广播电视数字微波传输.doc

广播电视数字微波传输作者：张明德/毛献宗/蒋若安/罗时庆(桂林南方通信设备工程公司，5转贴自：西部广播电视点击数：6738摘要：文章就模拟微波干线的数字化改造和数字MMDS的实现提出 了切合实际的解决方案。关键词：传输数字MMDSQPSK64QAM1 前言广播电视的数字化对改善图像清晰度、图像传输质量、增加节目套数起着非常重要的作用 。更为重要的是，它能够很方便地构筑视频、音频、图像、文字、数据为一体的综合网络平 台，达到多媒体综合信息服务的目的。广播电视的数字化包含数字终端设备(如电视机等)和数字信息传输设备(如光纤传输、卫星 传输、地面微波传输等设备)。数字化广播电视为有线电视的发展提 供了无限广阔的前景。2 广播电视数字化传输的优点21 频道利用率高数字压缩技术是将模拟信号经过抽样、量化，变成数字信号(即模拟/数字转换)，再经取样 压缩编码，驱除信号冗余度，以一定的压缩比将信号频带压窄，将其调制到载波上，这样就 提高了频谱的利用率。接收则以相反的过程进行：接收、解调、解码、数字/模拟转换，视 频处理后还原成视频信号。国际上目前主要有两种数字压缩传输标准比较流行，即MPEG-1 和MPEG-2。广播电视系统一般采用MPEG-2标准，它可以将速率为200Mbit/s的数字 视频 信号压缩到1515Mbit/s。在这种标准下，如果对压缩信号采用64QAM调制 方式，则CATV在每个8MHz带宽的模拟电视频道内能传送的码率为37Mbit /s，扣除FEC等因素占用的码率，净速率32Mbit/s。如果每个频道平均速率为4 2Mbit/s，则一个8MHz模拟电视频道就可同时传输816套电视节目， 10个模拟频道就能传输80160套电视节目。省干线上的模拟微波均属于调频(FM)模拟微波 ，每套电视节目占有的带宽为f010MHz。实际系统设备带宽为 34MHz，如果压缩编码信号采用QPSK调制和相干解调方式，则中容量480路数字微 波传输系统速率为34368Mbit/s，它所要求的微波通道传输带宽为f085MHz。实际系统设备带宽也为34MHz，如果每个电视频道平 均速率为8Mbit/s，则省干线上一个模拟频道就至少可以同时传输4套高质量的节 目。由此可知，广播电视数字化后可以成倍甚至成十倍地增加频道的利用率。22 接收门限电平低、传输距离远原广电部GY/T106-1999标准中提出了有线电视广播系统技术规范，下行模拟传输系统要求载 噪比C/N43dB。欧广联(EBU)给出了图像信号的5级评分标准，若 要达到4级以上的良好质量，则要求信噪比S/N366dB。在模 拟信号 的传输中，为防止信号的衰落，必须有6dB的衰落储备量，因此模拟调幅微波传输 链路中系统设计的载噪比C/N必须49dB。在模拟调频微波传输链 路中，由于S/N存在18dB调频改善系数，所以C/N 31dB就够了。同样的模拟链路，如果采用数字压缩编码方式，中频调制器采用64QAM正交幅度调制，在留 有6dB储备量之后，只需C/N28dB就能得到DVD的图像 质量，如表1所示。表1采用数字压缩编码所需C/N门限载波调制码率(Mbit/s)C/N门限(dB)16QAM2452532QAM312864QAM3731128QAM4334若采用QPSK相移键控调制，则只需C/N18dB就可以得到高质 量的图像质量。模拟调幅(AM)微波与64QAM调制数字微波相比，门限下降了约20dB ；模拟调频(FM)微波与QPSK调制数字微波相比，也相差约10dB。从上述分析不难 得出数字微波比模拟微波传输距离远的结论。如果原设计模拟MMDS微波传输距离为40km，在同样的有效发射功率、同样的天馈、同样的路由前提下，采用数字MMDS微波传输 后，就能轻易地覆盖100km以上的距离。这样的覆盖范围对一个县来说已足够。23 图像质量好，抗干扰能力强由于采用了数字滤波、数字存储及再生中继技术，排除了噪声和失真积累的影响，改善了图 像的信噪比，彻底消除了亮度干扰，接收机的载噪比C/N在门限值以上时， 几乎可以得到无损伤的还原，虽经多级中继、转发也不会降低图像质量，因此数字电视传输 的图像质量远远高于模拟电视传输的图像质量。3 数字载波调制方式的比较前面提到的QPSK和64QAM都是数字信号的载波调制方式。基本的数字 载波调制方式有3种，即振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)。QPSK属于相移键 控，也叫正交移相键控或4相调制。64QAM属于振幅相位联合键控，也叫多电平正交振幅调制 。经理论分析证明：在抗噪声性能上，PSK最好，FSK次之，ASK最差。在占据频谱宽度上，ASK和PSK相同，FSK是 ASK的几倍。经过比较，得出这样的结论：从抗噪声性能和提高信道带宽利用率的角度来看，相移键控 是数字载波调制方式中最优越的一种，在省干线上，多跳调频模拟微波的改造用QPSK移 相键控调制方式最合适。