數(shù)字電視系統(tǒng)中的關(guān)鍵射頻測量

在不同數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中保持可靠、高質(zhì)量服務(wù)的秘訣在于關(guān)注那些有可能破壞系統(tǒng)完備性的關(guān)鍵因素。本文介紹這些關(guān)鍵的射頻測量，它們可以幫助在收視者完全喪失數(shù)字電視服務(wù)和畫面之前提前檢測出有關(guān)的問題。

與傳統(tǒng)的模擬電視相比較，現(xiàn)代數(shù)字電纜、衛(wèi)星和陸地系統(tǒng)非常不同，其信號容易受到線路中噪聲、畸變和干擾的影響。今天的消費(fèi)者已習(xí)慣于輕松地收看模擬電視。如果圖像質(zhì)量變差，人們通常會調(diào)整室內(nèi)天線，以獲得較好的圖像。即使圖像質(zhì)量仍然較差，在節(jié)目具有足夠吸引力的情況下，觀眾通常將會繼續(xù)收看，只要還能聽見聲音。

數(shù)字電視沒有這么簡單。一旦接收中斷，恢復(fù)的方法并不總是那么明顯的。問題可能是由MPEG SI或PSIP表錯(cuò)誤引起的，或者僅僅是由于射頻功率太低，達(dá)不到數(shù)字工作門限或“尖峰”點(diǎn)。射頻問題可能包含以下問題中的任何一個(gè)：碟形衛(wèi)星天線或低噪聲塊轉(zhuǎn)換器(LNB)問題、陸地射頻信號反射、噪聲性能太差或信道干擾，此外還有電纜放大器或調(diào)制器故障。

解決數(shù)字電視接收問題的途徑有好幾條。一種方案是降低機(jī)頂盒接收機(jī)對信號質(zhì)量的敏感度，而更根本的方案則是運(yùn)營商應(yīng)保持干凈和高質(zhì)量的射頻信號。為了確保這一點(diǎn)，Tektronix公司提供了關(guān)鍵的射頻測量能力，在單臺MTM400儀器中集成了實(shí)時(shí)MPEG監(jiān)視和記錄功能。這些儀器可以經(jīng)濟(jì)地部署在從下行鏈路和解碼到復(fù)用和再復(fù)用，最終通過上行鏈路、前端和發(fā)射機(jī)站進(jìn)行節(jié)目分配的整個(gè)傳輸鏈中的各個(gè)位置。利用MTM400，運(yùn)營商能夠以相當(dāng)于專用射頻測試設(shè)備數(shù)分之一的成本來進(jìn)行關(guān)鍵的射頻測量?；赪eb的遠(yuǎn)程控制允許在傳輸鏈中適當(dāng)?shù)男盘枌由线M(jìn)行正確的測量，從而確保獲得經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)果。

位誤碼率BER

位誤碼率是發(fā)生誤碼的位數(shù)與傳輸?shù)目偽粩?shù)之比。早期的數(shù)字電視監(jiān)視接收機(jī)提供了一個(gè)位誤碼率指示，作為數(shù)字信號質(zhì)量的唯一度量。這一點(diǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)通常是由調(diào)諧器解調(diào)器芯片組提供的，很容易處理。不過，調(diào)諧器可能常常在執(zhí)行前向糾錯(cuò)(FEC)之后輸出BER。更好的方式是在FEC之前測量BER，這樣便可以給出FEC工作情況的一個(gè)指示。在Viterbi解交織過程之后，Reed-Solomon (RS)解碼將糾正各誤碼位，以便在輸出端給出準(zhǔn)無誤碼信號。

當(dāng)傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)離尖峰點(diǎn)工作時(shí)，這種方法是可行的，這時(shí)只發(fā)生很少的數(shù)據(jù)誤碼，并且Viterbi之前的位誤碼率接近于零。當(dāng)系統(tǒng)接近尖峰時(shí)，Viterbi之前的位誤碼率逐漸增大，Viterbi之后的位誤碼率快速增大，而FEC(在RS之后)后的位誤碼率則急劇增大。因此， FEC具有銳化尖峰角的效果。其結(jié)果是，非常靈敏的位誤碼率測量可以給出一個(gè)告警，但對采取任何糾錯(cuò)措施而言通常已經(jīng)太晚了。盡管如此，顯示BER以記錄或量化傳輸信號的質(zhì)量仍然是有用的。BER也可用來記錄長期的系統(tǒng)趨勢。它最適合用來識別周期性的短時(shí)信號缺陷。

