（通信与信息系统专业论文）地面数字电视发射系统关键技术研究.pdf

摘要 本文简要介绍了数字电视的发展，在阐述地面数字电视发射系统原理与特点 的基础上，对d v b t 地面数字电视发射系统的关键技术及设备进行了深入地研究 和实现。 对数字电视激励器中的部分电路进行了实现和改进，实现了一种基于软核的 a s i 串行发收模块，简化了f p g a 的外围电路，节约了p c b 板的空间和成本；实 现了基带过采样f i r 低通数字滤波器，给出了基于c s d 算法优化的实现结构和方 法，使滤波器在满足处理性能要求的同时，其硬件实现复杂度大大简化，并减少 了资源消耗：还通过s i m u l i n k 仿真和采用a l t c r a 公司的q u a r t u s 软件进行编程设 计、波形仿真对数字电视激励器的性能进行了仿真研究，采用仪器测量和接收实 测等方法，完成了整个系统的实现和调试，该激励器已能够稳定工作。 本文还对数字电视发射机的原理和发展进行了阐述。对地面数字电视单频网 的性能进行了研究，对单频网的实际组网应用进行了实现。 关键词：单频网数字电视激励器数字电视发射机有限长脉冲响应滤波器 a b s t ra c t i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt v o nt h eb a s i so f e x p l a i n i n gt e c h n o l o g i c a lp r i n c i p l ea n de h a r a c t e r i s t i c o ft h et e r r e s t r i a ld i g i t a lt v t r a n s m i s s i o ns y s t e m , w ec a r r yo l lf u r t h e l i n v e s t i i g a t i o no nt h ek e yt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n t so f t h ed v b td i 【g i t a lt vt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n di m p l e m e n t i t b ys o m er e a l i z a t i o na n di m p r o v e m e n to f t h ec i r c u i t si nt h ed i g i h a lt ve x c “c t , w ei m p l e m e n ta na s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c eb a s e do nas o f t w a r eg o r e u s i n gt h i s g o r ew ec a nr e d u c et h eo u t s i d ec i r c u i to f t h ef p g a , s a v et h es p a c ea n dc o s to f t h ep r i n t c i r c u i tb o a r d w ep r o p o s ea na l g o r i t h mo fr e a l i z i n go v e rs a m p l e df i rl o wp a s sd i g i t a l f i l t e r w ec a l t yo u tt h es t r u c t u r ea n dm e t h o do f r e a l i z a t i o nb a s e do nc s da l g o r i t h m t h e f i l t e rn o to n l ym e a e t st h ep e r f o r m a n c e ，b u ta l s or e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h eh a r d w a r e r e a l i z a t i o n w ea l s os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i g i t a lt ve x c i t e rb ys i m u l a t i n gi n s i m u l i n k ，a n dd e s i g n i n g , c o m p i l i n ga n dw a v e f o r ms i m u l a t i n gi nq u m a si i b y m e a s u r i n go nl o g i ca n a l y z e ra n ds y s t e me x p e r i m e n t s ，w ep r o v et h a tt h ee x c i t e rc a n w o r kr e l