數字電視測量實驗的探索與設計

李 欣，趙忠山

(南京郵電大學，江蘇 南京 210003)

數字電視是指從演播室到發射、傳輸、接收的所有環節都使用數字電視信號的電視類型，與模擬電視相對。目前各級電視臺基本已實現數字化的改造，因而對于數字電視系統的建設維護有一個巨大的人才需求市場。

作為以通信和信號處理為主要發展方向的南京郵電大學，在新時期，開設有廣播電視工程專業，為數字電視系統培養專業的人才。該專業開設有如數字電視原理、電視節目制作與播出、電視傳輸與組網等理論課程，由于缺乏實際環境，在教學過程中偏重于理論知識，影響了學生對數字電視系統的認識，從而影響整體的教學效果。

自2005年起，南京郵電大學在數字電視實驗室的建設上做了大量投入，購置了數字電視測量的主要設備:電視信號綜合測量儀VM700T、矢量頻譜分析儀N9020A(DVB套件)、光功率計等。2007年和2011年又分別申請了中央與地方共建實驗室建設經費，進一步完善了數字測量的相關儀器設備，建設了數字電視有線傳輸實驗室、數字電視移動傳輸實驗室。

1 數字電視實驗系統的基本結構

數字電視系統主要分為前端、信道傳輸網絡和終端三大部分［1］。數字電視前端主要完成數字電視信號采集、數字電視信號處理和數字電視傳輸信道編碼。目前主要的數字電視信道傳輸網絡可分為衛星廣播、有線寬帶網和地面無線傳輸，作為廣播信道主要為單向傳輸，但數字電視特別是有線寬帶網絡目前已實現雙向傳輸。終端部分主要采用的是機頂盒加電視顯示器的方式。

數字電視廣播系統的構成如圖1所示。

圖1 數字電視廣播系統構成示意圖

完整的數字電視實驗系統環境需要符合數字電視系統相關的國際、國內和行業標準。在數字電視實驗系統環境中，學生可以對數字電視信號產生、音視頻技術處理、數字電視傳輸標準、數字電視傳輸信道處理、數字調制技術、電視機頂盒、電視顯示器等有系統的認識，增強學生對相應方面理論知識的理解與實際能力鍛煉。

2 數字電視測量實驗的設計

數字電視測量實驗是利用一系列的視頻測量儀器對數字電視系統各階段的信號進行測量分析［2］。根據學生理論課程的設置及實驗室建設的已有條件，對數字電視測量實驗設計如下。

2.1 數字電視模擬域基本參數測量

目前實際的數字電視系統中由于一些原因還沒有實現全數字化，特別是在接收端，很多家庭采用的仍然是機頂盒加模擬電視接收機的模式，因而對于模擬域的一些線性失真和非線性失真參數仍需監控。

主要使用的儀器設備包括:Tektronix PSG－273 PAL模擬電視信號發生器和Tektronix VM700T電視信號綜合測量儀。該實驗由模擬電視信號發生器產生各測試信號，經視頻測試通道后，學生可用VM700T對視頻通道的幅頻、群時延特性、色－亮不等性等線性失真參數，以及亮度、色度非線性失真，DG，DP等非線性失真參數進行測量［3］。

通過實驗，可以幫助學生建立《電視原理》課程中模擬電視信號結構的直觀認識，理解模擬電視信道的頻率響應特性，以及模擬電視信號中亮度、色度信號之間的組合關系及其在信道傳輸中的相互影響。

2.2 基帶串行數字電視SDI信號測量

數字電視信號一般可在單芯同軸電纜中進行串行傳輸，由于數據率相對較高，要想在接收端可靠地恢復，信號應當在發送前予以整形，確保信號有良好的邊沿，從而可靠地恢復時鐘。被發送信號的低頻分量應當最小，能量頻譜得以展開，這樣才可確保后續RF傳輸問題最少。

主要使用的儀器設備包括:Tektronix TG700TV數字電視信號發生器和Tektronix VM700T電視信號綜合測量儀。該實驗采用的是數字電視信號發生器，經視頻測試通道后，可在VM700T上看到相應數字電視SDI信號的結構，并進行眼圖測試［4］。

通過實驗，可以看到《數字電視原理》課程中介紹的數字化傳輸的信號特征，并通過眼圖的測量對數字基帶信號傳輸中的模擬特征如信號電平、抖動等問題有直觀的認識。可以幫助學生理解模擬電視信號、數字電視信號、數字(模擬)電視傳輸信號之間的區別與聯系。

2.3 MPEG－2 TS 傳輸碼流分析測量

數字電視傳輸與模擬傳輸的最大區別在于不是隨著傳輸距離的增加漸近劣化，而是會有某個“崩潰”閾值點，因而僅依靠電視墻來檢測其播出內容的“可見損傷”是遠遠不夠的。為了保障傳輸的安全可靠，則需進行MPEG－2傳輸碼流質量的監測和故障診斷。

