CN1249989C - 用于减少电视信号中的多径失真的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于降低电视信号中多径失真的方法和设备，包括多个天线元件用于接收期望的电视信号的空间唯一的拷贝。电视信号的多个空间唯一的拷贝输入到适配合并器用于产生一个输入到电视接收机的空间合并的信号。

Description

用于减少电视信号中的多径失真的方法和设备

本申请要求于1999年9月8日申请的序列号为60/152859的美国临时专利申请的优先权，并且在本文中将其作为参考。

本申请一般涉及一种用于接收电视信号的方法和设备，尤其是涉及一种用于自适应地降低已接收的电视信号中的多径失真的天线***。

本发明的背景

长久以来，地面电视广播信号都被多径失真所困扰。传输的电视信号被建筑物或者其他大型物体所反射，造成了在接收机中接收到了不期望的多路信号。这些不期望的信号和传输的信号相合并并且在电视屏幕上产生了通常被称为“重影”的信号。当接收地面数字广播电视信号的时候，例如高清晰度电视信号(HDTV)，重影能够完全的阻止图像的构成。在城市中由于在发射场中干扰节点的出现，造成了接收的电视信号的幅度的严重降低，因此多径失真在城市环境中存在的问题尤为严重。通常在城市环境中可见的小型天线在这样的节点中能被完全的遮盖，结果是电视信号整体丢失。

目前用于去除模拟和数字电视接收中的电视信号的多径失真是基于电视接收机中的适配均衡器。但是这样的技术只是在多径失真不是太严重的环境中有效。在严重的多径环境中，例如当多径失真导致了在天线中出现了场节点的时候，目前的均衡技术是不能充分的校正这种失真的。

因此，在该领域中需要一种天线***，该***能够在信号被送到电视接收机之前降低电视信号中的多径失真。

发明概述

与现有技术相关联的缺点可以通过一种用于降低电视信号中的多径失真的方法和设备来克服。具体讲，由多个天线元件接收期望的电视信号的空间唯一的拷贝。该空间唯一的拷贝被送到一个适配合并器，并产生了一个空间合并的信号，将该信号送到电视接收机中。适配合并器形成了一个空间唯一的拷贝的加权和，它有效地将空间零点加在多径干扰的方向上。加权信息是由使用了位于设备当中的多径处理器的智能的适配控制器提供的。智能可以由源于合并器的输出信号或者由对输入信号自身的处理而产生的指标值的形式出现。

附图的简要说明

本发明教义将在下文的结合附图的详细描述中容易理解，其中

附图1表明根据本发明的设备的方框图；

附图2表明适配合并器的一个实施例的方框图；

附图3A表明四端口环形天线的透视图；

附图3B表明四端口环形天线的俯视图；

附图3C表明馈送端口详细的侧视图；

附图3D表明馈送端口的详细的俯视图；

附图3E表明具有一个变压器的馈送端口的详细的俯视图；

附图4A示意性的表明本发明中低频的基本以及受控的辐射模型；

附图4B示意性的表明本发明中高频的基本以及受控的辐射模型；

附图5示意性的示出了苜蓿叶形天线的设计结构。

为了有利于理解，在可能使用附图标记的地方，同样的附图标记表示附图中同样的元件。

详细描述

附图1表明了用于降低电视信号中的多径失真的设备100的方框图。设备100包括多个天线元件106(例如，图示的4个)，一个适配合并器102，以及一个电视接收机104。天线元件106接收一个与从一个频带内的多个频道中选出的期望的地面广播电视频道相应的RF信号。与广播频道相应的RF信号是模拟和数字电视信号。在美国模拟信号可以包括一个传统的全国电视标准委员会(NTSC)调制的信号。数字电视信号可以包括一个符合先进电视***委员会(ATSC)标准A/53的残留边带调制信号，例如高清晰度电视信号(HDTV)。这里描述的***通过对***的输入部分作适当地改变可以配置成能够运行其它格式，例如欧洲格式。

每一个天线元件106接收一个期望电视信号的空间唯一的拷贝(即，一个具有与入射角度相关的唯一的幅度和相位的电视信号的拷贝)。每一个空间唯一的拷贝被送到适配合并器102用于空间处理。适配合并器102产生一个空间唯一的拷贝的加权和，该加权和有效地将空间零点放置在多径干扰的方向上。适配合并器102的空间处理是自适应性的，表现在(1)加权信息是通过使用表明设备100工作状况的检测值的指标值(FoM)而产生的，或者(2)加权是由输入信号的直接处理决定的。适配合并器102的输出被送到电视接收机104用于解调制以及电视信号的显示。

