图文详解双天线消除同频信号

黄峻岳

【前言】

香港2007年底开始采用国标DMB-TH多载波制式发送数码地面电视信号，当时也成为国内唯一的真正进入实用阶段的数码电视信号，也成为邻近香港的珠三角地区无线接收电视的试验场。开播初期的数码电视信号仅由慈云山（C）发射站提供，占用482MHz、586MHz及602MHz三个8MHz带宽的频道，其中的586MHz及602MHz频点规划为采用同频网方式广播。虽然发射站位处香港腹地，珠三角地区可以稳定接收到以上3个频点的案例也不在少数。

为了迎接08北京奥运，香港开通另外5个发射站，也就是说6个发射站同时发送586MHz及602MHz的射频信号。在某些地方出现了严重的同频干扰问题，原本稳定高质量的接收出现了信号质量下降甚至无信号。通过场强频谱仪测量发现对应频点的信号强度通常是高过之前的单发射站信号，但是接收到的信号却是经常出现严重马赛克，信号质量不规则跳动，接收机无法锁定等现象。

模拟电视广播是不能使用同频网概念进行广播的，数码电视则声称可以构建同频网，但是事实却是让人失望。当然，从发射站规划来讲，珠三角地区接收香港数码信号并不在其规划区域之内，相对的远程接收导致容易接收到多个发射站的信号，而且发射站之间的角度偏差较小，所以也不能就此否认数码单频网是不可行的。为了寻找在这种特定条件下接收同频网数码电视的解决方法，以下就同频信号的混合特性作详细分析，并探讨利用天线消除或降低同频信号造成的干扰。

主要发射站分布概况：

射频信号在天线上合成

珠三角地区接收香港数码电视，都会碰到同频信号问题。具体反应就是482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz好收，586MHz和602MHz难收。通常的原因并非586MHz/602MHz信号不够强，而是由于482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz都是“干净”的信号，586MHz/602MHz则可能是“有点脏”。这里需要说明的是482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz的电视信号只有一个发射站发送，而586MHz/602MHz则是由数个发射站同时发送。

由于是相对的远程接收，更容易同时“看”到香港的多个发射站，那么就很有可能同时接收到不同发射站的586/602信号。当不同发射站的信号遇到一条天线时，这条天线同时感应到电磁波并合成输出，那么合成的电信号会出现什么样的变化？

图1和图2显示了两发射站到接收天线无延迟（正好距离相同）、延迟4.9km和延迟18.7km的情况下同频信号叠加合成的波形结果。

这种图通常是用来解释保护间隔是如何对付反射波与同频信号。图中的窗口表示数码信号的一个符号时间，0-125μs是保护间隔，125-625μs是数据窗口。保护间隔内的波形随着延迟不同出现变化，不过没关系，需要的数据在后面的数据窗口。数据窗口还是正弦波，相位有点变没关系，幅度变化就有点麻烦。现在叠加的信号是-5dB，合成的数据窗口信号已经有可能大约降低一半，如果是0dB那就全没了。

现在不去关心数码信号是什么样的结构，只关心信号幅度在合成之后出现变大变小。是不是只有延迟18.7km附近最倒霉？以此类推，延迟距离不能超过37.5km（保护间隔比1/4），否则数据窗口的波形也将被破坏。

仔细计算一下图中正弦波的频率，发现有问题，怎么只有8KHz。18.7km就是8KHz的半波长，所以延迟半波长位置是抵消最厉害的地方。

可是天线实际收到的信号是586MHz和602MHz，586MHz的半波长是0.256m，602MHz的半波长是0.249m。射频信号叠加也是一样，只要是延迟半波长的奇数倍，信号也是互相抵消。。虽然保护间隔可以使得数据窗口在一定范围内免遭破坏，但是如果射频信号在进入接收机之前已经互相抵消为弱信号，接收机同样无法处理。

同频信号就在您周围合成

以586MHz频点为例，图3显示水平面同频电波合成后的信号强弱分布。

图中绿色表示相加增强地点，红色表示抵消衰落地点，方向差45度示意。是不是前后左右挪动天线几十公分就可以避开抵消点？

在有些情况下可能有效，但是没这么简单，示意图只是针对586MHz的波长画出来的。一个频道有8MHz的带宽，加上602MHz总共要考虑24MHz的信号。

正弦波的合成原理

现在回到现实中，天线安装固定之后，天线安装点与不同发射站的距离差是固定的。假设这个距离差正好让某一个频点增强，那么附近的频率是不是也是一样？因为想要信号正常那一定要把8M带宽的信号全部收下来才行。

对于信号合成所需要的计算不复杂，只要算出8M带宽内各频点的正弦波叠加幅度，就可以观察出对应的频率响应。对于射频信号，关键不是追求计算的准确度，而是从计算结果看出个大概。