實驗室配備的測量儀器為:Tektronix公司的MPEG－2碼流分析儀AD954，可對MPEG－2碼流進行實時分析。在實驗過程中，為了方便學生自己操作，主要使用的是碼流分析軟件進行DVB傳輸流的離線分析實驗，測試軟件包括:MPEG－2 TS Packet Analyser碼流分析軟件和Stream GURU MPEG Analyzer MPEG分析軟件。數字電視系統經過信源編碼后，需打包復用成TS流再進入信道中傳送，在接收端通過對TS碼流的節目特定信息(PSI)與業務信息(SI)的監測分析，可以確保節目安全有效地按計劃播出。

通過實驗，幫助學生掌握《數字電視原理》課程中學習到的數字電視中的碼流復用原理，以及業務信息相關細節。業務信息是數字電視廣播系統向接收設備傳遞與業務相關的信息，引導接收機在數字電視傳送流中搜尋節目，它是構成電子節目指南(EPG)所必需的數據。

2.4 數字衛星電視射頻信號測量

數字電視衛星傳輸由其覆蓋面廣、信號質量高、帶寬資源豐富等優點已成為各電視臺間長途傳輸數字電視信號的主要方式，對于一些偏遠地區，直播衛星到戶的方式也成為這些地區居民逐漸走入數字電視時代可靠的傳輸手段［5］。

構建數字衛星電視接收部分的主要設備包括:衛星接收天線、高頻頭、數字衛星電視接收機。測試主要儀器為:Agilent MXA N9020A信號分析儀。在信號分析儀中選擇特定頻道如中心頻率、符號率、極化方式等基本參數，接收對應的射頻信號。通過分析儀可觀測QPSK星座圖接收情況，并測量出誤差矢量幅度(EVM)，調制誤差比(MER)以及信噪比(SNR)等指標。

通過實驗，學生可直觀地理解《電視傳輸與組網技術》課程中學習的QPSK調制技術，特別是信號星座點的概念，以及由星座圖測量的基本參數指標。

2.5 數字有線電視射頻信號測量

數字有線電視是我國數字電視的主要傳輸方式，因而對有線數字電視的傳輸監控有著極其重要的現實意義［5］。

構建數字有線電視發送和接收部分的主要設備包括調制器、混頻器、光發射機、光接收機、數字有線電視機頂盒等。測試儀器仍然選用:Agilent MXA N9020A信號分析儀。同樣設定中心頻率、符號率等基本參數，接收對應的射頻信號，通過分析儀觀察64QAM星座圖接收情況，并由星座圖測量EVM、MER、SNR等指標。數字有線電視射頻信號的測量與數字衛星電視射頻信號的測量方法、指標基本一致，因而需注意觀察2種傳輸方式的一些基本參數的差別，以及信號質量的區別。

通過2個實驗的對比，可以幫助學生理解《電視傳輸與組網技術》課程中學習到的各種傳輸方式的傳輸特點的區別，以及設定不同信道處理步驟的原因。

2.6 數字地面電視射頻信號測量

數字地面電視廣播是信道環境最為復雜的傳輸方式，因而對該傳輸方式各項參數指標的監控尤為重要。地面廣播是標準最不統一的一種傳輸方式，各個國家和地區選用不同的信道處理及調制方式，作為教學機構，可根據實驗室已有條件選擇某一標準。

本實驗室選擇了基于CMMB的系統，包括:CMMB信號發生器T5000、CMMB信道綜合測量儀和CMMB信號接收測量儀。可通過藍拓撲的CMMB信道綜合測量儀做CMMB射頻信號指標的測試，通過CMMB信號接收測量儀做CMMB碼流信號的分析和測試。

數字地面廣播涉及到移動的無線通信，因而多徑干擾是信道處理過程中主要面臨的問題。地面廣播傳輸標準主要分為單載波和多載波兩大類，本實驗選擇的多載波系統，可幫助學生理解《電視傳輸與組網技術》課程中多載波對抗多徑干擾的相關原理。

3 總結

本文主要討論的是數字電視系統中對各部分信號的測量實驗，這部分實驗有著較好的理論和現實意義。一方面，數字電視測量實驗有著良好的教學意義。學生在其他的課程學習中對數字電視信號的處理及傳輸流程有概念性的了解，但對實際信號的特征、電視信號與最終顯示的圖像之間的聯系都缺乏直觀的認識，通過電視測量實驗可以幫助學生建立課本與實際的聯系。另一方面，數字電視測量實驗有著顯著的實用價值。廣播電視教育，旨在培養數字電視系統建設維護人才，因而數字電視測量實驗對于學生適應以后工作崗位有著積極作用。

當然，整個數字電視系統的實驗不僅僅是這部分測量實驗［6］，還有信源壓縮編碼、非線性編輯、信道傳輸等部分的實驗，這些實驗可與對應的理論課程配合開出。文中列出的測量實驗也僅是根據實驗室已有設備設計的幾類典型實驗，在未來實驗室條件進一步優化過程中，可對這部分實驗做補充和修改。

［1］盧官明，宗昉.數字電視原理［M］.2版.北京:機械工業出版社，2009.

［2］陳善移.數字視頻測量應用技術:基本篇［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［3］章文輝，王世平.數字視頻測量技術［M］.北京:北京廣播學院出版社，2003.

［4］余兆明，余智，李欣.數字電視測量［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［5］余兆明，余智.數字電視傳輸與組網［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［6］魯業頻，任玲芝，蔣全勝.數字電視實踐中若干問題之思考［J］.電視技術，2010，34(12):15－17.