UmcBruce 發表於2007/10/20 10:56:56
本文取自
[URL=http://www.eettaiwan.com/ART_8800350820_480402_NT_3f6053b2.HTM]數位電視廣播的傳輸通道模擬 : 訊號衰落效應[/URL]
作者 : 李果穎
訊號衰落效應’一直是傳統類比電視系統急欲克服的問題，然而在向數位電視轉換的過程中，訊號衰落效應也存在著關鍵的影響性。本文將針對幾種常用來模擬「傳輸通道訊號衰落效應」的模式做一介紹，協助工程師了解訊號衰落效應對收訊品質的影響。
訊號衰落效應(Fading)是一個從短波廣播(Shortwave Broadcasting)發現的現象。科學家發現：短波訊號會隨著大氣環境變化而產生訊號強度隨之高低起伏的現象。由於短波廣播依賴大氣層中的電離層來傳輸訊號，因此當大氣環境隨著時間轉變，自然地廣播訊號也會隨之「衰弱」，此一電波通道特性(Channel Characteristics)即稱為‘衰落’。
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ALT="圖1：恆定相位(Constant Phase)。">
在類比電視系統中，「訊號衰落效應」是個陌生的名詞，但是實際上，「陰影」(Antenna Shadows)、「鬼影」(Ghost Images)就是我們這裡所談的訊號衰落效應。在早期類比電視的裝置中，遇到這樣的現象，只要稍稍調整屋頂上的「魚骨」天線，就可以輕易的克服了。因為在類比地面傳播電視系統僅能提供固定式的接收，天線的方向性就決定了接收訊號的好壞。
另外，類比有線電視的訊號在傳輸時，也會因為訊號中繼器(antenna sockets)阻抗的不匹配，進而產生反射波，導致訊號衰落效應產生；而在衛星電視系統中，也會因為突發的大雷雨引起電視畫面抖動甚至斷訊等情況，這些也都是屬於訊號衰落範圍。
以上談論的都是傳統類比電視系統常見的訊號衰減因素，但在數位電視中，DVB-C & S(纜線與衛星)也都會有類似於類比有線電視與傳統衛星電視所遭遇到的訊號衰落效應；而DVB-T則由於不僅提供固定式接收，行動接收更是她最大的特點。因此傳輸通道中的訊號衰落效應對於DVB-T來說，更是一個重要的影響收訊品質的因素。
通道模式
通道模式(Channel Element)指的是針對「傳輸通道訊號衰落效應」，用來模擬真實傳輸環境的數學模式。
基本的模式有以下幾種：
1. 恆定相位
反射(Reflection)或稱迴音(Echo)是最基本的Element。反射、迴音都是由於在電磁波傳播的過程中，遇到任何的阻礙物，所造成訊號的強度衰減、相位偏移。反射波的強度與相位偏移量的大小，端看阻礙物的特性。舉例來說，當電磁波遇到一個金屬板的阻擋時，其反射波的強度不減，但是相位會偏移180度。圖一的黃色曲線為DVB信號在有恆定相位衰落(Constant Phase Fading)，所接收到的信號頻譜圖。圖一中的頻譜為同時收到兩個方向來的訊號的合成。
黃色曲線中的「山谷」(valley)可由三個參數來決定：路徑衰減(dB)、訊號延遲(ns)，以及相位角。其中「山谷」的間隔為3.3MHz(f=1/ delay；3.3MHz=1/ 300ns)。若是要計算山谷的「深度」，可用以下的方程式：？
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至於相位的效應，可在訊號星狀圖(Constellation)中發現路徑一與路徑二的訊號相位偏移了70度。
2. 都卜勒效應
都卜勒效應(Doppler Effect)是由於接收機與發射站台間的相對速度所產生的頻率偏移現象。如圖二所示。
頻率的偏移量可由都卜勒方程式求得：
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以時速140公里的車速，方位角0度為例，當要接收一個DVB-T訊號時(50.5MHz)，代入公式可得到都卜勒頻率為6.5Hz。但是這樣的頻率偏移量與COFDM訊號的載波間距(1116Hz in 8K mode)來說相當的小，因此我們可忽略此一頻率偏移效應。
3. RICE Fading
RICE Fading是由一個直接波與數個反射波組成的訊號衰落效應。直接波是在電波傳播的路徑中，無任何阻隔，直接入射至接收機；而反射波是由數個不同路徑，由不同的反射物，反射訊號後再入射至接收機。若是考慮行動接收，所有的直接波與反射波還必須加上都卜勒效應。