正弦波的电压表达式是 V = v0 sin( f0 t + Φ)，v0是指幅度，f0是指频率，Φ是指相位。

两个频率、幅度相同，相位不同的信号叠加公式：

V1 + V2 = v0 sin(f0 t+Φ1) + v0 sin(f0 t+Φ2) ；

= 2 v0 cos((Φ1-Φ2)/2) * sin(f0 t+(Φ1+Φ2)/2) ;

叠加结果是频率不变，相位变成(Φ1+Φ2)/2) ，幅度变成2 v0 cos((Φ1-Φ2)/2) ，幅度的变化看起来和频率没关系，但是其中的(Φ1-Φ2)是相位差，相位差跟距离差和波长有关系，波长又是由频率决定的。

Φ1 - Φ2 = (2πΔd) / λ，Δd 是指距离差，λ 是指波长。λ = c / f0 ， c 是指光速，c = 299792.458 Km/s。合成后的幅度也可以写成：

2 v0 cos((πΔd f0)/ c) ；与频率f0还是相关的。

使用三角函数对付幅度相同叠加的幅度变化还容易理解，幅度不同的叠加就有点复杂。正弦波还可以采用极坐标来表示，图4显示频率相同的正弦波合成后幅度与相位变化，其中v1和v2之间的夹角就是两信号的相位差。

根据平行四边形法则计算合成幅度：

vout2 =( v1+v2cos((πΔd f0)/ c))2 +( v2sin((πΔd f0)/ c))2；

下面针对586MHz和602MHz所占用的频带，计算在各种距离差情况下，各频点幅度的变化曲线。

距离差与电视信号频谱的关系

假设电视台发射的频谱是理想化的长方形，代表所有频率的强度一样。在两路同频信号叠加之后，由于相位差的不同，各频点叠加幅度出现不同的改变，也就相当于原始信号经过一个特殊的滤波器，频谱发生了变化。

先看看距离差0.25m与0.5m的情况（图5），其中的同频信号强度为主信号的-5dB。合成之后的频谱还算可以，24M带宽范围同步变化，大约升4dB，降7dB。如果接收点和两发射站差不多是等腰三角形，距离差还真有可能这么小。

提高距离差到5m，50m和100m（图6）开始发现问题严重。合成之后的频谱出现大约10dB振幅的抖动，严重破坏数码电视频道内的频率特性，而且可以看出随着距离差加大，抖动的密度提高，振幅变化保持大约10dB。

数码接收有个基本的要求是“频谱平坦”，如果频谱的抖动超出一定的范围，数字解码电路就会解出错误的数据。无名兄经过多种机器的对比，发现不同的高频头及解码器组合会在不同地方表现“抗同频”能力有高低，估计就是对付这种怪频谱的能力不同。

图7以延迟距离100m为例，显示不同强度的同频信号合成结果。可以看出同频信号越强，合成后的频谱抖动就越大。在同频信号为-15~-20dB时，频谱抖动接近+/-1dB，这应该是普通接收机可以接受的范围。

得出的结论是：同频网的射频信号叠加效应导致数码电视接收困难，最根本的解决方法是降低同频信号的强度。

附加说明：

(1)数码电视与模拟电视信号在进入解码器之前没有本质区别。就是说从发射，到天线感应，馈线电缆传输，高频头转中频为止，都是一样的模拟信号。唯一的区别就是模拟电视的幅度是固定的，数码信号的幅度是变化的，最低电压与最高电压变化要比模拟大，所以唯一要注意的是天线系统的动态范围要求在合理的位置，以免出界。

(2)模拟电视使用射频的幅度表示图像的亮暗，射频信号的图像部分是以调幅（AM）方式传送的，比如说模拟电视的射频信号的电压是在变化的，如果受到干扰就会叠加在一起，对应的就是图像马上发生变化（变亮或变暗）。音频部分是使用调频（FM）方式传送的，射频传输过程中如果只是改变了幅度则不会对声音造成影响。数码电视信号在地面传输是也是相当于调幅（AM）方式传送。美国ATSC的8VSB只使用电压幅度表示数字，国标数码电视使用xQAM，同时使用幅度和相位表示数字。如果射频信号的幅度与相位受到影响，解码芯片就会得到不同的数字，相当于加入了幅度噪声与相位噪声。

同频网接收天线的基本设置

发射站的射频信号发射之后，以各自的方向直线传播，在遇到天线时部分能量被吸收反射，其余的能量按照原来的方向继续前进。在有同频信号都可以得到的地方，天线同时接收来自不同发射站的信号，通过电缆连接下来的信号已经混合为一个信号，这个信号几乎没有手段可以再将它拆分。

