數字電視系統中的關(guān)鍵RF測量

當信號在傳輸通道中出現噪聲、失真和受到干擾時(shí)，現代數字有線(xiàn)系統、衛星或地面系統的表現特性完全不同于傳統的模擬電視?，F在的電視收看用戶(hù)已經(jīng)習慣于模擬電視的接收方式，如果接收的圖象質(zhì)量較差，通常是調整一下室外天線(xiàn)，這樣接收的圖象就可能要好一些。即便是圖象質(zhì)量仍然很差，但如果節目的內容足夠吸引人，那么，只要還有聲音，觀(guān)眾仍會(huì )繼續收看。

DTV可不這樣簡(jiǎn)單。一旦接收的信號中斷，要恢復信號的通路并非總是奏效。產(chǎn)生的原因可能是MPEG SI或PSIP表中出現錯誤，或者僅僅是由于RF 功率在數字工作門(mén)限電平以下或在“崩潰”（cliff）點(diǎn)電平以下。而RF 中的問(wèn)題又可能由以下原因所引起：衛星碟形天線(xiàn)或低噪聲變頻器小盒(LNB)中的故障；地面RF 信號的反射；信道噪聲性能太差；信號傳輸通道中的干擾；有線(xiàn)放大器或調制器損壞等。

為了解決DTV信號的接收問(wèn)題，可以有兩種解決方法。一種解決方案是使機頂盒接收機對劣化的信號不再敏感，但對工作人員來(lái)說(shuō)更好的解決方案是始終保持清晰、高質(zhì)量的RF 信號。

為此，泰克公司提出了關(guān)鍵RF 測量的解決方案，在這種解決方案中，集MPEG實(shí)時(shí)監視與記錄功能于一體，這就是MTM400監視器。從經(jīng)濟上考慮，可以將MTM400配置在傳輸鏈路中的各監測點(diǎn)上，從下行鏈路和編碼處理，通過(guò)復用和再復用，直至經(jīng)由上行鏈路、前端和發(fā)射機站點(diǎn)的最終傳送。

用MTM400來(lái)進(jìn)行這項工作，工作人員只需投資其它專(zhuān)用RF測試設備費用的若干分之一，即可完成關(guān)鍵的RF測量。通過(guò)基于Web 的遙控設置，可在整個(gè)傳輸鏈路中的相應信號層面上進(jìn)行正確的RF 測量，這樣的測量既經(jīng)濟、又高效。

關(guān)鍵RF測量參數

BER或誤碼率

誤碼率是錯誤比特與全部傳送比特之比。在早期的DTV監視接收機中，誤碼率作為數字信號質(zhì)量的唯一測量值。誤碼率的測量簡(jiǎn)單易行，因為它通?？捎烧{諧解碼器芯片組提供且容易進(jìn)行測量。不過(guò)，調諧器的輸出BER 通常是在前向誤碼校正(FEC)之后，最好是在FEC(“前維特比”)之前來(lái)測量BER。這樣，通過(guò)測量BER可以反映出FEC的校正能力。在維特比去交織之后，采用里德－索羅門(mén)(Reed-Solomon，R-S)解碼可以校正錯誤比特以在輸出端獲取準無(wú)誤碼(quasi error-free)信號。

如果傳輸系統的工作狀況遠離信號崩潰點(diǎn)，這種運行狀態(tài)是合適的。這時(shí)，只有很少的數據錯誤發(fā)生，前維特比(pre-Viterbi)誤碼率接近為零。如果傳輸系統工作在崩潰點(diǎn)邊緣附近，則前維特比BER 就會(huì )逐漸增加，后維特比(post-Viterbi)BER的變化就比較徒峭，后FEC(在RS之后)就非常徒峭。

因此，FEC能夠對崩潰點(diǎn)的徒峭程度產(chǎn)生影響。這樣，非常靈敏的誤碼率測量的確會(huì )產(chǎn)生告警信號，但對于要采取的校正而言，通常又顯得太遲。

對于被傳送信號質(zhì)量的定量測試和運行記錄而言，顯示BER仍然是有用的。BER通常用來(lái)記錄長(cháng)時(shí)間的系統運行狀態(tài)。最好是用來(lái)識別周期性損傷、瞬態(tài)損傷。

