CN101673879B - 一种基于分集技术的电视接收天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分集技术的电视接收天线系统，该电视接收天线系统中的高性能室外全频道电视接收天线为方向性较强的八木振子天线，一组天线间指向有偏差且相互间隔距离d≥λ/2，天线带宽为全频道；高性能室外全频道电视接收天线接收到的信号通过全频道射频底噪声放大器及混合电路增益放大后进入多输入最大合并比合路器，功率检测器测量多输入最大合并比合路器输出的功率，得到相应功率控制相位信息，通过自适应算法，得到控制相位偏移量并输入到全频道射频底噪声放大器及混合电路控制其相位变化，使得多输入最大合并比合路器输出最大功率。本发明能有效提高电视接收机的灵敏度，克服“重影”和“雪花”现象，改善电视画面质量。

Description

一种基于分集技术的电视接收天线系统

技术领域

本发明涉及一种电视接收天线。具体地说是一种基于分集技术的电视接收天线系统。

背景技术

当前，数字电视技术的发展与普及速度相对较慢，其主要原因在于其技术过于复杂，还不能与模拟体制兼容，网络改造和使用成本太高。由于电磁环境的恶化及发射设备的陈旧，无线电视广播传输质量极大下降，已到了没有有线电视就无法收看电视主节目的地步。无线电视频段的电波传播是通过直射、反射、散射等多条传播路径进行的。各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏、不稳定的，这些多径信号相互迭加就会形成衰落。也就是我们看到的电视画面的闪烁、重影等现象，因此，通常定义无线电视传播信道是一种多径衰落信道。

研究表明，无线电视传播信道属于“慢衰落”，这种衰落服从对数正态分布。分集技术是克服多径衰落的一个有效方法。采用这种方法，电视接收机可对多个携带相同信息且衰落特性相互独立的接收信号在合并处理之后再输入到电视机。

减弱慢衰落宜采用空间分集，即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号，以保证各信号之间的衰落独立。由于这些信号传输过程中地理环境不同，因而各信号的衰落各不相同。利用选择合成技术选出信号较强的一个输出，从而大大降低地形等因素对信号的影响。

由于现代城市的快速发展，高楼林立，各种通信系统迅速增加。高楼大厦对无线电波的传播直接造成了遮挡、反射、折射等障碍；各种无线通信系统和电磁设备对无线信道的干扰不断增多。因而就需要一种能利用空间分集技术有效克服无线收视的“重影”等干扰，提高电视机接收灵敏度的电视接收天线系统。目前市场上还没有这类高性能、低成本的产品。

发明内容

为了克服现有电视接收天线系统存在的问题，本发明的目的是提供一种基于分集技术的电视接收天线系统。该电视接收天线系统将现代通信技术中的空间分集技术实际应用到电视的无线接收过程中，通过在家用电视接收机端增设一副及以上天线，并运用信号合并技术来对抗多径效应，可有效提高电视接收机的灵敏度，克服“重影”和“雪花”等现象，改善电视画面质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于分集技术的电视接收天线系统，其特征在于：该电视接收天线系统包括一组至少二副以上的高性能室外全频道电视接收天线、一组全频道射频底噪声放大器及混合电路、多输入最大合并比合路器和功率检测器，一组全频道射频底噪声放大器及混合电路的数量与一组高性能室外全频道电视接收天线相适配；所述高性能室外全频道电视接收天线为方向性较强的八木振子天线，一组天线间指向有偏差且相互间隔距离d≥λ/2，其中λ为工作波长，天线带宽为全频道；一组高性能室外全频道电视接收天线接收到的信号通过全频道射频底噪声放大器及混合电路增益放大后进入多输入最大合并比合路器，功率检测器测量多输入最大合并比合路器输出的功率，得到相应功率控制相位信息，通过自适应算法，得到控制相位偏移量并输入到全频道射频底噪声放大器及混合电路控制其相位变化，使得多输入最大合并比合路器输出最大功率。

