移动接收（共9篇）
移动接收 篇1
1 概述
移动卫星电视接收系统包括室外和室内两大部分, 室外部分是天线本体, 室内部分是天线自动控制系统和接收控制系统。
天线本体由三轴跟踪转台、碟形天线、天线罩防护组成, 三个轴都由直流电机驱动, 并装备水平、俯仰、方位传感器, 可在自动控制系统的控制下, 实现闭环跟踪。自动控制系统由电控箱、接口卡、计算机和控制软件组成, 用于控制天线的运动, 实现选星、自动寻星、自动跟踪等功能, 接收控制系统用于接收馈源信号、选择卫星波段、设置接收参数等。
2 机械结构
天线本体从外面看, 是一个玻璃钢制成的圆桶形天线罩, 天线罩既能保护天线, 使天线不受雨、雪、水、风、阳光等的影响, 又能透过电磁波, 对电视信号的衰减作用很小。电线罩内是一套三轴闭环跟踪的天线, 从下向上依次是支架、方位轴、水平轴、俯仰轴、抛物面天线。
3 电控系统
电控系统由微机、接口板、电控箱、GPS组成, 电机的运动控制采用二级控制, 计算机负责数学运算、指向、跟踪算法, 通过接口板向电控箱发出电机的速度与方向命令, 电控箱内的单片机负责执行具体的电机动作。
微机采用工业控制计算机, 工控机的优点是性能稳定、抗干扰能力强, 适合在恶劣环境下使用, 它的电源功率大, 配有多种总线插槽和接口, 能同时接入较多板卡。
操作系统使用Windows XP, 主要考虑XP的用户多, 使用方便。
计算机接口板共三块, PCI7401、PCI7501、TP514, 插在工控机底板的PCI总线上。
PC-7401是PCI总线的16通道AD转换卡, 可把从卫星信号接收机上传来的视频信号转换为数字信号, 用于判断卫星信号的强度。
PC-7501是PCI总线的128路通用数字TTL电平输入/输出板, 具有8个8位数字输入口及8个8位数字输出锁存口, 共有64路输入及64路输出, 输出口具有上电清零的功能, 特别适合控制继电器板等需要上电初始化状态为0的应用场合。用于计算机与电控箱通信, 向电控箱发送控制命令, 从电控箱读取三个轴的当前状态。
TP514是PCI总线的4路RS232串行接口扩展卡, 用于与各个传感器的通讯。
电控箱内是电机驱动电路及单片机控制系统, 包括电源、电机驱动器、单片机控制板、接口电路、数码显示电路、限位与保护电路等。单片机采用ATMEL 89C2051, 负责读取从微机传来的控制信号, 控制各电机按不同的速度的和角度转动, 读取各电机的工作状态 (运行, 停止) 并发送给计算机, 读取各传感器的值, 并在数码管显示器上显示, 读取电视信号并整形放大, 输出到计算机的AD转换卡, 负责各电机的行程限位保护, 发生限位时停止电动的动作, 并点亮报警指示灯和蜂鸣器。除GPS外, 微机与所有设备的通信、控制均通过电控箱中转后实现。
便携式GPS接收机由吸盘天线、信号导线、接收盒组成, 通过USB接口与微机通迅, 实时提供移动天线所在位置的地理经度、纬度、高度、世界时等信息, 本系统主要使用其经纬度信息。
4 自动控制软件
自动控制软件用C++Builder语言编制的, 基于windows环境的窗口应用程序, 它实时读取各传感器传来的航向角、天线方位轴转角、天线高度轴转角、天线水平角、移动天线经纬度、电视信号强度等信息, 计算卫星的当前方位角和仰角, 并控制天线电机运动, 使天线自动指向卫星, 在天线载体运动过程中, 不断调整天线的方位、水平与仰角, 使天线一直指向卫星所在的方向, 实现动中通的移动卫星电视接收。
参考文献
[1]宋光旭.常见卫星电视接收天线.有线电视技术.2005年15期.
[2]刘进军.卫星电视原理.国防工业出版社.2009年1月, 1-1.
[3]陈绍溴, 吴也文.移动载体卫星电视天线的自动跟踪.中国有线电视.2002年, 第18期.
卫星电视的移动接收(4) 篇2
BBMAX公司经过两个多月的精心筹备，历经九天，终于完成了车载天线的全国测试工作，得到了第一手资料，为今后的车载天线发展方向提供了充分的依据，说起来这已经是去年的事了。
为了搞好这次测试，BBMAX公司早在几个月前就开始准备，为此特意购置了九座的金杯（格瑞斯）商务用车，为测试提供了硬件保障，先后装备了两个行李架，可以在车顶可以同时架设5个车载天线，在车内加装15寸车载液晶电视（两路AV输入），同时装备了两台头枕式7寸车载液晶电视（均为两路AV输入），使坐在车内的人（司机除外）都可以观测到实时的接收效果，三台电视机可以同时观看三面天线的接收情况，通过手动或自动切换，可以随时切换收看任何一面车载天线的接收效果。同时备全了所有相关设备，包括400W车载逆变电源（备用1000W车载逆变电源）、备用12V/70AH直流电源、立体声音频发射器、音视频四路切换器及多台多种芯片的数字卫星接收机等，每种物品均有相应的备份，为了避免天线遇到强恶劣天气受损，同时又订制了两块苫布，有效地保护车载天线的长途测试中的安全。测试特别小组多次开会研究测试的路线，确保得到的数据具有权威性、典型性。
测试路线
2006年7月10日，BBMAX公司一行三人（两名司机，一名技术人员，均经严格选拔，可以适应各种恶劣环境，及时处理各种突发事件）从深圳出发，沿京珠高速北上，途经广东省、湖南省、湖北省，至湖北省武汉市后沿沪蓉高速东行，经湖北省、安徽省、江苏省，到达上海市，这期间，我们到韩国相关公司驻上海办事处，向相关韩国公司的郭先生汇报了从深圳至上海段的车载天线测试情况。之后沿京沪高速公路继续北上，经江苏省、山东省、河北省、天津市，最后到达北京市。原计划继续北行至东北的哈尔滨市，但根据测试的具体情况，决定由北京沿京九线直接返回深圳，途经河北省、山东省、江苏省、安徽省、江西省、广东省，至7月18日回到深圳市，具体路线参见附图。此次全国性能测试，历时九天，行程约7800公里，沿途在相关典型城市采集了大量有用的数据，具体数据见附表（附表中只列出了部分城市的接收数据）。
测试目的
这次全国性的测试，主要是得到全国典型地区的接收场强值，另一方面也同时是对CAMOS车载天线性能的一个考验。这次全国性测试，主要是测试两颗卫星上的三个直播系统（平台）上信号的接收能力，一是亚洲4号卫星（122°E）上的天浪直播信号，二是亚太5号卫星（138°E）上的长城平台信号及艺华直播信号。为了保持完整性，我们带齐全部天线，具体携带的天线共有8面，即接收122°E圆极化信号的CSA-210M、CSA-100J、CSA-300、CSA-240M，接收138E线极化信号的CSA-100J、CSA-230M、CSA-450M和CSA-600，前四面天线，我们直接安装在车顶，而后四面天线，我们装在车上，随时拿下来进行手动/自动天线调整，得到相应的接收数据。
测试结果
此次的重点是122°E亚洲4号卫星的接收，总得说来，这次测试是成功的，各天线的性能都能表现出来，具体如下：
1、接收天浪卫视信号的四种天线
（1）由于前年香港波束北移，使其有效接收面积大大扩展，也是促成此次测试的另一个原因，官方并未布北移后的香港波束场强图，但经我们的实际测试，显然波束中心已不在香港，而是在湖南南部及江西中部，这从测试结果很容易看出来。
