MPTS基于COFDM調制技術微波傳輸探討

丁克儉

（亳州廣播電視臺，安徽 亳州 236800）

隨著人們對物質文化、精神文化的要求越來越高，國家“十二五”規劃提出大力發展人們對視聽文化的需求，廣播電視臺抓住數字化、網絡化、高清晰化等電視技術高速發展的機遇，加快廣播電視數字化的整轉。在三網融合的大背景下，數字電視業務成為廣電新經濟增長點。“十二五”規劃中提出在進展模擬電視轉向數字化及豐富電視節目內容的同時也要加強對偏遠地區信號的覆蓋工作，國家廣電總局在緊鑼密鼓發展數字電視業務的同時，也加大對數字電視安全播出、傳輸的有效管理。為滿足廣播電視服務大眾，進一步促進城鄉統籌發展，保障農村收看基本電視的需求，亳州電視臺充分利用現有資源與現代成熟的微波技術，把目前臺里現有的2套數字嵌入式音頻電視與1套模擬電視及1套數字廣播信號，采用COFDM調制技術、微波獨立加密技術與光端機傳輸系統構建熱備方式把4個信號源無縫傳輸到發射臺轉播機房，進行無線傳輸覆蓋。

1 MPTS流傳輸系統設計

MPTS（Multi-Program Transport Stream）即多節目傳輸流，復用了多路節目、多種信息的TS流，MPTS流包括視頻流、音頻流、節目特殊信息流（Program Special Information，PSI）和其他數據包，各種數據之間通過節目特殊信息PSI組織起來。PSI信息中的節目關聯表（Program Association Table，PAT）和節目映射表（Program Map Table，PMT）組成一個樹狀索引，通過PID（Packet ID包標識）來唯一標識每一種TS幀，通過技術手段對ID進行特殊處理，處理過后能一一對應解開，不會出現信息疊加，節目信息混亂。

為實現廣播電視局數字化綜合業務的整體提升，積極跟隨國家“十二五”發展的步伐，亳州臺抓住發展的機遇，解決多年來困擾的技術難題:由于亳州市地處淮河北部地區，文化昌盛、歷史悠久、交通便捷，隨著近年來招商引資的擴大，市委市政府對文化活動的重視程度加大，無形中增加了電視臺對文化活動直播轉播的工作量，電視臺播出信號只通過中心街道上一根光纖鏈路傳輸到發射臺，所以每次遇到重大活動時，有時會出現光纖突發受損，致使信號傳至發射臺時中斷，因維修工作量較大，很難在短時間內恢復正常通信。亳州臺技術人員經過不斷咨詢學習、參觀附近的電視臺對這一問題的解決方案，最終設計一套結合亳州臺現有資源的優化方案。理論上采用光纖傳輸為主，結合微波傳輸為備，光纖傳輸時在根據地理環境采用多種路徑光纖同時傳輸。實際上兩種方式互為熱備份，在發射臺機房接收端加上一臺音視頻智能切換器，保障信號源的實時傳輸。

2 光纖傳輸

為保障廣大電視觀眾能夠收看到安全、豐富多彩、不間斷的廣播電視節目，亳州臺按照公司設計多種路徑信號傳輸方式，根據系統設計的理念總結出一句俗語——“天上飛，地下跑，摸不著，看不到”。具體到系統設計理念中淺析是:“天上飛”是采用空中架接光纖，綜合考慮工程量的巨大，利用城市網絡公司現有的光纖架接桿，敷設一段光纖配合光端機進行傳輸；“地下跑”采用的方式跟“天上飛”的系統原理相同，唯一不同的是利用現有光纖管井通道敷設一段光纜；“摸不著，看不到”采用COFDM調制方式的微波進行無線信號傳輸。亳州臺在設計方案時考慮外界不可控因素會導致市里直播一些重大活動信號中斷，把空中的架接的光纖傳輸路線與光纖管井道的路線盡量避開一定距離，為了防止同一個地方出現外界不可控因素造成光纖損傷。防止不可控因素的同時發生造成光纖損傷，采用無線微波進行備份。光端機采用現代最先進電復用與光復用技術，既可以滿足高質量傳輸數字視音頻信號、模擬音頻信號的要求，又可實現數字信號輸入、模擬信號輸出。可實現數字視頻信號嵌入音頻并傳播。輸出為SDI數字視頻，AES-EBU數字立體聲音頻。光纖系統傳輸系統如圖1所示。

3 微波傳輸鏈路

3.1 COFDM調制技術

無線數字圖像傳輸已成為目前新聞采集、現場轉播、實時高質量圖像監控所必須的組成部分。但是無論是數字微波、擴頻微波、無線網都因其采用的是單載波調制體制，存在一定的局限性，在圖像傳輸應用中都會面臨著在阻擋環境中的應用和在信號干擾環境中的應用。結合亳州臺實際情況，微波傳輸要求采用COFDM技術。

COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術[1-3]是多載波正交頻分復用技術的簡稱，它采用歐洲地面數字電視傳輸DVB-T的標準。COFDM調制技術，既能充分利用信道帶寬，又能提高載波的頻譜利用率，也可以避免載波相互干擾和抗突發噪聲差錯。COFDM技術將信道劃分成正交子信道，每個載波所使用的調制方法可以不相同，可以根據信道狀況的不同選擇，如QPSK，16QAM，64QAM等。廣播電視為了提高電視傳輸節目質量，采用8 MHz帶寬內凈荷數碼率為4.98～31.67 Mbit/s。COFDM多載波技術具有在非可視或有阻擋的環境中傳輸特點，其“繞射”與“穿透”能力可以在城區、城郊、建筑物內實現數字圖像實時傳輸，不受周圍環境影響或影響較小，同時采用增益較大的全向天線，不會受到方向角度的限制，大大提高了移動時微波傳輸的有效距離。COFDM多載波技術的發展實現了在高速移動中畫面實時無線微波傳輸，可以借助汽車、火車、直升機、船舶等高速移動交通工具，實現對一些重大事件現場實時采集和接收。它不需要任何附加裝置，就可實現固定—移動、移動—移動間的使用，非常適合安裝到車輛、船舶、直升機等移動平臺上。不僅傳輸具有高可靠性，而且表現出很高的性價比。

傳輸帶寬高，適合高碼流、高畫質的音視頻傳輸，圖像碼流一般可大于4 Mbit/s高碼流、高畫質的音視頻數據流對編碼、信道速率要求十分高。一般的數字微波，擴頻微波傳輸鏈路中，雖然采用MPEG-2編碼，但信道多采用2 Mbit/s速率，如E1，使得解碼后的圖像分辨率可以達到720×576，但是圖像壓縮碼流只有1 Mbit/s左右，無法滿足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等具體的要求。廣播電視圖像碼流一般為8 Mbit/s高碼流、高質量的信號節目流對傳輸信道帶寬要求很高，利用COFDM每個子載波可以選擇不同的調制方式，合成后的信道帶寬可以很大程度地滿足8 Mbit/s碼流的傳輸，保障后期廣播電視節目的制作編輯。

在復雜電磁環境中，COFDM具備優異的抗干擾性能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾及信號波形間的干擾性能優越，通過各個子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。在單載波系統中（如數字微波、擴頻微波等），單個衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗，但在多載波COFDM系統中，僅有很小一部分子載波會受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯，確保傳輸的低誤碼率。

3.2 微波傳輸

信號傳輸的方式大致有3種方式:光纖傳輸，微波傳輸，衛星傳輸。由于亳州臺是地市級電視臺，鑒于資金有限，不能實現采用衛星傳輸。但是為確保信號傳輸的不間斷、既經濟、又安全的原則，亳州臺采用以光纖傳輸為主，以微波傳輸為熱備份的原則，無論是平時的信號傳輸還是現場直播中的信號傳輸都是如此。

為確保亳州廣播電視臺節目信號安全、穩定、高效的傳輸，采用COFDM調制方式的微波傳輸系統，實時同步傳輸與光端系統構成熱備份，解決應對外界不可控因素突發事件的問題。采用標準的廣播電視圖像MPEG-2/MPEG-4數字壓縮編碼技術，無線微波通信信道采用糾錯碼技術進行誤碼糾錯技術，大大減小了誤碼率的發生的概率。多載波、多路徑結合空間分集、時間分集提高復雜環境下接收靈敏度即微波圖像傳輸質量。為保障多套節目傳輸的質量，采用COFDM技術中64QAM高速調制，滿足信號傳輸的信道帶寬。

利用現代最先進的編碼復用技術，對電視臺的4套節目信號源編碼成4個單節目TS流，采用安徽現代公司獨有的地址碼加密解析技術，分別對四道單節目TS流進行地址排序加密編碼，通過復用模塊復用成一道多節目MPTS流的ASI信號，ASI信號直接通過COFDM中頻調制成IF信號，經過上變頻器變換成高頻頻率，推送至功率放大器放大發射功率經LNA天線進行空間無線發射[4]。在發射臺較空曠的環境下，架上增益倍數較大頻點相同LNA天線，利用空間分集技術接收無線電磁波合成，經濾波器對雜波過濾處理和低噪聲放大器對信號放大，最后通過微波接收機解調和解碼合成高質量圖像。其系統原理框圖如圖2所示。

模擬電視分路傳輸的視頻及音頻信號基于模擬信號在時間上的連續性這一特點，基本上不存在聲音與畫面的遲滯。進入數字時代后，由于視頻信號和音頻信號的處理方式、傳輸通道方式的不同，使視音頻信號出現不同的延時，產生了聲音與圖像不同步的現象。為有效解決上述問題，設計了一種基于FPGA的多功能視音頻信號轉換系統，該系統在完成主電路、控制電路和外圍接口電路設計的基礎上，采用軟件編程，將數字音頻信號嵌入到SDI視頻信號中，實現了視音頻信號同路傳輸，在實際應用中取得良好的效果。