本发明在电视接收端设置两副天线，两副天线之间的距离d≥λ/2(λ为工作波长)，以保证接收天线的输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，分集天线把原本无线通信中有害的多径效应变为有用的因素，将多径信号分离出来，使其互不相干，然后经相应的合并电路将两路接收信号进行组合，得到一个总的接收天线输出信号。这就降低了信道衰落的影响，改善了电视接收的质量。

本发明中多输入最大合并比合路器的合并准则为：如果接收机中存在多条接收分支，则把这些分支所接收的信号进行组合，以获得极大化的信号功率；合并原理如下：

假设每个分支的包络r_i的衰弱服从瑞利分布，合并后组合信号r(t)可用下式表示

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{r}_k\left(t\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,M$

其中，r_k(t)记为第k(k＝1，2，…M)条路径上所收到的信号副本，a_k表示其加权系数，r(t)表示最后得到组合信号；为了便于分析和比较分集技术对系数传输性能的影响，需要对系数a_k归一化，即满足 $\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^2=1$

在最短时间内自动调节加权系数a_k使得组合信号r(t)的信号功率最大，就得到最大信号合并方式。

高性能室外全频道电视接收天线采用先进的非线性自适应盲算法；自适应算法是一个非线性的自适应盲算法，无需空间信号或导频信号的先验知识作为训练序列，保证算法简单，算法原理描述如下：

设两个天线单元空间间隔为d，第一个单元作为参考；假设一个信号从侧面以角度θ到达参考天线，则参考天线接收到的信号为

x₁(t)＝Acos(ω₀t+ρ)

其中，A是幅值，ω₀是中心角频率，ρ是0～2π的随机变量；

天线第二单元收到的信号为：

其中φ＝2πdsinθ/λ，表示两单元间由于几何结构造成的相位差；θ的取值在-π/2≤θ≤π/2；

天线第二单元有一全反馈回路，输出结果中相移调整Ψ，则：

阵列信号输出为：

输出功率为：

$\mathrm{\ψ}(i+1)=\mathrm{\ψ}\left(i\right)+\mathrm{\υ}\·\sin \left[\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right]$

其中，

，表示Ψ和它的最佳值的偏差；别外，输出功率归一化为：

$P\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{P}{A^2}=1+\cos \mathrm{\α}$

显然，当α＝0时，P(α)达到最大；即通过调整α的值楞使得输出功率最大；

引入迭代算法来达到输出功率最大；将时间离散化，则相移迭代为：

$\mathrm{\ψ}(i+1)=\mathrm{\ψ}\left(i\right)+\mathrm{\υ}\·\sin \left[\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right].$

全频道射频底噪声放大器及混合电路采用MAX261芯片，频带从极低频率到1100MHZ，全部覆盖电视VHF和UHF频段，在500MHZ处其放大增益可达到18dB；在整个频率范围内噪声系数只有3dB左右且低格低廉。

本发明采用了一种先进的非线性自适应盲算法。电视终端的多副天线具有自适应的特点，它可以很好地抑制干扰，并提高通信链路的质量。自适应算法是一个非线性的自适应盲算法，无需空间信号或导频信号的先验知识作为训练序列，保证算法简单，且使合路后的输出功率为最大。

本发明充分利用现有模拟电视网络资源，通过技术改造，优化现有无线网络，在模拟与数字过度期起到很好的桥梁作用。本发明将现代通信技术中的空间分集技术实际应用到电视的无线接收过程中，通过在家用电视接收机端增设一副及以上天线，并运用信号合并技术来对抗多径效应，可有效提高电视接收机的灵敏度，克服“重影”和“雪花”等现象，改善电视画面质量，特别是在我国广大农村地区，利用分集技术这种简单高效的无线收视方式将有很大的市场空间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中全频道射频底噪声放大器电路图；

