天線合路器在COFDM視頻傳輸系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄭德志，郝國(guó)欣，羅 旻

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東 青島 266107)

0 引言

隨著LTE-R(Long Term Evolution for Railway)、智能交通系統(tǒng)和無(wú)人載運(yùn)/駕駛技術(shù)的發(fā)展，車載的多天線無(wú)線通信技術(shù)[1]在交通運(yùn)輸場(chǎng)景(如車對(duì)指揮中心通信、車對(duì)車通信等)中的應(yīng)用成為一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，這催生了新一代移動(dòng)通信MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)的誕生和快速發(fā)展[2-4]。在各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于“多信道工作”模式使得各基站/移動(dòng)站集中了大量的收、發(fā)設(shè)備或模塊，倘若每路收、發(fā)各使用一副天線，將會(huì)導(dǎo)致天線布局出現(xiàn)“鱗次櫛比”甚至“占地?fù)頂D”，同時(shí)各收、發(fā)信機(jī)之間工作時(shí)各天線會(huì)相互干擾從而影響信息數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收。此外，天線無(wú)論是同桿裝配還是獨(dú)立架設(shè)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)或場(chǎng)地利用等方面都會(huì)造成很大的浪費(fèi)。因此，在移動(dòng)通信中廣泛采取天線共用[5-7]的形式來(lái)減少收發(fā)天線的數(shù)量。

1 天線合路器

天線合路器是一種無(wú)線多收發(fā)信機(jī)共享同一負(fù)載天線的電路設(shè)備，能夠使工作在不同頻率的收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作在一路天線上發(fā)送和接收信息，如圖1所示，不僅減少了天線的數(shù)量、節(jié)約了硬件成本，更重要的是實(shí)現(xiàn)了多部通信設(shè)備能夠同時(shí)工作時(shí)無(wú)相互干擾的現(xiàn)象，確保了通信質(zhì)量。

圖1 天線合路共用示意圖

其在無(wú)線通信鏈路中的應(yīng)用跟收/發(fā)信機(jī)的通信模式有很大的關(guān)聯(lián)性：若通信鏈路為雙向通信，則天線合路器在上行、下行鏈路都必須考慮發(fā)信機(jī)大功率發(fā)射狀態(tài)下的承受能力，否則將會(huì)燒毀天線合路器；若通信鏈路為單一通信，則天線合路器只需要在下行鏈路的發(fā)信機(jī)端考慮大功率承受的問(wèn)題。

首先介紹應(yīng)用于發(fā)信機(jī)端的天線合路器。由于發(fā)射天線合路器多數(shù)是在大功率輸入情況下工作，合路器既要能夠有效地將每部發(fā)信機(jī)的輸出功率饋送到天線上，又要避免各發(fā)信機(jī)之間的相互影響，因此，對(duì)發(fā)射天線共用電路的要求就是滿足良好的匹配與足夠高的隔離。匹配目的是使功率有效地從發(fā)射機(jī)輸出端傳到天線上，而高隔離就是使發(fā)信機(jī)在同時(shí)工作的過(guò)程中互不影響，避免產(chǎn)生互調(diào)干擾。發(fā)射天線合路器的實(shí)現(xiàn)有很多種，通常使用的主要有：① 利用3 dB電橋構(gòu)建天線合路器；② 使用寬帶多載波線性功放構(gòu)成天線合路器[8-10]；③ 使用捷變頻濾波器構(gòu)成天線合路器[11]；④ 使用可切換不可調(diào)濾波器構(gòu)成天線合路器[12]。

1.1 3 dB電橋式

如圖2所示，來(lái)自收發(fā)信機(jī)1、2末端功率放大器的2路信號(hào)輸入進(jìn)3 dB電橋，該電橋?yàn)殡p向耦合，耦合度均為3 dB。

