所以延遲半波長位置是抵消最厲害的地方。

可是天線實際收到的信號是586MHz和602MHz，586MHz的半波長是0.256m，602MHz的半波長是0.249m。射頻信號疊加也是一樣，只要是延遲半波長的奇數(shù)倍，信號也是互相抵消。。雖然保護間隔可以使得數(shù)據(jù)窗口在一定范圍內免遭破壞，但是如果射頻信號在進入接收機之前已經互相抵消為弱信號，接收機同樣無法處理。

同頻信號就在您周圍合成

以586MHz頻點為例，圖3顯示水平面同頻電波合成后的信號強弱分布。

圖中綠色表示相加增強地點，紅色表示抵消衰落地點，方向差45度示意。是不是前后左右挪動天線幾十公分就可以避開抵消點？

在有些情況下可能有效，但是沒這么簡單，示意圖只是針對586MHz的波長畫出來的。一個頻道有8MHz的帶寬，加上602MHz總共要考慮24MHz的信號。

正弦波的合成原理

現(xiàn)在回到現(xiàn)實中，天線安裝固定之后，天線安裝點與不同發(fā)射站的距離差是固定的。假設這個距離差正好讓某一個頻點增強，那么附近的頻率是不是也是一樣？因為想要信號正常那一定要把8M帶寬的信號全部收下來才行。

對于信號合成所需要的計算不復雜，只要算出8M帶寬內各頻點的正弦波疊加幅度，就可以觀察出對應的頻率響應。對于射頻信號，關鍵不是追求計算的準確度，而是從計算結果看出個大概。

正弦波的電壓表達式是 V = v0 sin( f0 t + Φ)，v0是指幅度，f0是指頻率，Φ是指相位。

兩個頻率、幅度相同，相位不同的信號疊加公式：

V1 + V2 = v0 sin(f0 t+Φ1) + v0 sin(f0 t+Φ2) ；

= 2 v0 cos((Φ1-Φ2)/2) * sin(f0 t+(Φ1+Φ2)/2) ;

疊加結果是頻率不變，相位變成(Φ1+Φ2)/2) ，幅度變成2 v0 cos((Φ1-Φ2)/2) ，幅度的變化看起來和頻率沒關系，但是其中的(Φ1-Φ2)是相位差，相位差跟距離差和波長有關系，波長又是由頻率決定的。

Φ1 - Φ2 = (2πΔd) / λ，Δd 是指距離差，λ 是指波長。λ = c / f0 ， c 是指光速，c = 299792.458 Km/s。合成后的幅度也可以寫成：

2 v0 cos((πΔd f0)/ c) ；與頻率f0還是相關的。

使用三角函數(shù)對付幅度相同疊加的幅度變化還容易理解，幅度不同的疊加就有點復雜。正弦波還可以采用極坐標來表示，圖4顯示頻率相同的正弦波合成后幅度與相位變化，其中v1和v2之間的夾角就是兩信號的相位差。

根據(jù)平行四邊形法則計算合成幅度：

vout2 =( v1+v2cos((πΔd f0)/ c))2 +( v2sin((πΔd f0)/ c))2；

下面針對586MHz和602MHz所占用的頻帶，計算在各種距離差情況下，各頻點幅度的變化曲線。

距離差與電視信號頻譜的關系

假設電視臺發(fā)射的頻譜是理想化的長方形，代表所有頻率的強度一樣。在兩路同頻信號疊加之后，由于相位差的不同，各頻點疊加幅度出現(xiàn)不同的改變，也就相當于原始信號經過一個特殊的濾波器，頻譜發(fā)生了變化。

先看看距離差0.25m與0.5m的情況（圖5），其中的同頻信號強度為主信號的-5dB。合成之后的頻譜還算可以，24M帶寬范圍同步變化，大約升4dB，降7dB。如果接收點和兩發(fā)射站差不多是等腰三角形，距離差還真有可能這么小。

提高距離差到5m，50m和100m（圖6）開始發(fā)現(xiàn)問題嚴重。合成之后的頻譜出現(xiàn)大約10dB振幅的抖動，嚴重破壞數(shù)碼電視頻道內的頻率特性，而且可以看出隨著距離差加大，抖動的密度提高，振幅變化保持大約10dB。

