地面数字电视广播车载接收天线的设计

２００４ 年第 １１ 期
广播与电视技术 8 9
→地面数字电视广播技术
传输覆盖网络
地面数字电视广播 车载接收天线的设计
种测量方法与所选择的测量路线有很大 的关系，测量的结果还不够精确，但对 于工程应用已经足够，并且简单易行， 容易操作。
实验测试系统如图 ３ 所示，接收天 线通过磁性吸盘座固定在车顶的中央， 天线接收到的高频信号被送入 Ｒ ／ Ｓ 测 试接收机 Ｅ Ｆ Ａ ，由 Ｅ Ｆ Ａ 对接收的信号 进行分析，信号参数通过 ＲＳ－２３２ 串行 数据线送至笔记本电脑进行记录存贮和 统计分析。为了充分反映数字电视信号 的特点，我们重点对 ＥＦＡ 测量的天线输 出电平和维特比纠错前的误码率两项数 据进行测试比较。测试时以公路上的里 程碑为标志，每隔一公里记录一个测量 数值，先装上λ ／４ 天线，走完全程后掉 头回起点再分别换上盘锥天线和 ５ λ ／ ８ 天线。为了从各个方面比较出移动接 收天线的效果，我们选择了几条比较典 型的道路分别进行测试比较：
１ 前言
随着地面数字电视的发展和移动电 视业务的展开，车载电视成为移动接收 终端的首选。由于移动电视达到了即时 传播节目的效果，具有受众面广、接触 频率高等特点，有望成为广电和家电行 业新的经济增长点。
地面数字电视广播采用 Ｃ Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 技 术传输宽带数字信号，在 Ｃ Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 技术 中，只要多径干扰的时延不超过系统的 设计容忍范围（保护间隔），所有的接收 信号都是有益的。其基本方法是把原来
图 １ 所示），改变这些杆的长度及倾斜角
度，可以在一定范围内调节天线与电缆
的匹配程度。同轴接收天线的特性与半
波振子天线基本相同，这种天线不需要
地平面，因此，由架设位置引起的增益
劣化小于λ ／４ 单极垂直极化接地天线。
λ ／４ 天线的增益为 ２．０ｄＢ。与中心馈电
的半波振子天线相比，其馈电结构更适
合于车载安装。
４ 实验结果
我们分别对上述天线进行了试验， 这些天线都可以很简单地安装在车辆 上，并且能满足车载移动使用的要求。
在移动传输环境中，由于复杂的多 径效应，如果只从静态的驻波比和方向 性增益来比较移动接收天线的优劣，并 不能充分精确地分析出天线的有效接收 效果，因此，我们利用实验的方法进行 比较，即在一确定的路径上，通过测量 每种天线的平均接收信号强度，来估算 该天线的平均有效增益。同时，为了充 分反映数字电视信号的特点，把接收信 号的误码率也进行测量比较，这样得出 的有效接收效果所反映的是移动接收天 线本身和线路传播特性的相互作用。这
反过程。 （５） 勤务、监控部分 为方便日常维护，设备在次基带提
供一路公务通道。采用浅调频方式。公 务设有选呼功能，使用方便。同时，还 可选择配置监控设备，实现远程监控功 能。
（６） 电源部分 供电电源采用标准化模块 Ｄ Ｃ － Ｄ Ｃ 变换器，设计时考虑设备备份供电的独 立性及其保护功能。
４ 结束语
由于λ ／ ４ 同轴接收天线的增益比
较低，我们又试验了λ ／２ 和 ５ λ ／８ 的
车载接收天线。这种天线在水平方向有
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NOV.20 04
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图 ４ 天线输出电平（ｄＢ μ Ｖ）
３ 数字电视车载天线设计
度的一半。
垂直天线的辐射电阻由（３）式描述：
Ｒ ≈ １６００（ｈ ／ λ） （３） ２
ｒ
ｅ
正是由于移动天线高度较低，从而
百度文库
造成天线辐射效率较低，工作频带较窄
等问题，解决这些问题的关键就在于增
加有效高度。根据这一思路，我们设计
了以下几种天线。
移动接收系统所处理的信号通常是 由多径传播所产生的反射波和直射波构 成，这些信号的结构是复杂的，尤其是
图３ 移动接收天线测试系统
（２）式表明，当天线高度不太高时，
振子很短，其上电流分布可近似地看成
三角形分布，所以其有效高度为实际高