附图2表明了适配合并器102的一个实施例的方框图。适配合并器102包括多个调谐模块202，一个加法器208，一个多径处理器216，一个适配控制器210以及一个本地振荡器(LO)212。多个调谐模块202中的每一个都包括一个调谐器204和一个加权器206。多个天线元件106中的每一个都与多个调谐模块202中的每一个分别耦合。尤其是，对于调谐模块202₁，天线元件106₁产生的期望电视信号的空间唯一的拷贝被送到调谐器204₁。调谐器204₁输出一个与期望的电视信号相应的中频(IF)信号。期望的电视信号由产生一个具有适当的频率的L0信号的L0212决定。产生的中频IF信号由加权器206₁加权并被送到加法器208。应当注意到调谐器输出端的信号可能是数字的(使用数字转换器205₁)，因此适应处理可以以数学的方式进行。

多个调谐模块202中的每一个都按照上述的描述操作，产生了多个加权的期望电视信号的空间唯一的拷贝，并将其送到加法器208。加法器208合并多个加权拷贝并产生了一个空间合并的电视信号。空间合并的电视信号耦合到电视接收机104当中用于解调制以及电视信息的显示，如图1所示。从合并器输出的电视信号的格式被选择与接收设备相一致。例如，信号可以被转换成与TV原始搜索相同的频率和调制。或者对于相应的配置的电视接收机，信号可以保持原样。

适配合并器102通过适当的调整每一个加权器206降低期望的电视信号的多径失真。每一个加权器206既要分别调整与每一个期望的电视信号的空间唯一的拷贝相关的中频信号的幅度，又要对其在时间上进行延迟。本领域的技术人员可以容易地设计其它形式的加权，包括但并不局限于加权幅度和相位，仅加权幅度，仅加权相位，以及仅执行时间延迟。也可以直接在RF信号上执行加权操作，正如本领域中熟知的更为典型的相控阵天线。在选择执行加权的方法中，选择是非常方便的。

适配控制器210依照适应的算法决定每一个加权的值(即放大或衰减的量，以及时间延迟量)。在本发明的一个实施例中，适应算法利用一个具有多个期望的电视信号的空间唯一的拷贝作为输入的交叉相关矩阵。特别是，适配控制器210选择一个空间唯一的拷贝，例如天线元件106₁产生的拷贝，并计算所选的拷贝与剩余的空间唯一的拷贝之间的交叉相关矩阵。当判断出期望的电视信号包含有一个多径成分，适配控制器210调整例如与天线元件106₂产生的空间唯一的拷贝相应的加权器206₂。加权器206₂被调整从而暂时地将每个空间唯一的拷贝与所选的拷贝排成一行，并倒置检测到的多径成分。应当注意到暂时的延迟并不需要在直接信号与重影信号之间检测到的延迟的全部值，但是基本上同样的执行可以通过在一个RF期间的适当比例的延迟期间内完成。这种合并了广播带倒置功能(在数字情况下为算术方法或者模拟的其他方法)的方法将在不期望的信号的方向上提供同等有效的零点，并且不需要花费捕获重影信号的整个延迟时间所需的长的分接的延迟线。事实是与仅基于均衡器的方法相比，目前的***的一个重要的优点在于以前的方法中整个时间延迟是一个绝对的必备条件。

当加法器208合并了两个拷贝的时候，多径成分就从期望的电视信号中去除了。在这种方法中，适配控制器210利用来自于天线元件106₃和106₄的空间唯一的拷贝能够除去两个或者更多的多径成分(在本实施例中是3个)。一般来说，设备100能够去除比天线元件106的数目少一个的多径成分(即自由度的数目减1)。更多数目的多径成分可以以一定的妥协方式，利用整个多径能量的最小均方值来定址。本领域的技术人员可以容易地设计出其它的最佳加权方案。

此外，在合并器的输出端的操作可以用于导出一个指标值。在这种情况下，适应性的处理必将通过本领域中熟知的梯度搜索型法则逐步的朝向最佳的解决方案。

多径处理器216与加法器208的输出端相耦合，用于分析空间合并的信号并产生FoM。FoM依赖于接收的信号的类型(即，模拟或数字)。对于NTSC信号，FoM是基于与标准广播格式相关的多种同步信号的检测。对于数字信号，多径处理器216计算信号噪声比。FoM输出到适配控制器210。在本发明的另一个实施例当中，根据标准化协议，对于图示的***，FoM可以通过信号通道218从接收机电路中产生。

在一个更低成本的替代实施例中，适配合并器102被换作一个选择开关，简单的选择可用的天线端口之一用于接收，而终止其它端口与匹配负载的连接。该实施例的端口选择处理可以根据与整个适配操作中同样的FoM，或者简单地根据在先前的操作模式设定过程中用户选择的先前设定值的存储器查阅表。这种低成本***缺乏整个适配***的增益和零操作，但是仍然能够在城市环境中对简单的静态天线提供足够的改进。