圖2 3 dB電橋式合路器設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)2個(gè)發(fā)信機(jī)信道同時(shí)工作時(shí)，信道1有一半的通過(guò)功率進(jìn)入信道2，同時(shí)，信道2也有一半的通過(guò)功率進(jìn)入信道1。這樣，經(jīng)過(guò)3 dB電橋后，發(fā)信機(jī)1、2的信道含量從理論上講就是一致的，再經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)的功率合成，基本不會(huì)造成多大的損耗，最后進(jìn)入同一發(fā)射天線。這種天線合路設(shè)計(jì)方案主要應(yīng)用在兩個(gè)收發(fā)信機(jī)工作頻段接近、輸出功率相差不大的場(chǎng)合，但也會(huì)造成發(fā)射信號(hào)的非線性失真。

1.2 多載波寬帶線性功放式

從本質(zhì)意義上講，此方式的天線合路器其實(shí)就是高頻電子線路所述的發(fā)射功率合成器，如圖3所示。功率合成是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，一般先采用功率分配器將前級(jí)功率放大器的功率輸出分配成多路，分別去驅(qū)動(dòng)各末級(jí)放大器，最后將各末級(jí)放大器的輸出進(jìn)行同相疊加完成功率合成，得到所需要的單路輸出功率。倘若結(jié)合使用T/R組件，就可以構(gòu)成雙向的天線合路器。

圖3 寬帶線性功放式合路器設(shè)計(jì)框圖

各收發(fā)信機(jī)的射頻信號(hào)經(jīng)寬帶功率放大器放大合成，但是無(wú)論功放的線性度有多寬，信道之間都避免不了互調(diào)干擾。這是因?yàn)樵陔p向通信擁擠的頻段內(nèi)，當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上信號(hào)加到非線性器件中時(shí)，必然產(chǎn)生互調(diào)干擾(而且發(fā)射端和接收端都能產(chǎn)生這些干擾分量)。為減少干擾，采取在功率合成器的輸出端增加功率檢測(cè)功能，用來(lái)檢測(cè)非目標(biāo)的頻率分量，然后通過(guò)反饋、反相等措施去抵消互調(diào)干擾，以達(dá)到消除干擾的目的。但在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)楣β蜀詈掀教剐院蜋z測(cè)算法延遲性，很難做到絕對(duì)的-180°反相，因此適用性較差，尤其是在高速跳頻移動(dòng)通信系統(tǒng)中，而且合成電路的插損、通道間相位不一致性、幅度不一致性也會(huì)影響合成的效率。

1.3 以捷變頻濾波器為構(gòu)架

捷變頻濾波器，是一種頻率捷變部件，響應(yīng)時(shí)間較快，插損較小，能夠承受較大的輸入發(fā)射功率，在快速變換通信頻道等方便廣泛使用，具有可變頻帶寬、信道帶寬窄、承受功率大等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)方案中，由n×n個(gè)捷變頻濾波器及匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成(如圖4所示)。信號(hào)從各收發(fā)信機(jī)的功放進(jìn)入合路器的信道輸入端，通過(guò)系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)選擇，對(duì)信號(hào)進(jìn)入所屬的頻段進(jìn)行濾波，再由電子開(kāi)關(guān)進(jìn)入匹配網(wǎng)絡(luò)使n路信號(hào)合成一路，從輸出端進(jìn)入同一寬帶負(fù)載天線。

圖4 捷變頻濾波器式合路器設(shè)計(jì)框圖

在跳頻電臺(tái)中使用捷變頻濾波器的電臺(tái)，其抗干擾性及保密性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他電臺(tái)，因而使其具有一定的反竊聽(tīng)能力。但是捷變頻濾波器目前多通過(guò)進(jìn)口途徑，導(dǎo)致此種結(jié)構(gòu)的天線合路器價(jià)格昂貴且成本很高，使用推廣有一定約束力。

1.4 以可切換不可調(diào)高Q值濾波器為構(gòu)架

如圖5所示，主要由3部分組成：第一部分是濾波器陣列，共有n個(gè)不可調(diào)高Q值濾波器組成；第二部分是濾波器前后的2個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣電路；第三部分是匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖5 可切換高Q值濾波器式合路器設(shè)計(jì)框圖

