中短波天波靠电离层反射传播。电离层不是一面镜子是一层不断起伏的等离子体。同一个信号经几条路径到达接收点路径长度差随时间变合成幅度忽大忽小这就是衰落(fading)。单天线、单频率收赶上深衰落那几秒就是一片噪声或者一段静默。对付衰落发射端能做的是加功率、上纠错、做交织接收端能做的主要就是分集接收(diversity reception)。这是一门有近百年历史的老手艺从1926年长岛海边的三根天线一路演化到今天一块SDR板子里的软件合并。衰落有几种分集才好对症中短波天波信道上的衰落不是一种。多径时延造成频率选择性衰落几条路径的时延差让信道传递函数在频率轴上起伏同一时刻信道里有的频率被压到很深有的频率几乎不衰。电离层的磁离子双折射把一束波分成寻常波和非寻常波(业内记作O波和X波)两者极化旋向不同、传播略有差异合成后造成极化衰落。此外还有随电离层吸收慢变的整体电平起伏。衰落的共同点是随机、快变、深。关键的一点是它在不同的空间位置、不同频率、不同极化、不同时刻并不同步发生。这正是分集能成立的物理前提。分集接收的思路一句话讲得清同一份信息准备几条统计上互相独立的接收支路深衰落很少同时砸中所有支路合起来用至少有一路是好的概率就大幅提高。增益的来源不是多收了点能量那只是次要的阵列增益而是各支路衰落的去相关。支路之间越不相关分集增益越大。后面所有花样都是在回答两个问题从哪个维度取互不相关的支路取到之后怎么合并。▲图分集的物理前提。两条接收支路的深衰落不同时发生合并后电平明显平稳。分集增益来自支路衰落的去相关不是多收了能量。四个维度空间、角度、频率、极化、时间按取互不相关支路的维度分集大致分这么几类。它们不是互斥的工程上常常叠加。空间分集最早被工程化。1920年代一位RCA的工程师在长岛Riverhead接收站发现相隔几个波长架设的天线衰落图样彼此独立。用三部接收机接三副间距约1000英尺的天线输出合到一起电平就稳得多。这套方案到1933年投入商用是分集接收的源头。中波波长几百米要拉开几个波长间距天线场地很大短波波长十几米几十米间距就够空间分集在短波上更易部署。角度分集可以看成空间分集的定向版。1937年贝尔实验室的两位工程师发表了一套可控阵列天线用端射天线阵加可调中频相移器把接收方向图在垂直面里对准电波实际到达的仰角。天波到达角随电离层高度变化这套系统一路监测到达角、一路按角度跟踪接收几条支路在到达角上彼此独立构成角度分集。它服务的是当年的跨大西洋无线电话电路是定向阵列与分集结合的早期范例。频率分集在广播史上最常见。同一套节目在短波多个频率上同时播深衰落是频率选择性的这个频率塌了换一个往往就出来了。听众手动换频是分集最朴素的形态自动的版本是接收机同时收多个频率做合并。极化分集针对极化衰落。用两副正交极化的天线分别接收对应电离层里那对旋向相反的寻常波和非寻常波两路衰落相关性低。在近垂直入射天波NVIS短波近距离覆盖常用场景下圆极化分集尤其有效在传播路径刚打开或刚闭合的那段时间只有一种特征波能传播两种极化的隔离度实测可超过25 dB。国内也有针对短波衰落条件下极化敏感天线接收性能的研究。时间分集靠的是把信息在时间轴上摊开。模拟时代是重复发送数字时代是交织(interleaving)配前向纠错发射端把相邻比特在时间上打散一次突发深衰落只会损坏分散在各处的少量比特纠错码再把它们补回来。时间分集不需要多一根天线代价是时延。▲图分集的几个维度。从空间、到达角、频率、极化、时间各取互不相关的支路工程上常叠加使用。支路取到了怎么合并取到几条支路只是一半另一半是合并算法。经典的有三种性能和实现复杂度递增。选择合并(SC)最省实时比较各支路信噪比只取最好的那一路其余丢掉。