地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的分集接收技術(shù)分析

李仁華

摘 要 數(shù)字電視廣播是現(xiàn)代化技術(shù)下的新型產(chǎn)物，是一種新的電視技術(shù)。數(shù)字電視廣播同時(shí)也是地面?zhèn)鬏數(shù)闹饕诺乐?。因?yàn)榈孛嫘诺纻鬏數(shù)木哂衅涠嘧兓攸c(diǎn)，對數(shù)字電視廣播的傳輸質(zhì)量以及數(shù)字信號產(chǎn)生著嚴(yán)重的影響。地面數(shù)字電視廣播的分集接收技術(shù)，不管是從技術(shù)上來講，還是從系統(tǒng)性能上而言，都會大大提高地面數(shù)字電視廣播的傳輸質(zhì)量。本文主要從地面數(shù)字電視傳輸信道、分集原理、地面數(shù)字電視廣播國際接收3個(gè)方面，探討了地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中的分集接收技術(shù)的重要性以及必要性。

關(guān)鍵詞 均衡；分集接收；時(shí)域均衡器；地面數(shù)字電視廣播

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0100-02

1 地面數(shù)字電視傳輸信道及分集原理

1）地面數(shù)字信號信道的特點(diǎn)，具時(shí)變形、多徑性等地面信道特點(diǎn)。與傳統(tǒng)地面廣播信號相比較，地面數(shù)字信號信道具有高強(qiáng)度的動態(tài)性，因此，地面數(shù)字信號信道又被稱之為動態(tài)信道。無線信道的帶寬與地面數(shù)字電視信號帶寬相比較，則小于無線信道的帶寬，在信號信道接受信息的時(shí)候容易被符號所干擾，導(dǎo)致地面數(shù)字電視傳輸信道頻率出現(xiàn)選擇性衰落。因此，在進(jìn)行地面數(shù)字電視傳輸信道建設(shè)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)充分考慮頻率選擇性衰落。由于信道具有其獨(dú)特的特性，其次考察信道的沖激響應(yīng)，可以采用隨機(jī)時(shí)刻到達(dá)接收端的相位表征。信道、信號都會隨著時(shí)間變化而變化，因此信道的幅度會產(chǎn)生不一樣的變化情況。不斷變化的情況之下，導(dǎo)致了信道沖激響應(yīng)，這就是信道介質(zhì)物理特征，通過沖激響應(yīng)模型，對多徑媒質(zhì)進(jìn)行了特征驗(yàn)證，擴(kuò)展傳輸信號的時(shí)間以及隨著時(shí)間變化而變化的多徑特性的信道。

2）地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的分集技術(shù)，這種技術(shù)存在的時(shí)間比較久，而且對地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)來說，是抗信道衰落的一種有效的、簡單的信號技術(shù)。分集技術(shù)的核心，其實(shí)是為了生成獨(dú)立信道支路，利用多條獨(dú)立信道支路來進(jìn)行信息傳遞，對接收端的合并算法進(jìn)行優(yōu)化，將各個(gè)支路的獨(dú)立信道合并為一路信號。此外，分集技術(shù)的分集形式主要有微觀分集、宏觀分集2種，微觀分集技術(shù)是本文討論的重點(diǎn)，宏觀分集主要用于基站端，這種分集形式在我國地面數(shù)字電視廣播中的應(yīng)用，也基本成熟。

3）微觀分集技術(shù)，是本文討論的重點(diǎn)。其技術(shù)可以分為2個(gè)主要方面，第一，獲取多路信號方法；第二，信號合并算法。目前我國地面數(shù)字廣播系統(tǒng)多路信號的獲取，主要包括了時(shí)間分集、空間分集、角度分集、頻率分集、極化分集等。此外，最大比合并、等增益合并以及選擇性合并屬于合并算法中的主要包括的內(nèi)容。其中等增益合并算法的實(shí)現(xiàn)，比較簡單，如果要選擇性能好的算法，合并計(jì)算方法較為理想，這3種合并算法當(dāng)中，屬最大合并比性能最優(yōu)，但是實(shí)施起來，比較復(fù)雜，性能較弱的是選擇性合并算法，但是這種算法的信噪比增益的效果以及誤碼率的效果較為明顯。