（2）我们北上的路线，是沿京珠高速而上，至湖北省武汉市时CSA-210M及CSA-300均已收不到信号，而其它两种还是可以的，经分析认为，这是由于这两种天线均为单轴跟踪方式，即仰角为固定形式，已超出了其跟踪的范围，向下调整仰角后得以顺利的接收。我们认为此天线若用于接收122°E信号，其仰角调整界线就是以长江为界。
（3）根据测试结果，我们认为，在长江以北的华东、华南地区均可以用以上四种天线进行接收，包括尺寸最小的CSA-210M。
（4）长江以北地区，CSA-210M及CSA-100J接收则不尽人意，此时用CSA-300和CSA-240M还可以接收直至山东省境内。但进入河北省界后则两种天线均已不能接收信号。
（5）在北京，用手动调节方式CSA-240M仍可调出天浪信号，但已在门限附近接收，其它三种天线则一点信号也没有。
2、接收长城平台信号的四种天线
（1）根据测试结果，我们认为，长城平台信号的场强是由南至北递减的，与官方所公布的数值基本吻合。
（2）在北京用CSA-100J仍可手动调出信号，但已在接收门限上了，收看时时有马赛克出现，其它两面尺寸更大的天线则更没有问题。
（3）接收艺华信号则不是很理想，主要是场强相对偏弱，更主要的原因是长城平台信号使用是1/2的FEC，而艺华信号则是用的3/4的FEC，接收起来相对困难一些，更主要的是线极化接收还存在极化角的调整问题，附表中得出的数值都是调节极化角的数值，而天浪信号的接收则不存在这个问题。
3、综合问题
（1）雨衰问题：由于车载天线接收的都是Ku波段的信号，同样也存在接收中的雨问题。这次测试途中，遇有多次阵雨，雨量大小不一，但总得来说衰减不大，小雨几乎不影响正常收看，中雨约-0.5 dB，大雨约-1.5~2dB直至中断。
（2）苫布的衰减量，由于一路上我们都是用苫布覆盖天线，故也有少量的衰减，但影响不大，积水问题也不容忽视，不如直接裸露在外面。其实外面的防护罩对信号也有衰减，但我们不可以将天线的外壳也去掉。
（3）单轴跟踪的天线只适合于区域性的工作，双轴跟踪的天线则更适合大范围工作，如京九线或京广线的南北跨越，但CSA-240M在北京仍可手动收到信号而并不能自动跟踪，是因为信号已处于临界状态，信号跟踪困难。
另外，在这次全国测试之前和之后，我们在珠三角地区也进行了多次小规模测试，测试效果良好，在去年八月份，我们也曾去福建等地进行了几次测试，选中海上为测试点，针对几款海上移动天线产品（CSA-200、450、600等，陆上产品与海上产品的移动跟踪原理是不同的）进行了相关性能的测试，测试结果表明，各项指标完全达到了预期的目的。
浅谈数字电视的移动接收 篇3
一、数字电视系统
数字电视(DTV)指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。其传输过程是:由电视台送出的图像及声音信号,经数字压缩和数字调制后,形成数字电视信号,经过卫星、地面无线广播、网络传输和有线电缆等方式传送,由数字电视接收后,通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。
数字电视系统根据传输媒介的不同,可划分为:
(一)卫星数字电视广播(DTV-S)系统
DTV-S利用广播卫星提供的传输通道,转播或对用户直接播送数字电视节目。
(二)有线数字电视广播(DTV-C)系统
DTV-C利用光缆与同轴电缆传送数字电视节目,用户通过机顶盒、模拟电视接收机或数字电视接收机观看电视节目。在有线电视广播中还可利用ADSL或LAN接入网作为上行通道,提供点播电视(VOD)等交互业务。
(三)地面数字电视广播系统(DTV-T)
DTV-T亦称移动电视,它通过电视塔发射,用户用天线接收电视节目。该系统主要用于公共汽车等交通列车中播放广告、通知或实时转播电视节目。
移动电视是数字电视地面广播的重要应用。数字电视地面广播在应用需求上要求实现移动和便携接收的功能,它具备无线数字系统所共有的优点,较之卫星接收,有实现容易、价格低廉的特点;较之有线接收有不易受城市施工建设、自然灾害等因素造成的断网的特点。可以看到,数字电视地面广播系统的优势能够很好地满足现代信息社会的“即时信息”要求。
二、数字电视地面传输标准
模拟广播电视信号是不易实现移动接收的,为了解决移动接收中遇到的问题,广播电视信号必须首先实现数字化。因为移动接收采用的方式是无线数字信号发射、地面接收,所以移动接收所遇到的问题之一就是衰落,这是所有无线通信系统都会遇到的问题。与其他无线通信系统不同的是,移动接收的关键点是移动。2006年,《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》正式获批成为强制性国家标准,这个被称为DTMB的标准适用于固定和移动两种数字电视接收模式。
DTMB采用了创新的帧信号结构。该结构是周期性的,以信号帧为基本单位,每个信号帧由帧头(PN序列)、帧体(系统信息+数据信息)两部分时域信号组成。TDS-OFDM的帧结构的采用具有重大意义,它使得DTMB在同时解决以下问题方面具有明显的优势。首先,宽带问题。由于数字电视几乎是第三代移动通信10倍的频谱利用率,在技术上要求很高,因此很难做到。第二,高速移动问题。与移动通信一样,数字电视地面传输应该将地面所有的移动工具能够达到的速率都包括在内。对于宽带信息,移动速度高是非常难的,它需要快速的信道估计。第三,覆盖范围大的问题。它的麻烦就是长延时多径干扰严重,单域处理难。
三、数字电视移动接收的发展方向
(一)车载移动电视
有人把公交车载移动电视称之为继报刊、广播、电视、户外、网络之后的“第六媒体”。地面数字电视标准的出台,促进了移动数字电视用户的增加,提高了移动数字电视在公共场所的覆盖率。公交车载移动电视让移动人流随时随地可以看到电视,极大地满足了快节奏社会中人们对于信息的需求,同时也丰富了市民的文化生活。
(二)手机电视
要在手机上看电视,技术上需要处理好三个环节:信号源方面,需要有高压缩比的信源压缩编码标准;传播途径方面,有无线微波和网络传输。为了实现移动接收,需要抗干扰能力强的数字调制和信道处理技术;接收终端方面,必须开发高集成度、体积小、重量轻、耗电小的芯片,以及体积小、高容量的充电电池。2004年起,中国移动和中国联通相继推出了手机电视业务,广电总局也在上海、北京、广州等地相继进行了试点。但由于受到技术标准、商业模式、监管政策等诸多因素的影响,我国的手机电视一直处于“启而不发”的尴尬处境,直到2006年数字电视地面传输标准的出台。手机电视的实质是通过数字电视广播网络向手机用户提供电视业务。该模式是在地铁、公交车上的“移动电视”技术基础上整合数字电视和移动电话而成。用户可以不通过移动通信网络的链接,直接获得数字电视信号,手机上看电视,这是已经实现的梦想。
在经历了机械电视时代、黑白电子电视时代和彩色电视时代以后,电视正向高清晰度和数字化方向前进,数字电视的移动接收作为当前的技术热点,它的市场和应用空间发展是无穷的。
参考文献
[1]数字电视原理及应用技术.国防工业出版社.
[2]数字电视原理.机械工业出版社.
[3]解读数字电视.中国电子视像行业协会出版.