BER測量結(jié)果通常使用工程表示法，并常常顯示為一個(gè)瞬時(shí)比值和一個(gè)平均比值。典型的目標(biāo)值為1E-09，準(zhǔn)無誤碼BER為2E-04；臨界BER為1E-03；BER大于1E-03將喪失服務(wù)。

如何改進(jìn)BER ---采用MER

TR 101 290標(biāo)準(zhǔn)介紹了數(shù)字電視系統(tǒng)的測量準(zhǔn)則。調(diào)制誤差比(MER)測量的設(shè)計(jì)目的是為了給接收信號提供一個(gè)單一的品質(zhì)因素。MER可為接收機(jī)對傳輸信號進(jìn)行正確解碼的能力提供一個(gè)早期指示。事實(shí)上，MER將接收符號(代表調(diào)制圖案中的一個(gè)數(shù)字值)的實(shí)際位置與其理想位置進(jìn)行比較。當(dāng)信號質(zhì)量降低時(shí)，接收符號距離理想位置更遠(yuǎn)，MER測量值將會減小。

隨著信號質(zhì)量不斷降低，符號最終會被錯(cuò)誤解碼，位誤碼率將增大，這時(shí)就到了門限或尖峰點(diǎn)。圖1中顯示的圖是通過將MER接收器連接到一個(gè)測試調(diào)制器而獲得的。連接好之后，逐步引入噪聲，并記錄下MER和Viterbi前的BER值。沒有加性噪聲時(shí)，MER的初始值為35dB，此時(shí)BER接近于零。值得注意的是，隨著噪聲增大，MER逐漸降低，而BER仍然保持不變。當(dāng)MER達(dá)到26dB時(shí)，BER開始增大，顯示已接近尖峰點(diǎn)。 MER表明，在到達(dá)尖峰點(diǎn)之前很久，系統(tǒng)的信號質(zhì)量就已經(jīng)在不斷下降了。

MER的重要性

由于Tektronix公司的設(shè)備可以測量到很高的極限MER值(QAM系統(tǒng)中典型值為39dB)，因此，當(dāng)下行信號流的 MER下降因子(安全裕度)已知或者可以在用戶處或其附近進(jìn)行測量時(shí)，位于前端調(diào)制器的監(jiān)視設(shè)備可以提供信號質(zhì)量下降的早期指示。當(dāng)MER降低到24dB (對于64-QAM)或30dB(對于256-QAM)時(shí)，普通機(jī)頂盒可能就無法正確解調(diào)或無法工作了。極限MER測量功能較低的其他普通測量設(shè)備將無法給出信號質(zhì)量降低的早期告警。電纜(QAM)前端的典型極限MER為35～37dB。模擬電纜系統(tǒng)中的MER典型值為45dB。模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)相差10dB，因此傳送系統(tǒng)中的數(shù)字MER約為35dB。

誤差矢量幅度EVM

EVM測量類似于MER，但表達(dá)形式不同。EVM表達(dá)為RMS誤差矢量幅度與最大符號幅度的百分比值。信號缺陷增加時(shí)， EVM將會增大，而MER則會減小。MER和EVM彼此可以相互進(jìn)行轉(zhuǎn)換。EVM是在IQ(同相與正交)星座圖上檢測到的載波與其理論上的準(zhǔn)確位置(參見圖3) 之間的距離，是“誤差信號矢量”與“最大信號幅度”之比，表達(dá)為RMS百分比值。EVM定義在TR 101 290的一個(gè)附件中。Tektronix MTM400提供了MER和EVM兩種測量能力。