在城市里，到达接 收点的电波通常是 由多个波组成，存 在着多径传播和干 扰的问题。在地面 数字电视广播城市 移动接收中，多路 径传播是主要的影 响因素，信号的衰 落特性强烈地依赖 于局部环境的特性， 要求天线系统应充 分考虑这些因素的 影响，并能充分利 用地面数字电视广 播信号的特点，使环境对信号所产生的 影响减至最低，这为车载移动接收天线 提出了新的要求。
图９ 维特纠错前误码率
振子与接地面之间 加入了匹配线圈， 因此，天线的频带 比较窄。例如，５ λ／ ８ 天线，由于天线加 长了，其辐射能力 增加，增益有所提 高，约为 ３．５ｄＢ。当 它置于车顶时，电 波辐射方向不像通 常天线那样易受车 体影响而上翘。 ３．２ 盘锥天线
盘锥天线的结 构如图 ２ 所示，通过 将同轴天线进行变 形，把直立的上臂 振子改为直径约为 λ ／ ４ 波长的圆盘， 把下臂金属圆筒伸 展成锥型，就构成 盘锥天线。盘锥天 线是一种垂直极化 全向宽频带天线， 它可以在 ５∶１ 的频率范围内保持驻波比 小于 １．５。同轴电缆的外导体和锥体连 接，内导体接在顶部圆盘的中心处。盘 锥天线可以用最低工作频率进行设计， 典型的尺寸是：圆盘直径 Ｄ ＝
的一个载波变成多个载波，把高数码率 信号变成低数码率信号，分别调制在每 个载波上。由于数码率大大降低，比特 周期大大加长，因此，反射波的影响就 大为减小，使 Ｃ Ｏ Ｆ Ｄ Ｍ 调制系统具有 很强的抗多径干扰的能力。
地面数字电视广播使得电视移动接 收成为可能，数字电视可以在高速移动 的汽车上接收到清晰稳定的图像。为了 最大限度地提高地面数字电视广播在车 载移动时的接收能力，提高广播数字电 视地面的覆盖效率，我们设计了一系列 的地面数字电视广播车载移动接收天 线，经过实践摸索出了一些经验。
分路后送入低噪声放大器放大，放大后 的信号与本振信号混频，混频到 ７ ０ Ｍ Ｈ ｚ 中频；后经三腔滤波器滤除镜 像信号，７ ０ Ｍ Ｈ ｚ 中频信号经时延均衡 器进行时延均衡，均衡后的中频信号送 给 Ａ Ｇ Ｃ 中频放大器进行放大，经 Ａ Ｇ Ｃ 自动电平控制，使最后输出电平保持恒 定＋ ４ ｄ Ｂ ｍ ，然后送给解调器解调，见 图 ４。
图 ８ 天线输出电平（ｄＢ μ ｖ）
图５ 维特纠错前误码率
图 ６ 天线输出电平（ｄＢ μ ｖ）
图７ 维特纠错前误码率
比较强的方向性，需要和接地平面相结 合（通常是金属车顶），以构成一个完整 的垂直极化天线系统。其增益比λ／４ 单 极接地垂直极化天线高，有限接地面引 起的辐射束上翘也比较小。但由于辐射
子的作用。同轴振子的输入阻抗取决于
上下臂振子的长度，并且可以在某一范
围内调节。为了使天线和同轴电缆匹
对于垂直天线，天线的有效长度即
为有效高度，用 ｈ 表示，它表示垂直天 ｅ
线辐射能力的强弱。当天线上的电流Ｉ （Ｚ）
配，选择上臂振子长度为 ０．９９ ×λ ／４ （λ为工作波长），下臂金属圆筒的长度
为 ０．９４ ×λ ／４。同轴天线的下圆筒可 以用几根长度为λ ／４ 的细铜杆代替（如
当 ｋ ＜ ＜ λ时，可简化为：
１ ｋｈ １ ｈｅ＝ ｋ ｔｇ ２ ≈ ２ ｈ （２）
图 １ λ／４同轴接收天线
图２ 盘锥天线
干扰的对策。天线要具有使用方便和可 靠的性能，要有尽可能少的可动部件和 开关部件，要有高度可靠的机械性能， 在车辆高速行驶中能可靠地接收宽带的 多波群数字高频信号。
（１） 市中心狭窄道路。其特点是离 发射台比较近（起点约 １ ． ７ ｋ ｍ ），道路 与发射点垂直，基本没有阻挡，属于以 直射波为主的近传播区。测试方法与前 述相同，由于路面交通比较拥堵，车辆 行驶速度在 ２０ｋｍ／ｈ 以下。经过整理的 测试结果如图 ４ 和图 ５ 所示。根据测试 数据计算出λ ／ ４ 天线的输出电平平均 值为 ５ ２ ． ８ ８ ｄ Ｂ μ Ｖ ， 盘锥天线为 ５ ５ ． ６０ｄＢ μ Ｖ，５ λ ／８ 天线为 ５８．７８ｄＢ μ Ｖ 。从测试的结果可见，在以直射波为 主的近区接收环境中，５ λ ／８ 天线的输 出电平最大，接收信号的维特比纠错前 的误码率最小，说明 ５ λ ／８ 天线所表现 出的接收效果最好。而λ／４ 天线和盘锥 天线随着场强的变化，天线输出电平变 化起伏比较大，由此而引起的维特比纠 错前的误码率的波动也比较大，天线的 接收效果率较大。
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地面数字电视广播车载接收天线的设计