图3是本发明中非线性自适应盲算法示意图。

具体实施方式

一种本发明所述的基于分集技术的电视接收天线系统，见图1，该电视接收天线系统包括一组至少二副以上的高性能室外全频道电视接收天线1、一组全频道射频底噪声放大器及混合电路2、多输入最大合并比合路器3和功率检测器4。一组全频道射频底噪声放大器及混合电路2的数量与一组高性能室外全频道电视接收天线1相适配。根据用户接收地点的条件可以设置二副及以上方向性较强的八木振子天线，天线一般架设在室外，天线间指向有偏差且相互间隔距离d≥λ/2，其中λ为工作波长，天线带宽为全频道。一组高性能室外全频道电视接收天线1接收到的信号通过全频道射频底噪声放大器及混合电路2增益放大后进入多输入最大合并比合路器3，功率检测器4测量多输入最大合并比合路器3输出的功率，得到相应功率控制相位信息，通过自适应算法，得到控制相位偏移量并输入到全频道射频底噪声放大器及混合电路2控制其相位变化，使得多输入最大合并比合路器3输出最大功率，从而有效克服因多径效应引起的相位误差，改善电视画面质量。

本项发明的工作原理是：①首先利用的是分集技术。分集技术是指通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的(至少是高度不相关的)多径信号来实现，简单的说，如果一条无线传播路径中经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号，因此可以在多个信号中选择两个或更多的信号进行合并，这样可以同时提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，一般可提高20dB到30dB。分集技术是无线通信的一种抗衰落技术，是一种用相对较低廉的投资就可以大幅度的改进无线链路性能的强有力的接收技术。分集技术就是利用两个或更多的不相关信号进行处理，不相关信号的采集可以通过空域、时域和频域三种方式实现。而空间分集是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d≥λ/2(λ为工作波长)，以保证接收天线的输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路或将多路接收信号进行某种组合，得到一个总的接收天线输出信号。这就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。②合并准则。如果接收机中存在多条接收分支，则需要把这些分支所接收的信号进行组合，以获得极大化的信号功率。其实，分集接收的实质就是在接收端如何将得到的这些不相关的信号副本进行组合。

合并后信号r(t)可用下式表示

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{r}_k\left(t\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,M$

其中，r_k(t)记为第k(k＝1，2，…M)条路径上所收到的信号副本，a_k表示其加权系数，r(t)表示最后得到组合信号。为了便于分析和比较分集技术对系数传输性能的影响，需要对系数a_k归一化，即满足 $\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^2=1$

若加权系数中只有一个不为零，其他皆为零，即a_k1＝1，a_k2＝0(k₁≠k₂；k1，k2＝1，2，…，M)。这种组合方法为最佳选择合并方式(OSC，OptimalSelectionCombining)；若不论信号优劣，把所有收到的信号全都叠加起来，即a₁＝a₂，就得到等增益合并方式(EGC)。若在最短时间内自动调节加权系数a_k使得组合信号r(t)的功率最大，就得到最大合并比方式(MRC)。③宽带低噪声射频放大器。宽带低噪声射频放大器在无线电视接收过程中起着非常重要的作用，弱信号通过它能显著提高输出电平，从而改善信噪比，使收到的电视图像更为理想。宽带低噪声射频放大器采用MAX261芯片，频带可从极低频率到1100MHZ，全部覆盖电视VHF和UHF频段，在500MHZ处其放大增益可达到18dB。在整个频率范围内噪声系数只有3dB左右。宽带低噪声射频放大器的电路图如图1所示，其输入与输出端均应串接隔直小电容，印刷电路需设计微带型，以减少高频损耗。④非线性自适应盲算法。对于无线通信而言，在移动通信方面，基站智能天线已做了大量研究，许多成果已得到应用。但对无线移动终端智能天线的研究却进展缓慢。这主要是因为：移动终端体积有限，使得移动终端的天线数目不可能太多，天线尺度也不可能太大。而且要考虑终端的移动性，所以天线方向图尽可能全向。在移动终端操作成本和复杂性是首要考虑的问题之一。另外，在移动终端，自适应信号处理的算法要求快速。这就要求简单的计算和简单的硬件处理，制约了终端的性能的提高。