BER 的測量值常常用工程記數法來(lái)表示，并標明為瞬時(shí)碼率和平均碼率。

典型的目標誤碼率為：1E-09，準無(wú)差錯的誤碼率為2E-04；臨界誤碼率為1E-03；當誤碼率大于1E-03 時(shí)則處于傳輸服務(wù)允許值之外。

如何改善BER－通過(guò)MER

TR101 290標準是用來(lái)描述DVB系統的測量準則。在標準中，調制誤差比(MER)指的是被接收信號的單個(gè)“品質(zhì)因數”(figure of merit)。MER往往作為接收機對傳送信號能夠正確解碼的早期指示。事實(shí)上，MER 是用來(lái)比較接收符號(用來(lái)代表調制過(guò)程中的一個(gè)數字值)的實(shí)際位置與其理想位置的差值。當信號逐漸變差時(shí)，被接收符號的實(shí)際位置離其理想位置愈來(lái)愈遠，這時(shí)測得的MER 數值也會(huì )漸漸減小。一直到最后，該符號不能被正確解碼，誤碼率上升，這時(shí)就處于門(mén)限狀態(tài)即崩潰點(diǎn)。

圖1. 64-QAM 接收機的MER 測量曲線(xiàn)

圖1 是將MER 接收機與一測試調制器相連接時(shí)所測得的曲線(xiàn)。連接妥當后，逐漸引入噪聲，同時(shí)記錄MER 和前維特比BER 的數值。在沒(méi)有引入噪聲時(shí)，MER 的起始值為35dB，而B(niǎo)ER 接近為零。隨著(zhù)噪聲的增加，MER 值逐漸降低，而B(niǎo)ER卻保持恒定。當MER降低至26dB附近時(shí)，BER 才開(kāi)始攀升，說(shuō)明崩潰點(diǎn)就在此值附近。因此，MER可用來(lái)指示系統在崩潰點(diǎn)之前的早期劣化漸變過(guò)程。

MER 的重要性

泰克公司設備能夠測量非常高的極限MER值（在QAM系統中，極限MER的典型值為39dB），因此，如果下游MER的縮減因子（安全余量）是已知的，或者可在用戶(hù)點(diǎn)（或其附近）測出MER 的安全余量，那么，位于前端調制器處的監視設備通過(guò)測量MER即可提供信號劣化的早期指示。當MER 下降至24dB（64-QAM）或30dB（256-QAM）時(shí)，通用機頂盒就不能正確解調。至于其它的一般測量設備，只能給出較低的極限MER 測量值，因此也就不能用于信號劣化的早期告警。

對于數字有線(xiàn)（QAM）前端，典型的MER值為35dB至37dB。而在模擬有線(xiàn)系統中，典型的MER 值為45dB。模擬系統和數字系統的MER差值為10dB，在數字分配系統中，MER值在35dB 左右。

EVM(誤差矢量幅度)

EVM的測量與MER有些相似，但表示方法有所不同。EVM是誤差矢量的RMS幅度與最大符號幅度之比，并以百分比來(lái)表示。信號損傷增加時(shí)，EVM 增加；信號損傷降低時(shí)，EVM 減小。

圖2. 通過(guò)測量MER 和EVM，能在BER 迅速攀升和接收信號中斷之前預測出系統的安全余量。

MER和EVM 可以相互導出。EVM 是IQ（同相軸和正交軸）星座圖中被檢測載波與理論上的理想著(zhù)陸點(diǎn)（landingpoint，參見(jiàn)圖3）之間的距離，即為“誤差信號矢量”與“最大信號幅度”的比值，并用RMS 百分比數值來(lái)表示。EVM 是按照TR 101 290 的附件部分作出的定義。泰克公司的MTM400，既可以測量MER，也可以測量EVM。

圖3. 誤差矢量。

圖4. QAM 調制器。

傳輸系統的調制方式

在衛星、有線(xiàn)和地面數字電視傳輸系統中，信號的調制方式通常為正交調制，用已調制信號波形的相位和幅度來(lái)代表數據符號。在數字電視傳輸系統中，最常用的調制方式是正交幅度調制（QAM）。

例如，在廣泛使用的地面數字調制方式中，COFDM 采用的是16-QAM 或64-QAM 調制方式，8VSB 使用的是8 列系統。在衛星數字系統中，所采用的數字調制方式是四相或正交相移鍵控（QPSK），它等效于4-QAM。QPSK 是一種非?？煽康恼{制方式，它已經(jīng)使用很多年了。QPSK 也常用于分配饋送系統中，它可以有效地利用可用帶寬，但需要較高的載噪比。