各收發(fā)信機(jī)的功放輸出信號(hào)首先經(jīng)過(guò)m×n路輸入/輸出開(kāi)關(guān)矩陣電路；由控制單元控制其相應(yīng)開(kāi)關(guān)電路的閉合，使得不同頻率的信號(hào)流入相應(yīng)頻段的濾波器，再經(jīng)濾波器后的m×n路輸入/輸出開(kāi)關(guān)的相應(yīng)控制，使各路信號(hào)同時(shí)進(jìn)入匹配網(wǎng)絡(luò)，疊加匹配后進(jìn)入寬帶負(fù)載天線。由于該合路器模塊有濾波器組以及合路疊加單元，這對(duì)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生插損，導(dǎo)致信號(hào)從合路器進(jìn)入到輸出之間的總插損較大，從總體上對(duì)會(huì)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的接收信號(hào)信噪比或靈敏度有所影響。因此在濾波器的選擇上，主要采用高Q值的LC濾波器。

2 COFDM簡(jiǎn)述

編碼正交頻分復(fù)用 (coded orthogonal frequency division multiplexing，COFDM)，是多載波調(diào)制通信技術(shù)的一種。該技術(shù)具有高頻譜利用率，能夠有效對(duì)抗多徑衰落，均衡簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的抗誤碼性能，能夠靈活分配資源，適用于寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓?chǎng)合。

一部1080P高清攝像機(jī)，輸出為分辨率是1 920*1 080、24 bit、50幀(隔行)真彩色的高清視頻，則其原始數(shù)據(jù)量大小為：

(50/2)*[(1920*1080)*24/8/1024/1024]=
148.4 MByte。

然后選用H.264的高清圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，壓縮比能達(dá)180，則壓縮后的數(shù)據(jù)量為0.825 MByte，即6.596 Mbit。一般的數(shù)據(jù)通信電臺(tái)無(wú)法滿足這個(gè)帶寬要求，即便是E1接口的寬帶數(shù)字通信電臺(tái)(理論帶寬2 MHz)也對(duì)這樣的數(shù)據(jù)量“舉步維艱”，其傳送圖像時(shí)，圖像延時(shí)卡頓現(xiàn)象非常明顯；常規(guī)的做法就是直接選用的2.4 GHz或5.8 GHz的單載波微波通信設(shè)備，但是在非視距的遠(yuǎn)距離傳輸條件下，會(huì)經(jīng)常性出現(xiàn)通信失聯(lián)，造成視頻圖像丟失的情況比比皆是。在這種需求下，COFDM體制的圖像傳輸通信設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。COFDM設(shè)備作為MIMO技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)手段，工作頻段多主要集中在超短波范圍內(nèi)，而且多是單一下行鏈路傳輸，接收端采用多天線空間分集接收[13-14]。由于下行鏈路數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了獨(dú)立的多子載波信道衰減，在同一時(shí)刻經(jīng)歷深衰落的概率很小，因此采取適當(dāng)?shù)亩鄰胶喜⑻幚砗?，接收到信?hào)的衰落程度就會(huì)減少，從而確保圖像信息基本保持沒(méi)有變化，這也是COFDM的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一。

3 四合一天線合路器的設(shè)計(jì)

在一個(gè)無(wú)人載運(yùn)平臺(tái)上，裝配了4部高清攝像機(jī)，分別用于觀察前方遠(yuǎn)景、前方近景、后方近景和高架360°環(huán)視圖像，每一部攝像機(jī)的視頻圖像輸入至COFDM圖傳設(shè)備中。通常這種情況下，該平臺(tái)上有4根天線，為減少天線數(shù)量提高載運(yùn)平臺(tái)的空間使用率，設(shè)計(jì)了四合一發(fā)射天線合路器，使得天線的數(shù)量降低至1根。而在后方指揮中心接收端，因COFDM體制的多天線空間分集接收設(shè)計(jì)，每臺(tái)接收機(jī)至少需要配置2根天線，為減少天線數(shù)量，設(shè)計(jì)了八合一接收天線合路器。此處僅列述四合一發(fā)射天線合路器的設(shè)計(jì)思路。