移动接收 篇4
陆地上可以有有线电视的覆盖，或是通过地域性发射塔进行区域性覆盖，但海上是无法接收到信号的，因为没有人在海面上建什么发射塔，也就是说接收电视信号是一个“盲区”。尽管海面上是没有任何遮挡的，是一个最好的接收点，尽管卫星信号可以覆盖到广大的海面，但船上是无法用普通设备（电视机）来接收卫星电视信号的，因为船再稳定，它毕竟是停泊在水面上，仍是有所波动的，只能用带有自动跟踪的天线来接收卫星信号（所谓的静中通），如果是在行驶的船只上更是无法接收，而利用BBMAX车船通系列移动天线（www.chechuansat.net），则圆满地解决了海面上移动接收卫星电视的问题，真正实现了海上的“村村通”，我们不妨称之为“船船通”（图1）。
中国有1.8万公里的海岸线，在东南沿海近海，大约有27万的渔民从事渔业活动，这是一个特殊的海上群体，因为他们常年生活在海上，娱乐及信息获取的很少，几乎就是一个空白，而且它们对于天气的信息显得尤为重要，因为海上天气变化无常，尽早地获得准确的天气信息，就意味生存的希望更大一些。另外，他们的业余生活也十分少，更不用说同陆地上的人一样，看什么电视、欣赏什么音乐电视节目了。因此他们迫切需要一种在海上移动就能正常接收到电视信号及气象信息的装置，而移动卫星电视接收系统正好可以满足这部分需求。
另外还有“有船一族”，他们拥有最豪华的游艇，在物质极大丰富的前提下，追求的是更高的精神生活，他们喜欢远离喧嚣，投入蔚蓝色大海的怀抱，畅游于世界各地，但这仅是一部分奢侈者所拥有的奢侈消费品，更多的是国际游艇俱乐部，他们拥有各种档次的游艇，既有适合有钱人的豪华的游艇，又有适合普通消费者的普通游艇。游艇的设施一般都很全面，装璜高贵典雅，舒适豪华，设备布局紧凑，主人房、客房、船员房、餐厅、大厅、会客厅、卫浴间一应俱全，更好的是配备了卡拉OK及音响设备，但配备卫星电视移动接收设备的则廖廖无几，不是他们配备不起，而是没有这种设备，或没有性价比更好的移动接收系统，BBMAX船载移动卫星电视接收系列产品的出现，则弥补了这一空白，应该是“有船一族”最好的选择。
比较适合海上移动接收的天线也有很多种，在车船通的产品中，CSA-100JB、CSA-450、CSA -600是最适合近海接收的，主要接收亚太5号、亚洲4号、中星9号等国内卫星，这些卫星上不仅有丰富多彩的国内信号，同时还有港、澳、台等地区的华语信号，以及其它著名的国际频道信号（一般都配有中文字幕）。同时还可以根据用户的需要，增加一些特色专业频道，如气象频道、购物频道、资讯频道、新闻频道等等，不仅可以丰富业余文化生活，同时还有关乎渔民生产、生活的信息，真正为他们带来极大的便利，有如同陆地上一样生活。
我们先来看一下船载移动天线中的主打产品———CSA-450（图2），其它产品的性能指标见附表所示。应用在船上的天线产品，并不再乎天线尺寸的大小，因为船上不同于车上，它的空间一般都很大，所以相对于车上而言，其外观尺寸人们对其要求并不苛刻。CSA-450的外观尺寸是高58厘米，直径55厘米，相对于前面介绍的几款陆地上用的移动天线，显然尺寸大了一些，尺寸大了意味着里面天线接收面的加大，没错！这款天线所用的天线接收抛物面是正馈天线，而且是后馈天线，图3就是这款天线的内部示意图。大家现在可能明白了，为什么这款天线的高度比其它天线高，主要是因为天线采用了正馈天线的缘故，这一点我们前面就说过。
为什么船载天线要采用这种高度，即采用正馈天线呢？陆地上用的移动天线之所以降低高度，采用扁平的外观，主要是受安装高度的限制，如列车要过隧道，这些对其高度都有限制，再者将很高的天线装在车顶，与车身也不谐调，更不美观。而船上则没有这种限制，它不一定要将天线一定装在船的最高处，也可以装在甲板上，本身天线相对船的体积而言则微不足道，相反这种高度的天线与船体和谐，可以说是船上的一种装饰品，如果船上装配了移动接收天线，更显船只的高贵、典雅与价值所在。
采用正馈天线有什么好处吗？因为不受高度的限制，则尽可能地增大接收面积来提高接收天线的增益。似乎人们一说接收Ku波段的卫星信号，首先想到的是用偏馈（偏焦）天线来接收，正馈天线是来接收C波段卫星信号的，即使用正馈天线能接收Ku波段的卫星信号，也是效率比较低的，这些只是人们的偏见而已。这款移动天线不仅采用了正馈天线，而且是用到了人们并不常见（相对而言，其实早期的那些大型天线都是后馈式的）的后馈形式。这款移动天线的天线面采用的是质轻的铝天线，制作精度很高，由于采用了后馈式效率也是比较高的，实际接收表明，它的接收效果已达到了45厘米偏馈天线的接收效果，用其接收常见卫星Ku波段的卫星电视信号，均悉数拿下！图4是实际接收的卫星频谱，你能说出它是哪一颗卫星吗？
CSA-600天线与CSA-450天线结构基本相同，只是尺寸相应增大，信号接收能力更强而已。相对于这些大个头的天线，另一款较小尺寸的天线CSA-100JB也表现不俗。有些朋友可能说了，这款天线不是说陆地上用的吗？没错，前面是这么说的，但大家注意，这款天线型号后面还有一个后缀，从外观上看去是完全一样的，但内部跟踪所用的软件是不一样的，当然能达到同样的接收效果，图5是实际在船上接收天浪信号的信号值显示，早已超过门限值很多，如果在信号强的地区，用其取代CSA-450天线，则相应的安装接收成本则会降低很多。
地面广播电视移动接收技术浅探 篇5
1 数字电视地面广播现状
在当代, 通信传输手段主要有光纤传输、卫星传输、数字微波传输等方式。而地面无线传输方式、卫星传输方式以及有线传输方式构成了中国当前数字电视信号传播的主要方式。而数字电视要实现两方面要求:一方面要能够实现移动接收信号;另外移动的便携性要求较高。这两方面结合起来, 对系统的难度要求就很高了。数字电视地面广播通信和卫星通信相比更为廉价;和有线通信方式相比, 不受布线的影响, 能够很好地规避城市建设以及自然灾害或者战争灾害的影响。
完善且科学的数字电视地面广播系统具备完善的蜂窝单频网功能, 能够很好地提高频谱的使用效率, 也可以由无线方式接入市场。而数字电视地面广播在移动方面以及通信方面的杰出表现能够很好地满足人们对信息的获取要求。
2 移动接收中遇到的一些问题
(1) 障碍物反射、散射以及衍射, 导致信号衰弱。在数字电视地面广播信号的传输过程中, 经常会碰到各种障碍物, 而电磁型号会产生反射现象、散射现象以及衍射现象。
(2) 在构建数字电视地面广播系统时, 要充分考虑建设的成本, 接收端的功耗以及接收端接受方式的选取。
(3) 电磁信号的多普勒效应。所有的波在传播过程中都可能发生多普勒效应, 而数字电视地面广播信号在传播过程中也会碰到这样的情况, 主要是因为移动接受端处于不断移动的状态, 导致接收端接受信号时, 信号频率会发生改变。
在理论上, 由于多普勒效应和反射、散射、衍射等现象的存在, 不宜使用移动方式接受模拟广播电视信号。但是只要解决好以上三个问题, 就能很好地实现移动交通工具的通信信号接受。
3 移动接受中的无线通信算法
数字电视地面广播中涉及的无线通信算法是基于图着色理论的贪婪算法、公平算法在信道利用率以及信道分配的公平性方面随认知用户及可用信道数变化的情况。SU节点随机分布在一个1000m*1000m的区域内, PU节点在相同的区域内位置固定。采用每个节点被分配到的信道数衡量信道利用率, 用各个节点被分配信道数的方差表征公平性。各个节点被分配到的信道数越多, 信道利用率越高;各个节点分配到信道数的方差越小, 公平性越好, 方差为0是最理想的情况, 但一般情况下无法达到。
贪婪算法在分配过程中, 最大化各个子信道分配的认知用户数, 使得子信道得到充分的利用, 因而其信道利用率比公平算法高。随着认知用户数量的增多, 算法的信道利用率呈下降趋势, 原因在于: (1) 频谱资源有限, 认知用户的增多使得各认知用户被分配的平均子信道数减少, 因而信道利用率降低; (2) 认知用户的增多使得其在一定范围内的分布更加密集, 从而导致仅由位置关系定义的干扰节点数增多, 受干扰条件的限制, 原来互不干扰的认知用户之间可能会发生干扰, 不能同时使用同一信道, 因而信道利用率有所降低。
公平算法虽然在信道利用率上不及贪婪算法, 但由于公平算法优先为那些瓶颈认知用户分配子信道, 因而其分配的公平性优于贪婪算法。与信道利用率的仿真结果略有不同, 随着认知用户数量的增加, 分配的公平性趋于更优的效果, 这是由于当认知用户的数量较少时, 信道资源相对充裕, 算法优先为状况较差的认知用户分配子信道, 这时状况较好的认知用户可能分不到或分到较少的子信道, 各认知用户分得子信道的数量相差较大, 相应地, 其方差值较大, 因而信道分配的公平性较差;然而当认知用户数量增多时, 对子信道的竞争更加激烈, 各个认知用户分得子信道的数量之间不会相差太多, 因而信道分配的公平性就会变好随着可用子信道数量的增多, 分配的公平性有所降低, 同样是由于各个认知用户分得的子信道数差距的拉大所导致的。
新世纪以来, 随着数字技术、网络通信技术、计算机技术等技术的不断发展。移动接收成为广播电视技术发展的重要方向。本文作者结合工作实际就地面广播电视移动接收技术这一重要议题展开讨论, 分析了当前数字电视地面广播的现状, 分析了移动接收遇到的一些问题, 进而分析了地面广播电视移动接收中涉及的无线传输技术。
参考文献
[1]任聪聪.浅谈地面广播电视移动接收的相关技术.现代媒体技术, 2011.
[2]蒋丽丽.对地面广播电视移动接收技术的几点思考.电力电子技术.
