天線合路器在COFDM視頻傳輸系統中的設計與應用

鄭德志，郝國欣，羅 旻

(中國電子科技集團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)、智能交通系統和無人載運/駕駛技術的發展，車載的多天線無線通信技術[1]在交通運輸場景(如車對指揮中心通信、車對車通信等)中的應用成為一個技術熱點，這催生了新一代移動通信MIMO(多輸入多輸出)技術的誕生和快速發展[2-4]。在各種移動通信系統中，由于“多信道工作”模式使得各基站/移動站集中了大量的收、發設備或模塊，倘若每路收、發各使用一副天線，將會導致天線布局出現“鱗次櫛比”甚至“占地擁擠”，同時各收、發信機之間工作時各天線會相互干擾從而影響信息數據的正確發送和接收。此外，天線無論是同桿裝配還是獨立架設，在技術、經濟或場地利用等方面都會造成很大的浪費。因此，在移動通信中廣泛采取天線共用[5-7]的形式來減少收發天線的數量。

1 天線合路器

天線合路器是一種無線多收發信機共享同一負載天線的電路設備，能夠使工作在不同頻率的收發信機同時工作在一路天線上發送和接收信息，如圖1所示，不僅減少了天線的數量、節約了硬件成本，更重要的是實現了多部通信設備能夠同時工作時無相互干擾的現象，確保了通信質量。

圖1 天線合路共用示意圖

其在無線通信鏈路中的應用跟收/發信機的通信模式有很大的關聯性：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信機大功率發射狀態下的承受能力，否則將會燒毀天線合路器；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信機端考慮大功率承受的問題。

首先介紹應用于發信機端的天線合路器。由于發射天線合路器多數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信機的輸出功率饋送到天線上，又要避免各發信機之間的相互影響，因此，對發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射機輸出端傳到天線上，而高隔離就是使發信機在同時工作的過程中互不影響，避免產生互調干擾。發射天線合路器的實現有很多種，通常使用的主要有：① 利用3 dB電橋構建天線合路器；② 使用寬帶多載波線性功放構成天線合路器[8-10]；③ 使用捷變頻濾波器構成天線合路器[11]；④ 使用可切換不可調濾波器構成天線合路器[12]。

1.1 3 dB電橋式

如圖2所示，來自收發信機1、2末端功率放大器的2路信號輸入進3 dB電橋，該電橋為雙向耦合，耦合度均為3 dB。

圖2 3 dB電橋式合路器設計框圖

當2個發信機信道同時工作時，信道1有一半的通過功率進入信道2，同時，信道2也有一半的通過功率進入信道1。這樣，經過3 dB電橋后，發信機1、2的信道含量從理論上講就是一致的，再經過匹配網絡的功率合成，基本不會造成多大的損耗，最后進入同一發射天線。這種天線合路設計方案主要應用在兩個收發信機工作頻段接近、輸出功率相差不大的場合，但也會造成發射信號的非線性失真。

1.2 多載波寬帶線性功放式

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

圖3 寬帶線性功放式合路器設計框圖

各收發信機的射頻信號經寬帶功率放大器放大合成，但是無論功放的線性度有多寬，信道之間都避免不了互調干擾。這是因為在雙向通信擁擠的頻段內，當2個或2個以上信號加到非線性器件中時，必然產生互調干擾(而且發射端和接收端都能產生這些干擾分量)。為減少干擾，采取在功率合成器的輸出端增加功率檢測功能，用來檢測非目標的頻率分量，然后通過反饋、反相等措施去抵消互調干擾，以達到消除干擾的目的。但在實際應用中，因為功率耦合平坦性和檢測算法延遲性，很難做到絕對的-180°反相，因此適用性較差，尤其是在高速跳頻移動通信系統中，而且合成電路的插損、通道間相位不一致性、幅度不一致性也會影響合成的效率。

1.3 以捷變頻濾波器為構架

捷變頻濾波器，是一種頻率捷變部件，響應時間較快，插損較小，能夠承受較大的輸入發射功率，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、承受功率大等優點。

實現方案中，由n×n個捷變頻濾波器及匹配網絡構成(如圖4所示)。信號從各收發信機的功放進入合路器的信道輸入端，通過系統控制開關選擇，對信號進入所屬的頻段進行濾波，再由電子開關進入匹配網絡使n路信號合成一路，從輸出端進入同一寬帶負載天線。

圖4 捷變頻濾波器式合路器設計框圖

在跳頻電臺中使用捷變頻濾波器的電臺，其抗干擾性及保密性都遠遠高于其他電臺，因而使其具有一定的反竊聽能力。但是捷變頻濾波器目前多通過進口途徑，導致此種結構的天線合路器價格昂貴且成本很高，使用推廣有一定約束力。

1.4 以可切換不可調高Q值濾波器為構架

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個不可調高Q值濾波器組成；第二部分是濾波器前后的2個開關矩陣電路；第三部分是匹配網絡。

