天线合路器在COFDM视频传输系统中的设计与应用

郑德志，郝国欣，罗 旻

(中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东 青岛 266107)

0 引言

随着LTE-R(Long Term Evolution for Railway)、智能交通系统和无人载运/驾驶技术的发展，车载的多天线无线通信技术[1]在交通运输场景(如车对指挥中心通信、车对车通信等)中的应用成为一个技术热点，这催生了新一代移动通信MIMO(多输入多输出)技术的诞生和快速发展[2-4]。在各种移动通信系统中，由于“多信道工作”模式使得各基站/移动站集中了大量的收、发设备或模块，倘若每路收、发各使用一副天线，将会导致天线布局出现“鳞次栉比”甚至“占地拥挤”，同时各收、发信机之间工作时各天线会相互干扰从而影响信息数据的正确发送和接收。此外，天线无论是同杆装配还是独立架设，在技术、经济或场地利用等方面都会造成很大的浪费。因此，在移动通信中广泛采取天线共用[5-7]的形式来减少收发天线的数量。

1 天线合路器

天线合路器是一种无线多收发信机共享同一负载天线的电路设备，能够使工作在不同频率的收发信机同时工作在一路天线上发送和接收信息，如图1所示，不仅减少了天线的数量、节约了硬件成本，更重要的是实现了多部通信设备能够同时工作时无相互干扰的现象，确保了通信质量。

图1 天线合路共用示意图

其在无线通信链路中的应用跟收/发信机的通信模式有很大的关联性：若通信链路为双向通信，则天线合路器在上行、下行链路都必须考虑发信机大功率发射状态下的承受能力，否则将会烧毁天线合路器；若通信链路为单一通信，则天线合路器只需要在下行链路的发信机端考虑大功率承受的问题。

首先介绍应用于发信机端的天线合路器。由于发射天线合路器多数是在大功率输入情况下工作，合路器既要能够有效地将每部发信机的输出功率馈送到天线上，又要避免各发信机之间的相互影响，因此，对发射天线共用电路的要求就是满足良好的匹配与足够高的隔离。匹配目的是使功率有效地从发射机输出端传到天线上，而高隔离就是使发信机在同时工作的过程中互不影响，避免产生互调干扰。发射天线合路器的实现有很多种，通常使用的主要有：① 利用3 dB电桥构建天线合路器；② 使用宽带多载波线性功放构成天线合路器[8-10]；③ 使用捷变频滤波器构成天线合路器[11]；④ 使用可切换不可调滤波器构成天线合路器[12]。

1.1 3 dB电桥式

如图2所示，来自收发信机1、2末端功率放大器的2路信号输入进3 dB电桥，该电桥为双向耦合，耦合度均为3 dB。

图2 3 dB电桥式合路器设计框图

当2个发信机信道同时工作时，信道1有一半的通过功率进入信道2，同时，信道2也有一半的通过功率进入信道1。这样，经过3 dB电桥后，发信机1、2的信道含量从理论上讲就是一致的，再经过匹配网络的功率合成，基本不会造成多大的损耗，最后进入同一发射天线。这种天线合路设计方案主要应用在两个收发信机工作频段接近、输出功率相差不大的场合，但也会造成发射信号的非线性失真。

1.2 多载波宽带线性功放式

从本质意义上讲，此方式的天线合路器其实就是高频电子线路所述的发射功率合成器，如图3所示。功率合成是发射机的重要组成部分，一般先采用功率分配器将前级功率放大器的功率输出分配成多路，分别去驱动各末级放大器，最后将各末级放大器的输出进行同相叠加完成功率合成，得到所需要的单路输出功率。倘若结合使用T/R组件，就可以构成双向的天线合路器。

图3 宽带线性功放式合路器设计框图

各收发信机的射频信号经宽带功率放大器放大合成，但是无论功放的线性度有多宽，信道之间都避免不了互调干扰。这是因为在双向通信拥挤的频段内，当2个或2个以上信号加到非线性器件中时，必然产生互调干扰(而且发射端和接收端都能产生这些干扰分量)。为减少干扰，采取在功率合成器的输出端增加功率检测功能，用来检测非目标的频率分量，然后通过反馈、反相等措施去抵消互调干扰，以达到消除干扰的目的。但在实际应用中，因为功率耦合平坦性和检测算法延迟性，很难做到绝对的-180°反相，因此适用性较差，尤其是在高速跳频移动通信系统中，而且合成电路的插损、通道间相位不一致性、幅度不一致性也会影响合成的效率。

1.3 以捷变频滤波器为构架

捷变频滤波器，是一种频率捷变部件，响应时间较快，插损较小，能够承受较大的输入发射功率，在快速变换通信频道等方便广泛使用，具有可变频带宽、信道带宽窄、承受功率大等优点。

实现方案中，由n×n个捷变频滤波器及匹配网络构成(如图4所示)。信号从各收发信机的功放进入合路器的信道输入端，通过系统控制开关选择，对信号进入所属的频段进行滤波，再由电子开关进入匹配网络使n路信号合成一路，从输出端进入同一宽带负载天线。

图4 捷变频滤波器式合路器设计框图

在跳频电台中使用捷变频滤波器的电台，其抗干扰性及保密性都远远高于其他电台，因而使其具有一定的反窃听能力。但是捷变频滤波器目前多通过进口途径，导致此种结构的天线合路器价格昂贵且成本很高，使用推广有一定约束力。