移动接收 篇6
数字电视 (DTV) 指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。其具体传输过程是:由电视台送出的图像及声音信号, 经数字压缩和数字调制后, 形成数字电视信号, 经过卫星、地面无线广播、网络传输和有线电缆等方式传送, 由数字电视接收后, 通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。
数字电视系统根据其传输媒介的不同, 可划分为:
有线数字电视广播 (DTV-C) 系统。DTV-C利用光缆与同轴电缆传送数字电视节目, 用户通过机顶盒+模拟电视接收机或数字电视接收机观看电视节目。在有线电视广播中还可利用ADSL或LAN接入网作为上行通道, 提供点播电视 (VOD) 等交互业务。
卫星数字电视广播 (DTV-S) 系统。DTV-S利用广播卫星提供的传输通道, 转播或对用户直接播送数字电视节目。
地面数字电视广播系统 (DTV-T) 。DTV-T亦称移动电视。DTV-T通过电视塔发射, 用户用天线接收电视节目。现在城市里已很少有家庭用天线收看电视, 故该系统主要用于公共汽车、出租车和城市轨道交通列车中播放广告、通知或实时转播电视节目。
2数字电视地面广播
在现代通信中, 通信传输手段主要是光纤、卫星、数字微波等, 加上地面无线电视广播电视发射构成信息主体。目前在我国数字电视按信号传输方式可以分为地面无线传输数字电视、卫星传输数字电视、有线传输数字电视三类。而移动电视是数字电视地面广播的重要应用。数字电视地面广播在应用需求上要求实现移动和便携接收的功能, 使整个技术系统的要求最高。它具备无线数字系统所共有的优点, 较之卫星接收, 有实现容易、价格低廉的特点;较之有线接收不易受城市施工建设、自然灾害战争等因素造成的断网影响;数字电视地面广播通过电视台制高点天线发射无线电波, 覆盖电视用户, 用户通过接收天线和电视机收看电视节目, 主要的受众也是针对本地区的。完善的数字电视地面广播系统所具备的蜂窝单频网功能, 不仅提高了频谱的利用率, 而且可应用与宽带无线接入市场;而移动和便携的独特优势使该系统能满足现代信息社会“信息到人”的要求, 也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得到的信息。
3数字电视地面广播的技术优势
数字地面电视广播通常传送只有两个取值“0”或“1”, 接收端只需用对接收信号进行对应于数字“0”或“1”两状态的判定。这一特点使信号在传输过程中, 噪声和干扰虽然对信号的波形有影响, 使其产生失真, 但在很大程度上仍能判定传送信息是“0”或“1”码的波形, 消除了失真与噪声的积累, 通信质量可达到或接近信号源的质量。
数字地面电视广播的传输由于采用了二进制信息形式, 便于采用纠错编码从而实现信息无差错传输和存储, 所以移动电视的传输可靠性高。基于以上特点, 移动电视接收的信号仅要求较低的载噪比, 因此发射机功率可以降低, 即节约了能源, 也降低了电磁污染, 使环境得到了改善和保护。
此外, 移动电视由于采用了数字传输技术, 具有频谱利用率高、可以通过计算机网络实现互联和资源共享、便于实现多媒体广播以及设备体积小、重量轻、功耗省、可靠性高、多功能和智能化等一系列模拟电视无可比拟的优势。
4移动接收所遇到的主要问题
移动电视技术的核心是移动接收, 即车载高速移动接收, 接收的条件因地貌不断变化而变化, 同时因车速的变化还会受到多普勒效应频率变化的影响。移动接收采用的方式是无线数字信号发射、地面接收。因此, 移动接收所遇到的问题之一就是衰落, 这是所有无线通信系统都会遇到的问题。固定接收可以采用分集接收等方法予以克服, 但对于移动接收而言分集接收的方法显然不实用。这是因为电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收, 实际到达收信天线处的电波除了来自发射天线的直接波外, 还存在来自各种物体 (包括地面) 的反射波和散射波。到达接收点的信号不止一个, 反射波和散射波在收信天线处形成干涉场。移动接收主要就是解决动态多径和多普勒频移的问题。衰落问题在模拟电视中的表现是重影, 在数字接收中, 某些特定相位的多径信号将使接收完全失败。在这种情况下, 接收好坏不单单依赖于与发射台距离的远近, 而且在很大程度上还依赖于接收信号之间的相位。引起不同频率信号衰落的主要原因是多径接收, 其结果使信道出现频率选择问题。
另外, 移动接收时, 主信号和反射信号到达接收点的角度有可能不同, 因多普勒效应, 其频率发生了不同的变化, 两者的差拍使接收信号的幅度随时间周期变化让信道出现时间选择性;由于接收地点的不同和相邻台距离的不同, 主信号和其他台信号之间的关系不同而使接收出现地点的选择性。
移动接收主要就是解决动态多径和多普勒频移的问题。利用数字技术无线接收, 才可以有效解决以上问题。
5移动接收中的关键技术---OFDM
OFDM (OrthogonalFrequencyDivisionMulti鄄plexing) 即正交频分复用, 是在严重电磁干扰的通信环境下保证数据稳定完整传输的技术措施。OFDM能够有效地对抗衰落和多普勒现象带来的负面影响, 使受到干扰的信号能够可靠地接收。OFDM码率低, 又加入了时间保护间隔, 具有极强的抗干扰能力。因此, OFDM是当前移动接收所采用的核心技术。
在过去的频分复用系统中, 整个带宽分成N个子频带, 子频带之间不重叠, 为了避免子频带间相互干扰, 频带间通常加保护带宽, 使频谱利用率下降。为了克服这个缺点, OFDM采用N个重叠的子频带, 子频带间正交, 扩频调制后的频谱可相互重叠, 因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来, 大大提高了频谱利用的效率。
移动和便携的独特优势使数字电视地面广播 (DTTB) 能满足现代信息社会“信息到人”的要求, 也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得到的信息。广播电视的移动接收作为当前的热点技术, 还处在不断发展完善中, 以改进其移动接收的性能, 满足市场的需要。相信数字电视地面广播的应用必将会引起人们收视和获得信息方式的革命性变化。
摘要：网络技术迅猛发展, 广播电视朝着移动接收方向发展。现阶段, 广播的移动接收算是在一定程度上解决了, 但是电视的移动接收问题要比广播的移动接收困难得多, 移动接收所遇到的问题之一就是衰落。移动接收中的关键技术是OFDM, OFDM的特点是各子载波相互正交, 扩频调制后的频谱可相互重叠, 不但减少了子载波间的相互干扰, 还大大提高了频谱利用率。还有地面数字电视广播系统的多种制式问题, 各种制式都有它的优点和缺点。解决了这些问题, 应该就解决了移动电视的接收问题。
关键词：广播电视,移动,接收技术
参考文献
[1]都研美, 刘峰.浅谈数字电视地面广播技术[J].广西轻工业, 2007 (05) .