4. RAYLEIGH Fading
RAYLEIGH Fading與RICE Fading很類似，但只有反射波，無直接波的存在。由於無直接波，所以只會看到鐘狀的曲線(bell-shaped)；同樣的，此一現象也是由於反射波的分佈是高斯分佈(RICE Fading)。
通道模擬
以上所提的通道模式，為一些基本的訊號衰落效應概念，但要如何模擬真實環境中的現象呢？在行動通訊(如GSM)的應用上，最多會模擬含有20個不同路徑訊號衰落的訊號來測試接收機的感度(sensitivity)。在DVB-T中，以實務上的經驗來說，六個路徑已經綽綽有餘。在DVB-T聯盟中，如MOTIVATE和VALIDATE工作小組，針對不同的真實環境，提供不同的通道模擬參數組(Channel Simulation Parameter Set)。以下以Rohde & Schwarz TV Test Transmitter SFQ所提供的一些通道模擬參數(Channel Simulation Parameter Set)來做介紹：
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ALT="圖2：都卜勒效應。">
1. VALIDATE 100
VALIDATE 100是DVB的VALIDATE工作小組提出的一種通道模擬參數。主要作用是產生一個模擬訊號，來模擬車輛在行經一個高低起伏的丘陵地區時(時速為每小時100公里)，收到六個路徑的信號。而這六個路徑都是RAYLEIGH Channel。
2. EASY 3
EASY 3為DVB的MOTIVATE工作小組提出的一種通道模擬參數。這組參數是用在模擬接收機只有接受到兩個路徑的訊號。這兩個訊號都是Pure Doppler。
本文小結
簡單來說，訊號衰落效應是由於「多重路徑效應」(multi-path effect)所造成的，接收機會同時接收到數個不同方向、路徑而來的訊號。若是接收機與發射機之間存在有相對速度(互相遠離或接近)，更要考慮都卜勒效應(Doppler Effect)所造成的頻率偏移。DVB-T最大的特點即為可提供行動接收，因此DVB-T接收機的品質優劣端賴於是否可克服在行進間接收DVB -T訊號時伴隨而來的訊號衰落效應的影響。
UmcBruce 發表於2007/10/20 11:27:33
他山之石, 可以挪來參考之用
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存在於現實世界的無線電電波傳遞，反而是因為環境影響會造成多路徑傳遞，如圖7.1所示。 數位音訊廣播所服務的對象是社會大眾，都市中的環境高樓林立，建築物車輛使電磁波反射與繞射，遠比大自然更複雜，廣播收聽品質的良窳亦無法預測。小規模衰落(small-scale fading)簡稱衰落 [1]，是用來描述短時間或短距離廣播信號的振幅快速的波動。衰落是由兩個或以上在微小的時間差異中到達接收端的傳遞信號之間產生干擾而發生。這稱為多路徑波在接收天線造成的結果依據強度分布、波的相對傳遞時間及傳遞信號的頻寬會在振幅相位有相當的變動。在廣播頻道中多路徑會產生小規模衰落的影響。
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最重要的影響為以下三種[1]：
1.在短的行進距離或時間週期裏信號強度劇烈改變
2.在不同多路徑信號上由於都普勒位移的變化導致隨機頻率調變
3.多路徑傳遞延遲引起時間的分散(time dispersion)(又稱回音，echoes)
簡單的分析如下:
a. 空間選擇性衰落 (Space-selection fading)
我們以二路徑傳輸通道為例，用圖7.2 來說明。從不同路徑傳遞的信號因距離不同會造成相位(phase) 差。相位相差180°，造成破壞性效果，如圖7.2 中的D 點；相位相差0°時，造成加強性效果，圖 7.2 中的A 點。
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多路徑傳輸造成的各種回音現象，對原本清晰的信號有很大的影響，以自然中的回音為例，山谷中反射回來的聲音往往持續很久，持續的時間愈久，聽到愈不清晰。此各路徑回音到達的時間所呈現的分佈程度稱之為延遲展延(delay spread) 。以實際情況而言，都市中的延遲展延將比自然中的還大。
