最大比合并分集接收對移動微波傳輸的改善

周 灝，沈 宏

（蘇州廣播電視總臺，江蘇 蘇州 215006）

最大比合并分集接收對移動微波傳輸的改善

周 灝，沈 宏

（蘇州廣播電視總臺，江蘇 蘇州 215006）

移動微波傳輸在多項體育賽事的直播中有著廣泛應用，由于其傳輸條件復雜，往往接收效果受到不良影響。為了獲得更好的接收效果，提出采用空間分集接收和最大比合并，配合編碼正交頻分復用，進一步提高信噪比，降低了接收門限。經過競走比賽移動數字微波傳輸的實際應用，該方法確能改善傳輸效果。

移動數字微波；空間分集；最大比合并

多項體育賽事的直播中，往往需要移動微波傳輸，但由于其傳輸環境時刻變換，多徑傳輸通道復雜，會影響傳輸效果。為了保障廣播電視信號更好的傳輸，獲得更大的信噪比，通常采用分集技術進行接收，典型的有分集技術、均衡技術、擴頻技術、交織技術和信道糾錯編碼等技術，其中又以分集最為有效[1]。本文在天線的空間分集接收的基礎上，橫向比較多種合并接收技術，提出采用最大比合并接收的方案，并通過實際傳輸檢測，證明此方案能夠有效改善傳輸效果。

1 微波傳輸系統

在廣播電視信號傳輸中，由于地理位置、覆蓋范圍、傳輸成本以及移動傳輸的要求，微波無線傳輸一直是一種重要的傳輸方式。微波傳輸主要涉及以下幾個方面：1）頻帶的選擇。廣播電視根據目前能采用的頻段主要有電視信號發射頻率，通常是米波、分米波頻段；點對點微波傳輸有7～8 GHz頻段。頻率越高，天線越容易做到小型化、高增益，但是衰減也越大，所以需要根據電視臺能使用的頻率范圍作出選擇。2）傳輸覆蓋的要求。如果是兩個固定點之間的點對點信號傳輸，通常采用拋物面天線獲得高增益、強方向性的傳輸。如果是移動傳輸，例如做競走或馬拉松直播之類的傳輸，往往對微波天線方向性的要求不能太強，同時天線的增益不能太低，否則很難滿足不斷變化的傳輸環境。

本文闡述的是移動微波傳輸，在以往的電視直播中，采用移動傳輸帶來的主要問題是接收信號的信噪比波動較大，且在某些地點的接收信噪比偏低。傳統的解決方法是對于一些信號較低的地方用微波中繼補點的方式接力傳輸，但是這種方法需要架設許多設備，而且要避免同頻率的干擾，不夠方便。本文采用的方法是通過分集接收和最大比合并技術，在移動傳輸環境不斷變化的條件下，盡可能增大接收信噪比，降低接收機的場強接收門限，從而減少中繼點的架設，使得移動傳輸更加簡便。

2 分集接收技術

分集接收主要為了改善信號的多徑傳輸，信號經過不同路徑，衰減不同，接收系統將多個統計獨立的衰落信號進行合并，從而降低衰減對信號的影響。

常見的分集技術有空間分集、頻率分集、時間分集、極化分集等。本文主要論述空間分集技術。

空間分集的依據在于快衰落的空間獨立性，即在任意兩個不同的位置上接收同一個信號，只要兩個位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號的衰落是不相關的。本系統使用兩個不同的接收天線，一副全向天線和一副定向天線，全向天線增益略低，但是可以接收多方向的微波信號，定向天線增益大，但是對方向性要求很高，需要旋轉天線以跟蹤發射信號，兩副天線之間的距離大于10倍波長，以降低2個接收信號的相關度。

3 多種合并技術的類比

通常情況下，分集合并系統指的是選擇式合并、最大比合并、等增益合并[2-3]，下面分別展開論述。

3.1 選擇式合并

選擇式合并是指檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一個支路的信號作為合并器的輸出。即多路接收信號分別經過解調后，選擇其信噪比大的一路使用，其余各路均放棄不用。

選擇式合并又稱開關式相加。這種方式方法簡單，實現容易。但由于未被選擇的支路信號被放棄，因此抗衰落效果不是最佳。

3.2 最大比合并

最大比合并時各支路加權系數與本路信號幅度成正比，而與本路的噪聲功率成反比，合并后可獲得最大信噪比輸出。若各路噪聲功率相同，則加權系數僅隨本路的信號振幅而變化，信噪比大的支路加權系數就大，信噪比小的支路加權系數就小。最大比合并可以獲得最大的輸出信噪比，證明如下：