移动接收 篇7
如今, 人们对在移动中通过卫星网络进行通信的需求越来越大, 特别是基于车载、船载在移动中收看直播卫星电视节目的需求增长很快。本文介绍了一种车载移动卫星接收天线, 具有稳定性强、适用范围广、抗抖动等特点, 在高时速抖动路面也可以稳定接收, 可广泛应用于房车、轿车、SUV、M PV、大巴车、中巴车等, 并可用于长途客运、商务旅游、自驾游等场合。
产品采用高精度惯性测量和信号跟踪相结合的技术, 使载体在多种运动情况下天线中心轴都能准确对星, 即使卫星信号被遮挡, 通过高精度的惯性测量系统, 也可实现实时对星, 从而使载体在通过遮挡物后可瞬间捕获卫星信号。并且在复杂运动中 (如剧烈颠簸路面、急转弯、高速运动、船体运动) 正常工作, 电视画面不间断。
2 主要性能指标
3 基本工作原理和系统框图
3.1 基本工作原理
车载移动卫星电视接收天线系统分为室外单元和室内单元。室外单元即天线伺服系统;室内单元包括电源隔离器和接收机, 各设备之间采用同轴电缆线连接。
天线伺服系统由天线、高频头、伺服硬件电路、伺服软件、步进电机、陀螺仪、电旋转连接器、轴承、皮带、天线罩、底盘等部件组成。
车载移动卫星电视接收天线系统在初始静态状态下和静中收系统的接收原理一样, 即自动搜索定位。在仰角固定的情况下转动方位, 并以信号极大值方式自动对准卫星。而当车体在运动过程中时, 系统将根据陀螺的变化量测量出车体的姿态变化, 再通过伺服机构调整天线方位角, 以保证车体在变化过程中, 能够对卫星进行持续跟踪。
3.2 系统框图
4 车载动中通天线主要单元电路设计
4.1 天线
4.1.1 天线的结构设计
平板波导裂缝天线是一种具有增益高、副瓣电平低等特点, 其结构特点具有刚强度好、厚度薄、重量轻、安装方便等。因此, 在车载、雷达及通信等领域的应用日益广泛。随着应用不断推广和电讯要求的不断提高, 天线的结构设计愈发复杂多变。
天线采用波导裂缝形式, 采用4×16单元组阵, 方位向16单元, 俯仰向4单元。天线共三层结构, 第一层为变极化微带板层, 第二层为辐射缝层, 第三层为馈电网络层。天线各层间通过自定位结构和螺钉连接。天线馈电采用1分16E弯功分网络, 经扭波导变为开口波导, 开口波导馈4个辐射缝。为增加增益, 辐射单元间距为0.9λ, 辐射单元间通过加金属栅, 压单元波瓣, 以抑制栅瓣, 提高增益。辐射缝隙为单线极化, 通过在其上方加耦合微带振子的形式实现圆极化。通过从波导宽边分层等设计, 提高了天线的公差容忍能力, 为降低成本, 减轻重量, 天线采用高压注塑和表面金属化形式。
4.1.2 天线的指标
从系统角度出发, 为满足二级路面、轻微颠簸爬坡以及华南地区南北向大部覆盖, 天线俯仰面采用宽波束;受接收区域天线增益要求的限制, 即天线增益需大于29d B, 因此在天线方位向增加单元数, 来满足增益要求。单元数增加、天线波束变窄、天线尺寸变大, 通过折中考虑, 天线采用4×16阵列, 即俯仰向4单元, 方位向16单元。
在系统中天线可选的形式为微带天线或波导缝隙天线。微带天线优点为重量轻、成本低, 缺点为效率低, 天线增益低;波导缝隙天线优点为效率高、增益高, 缺点为成本高、重量重。在满足同样电性能的前提下, 微带天线需要更大的空间尺寸, 这对整机的尺寸、剖面以及伺服带来不利影响。因此, 方案选择波导缝隙天线方案, 其设计重点为降低成本、减轻重量。
4.2 伺服系统
系统在自动跟踪卫星的过程中, 采用了“陀螺闭环稳定+电平跟踪”的方案。在载体运动过程中, 使用陀螺作为电机伺服控制的反馈元件, 敏感载体运动过程中在方位角度的变化, 通过反馈补偿保证载体运动过程中的稳定。但由于陀螺长时间工作产生的零点漂移等因素的影响, 在陀螺稳定的基础上, 还需借助电平辅助跟踪。
系统上电后, 步进电机驱动天线旋转进行信号搜索, 一旦发现信号电平大于设定的门限值, 就进入步进跟踪状态。系统根据检测的卫星信号电平, 通过步进跟踪, 逐步逼近最大信号电平对应的位置。
4.2.1 测姿单元
因为系统遮挡的时间总是比较短的, 因此, 陀螺仪的长期稳定性并不需要考虑太多。因为搜索整个空域的时间比较短 (大约在5s左右) , 故不需要GPS设备, 直接利用卫星信号来确定初始位置。伺服电路板中的陀螺仪选用日本某公司的MEV-50A-R。
4.2.2 跟踪策略
在初始对星以及因为遮挡短时间内无法收到卫星跟踪信号的情况下, 只有依赖姿态测量系统的输出开环跟踪, 即姿态测量发现偏置多少, 就修正多少。这时, 偏置量的选择就显得十分重要, 偏置量越大, 灵敏度越高, 但损失越大;反之, 偏置量小, 灵敏度不足, 但损失较小。为了解决这个问题, 在跟踪时可以采用变偏置角的方法, 即搜索时采用大偏置角, 稳定跟踪时将偏置角减小。这种利用信号大小的反馈来跟踪卫星的做法叫闭环跟踪方法。
在车载系统中, 遮挡是影响的关键要素, 除跟踪的策略以外 (如何更好地融合闭环和开环跟踪) , 接收灵敏度或者说信噪比可能也影响图像的连续性。
4.2.3 单片机及软件设计
单片机选用某公司的PIC16F873A, 其引脚定义如图4所示。
4.2.4 伺服控制电路印制板图
5 车载接收天线结构设计
车载移动卫星电视接收天线系统的结构设计充分考虑到其性能特点和各种恶劣的工作环境, 确保有良好的环境适应性、防水、防潮等性能, 使其能够在各种环境下稳定的接收信号, 且更加经济实用, 大大提高了生产效率。天线的底座采用铝合金压铸成型, 铝合金具有良好的结构强度、耐腐蚀性和易加工铸造性, 从而很好的满足了产品的结构性能和高可靠性的要求。
天线系统的重量小于8kg, 射频输出接口采用标准的FL10-75Z Y接口形式, 易于维护。由于工作在室外, 工作温度范围应达到-10℃~50℃, 与馈线连接处采用防水胶带缠绕保护结构设计, 可保护连接处不被雨淋, 且易于安装、操作。在安装方式上, 采用磁性吸盘吸附于车顶。
6 结束语
通过大量的跑车试验、高低温试验、拷机试验表明, 本系统具有优越的驱动性能, 快速的系统响应能力, 可靠的稳定性能和很高的跟踪精度, 达到了设计的要求, 满足了在不同路况条件下准确跟踪目标卫星的使用条件, 确保了能稳定、流畅地收看卫星电视节目。
参考文献
[1] (美) Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko著.王子宇, 张肇仪, 徐承和译.射频电路设计--理论与设计[M].北京:电子工业出版社, 2002
[2]陈艳华, 李朝晖, 夏玮.ADS应用详解-射频电路设计与仿真[M].北京:人民邮电出版社, 2008
[3]赵剑明, 李战明.车载“动中通”伺服控制系统的设计与实现.兰州理工大学, 2009
[4]刘珣珣, 谢继东.一种新型车载移动通信系统的研究.南京邮电大学, 2008
[5]陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社, 2002
移动接收 篇8
地面数字电视传输系统分为单载波(Single Carr er,SC)和多载波(Multi-carrier,MC)两大类技术。前者以美国ATSC标准为代表,后者以欧洲DVB-T标准为代表。
在地面数字电视传输系统的设计与实现中,接收端解调器中的信号处理部分是关键。
地面数字电视系统发送端的视音频编码技术比接收端解码技术要复杂,目的是要提高解码质量或降低所占用的有效比特率;而接收端的解调技术则比发送端的调制技术复杂得多,因为它要面临恶劣的空中传输环境。
此外,在发送端系统中除了有较强的纠错编码以外,还要增加各类同步码,以方便接收端迅速捕获信号,并保持对所需信号的可靠接收。
固定接收遇到的恶劣的空中传输环境有:大气的湍流、漂浮物(雾状细水滴或沙尘)及云雨雷电,大风造成的树叶树枝晃动(电波的反射或穿越),城镇楼群密集的电波阻挡和反射(形成回波,即多径),江河湖海的水面波浪反射,各种电气火花(电动火车、汽车、拖拉机、霓虹灯、家用电器)的宽谱噪声干扰,室内风扇旋转叶片或飞机螺旋桨的反射,大风引起发射天线所在的高楼或大铁塔的晃动等。
因此,地面数字电视传输系统的整体设计,首先要为接收端的关键技术服务。美国ATSC[1]、欧洲DVB-T[2]、日本ISDB-T和中国的地面国标(GB20600-2006)[3]的制定都是这样。
地面数字电视传输系统解调器的框图见图1。其中,天线系统需要区分固定接收和移动接收。前者可采用方向性天线(4～10 dBi),特别是窗外天线或屋顶天线;而后者一般则采用无方向性天线。中间的3部分(调谐器、信号处理和信道解码)中,实现解调器的同步、信道估计和均衡的信号处理部分是关键。而控制器内的数字信号与模拟信号“交叉”的自动增益控制(AGC)、自动频率控制(AFC)和A/D变换也非常重要。此外,中间3部分是相互密切关联的,而非简单级联;3部分由控制器统一协调。但以上这些关键内容难以从地面数字电视传输标准的文本中直接看出。而随着集成电路性能的逐年提高,这些关键部分的算法就成为传输标准确定后各高科技公司不断进行开发而竞争的主要内容,并由此带动全系统的性能价格比逐年提高,使消费者不断受益。
吴奕彦等曾在文献[4]中指出过ATSC的优点以及不能实现移动电视接收和组建单频网(SFN)的不足。而DVB-T的推荐者一直宣传“单载波系统不能实现移动电视接收”。这对中国学术界和广电运营商也带来一定影响。“单载波系统实现移动电视接收和组建单频网(SFN)”成为国际难题。
实际上,ATSC本来就是为固定接收业务设计的,而DVB-T也是这样。
在欧洲DVB组织多年担任技术部主任的Ulrich Reimers(德国Braunschweig工业大学通信研究所主任)主编的数字电视广播教科书[5]中,对DVB-T标准写道:“该系统应该能够为采用屋顶天线的固定接收提供最佳的覆盖范围。希望能够支持便携式接收机的固定接收;而移动接收则不是制订标准的目标。”但DVB-T由于采用了OFDM技术,可实现移动电视接收。这样,在1999年巴西对3种标准(美、欧、日)的测试[6]中,巴西强调移动电视性能,从而舍弃了ATSC,并最终采纳了日本ISDB-T标准,并于2007年12月启动业务。
DVB-T移动电视业务是2000年首先在新加坡实现的,而不是在欧洲本土;2002年夏又在我国上海实现,并随即在我国一批城市中采用,其进展和规模大大超过欧洲!当时,正在研究制定中的具有我国自主知识产权的两套方案———ADTB-T/OQAM系统(属单载波)[7]和DMB-T/TDS-OFDM系统(属多载波)都面临DVB-T的挑战,尤其是前者是否能实现移动电视接收!