i a b l y w ea l s oe x p l a i nt h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lt vt r a n s m i t t e r , s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft e r r e s t r i a ld i 萄t a lt vs i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ( s f n ) ，a n d i m p l e m e n tt h es f ni nr e a ln e t w o r ku s a g e k e y w o r d ：s i n g i ef r e q u e n c yn e t w o r k ( s f n ) d i g i t a lt v e x c i t e r d i g i t a lt v t r a n s m i t t e rf i rf i l t e r 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：3 筮本玉叁日期望三2 ：6 ：6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 解密后使用本授权书 日期丝五：幺 日期赴司：厶：厶 第一章绪论 第一章绪论 电视技术发展到今天，其适用范围早已超出了广播娱乐，已广泛地扩展到文 化教育、科研管理、工矿企业、医疗卫生、公安交通、军事宇航和人们日常生活 的各个领域。随着信息时代的到来，信息和数字技术飞跃发展，电视技术在经历 了从黑白电视到彩色电视的革命性转变后，已经逐步进入了从模拟电视到数字电 视的第二次革命。数字电视技术是继黑白电视、彩色电视后的第三代最新电视技 术。是当今数字化信息技术领域中的一个重要组成部分。 模拟电视从节目的录制、编辑制作、信号传送、发射到电视节目信号的接收， 都是以模拟信号处理技术为基础的。模拟电视信号在传送过程中容易受干扰产生 各种无法恢复的失真，从而影响收看效果； 所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二 进制数表示的数字信号，然后采用先进的数字信号处理方法进行信源编码，信道 编码等各种处理，借助于数字信号很强的抗干扰能力，可恢复性以及信道编码的 纠错能力获得理想的节目广播质量。 按照分辨率的不同，数字电视可分为数字高清晰度电视( h d t v ) 、数字标准清 晰度电视( s d t v ) 和数字普通清晰度电视( l d t v ) 三种。h d t v 的图像水平清晰度大于 8 0 0 线，图像质量可达到或接近3 5 m m 宽银幕电影的水平；s d t v 的图像水平清晰度 大于5 0 0 线，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图像质量为演播室水平；l d t v 的图像水平清晰度为2 0 0 - 3 0 0 线，主要是对应现有v c d 的分辨率量级。 1 1 数字电视的发展 数字视频广播( d 、r b ) 的发展实际上起源于高清晰度电视( h d t v ) 的研究。日 本n h k 于七十年代初开始h d t v 的研究，于1 9 8 4 年公布了世界上第一个h d t v 统方 案一m u s e ，由于在其研究过程中数字通信技还不十分成熟，m u s e 的传输系统采用 的是模拟通信技术，使用模拟调频技术通过卫星进行广播。其后，在西欧英，法， 西德等多国共同参加的尤里卡9 5 计划，提出了以复用模拟分量( m a c ，m u l t i p l e x e d a n a l o gc o m p o n e n m ) 为基础的h d t v 方案h d - m a c ，h d m a c 的传输系统仍然采用了 模拟通信技术，同样使用了模拟调频技术，通过卫星进行广播。可以看出，八十 年代中期以前，模拟通信技术在新一代电视传输的研究中占了上风。由于数字通 信技术固有的“门限效应”，有可能使得相邻的两个用户中的一个户能够很好地接 收节目，而另一个则完全收不到节目。因此当时国际上对未来一代电视传输系统 2 地面数字电视发射系统关键技术研究 是采用数字通信技术还是模拟通信技术争论十分激烈，甚至不少专家权威都倾向 于模拟通信技术。八十年代中期以后，数字通信技术得到了迅猛发展和日益广泛 的应用，在越来越多的应用领域取代了模拟通信技术。这一变化也深刻影响到d v b 及h d t v 传输系统的发展。突破性的进展发生在9 0 年代初，由美国联邦通信委员 会( f c c ) 组建的先进电视系统委员会( a t s c ) 对当时提交的六套h d t v 一在美国被 称为“先进电视( a t v ) ”系统进行了测试和比较。从测试结果来看，四套数字传 输系统的性能均明显优于模拟传输系统。