地面数字电视广播系统分集技术研究
曹志 冯景锋 何剑辉
（国家广播电影电视总局广播电视规划院）
摘要 本文针对地面无线信号的多径传播衰落特点，讨论采用分集接收技术来进一步改善地面数字电视广播系统的抗衰落能力。文章介绍了多种分集技术以及分集合并方法，同时介绍了三种分集技术与均衡技术相结合的结构，理论上分析并仿真验证了分集技术可更加有效的适应信道的动态变化。利用测试评估板，作者进行了实验室测试与实际外场测试，进一步确定了分集技术能够有效提升地面数字电视系统抗信道多径衰落的能力。 关键词 地面数字电视 分集 选择合并 最大比合并 等增益合并 均衡 1． 概述 对于我国的地面数字电视广播而言，如何借鉴与利用数字通信理论中的最新技术进步，开发频谱利用率高的技术，将成为广电领域新的着力点和增长点。多天线技术可有效增加传输容量，提高覆盖质量，增强抗干扰能力。分集技术作为多天线技术范畴中的一种方式，也必将对地面数字电视接收效果的提升带来帮助。 2． 分集技术简介 2.1 常用分集实现方法 分集的目的是通过获取多个独立衰落信号并将其合并，从而减少深度衰落的影响，以保证信号传输链路的可靠性。它的出发点是构造多条具有独立衰落特性的分集支路，对分集支路进行处理，当某支路遭遇深度衰落时，减少其在总输出信号中的权值或选择其他衰落较轻的支路作为输出信号，使衰落的影响大大降低。 根据获得分集支路的方法不同，分集的实现方法可以分为：空间分集、极化分集、角度分集和频率分集等。分集支路的处理方法也有多种，一般而言，在微观分集接收中，多使用合并器对所获得的独立衰落信号副本进行预处理。合并的方式有很多，但大多数都是基于对各个独立衰落支路的线性加权，如图1所示 每条径的加权因子中的相位Θi是为了对信号进行同相处理，以消除每条路径上信号的初始延时相位，使得各独立衰落信号在接收端合并前相位一致。如果没有消除各个路径的随机相位，多路信号不会在接收端相干加和，由此产生信号建设性相加和破坏性相加会引起加和信号幅度的剧烈变化，导致合并后的信号依然受到衰落的影响。三种常用的合并技术包括选择合并、最大比合并和等增益合并。 2.1.1 选择合并 在接收端选择所有支路中的最佳信号，即信噪比最大的信号，该信号对应的加权因子为1，其他都为0。 2.1.2 最大比合并 合并信号是所有支路信号的加权和，图1中的加权因子都为非零值。为增加合并信噪比，通常使信噪比高的支路权重大，信噪比低的支路权重小，所以应使加权因子与支路信噪比成正比。 2.1.3 等增益合并 等增益合并技术较为简单，直接将相干处理后的支路信号相加，在实现上相对最容易。 2.1.4 三种合并技术的比较 图2为三种合并技术在Rayleigh平坦衰落信道下的平均输出信噪比，曲线方程为 ，其中分别为三种合并技术的平均输出信噪比。如图所示，最大比合并性能最好，等增益合并次之，最后是选择合并。 分集技术是一种简单而有效的对抗信道动态衰落的技术。通过不同的分集实现方式可获得接收信号的多个独立衰落的信号副本，利用多个独立衰落副本同时深度衰落的概率很小这一特性，采用适当的分集合并技术，可提高接收信号的信噪比，实现分集增益。 3 国标单载波系统分集接收方案 对于无线通信单载波系统，通常采用均衡技术来对抗频率选择性衰落引起的码间干扰。均衡通常可以分为频域均衡和时域均衡。频域均衡是从频率响应考虑，使得包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真条件。频域均衡对群时延失真补偿能力较弱，尤其对最小相位衰落无能为力。而时域均衡是从时域冲击响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲击响应满足无码间串扰条件。时域均衡器利用产生的响应去补偿已畸变的信号，以消除判决时刻上的符号干扰，其最大特点是可采用结构相对简单的横向滤波器以及自适应算法来对抗动态频率选择性衰落。若将分集合并技术与均衡技术合理地结合，可以很好的解决对抗频率选择性动态衰落的问题。以下将分别介绍三种分集技术与均衡技术结合的接收结构。 3.1 双均衡支路选择合并结构 尽量提高判决器的输入信噪比是均衡系统设计的关键，因此可采用选择合并的方式。图3是采用双均衡支路选择合并均衡结构的地面数字电视广播国标单载波分集接收系统框图。 如图所示，接收机的两个均衡支路相互独立，共用一个判决器，选择器会依据MSE估计器的输出值选择MSE较小一路的均衡器估计值送入判决器，可使得均衡器的抽头系数能够正确跟踪上信道的变化，从而避免了判决器的突发性的判决错误，从而抑制了两个均衡器的误码扩散，进一步减小均衡器的误码率。由于均衡器始终选择MSE小的支路进行判决，其输出的信噪比始终与信噪比高的支路一致，使该结构的输出信噪比始终要优于单均衡支路的输出信噪比。图4是双均衡支路选择合并结构在不同输入信噪比下的输出信噪比曲线。 3.2 单均衡支路等增益合并结构 双均衡支路选择合并结构虽然可得到很好的效果，但需要两个均衡器，系统复杂度较大。采用单均衡支路等增益合并均衡结构可减小系统复杂度，如图5所示。 