通过之前的分析，应该清楚射频的同频干扰不是数码的保护间隔可以完全解决的，首先需要解决的是确定一个信号最强的发射站作为主信号，寄希望于其他发射站的同频信号强度有足够的差距。

首先需要搞清楚现在的天线能收到几个发射站的信号，香港数码电视同时采用多频网/单频网，幸运的是每个发射站都有一个不同频率的信号。C站482MHz、K站546MHz、Q站650MHz、F站562MHz，J站626MHz，虽然不能完全等同于各发射站的586MHz/602MHz强度，但还是有一定参考价值。586MHz/602MHz如果已经处在混合状态，那是没办法分清楚里面到底有多少成分是来自哪个发射站的。所以说如果586/602有问题，先不管586/602，先关注多频网的接收情况，是不是有点头痛医脚的感觉。

再搞清楚那个发射站信号最强，还是利用多频网各个发射站的特定频率，以现在的天线设置，利用接收计通常都有的信号强度及质量判断。如果可以存台，最好多做观察图像声音的稳定情况。找出最稳定的频率，那就可以把对应发射站当作主信号。

当然使用场强扫频仪是最专业的做法，可以更明白数量上的差异，判断也可以更准确。多频网因为没有同频干扰问题，有时候要求很低还不出毛病，同时稳定倒是经常有的事，通过接收机观察有时候可能很难拉出距离。

香港的数码电视规划到目前为止算是一个特例，就像每个发射站都保留一个频率作为指针。如果没有这种频率规划结构，主信号的确定那只好依靠收集发射站功率、距离及前方遮挡环境等材料进行分析，做出一些辅助判断。由于实际环境千差万别，最终的手段也只能靠细调天线指向、尽可能尝试天线不同安装位置来确定。

天线都具有一定的指向性，通常是指向发射站方向时增益最高，偏离发射站方向增益逐渐下降，指向角则是指在增益跌落3dB之内的角度。从图8可以看出实际应用时，天线的指向角会随着当地环境出现变化。现实的居住条件较少可以达到空旷不受阻挡，在电波穿越复杂的城市钢筋森林，通常都会出现强度衰减，路经复杂化，虽然天线还是那条天线，实际效果是天线相对指向性变差。

天线指向图通常是以一个频率增益最高点为0dB，在对比不同频率的强度时则以实测强度最高的频率作为0dB，图9是以信号最强的Q站信号作为0dB，对比不同方向的强度差异。在指向K站方向时，586MHz/602MHz可以接收，但是经常出现不稳定现象，对于数码电视接收来说属于不可忍受情况。指向Q站方向后，586MHz/602MHz接收完美。

这个实例属于主信号与同频信号偏角较大情况，普通的指向天线已经可以做到隔离同频信号，拉开足够的强度差距。如果主信号与同频信号夹角过小，指向天线对同频信号的抑制程度将会减弱，提高接收天线的指向性将有助于对同频信号的衰减。

提高天线指向性

选择方向性较强的八木天线。只是天线厂家较少提供有关指向性的技术参数，提供了参数也不知道准不准。如果现在使用的天线是短的，换一条长的。

抛物线网锅也是一个选择，不过体积庞大较难维护，还一定需要足够大地盘安装。图10的天线也是按照抛物线设计，声称水平指向24°，垂直指向16°。如果水平放置，水平指向可以达到16°附近。

在单条天线不能满足，有没有条件架设抛物线网锅的情况下，使用双天线水平组阵可能比较容易实现，图11为安装尺寸示意图（针对586MHz/602MHz的最低端频率582MHz计算）。

双天线水平组阵必须注意的要点：

1. 天线型号必须相同，两条天线不能接触。可以使用任何形式的指向天线组阵。

2. 水平安装横杆如果不使用金属材料，可以靠近天线。

3. 天线通常指向发射站方向，如果来波方向受影响，尽量指向信号最强方向。

4. 天线到合成器的连接电缆不能水平拉线，连接两条天线的电缆长度必须严格等长度。

5. 合成器可以使用普通的1进2出的分配器反过来使用。

6. 天线间距选择最低频率波长的0.94~0.60之间。

采用理论计算的方法观察一下组阵前后天线指向角度的变化（图12，以间距0.484m，586MHz为例）。比较单天线与双天线指向图的变化，-3dB的指向角度从24°减少到18°。如果要达到对同频信号有足够的抑制程度需要15~20dB，图中标示-18dB的角度从60°减为45°，也就是单天线可以用于偏角30°以上的同频信号抑制，双天线则可以用于偏角22.5°以上。