3.1 設(shè)計(jì)原理

結(jié)合前述的4種天線合路器的實(shí)現(xiàn)方式和技術(shù)特點(diǎn)，采取可切換不可調(diào)高Q值濾波器的構(gòu)架形式設(shè)計(jì)四合一發(fā)射天線合路器。

如圖6所示，四對(duì)控制開(kāi)關(guān)和大功率LC濾波器構(gòu)成開(kāi)關(guān)濾波器，工作時(shí)每個(gè)開(kāi)關(guān)濾波器組選擇1路進(jìn)行工作。開(kāi)關(guān)濾波器的開(kāi)啟和關(guān)閉需要輸入頻點(diǎn)變化控制線切換控制，每一個(gè)時(shí)刻只有1個(gè)濾波器打開(kāi)。

圖6 四合一發(fā)射天線合路器設(shè)計(jì)

四合一發(fā)射天線合路器的頻率范圍設(shè)定為225～375 MHz，每路開(kāi)關(guān)濾波器的通過(guò)承受功率≥47 dBm。在大功率情況下不能使用變?nèi)荻O管，每個(gè)濾波器的通帶帶寬6～8 MHz，頻點(diǎn)之間的頻帶有一定交叉，每個(gè)頻點(diǎn)帶外10%外抑制≥25 dB，通過(guò) 4個(gè)濾波器組完成帶內(nèi)濾波工作。

3.2 開(kāi)關(guān)濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

濾波器設(shè)計(jì)采用切比雪夫型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 切比雪夫?yàn)V波器的ADS設(shè)計(jì)

圖8給出了濾波器帶內(nèi)低頻、中頻、高頻在Agilent ADS2006軟件中S參數(shù)仿真分析圖。

圖8 濾波器響應(yīng)仿真

濾波器切換開(kāi)關(guān)采用PIN二極管開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)2個(gè)二極管，一串一并，原理如圖9所示。

圖9 濾波器切換開(kāi)關(guān)原理

開(kāi)關(guān)通斷比指標(biāo)的驗(yàn)證：每路功放輸入對(duì)應(yīng)4個(gè)開(kāi)關(guān)濾波器，4路功放共16個(gè)，則16個(gè)的總和為12 dB，另外合路器整體隔離度≥25 dB，所以開(kāi)關(guān)總的通斷比應(yīng)該≥37 dB。設(shè)定40 dB的開(kāi)關(guān)通斷比指標(biāo)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在一個(gè)無(wú)人載運(yùn)平臺(tái)系統(tǒng)中，使用了4套COFDM圖傳設(shè)備，在發(fā)射端使用了四合一發(fā)射天線合路器，在接收端使用了八合一接收天線合路器，通過(guò)實(shí)際環(huán)境通信試驗(yàn)驗(yàn)證，COFDM下行鏈路工作正常，四路圖像信息在傳輸過(guò)程中無(wú)失真無(wú)“馬賽克”現(xiàn)象，而且同期對(duì)比了5.8 GHz單載波微波圖像通信設(shè)備，結(jié)果表明，采取超短波COFDM體制的圖像傳輸具備傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)延時(shí)小等特點(diǎn)。這也表明了天線合路器和COFDM設(shè)備的接口匹配良好，能夠滿足系統(tǒng)工作要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，多鏈路的通信系統(tǒng)日益增多，“天線合路”的適用場(chǎng)景也越來(lái)越廣泛。研制和完成多路天線合路器的方式有很多種，應(yīng)該根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性進(jìn)行選擇，特別強(qiáng)調(diào)注意天線合路器的承載功率以確保其安全通過(guò)性。在將來(lái)的應(yīng)用中，以捷變頻濾波器為構(gòu)架和以可切換不可調(diào)濾波器為構(gòu)架的天線合路器都有非常大的適用空間。