數(shù)碼接收有個基本的要求是“頻譜平坦”，如果頻譜的抖動超出一定的范圍，數(shù)字解碼電路就會解出錯誤的數(shù)據(jù)。無名兄經過多種機器的對比，發(fā)現(xiàn)不同的高頻頭及解碼器組合會在不同地方表現(xiàn)“抗同頻”能力有高低，估計就是對付這種怪頻譜的能力不同。

圖7以延遲距離100m為例，顯示不同強度的同頻信號合成結果?？梢钥闯鐾l信號越強，合成后的頻譜抖動就越大。在同頻信號為-15~-20dB時，頻譜抖動接近+/-1dB，這應該是普通接收機可以接受的范圍。

得出的結論是：同頻網(wǎng)的射頻信號疊加效應導致數(shù)碼電視接收困難，最根本的解決方法是降低同頻信號的強度。

附加說明：

(1)數(shù)碼電視與模擬電視信號在進入解碼器之前沒有本質區(qū)別。就是說從發(fā)射，到天線感應，饋線電纜傳輸，高頻頭轉中頻為止，都是一樣的模擬信號。唯一的區(qū)別就是模擬電視的幅度是固定的，數(shù)碼信號的幅度是變化的，最低電壓與最高電壓變化要比模擬大，所以唯一要注意的是天線系統(tǒng)的動態(tài)范圍要求在合理的位置，以免出界。

(2)模擬電視使用射頻的幅度表示圖像的亮暗，射頻信號的圖像部分是以調幅（AM）方式傳送的，比如說模擬電視的射頻信號的電壓是在變化的，如果受到干擾就會疊加在一起，對應的就是圖像馬上發(fā)生變化（變亮或變暗）。音頻部分是使用調頻（FM）方式傳送的，射頻傳輸過程中如果只是改變了幅度則不會對聲音造成影響。數(shù)碼電視信號在地面?zhèn)鬏斒且彩窍喈斢谡{幅（AM）方式傳送。美國ATSC的8VSB只使用電壓幅度表示數(shù)字，國標數(shù)碼電視使用xQAM，同時使用幅度和相位表示數(shù)字。如果射頻信號的幅度與相位受到影響，解碼芯片就會得到不同的數(shù)字，相當于加入了幅度噪聲與相位噪聲。

同頻網(wǎng)接收天線的基本設置

發(fā)射站的射頻信號發(fā)射之后，以各自的方向直線傳播，在遇到天線時部分能量被吸收反射，其余的能量按照原來的方向繼續(xù)前進。在有同頻信號都可以得到的地方，天線同時接收來自不同發(fā)射站的信號，通過電纜連接下來的信號已經混合為一個信號，這個信號幾乎沒有手段可以再將它拆分。

通過之前的分析，應該清楚射頻的同頻干擾不是數(shù)碼的保護間隔可以完全解決的，首先需要解決的是確定一個信號最強的發(fā)射站作為主信號，寄希望于其他發(fā)射站的同頻信號強度有足夠的差距。

首先需要搞清楚現(xiàn)在的天線能收到幾個發(fā)射站的信號，香港數(shù)碼電視同時采用多頻網(wǎng)/單頻網(wǎng)，幸運的是每個發(fā)射站都有一個不同頻率的信號。C站482MHz、K站546MHz、Q站650MHz、F站562MHz，J站626MHz，雖然不能完全等同于各發(fā)射站的586MHz/602MHz強度，但還是有一定參考價值。586MHz/602MHz如果已經處在混合狀態(tài)，那是沒辦法分清楚里面到底有多少成分是來自哪個發(fā)射站的。所以說如果586/602有問題，先不管586/602，先關注多頻網(wǎng)的接收情況，是不是有點頭痛醫(yī)腳的感覺。

再搞清楚那個發(fā)射站信號最強，還是利用多頻網(wǎng)各個發(fā)射站的特定頻率，以現(xiàn)在的天線設置，利用接收計通常都有的信號強度及質量判斷。如果可以存臺，最好多做觀察圖像聲音的穩(wěn)定情況。找出最穩(wěn)定的頻率，那就可以把對應發(fā)射站當作主信號。

當然使用場強掃頻儀是最專業(yè)的做法，可以更明白數(shù)量上的差異，判斷也可以更準確。多頻網(wǎng)因為沒有同頻干擾問題，有時候要求很低還不出毛病，同時穩(wěn)定倒是經常有的事，通過接收機觀察有時候可能很難拉出距離。