（1）空間分集。是數(shù)字通信中應(yīng)用最廣泛的一種分集方式。在收發(fā)端采用天線傳輸，緊鄰天線之間必須有一定的間隔距離，這種傳輸方法具有空間接收分集顯著優(yōu)勢，不需要增加發(fā)射信號功率，就可以獲得獨(dú)立衰落支路，保證數(shù)據(jù)接收的同時(shí)也獲得了分集增益。

（2）時(shí)間分集。是指攜帶相同信號通過不同時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)緊鄰時(shí)隙與信道相干時(shí)間等于，或者是超過相干時(shí)間，則可以認(rèn)為發(fā)送的信號無關(guān)于信道衰落。同時(shí)，可以通過時(shí)隙可以重復(fù)發(fā)送信號，在接受端多次重復(fù)的信號與衰落信道不相關(guān)。從而達(dá)到時(shí)間分集效果。

（3）頻率分集。攜帶相同信息的信號，在多個(gè)并且不同的頻率載波上進(jìn)行傳輸，當(dāng)緊鄰載波超過或者等于相干帶寬時(shí)，則發(fā)送的信號與信道衰落不相關(guān)。

（4）角度分集。采用角度分集方法，需要足夠的接收天線來實(shí)現(xiàn)入射角度。因此接收信號的一端會有損失。

（5）極化分集。收發(fā)端信號在移動環(huán)境下，是經(jīng)過多次反射才能進(jìn)行傳輸?shù)模@樣一來，必將會引起垂直極化路徑、水平化路徑的不相關(guān)，這兩種極化方式會經(jīng)歷不相關(guān)的信道衰落，收發(fā)兩端可以采用極化天線實(shí)現(xiàn)。

2 地面數(shù)字電視廣播國際單載波分集接收

2.1 國際單載波接收系統(tǒng)中的均衡技術(shù)

無線通信單載波系統(tǒng)采用均衡技術(shù)對抗頻率信道衰落的碼間干擾。時(shí)域均衡、頻域均衡為均衡的主要兩種技術(shù)，頻域均衡考慮頻率響應(yīng)，使得均衡器整個(gè)系統(tǒng)滿足無失真條件，往往對時(shí)延特性、正幅頻特性進(jìn)行矯正，對群時(shí)延來說，會降低失真補(bǔ)償能力。時(shí)域均衡考慮沖激響應(yīng)，使得均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)滿足于無碼間串?dāng)_，利用沖激響應(yīng)補(bǔ)償已經(jīng)變化的信號，消除符號干擾。對抗動態(tài)頻率選擇性衰落，可以采用結(jié)構(gòu)相對簡單的橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)，或者是自適應(yīng)算法，而這也是時(shí)域均衡最大的特點(diǎn)。

1）采用判決反饋結(jié)構(gòu)。分為線性均衡器、非線性均衡器。線性均衡器簡單，嚴(yán)重的無線信道多徑衰落，使得信道頻域出現(xiàn)“凹槽”，為了彌補(bǔ)，就必須要放大線性均衡器，從而會影響到該頻段內(nèi)的信噪。廣播信道的時(shí)間色散特性會產(chǎn)生選擇性衰落，因此往往會出現(xiàn)“凹點(diǎn)”，采用線性均衡器，會獲得比較好的廣播信道傳輸性能。但是，線性均衡器也會存在諸多擴(kuò)散問題，抵消一個(gè)多徑時(shí)往往會衍生出多個(gè)多徑，這個(gè)過程會一直重復(fù)，直到多徑幅度變小。非線性均衡技術(shù)，主要由判決器、反饋濾波器、前饋濾波器3部分，采用濾波結(jié)構(gòu)來判決反饋的信號。在判決準(zhǔn)確的情況下，能夠消除干擾，非線性均衡技術(shù)不僅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且還能信號傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)比較簡單。