这一测试结果结束了新一代数字电视及 h d t v 传输系统中数字通信技术与模拟通信技术之争，确立了数字通信技术的地位， 从此，全数字系统即数字压缩编码和数字传输的思想成为数字电视和h d t v 研究的 基本思想。从那时起，全数字化的数字电视及h d t v 得到了迅猛发展，各国纷纷提 出了多种系统方案。 i 2 数字电视的优点 采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟设备更高的技术性能，而 且还具有模拟技术不能得到的新功能，使电视技术进入了崭新的时代。 与传统的模拟电视相比，数字电视具有以下优点： 1 ) 信号传输质量高，抗干扰能力强。 数字电视信号在传输过程中受到的多种噪声干扰和失真不会积累，通过均衡和 再生，接收端就可无失真地重现原来的信号波形，信号质量不会因为传输而下降。 并且由于采用了各种纠错编码技术，对于可能出现的误码具有一定的纠错能力， 这进一步保证了在接收端可以恢复出高质量的信号。 2 ) 频谱资源利用率高。 经过数字压缩编码后的数字电视节目码流，去掉了大量的冗余信息，节目码 流的码率降低了，从而使其占用较窄的频带宽度。在一个8 帅z 的模拟电视频道内 可以传送4 套以上清晰度为4 0 0 线的s d t v 节目。提高了频谱的利用率，节约了频 道资源。 3 ) 信号发射功率低，设备利用率高。 由于数字信号抗干扰能力强，在相同的覆盖范围下，数字发射机的发射功率 比模拟发射机的发射功率大大降低，因此可降低设备的功耗。此外，采用数字技 术处理的设备在运行中其可靠性、稳定性、平均故障时间等方面都有明显的优势。 4 ) 可同时提供多种业务，实现高速数据传输。 在数字电视信号中可以互不干扰地同时传送文字、数据、语音和图像等多种 数据信息。由于数字信号便于存储和处理，结合i n t e r n e t 和电信网可以实现多种 数据业务。 第一章绪论 5 ) 易于加密处理，适合特殊的应用。 由于数字电视容易实现加密解密等处理，便于在交互式电视和收费电视以 及军事领域、保密系统等特殊业务场合应用。 1 3 国内外数字电视标准发展情况“2 3 m 阳 目前国际上普遍采用的数字电视标准有三种，美国的a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) 、欧洲的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 以及日本的i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 。 美国的地面数字电视广播采用a t s c 标准的8 v s b 单载波系统。工作带宽 6 m h z ，频道划分与模拟n t s c 标准相同。为保证接收机的同步捕捉，除了插入段 同步和场同步信号，用于系统同步、时钟恢复和均衡器训练外，还插入0 3d b 的 导频信号，用于辅助载波恢复。系统还采用了r s 码和t c m 等信道编码纠错保护 措施。美国a t s c 标准数字电视系统的峰值功率与平均功率之比( 峰均比) 比较 小。这就意味着输出相同的平均功率时可以降低发射机的峰值动态范围。音频通 道采用杜比a c 35 1 声道立体声。美国a t s c 标准数字电视系统采用梳状滤波器抑 制同频道模拟电视的干扰。梳状滤波器的谷点与n t s c 模拟电视的图像载频、伴 音载频和彩色副载频位置对应。美国a t s c 标准数字电视系统的问题是抗强动态 多径及快速变化多径能力较差，造成某些环境下固定接收不稳定。 欧洲d v b t 系统采用c o f d m 调制，是多载波系统。它利用频域变换技术 将信号样值分配给数千个子载波并行传输，按照不同的f f t 模式，分为2 k ( 载波 数1 7 0 5 ) 和8 k ( 载波数6 8 1 7 ) 模式。信号帧中放置了大量的连续导频、散布导 频和t p s 导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3 d b 的功率发送。这些导频 信号完成系统同步、数据恢复、时钟调整及信道估计。系统还使用了“保护间隔” 技术，以进一步降低多径造成的码间干扰，从而使欧洲d v b t 系统能够在抗强多 径和动态多径及移动接收的性能上得到改善。欧洲d v b t 系统还对载波数目、保 护间隔长度和调制星座数目等参数进行组合，形成多种传输模式供使用者选择， 有效码率最高可达3 1 6 7 m b p s 。并可实现单频网( s f n ) 广播。欧洲d v b t 系统 采用在频谱上与模拟电视的图像载频、伴音载频、彩色副载频对应的位置开槽的 办法，来改善系统抗同频道模拟电视信号干扰的能力。欧洲d v b t 系统的声音通 道采用m p e g2 双声道立体声编码方式。 日本的i s d b - t 系统衍生于欧洲系统。其主要变动是将频带划分为1 3 个子带， 用中间一个子带传输音频信号。同时大大加长了交织深度( 最长达0 5 秒) 。 我国数字电视的研究虽然起步较晚，但发展很快，1 9 9 8 年6 月在北京联试成 功了我国自己开发的第一套h d t v 样机系统，并于同年9 月通过中央电视塔进行 4 地面数字电视发射系统关键技术研究 h d t v 地面广播和接收演示试验1 9 9 9 年共和国五十周年大庆，中央电视台用我国 自行研制的h d t v 系统成功的转播了5 0 周年大庆实况。