調(diào)制方案與系統(tǒng)的各種變體

衛(wèi)星、電纜和陸地?cái)?shù)字電視傳輸系統(tǒng)中的信號采用正交調(diào)制方案，這種方案通過對相位和幅度進(jìn)行調(diào)制來表示數(shù)據(jù)符號。數(shù)字電視傳輸中最常用的調(diào)制方案都是正交調(diào)幅(QAM)的變體形式。例如，在普遍采用的陸地?cái)?shù)字調(diào)制方案中，COFDM采用16-QAM或64-QAM，8VSB采用了一種8列體制。衛(wèi)星數(shù)字電視系統(tǒng)中采用的數(shù)字調(diào)制方案是QPSK(正交相移鍵控)，相當(dāng)于4-QAM。QPSK是一種魯棒性非常好的調(diào)制方案，并且已經(jīng)使用多年了。QPSK還更有效地利用了可用帶寬，但需要更高的載噪比。

電纜數(shù)字電視系統(tǒng)建立在該基礎(chǔ)之上，其調(diào)制方案更為多樣，而且仍在不斷發(fā)展之中。其他調(diào)制階次(16-QAM、64-QAM、256-QAM和1024-QAM)可提高頻譜效率，因而在特定的帶寬中能夠提供更多的信道。

在美國的數(shù)字電視體制中，64-QAM的傳輸速率可達(dá)27Mb/s，相當(dāng)于在一個(gè)6MHz的帶寬內(nèi)傳輸6～10個(gè)SD信道或 1個(gè)HD信道。新的壓縮技術(shù)可以在256-QAM上提供多達(dá)3個(gè)HD信道。在歐洲體制中，8MHz帶寬可在QAM-256上獲得56Mb/s的傳輸速率。

ITU.J83規(guī)定了三種地區(qū)性的QAM電纜標(biāo)準(zhǔn)：

* 附件A－歐洲

* 附件B－北美

* 附近C－亞洲

除了能對衛(wèi)星應(yīng)用的QPSK進(jìn)行測量之外， MTM400具有與上述所有QAM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射頻接口和測量的能力。

星座顯示

星座顯示是矢量示波器顯示的數(shù)字等價(jià)形式，它可顯示QAM信號的同相(I)分量和正交(Q)分量。符號是一個(gè)特定調(diào)制系統(tǒng)中所傳輸?shù)淖钚⌒畔⒊煞?。對于QAM-64，一個(gè)符號代表6個(gè)位，在圖上繪制為一個(gè)點(diǎn)。這些符號位從原始的MPEG-2傳輸流中經(jīng)過了一個(gè)復(fù)雜的代碼轉(zhuǎn)換處理過程。這個(gè)過程包括Reed-Solomon編碼、交織、隨機(jī)化、QAM附件B系統(tǒng)網(wǎng)格化和QPSK系統(tǒng)卷積(Viterbi)編碼。其目的是為了保護(hù)和糾正位誤碼，提供對突發(fā)噪聲的抵抗能力，并在頻譜中均勻分布能量。在解碼器中反向進(jìn)行這一處理過程之后，必須重建準(zhǔn)無誤碼位流。由于這一糾錯(cuò)處理，僅僅檢查傳輸流將不會得到關(guān)于信道或調(diào)制器和處理放大器正在引入誤碼、使系統(tǒng)更接近“數(shù)字尖峰點(diǎn)”的任何指示。等到MPEG流中開始報(bào)告?zhèn)鬏斦`碼標(biāo)志 (TEF)的時(shí)候，采取任何糾錯(cuò)措施通常都已經(jīng)太晚了。

星座圖

星座圖可以看成數(shù)字信號的一個(gè)“二維眼圖”陣列，同時(shí)符號在圖中所處的位置具有合理的限制或判決邊界。代表各接收符號的點(diǎn)在圖中越接近，信號質(zhì)量就越高。由于屏幕上的圖形對應(yīng)著幅度和相位，陣列的形狀可用來分析和確定系統(tǒng)或信道的許多缺陷和畸變，并幫助查找其原因。