2）采用分?jǐn)?shù)間隔均衡技術(shù)。理想化的接收機(jī)，通過濾波器對接收的信號進(jìn)行符號率采樣，在連接均衡器，在均衡器匹配情況下，存在2種問題：一是在實(shí)際接收信號過程中，通過濾波器難以實(shí)現(xiàn)無線信道的時(shí)變特性；二是濾波器在匹配情況下，獲得最大輸出信噪比，對采樣時(shí)間的選擇非常敏感。

3）采用重疊結(jié)構(gòu)。重疊結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有很多，在消除前徑之前，利用反饋濾波器來消除后徑，這樣一來，就降低了對前饋濾波器的影響。采用重疊結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算出最佳的判決中心位置，在判決中，當(dāng)主徑，也就是最大能量位置時(shí)，會得到最優(yōu)的均衡器效果。此外，重疊結(jié)構(gòu)在對抗多徑衰落時(shí)，對輸出信噪、收斂速度而言，會有明顯的改善效果。

2.2 結(jié)合分集接收的時(shí)域均衡技術(shù)

國際單載波接收系統(tǒng)的缺陷，是故有缺陷，均衡器的嚴(yán)重不足，主要表現(xiàn)在對單支路多徑信號動態(tài)的變化方面，分集技術(shù)的存在，就是為了彌補(bǔ)這方面的不足。

1）雙均衡支路選擇合并結(jié)構(gòu)。提高對抗周期性衰落以及輸出信噪比，對地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)來說，是提升的最可行的方法。雙均衡支路選擇合并結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)分集支路信道環(huán)境的相互獨(dú)立，通過互相補(bǔ)償?shù)姆绞阶寖蓷l支路糾正信號的衰落，同時(shí)對于2個(gè)信道來說，也能在最大程度上避免信道深度衰落，避免支路崩潰，保持均衡器的穩(wěn)定性。

2）單均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)。這種單均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)，對地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)來說，能起到良好的系統(tǒng)信號傳輸性能。但是單均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)，投資運(yùn)行成本較高而且結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，雖然只采用了一個(gè)均衡器以及兩個(gè)相關(guān)器，來彌補(bǔ)誤差，消除分集支路多徑誤差，對均衡器來說，2條支路能夠提供足夠的信息，避免了誤碼擴(kuò)展，避免了信道深度衰落。但是采用單均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意，該結(jié)構(gòu)復(fù)雜的頻譜相應(yīng)，會給均衡器帶來相應(yīng)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)對徑能量來說，則會增加發(fā)生劇烈變化的幾率，合并信號，并不一定會保證能夠?qū)剐诺浪ヂ洌匀豢赡軙l(fā)生多徑衰落，從而影響了均衡器的誤碼率。

3）雙前饋濾波器MMSE合并結(jié)構(gòu)。雙均衡支路選擇合并結(jié)構(gòu)以及單均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)勢和劣勢。雙均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)與雙前饋濾波器MMES合并結(jié)構(gòu)基本相同。但是，雙前饋濾波器MMES合并結(jié)構(gòu)采用的是兩個(gè)前饋濾波器，這樣一來，就會產(chǎn)生重疊性的均衡器，將會完全獨(dú)立兩條分集支路信號序列，對地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)而言，具有簡化作用，能夠發(fā)揮均衡器最大的效果，把輸出信噪比保持在較高水平上，以此來提高對抗信道衰落，抑制擴(kuò)散的誤碼率，從而提升了接收端的性能。