之后，国家组织相关单位 进行数字电视标准开发，最终确定的国家标准是由清华大学d m b - t 和上海交通大 学a d t b t 两种标准进行融合得到的。目前我国数字电视地面广播还处在试验阶段， 上海、北京、深圳等很多地方都陆续开通了数字电视地面广播的试验，我们国家 的地面数字电视标准正在测试当中，一系列的相关配套标准也正在制定之中。 1 4 本文的主要工作 本文简要介绍了数字电视的发展，在阐述地面数字电视发射系统原理与特点 的基础上，对d v b - t 地面数字电视发射系统的关键技术及设备进行了深入地研究 和实现。 第一章介绍了数字电视的发展过程和优点，以及国内外数字电视标准的发展 情况。 第二章对电视广播系统进行了综述，介绍了电视信号的传输方式和调制技术， 对地面电视广播系统构成进行了说明，并阐述了数字电视信号无线覆盖的相关问 题。 第三章研究了数字电视单频网，对单频网的原理和组网技术进行了论述，对 单频网组网的影响因素迸行了研究，并对北京市d v b t 单频网的实际组网应用实 现进行了说明。 第四章对数字电视激励器中的部分电路进行了实现和改进，实现了一种基于 软核的a s i 串行发收模块，从而简化了f p g a 的外围电路，节约了p c b 板的空间 和成本；优化实现了基带f i r 数字滤波器，给出了基于c s d 算法优化的实现结构 和方法。使滤波器在满足处理性能要求的同时，其硬件实现复杂度得到大大简化。 提高了滤波器性能指标和工作效率，并减少了资源消耗；还对数字电视激励器的 性能进行了仿真研究。 第五章对数字电视发射机的原理和发展进行了阐述。介绍了数字电视发射机 的主要构成和技术参数。 第六章对本文研究的内容进行了概括，并指出有待进一步研究的几个方面。 第二章电视广播系统综述 第二章电视广播系统综述 根据广播方式的不同，可将电视广播系统分为三大类，即地面电视广播系统、 卫星电视广播系统和有线电视广播系统。 地面电视广播是指电视信号经调制后，以无线电波形式沿地表进行传输覆盖； 卫星电视广播是指利用地球同步卫星对电视信号进行转发，从而实现长距离 的传输和大面积的覆盖； 有线电视广播是指利用有线网络进行电视信号的传输和分配。 2 1电视广播系统的构成 电视广播系统主要由三个部分组成，即信号源端、传输系统及接收端。 如图2 1 所示： 卜翻 r 一墼h 封l 擅号诱麓佳输鬟统燕豳稿 图2 1 电视广播系统的基本组成 信号源端的主要任务是制作并播出符合一定标准的电视节目，这一工作主要 在节目制作部门或电视中心完成，包括节目编排制作，信源编码，节目复用。 传输部分的作用是将播出的电视节目以可靠的方式经适当的传输通道传送到 接收端，传输方式可分为有线方式和无线方式。有线方式是指传输媒介为有线通 道，如电缆、光缆等；无线方式是指传输媒介为无线电波，卫星转发、微波中继、 地面超短波覆盖等都属于无线传输方式。 接收端的任务是利用适当的接收设备接收传输通道送来的电视信号，并正确 重现出原始的图像及伴音。 6地面数字电视发射系统关键技术研究 2 2 电视信号传输方式畸踟畸们旧1 广义上讲，电视信号的传输方式有两种，即定向性传输和覆盖性传输。 定向性传输是指从一个地点到另一个地点的点对点传输。比如从电视中心到 发射台或卫星地面站的传输，实况转播时由现场到电视台的传输等。 覆盖性传输是指由点到面的传输，也就是所谓的广播。比如，在地面电视广 播中，电视信号是以超短波形式沿地面进行传输的，传输时以发射天线为中心向 四匾八方辐射出去，这就是典型的覆盖式传输，或称广播。 电视信号的传输方式主要有电缆传输、光缆传输、微波传输、卫星传输和地 面超短波传输等方式。 2 2 1 电缆传输 电缆传输是指用同轴电缆传输电视信号。同轴电缆由内导体( 芯线) 、绝缘 体( 电介质) 、外导体( 屏蔽层) 和护套( 覆盖层) 四部分组成。内导体通常由 单股铜线、镀铜铝线、或镀铜钢线制成。外导体由铜丝网或金属管制成。内、外 导体之间由绝缘层隔开并保持轴心重合，同轴电缆也因此而得名。绝缘层在很大 程度上决定着同轴电缆的传输速度和损耗特性，通常使用的绝缘层材料是干燥空 气、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等材料的混合物。护套由聚乙烯或乙烯基类材料 制成，可保护外导体层不受损伤。同轴电缆的外形请参见图2 2 。 图2 2 同轴电缆的结构示意图 同轴电缆可用于近距离传输，如电视中心各设备之间的传输、电视中心与发 射台之间的传输等。同轴电缆也可用作远距离的传输，但由于同轴电缆的衰耗较 大，因此在传输过程中需增加些中继放大器。近年来，很多远距离的电缆传输 已被光缆取代。 第二章电视广播系统综述 7 同轴电缆的衰减特性与所传送信号的频率有关，也就是说不同频率的信号受 到的衰减程度不同。为了校正电缆的这种频率失真，一般要设置相位及幅度均衡 电路。 同轴电缆可以直接传输视频信号，也可以传输调制后的高频电视信号。前者 称为基带传输，后者称为频带传输。