数字电视发射机激励器工作原理.doc

数字电视发射机激励器结构及工作原理 高 原 随着计算机技术、通讯技术的飞速发展，全世界广播电视界正掀起一股数字电视开发和使用的热浪。目前数字电视的标准主要有：美国ATSC、欧洲DVB、日本ISDB，我国正在加紧制定具有自主知识产权的数字电视标准，2008年北京申奥的成功无疑为我国地面数字电视的发展提供了助推剂。在数字电视地面广播中，新型的数字电视发射机是至关重要的，而激励器（EXCITER）又是数字电视发射机中最为关键的环节。下面结合DVB-T标准激励器来进行分析。1 激励器结构 数字电视发射机与模拟电视发射机不同，它的输入信号不是通常的视频和音频节目信号，而是将音频、视频信号按MPEG标准，经过压缩、编码，并与其它数据信息复用打包后的传输码流（TS流）。输入的TS流进入激励器，经过信道编码与调制单元，形成符合一定制式标准的模拟中频信号，然后上变频至所需频道（模拟UHF信号），这些工作均由激励器完成。输出的模拟UHF信号再经射频放大后发送。 图1所示为激励器的原理功能图。 从图中可以看到，激励器的输入信号是MPEG-2码流，它是从数字播控中心而来，经过了前期很多压缩编码处理，再按照MPEG的要求进行打包处理形成的传输码流（TS）；输出信号是经过了编码、调制、变频处理后的模拟UHF信号。数字电视激励器部分的主要功能是进行信道编码处理和调制，前者目的是增加抗干扰能力，保证接收端进行正确接收，后者的目的用于传输，很多地方常常称该种激励器为COFDM调制器。2 激励器内部的详细分析 激励器内部的具体结构，如图2所示。其中虚线框是可选单元，实线框为基本组成单元。从图2中可以看到，包含了以下基本单元： COFDM编码； 时钟和同步； I/Q调制器； UHF变频器。 除此之处，还包含有一些可选单元： 单频网输入模块（SFN）； 比特率（BIT RATE）适应； 遥控控制； 非线性预校正。 下面对各个构成部分分别加以说明。2.1 COFDM编码器 在地面无线传输中，多径效应影响最为严重，常采用抗多径干扰显著的COFDM技术。COFDM称为编码正交频分复用调制，它是由大量的子载波构成，将各载波加以调制。也就是说，将串行传输的符号序列（MPEG-2码流）分成长度为N的段，再将每段内的N个符号分别调制到N个载波上，之后一起发送。COFDM是一种并行调制技术，将符号周期延长了N倍，从而提高了对多径干扰的抵抗能力。 COFMD编码器的功能定位明确，要符号国际ETSI标准。ETSI标准是专为数字电视广播（DVB）而制定的，地面电视广播（DVB-T）的标准是ETS 300473，主要是针对数字地面电视的帧结构、信道编码和调制的建议。为了更好地进一步分析，将COFDM的处理过程分成两部分来讨论。 （1）第一部分先讨论第一种的COFDM结构，其原理框图为图3所示。 能量扩散又叫数据随机化，其目的是避免出现长串的0或1，采用伪随机序列发生器使数据随机化，电路上具体表现为一组移位寄存器。 外码使用截短码（R-S，Reed-Solomon）（204，188，T=8），又称为前向纠错R-S编码，它是一种性能优良的分组线性码，在同样编码冗余度下，RS码具有最强的纠错能力。 交织，又称为数据交织，有内交织和外交织，内交织又叫内码交织，外交织又叫外码扰码。由于许多信道中的差错具有突发性，当错误发生时，往往具有很强的相关性，连续一片数据出错。由于错误集中在一起，很容易超出纠错码的能力。为了达到纠错的效果，采用数据交织技术，将信道的突发差错分散开来。 内码使用卷积码，也是一种性能很强的纠错码。它可以采用不同比率收缩卷积码（punctured convolutional codes），码率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8等，它们都是基于1/2卷积码，用户根据数码率来选用相应的误码纠错能力。 映射的作用是将信息分配到每个载波上，也送到所选定的调制方式（QPSK、16QAM、64QAM）的星座点上。 （2）第二部分讨论第二种COFDM结构，其原理框图为图4所示。 帧适配器（FRAME ADAPTER）在2k模式时，将176个载波作为导频信号用于同步，将17个载波作为TPS（Transmission Parameter Signalling）信号用于搭载调制参数和控制信息；在8k模式将701个载波作为导频信号用于同步，将68个载波作为TPS信号用于搭载调制参数和控制信息，在2k模式、8k模式中，载波总数最终应为1705和6817个。