2002年12月,上海交大小组与上海东方明珠集团合作(单个发射点),在上海演示ADTB-T/OQAM系统的720 p HDTV移动接收:从浦东到浦西市区的主要街道总行驶距离约58 km、持续一个半小时余的深夜行程中,除过江隧道外,图像显示“中断”较少。获得观看演示的ATSC主席Robert Graves先生等国外专家和香港ATV TVB专家的好评[8]。2003年元月,该小组又在上海实现该单载波系统2个发射点组建SFN。
ADTB-T/OQAM系统的现场演示说明:单载波系统实现移动电视接收和组建单频网的国际难题在技术上已经解决;仅需在中国地面国标的制定和产业化过程中应用之、完善之。
2 对移动电视接收的初步分析
对于移动电视接收而言,典型的恶劣空中环境的例子是:在上海东方明珠大塔发射数字电视信号,而在市中心的淮海路(东西走向,长度超过10 km;位于发射塔的西偏南方向)高速行驶(深夜车速达120 km/h)的面包车上进行接收(测试采用“十”字形接收天线)。其特点除第1节已提及的以外,还有:
1)由于高楼林立的遮挡,绝大部分时间内接收不到直达信号,而主要靠回波(多径)信号;
2)一般公交汽车的无方向性接收天线的高度不足3 m(小轿车的不足2 m),与农村家庭可使用高度10 m、方向性强(10 dBi)的屋顶天线相比,对场强的要求有巨大差别(>15 dB);
3)周围内燃车辆的火花干扰在车辆启动时(红绿灯变换)尤为明显,容易造成接收“中断”;
4)车辆在道路边缘行驶或停靠时,由于楼房和树木的遮挡,信号显著变弱(下降10 dB或更多),也容易造成接收“中断”;
5)夜间则还有满街的霓虹灯;等等。
图2说明:在行驶中的车辆可能接收到的来自不同高楼的回波或多径(两者在理论上是等效的),而直达信号也可以看成是其中之一。其中E1和E4将有正的多普勒效应:解调器接收到的载波频率上升!而E3和E5则将有负的多普勒效应:解调器接收到的载波频率下降!而E2是正在由正的效应向负的转变之中。
还可看出:采用无方向性天线接收时,接收到的信号有3类:1)主信号:解调器时钟所锁定的、在时间域的最强信号;2)超前回波:其信号在主信号之前到达,时间延迟为负值;3)滞后回波:其信号在主信号之后到达,时间延迟为正值(其幅度可能与主信号相等,称为“0 dB回波”)。这3类信号的幅度和相位都在随时间变化(多普勒效应相当相位变化)。
舍弃超前回波或滞后回波的两类之一,或者采用正前方稍有方向性的天线(如3 dBi),由于各类回波的时延和相位都具有随机性,看来都不可取!仅铁路移动电视ADTB-R系统(见上海高清网站:www.hdigroup.net)为例外:SFN的发射点“沿线”布设,火车则“沿线”行驶,因而可采用“8”字形辐射图案的发射天线和接收天线。
假设车辆最高时速为400 km/h(中国高架铁路),并有超前回波和滞后回波,则适应多普勒效应的解调器载波频率偏移需满足
式中:300 000 km/s为无线电波传输速度。
地面国标C=1的“双导频”可选项可用于解调器对接收信号的载波频率自动跟踪。对于地面国标C=1的“双导频”可选项[3]而言,两个导频信号的频率差值是7.56 MHz;它就是两者由非线性电路生成的拍频(beat)之频率值。而由移动接收速度400 km/h的多普勒效应引起的拍频频偏等于:±3.704×10-7×7.56 MHz=2.80 Hz。此拍频信号的数值大(频偏小),幅度也大(比平均功率高3 d B)。因此,可设计某种高Q值单频率信号检测器,来检测此拍频信号,并通过AFC高效、快速完成频率跟踪。
从图2还可看出:5个回波中的任何1个或者几个,都可看成是SFN的发射点的直达信号(或其反射信号)。因此,如果在解调器的信号处理关键技术中解决了处置回波的技术难题,也同时解决了单载波系统组建SFN的技术难题。
与此同时,还可推论:固定接收也可开发类似技术来处置动态回波。后者的第一例是:在展览会的展台上演示无方向性天线发射地面数字电视信号,而采用无方向性天线接收。由于会场内观众时多时少(衣着的电波吸收不同)和随机挪动,加上建筑物铁架复杂和多类平面墙体、广告牌等的反射,接收到的回波信号复杂并随机变动。后者的另一例是:在高楼密集的市区进行室内或窗外的固定接收:当缺乏直达信号而依赖于回波信号进行固定接收时,由于市区车辆繁忙,其动态回波所造成的接收信号也是随机变动的。
以上的讨论主要针对固定发射-移动接收方式的应用,它同样适用于移动发射-固定接收和移动发射-移动接收等应用。
最后,移动电视接收中往往难以避免地会出现接收“中断”(drop-out)。因此,需要关注:解调器如何在接收中断后迅速实现载波(频率)恢复和时钟恢复(即相位的跟踪和同步捕获),然后恢复正常显示活动图像(略去对伴音的讨论)。本节已用地面国标C=1的“双导频”为例,说明解调器的载波频率自动跟踪技术;而相位跟踪问题则将在第5节讨论。
3 单载波实现移动电视接收原理
从原理来看,以DVB-T为代表的多载波技术利用OFDM的保护间隔原理,处理回波极为简洁(图1的信号处理部分)。而DVB-T的不足之处是:发送端的3类导频信号[8]过多占用“子载波”,导致频谱利用率下降[9]。而地面国标C=3 780把PN420或PN945放在“保护间隔”,提高了频谱利用率[9],但它却变成一个单载波/多载波的混合系统,同时带来一些不利因素。
而单载波系统与多载波系统相比在原理上是等效的。多载波系统能够利用DFT简洁解决回波问题,单载波系统则可望通过几百条并行的算法(通过拼“算法”)来解决。在主信号和数量不多(如不多于2个)的强回波信号(都属时间域信号)的条件下,在集成电路处理性能逐年提高的情况下,破解此国际难题是可能的。
4 考虑非专家主观判据并合理缩小数据结构
在公交车辆(或小轿车)中坐着或站立着观看移动电视的观众,其观看条件是:屏幕尺寸较小(不大于24 in)、周围声音嘈杂、车辆颠簸震动等。这种注意力容易分散的观看条件同家庭内的固定接收显然不同。
据此,本文提出移动接收的非专家主观判据,允许“图像冻结1个图像帧时间(40 ms)”,来替代固定接收的专家判据。后者如美国ATSC的判据:专家刚刚没有觉察任何图像损伤的临界情况,相当于BER=3×10-6。
为保证移动电视接收在出现中断后能迅速恢复正常,需在系统设计中缩小数据结构。本文建议的合理数据帧绝对时间约4 ms,是针对图像帧时间40 ms(帧频25 Hz)提出的。ATSC和DVB-T的数据结构都偏大(表1)。
这是考虑:1)当解调器(图1)出现未能纠正的误码时,允许显示图像“冻结”一次,持续40 ms(图像显示电路重复上一图像帧)。这样,在接收中断时,不会出现一般观众容易觉察的“马赛克”等图像损伤或“黑屏”。2)这个数值不能太小(数据帧的头部信息开销过大),以避免有效比特率降低过多。3)它又不能太大,要保证在40 ms内,解调器有足够时间对数据帧进行多次反复的信号处理。因为,在40 ms的这段时间内,数据帧同步信号将出现9次,如果用3次即完成同步捕获,余下的时间(28 ms)都可留给信道估计和均衡(图1信号处理)。
*图像帧频为25 Hz;若为30 Hz,则取约3.33 ms。
可对比的是:ATSC如果也用3次完成数据帧的同步捕获,共需48.4×3=145.2 ms;它是图像帧时间33.33 ms的4.36倍。再考虑信道估计和均衡所需时间,例如,总共需要0.3～0.4 s。这对于固定接收是可以接受的;因为接收中断极偶然发生。但对于经常发生中断的移动接收,图像若冻结10帧(持续0.3 s),观众容易觉察(DVB-T超帧时间更大,情况更为严重)。
地面国标的数据结构则过短[9]。C=3 780采用的PN420和PN945数据帧头部的信号幅度还要加3 dB,有利于室内的便携式接收。但这却增大了符号间干扰(ISI)[9],给图1的信号处理关键部分(信道估计和均衡)增加了难度,顾此失彼。
5 过采样相位跟踪
解调器接收到的回波信号的相位是随机的。以ATSC每48.4/2=24.2 ms(表1)出现1次的数据场同步PN511[1,7]为例,进行讨论。ATSC的PN63或地面国标的PN420,PN595,PN945等都有类似情况。