附图3A表明了根据本发明的示意性的天线300的透视图。天线300是一个多端口环形天线，其尤其适于在人们关注多径失真超过信号强度的城市环境中使用。在一个实施例当中，天线300是一个四端口环形天线包括一个环302，它由四个平面条形导体302A，302B，302C，302D构成，并具有四个馈送口306，以及四个通过机械连接器308连接到环302上的馈送线304。环302具有一个圆形的横截面并且馈送端口306以90度的间隔配置在环302的周长上。每一条馈送线304都机械地连接在环302的每一对馈送口306的中间位置上。馈送线304放射状的向里伸展，并且充分伸展到环302的中心。在环302的中心，馈送线304在点310处弯曲90度，并向远离环302的方向延伸。天线300的结构提供了一种用于支撑贝型结构的方便的几何结构，使得该设计可在机顶使用。

环302由箔片、金属片、印刷电路板或者其任意组合构成。在一个实施例中，环包括一个位于绝缘基底302S之上或附着于其上的导电层。该层形成了每一个导电条302A，302B，302C，以及302D。尽管附图3A示出了环302具有一个圆形的横截面，本领域的技术人员能够容易地设计出替代的横截面。而且，环可以不为宽的条形；但是，宽条是实用的并且在广播频率范围内提供了一个充分恒定的阻抗。在本发明的另一个实施例中，条形导体的宽度也可以定位于环的平面上，如在环面上一样。

附图3B示出了天线300的俯视图。每一条馈送线306在机械连接器308之后弯曲90度(在点310)，并且沿着环302的周长延伸。每一馈送线306的同轴屏蔽终止于每一馈送端口306的一侧，而同轴中心导体跨过馈送端口306并在另一侧连接了一个几何对称的虚拟同轴结构312。附图3C示出了馈送端口306的结构的侧视图且附图3D示出了馈送端口306的结构的俯视图。在图示的实施例中，环302包括一个位于基底302S的外表面之上的导电层302A和302B。在每一个馈送端口306处导电条302A，302B，302C，302D都做得很窄并且在每一个馈送口306处在环302的导电条302A，302B，302C，302D之间形成一个间隙314(无导体出现)。馈送线304是同轴电缆，接地的屏蔽层在馈送线304机械连接到环302的导电层302A的点上。环的狭窄部分降低了那些点的寄生电抗，而环的宽的部分从同轴电缆连接处分走电流，从而降低对馈送线304的耦合。增加的宽度也用来降低条自身的本征电抗，因此就频率而言稳定了输入电阻。为了实现这种效果至少需要两厘米的宽度。也可以使用另一种圆形横截面的导体，例如电线或者管，为了实现期望的稳定电阻，其要具有至少一厘米的外部直径。如上所述，在每一个馈送点306，同轴电缆304的中心导体318跨在间隙314之上，并且通过寄生虚拟312在间隙314的相对的一侧320接地。同轴电缆304以及虚拟同轴结构312形成了一个自动平衡转换器。

在每一条馈送线304的周围可以随意地放置一些铁氧体磁珠或者套管316从而降低直接流入同轴电缆的电流并且降低了同轴电缆的寄生辐射。

如图3E所示，阻抗匹配变压器322可以放置在馈送点306，或者在电路的其它点上，用于改进与调谐器的匹配。具体讲，匹配变压器322具有连接到同轴电缆中心导体318以及导电条302A上的输入终端324，并且具有连接到寄生同轴结构312以及导电条302B上的输出终端326。

在本发明的另一个替代实施例中，变压器322***在机械连接点上。这样环的同轴接地表面就被以标准双线传输线的方式连接导电表面的导线所替代，其中条形导体表面位于这样的线的对称平面上。

用于天线的另一种替代馈送结构包括一个直接与环端口相连的300Ω双线传输线。双线将在环的中心与在线平衡转换器相连。传统的贝弗来天线就可以以这种方式构成，因此当旋转贝弗来天线使其直接指向信号源的时候，天线的单一馈送线将其终端定位于发射场。这样，流入馈送线本身的电流就会很少甚至没有。

在馈送结构的另一个替代实施例中，变压器322可以位于远离馈送端口306的在线位置上。这样，每一个同轴电缆304都将终止于变压器322的位置处，例如在弯曲点310。每一个变压器都将被装入一个屏蔽的机架中。高阻抗的同轴电缆(例如300Ω)将被用于从变压器到馈送点306的传输线。

在附图3中描述的天线结构能够被用作附图1和2中示出的和描述的多个天线元件106。本领域的技术人员能够容易地设计出多天线元件和/或多端口天线的替代设备。这里描述的多端口环形天线尤其适用于高增益被视为不如多路失真的控制重要的城市环境中。特别对于达到高增益的元件阵列，例如Yagi-Uda或者log-periodic元件，可以用于需要高增益的地方。