普通的双天线水平组阵只要是以提高指向性的方法抑制同频信号，但是缩小角度有一定的限制。如果同频信号偏角更小，那就需要精确组阵来针对某一频率进行处理。

精确组阵原理

如果仔细研究图12 的水平组阵衰减曲线，你就会发现四瓣形状的曲线中存在有4个凹陷，也就是衰减最大点，精确组阵的原理其实就是要将凹陷点精确移动到想要消除的同频信号方向。先从图13了解一些有关射频传播的基本概念。

图13还同时告诉我们这样一个道理，射频信号虽然是以光速传播，但对于UHF频段信号的波长尺寸，通过天线安装位置的移动很容易改变信号相位。如果采用两条天线接收同一个发射站信号，只要这两条天线之间的距离相差为1/2波长，也就是一条天线比另一条天线提前或滞后1/2周期时间。再将两条天线的信号进行合成，这个发射站的信号就会互相抵消，信号消失。在解决同频干扰问题时当然不能只考虑将信号衰减，最终目的应该是保证主信号增强或不变的同时而同频信号尽可能衰减。

达到这个目的的方法是让主信号同时到达两条天线而同频信号不同时到达两条天线，前提是同频信号不能和主信号来自同一个方向。在信号经过数km的传输到达天线时，相对于天线的尺寸，信号的来波可以看成是一个垂直于地面的平面（波阵面）迎面扑来，只要确保两条天线都处在这个平面之上，主信号将同时到达两条天线。同频信号的来波方向如果存在一定的偏角，那么同频信号的波阵面就会从侧面而来，就不可能同时到达两条天线，两条天线就会先后收到同频信号，存在一定的延迟。如果可以使这个延迟正好是1/2周期时间，那么两条天线收到的同频信号成分就可以通过合成，互相抵消（图14）。

原理与计算只是利用简单的几何和三角函数，在实际操作时还要考虑到其中准确的因素只有用来计算波长的目标频率值，同频信号偏角大小不可能获得完全准确的数值，所以水平叠装天线最好设计成间距可调，在确认主信号方向之后，再仔细调试间距，以达到消除同频的最佳状态。

表1给出从偏角1°到30°的天线间距数据，基于586MHz/602MHz正好相隔一个频道，在处理同频干扰问题时如果需要同时处理类似的情况，将它们的中心频率作为目标频率也是一个不错的选择。

随着偏角减小，天线安装的间距不断增大，除了偏角1~3°之外，计算出来的天线间距值还算是处在工程可实现范围之内。当然在偏角太小的情况下实际操作的难度也相应提高，关键是双天线在主信号方向对准方面精确度要求越来越高，否则很容易将主信号置于被衰减的方位。

小结：

双天线组阵抗同频的方法针对的是物理层的电磁波，所以面对的只是各种频率的不同幅度与相位的正弦波，当然天线是区分不出来这些正弦波是代表模拟电视信号还是数字信号甚至被有些人称之为“毒针”的干扰信号。

如果您可以熟练阅读“同频信号衰减曲线”，您就发现几乎就是一个由双天线构成的对来自不同方向信号的单频道陷波器，当然很明显的缺点是两条天线只能对付一个频道，优点是主信号方向的频率与此衰减曲线没有关系（滤除不同方向的594但是586/602不受影响）。

精确组阵误差分析

在两条天线调试固定之后，间距也固定为一个数值，也就是说两条天线造成的延迟时间只有一个数值。电视信号的带宽是8MHz，在同样的延迟时间下，从低端到高端的各个频点所造成的抵消程度就会有所不同，图15显示在选择3个不同目标频率作为消除点时的衰减曲线，实线表示最大衰减40dB的曲线，虚点表示理论最大衰减曲线。

双天线精确组阵理论上可以完全将同频信号变成0电压，实际应用中通常可以做到20dB的衰减，如果精雕细琢可以提升到35~40dB的衰减量。图16和图17显示在不同偏角的情况下，双天线指向偏差及间距偏差所引起的最高衰减量的变化。对于偏角较小的情况，天线指向精度要求比较高，间距精度要求较高。对于偏角较大的情况正好相反，指向精度要求稍低，间距精度要求较高。

结束语：

双天线组阵抗同频信号的局限性在于只能针对一个频道的一个偏角，但是具有20dB~40dB的衰减性能在实际应用中可以发挥关键性的作用。

在同频网同步正常运行时，主信号的强度只要有15~20dB的优势，同频干扰几乎可以排除。根据主信号与同频信号强度原本的差距，对同频信号的衰减并不一定都需要调试到最高，只要足够就好。

对于超过2站的同频干扰情况，选择主信号的关键是方向唯一，强度最高。如果强信号方向存在偏角较小的同频信号，也可以考虑选择偏角大，强度稍低的发射站作为主信号，只要强信号没有高出15~20dB，通过细心调试达到衰减最大，也是有可能抑制强信号。■