在电视中心各设备之间以及较短距离的中心 与发射台之间的传输可以采用基带传输，而较远距离的传输则要用频带传输。同 轴电缆在使用时需注意阻抗匹配问题。一般传输视频信号的同轴电缆其特性阻抗 为7 5 欧姆，传输射频信号的同轴电缆其特性阻抗为5 0 欧姆，而传输音频信号的 同轴电缆其特性阻抗为3 0 0 欧姆。 2 2 2 光缆传输 光缆传输是指以光纤为传输介质用光缆来传输电视信号。光纤是以十分脆弱 的石英玻璃为主要材料制成，为了使光纤成为实用的光传输媒介，必须对光纤进 行保护和增强，因此要把光纤制成光缆。常见的光缆结构有层绞式光缆、骨架式 光缆、中心管式光缆等。光缆的构件较多，大体上可分为缆芯和护套两大部分。 图2 3 是中心管式光缆截面示意图。光纤按传输模数可分为单模光纤和多模光纤， 目前应用在电视传输中的光纤基本为单模光纤。 图2 3 中心管式光缆截面示意图 光缆传输的主要优点有： 损耗低，传输距离长。光纤的无中继传输距离在2 0 公里以上，因此可实现长 距离的信号传输； 传输容量大。一根多芯光缆可传输几百套电视节目； 传输质量高，没有电磁辐射，也不受其它外界电磁场干扰； 体积小，重量轻，使用寿命大大超过电缆。 地面数字电视发射系统关键技术研究 目前，光缆传输已广泛应用于广播电视系统，特别是有线电视系统。用光缆 传输电视信号需首先将电视信号转换成光信号，称为电光调制。调制方法有多种， 如幅度调制、频率调制、脉宽和脉冲调制等，现在广泛应用的是调幅一光强度调 制方式，即a m i m 方式。另外，在一根光纤上也可传输多路电视信号，这称为多 路复用，复用方式有时分复用、波分复用、码分复用等。实现电光调制和多路复 用的设备称为光端机。 2 2 3 微波传输 微波是指波长为1 米至1 毫米或频率为3 0 0 兆赫( 删z ) 至3 0 0 吉赫( g i - l z ) 范围内的电磁波。微波传输是利用微波频段的电磁波来传输电视信号，即通过微 波发射机将电视信号转换成微波波段的高频信号，并利用定向发射天线发射出去。 微波波段的电磁波能量主要以直线进行传播，因此微波信号有很好的方向性。 可以实现点对点视距无线传输。由于微波的波长很短，它具有近似光波的传播性 质，传输过程中遇到障碍物时，会发生反射、折射、衍射等现象，所以微波传输 都是利用其直线传播的特点，进行视线距离内的通信。在进行长距离微波传输时， 需要采用接力方式，将信号进行多次中继转发。另外，在城市中进行微波传输时， 由于高楼大厦的阻挡，也需要采用微波中继方式，中继转发天线通常安装在高楼 顶上。 与光缆和电缆传输相比，微波传输具有一些无法替代的优点。例如，在地形 险峻的山区或河流、湖泊地区，铺设电缆或光缆非常困难，代价也高，这时可采 用微波方式传输电视信号。微波传输具有成本低、工期短、收效快、维护方便的 特点，且更改线路非常容易。 采用微波传输可将省会及附近城市的有线电视网连接在一起，组成一个大规 模的网络，如全省有线电视网。另外，在一些临时性的场所或外景地进行新闻采 访、体育转播等活动时，也可采用定向微波把现场节日传回到电视播控中心，这 样就避免了临时铺设电缆或光缆的麻烦。 2 2 4 卫星传输 卫星传输是指利用地球同步卫星上的转发器进行信号的传输，它相当于一个 特殊的微波中继传输系统，只不过其中继站安装在同步卫星上。如图2 4 所示， 卫星传输系统由上行地球站、广播卫星和卫星接收站组成。 第二章电视广播系统综述 9 广叠卫l 土行璐辣玷 图2 4 卫星传输系统 上行地球站的功能是将要传输的电视信号进行调制、上变频和放大后，以足 够的功率馈送到天线，并发送到同步卫星的转发器上；另外，上行站还可接收来 自卫星的下行信号，用于监测传输质量和自动跟踪卫星。 广播卫星是位于地球大气层之外的同步卫星，其上的天线和转发器可接收来 自地球站的上行信号，经过下变频和放大等处理环节后，产生下行信号，通过天 线将其转发到地面的服务区域。 地球接收站的功能是通过天线接收来自卫星的下行信号，并对其进行放大、 变频、解调等处理环节，得到所需的电视信号。 卫星传输是靠安装在卫星上的转发器实现的，因此这种传输方式的覆盖面积 很大；另外，由于转发是自上而下的，电波不会受到障碍物的阻挡，因此传输质 量较高。卫星传输方式是有线电视系统和卫星广播系统的重要组成部分，也是未 来广播电视的发展热点。 2 2 5 超短波传输 超短波传输是指利用超短波段的电磁波来传输广播电视信号，超短波的频率 范围是3 0 1 0 0 0 兆赫。这种传输方式主要用于地面电视广播，即v h f ( 甚高频) 和u h f ( 特高频) 电视广播。另外，声音调频广播也采用超短波传输方式。 超短波传输需利用地面架高天线进行大功率辐射，以实现远距离的传输或大 面积的覆盖。通常发射天线的高度越高、发射功率越大，则覆盖面积越大。目前 已有的中央发射塔塔高3 8 6 5 米，天津电视塔的塔高为4 0 3 米，上海东方明珠电 视塔高4 6 0 米。天线塔高和发射功率的大小受服务区域大小的限制，若服务区域 小，则不必采用很高的天线塔和很大的发射功率，因为这样做会造成对服务区外 的干扰。 l o地面数字电视发射系统关键技术研究 2 3 电视信号调制技术陆阳 电视信号的传输有两种主要方式，即基带传输和频带传输。