最大比合并輸出信噪比為

合成信噪比γR（a1,a2,a3,…,ak）是一個關于{ak}，（k=1，2，…，M）的多元函數，當該函數取得極值時，即可得最大值。

加權系數ak，信號包絡為rk均不是0，式（4）化簡為

將k=1代入式（5），得

將k=2代入式（5），得

式（6）乘以a2，得

式（7）乘以a1，得

式（8）減式（9），得

即每路信號的加權系數正比于信號包絡幅度，同理證明出其反比于噪聲功率。

再求出合成信噪比最大值

共有M路支路，則最大比合并輸出信號包絡為

最大比合并輸出信噪比為

由于各支路不相干，合并時總噪聲功率是相加的，而信號是幅度疊加。

各支路信噪比為

即rk=2Nkγk，代入式（3），得

根據Cauchy-Schwarz不等式，得

令p=akNk，q=γk，則

式（17）代入式（15），得

由式（18）可知，最大比合并輸出所能達到的最大信噪比為各支路信噪比之和。

3.3 等增益合并

等增益合并無需對信號加權，各支路的信號是等增益相加的。相比較于最大比合并，很多情況下，按照最大比合并產生可變的增益系數不方便，因此，退而求其次出現了等增益合并，在接收路數足夠多的條件下，接收機從大量不能解調出信號的支路中，合成出一個可解調信號的概率仍然很大。

4 實測數據分析

以本臺參與轉播的太湖競走比賽為例，賽事地形、接收天線放置示意圖如圖1所示。

圖1 賽事地圖（截圖）

本臺以衛星微波傳輸車的全向天線為信號發射點，跟拍競走運動員，以比賽賽場中點，即圖2上標注的起點，架設一副全向天線，一副定向八木天線做空間分集接收。

圖2 MRC空間分集接收系統示意圖

為比較采用最大比合并技術后帶來的改善，類比上文所提到的接收合并技術中的選擇式合并和最大比合并的效果，本次測試首先模擬選擇式合并的接收環境，只用一副全向接收天線和一個加了多級衰減器、實際接收場強低于-99.9 dBm的天線，進行模擬選擇式接收效果測試。此時相當于系統會選擇那副全向天線的接收信號，記錄下來信號場強的接收門限。接收天線現場見圖3。單天線接收效果如表1所示。

圖3 接收天線現場圖（截圖）

當使用選擇式合并系統，相當于只有單天線接收的時候，信號的接收門限在-93.5 dBm，此路接收場強若低于該值，則會導致信噪比下降，無法完成解調。

下面在同樣的地方測試最大比合并系統的接收效果，在原有全向天線的基礎上，再添加定向天線，為了測試系統接收門限，故意偏轉方向，使得定向天線接收的場強減小，強度大約和全向天線相等，此時發射天線與發射功率均不變，測試結果如表2所示。

表1 單天線接收效果表

表2 雙天線分集接收效果表

采用雙天線分集接收系統時，信號的接收門限在-98.3 dBm，當雙路接收場強都低于該值，則會導致信噪比下降，無法完成解調。

圖4 分集接收系統結果比較圖

當采用雙天線分集接收系統時，即使每一個天線的場強偏低，無法達到信噪比要求，兩副天線接收的信號通過最大比合并技術，仍然可能達到信噪比的要求，從而降低了場強的接收門限約5 dB，可見在相同傳輸環境中，最大比合并系統的接收效果優于選擇式合并系統，采用最大比合并技術改善了移動微波傳輸系統。

在實際競走轉播中，采用最大比合并技術和空間接收分集技術，發射天線仍使用全向天線，接收系統采用空間位置不同的一幅全向天線和一幅定向天線，且定向天線跟隨發射天線轉動，所獲得的場強更強，充分利用最大比合并技術的優勢，整體接收效果得到更大改善。

5 結束語

本文以工作中實際遇到的問題為例，提出了移動微波傳輸中遇到的多徑干擾問題，通過空間分集接收和最大比合并技術，有效地提高了信噪比，降低了場強接收門限，改善了傳輸效果。由于作者經驗不足，論文中的不當之處，請批評指正。

[1] 斯圖伯爾.移動通信原理[M].2版.裴昌幸，聶敏，岳安軍，譯.北京：電子工業出版社，2004.

[2]彭國祥，莊銘杰，林比宏.常見分集合并系統的性能分析[J].電訊技術，2005（6）：58-62.

[3] 盧洋，何大治，管云峰，等.DTTB單載波系統的分集接收與均衡性能研究[J].電視技術，2009，33（3）：4-6.

責任編輯：許 盈

Improvement of Mobile Microwave Transmission by MRC Receiver Diversity

ZHOU Hao,SHEN Hong
（Suzhou Broadcasting System,Jiangsu Suzhou 215006,China）

Mobile microwave transmission is widely used in sport live broadcast.Due to its complex transmission condition,receiver would have negative influence.In order to get better receive effect,Space Diversity with Maximal Ratio Combining is introduced,which also includes COFDM,can improve signal-to-noise ratio,and decrease receiver threshold level.Using this method,the receiver can improve mobile digital microwave transmission in live broadcast of race walking.

mobile digital microwave transmission;space diversity;MRC

TN949

B

10.16280/j.videoe.2015.08.004

2014-11-03

【本文獻信息】周灝，沈宏.最大比合并分集接收對移動微波傳輸的改善[J].電視技術，2015，39（8）.