有線(xiàn)傳輸系統也是以QAM為基礎，有著(zhù)更多的調制方式，現在仍在開(kāi)發(fā)之中。在有線(xiàn)系統中，增加了調制狀態(tài)數（16-QAM、64-QAM、256-QAM 和1024-QAM），改善了頻譜利用率。這樣，在給定的帶寬內，可以容納更多的電視頻道。

在美國的數字傳輸系統中，采用64-QAM 每秒可以傳送27Mb的數據，這相當于在6MHz的帶寬內可以傳送6至10個(gè)SD 電視頻道或1 個(gè)HD 電視頻道。而256-QAM 的數據率為38.8Mbps，它等效于在6MHz 帶寬內傳送11 至20 個(gè)SD電視頻道或兩個(gè)HD電視頻道。采用新的壓縮技術(shù)，通過(guò)256-QAM調制方式可進(jìn)一步增加到三個(gè)HD頻道。在歐洲的數字傳輸系統中，使用256-QAM調制方式，8MHz 帶寬內的數據率可達56 Mbps。

在ITU.J83 規范中，規定了三種區域性的QAM 有線(xiàn)標準，它們是：
·附錄A －歐洲
·附錄B －北美
·附錄C －亞洲

在MTM400 中，備有RF 接口選項，可以測量上述的全部QAM調制標準，還可測量衛星數字傳輸應用中的QPSK調制方式。

圖5. 數字傳輸系統中的調制方式

星座顯示

數字調制系統的星座顯示圖形相當于矢量?jì)x中的矢量顯示，可用來(lái)表示QAM信號中的同相(I)分量和正交分量(Q)。符號是給定調制系統中傳輸信息的最小部分，一個(gè)符號在星座圖中可描繪為一單個(gè)點(diǎn)。這些符號比特是通過(guò)復雜的代碼轉換過(guò)程由原始的MPEG-2傳輸流中導出的。這一轉換過(guò)程包括了里德－索羅門(mén)編碼、交織、隨機化處理，北美地區的QAM和格形編碼或QPSK系統中的卷積(維特比)編碼。人們希望能對系統的傳輸提供防護并能糾正比特錯誤，抵御脈沖噪聲，將傳輸能量平均地分布于整個(gè)頻譜。解碼器端所采取的處理方式與上述過(guò)程相反，應能恢復基本上無(wú)差錯的比特流。由于采取了誤碼校正，僅對傳輸流進(jìn)行檢查并不能提供傳輸通道或調制器和處理放大器包含有錯誤的任何指示，使得系統靠近“數字崩潰點(diǎn)”。

一旦MPEG 碼流中的傳送錯誤標志(TEF) 作出報告，這時(shí)再采取校正措施常常是太遲了。

星座圖

可以把星座圖認為是一種數字信號“2 維眼圖”的陣列，在星座圖中標出了符號的著(zhù)陸點(diǎn)，并給出了著(zhù)陸的允許范圍和判決邊界。符號著(zhù)陸點(diǎn)愈是靠近而聚集在接收符號的“云層”中，那么信號質(zhì)量就愈佳。由于星座圖映射為屏幕上信號的幅度和相位，因此可以利用該陣列的形狀來(lái)判斷和確定傳輸系統或傳輸通道中故障和失真的嚴重程度，有助于阻止傳輸質(zhì)量的下降。

圖6. 星座圖顯示

利用上述星座圖，可以判斷下述調制問(wèn)題：
·幅度不平衡
·正交錯誤
·相干干擾
·相位噪聲，幅度噪聲
·相位錯誤
·調制誤差比

星座圖的遙控顯示

在MTM400 中，采用了特有的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器（Web-browser）技術(shù)，可通過(guò)因特網(wǎng)或專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )在各個(gè)不同地點(diǎn)甚至不同國家觀(guān)察到無(wú)人監測點(diǎn)處的星座圖顯示?？梢哉{整用戶(hù)界面的余輝特性，使得先前接收的載波顯示點(diǎn)逐漸減弱，就象傳統的顯示儀器一樣。

