最大比合并分集接收对移动微波传输的改善

周 灏，沈 宏

（苏州广播电视总台，江苏 苏州 215006）

最大比合并分集接收对移动微波传输的改善

周 灏，沈 宏

（苏州广播电视总台，江苏 苏州 215006）

移动微波传输在多项体育赛事的直播中有着广泛应用，由于其传输条件复杂，往往接收效果受到不良影响。为了获得更好的接收效果，提出采用空间分集接收和最大比合并，配合编码正交频分复用，进一步提高信噪比，降低了接收门限。经过竞走比赛移动数字微波传输的实际应用，该方法确能改善传输效果。

移动数字微波；空间分集；最大比合并

多项体育赛事的直播中，往往需要移动微波传输，但由于其传输环境时刻变换，多径传输通道复杂，会影响传输效果。为了保障广播电视信号更好的传输，获得更大的信噪比，通常采用分集技术进行接收，典型的有分集技术、均衡技术、扩频技术、交织技术和信道纠错编码等技术，其中又以分集最为有效[1]。本文在天线的空间分集接收的基础上，横向比较多种合并接收技术，提出采用最大比合并接收的方案，并通过实际传输检测，证明此方案能够有效改善传输效果。

1 微波传输系统

在广播电视信号传输中，由于地理位置、覆盖范围、传输成本以及移动传输的要求，微波无线传输一直是一种重要的传输方式。微波传输主要涉及以下几个方面：1）频带的选择。广播电视根据目前能采用的频段主要有电视信号发射频率，通常是米波、分米波频段；点对点微波传输有7～8 GHz频段。频率越高，天线越容易做到小型化、高增益，但是衰减也越大，所以需要根据电视台能使用的频率范围作出选择。2）传输覆盖的要求。如果是两个固定点之间的点对点信号传输，通常采用抛物面天线获得高增益、强方向性的传输。如果是移动传输，例如做竞走或马拉松直播之类的传输，往往对微波天线方向性的要求不能太强，同时天线的增益不能太低，否则很难满足不断变化的传输环境。

本文阐述的是移动微波传输，在以往的电视直播中，采用移动传输带来的主要问题是接收信号的信噪比波动较大，且在某些地点的接收信噪比偏低。传统的解决方法是对于一些信号较低的地方用微波中继补点的方式接力传输，但是这种方法需要架设许多设备，而且要避免同频率的干扰，不够方便。本文采用的方法是通过分集接收和最大比合并技术，在移动传输环境不断变化的条件下，尽可能增大接收信噪比，降低接收机的场强接收门限，从而减少中继点的架设，使得移动传输更加简便。

2 分集接收技术

分集接收主要为了改善信号的多径传输，信号经过不同路径，衰减不同，接收系统将多个统计独立的衰落信号进行合并，从而降低衰减对信号的影响。

常见的分集技术有空间分集、频率分集、时间分集、极化分集等。本文主要论述空间分集技术。

空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。本系统使用两个不同的接收天线，一副全向天线和一副定向天线，全向天线增益略低，但是可以接收多方向的微波信号，定向天线增益大，但是对方向性要求很高，需要旋转天线以跟踪发射信号，两副天线之间的距离大于10倍波长，以降低2个接收信号的相关度。

3 多种合并技术的类比

通常情况下，分集合并系统指的是选择式合并、最大比合并、等增益合并[2-3]，下面分别展开论述。

3.1 选择式合并

选择式合并是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。即多路接收信号分别经过解调后，选择其信噪比大的一路使用，其余各路均放弃不用。

选择式合并又称开关式相加。这种方式方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路信号被放弃，因此抗衰落效果不是最佳。

3.2 最大比合并

最大比合并时各支路加权系数与本路信号幅度成正比，而与本路的噪声功率成反比，合并后可获得最大信噪比输出。若各路噪声功率相同，则加权系数仅随本路的信号振幅而变化，信噪比大的支路加权系数就大，信噪比小的支路加权系数就小。最大比合并可以获得最大的输出信噪比，证明如下：