數字廣播是指將數字化了的音頻信號、視頻信號以及各種數據信號在數字狀態下進行各種編碼、調制、傳遞等處理[5-6]。同時，數字廣播也是一項有別于傳統所熟知的AM和FM的廣播技術，它通過地面發射站，以發射數字信號來達到廣播以及數據資訊傳輸目的。隨著技術的發展，數字廣播除了傳統意義上僅傳輸音頻信號外，還可以傳送包括音頻、視頻、數據、文字、圖形等在內的多媒體信號。就世界范圍看，數字廣播已經進入了數字多媒體廣播的時代，受眾通過手機、計算機、便攜式接收終端、車載接收終端等多種接收裝置，就可以收看到豐富多彩的數字多媒體節目。PID4路編碼復用器是一種集編碼器，復用器于一體，且易于使用，功能強大的MPEG-2/MPEG-4編碼器。強大的圖像預處理能力，能最大限度的去掉冗余信息。壓縮數據輸出格式為ASI，支持MP2，AC3，ACC多種音頻格式，完全符合MPEG-2/MPEG-4的ISO標準。多種圖像高寬比（含4∶3，16∶9）設置，滿足各種畫面需求，具有極強的兼容性。其體積為1U機箱，通過前面板液晶顯示可實現完全脫機設置和運行。

上變頻器是將較低頻率變換成較高頻率的變頻器，是一種小信號，然后進行功率放大，用于低噪聲接收。在通信設備中，它一般用作發送混頻器，將發送端已調好的中頻信號和發送本振信號一起送給上變頻器，以輸出發送的微波信號。

為保障亳州廣播電視臺日常工作的有序開展，選用高質量、高性能、高指標的設備為依據，亳州臺進行了大量研究調查工作，最終選擇市場比較好的幾家，進行設備的試用。在試用階段亳州臺總結出微波系統關鍵點的技術:1）根據當地的實際環境測量出干凈的頻率資源；2）設備體積、重量滿足方便快速安裝、防雷防水；3）信號在經過編解碼處理時要安全穩定。微波設備頻點的選擇很重要，一定根據本地實際頻點資源，測試出受電磁波、等壓電離子波等雜波影響較小的頻率波段，原則上采用500～800 MHz的UFH頻段，因為在這個頻段中COFDM調制方式微波可以把8 Mbit/s帶寬信號通道內的電視信號，傳輸過程表現更加優越的“繞射”和“穿透”能力。電視信號在編碼時一定采用性能指標好的編碼器（采用進口編碼器），既能降低圖像在編碼時產生的誤碼，也能降低圖像傳輸的延時。設備體積要符合廣電標準機箱的同時具備防水防雷等技術指標。

3.3 低噪聲放大器

低噪聲放大器是COFDM調制方式微波傳輸接收系統最重要的環節，它直接與接收端的天饋相連，與接收信源的噪聲和信噪比有著極為密切關系。信號在信道中傳輸除了信號損耗和衰減之外，信號噪聲干擾對信號傳輸抑制起到重要作用。信號噪聲干擾的原因比較多，其中電子元器件在工作時引發的噪聲影響最大，在微波信號移動傳輸時噪聲干擾會降低接收信號的靈敏度。在微波發射功率相同時，噪聲干擾會縮短傳輸距離，同時圖像質量也會變差。微波傳輸時采用低噪聲放大器對降低噪聲系數有重要作用。低噪聲放大器是一個多級放大器對弱信號有放大作用，采用高性能低噪管降低噪聲系數。低噪聲放大器主要由低噪聲管、放大管、限幅組件、檢波電路、限幅運算電路等組成。采用增益較大、噪聲系數較小、溫度范圍控制較大的低噪聲放大器提高了微波傳輸距離、圖像質量。

4 小結

現代廣播電視技術的發展，利用數字微波傳輸系統，解決電視節目傳輸的時效性、易維護性、安全性，彌補了環境比較復雜下電視信號光纖無法傳輸的盲點。未來隨著微波通信技術的發展，將為廣播電視領域信號傳輸直播提供更有力的保障，同時也會為亳州市打造現代化數字通信城市提供堅強的基礎。

[1]馮景鋒，劉飛，全子一.數字電視地面傳輸系統中的OFDM/COFDM技術[J].電視技術，2004，28（4）:23-25.

[2]李秋旻.COFDM在電視轉播車的應用[J].現代電視技術，2005，（5）:68-70.

[3]楊勇，高斌.COFDM在移動數字微波中的應用[J].現代電視技術，2004（2）:101-102.

[4]商慶華，于忠輝，周春雷，等.音頻嵌入SDI的FPGA實現[J].哈爾濱理工大學學報，2010（1）:15-18.

[5]陳峰.淺談數字廣播技術的特點及其應用[J].電聲技術，2008，32（7）:84-87.

[6]張光華，門愛東.關于中國數字聲音廣播的討論[J].電聲技術，2011，35（8）:69-72.