基带传输是指将 电视信号直接送入信道传输，主要用于设备之间以及演播室内的节目传输。频带 传输是指将电视信号进行调制后再送入信道传输。在电视广播系统中，不论是地 面开路广播，还是卫星广播或有线电视广播，都要使用频带传输，即在传输之前， 需要对电视信号进行调制。下边对几种主要的调制方式进行说明。 2 3 1v s b a m ( 残留边带调幅) v s b a m ( v e s t i g i a ls i d eb a n d - a m p l i t u d em o d u l a t i o n 是一种特殊的调幅 技术，它是将一个双边带调幅信号通过一个滤波器滤掉一部分下边带，形成所谓 的残留边带信号进行传输。残留边带调幅信号的形成过程如图2 5 所示，调制信 号首先经过一个普通调幅器进行调幅，得到双边带调幅信号，然后再通过一个残 留边带滤波器进行滤波，即得到残留边带调幅信号。 图2 5 残留边带调幅 残留边带调幅只传输了上边带和一部分下边带，因此较之双边带调幅可大大 节省频带。另外，从信息角度看，残留边带调幅虽然只传输了一个完整的边带， 但其中已包含了调制信号的所有信息，因此，接收端可从接收到的残留边带调幅 信号中恢复出完整的调制信号。 残留边带调幅分为数字和模拟两种方式。当调制信号为模拟信号时，称为模 拟v s b 调幅，当调制信号为数字信号时，称为数字v s b 调幅。模拟v s b a m 方式用 于模拟地面电视广播和模拟有线电视广播中的调制。基带视频信号的带宽为6 m h z ， 若采用一般的双边带调幅方式，调幅之后每套节目带宽将高达1 2 m h z 。而采用残留 边带调幅后的频谱如图2 6 所示，每套节目的带宽约为7 1 卅t z ，比单边带略宽一点， 而比双边带要窄很多，因此可容纳更多的频道。 第二章电视广播系统综述 o 。移 一 一l zk6 f i 图2 6 残留边带调幅后的电视信号频谱 数字v s b a m 中，根据调制信号电平级的数量，可分为二进制v s b ( 2 一v s b ) 和 多进制v s b 。其中，多进制v s b 又分为4 电平v s b ( 4 - v s b ) 、8 电平v s b ( 8 一v s b ) 、 1 6 电平v s b ( 1 6 一v s b ) 、3 2 电平v s b ( 3 2 一v s b ) 等等。数字v s b 调幅可用于数字 电视的地面广播，如美国的a t s c 数字电视系统即采用8 - v s b 作为地面广播的调制 方式。 2 3 2p s k ( 相移键控) p s k ( p h a s e s h i f tk e y i n g ) 是一种数字调制方式，调制时，载波的相位随调 制信号的状态不同而改变。p s k 也可分为二进制p s k ( 2 p s k 或b p s k ) 和多进制p s k ( m p s k ) 。 2 p s k 中，载波相位只有0 和n 两种取值，分别对应于调制信号的“0 ”和 “i ”。2 p s k 调制器及其典型波形如图2 7 所示。由“0 ”和“i ”表示的二进制调 制信号通过电平转换后变成由虬1 ”和“i ”表示的双极性n r z 信号，然后与载波 相乘，即可形成2 p s k 信号。 02 p 馘调栩话 滑蝴粤 l0lo 敢极性i 眦 1 巴满信母 a 图2 72 p s k 调制器及波形 粼馥形 1 2 地面数字电视发射系统关键技术研究 m p s k 中最常用的是四相相移键控，即q p s k ，在卫星信道中传送数字电视信号 时采用的就是q p s k 调制方式。q p s k 调制器及其相应波形如图2 8 所示，它可看 成是由两个2 p s k 调制器构成。输入的串行二进制信息序列经串一并变换后分成两 路速率减半的序列，由电平转换器分别产生双极性二电平信号i ( t ) 和o ( t ) ，然后 对载波a c o s 2 f c t 和a s i n 2 玎f c t 进行调制，相加后即可得到q p s k 信号。 ：进蝴- ：! 。! ! 。! 。! ! ，! ! 。! 。! 。 ， i 聃 l 1 q ( o 1 图2 8o p s k 调制器框图及波形图 p s k 信号也可以用矢量图表示，矢量图中通常以零度载波相位作为参考相位。 图2 9 画出了2 p s k 、q p s k 、8 p s k 的矢量图，图中只画出了矢量的端点，省去了矢 量箭头，这样的矢量图也称为星座图。在星座图中，星座点问的距离越大，信号 的抗干扰能力就越强，接收端判决再生时就越不容易出现误码。 ， 二 。二17 、 - - ，- _ o i一。 “， l j 、 ， ：， ，： 一 、? 7 ， 0 0 董，l o 图2 9p s k 信号矢量图 0 1 0 1 1 0 ，一弋 “ t 一一，、n ： 。一：z 一。岳 一，+ 0 0 0 1 0 0 第二章电视广播系统综述 2 3 3q a m ( 正交调幅) q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 就是用两个调制信号对频率相同、 相位正交的两个载波进行调幅，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。