香港的數(shù)碼電視規(guī)劃到目前為止算是一個特例，就像每個發(fā)射站都保留一個頻率作為指針。如果沒有這種頻率規(guī)劃結構，主信號的確定那只好依靠收集發(fā)射站功率、距離及前方遮擋環(huán)境等材料進行分析，做出一些輔助判斷。由于實際環(huán)境千差萬別，最終的手段也只能靠細調天線指向、盡可能嘗試天線不同安裝位置來確定。

天線都具有一定的指向性，通常是指向發(fā)射站方向時增益最高，偏離發(fā)射站方向增益逐漸下降，指向角則是指在增益跌落3dB之內的角度。從圖8可以看出實際應用時，天線的指向角會隨著當?shù)丨h(huán)境出現(xiàn)變化?，F(xiàn)實的居住條件較少可以達到空曠不受阻擋，在電波穿越復雜的城市鋼筋森林，通常都會出現(xiàn)強度衰減，路經復雜化，雖然天線還是那條天線，實際效果是天線相對指向性變差。

天線指向圖通常是以一個頻率增益最高點為0dB，在對比不同頻率的強度時則以實測強度最高的頻率作為0dB，圖9是以信號最強的Q站信號作為0dB，對比不同方向的強度差異。在指向K站方向時，586MHz/602MHz可以接收，但是經常出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，對于數(shù)碼電視接收來說屬于不可忍受情況。指向Q站方向后，586MHz/602MHz接收完美。

這個實例屬于主信號與同頻信號偏角較大情況，普通的指向天線已經可以做到隔離同頻信號，拉開足夠的強度差距。如果主信號與同頻信號夾角過小，指向天線對同頻信號的抑制程度將會減弱，提高接收天線的指向性將有助于對同頻信號的衰減。

提高天線指向性

選擇方向性較強的八木天線。只是天線廠家較少提供有關指向性的技術參數(shù)，提供了參數(shù)也不知道準不準。如果現(xiàn)在使用的天線是短的，換一條長的。

拋物線網(wǎng)鍋也是一個選擇，不過體積龐大較難維護，還一定需要足夠大地盤安裝。圖10的天線也是按照拋物線設計，聲稱水平指向24°，垂直指向16°。如果水平放置，水平指向可以達到16°附近。

在單條天線不能滿足，有沒有條件架設拋物線網(wǎng)鍋的情況下，使用雙天線水平組陣可能比較容易實現(xiàn)，圖11為安裝尺寸示意圖（針對586MHz/602MHz的最低端頻率582MHz計算）。

雙天線水平組陣必須注意的要點：

1. 天線型號必須相同，兩條天線不能接觸。可以使用任何形式的指向天線組陣。

2. 水平安裝橫桿如果不使用金屬材料，可以靠近天線。

3. 天線通常指向發(fā)射站方向，如果來波方向受影響，盡量指向信號最強方向。

4. 天線到合成器的連接電纜不能水平拉線，連接兩條天線的電纜長度必須嚴格等長度。

5. 合成器可以使用普通的1進2出的分配器反過來使用。

6. 天線間距選擇最低頻率波長的0.94~0.60之間。

采用理論計算的方法觀察一下組陣前后天線指向角度的變化（圖12，以間距0.484m，586MHz為例）。比較單天線與雙天線指向圖的變化，-3dB的指向角度從24°減少到18°。如果要達到對同頻信號有足夠的抑制程度需要15~20dB，圖中標示-18dB的角度從60°減為45°，也就是單天線可以用于偏角30°以上的同頻信號抑制，雙天線則可以用于偏角22.5°以上。

普通的雙天線水平組陣只要是以提高指向性的方法抑制同頻信號，但是縮小角度有一定的限制。如果同頻信號偏角更小，那就需要精確組陣來針對某一頻率進行處理。

精確組陣原理

如果仔細研究圖12 的水平組陣衰減曲線，你就會發(fā)現(xiàn)四瓣形狀的曲線中存在有4個凹陷，也就是衰減最大點，精確組陣的原理其實就是要將凹陷點精確移動到想要消除的同頻信號方向。先從圖13了解一些有關射頻傳播的基本概念。

圖13還同時告訴我們這樣一個道理，射頻信號雖然是以光速傳播，但對于UHF頻段信號的波長尺寸，通過天線安裝位置的移動很容易改變信號相位。如果采用兩條天線接收同一個發(fā)射站信號，只要這兩條天線之間的距離相差為1/2波長，也就是一條天線比另一條天線提前或滯后1/2周期時間。再將兩條天線的信號進行合成，這個發(fā)射站的信號就會互相抵消，信號消失。在解決同頻干擾問題時當然不能只考慮將信號衰減，最終目的應該是保證主信號增強或不變的同時而同頻信號盡可能衰減。