最大比合并输出信噪比为

合成信噪比γR（a1,a2,a3,…,ak）是一个关于{ak}，（k=1，2，…，M）的多元函数，当该函数取得极值时，即可得最大值。

加权系数ak，信号包络为rk均不是0，式（4）化简为

将k=1代入式（5），得

将k=2代入式（5），得

式（6）乘以a2，得

式（7）乘以a1，得

式（8）减式（9），得

即每路信号的加权系数正比于信号包络幅度，同理证明出其反比于噪声功率。

再求出合成信噪比最大值

共有M路支路，则最大比合并输出信号包络为

最大比合并输出信噪比为

由于各支路不相干，合并时总噪声功率是相加的，而信号是幅度叠加。

各支路信噪比为

即rk=2Nkγk，代入式（3），得

根据Cauchy-Schwarz不等式，得

令p=akNk，q=γk，则

式（17）代入式（15），得

由式（18）可知，最大比合并输出所能达到的最大信噪比为各支路信噪比之和。

3.3 等增益合并

等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的。相比较于最大比合并，很多情况下，按照最大比合并产生可变的增益系数不方便，因此，退而求其次出现了等增益合并，在接收路数足够多的条件下，接收机从大量不能解调出信号的支路中，合成出一个可解调信号的概率仍然很大。

4 实测数据分析

以本台参与转播的太湖竞走比赛为例，赛事地形、接收天线放置示意图如图1所示。

图1 赛事地图（截图）

本台以卫星微波传输车的全向天线为信号发射点，跟拍竞走运动员，以比赛赛场中点，即图2上标注的起点，架设一副全向天线，一副定向八木天线做空间分集接收。

图2 MRC空间分集接收系统示意图

为比较采用最大比合并技术后带来的改善，类比上文所提到的接收合并技术中的选择式合并和最大比合并的效果，本次测试首先模拟选择式合并的接收环境，只用一副全向接收天线和一个加了多级衰减器、实际接收场强低于-99.9 dBm的天线，进行模拟选择式接收效果测试。此时相当于系统会选择那副全向天线的接收信号，记录下来信号场强的接收门限。接收天线现场见图3。单天线接收效果如表1所示。

图3 接收天线现场图（截图）

当使用选择式合并系统，相当于只有单天线接收的时候，信号的接收门限在-93.5 dBm，此路接收场强若低于该值，则会导致信噪比下降，无法完成解调。

下面在同样的地方测试最大比合并系统的接收效果，在原有全向天线的基础上，再添加定向天线，为了测试系统接收门限，故意偏转方向，使得定向天线接收的场强减小，强度大约和全向天线相等，此时发射天线与发射功率均不变，测试结果如表2所示。

表1 单天线接收效果表

表2 双天线分集接收效果表

采用双天线分集接收系统时，信号的接收门限在-98.3 dBm，当双路接收场强都低于该值，则会导致信噪比下降，无法完成解调。

图4 分集接收系统结果比较图

当采用双天线分集接收系统时，即使每一个天线的场强偏低，无法达到信噪比要求，两副天线接收的信号通过最大比合并技术，仍然可能达到信噪比的要求，从而降低了场强的接收门限约5 dB，可见在相同传输环境中，最大比合并系统的接收效果优于选择式合并系统，采用最大比合并技术改善了移动微波传输系统。

在实际竞走转播中，采用最大比合并技术和空间接收分集技术，发射天线仍使用全向天线，接收系统采用空间位置不同的一幅全向天线和一幅定向天线，且定向天线跟随发射天线转动，所获得的场强更强，充分利用最大比合并技术的优势，整体接收效果得到更大改善。

5 结束语

本文以工作中实际遇到的问题为例，提出了移动微波传输中遇到的多径干扰问题，通过空间分集接收和最大比合并技术，有效地提高了信噪比，降低了场强接收门限，改善了传输效果。由于作者经验不足，论文中的不当之处，请批评指正。

[1] 斯图伯尔.移动通信原理[M].2版.裴昌幸，聂敏，岳安军，译.北京：电子工业出版社，2004.

[2]彭国祥，庄铭杰，林比宏.常见分集合并系统的性能分析[J].电讯技术，2005（6）：58-62.

[3] 卢洋，何大治，管云峰，等.DTTB单载波系统的分集接收与均衡性能研究[J].电视技术，2009，33（3）：4-6.

责任编辑：许 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

【本文献信息】周灏，沈宏.最大比合并分集接收对移动微波传输的改善[J].电视技术，2015，39（8）.