星座圖對于識別下列調(diào)制問題相當(dāng)有用：

* 幅度失衡

* 正交誤差

* 相關(guān)干擾* 相位噪聲、幅度噪聲

* 相位誤差

* 調(diào)制誤差比

遠(yuǎn)程星座圖

MTM400采用了基于Web的技術(shù)，因此它的獨(dú)特之處在于可以在不同的地方甚至不同的國家，通過因特網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)來對一個(gè)無人值守的測試探查位置察看星座圖。用戶界面也具有可調(diào)余輝，可以在較早的接收載波中淡去斑點(diǎn)，就象在傳統(tǒng)儀器上一樣。注意：以下MTM400屏幕圖形都來自通過測試設(shè)置使得MER和EVM的顯示效果相似的儀器，只有星座圖的顯示不同。

正交誤差

正交誤差使得符號在圖中的位置更接近邊界限制，因而降低了噪聲裕度。當(dāng)I、Q相差不精確為90度時(shí)，便會出現(xiàn)正交誤差。其結(jié)果是使得星座圖不再為方形，而是看起來象一個(gè)平行四邊形或菱形一樣。

噪聲誤差

噪聲是包括QAM在內(nèi)的任何信號中最為常見和無法避免的損傷。加性高斯白噪聲(AWGN)是噪聲損傷的常規(guī)類型。由于它是白色(在頻率上為平坦功率密度函數(shù))和高斯性質(zhì)(數(shù)學(xué)上為“正態(tài)”幅度密度)的，使得接收符號分布在理想位置的周圍。

增益壓縮

MTM400形象的信號顯示使操作人員能夠觀察到I軸和Q軸上導(dǎo)致拐角邊沿被圓滑的增益壓縮現(xiàn)象，但這只發(fā)生在當(dāng)調(diào)制器或光纖傳輸系統(tǒng)趨于極限的時(shí)候。此時(shí)信號幅度較高，呈現(xiàn)出了非線性。發(fā)生增益壓縮時(shí)，圖形顯示為“半球”狀或“魚眼珠”狀。

相關(guān)干擾

發(fā)生相關(guān)干擾時(shí)，信道干擾或諧波成分恰好鎖相至IQ信號。此時(shí)，圖形顯示是一組圓環(huán)，或“炸面圈”形狀。

相位噪聲(I、Q抖動(dòng))

信號鏈中的任何載波源或本地振蕩器都會產(chǎn)生疊加到接收信號上的相位噪聲或相位抖動(dòng)。相位噪聲顯示為載波符號的同心圓弧。

可接受的信號

在現(xiàn)代全數(shù)字調(diào)制器中，IQ增益和相位誤差通?？梢院雎?。發(fā)生這些誤差不是因?yàn)槭д{(diào)，而是由于設(shè)備故障。另一方面，在調(diào)制器、上行轉(zhuǎn)換器和傳輸網(wǎng)絡(luò)中也可能產(chǎn)生壓縮。

本文小結(jié)

比較好的辦法是在數(shù)字電視服務(wù)失效之前就提前預(yù)計(jì)系統(tǒng)問題，而不是等到問題出現(xiàn)之后才去想辦法解決。MER可以測量出發(fā)射機(jī)和系統(tǒng)性能中的微小變化，是任何電纜和衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中的最佳品質(zhì)因素之一。EVM和更傳統(tǒng)的BER則對于標(biāo)準(zhǔn)的跨設(shè)備檢查以及幫助識別短期信號質(zhì)量下降相當(dāng)有用。星座圖能指示缺陷、畸變或設(shè)備偏差，可幫助為射頻傳輸系統(tǒng)提供一種可靠的“完好性檢查”。通過在單個(gè)探測器中結(jié)合這些關(guān)鍵的射頻測量和全面的 MPEG傳輸流監(jiān)控與告警功能，數(shù)字電視運(yùn)營商可以在早期階段檢測出系統(tǒng)問題，從而避免對觀眾的收視造成影響。有了MTM400，Tektronix現(xiàn)在能夠提供所有的關(guān)鍵射頻測量和接口，并在單個(gè)成本經(jīng)濟(jì)的監(jiān)控探測器中集成MPEG測量功能。

參考文獻(xiàn)

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(1998-04) European Standard (Telecommunications series).