只需要一个切换开关实现简单缺点是没利用其他支路的能量。等增益合并(EGC)把各支路先调到同相再等权相加。不按信噪比加权省去了估计每路质量的麻烦性能却已经相当接近最优。最大比合并(MRC)是信息论意义上的最优解每一路按各自的信噪比加权再相干相加使合并后的信噪比最大化。代价是它要精确估计每一路的信道幅度和相位合并时各路载波相位必须高精度对齐。两条等强支路相干合并光是阵列增益就有约3 dB叠加上分集增益对抗深衰落的改善更明显。一句话记SC最省MRC最好EGC折中。三者的取舍落在算力和相位同步精度上。MRC难就难在相位对齐这个难点会一路跟到数字时代。▲图三种合并算法。选择合并只取最佳支路最大比合并按信噪比加权相干求和、性能最优但要求相位对齐等增益合并居中。模拟时代靠机房数字时代靠波形把维度和算法摆开分集在模拟和数字两个时代形态差别很大。模拟时代分集是一项重资产。每条空间或极化支路要一部独立接收机、一副独立天线几部接收机共享自动增益控制在中频或音频域合并。短波广播接收站、远洋通信、军用HF链路靠这套撑可用率。门槛在天线场地和成套接收机需要机构级的资源家用收音机根本用不起。这也是为什么在很长时间里分集是专业接收站的专利。数字广播把这件事改写了。以中短波数字广播(DRM)为例它用编码正交频分复用(COFDM)把节目数据摊到一段信道里几百上千个紧邻的子载波上同时发。频率选择性衰落只会砸中其中一部分子载波其余照常工作这等于把频率分集做进了波形本身。再叠加时间和频率两个方向的交织加前向纠错时间分集也内建了。接收机一根天线不动就同时拿到了频率和时间两个维度的分集。这是数字调制相对模拟的根本优势之一过去要靠机房和天线场换来的稳定现在被搬进了调制和编码。但波形内建的分集没有覆盖空间和极化这两个维度。一旦深衰落把整段信道一起压下去或者接收点正好在多个发射台覆盖的交叠边界上单接收机仍会失锁。这时多接收机合并仍有价值DRM标准允许把多个接收机、多个频率上的信号在符号级按质量做软合并本质就是MRC。难点和模拟时代一模一样又回到了相位同步——要把几路信号的载波相位对齐到能相干相加。维度换了物理约束没变。▲图两个时代的分集形态。模拟时代靠成套独立接收机在机房里合并DRM把频率分集和时间分集做进了COFDM波形一根天线即可得到但空间和极化分集仍要多接收机合并。五、SDR把机房搬上一块板子软件无线电(SDR)让模拟时代那套多接收机重新变得便宜。一台宽带SDR能把整段中短波(10kHz到30MHz)一次抓进来在软件里同时解多个频率、多副天线的信号合并全部在数字域完成不再需要一排机箱。具体形态有几种。宽带网络SDR把整段频谱开放给软件处理多频率合并只是配置问题。共用一个本振的双调谐器SDR天生相位相干特别适合做空间或极化分集的相干合并业余无线电圈已有约3 dB信噪比改善的实测。再往上多台SDR配同步时钟可以软件复刻当年的空间分集接收站成本是过去的零头。车载是分集最务实的一块落地。车在动多径快变衰落是典型的快衰落。高端车载方案用两根天线后窗印刷天线加鲨鱼鳍实时比较两路的相位和强度做合并抵消多径这是相位分集笔者曾在《一颗车规调谐器里发生了什么》讲过这一环。对车载DRM/CDR接收COFDM波形内建的频率与时间分集叠加多天线的空间/相位分集是两层一起上。车这个平台反而把分集从专业接收站的奢侈品变成了量产硬件里的标配能力。▲图分集的现代落地。宽带SDR在软件里合并多路信号成本是模拟接收站的零头车载用双天线实时相位分集抵消快衰落再叠加COFDM波形自带的频率与时间分集。这套分工在当前主流车载数字广播方案里已经产品化落得很具体。