b. 頻率選擇性衰落 (frequency-selection fading)
如果行動廣播頻道其常數增益(constant gain)與線性相位反應(linear phase response)的頻寬比傳遞信號的頻寬來的窄的話[1]，接收的信號會有頻率選擇性衰落。接收信號包括被衰減且時間上被延遲的傳遞波形的多重版本，接收信號因此被衰減。頻率選擇性衰落是因為在頻道內傳遞符元的時間分散(time dispersion)，使頻道產生符元間干擾(intersymbol interference, ISI)。對頻率選擇性衰落而言，傳遞信號頻寬比頻道的相關頻寬來的寬；以頻率觀點來看，頻道有頻率選擇性是因為對不同頻率的分量有不同的增益。頻率選擇性衰落是因為由多路逕延遲接近或超過傳遞符元的符元週期(symbol period)所造成。
c. 都普勒效應
假設接收是在移動的狀態下，就更為複雜。基地台與行動台之間的相對運動會因為在每個多重路徑分量上的都普勒位移(Doppler shift)造成隨機頻率調變(random frequency modulation) [1]。都普勒位移的正負，端看行動台是往基地台接進或離開。假如在廣播頻道上，物體是在行動中，那麼將使在多路徑分量上的都普勒位移隨著時間而變化。又如果週遭物體比行動台的速度還快，這樣小規模衰落會造成決定性的影響。否則只需考慮行動台的速度。都普勒展延(Doppler spread) 是由行動廣播頻道改變的時間速率引起的頻率加寬(spectral broadening)的量測，並被定義為非零(non-zero)接收都普勒頻譜(Doppler spectrum)上頻率的範圍。當頻率fc的信號被傳遞，接收頻譜稱為都普勒頻譜其範圍從fc-fd到fc+fd。頻率加寬的總合與fd(fd=vcosθ/λ，都普勒位移)和θ(行動台行進方向與接收波之間的夾角)是相關的。如果基頻頻寬比Doppler spread大的多很多，都普勒展延的影響就能被忽略。
由以上討論中發現，其實一般的廣播接收，都是多重路徑接收，尤其是室
內接收，沒有主要的信號，完全是由多重路徑上信號的疊加結果。因此，單頻網(SFN)也算是多路徑接收。那為何其接收能力比起一般的FM廣播明顯高，因為他使用COFDM的技術與加入相當長的 Guard Interval； Guard Interval約佔每一symbol的20%，如圖7.3，來傳重複的信號，因此換句話說，他犧牲很多頻寬，來提高其信號的干擾忍受度。為了抵抗頻率選擇性衰落造成接收端次載波的連續性錯誤，加入次載波交錯(interleaving)的機制，讓接收端能儘可能因隨機錯誤將位元錯誤率降到最低。多路徑延遲與Guard interval之間的關係，若延遲小於Guard interval，接收端尚可解出原來的信號，但延遲比Guard interval大的越多，接收端的錯誤率將大大提高。
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以下舉出幾個實際測量的頻譜來討論：
圖7.4是在台南鹿耳門天后宮外測得的頻譜，因為接近海濱，沒有明顯的阻隔，十分空曠，頻譜看起來完整，頂部平坦，沒有衰減或多路徑干擾現象。
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看到圖 7.5，台南市區的接收頻譜有一點不同，其頂部與圖7.4 不同，已經出現不平坦的現象，雖然BER也是0，但是週遭的環境為市區約3、4樓高的馬路邊，呈現出輕微多路徑干擾的現象。
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圖7.6 是於高雄市立美術館旁測得的頻譜，距離發射台約5KM，雖然空曠，但是建築物依然有阻隔，只是建築物間距較大，提供數量少但較明顯的多路徑干擾，頻譜明顯有衰落，BER=1E-03。圖 7.7 是位於永康交流道旁量得的頻譜距離發射站10Km，附近有高架橋，四周有樓房，但不擁擠，車輛快速通過，頻譜在時間上的變化，非常劇烈。與發射台的長距離使信號衰減，週遭車輛散射的信號在此時更讓頻譜有明顯的干擾。
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