如图所示，该结构只有一个均衡器，两路独立衰落支路的信息符号直接相加，然后输入均衡器，当一条支路深度衰落时，另一条支路上的信息符号可给均衡器提供足够的信息。 但是，如果两路独立衰落信道响应中的可分辨多径数量以及多径的相对时延是相互独立的，那么两路信号的直接加和等于增加了信道的多径数量，增加信道的多径扩展，进而增加了码间干扰(ISI)的长度和均衡器对抗多径衰落的负担。同时，也给定时同步模块带来了新的要求，定时模块必须要消除两条分集支路之间的相对时延，才能使得两条支路的信息符号序列以及多径位置能够对齐，才不会增加等效信道多径数量和频谱函数的复杂度。 如图6所示，在800-1050帧之间，信噪比出现了3个较为严重的衰落，这是由于两个支路的初始相位相反导致信号间的破坏性相加，使得合并信号的信噪比显著降低造成的。虽然这样造成的衰落的持续时间较短，但由它产生的误码扩散也会对均衡器的性能造成一定的影响。 3.3 双前馈滤波器MMSE合并结构 双前馈滤波器的MMSE合并均衡结构，如图7所示。均衡器之前的部分与双均衡支路选择合并结构的接收机基本一致，采用了两个前馈滤波器，两个分集支路在前馈滤波器的输出端合并。 两个分集支路的信息符号序列分别输入两个前馈滤波器，两个前馈滤波器与反馈滤波器的输出相加作为均衡器对当前信息符号的估计值。由于均衡器采用重叠结构，且两个分集支路在前馈滤波器的输出端进行合并，因此两条分集支路中的信息符号序列不需要严格对齐，分集支路可以看作是完全独立的。前馈滤波器分别纠正各自的信道衰落，而它们的抽头系数则通过基于MMSE准则的自适应算法动态调整。两个前馈滤波器的抽头系数相互影响，在MMSE准则下达到系统整体最优。 图8是双前馈滤波器MMSE合并结构在不同输入信噪比下的输出信噪比曲线。如图所示，该结构不仅跟踪信道衰落的速度非常快，而且可以大幅提高均衡器的输出信噪比。 3.4 三种结构的性能比较 图9给出了结合分集接收的三种均衡结构的误码率曲线。如图所示，单均衡支路等增益合并结构与双均衡支路选择合并结构的性能大致相当，但都远低于双前馈滤波器MMSE合并结构。 单均衡支路等增益合并结构，源于无法消除各个径的初始相位，多径的建设性相加和破坏性相加，阻碍了均衡器性能的提高；双均衡支路选择合并结构，源于两个均衡器在对抗信道衰落时是相互独立的，抽头系数不能获得足够的信息以跟踪信道变化，从而限制了均衡器的性能；双前馈滤波器MMSE合并结构，均衡器则可获得足够的信息在MMSE准则下调整抽头系数，使输出信噪比维持在一个较高的水平。 4 分集接收实验室测试和外场测试 为了全面、客观准确评估地面数字电视分集接收系统的实际性能，在理论仿真分析的基础上，通过与国家电视产业基地建立合作，采用法国迪康公司生产的以DIB30092M芯片组为核心、研制开发了支持双天线分集接收的测试评估电路板，如图10所示，并进行了实验室和外场两方面的性能评估对比测试工作。
4.1 实验室接收性能试验
相对外场性能测试而言，实验室性能测试能够准确地获得被测系统的各项性能指标。图11给出了地面数字电视系统实验室性能测试框图，实验室性能测试环境包括了发端设备、收端设备以及各种专用测试设备。 如图12所示，接入一路地面数字电视信号至测试板天线输入端口，单路信号输入，无分集效果产生。如图13所示，接入两路不相关的地面数字电视信号至评估板天线端口，可见未分集支路信噪比为11.12dB，分集支路信噪比为14.54dB，直观展示出分集技术对信噪比带来的提升。 地面数字电视三种常用模式，在高斯、莱斯和瑞利三种常用信道环境下，经过分集后均能产生3dB左右的分集增益，见表1。
表1 地面数字电视多种常用模式与多种信道环境下的分集效果测试
| 信道模型 | C=3780 16QAM 0.8 PN=420 720 | C=3780 64QAM 0.6 PN=420 720 | C=1 32QAM 0.8 PN=595 720 | |
| 高斯信道 | 场强（dBm） | -51.54 | -51.49 | -51.34 |
| C/N（dB） | 27.39 | 27.3 | 25.44 | |
| C/N MRC（dB） | 30.55 | 30.1 | 28.63 | |
| 莱斯信道 | 场强（dBm） | -51.55 | -51.84 | -51.95 |
| C/N（dB） | 24.52 | 24.5 | 22.87 | |
| C/N MRC（dB） | 27.67 | 27.43 | 25.92 | |
| 瑞利信道 | 场强（dBm） | -51.86 | -52.05 | -52.15 |
| C/N（dB） | 24.52 | 24.27 | 20.58 | |
| C/N MRC（dB） | 27.33 | 27.31 | 23.03 | |
