地面數字電視廣播系統的分集接收技術分析

李仁華

摘 要 數字電視廣播是現代化技術下的新型產物，是一種新的電視技術。數字電視廣播同時也是地面傳輸的主要信道之一。因為地面信道傳輸的具有其多變化特點，對數字電視廣播的傳輸質量以及數字信號產生著嚴重的影響。地面數字電視廣播的分集接收技術，不管是從技術上來講，還是從系統性能上而言，都會大大提高地面數字電視廣播的傳輸質量。本文主要從地面數字電視傳輸信道、分集原理、地面數字電視廣播國際接收3個方面，探討了地面數字電視廣播系統中的分集接收技術的重要性以及必要性。

關鍵詞 均衡；分集接收；時域均衡器；地面數字電視廣播

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

1 地面數字電視傳輸信道及分集原理

1）地面數字信號信道的特點，具時變形、多徑性等地面信道特點。與傳統地面廣播信號相比較，地面數字信號信道具有高強度的動態性，因此，地面數字信號信道又被稱之為動態信道。無線信道的帶寬與地面數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候容易被符號所干擾，導致地面數字電視傳輸信道頻率出現選擇性衰落。因此，在進行地面數字電視傳輸信道建設的時候，應當充分考慮頻率選擇性衰落。由于信道具有其獨特的特性，其次考察信道的沖激響應，可以采用隨機時刻到達接收端的相位表征。信道、信號都會隨著時間變化而變化，因此信道的幅度會產生不一樣的變化情況。不斷變化的情況之下，導致了信道沖激響應，這就是信道介質物理特征，通過沖激響應模型，對多徑媒質進行了特征驗證，擴展傳輸信號的時間以及隨著時間變化而變化的多徑特性的信道。

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

3）微觀分集技術，是本文討論的重點。其技術可以分為2個主要方面，第一，獲取多路信號方法；第二，信號合并算法。目前我國地面數字廣播系統多路信號的獲取，主要包括了時間分集、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容。其中等增益合并算法的實現，比較簡單，如果要選擇性能好的算法，合并計算方法較為理想，這3種合并算法當中，屬最大合并比性能最優，但是實施起來，比較復雜，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。是數字通信中應用最廣泛的一種分集方式。在收發端采用天線傳輸，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勢，不需要增加發射信號功率，就可以獲得獨立衰落支路，保證數據接收的同時也獲得了分集增益。

（2）時間分集。是指攜帶相同信號通過不同時隙進行發送，當緊鄰時隙與信道相干時間等于，或者是超過相干時間，則可以認為發送的信號無關于信道衰落。同時，可以通過時隙可以重復發送信號，在接受端多次重復的信號與衰落信道不相關。從而達到時間分集效果。

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

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

（5）極化分集。收發端信號在移動環境下，是經過多次反射才能進行傳輸的，這樣一來，必將會引起垂直極化路徑、水平化路徑的不相關，這兩種極化方式會經歷不相關的信道衰落，收發兩端可以采用極化天線實現。

2 地面數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中的均衡技術

無線通信單載波系統采用均衡技術對抗頻率信道衰落的碼間干擾。時域均衡、頻域均衡為均衡的主要兩種技術，頻域均衡考慮頻率響應，使得均衡器整個系統滿足無失真條件，往往對時延特性、正幅頻特性進行矯正，對群時延來說，會降低失真補償能力。時域均衡考慮沖激響應，使得均衡器在內的整個系統滿足于無碼間串擾，利用沖激響應補償已經變化的信號，消除符號干擾。對抗動態頻率選擇性衰落，可以采用結構相對簡單的橫向濾波器結構，或者是自適應算法，而這也是時域均衡最大的特點。

1）采用判決反饋結構。分為線性均衡器、非線性均衡器。線性均衡器簡單，嚴重的無線信道多徑衰落，使得信道頻域出現“凹槽”，為了彌補，就必須要放大線性均衡器，從而會影響到該頻段內的信噪。廣播信道的時間色散特性會產生選擇性衰落，因此往往會出現“凹點”，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散問題，抵消一個多徑時往往會衍生出多個多徑，這個過程會一直重復，直到多徑幅度變小。非線性均衡技術，主要由判決器、反饋濾波器、前饋濾波器3部分，采用濾波結構來判決反饋的信號。在判決準確的情況下，能夠消除干擾，非線性均衡技術不僅降低了系統的復雜程度，而且還能信號傳輸的實現比較簡單。