主信号PN511码由于高速(如400 km/h)移动,多普勒效应产生的相位偏差并不严重(1 bit或BPSK调1个符号的相位变动相当于2π)
但家用接收机的廉价晶体振荡器的频率与额定频率相比,一般可有±10-4的偏差!如果直接考虑PN511位码的符合电路,这个容许的偏差相当于
而±0.05 bit代表相位差为±π/10,即相位有所错开。这样,接收信号的PN511和解调器的PN511两个序列的相位差从511位码的第1位为0,逐个比特位增大;到256位时,为π/20;到511位码的末位左右时,则为π/10左右(相位差18°)。符合电路的整体效率显著下降(误码还未纠正)。
为此,1)建议取511码的部分序列(partial sequence)。尽量使进入符合电路的两对部分序列之相位差不超出±π/80的范围。换言之,要提高符合电路的相位分辨率。2)过采样:解调器采用高速处理电路进行并行处理,即其时钟设计为有效带宽的16倍或更高。据悉,ADTB-T OQAM系统[7]的解调器芯片处理时钟,是有效带宽的16倍,即7.14×16=114.24 MHz。这就是说:在解调器中至少可有16套并行的电路,其相位差是2π/16=π/8。
2008年夏劲松关于ATSC接收机的两篇论文[10,11]就是这方面的研究成果:把PN511拆成6组63位的“部分序列”,采用一系列相位错开的并行电路,可获得有效结果。
6 合理利用回波信号的能量
主信号和单个0 d B回波的能量叠加,可有3 dB的增益。无信号或信号过弱,则无法实现接收。但有多个回波而门限值上升或接收失败,则可判断解调器算法有待改进。要考虑到:把回波当作可利用的能量,而不当作干扰去抑制。
以主信号和单个0 dB回波(其幅度与主信号相等)的简单例子而言,如果能够把这两个信号的能量相加,应该获得3 dB增益(门限值可望下降3 dB),其必要条件是:两者的相位必须相同。
2003年秋美国LINX公司通报其ATSC与DVB-T接收机样机由第三方进行的固定接收测试结果[8](参见表2),可见:7种回波模型中,ATSC样机“彻底翻身”。而DVB-T的门限值性能也显著改善。其中,7种回波模型中有4种模型的门限值与没有回波时相比,下降2.6～4.0 dB(证实:合理利用回波能量的思考是有效的)。此外,其余3种巴西模型中的A稍有上升,B上升1.4 dB,E则上升5～6 d B(这些比起原来的结果有所改善,但都有待改进)。
移动电视系统的同步码常用BPSK调制,而其负荷(payload;有效信息部分)则常用QPSK(或4-QAM)调制。下面以此出发进行讨论。
如果接收到的强信号有1～3个(包括主信号和回波),其幅度差值不超过3 d B。那么,可只对这几个强信号作处理,而舍弃其余弱信号和噪声。方法是在中频或基带输出的8或10位A/D变换输出中,只取其最高有效位(msb)的前2位,而舍弃其余位,即舍弃小于-3 dB的所有信号,把它们置“0”。这样可显著提高运算的效率和速度(8位A/D只需处理其高2位,处理能力至少是4倍关系,大量运算弱信号和噪声并无意义)。
注:(1)校正值指没有回波,仅有AWGN时的常规测试结果;(2)括号内数据是2000年3月巴西实验室测试结果,但由于校正值不同,列出的数据仅供参考;(3)表中括号内“失败”指不能实现正常接收。
7 采用非线性处理替代线性处理
信道自适应均衡器一般采用线线性滤波器进行处理,追求某种最小值:最小均方值(LMS)或最小均方误差(MMSE)。ATSC标准文件介绍接收机自适应均衡器时采用LMS,并提出2个级联的部分:1)64抽头(tap)的“前馈横向滤波器”;2)192抽头的“判决反馈滤波器”。这2类滤波器显然都是线性滤波器。而为了缩短运算时间,可考虑:1)把浮点运算改为整数运算;2)把线性滤波器改为非线性滤波器。
所谓“追求某种最小值”,就是通过自适应的算法,多次自动修改参数而“收敛”到某种最小值。而收敛过程是一个多次运算的过程。如果针对某种回波模型,参照线性滤波器的设计而找到某种非线性滤波器的近似解答,运算次数有可能减少,如减少为原来的1/2甚至1/4。
综合以上讨论,可得下面的表3。其中第1项容易做到。第2项结合“部分序列”概念和并行运算,可提高相位分辨率(加快同步捕获;如相位分辨率达到π/16以上)。第3项仅处理主要能量的信号,不仅减少处理的位数,还可望提高整体处理效率。第4项则是用较少的运算达到相似的结果。而从综合第3,4项的数值可看出:处理的速度将是原来的8倍甚至20倍。
把以上几方面的技术措施综合应用,就可创建单载波系统实现移动电视接收和组建SFN的新技术路线。
8 现场测试中建议的实验方法
移动电视接收的回波模型首先是巴西广播电视界提出的;随后国际和中国有关组织都做了一些测试规定。但这些模型难以包括现场测试中遇到的“千变万化”的情况。因此,研究单载波系统实现移动电视接收性能算法的小组,在完成已知的各种模型的算法后,需要在现场测试中不断发现新问题、提出新算法、不断改善性能。
在移动电视的现场测试过程中,需要“边走(车辆行驶)、边记录(有关数据)”。可记录的有关数据有:门限值、误码率、频谱和电视图像(伴音)的录像带,特别是有GPS导航系统的行驶地图记录和特殊环境记录(红灯停靠时;车辆沿路边行驶或停靠;有摩托车在旁边行驶过;夜间霓虹灯情况;偶然的雷电;其他人为噪声干扰等)。
此外本文还建议:
1)为了观察现场测试中的回波情况,可在接收机样机的解调电路中,设计一个简单的电路(利用“符合电路”),在示波器上显示图3的图形。这样,就能在实验车辆行驶过程中,观察到(以及记录)始终在迅速变动中的图3图形,方便事后对不明原因“中断”的分析。
2)把非专家判据的“冻结1次图像帧”仍然当成“接收成功”。这样,在分析所记录的录像带时,按照1 s为单位统计的“接收成功率”比起国际规定的专家判据将高些。
这样,单载波系统实现移动电视接收的性能不断改进,就有“接收成功率”(包含专家和非专家共2种判据)的简单量度。
9 简短小结
1)本文探讨单载波系统如何实现移动电视接收的一系列考虑;它已在ADTB-T/OQAM系统中获得应用,并延伸到地面国标。
2)类似的技术也可望在ATSC的固定接收和ATSC-MH标准的移动接收中获得应用。
3)但任何技术都不是“万能的”。需要继续探讨单载波系统和多载波系统各自的优缺点。如果能“取长补短”而综合两者,则最理想。
致谢感谢夏劲松先生(原美国LINX Electronics公司技术总监)在2001年3月与笔者的私人讨论。
参考文献
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移动接收 篇9
基于无线传感器网络的定位技术有很多种, 主要包括基于测距的定位技术和无需测距的定位技术。基于测距的定位技术需要已知方位的信标节点作为参考坐标点, 然后利用几何关系通过三边测量、三角测量或极大似然估计等算法［1］计算节点的位置, 目前主要包括信号到达时间法 ( time of arrival, TOA) , 信号到达时间差法 ( time difference of arrival, TDOA) , 信号到达角度法 ( angle of arrival, AOA) ［2］, 接收信号的强度指示法 ( the received signal strengthindicator, RSSI) 等方法。其精度相对较高, 但通常对硬件的要求也较高; 无需测距的定位技术一般是根据网络本身的联通性、路由以及拓扑结构等信息来估计节点的位置, 目前主要包括质心法［3］、APIT［4］、DV-Hop算法［5］, 其性能受环境因素的影响小, 但定位误差相对较大。
以上所述的定位技术大多数是针对静态无线传感器网络而言的, 基本上可以满足静态无线传感器网络的定位需要, 但是对于移动无线传感器网络, 因为节点具有移动性, 使其难以满足移动节点的定位需求。目前动态无线传感器网络节点定位方法主要有移动信标节点定位［6］, 其利用信标节点的移动性, 降低了定位成本, 提高了定位精度。但是也存在不少问题, 如限于传感器节点自身能量和计算能力的限制等。