4.2 外场接收性能试验 为了与仿真结果和实验室测试结果对比，作者开展了针对DS-32(多载波模式)和DS-33(单载波模式)频道的外场分集接收效果测试。 4.2.1移动接收测试效果 测试选择北京市二环路作为DS-32频道多载波模式的测试路线，三环路作为DS-33频道单载波调制模式的测试路线。图14与15分别给出了地面数字电视广播多载波模式和单载波模式分集接收测试系统，与非分集接收测试系统实际接收信噪比(SNR)分布示意图。如图所示，通过引入分集接收技术，接收信噪比得到显著提升。 4.2.2 现场固定接收测试 在移动接收评估测试的基础上，作者又针对性地开展了固定接收性能的对比测试。在北京市选取了9个典型测试点（涵盖楼群密集、相对开阔、室外接收、浅室内接收以及深室内接收等）。测试内容包括：信号电平、载噪比C/N。其中信号电平反映了测试点接收信号的质量；载噪比C/N是验证分集接收效果的重要参考依据。结果见表2。 表2 地面数字电视广播性能对比测试
| 序号 | 地点 | 接收信号电平（dBm） | 载噪比C/N（dB） | ||
| 非分集 | 分集接收 | 非分集 | 分集接收 | ||
| 1 | 十里河 | -72.32 | -72.45 | 10.28 | 13.85 |
| 2 | 北太平桥 | -84.56 | -84.44 | 8.75 | 11.35 |
| 3 | 紫竹桥 | -65.89 | -65.78 | 14.1 | 17.63 |
| 4 | 丽泽桥 | -65.23 | -65.34 | 14.35 | 19.27 |
| 5 | 光明桥 | -76.02 | -76.17 | 17.56 | 20.08 |
| 6 | 东直门 | -77.75 | -77.73 | 13.45 | 16.21 |
| 7 | 西直门 | -77.9 | -77.56 | 11.9 | 15.25 |
| 8 | 平安里 | -78.13 | -78.79 | 14.89 | 18.09 |
| 9 | 菜市口 | -88.26 | -88.67 | 10.14 | 14.1 |
从测试结果可以看出，分集技术对信号强度影响不大，但信噪比可提高大约3dB左右，这充分验证了分集接收结构能够提高系统抗信道多径衰落的能力。在不增加发射功率的情况下，扩大了接收范围。在经济性和系统优化成本之间取得了良好的平衡，具有实际应用的价值。 5． 结束语 传统地面数字电视接收结构只能通过复杂且运算繁重的均衡和信道估计来对抗多径衰落导致的信号失真。分集接收技术是一种常见且十分有效的对抗信道平坦性衰落的手段，其应用可以改善地面数字电视广播的接收性能，保障地面数字电视广播网络的覆盖质量、提高传输效率，从而推动提高广电无线频谱资源的使用率，降低铺设地面数字电视广播网络的成本。随着我国地面数字电视广播在全国范围的普及应用，分集接收技术的实际应用将促进我国地面数字电视的发展迎来更加美好的明天。 参考文献 BALABANP, SALZ J. Dual diversity combining and equalization in digital cellular mobile radio[J]. IEEE Tram. Vehicular Technalogy, 199l.40(5):342-354. VOOIS P A, LEE I, CIOFFI J M.The effect of decision delay in finite-length decision feedback equalization[J].IEEE Trans. Informarion Theory,1996.42(2)：618-621. 卢洋，何大治，管云峰，张文军，DTTB单载波系统的分集接收与均衡性能研究[J]，数字电视，2009, 33(03), 4-6. GB20600-2006, 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S]. 2006. [美]J.G.Proakis 著，张力军等译，数字通信（第五版）[M]. 北京：电子工业出版社，2011. 杨知行，王军，潘长勇，王劲涛等，地面数字电视传输技术与系统[M]. 北京：人民邮电出版社，2009. Clark M.V., Greenstein L.J., Kennedy W.K., MMSE diversity combining for wide-band digital cellular radio[J], Communications, IEEE Transactions, 1992, 40(6): 1128-1135. John C. L. Ng, Khaled Ben Letaief, Ross D. Murch, Antenna Diversity Combining and Finite-Tap Decision Feedback Equalization for High-Speed Data Transmission[J], communications, IEEE Journal on, 1998,16(8): 1367-1375.
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