64QAM是振幅相位联合键控，频带利用率最高，是一种高效率的数字微波方式，但它的抗干 扰能力比QPSK差，这可从两种调制下C/N与BER的关系曲线上看出，如图1 所示。64QAM特别适用于数字MMDS及微波传输跳数不多的模拟微波改造上。4 干线微波的数字改造41 调频模拟微波和数字微波收发信设备的比较1)工作原理相同。模拟和数字微波都采用70MHz中频调制器，进行上变频至微波频 率，再进行微波传输，只是模拟微波设备在发信中频调制后有一级限幅中放，而数字微波没 有限幅中放这一级，其他部分的工作原理是一样的。图1QPSK与64QAM调制下载噪比与 误码率关系曲线2)传输带宽相同。现有模拟微波传输一套电视节目占有的带宽为17MH z，而小容量数字微波传输34Mbit/s速率的信号，当中频采用QPSK调制和同步相干 解调方式 时，它所要求的微波通道传输带宽实际上也是17MHz，因此两者的传输带宽要求 是相同 的。3)模拟微波系统通道的部分传输性能指标，如幅频群时延指标等均高于数字微波传输系统通 道性能要求，这无疑地减轻了模拟微波改数字微波的压力。4)现在的模拟微波器件都是全固态化的，FET场效应器件、线性放大器等代替了过去的行波 管、高压盘，为模拟微波改数字微波铺平了道路。42 需要解决的几个问题1)频率稳定度的问题。模拟微波传输信号采用中频调频调制，变频用的本振采用微波介质稳 频振荡器，其频率稳定度只能达到104数量级。数字微波传输系统传输电视信号采 用中频数字调制，经过数字压缩后的多套电视数字信号复接后对中频进行QPSK调制，上变频 到微波频率进行传输。它要求微波发信机线性指标高，微波本振源的频率稳定度较高，不能 低于106数量级，一般采用介质稳频加锁相稳频双重技术进行稳频，以达到这一要 求。2)相位噪声问题。模拟微波采用调频方式传输，对系统相位噪声要求不高，而数字微波采用 QPSK调制和相干解调方式，传输数字压缩电视信号，因此要求系统的相位噪声低于70dBc/Hz。在模拟微波系统中，即使各站本振源分别达到了这个要求，但由于各微波站 中频转接，并且经过多次中继后相位噪声叠加，只有将传输设备的相位噪声降低到95dBc/Hz以下，整个系统才能满足这一要求。3)线性功放问题。调频模拟微波的功放工作在非线性区，在早期发射机变频器的前端还要增 加一个限幅放大器。数字调相(QPSK)微波要求三阶交调抑制20dB，因此要求功 放必须是线性放大器。所以微波功放的线性度问题、微波频率稳定度问题及系统的相位噪声问题一解决，数字化改 造就基本成功了。以上分析证明，模拟微波设备进行数字化改造不仅在理论上是可行的，在实践上也是可 行的。如辽宁省葫芦岛市广电局等单位在国内率先进行了模拟微波改数字微波的尝试，开了 一个好头。90年代以后生产的14GHz、2GHz、7GHz、8GHz广播电视微波设备，改造起来是不难的，基本上和进口NEC的设备差不多。90年代以 前生产的14GHz微波设备由于不是线性放大器，改造难度要大一些。43 某省广播电视模拟微波改数字微波的一个具体方案1)先对一个模拟微波信道进行改造。原来传输1路电视信号、2路伴音信号，扩容到4路电视 信号、8路伴音信号、1路数据信号。2)信号源前端采用压缩编码设备。目前国际上都采用MPEG-2国际标准来传输PAL-D数字 电视信号，电视信号压缩到6Mbit/s，图像质量就能达到广播级的水平。因此确 定信源按MPEG-2标准对PAL-D电视信号进行数字压缩编码，压缩的比特率为8448Mbit/s，伴音信号按IEC268-15标准进行压缩编码处理。3)在信道传输上采用数字化传输。为了保证信号经微波多站中继传输后无噪声积累、节目传 输质量和传输距离无关，中频采用QPSK调制、同步相干解调方式，干线中继采用再生中继方 式，在支线改造中为了节省投资，可采用中频中继，这样，虽然有点噪声积累，但不会对整 个系统造成大的影响。4)改造方案可以使扩容升级很方便，可以随压缩编解码码率的改变扩大节目传输容量。5)改造方案方框图如图2，3，4，5所示。5 短距离广播电视数字微波传输 去年底，我们公司与北京汇思源公司合作为葫 图2省中心始发图3中继站图4下信号及分支中继站图5终端站芦岛广播电视局提供了一跳短距离广播电视数 字微 波传输设备。该工程要求从局有线台到无线台正返传输612套数字电视节目， 传输距 离1015km。我们选用了64QAM调制方案，编解码器采用了北京汇思源的设备。6 数字MMDS今年三月，我们又为葫芦岛广播电视局提供了一套数字MMDS设备。工程要求用数字MMDS传输 6套电视节目，全向发射，最远传输距离70km。设计方案为：发射机采用50 W单通道MMDS发射机，室外型；发射天线采用12dB全向天线；MPEG-2数 字压缩编码器；调制方式为64QAM。系统方框图如图6所示。提供给葫芦岛广播电视局的用64QAM调制、MPEG-2编解码的8GHz数字微波设备和2 527GHz的数字MMDS设备都达到了预先的设计要求，系统设备工作稳定可靠 ，图像、声音都非常清晰。今年九月，我们又为山东潍坊提供了一套图6