達到這個目的的方法是讓主信號同時到達兩條天線而同頻信號不同時到達兩條天線，前提是同頻信號不能和主信號來自同一個方向。在信號經過數(shù)km的傳輸?shù)竭_天線時，相對于天線的尺寸，信號的來波可以看成是一個垂直于地面的平面（波陣面）迎面撲來，只要確保兩條天線都處在這個平面之上，主信號將同時到達兩條天線。同頻信號的來波方向如果存在一定的偏角，那么同頻信號的波陣面就會從側面而來，就不可能同時到達兩條天線，兩條天線就會先后收到同頻信號，存在一定的延遲。如果可以使這個延遲正好是1/2周期時間，那么兩條天線收到的同頻信號成分就可以通過合成，互相抵消（圖14）。

原理與計算只是利用簡單的幾何和三角函數(shù)，在實際操作時還要考慮到其中準確的因素只有用來計算波長的目標頻率值，同頻信號偏角大小不可能獲得完全準確的數(shù)值，所以水平疊裝天線最好設計成間距可調，在確認主信號方向之后，再仔細調試間距，以達到消除同頻的最佳狀態(tài)。

表1給出從偏角1°到30°的天線間距數(shù)據(jù)，基于586MHz/602MHz正好相隔一個頻道，在處理同頻干擾問題時如果需要同時處理類似的情況，將它們的中心頻率作為目標頻率也是一個不錯的選擇。

隨著偏角減小，天線安裝的間距不斷增大，除了偏角1~3°之外，計算出來的天線間距值還算是處在工程可實現(xiàn)范圍之內。當然在偏角太小的情況下實際操作的難度也相應提高，關鍵是雙天線在主信號方向對準方面精確度要求越來越高，否則很容易將主信號置于被衰減的方位。

小結：

雙天線組陣抗同頻的方法針對的是物理層的電磁波，所以面對的只是各種頻率的不同幅度與相位的正弦波，當然天線是區(qū)分不出來這些正弦波是代表模擬電視信號還是數(shù)字信號甚至被有些人稱之為“毒針”的干擾信號。

如果您可以熟練閱讀“同頻信號衰減曲線”，您就發(fā)現(xiàn)幾乎就是一個由雙天線構成的對來自不同方向信號的單頻道陷波器，當然很明顯的缺點是兩條天線只能對付一個頻道，優(yōu)點是主信號方向的頻率與此衰減曲線沒有關系（濾除不同方向的594但是586/602不受影響）。

精確組陣誤差分析

在兩條天線調試固定之后，間距也固定為一個數(shù)值，也就是說兩條天線造成的延遲時間只有一個數(shù)值。電視信號的帶寬是8MHz，在同樣的延遲時間下，從低端到高端的各個頻點所造成的抵消程度就會有所不同，圖15顯示在選擇3個不同目標頻率作為消除點時的衰減曲線，實線表示最大衰減40dB的曲線，虛點表示理論最大衰減曲線。

雙天線精確組陣理論上可以完全將同頻信號變成0電壓，實際應用中通?？梢宰龅?0dB的衰減，如果精雕細琢可以提升到35~40dB的衰減量。圖16和圖17顯示在不同偏角的情況下，雙天線指向偏差及間距偏差所引起的最高衰減量的變化。對于偏角較小的情況，天線指向精度要求比較高，間距精度要求較高。對于偏角較大的情況正好相反，指向精度要求稍低，間距精度要求較高。

結束語：

雙天線組陣抗同頻信號的局限性在于只能針對一個頻道的一個偏角，但是具有20dB~40dB的衰減性能在實際應用中可以發(fā)揮關鍵性的作用。

在同頻網(wǎng)同步正常運行時，主信號的強度只要有15~20dB的優(yōu)勢，同頻干擾幾乎可以排除。根據(jù)主信號與同頻信號強度原本的差距，對同頻信號的衰減并不一定都需要調試到最高，只要足夠就好。

對于超過2站的同頻干擾情況，選擇主信號的關鍵是方向唯一，強度最高。如果強信號方向存在偏角較小的同頻信號，也可以考慮選擇偏角大，強度稍低的發(fā)射站作為主信號，只要強信號沒有高出15~20dB，通過細心調試達到衰減最大，也是有可能抑制強信號。■