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

3）采用重疊結構。重疊結構優點有很多，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。采用重疊結構，可以計算出最佳的判決中心位置，在判決中，當主徑，也就是最大能量位置時，會得到最優的均衡器效果。此外，重疊結構在對抗多徑衰落時，對輸出信噪、收斂速度而言，會有明顯的改善效果。

2.2 結合分集接收的時域均衡技術

國際單載波接收系統的缺陷，是故有缺陷，均衡器的嚴重不足，主要表現在對單支路多徑信號動態的變化方面，分集技術的存在，就是為了彌補這方面的不足。

1）雙均衡支路選擇合并結構。提高對抗周期性衰落以及輸出信噪比，對地面數字電視廣播系統來說，是提升的最可行的方法。雙均衡支路選擇合并結構，能夠實現分集支路信道環境的相互獨立，通過互相補償的方式讓兩條支路糾正信號的衰落，同時對于2個信道來說，也能在最大程度上避免信道深度衰落，避免支路崩潰，保持均衡器的穩定性。

2）單均衡支路等增益合并結構。這種單均衡支路等增益合并結構，對地面數字電視廣播系統來說，能起到良好的系統信號傳輸性能。但是單均衡支路等增益合并結構，投資運行成本較高而且結構也比較復雜，雖然只采用了一個均衡器以及兩個相關器，來彌補誤差，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構時，應當注意，該結構復雜的頻譜相應，會給均衡器帶來相應的負擔，同時對徑能量來說，則會增加發生劇烈變化的幾率，合并信號，并不一定會保證能夠對抗信道衰落，仍然可能會發生多徑衰落，從而影響了均衡器的誤碼率。

3）雙前饋濾波器MMSE合并結構。雙均衡支路選擇合并結構以及單均衡支路等增益合并結構都有各自的優勢和劣勢。雙均衡支路等增益合并結構與雙前饋濾波器MMES合并結構基本相同。但是，雙前饋濾波器MMES合并結構采用的是兩個前饋濾波器，這樣一來，就會產生重疊性的均衡器，將會完全獨立兩條分集支路信號序列，對地面數字電視廣播系統而言，具有簡化作用，能夠發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，抑制擴散的誤碼率，從而提升了接收端的性能。

4）3種結構性能比較。這3種結構當中，性能大致相當的是雙均衡支路選擇合并結構以及單均衡支路等增益合并結構。但是對于雙前饋濾波器MMSE合并結構而言，前兩種合并結構遠遠低于最后一種合并結構。這都是因為這3種結構性能都有各自的缺陷。

雙均衡支路選擇合并結構，引入選擇合并，在信道深度衰落時，利用另一路信號進行判決，以此來提高均衡器的正確率，但是在對抗信道衰落時，雙均衡支路選擇合并結構中的兩個均衡器是相對獨立的，適應更新的均衡器依然會受到影響，即使抑制了誤碼擴散，但是在面對深度信道衰落時，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構，對各個徑的初始相位無法消除，多徑的破壞性、建設性相加，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合并結構中的兩個前饋濾波器，對抗信道深度衰落時，基于MMSE準則進行動態調整，而不再是自適應調整。將兩個前饋濾波器作為一個整體，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原理，是為了引入后面討論而奠定的一個理論基礎，對抗信道衰落，分集技術是一種簡單而有效的可行性技術手段，并采用合并技術獲得增益。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，采用分集技術手段，可以獲得非常良好的效果。將自適應均衡技術結合于分集技術，會是一個不錯的對抗信道衰落的選擇。

最后一部分，是本文研究地面數字電視廣播系統的分集接收中的重點。首先介紹了均衡實現發難，并對現有的單載波接收系統中的均衡技術進行了重點研究，從理論中，對均衡性能的優勢以及劣勢進行了分析。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，當信道深度衰落時，均衡器會擴散誤碼，并產生嚴重的影響，進一步阻礙了均衡器性能的提高。因此，最后一部分提出的3種合并結構技術，對均衡器的判決誤碼率能夠起到降低作用，對誤碼的擴散也能很好的抑制，但是從結構、性能、復雜方面看，雙前饋濾波器MMSE合并結構會比前兩者的合并結構，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合并結構是最優的技術方法。

4 結論

隨著現代化技術的不斷發展，大眾對于數字信號的傳輸速率提出了更高的要求，地面數字電視廣播系統，也在不斷的吸收現代化新的技術，以此來滿足大眾的需求以及市場發展的需求。在此背景之下，可能會進一步放大國際單載波系統的缺陷，以上幾種分集接收技術對系統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并不是研究的終點，相信在未來的地面數字電視廣播系統的不斷發展中，將會融合越來越多的現代化新的技術，為建設地面數字電視系統的分集接收技術提供更優的技術支持。

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