在n t s c 制和p a l 制中形成色度信号时，用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色 度副载波上。 o a m 也可用于数字调制。数字q a m 有4 q a m 、1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 等调制方式。 其中，1 6 q a m 和3 2 q a m 广泛用于数字有线电视系统。下面以1 6 q a m 为例介绍其原理。 图2 1 0 给出了1 6 q a m 调制器框图及星座图。作为调制信号的输入二进制数据 流经过串一并变换后变成四路并行数据流。这四路数据两两结合，分别进入两个电 平转换器，转换成两路4 电平数据。例如，0 0 转换成一3 ，0 1 转换成一1 ，1 0 转换成 1 ，1 1 转换成3 。这两路4 电平数据g l ( t ) 和9 2 ( t ) 分别对载波c o s 2 l t 和s i n 2 l t 进行调制，然后相加，即可得到1 6 q a m 信号。 自渊 “，1 8 姒请翱诗枵塑 伯，1 6 姒- 曩廉圈 图2 1 01 6 q a m 调制器框图及星座图 2 3 4o f d m ( 正交频分复用) o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 属于多载波调制， 它将调制信号分成多路，对多个在频率上等间隔分布且相互正交的子载波进行调 制，然后经频分复用组合在一起。o f d m 是欧洲数字视频广播( d v b ) 系统中地面电 视广播的调制方案，也是数字音频广播( d a b ) 的调制方案。 o f d m 的特点是抗多径干扰能力强。多径干扰是指在地面无线电广播中，由电 波在传输路径中的反射引起的干扰。地面无线电广播中，由于障碍物的影响，到 达接收机的电波不仅有直射波，而且还有一次或多次反射波。这些经不同路径到 达接收天线的电波之间会有较大的时延差，从而导致符号间的干扰，引起误码。 1 4 地面数字电视发射系统关键技术研究 o f d m 中，由于调制信号被分成多路，因此每一路的数据率很低，符号周期相应延 长。如果符号周期远大于反射波和直射波之间的时间间隔，则由反射波引起的符 号间干扰对符号判决的影响就会大为降低。 图2 u 是o f d m 调制器的原理图。要传送的数据流经过串一并转换后被分裂成 k 组数据流，它们对相应数目的k 个子载波进彳亍调制，调剑肘可采用q a m 或p s k 。 调制后的各路信号混合在一起，实现频分复用。不过，这里的频分复用与传统的 频分复用不同，传统的频分复用中，各个载波上的信号频谱互不重叠，以便接收 机能用滤波器将其分离、提取。 图2 i io f d m 调制器原理框图 o f d m 的载波数量很大，若采用传统的频分复用方法，尉复用后信号频谱会很 宽，这将降低频带利用率。因此，在0 f d m 中，各个载波上的信号频谱是相互重叠 的。为了保证接收端能从重叠的信号频谱中正确解调各个信号分量，必须保证各 个载波在整个符号周期内正交，即任何两个不同载波的乘积在整个符号周期内的 平均值为零。实现正交的条件是各子载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数 倍。为了实现最大频谱效率，一般选取最小载波间隔为符号周期的倒数。o f d m 的 复用频谱如图2 1 2 所示。由图可见，虽然各个子载波上的频谱互有重叠，但每个 子载波均处于其它子载波的过零点位置，因此不会相互影响。 图2 1 2o f d m 频谱 第二章电视广播系统综述1 5 0 f d m 中子载波的数量通常可达几百甚至几千，因此需要几百甚至几千个具有 不同频率、且同步工作的调制器，这在实际应用中是不可能做到的。根据数学上 的严格证明，发现o f d m 信号可用离散傅立叶变换实现，如图2 1 3 所示。设载 波的数量为n ，则对输入的n 个符号进行串一并变换后，进行n 点的i f f t ( 快速 离散傅立叶反变换) ，所得的n 个数据经过并一串变换和d a 转换后，就得到了0 f d m 信号。接收端解调时同样可利用f f t 进行o f d m 的解调。 图2 1 3 利用i f f t 实现o f d m 2 4 地面电视广播系统 地面电视广播是指利用超短波进行电视信号传输、覆盖的一种广播方式，即 在发送端，将电视信号经专用传输线路由电视中心传送到地面发射台，调制到射 频后由发射天线以空间电磁波的形式向周围空间辐射；在接收端，空间电磁波经 接收天线变成感应电流，并在接收机中进行解调，还原成原始的视频、音频信号。 2 4 1 地面电视广播系统构成 地面电视广播系统的组成如图2 1 4 所示。制作、播出的电视节目由电视播控 中心传送到发射台。通常，发射台的主要构成部分是发射机房和发射塔。发射塔 的顶端安装有发射天线。发射塔的下方是发射机房，发射机将图像及伴音信号进 行射频调制和射频放大后，通过发射天线向周围空间辐射出电磁波。