附图4A描绘了在本发明的设备100中获得的低频率的辐射图。期望的电视信号的方向是0度且多径成分的方向是90度，180度和270度。在本实施例中，设备100在多径的入射角度形成了方图的零点而在期望的信号方向保持了增益。

附图4B描绘了在本发明的设备100中获得的高频辐射方图。这里期望的电视信号的方向仍为0度而多径成分的方向现在是135度，180度和225度。设备100在多径的入射角度形成了方图的零点，而在期望的信号的方向保持了增益。对于更高的频率，方图的主波瓣比低频更有方向性。

附图5描绘了另一个替代实施例天线500。天线500是一个苜蓿叶形天线，包括一个环fo2，具有四个朝向正交方向的Vivaldi V型开口的天线502A，502B，502C，以及502D。环502作为一个整体工作在VHF波段，如改进的贝弗来天线，而Vivaldi元件502A，502B，502C，502D提供了UHF波段的定向方图。元件可以具有一个沿着开口渐宽的导体用以支持已知的电流流向与标准Vivaldi天线的实际孔径相邻的表面上。

与先前的天线的实施例相似，该替代实施例可以是导线、管、印刷电路板迹线、箔片、薄金属以及类似的形式。四天线元件设备允许选择一个特定的天线样式。该样式是通过选择一个特定的天线端口504A，504B，504C，504D而得到的。每一个端口提供一个具有独立的幅度和相位特征的接收信号。通过将多天线端口与合并和相位网络相耦合使其他的天线结构指向中间角度是可能的。

对于VHF信号的接收，在环结构中四Vivaldi元件502A，502B，502C，502D在不使用的时候可以彼此分离。这样的分离提供改进的UHF方图特性。这种分离能够通过使用机械转播，PIN二极管转换，或者在Vivadlj天线元件边缘(例如在位置506)之间的频率选择电路网络来提供。

尽管这里示出并详细描述了采用了本发明教义的各种实施例，但是本领域的技术人员可以容易地设计出仍然采用这些教义的其它变形的实施例。

Claims (8)

1.一种用于降低电视信号中的多径失真的设备，包括：

多个天线元件，用于接收电视信号，其中每一个所述的多个天线元件分别接收每一个多个空间唯一的信号，每一个所述的多个空间唯一的信号都是电视信号的不同的拷贝；

一个适配合并器，用于通过对每一个所述的空间唯一的信号进行动态加权来产生一个空间合并的信号，其中所述适配合并器包括多个信号处理器，每一个所述信号处理器都耦合到多个天线元件之一，一个耦合到所述多个信号处理器的加法器，一个耦合到所述加法器以及所述多个信号处理器的多径处理器；以及

一个耦合到所述适配合并器的输出，用于发送所述空间合并的信号。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述的多个天线元件包括一个具有多个馈送端口的环形天线，每一个所述的多个馈送端口都位于所述的环形天线的周长周围从而可以接收每一个所述的多个空间唯一的信号。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述的适配合并器包括：

多个调谐模块，每一个所述的调谐模块都具有一个调谐器和一个加权器用于从多个空间唯一的信号中选择一个并产生加权的空间唯一的信号；

一个加法器，与每一个所述的多个调谐模块的所述的加权器相耦合，用于合并每一个加权的空间唯一的信号以产生所述的空间合并信号；

一个多径处理器，与所述的加法器相耦合，用于产生一个指标值；以及

一个适配控制器，与所述的多径处理器以及每一个所述的多个调谐模块的所述的加权器相耦合，其中所述的适配控制器将所述的指标值作为输入，使用自适应算法控制每一个加权值。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述的自适应算法包括一个交叉相关算法。

5.一种用于降低电视信号的多径失真的方法，包括：

接收多个空间唯一的信号，每一个所述的空间唯一的信号都是电视信号的不同的拷贝；

通过根据所述空间合并的信号的特性动态加权每一个所述空间唯一的信号，来自适应地合并所述的多个空间唯一的信号从而产生一个空间合并的信号；以及

输出所述的空间合并的信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述的合并步骤包括：

使用加权对多个空间唯一的信号的每一个进行加权，产生多个加权的空间唯一的信号；

将所述的多个加权的空间唯一的信号相加以产生所述的空间合并的信号；

处理所述的空间合并的信号，以得到指标值；以及

通过以所述的指标值作为输入的自适应算法控制所述加权的值。

7.如权利要求6所述的方法，其中为了使期望的信号比多径成分占优，所述的适配控制器根据它的个别样式特征，使用指标值从所述的多个接收的信号中选择一个信号。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述的适配控制器使用一种存储在存储器当中的手动的用户选择。

Images