圖5 可切換高Q值濾波器式合路器設計框圖

各收發信機的功放輸出信號首先經過m×n路輸入/輸出開關矩陣電路；由控制單元控制其相應開關電路的閉合，使得不同頻率的信號流入相應頻段的濾波器，再經濾波器后的m×n路輸入/輸出開關的相應控制，使各路信號同時進入匹配網絡，疊加匹配后進入寬帶負載天線。由于該合路器模塊有濾波器組以及合路疊加單元，這對信號會產生插損，導致信號從合路器進入到輸出之間的總插損較大，從總體上對會對移動通信系統的接收信號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簡述

編碼正交頻分復用 (coded orthogonal frequency division multiplexing，COFDM)，是多載波調制通信技術的一種。該技術具有高頻譜利用率，能夠有效對抗多徑衰落，均衡簡單，具有很強的抗誤碼性能，能夠靈活分配資源，適用于寬帶數據傳輸等場合。

一部1080P高清攝像機，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，則其原始數據量大小為：

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

然后選用H.264的高清圖像壓縮標準，壓縮比能達180，則壓縮后的數據量為0.825 MByte，即6.596 Mbit。一般的數據通信電臺無法滿足這個帶寬要求，即便是E1接口的寬帶數字通信電臺(理論帶寬2 MHz)也對這樣的數據量“舉步維艱”，其傳送圖像時，圖像延時卡頓現象非常明顯；常規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備，但是在非視距的遠距離傳輸條件下，會經常性出現通信失聯，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備應運而生。COFDM設備作為MIMO技術的一種實現手段，工作頻段多主要集中在超短波范圍內，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]。由于下行鏈路數據經過了獨立的多子載波信道衰減，在同一時刻經歷深衰落的概率很小，因此采取適當的多徑合并處理后，接收到信號的衰落程度就會減少，從而確保圖像信息基本保持沒有變化，這也是COFDM的技術優點之一。

3 四合一天線合路器的設計

在一個無人載運平臺上，裝配了4部高清攝像機，分別用于觀察前方遠景、前方近景、后方近景和高架360°環視圖像，每一部攝像機的視頻圖像輸入至COFDM圖傳設備中。通常這種情況下，該平臺上有4根天線，為減少天線數量提高載運平臺的空間使用率，設計了四合一發射天線合路器，使得天線的數量降低至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計，每臺接收機至少需要配置2根天線，為減少天線數量，設計了八合一接收天線合路器。此處僅列述四合一發射天線合路器的設計思路。

3.1 設計原理

結合前述的4種天線合路器的實現方式和技術特點，采取可切換不可調高Q值濾波器的構架形式設計四合一發射天線合路器。

如圖6所示，四對控制開關和大功率LC濾波器構成開關濾波器，工作時每個開關濾波器組選擇1路進行工作。開關濾波器的開啟和關閉需要輸入頻點變化控制線切換控制，每一個時刻只有1個濾波器打開。

圖6 四合一發射天線合路器設計

四合一發射天線合路器的頻率范圍設定為225～375 MHz，每路開關濾波器的通過承受功率≥47 dBm。在大功率情況下不能使用變容二極管，每個濾波器的通帶帶寬6～8 MHz，頻點之間的頻帶有一定交叉，每個頻點帶外10%外抑制≥25 dB，通過 4個濾波器組完成帶內濾波工作。

3.2 開關濾波器的設計與仿真

濾波器設計采用切比雪夫型設計實現，如圖7所示。

圖7 切比雪夫濾波器的ADS設計

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

圖8 濾波器響應仿真

濾波器切換開關采用PIN二極管開關，每個開關2個二極管，一串一并，原理如圖9所示。

圖9 濾波器切換開關原理

開關通斷比指標的驗證：每路功放輸入對應4個開關濾波器，4路功放共16個，則16個的總和為12 dB，另外合路器整體隔離度≥25 dB，所以開關總的通斷比應該≥37 dB。設定40 dB的開關通斷比指標是比較容易實現的。

3.3 試驗結果

在一個無人載運平臺系統中，使用了4套COFDM圖傳設備，在發射端使用了四合一發射天線合路器，在接收端使用了八合一接收天線合路器，通過實際環境通信試驗驗證，COFDM下行鏈路工作正常，四路圖像信息在傳輸過程中無失真無“馬賽克”現象，而且同期對比了5.8 GHz單載波微波圖像通信設備，結果表明，采取超短波COFDM體制的圖像傳輸具備傳輸距離遠、信號延時小等特點。這也表明了天線合路器和COFDM設備的接口匹配良好，能夠滿足系統工作要求。

4 結束語

隨著通信技術的迅猛發展，多鏈路的通信系統日益增多，“天線合路”的適用場景也越來越廣泛。研制和完成多路天線合路器的方式有很多種，應該根據技術實現的可行性進行選擇，特別強調注意天線合路器的承載功率以確保其安全通過性。在將來的應用中，以捷變頻濾波器為構架和以可切換不可調濾波器為構架的天線合路器都有非常大的適用空間。