◎吴国光 广东省广播电视技术中心
【提要】 本文简要阐述了用于数字电 视地面广播的车载接收天线的特点 和测试方法，介绍了三种车载接收 天线的设计方案及实测结果。
【关键词】 数字电视地面广播 移 动接收 车载接收天线
天线要与车辆综合考虑，设计天线 时要考虑周围环境的影响以及可能存在
数字微波系统的系统框图如图 ２ 所 示，其主要由收发信部分、Ｑ Ｐ Ｓ Ｋ 调制 解调部分、分支电路部分、复分接电路、 勤务和监控部分及电源部分组成。具体 指标如下：
工作频段：７ ／ ８ Ｇ Ｈ ｚ 传输容量：４４．７３６Ｍｂ／ｓ （码型： Ｂ３ＺＳ） 数据接口：２１ × ２Ｍｂ 或 ４５Ｍｂ 符 合 ＩＴＵ Ｇ．７０３ 建议 发信机输出功率：＋ ３ ０ ｄ Ｂ ｍ 调制方式：Ｑ Ｐ Ｓ Ｋ 收信机门限电平：－ ７ ７ ｄ Ｂ ｍ （＋２ｄＢ）（１０Ｅ － ６） 保护方式：１ ＋ １ 或 ２ ＋ １ （１） 收发信部分 发信端将 ７ ０ Ｍ Ｈ ｚ 已调中频信号与 本振信号进行变频，变换成微波信号， 经三腔滤波器滤除无用信号，送给功率 放大器输入端，并放大到一规定功率电 平，经合路器由天线发送出去，见图 ３。 收信端将收到的微弱信号经分路器
２ 数字电视车载接收天线的 特点
对于地面数字电视广播车载接收天 线的总体要求是增益高、频带宽、全向、 重量轻、结构简单，在移动接收时，需
要根据地面数字电视广播的信号特点和 车载移动的特点选择合适的接收天线。
地面数字电视广播的信号是宽带多 载波信号，如 Ｄ Ｖ Ｂ － Ｔ 信号带宽为 ８ Ｍ Ｈ ｚ ，这就要求车载移动接收天线要 具有良好的宽频带特性；为了使地面数 字电视广播能更好地适应移动接收，根 据移动通信的经验，我们采用垂直极化 波进行传输，因此，要求车载接收天线 也是垂直极化的。为了保证汽车移动时 能连续接收，不受方向和地点的影响， 不需要在行驶中去不断对准天线的方 向，车载接收天线应采用无方向性天 线；考虑到汽车高速行驶和道路条件的 限制，天线不能太高，体积也不能太大， 风阻应该比较小。由于天线的安装位置 仅限于车顶和车窗等处，天线的特性受 车体的影响比较大。
微波设备从 ２００４ 年 ４ 月 １ 日运行至 今，河南电视台第二套节目信号的传输 质量较高，整个系统运行稳定，状况良 好，减轻了值班人员的负担，提高了工 作效率。尤其这种“光纤＋微波”的组 合传输方式，为电视传输提供了一种更 好的选择。
（收稿日期：２００４－０８－２０）▲
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为正弦分布时，有效高度 ｈ 用（１） 式描 ｅ
述：
∫ｈ
ｈ ＝１／（Ｉ Ｉ ｄｚ）
ｅ
０
（Ｚ）
０
＝ λ １－ｃｏｓｋｈ ２ π ｓｉｎｋｈ
（１）
式中，Ｉ 为天线馈电点电流，ｋ 为 ０
相移常数，ｈ 为天线的实际高度，λ为
工作波长。
３．１ 线天线
我们首先设计了 １／４ 波长的同轴接
收天线进行实验，其结构如图１ 所示。这
种天线是一个半波振子，两臂具有不同
直径，上臂是同轴电缆的中心导体，下
臂是 １／４ 波长的金属圆筒。圆筒的内表
面和馈线屏蔽层的外表面构成 １／４ 波长
的短路线，这一短路线可以阻止高频电
流流到同轴电缆外皮上，起到金属绝缘
０．４ λ，Ｈ＝０．７ λ，Ｂ＝０．６ λ，锥体的半 锥角θ ＝２５°。圆盘的尺寸对方向图的 影响很大，尺寸太大将使上半部分方向 性减弱；尺寸太小，将影响天线的宽频 带特性。盘与锥之间的距离要求不严 格。盘与锥均可用辐射状金属棒来代替 金属片，以减轻天线的重量和风阻。盘 锥天线的特点是垂直极化，全向和宽频 带。使锥面与轴线成 ３０°～４０°角，则 可实现天线输入阻抗为 ５０ Ω，电抗部分 也近似为 ０，这样不仅可降低辐射仰角， 还提高了天线的输入阻抗。
（２） ＱＰＳＫ 调制解调部分 主要将 Ｂ３ＺＳ 码信号进行双 － 单变 换，扰码，差分编码，然后在 ７０ＭＨｚ 中 频上进行 Ｑ Ｐ Ｓ Ｋ 调制。收端进行 Ｑ Ｐ Ｓ Ｋ 相干解调，差分译码，单 － 双变换。 （３） 分支电路部分 主要完成几个不同波道的收发频率 合成及分离，根据需要组成 １ ＋ １ 单极 化型或空间分集型、１ ＋ １ 同频备份型 等分支电路。 （４） 复分接电路 将 ２１ 个 ２Ｍｂ／ｓ 接口的 ＰＣＭ 基群信 号复接成 ４５Ｍｂ／ｓ 信号。分接是复接的