說(shuō)明：以下的MTM400 屏幕快照是按照儀器的測試設置顯示的，這樣在所有情況下的MER 和EVM 都是相似的。僅星座圖形不同。

正交誤差

傳輸系統中的正交誤差使得符號著(zhù)陸點(diǎn)靠近邊界容限，因而降低了噪聲余量。當I信號和Q信號彼此間的相位差不是準確的90 度時(shí)就會(huì )出現這種情形。正交誤差使星座圖失去了“方形”結構而呈現為平行四邊形或呈菱形。

圖7. 星座圖中同相軸和正交軸間的正交誤差使得圖形不是方形而呈菱形

圖8. MTM400 中的屏幕俘獲顯示，說(shuō)明IQ 間有5 度的正交相位差。

圖9. 信號的同相分量和正交分量間的增益差使得星座圖不為方形而為矩形。

圖10. MTM400 顯示出IQ 間的幅度不平衡為10%。

噪聲誤差

噪聲是任何信號中最常見(jiàn)的也是無(wú)法避免的信號損傷，QAM 信號也不例外。噪聲損傷的常見(jiàn)形式是加性高斯（白）噪聲（AWGN）。由于白噪聲（按頻率分布，噪聲功率為平坦密度函數）和高斯噪聲（數學(xué)上稱(chēng)為正態(tài)幅度密度）的存在，使得所接收的符號在星座圖中呈簇狀分散在理想位置附近。

圖11. 噪聲誤差（QAM-64有線(xiàn)系統）

圖12. 噪聲誤差(來(lái)自衛星的QPSK信號)

增益壓縮

MTM400 可給出各種生動(dòng)的實(shí)際信號顯示，從中您可以觀(guān)察到增益壓縮現象，它在I 和Q坐標顯示圖形的邊角處呈圓弧形，不過(guò)這種顯示只在調制器或光纖傳輸系統中才觀(guān)察得到，因為它們的信號驅動(dòng)可達到其容限。這種現象發(fā)生在高幅度電平下，表現為非線(xiàn)性失真。其圖形看起來(lái)象“球形”或呈“魚(yú)眼透鏡”(fish-eye lens)狀。

圖13. MTM400 的增益壓縮顯示。

圖14. MTM400 的顯示圖形，該信號具有明顯的增益壓縮誤差。

相干干擾

相干干擾是一種與IQ信號相鎖定的通道干擾或諧波分量。相干干擾的存在使得顯示陣列呈環(huán)狀或呈“圓環(huán)圖”。

圖15. 相干干擾

相位噪聲(I和Q信號中的抖動(dòng))

信號傳輸鏈路的載波信號或本機振蕩器中存在著(zhù)相位噪聲或相位抖動(dòng)，它疊加在所接收的信號上。在MTM400的顯示圖形中，載波符號呈現為同心圓弧狀。

圖16. 相位噪聲(I 和Q 信號中的抖動(dòng))

載波抑制

圖17. 同相軸上的一種“直流偏置”效應，載波抑制為10%。在MTM400 的顯示中，符號位置向右偏移。

可接收信號

在現代全數字調制器中，一般情況下的IQ 增益和相位誤差是可以忽略的。這樣的誤差并非校準不當而是設備故障。另一方面，信號的壓縮可能出現在調制器中，或上變頻器中和傳輸網(wǎng)絡(luò )中。

圖18 為MTM400 中的正常信號顯示。

圖18. 工作正常的256-QAM 有線(xiàn)系統。

結束語(yǔ)

最好的解決方案是遠在系統停止播送節目之前，盡早地對系統中的問(wèn)題作出預測并及時(shí)予以修復。

無(wú)論是有線(xiàn)傳輸系統還是衛星傳輸系統，通過(guò)MER 的測量，均能夠及時(shí)地發(fā)現發(fā)射機中和系統性能的微小變化，因此它是能夠反映系統狀況的一項最好的品質(zhì)因數。EVM和更傳統的BER 測量可用于跨接設備間的質(zhì)量檢驗，它們有助于判斷短期的信號劣化。

通過(guò)星座顯示，可提供RF傳輸系統的“健康檢查”，這是一項可靠的檢查，它能發(fā)現系統的畸變、失真或設備的偏差。

總之，將上述關(guān)鍵的RF 測量與綜合性的MPEG 傳輸流監視相結合，同時(shí)再提供各監測點(diǎn)的告警設置，就能在早期階段檢測到系統中的各種問(wèn)題，而不會(huì )給觀(guān)眾的收看帶來(lái)影響。