按制式分FM走相位分集两根天线、两路调谐通道合成压掉背景噪声和多径主要改善行车途中的可听度DAB和HD Radio走最大比合并同样靠双天线把弱场下的灵敏度往上抬让信号更差的环境也能解出数据。这两路之外方案里还会专门留一路调谐通道做后台扫描实时刷新可切换的备份电台列表再留一路把目标备份台提前播起来、持续监测质量达标就无缝切换。分集、后台扫描、跟车切换三件事各占调谐通道天线数量也跟着档次走入门单天线中高端两根欧洲高端方案会用到三根。值得注意的是这套方案里的一处不对称。同样是数字制式DAB和HD Radio普遍配了多天线最大比合并这一档而DRM和CDR的车载配置目前多停在基础形态单天线加后台扫描和无缝切换还没把多天线MRC做成常规选项。这和前面的分析正好对得上。DRM的COFDM波形已经自带频率和时间两个维度的分集单天线就有相当的抗衰落底子入门配置够用要在它之上再叠加空间分集、把弱场性能继续往上推需要多天线多通道而这一层在中短波数字广播的车载量产里还处在早期。波形内建的那部分分集先到位了靠硬件堆出来的那部分还在路上。▲图当前主流车载数字广播方案的分集拓扑示意。FM用双天线相位分集DAB、HD Radio等数字制式用双天线最大比合并另外留出调谐通道做后台扫描和无缝切换天线数量随档次从一根加到三根。落到中短波数字化这件事上把这条脉络收回到眼前的中短波数字化分集不是锦上添花是可用率的底盘。中波单频网(SFN)里两台发射机覆盖交叠的那一带接收机要在两路强度相近的信号之间不失锁、平滑过渡这本身就是一道空间分集的合并题。应急广播要的是覆盖到信号边缘和遮挡区把可用率从大部分时间能听抬到关键时刻不失锁分集是其中关键的一环。车载若把数字广播纳入强制标准每辆车的双天线方案天然带来分集能力相对单天线几乎是硬件零增量。实现路线上走软件无线电的国产方案如纽格立的SDR软件栈有一个顺带的好处多路解调和软件合并本就在算力预算之内分集合并是栈里现成的能力不必为它单独加硬件。这一点和模拟时代分集是重资产的格局正好对照——办法换到软件域之后分集的边际成本被压到了很低。从1926年Beverage在长岛海边架起三根天线到今天一块SDR板子在软件里把几路信号合到一起分集的实现换了一茬又一茬要对付的还是同一件事电离层不肯老实。用冗余去对抗不确定是中短波收得稳的底层逻辑。发射端的功率、纠错、交织管一半接收端的分集管另一半。参考资料H. T. Friis, C. B. Feldman, A Multiple Unit Steerable Antenna for Short-Wave Reception, Bell System Technical Journal, 1937Space-diversity Reception and Fading of Short-wave Signals, Nature, 1946The Importance of Circular Polarization for Diversity Reception and MIMO in NVIS Propagation, IEEE, 2014短波信道衰落条件下的极化敏感天线接收性能分析《电波科学学报》2024衰落信道分集合并技术综述选择合并 / 等增益合并 / 最大比合并ETSI ES 201 980DRM系统标准COFDM与时间/频率交织相关章节主流车载数字广播方案的分集配置FM相位分集 / DAB / HD Radio最大比合并 / 后台扫描 / 无缝切换、单至三天线拓扑整理自车载调谐器与协处理器厂商产品方案资料本号历史内容《一颗车规调谐器里发生了什么从天线到PCM沿着接收信号链走一遍》