4）3種結(jié)構(gòu)性能比較。這3種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，性能大致相當(dāng)?shù)氖请p均衡支路選擇合并結(jié)構(gòu)以及單均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)。但是對于雙前饋濾波器MMSE合并結(jié)構(gòu)而言，前兩種合并結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最后一種合并結(jié)構(gòu)。這都是因?yàn)檫@3種結(jié)構(gòu)性能都有各自的缺陷。

雙均衡支路選擇合并結(jié)構(gòu)，引入選擇合并，在信道深度衰落時(shí)，利用另一路信號進(jìn)行判決，以此來提高均衡器的正確率，但是在對抗信道衰落時(shí)，雙均衡支路選擇合并結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)均衡器是相對獨(dú)立的，適應(yīng)更新的均衡器依然會受到影響，即使抑制了誤碼擴(kuò)散，但是在面對深度信道衰落時(shí)，均衡器輸出信噪依然比較低，這樣就會大大的限制了均衡器的性能。單均衡支路等增益合并結(jié)構(gòu)，對各個(gè)徑的初始相位無法消除，多徑的破壞性、建設(shè)性相加，依然使得合并信號有衰落特征，阻礙了均衡器性能。而雙前饋濾波器MMSE合并結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)前饋濾波器，對抗信道深度衰落時(shí)，基于MMSE準(zhǔn)則進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，而不再是自適應(yīng)調(diào)整。將兩個(gè)前饋濾波器作為一個(gè)整體，共同對抗信道衰落，因此使得信道的深度衰落程度會大大的減小，這使得均衡器可以獲得足夠的信息，使得輸出信噪能夠維持在較高水平。

3 展望

第一部分中的分集技術(shù)原理，是為了引入后面討論而奠定的一個(gè)理論基礎(chǔ)，對抗信道衰落，分集技術(shù)是一種簡單而有效的可行性技術(shù)手段，并采用合并技術(shù)獲得增益。通過第一部分的分析，我們可以清楚的看到，對抗信道深度衰落，采用分集技術(shù)手段，可以獲得非常良好的效果。將自適應(yīng)均衡技術(shù)結(jié)合于分集技術(shù)，會是一個(gè)不錯(cuò)的對抗信道衰落的選擇。

最后一部分，是本文研究地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的分集接收中的重點(diǎn)。首先介紹了均衡實(shí)現(xiàn)發(fā)難，并對現(xiàn)有的單載波接收系統(tǒng)中的均衡技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，從理論中，對均衡性能的優(yōu)勢以及劣勢進(jìn)行了分析。采用單支路均衡，對信號符號之間的干擾，能夠起到有效的克服作用，但是對輸入信噪而言，則比較敏感，當(dāng)信道深度衰落時(shí)，均衡器會擴(kuò)散誤碼，并產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，進(jìn)一步阻礙了均衡器性能的提高。因此，最后一部分提出的3種合并結(jié)構(gòu)技術(shù)，對均衡器的判決誤碼率能夠起到降低作用，對誤碼的擴(kuò)散也能很好的抑制，但是從結(jié)構(gòu)、性能、復(fù)雜方面看，雙前饋濾波器MMSE合并結(jié)構(gòu)會比前兩者的合并結(jié)構(gòu)，對抗深度信道衰落而言，會起到非常好的效果，因此，雙前饋濾波器MMSE合并結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的技術(shù)方法。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，大眾對于數(shù)字信號的傳輸速率提出了更高的要求，地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)，也在不斷的吸收現(xiàn)代化新的技術(shù)，以此來滿足大眾的需求以及市場發(fā)展的需求。在此背景之下，可能會進(jìn)一步放大國際單載波系統(tǒng)的缺陷，以上幾種分集接收技術(shù)對系統(tǒng)提升來說或許會無法滿足其需求，但是以上幾種分集接收技術(shù)并不是研究的終點(diǎn)，相信在未來的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的不斷發(fā)展中，將會融合越來越多的現(xiàn)代化新的技術(shù)，為建設(shè)地面數(shù)字電視系統(tǒng)的分集接收技術(shù)提供更優(yōu)的技術(shù)支持。

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