本文针对目前静态无线传感器网络定位的局限性和动态无线传感器网络定位的诸多问题, 提出一种将航迹推算与RSSI定位相结合的动态定位方法, 使两者优缺点互补, 从而有效地提高了定位的精度, 能够有效地应用在基于无线传感器网络的移动机器人定位领域。
1 航迹推算和RSSI定位的基本原理
航迹推算［7］是利用已知的初始位置, 根据航向角和速度信息的变化, 实时确定运动体位置的一种导航定位方法。节点的运动可以看成是在二维平面上的运动, 如果已知节点的起始位置点 ( x0, y0) 和初始航向角 θ0, 通过实时测量节点的行驶速度和航向角, 就可以实时推算节点的位置。航迹推算的原理如图1 所示, 节点以初始航向角 θ0从起始位置点 ( x0, y0) 出发, 移动距离l0到达位置 ( x1, y1) , 再以航向角 θ1移动距离l1至下一个位置。
计算公式如下:
由此依次推算, 则有
航迹推算优点在于不需要外部传感器信息来实现对节点位置和方向的估计, 并且短距离内具有很高的定位精度。但由于误差的累积, 通过航迹推算得到的坐标与实际坐标之间的误差会发散, 节点之间的相对定位精度同样会发散。
基于RSSI ( 接收信号强度指示) 的测距是一种廉价的测距技术, 也是本文定位算法的基础。其原理如下: 已知发射信号强度, 接收节点根据收到的信号强度, 计算信号在传播过程中的损耗, 使用理论或经验信号传播模型将传播损耗转化为距离。由于无线信号对于复杂环境的适应能力非常弱, 所以使用这种方法来测的距离精确度不高。但是使用这种方法用到的硬件设备简单, 而且大多数无线通信模块都可以直接提供RSSI的值。因此, 在现实生活中基于RSSI的定位方法被人们广泛地应用到生活中。RSSI定位具有成本低、节点通信量较小、硬件系统简单、功耗较低等优点, 但受环境因素影响较大。
2 航迹推算与RSSI相结合的具体过程
2. 1 RSSI模型建立
RSSI值与实际距离的关系模型是无线定位的关键, 其模型参数直接影响定位的准确度。由于本文所用的无线模块提供的是LQI值 ( 链路质量指示) , 而LQI值和RSSI值是线性关系, 所以直接建立距离d与LQI值之间的关系模型。LQI与实际距离间的关系［8］可以表示为
式 ( 3) 中, C1和C2为随环境改变的参数。
为了得到可靠的模型, 需在实际应用环境下进行标定。为保证定位精确, 所有和本文相关的一切试验均在同一场地进行。通过一组 ( 两个) 节点进行组网通信试验, 可以画出以距离为横坐标, 以LQI为纵坐标的曲线, 如图2 所示。对此曲线进行拟合即可得出参数C1和C2。
则LQI值与实际距离的关系模型［9］如下:
从图2 可以看出, 计算出的距离围绕真实值上下波动, 而且在距离较小时的测量精度较高, 当距离大于约6 m时精度明显变差。鉴于本文所述的节点之间的距离不需过大, 所以基于RSSI的定位方法很适用于本文。
2. 2 航迹推算与RSSI定位相结合
在移动传感器网络节点的运动过程中, 节点之间的相对距离和位姿非常重要, 直接决定节点编队效果的好坏。航迹推算在一定距离之内可以保证节点之间相对定位的精度, 但是存在累积误差无法避免的问题, 且必须知道节点的初始坐标。为此, 需要利用无线定位技术辅助航迹推算, 确定节点的相对初始坐标, 并在行进过程中校正节点之间的相对位置, 从而使节点队形保持平稳状态。
为了描述本算法, 本文利用两个节点进行研究, 其中一个作为领航者, 另一个作为跟随者。两个节点任意摆放在试验场地, 领航者位置不动, 跟随者通过本算法获得相对于领航者的坐标［10］。
如图3 所示, 本算法分为三步:
( 1) 跟随者利用RSSI定位法得出初始位置1与领航者的距离L1。
( 2) 跟随者以方位角 θ 为航向, 移动距离R, 到达位置2。其中, 方位角通过平面罗盘可得, 移动距离通过航迹推算测得。
( 3) 跟随者再利用RSSI定位法得出位置2 与领航者的距离L2。
设领航者初始坐标为 ( x1, y1) , 跟随者在位置1 的坐标为 ( x2, y2) , 在位置2 的坐标为 ( x3, y3) 。
由数学关系可得:
将式 ( 7) 、式 ( 8) 代入 ( 6) 得:
由式 ( 5) ~ 式 ( 9) 得:
设A = ( L21+ R2- L22) /2R, 由式 ( 5) 和式 ( 10) 得:
由式 ( 11) 和式 ( 12) 可得出跟随者相对领航者的坐标, 这个坐标即为跟随者的相对初始坐标, 从而解决了航迹推算需要设定初始坐标的问题。
在节点行进过程中, 由于误差的累积, 通过航迹推算得到的坐标与实际坐标之间的误差会发散, 节点之间的相对定位精度也同样会发散, 此时通过RSSI无线定位得到的节点之间的距离与航迹推算得到的距离进行比较, 即设立一个阈值, 当航迹推算得到的坐标发散超过这个阀值的时候, 利用上述算法进行坐标校正, 达到避免航迹推算误差累积的效果, 从而使节点群的队形保持稳定状态。图4 为节点行进过程中航迹推算与RSSI定位的融合算法具体过程。
3 Matlab仿真
假设移动传感器节点群工作在一个二维平面内, 设定该二维平面的边界, 一个正方形区域为移动传感器节点的工作区域。移动节点群随意地安放在二维活动区域内, 简单起见, 本文将移动传感器节点化为点状, 即显示出来为圆形, 其圆心代表移动传感器节点在工作区域中的坐标。
选定任意四个节点, 其初始坐标为随机的, 其中一个节点为领航者节点, 其他三节点为跟随点节点。如图5 ( a) , 四节点任意摆放在试验场里, 选取坐标为 ( 12, 12) 的点作为领航者节点; 如图5 ( b) , 三个跟随者节点分别以一定方位角作为航向, 移动一定距离; 如图5 ( c) , 跟随者分别通过上面所述的动态定位算法计算自身相对于领航者的坐标, 并移动到编队阵列中的坐标; 如图5 ( d) , 跟随者与领航者形成了编队阵列。
节点编队行进的仿真如图6 所示。分别用4 种颜色表示4 个不同的节点, 所有节点以10 m间距均匀摆放, 领航者节点的初始坐标是 ( 20, 20) , 最终目标的坐标值为 ( 300, 200) 。运动过程中能够获得的传感器信息包括: 航向、里程和任意两个节点之间的距离。目标是让4 个节点保持队形平稳移动到目标位置。
图6 ( a) 是航迹推算的仿真结果, 它表明在短距离的移动过程中其相对定位误差较小, 但是距离超过100 m以后, 定位结果发散较快, 以后基本无法保持队形。图6 ( b) 是航迹推算与RSSI相结合的定位方法的仿真结果, 从图中可以看出, 节点在编队行进过程中, 基本保持了队形平稳。图6 ( c) 是航迹推算与RSSI相结合的定位方法和航迹推算的相对误差对比图, 从图中可看出, 航迹推算与RSSI相结合的定位方法相对航迹推算, 定位精度较高, 其相对定位的误差最终稳定在一个较小的范围。
4 结语
本文提出了一种基于航迹推算与RSSI的移动传感器网络节点定位方法, 解决了航迹推算需要初始坐标, 并且累积误差难以消除的问题。本算法有对节点的密度没有要求, 且不需要锚节点的布置, 成本低等优点, 在移动无线传感器网络的节点定位领域有较大的参考价值。但是本文提出的节点定位方法的缺陷在于定位精度很大程度受到所选无线定位方法的精度的影响, 在今后工作中, 该方法可以和一些新型的低成本且高精度的无线定位方法进行配合, 说明该方法的兼容性较强, 可以适用于移动无线传感器网络的节点定位领域。
摘要：航迹推算不需要外部传感器信息, 并具有定位精度高的优点, 因此广泛应用在移动机器人的定位领域, 但在移动无线传感器网络节点定位中, 航迹推算难以避免误差的累积, 且需要设定初始坐标。现提出一种基于航迹推算与接收信号的强度指示法 (RSSI) 相结合的移动传感器网络节点定位方法, 该方法将二者的优缺点互补, 具有不需要信标节点、计算量小、对硬件要求低等特点, 且可以解决误差累积的问题。利用Matlab进行了仿真, 仿真结果表明该方法明显地提高了定位精度, 可以有效地应用在移动无线传感器网络中。
关键词：动态定位,航迹推算,接收信号的强度指示定位
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