1.4 以可切换不可调高Q值滤波器为构架

如图5所示，主要由3部分组成：第一部分是滤波器阵列，共有n个不可调高Q值滤波器组成；第二部分是滤波器前后的2个开关矩阵电路；第三部分是匹配网络。

图5 可切换高Q值滤波器式合路器设计框图

各收发信机的功放输出信号首先经过m×n路输入/输出开关矩阵电路；由控制单元控制其相应开关电路的闭合，使得不同频率的信号流入相应频段的滤波器，再经滤波器后的m×n路输入/输出开关的相应控制，使各路信号同时进入匹配网络，叠加匹配后进入宽带负载天线。由于该合路器模块有滤波器组以及合路叠加单元，这对信号会产生插损，导致信号从合路器进入到输出之间的总插损较大，从总体上对会对移动通信系统的接收信号信噪比或灵敏度有所影响。因此在滤波器的选择上，主要采用高Q值的LC滤波器。

2 COFDM简述

编码正交频分复用 (coded orthogonal frequency division multiplexing，COFDM)，是多载波调制通信技术的一种。该技术具有高频谱利用率，能够有效对抗多径衰落，均衡简单，具有很强的抗误码性能，能够灵活分配资源，适用于宽带数据传输等场合。

一部1080P高清摄像机，输出为分辨率是1 920*1 080、24 bit、50帧(隔行)真彩色的高清视频，则其原始数据量大小为：

(50/2)*[(1920*1080)*24/8/1024/1024]=
148.4 MByte。

然后选用H.264的高清图像压缩标准，压缩比能达180，则压缩后的数据量为0.825 MByte，即6.596 Mbit。一般的数据通信电台无法满足这个带宽要求，即便是E1接口的宽带数字通信电台(理论带宽2 MHz)也对这样的数据量“举步维艰”，其传送图像时，图像延时卡顿现象非常明显；常规的做法就是直接选用的2.4 GHz或5.8 GHz的单载波微波通信设备，但是在非视距的远距离传输条件下，会经常性出现通信失联，造成视频图像丢失的情况比比皆是。在这种需求下，COFDM体制的图像传输通信设备应运而生。COFDM设备作为MIMO技术的一种实现手段，工作频段多主要集中在超短波范围内，而且多是单一下行链路传输，接收端采用多天线空间分集接收[13-14]。由于下行链路数据经过了独立的多子载波信道衰减，在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此采取适当的多径合并处理后，接收到信号的衰落程度就会减少，从而确保图像信息基本保持没有变化，这也是COFDM的技术优点之一。

3 四合一天线合路器的设计

在一个无人载运平台上，装配了4部高清摄像机，分别用于观察前方远景、前方近景、后方近景和高架360°环视图像，每一部摄像机的视频图像输入至COFDM图传设备中。通常这种情况下，该平台上有4根天线，为减少天线数量提高载运平台的空间使用率，设计了四合一发射天线合路器，使得天线的数量降低至1根。而在后方指挥中心接收端，因COFDM体制的多天线空间分集接收设计，每台接收机至少需要配置2根天线，为减少天线数量，设计了八合一接收天线合路器。此处仅列述四合一发射天线合路器的设计思路。

3.1 设计原理

结合前述的4种天线合路器的实现方式和技术特点，采取可切换不可调高Q值滤波器的构架形式设计四合一发射天线合路器。

如图6所示，四对控制开关和大功率LC滤波器构成开关滤波器，工作时每个开关滤波器组选择1路进行工作。开关滤波器的开启和关闭需要输入频点变化控制线切换控制，每一个时刻只有1个滤波器打开。

图6 四合一发射天线合路器设计

四合一发射天线合路器的频率范围设定为225～375 MHz，每路开关滤波器的通过承受功率≥47 dBm。在大功率情况下不能使用变容二极管，每个滤波器的通带带宽6～8 MHz，频点之间的频带有一定交叉，每个频点带外10%外抑制≥25 dB，通过 4个滤波器组完成带内滤波工作。

3.2 开关滤波器的设计与仿真

滤波器设计采用切比雪夫型设计实现，如图7所示。

图7 切比雪夫滤波器的ADS设计

图8给出了滤波器带内低频、中频、高频在Agilent ADS2006软件中S参数仿真分析图。

图8 滤波器响应仿真

滤波器切换开关采用PIN二极管开关，每个开关2个二极管，一串一并，原理如图9所示。

图9 滤波器切换开关原理

开关通断比指标的验证：每路功放输入对应4个开关滤波器，4路功放共16个，则16个的总和为12 dB，另外合路器整体隔离度≥25 dB，所以开关总的通断比应该≥37 dB。设定40 dB的开关通断比指标是比较容易实现的。

3.3 试验结果

在一个无人载运平台系统中，使用了4套COFDM图传设备，在发射端使用了四合一发射天线合路器，在接收端使用了八合一接收天线合路器，通过实际环境通信试验验证，COFDM下行链路工作正常，四路图像信息在传输过程中无失真无“马赛克”现象，而且同期对比了5.8 GHz单载波微波图像通信设备，结果表明，采取超短波COFDM体制的图像传输具备传输距离远、信号延时小等特点。这也表明了天线合路器和COFDM设备的接口匹配良好，能够满足系统工作要求。

4 结束语

随着通信技术的迅猛发展，多链路的通信系统日益增多，“天线合路”的适用场景也越来越广泛。研制和完成多路天线合路器的方式有很多种，应该根据技术实现的可行性进行选择，特别强调注意天线合路器的承载功率以确保其安全通过性。在将来的应用中，以捷变频滤波器为构架和以可切换不可调滤波器为构架的天线合路器都有非常大的适用空间。