在电磁波覆 盖区域，可利用接收天线和接收机将电磁波转换成视频、音频信号，并通过扬声 器和显示器将其还原成声音和图像。 1 6 地面数字电视发射系统关键技术研究 发送端 ： 接收端 图2 1 4 地面电视广播系统组成示意图 号 我国模拟电视广播的视频信号带宽为6 m h z ，射频带宽为8 m i - i z ( 包括图 像和伴音) 。也就是说，一套电视节目在传输时需占据8 1 v l h z 的带宽。 地面电视广播使用的频段属于超短波范围。我国规定为甚高频波段( v h f ) 的 4 8 2 2 3 m h z 和特高频波段( u h f ) 的4 7 0 9 6 0 m l l z 范围，共安排了6 8 个频道。在 v h f 波段中有1 2 个频道，在u h f 中有5 6 个频道。需要指出的是，v h f 中的第5 频 道与调频广播( 8 7 5 1 0 8 m h z ) 的部分频带有重叠，为了保证调频广播优先，实 际上己将第5 频道取消。 2 4 2 模拟地面电视广播 i ) 发送端原理 模拟地面电视广播系统发送端的组成如图2 1 5 所示。图中的上部是图像通 道，下部是伴音通道。 伴音中频 图2 ，1 5 模拟地面电视广播系统发送端原理框图 在图像通道中，图像信号首先经过放大、箝位、微分相位校正等视频处理环 节，然后对图像中频( 我国电视广播标准规定，图像中频为3 8 m h z ) 进行双边带调 第二章电视广播系统综述 ” 幅，通过残留边带滤波后形成图像信号的残留边带特性。接下来进入图像中频处 理器，在这里要进行群延时校正、微分增益校正等处理。之后在图像混频器中与 高频振荡信号进行混频，形成高频图像信号，经功率放大后馈送到双工器，在这 里与处理后的伴音信号相加，一起送往天线发射。 在伴音通道中，伴音信号首先经过放大等音频处理，然后对伴音中频( 我国 电视广播标准规定，伴音中频为3 1 5 姗z ) 进行调频。对伴音信号采用调频方式是 为了获得较高的音质和较强的抗干扰能力，同时也为了减少与图像调幅信号之间 的相互串扰。调频之后的伴音信号在伴音混频器中与高频振荡信号进行混频，得 到高频伴音信号，经功率放大后馈送到双工器，与处理后的图像信号一起送往天 线进行发射。 双工器的作用是防止图像信号与伴音信号在同一副天线上产生相互干扰。另 外，双工器也可实现发射机、馈线、天线间的良好阻抗匹配，从而保证信号能以 最大的能量发射出去。 调制后的图像和伴音信号称为射频信号，其带宽为8 瑚z ，频谱结构如图2 1 6 所示，伴音载频和图像载频相差6 5 m h z 。 矬譬边带 o j ” ? 一 6 5 - - 1一_ 7 l 1 1 2 5b 1 ，一 f f m i p 8 叫 图2 1 6 电视射频信号频谱 接收端原理 p a l 制模拟地面电视广播系统接收端的组成如图2 1 7 所示。接收天线可感应 周围空间存在的电磁波，并以感应电流的形式送入高频调谐器。高频调谐器主要 由输入电路、高频放大器及混频器构成，可完成频道选择、放大及混频功能，输 出中频信号。此信号经中频放大器进一步放大后分为两路，一路送到图像通道， 另一路送到伴音通道。 地面数字电视发射系统关键技术研究 图2 1 7 模拟地面电视广播系统接收端原理框图 在图像通道中，首先进行图像检波，得到彩色全电视信号。彩色全电视信号 一路送p a l 解码器，得到r 、g 、b 三基色信号送彩色显示器；另一路送同步分离 电路，得到行、场扫描控制信号，用以控制彩色图像的正确显示。 在伴音通道，伴音检波之后可获得第二伴音中频信号( 6 5 删z ) ，经放大限 幅后进行鉴频，得到音频信号，最后经低频放大后送扬声器。 p a l 解码器的作用是将p a l 制彩色全电视信号恢复成三基色信号，其过程正好 和p a l 编码器相反。p a l 解码器的原理框图如图2 1 8 所示， 壳度遁道 图2 1 8p a l 解码器 r g b 第二章电视广播系统综述 1 9 主要由亮度通道、色度通道、副载波发生器和解码矩阵组成。亮度通道主要 由副载波陷波电路、延时电路和亮度放大电路构成，作用是从彩色全电视信号中 抑制掉色度信号，产生不带色度的亮度信号y ，并与色度信号在时间上保持一致。 色度通道主要由带通放大器、梳状滤波器和u 、v 同步检波器构成，其任务是产生 r - y 、b _ y 两个色差信号。副载波发生器主要由色同步选通、鉴相器、副载波晶 振、p a l 识别、p a l 开关及9 0 度移相器构成，其作用是为u 、v 同步检波器提供基 准副载波。解码矩阵的作用是将亮度信号( y ) 和两个色差信号( r y b y ) 还原 成r 、g 、b 三基色信号。 2 4 3 数字地面电视广播 1 ) 发送端原理 数字地面电视广播传输的信号是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编 码转换成用二进制数代表的数字信号，采用新进的数字信号处理方法进行信源编 码，信道编码后调制发送。通常采用的调制方式有8 - v s b 、o f 蹦，如美国的a t s c 数字电视系统即采用8 - v s b 调制方式，而欧洲的d v b 系统和日本的i s d b 系统则采 用了o f d