2.2 I/Q调制器和UHF变频 现在使用的模拟电视发射机所用的激励器，大都采用两个步骤的调制过程：第一步将视、音频信号调制到一个中频（IF）载波上，中频频率是固定的，对所有的频道都相同，然后再经上变频器转换到所要求的RF激励器中，调制过程采用与模拟电视发射机相同的调制步骤。完成I/Q调制和UHF变频有两种方式，以下分别介绍： 方式1：在数字部分进行I/Q调制。 从图5中可以看到输入的I、Q信号先分别经过预校正后，经数字I/Q调制，完成数-模转换，其后面的过程与模拟发射机是一样的，经两级调制到所需要的频率上，输出RF射频信号。在这种方式下，I/Q调制器特性可以很容易进行控制操作，它主要决定于内插滤波器的特性，性能指标不需要进行任何调整。这种方式的缺点是模拟部分的变换和滤波较复杂，不太容易制作，模拟部分的费用较高。 方式2：在UHF部分进行I/Q调制。从图6中可以看到，I、Q信号分别经预校正后，经数-模转换，变为模拟量后，再分别进行调制后合成为RF射频信号输出，它和前面所述的方式有着明显的差别。这种方式避免了上述方式的缺陷，模拟部分很简单，它的不足之处是要得到高指标的I/Q调制，比较困难。2.3 时钟和同步 在一个8MHz带宽的频道内，对于COFDM调制器来说，所有的数字处理需要有一个高精度的信号，其频率为18.2857MHz（256/7MHz）。对于输入模块和UHF变频器，还需要一些其它的时钟频率信号。所有这些信号都必须要有非常高的频率精度和很小的频率漂移，即很高的频率稳定度，彼此间相互锁定。它们可由高性能的锁相环（PLL）电路产生，与输入码流或参考信号相锁。如果MPEG传输码流信号来自通讯网络，如果将这些时钟信号与输入码流锁定，要抑制频率漂移将非常困难。 对于SFN来说，激励器必须能够在时域和频域上与GPS（全球定位系统）信号相锁。当GPS信号失锁时（对于SFN，GPS容许有几个小时的失锁），激励器内部的时钟参考信号必须十分稳定，确保频率稳定。2.4 数字预校正 DVB-T模拟信号有很高的峰值对平均值的比值（峰值系数），实测数值在15dB左右，由于这个原因，在信号的放大过程中很难消除信号失真。虽然采用降低峰值数值，可以降低峰值对平均值的比值（峰值系数），但是会导致信号带宽内的信噪比降低，这种方式是不能采用的。通常采用数字和模拟预校正来抵消由于放大部分所造成的非线性失真。 采用预校正可以带来以下两点好处：降低放大过程中产生的互调产物； 在给定的条件下，获得较大的功率输出。 在使用模拟电视发射机时，模拟预校正技术的功效往往受到限制，并且有很多调整步骤。而数字预校正技术具有更加精确和稳定的优势，它能够自动校正由于温度和使用时间的延长带来的放大特性的漂移。 当前数字电视发射机的技术重点都在研制开发适合数字电视发射机的中频预校正电路，以改善AB类放大器的线性、提高放大器的效率，这对全固态数字电视发射机尤其显得重要。2.5 比特率适应 该模块主要是针对多频网运行，它可以使激励器接收任何比特率的MPEG-TS流。2.6 SFN输入模块 在进行单频网（SFN）广播时，所有发射机工作在同一频率上，在同一时间使用同样的比特率。SFN模块插在激励器上，来确保在时间和频率上的同步。所谓频率同步，指的是在SFN网上的激励器必须与参考频率相锁，所以参考频率的选择非常重要，其中最为简捷的方式是使用来自GPS接收机的10MHz的频率信号作为信号源。对于时间同步，指的是SFN模块从MPEG-TS输入码流中提取出MIP信息包，该信息包中含有时间标签信息，经过一定时延处理后（采用来自GPS的1pps信号作为参考信号，最大时延为1秒），可以保证工作在单频网上所有的发射机在时间上同步。2.7 遥控控制接口 为了适应未来全天24小时播出和无人职守的需要，在激励器上均安装有遥控控制接口，接口模式有两种：标准RS232接口、可以和互联网相接的以太网口。从DVB今后的发展的趋势来看，与计算机领域的标准相适应，符合TCP/IP和SNMP协议的以太网接口将是未来的方向。遥控接口的功能很强，可以对激励器的工作状态进行全程监测，主要包含以下三个方面： （1）监测输入激励器的码流； （2）监测所有的信号处理