如果无线终端采用自适应天线，就可以很好地抑制干扰，并提高通信链路的质量。

如图3所示，自适应算法是一个非线性的自适应盲算法，无需空间信号或导频信号的先验知识作为训练序列，保证算法简单。

设两个天线单元空间间隔为d，第一个单元作为参考。假设一个信号从侧面以角度θ到达参考天线，则参考天线接收到的信号为

x₁(t)＝Acos(ω₀t+ρ)

其中，A是幅值，ω₀是中心角频率，ρ是0～2π的随机变量。

天线单元2收到的信号为：

其中φ＝2πdsinθ/λ，表示两单元间由于几何结构造成的相位差。θ的取值在-π/2≤θ≤π/2。

天线单元2有一全反馈回路，输出结果中相移调整Ψ，则：

阵列信号输出为：

输出功率为：

$\mathrm{\ψ}(i+1)=\mathrm{\ψ}\left(i\right)+\mathrm{\υ}\·\sin \left[\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right]$

其中，

表示Ψ和它的最佳值的偏差。别外，输出功率归一化为：

$P\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{P}{A^2}=1+\cos \mathrm{\α}$

显然，当α＝0时，P(α)达到最大。这就充分说明，通过调整α的值楞使得输出功率最大。

引入迭代算法来达到输出功率最大。将时间离散化，则相移迭代为：

$\mathrm{\ψ}(i+1)=\mathrm{\ψ}\left(i\right)+\mathrm{\υ}\·\sin \left[\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right]$

本发明将现代通信技术中的空间分集技术实际应用到电视的无线接收过程中，通过在家用电视接收机端增设一副及以上天线，并运用信号合并技术来对抗多径效应，可有效提高电视接收机的灵敏度，克服“重影”和“雪花”等现象，改善电视画面质量。

Claims (2)

1.一种基于分集技术的电视接收天线系统，其特征在于：该电视接收天线系统包括一组至少二副以上的高性能室外全频道电视接收天线(1)、一组全频道射频底噪声放大器及混合电路(2)、多输入最大合并比合路器(3)和功率检测器(4)，一组全频道射频底噪声放大器及混合电路(2)的数量与一组高性能室外全频道电视接收天线(1)相适配；所述高性能室外全频道电视接收天线(1)为方向性较强的八木振子天线，一组天线间指向有偏差且相互间隔距离d≥λ/2，其中λ为工作波长，天线带宽为全频道；一组高性能室外全频道电视接收天线(1)接收到的信号通过全频道射频底噪声放大器及混合电路(2)增益放大后进入多输入最大合并比合路器(3)，功率检测器(4)测量多输入最大合并比合路器(3)输出的功率，得到相应功率控制相位信息，通过自适应算法，得到控制相位偏移量并输入到全频道射频底噪声放大器及混合电路(2)控制其相位变化，使得多输入最大合并比合路器(3)输出最大功率；多输入最大合并比合路器(3)的合并准则为：如果接收机中存在多条接收分支，则把这些分支所接收的信号进行组合，以获得极大化的信号功率；合并原理如下：

假设每个分支的包络r_i的衰弱服从瑞利分布，合并后组合信号r(t)可用下式表示

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{r}_k\left(t\right),k=\mathrm{1,2},...,M$

其中，r_k(t)记为第k(k＝1，2，…M)条路径上所收到的信号副本，a_k表示其加权系数，r(t)表示最后得到组合信号；为了便于分析和比较分集技术对系数传输性能的影响，需要对系数a_k归一化，即满足

在最短时间内自动调节加权系数a_k使得组合信号r(t)的信号功率最大，就得到最大信号合并方式。

2.根据权利要求1所述的一种基于分集技术的电视接收天线系统，其特征在于：全频道射频底噪声放大器及混合电路(2)采用MAX261芯片，频带从极低频率到1100MHZ，全部覆盖电视VHF和UHF频段，在500MHZ处其放大增益可达到18dB；在整个频率范围内噪声系数只有3dB左右。

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