數字微波傳輸與模擬微波傳輸的比較及改造

【摘要】廣播電視的數字化對改善圖像清晰度、圖像傳輸質量、增加節目套數起著非常重要的作用。更為重要的是，它能夠很方便地構筑視頻、音頻、圖像、文字、數據為一體的綜合網絡平臺，達到多媒體綜合信息服務的目的。

【關鍵詞】數字微波；模擬微波；比較改造

廣播電視的數字化包含數字終端設備（如電視機等）和數字信息傳輸設備（如光纖傳輸、衛星傳輸、地面微波傳輸等設備）。MMDS因其投入小、見效快等特點被縣級臺廣泛用作過渡傳輸手段，有限的頻率資源、傳輸距離、圖像質量、加擾手段等實際已無法適應廣播電視大容量、高清晰度、遠距離傳輸的需要。數字技術為有線電視的發展提供了無限廣闊的空間。因此對現有微波設備進行數字化改造勢在必行。

1.廣播電視數字化傳輸的優點

1.1 頻道利用率高

數字壓縮技術是將模擬信號經過抽樣、量化，變成數字信號（即模擬/數字轉換），再經取樣壓縮編碼，驅除信號冗余度，以一定的壓縮比將信號頻帶壓窄，將其調制到載波上，這樣就提高了頻譜的利用率。接收則以相反的過程進行：接收、解調、解碼、數字/模擬轉換，視頻處理后還原成視頻信號。國際上目前主要有兩種數字壓縮傳輸標準比較流行，即MPEG-1和MPEG-2。廣播電視系統一般采用MPEG-2標準，它可以將速率為200Mbit/s的數字視頻信號壓縮到15～15Mbit/s。在這種標準下，如果對壓縮信號采用64QAM調制方式，則CATV在每個8MHz帶寬的模擬電視頻道內能傳送的碼率為37Mbit/s，扣除FEC等因素占用的碼率，凈速率>32Mbit/s。如果每個頻道平均速率為4～2Mbit/s，則一個8MHz模擬電視頻道就可同時傳輸8～16套電視節目，10個模擬頻道就能傳輸80～160套電視節目。省干線上的模擬微波均屬于調頻（FM）模擬微波，每套電視節目占有的帶寬為f0±10MHz。實際系統設備帶寬為34MHz，如果壓縮編碼信號采用QPSK調制和相干解調方式，則中容量480路數字微波傳輸系統速率34*368Mbit/s，它所要求的微波通道傳輸帶寬為f0±8.5MHz。實際系統設備帶寬也為34MHz，如果每個電視頻道平均速率為8Mbit/s，則省干線上一個模擬頻道就至少可以同時傳輸4套高質量的節目。由此可知，廣播電視數字化后可以成倍甚至成十倍地增加頻道的利用率。

1.2 接收門限電平低、傳輸距離遠

原廣電部GY/T106-1999標準中提出了有線電視廣播系統技術規范，下行模擬傳輸系統要求載噪比C/N≥43dB。歐廣聯（EBU）給出了圖像信號的5級評分標準，若要達到4級以上的良好質量，則要求信噪比S/N≥36+6dB。在模擬信號的傳輸中，為防止信號的衰落，必須有6dB的衰落儲備量，因此模擬調幅微波傳輸鏈路中系統設計的載噪比C/N必須≥49dB。在模擬調頻微波傳輸鏈路中，由于S/N存在18dB調頻改善系數，所以C/N≥31dB就夠了。

同樣的模擬鏈路，如果采用數字壓縮編碼方式，中頻調制器采用64QAM正交幅度調制，在留有6dB儲備量之后，只需C/N≥28dB就能得到DVD的圖像質量。

若采用QPSK相移鍵控調制，則只需C/N≥18dB就可以得到高質量的圖像質量。模擬調幅（AM）微波與64QAM調制數字微波相比，門限下降了約20dB；模擬調頻（FM）微波與QPSK調制數字微波相比，也相差約10dB。從上述分析不難得出數字微波比模擬微波傳輸距離遠的結論。如果原設計模擬MMDS微波傳輸距離為40km，在同樣的有效發射功率、同樣的天饋、同樣的路由前提下，采用數字MMDS微波傳輸后，就能輕易地覆蓋100km以上的距離。這樣的覆蓋范圍對一個縣來說已足夠。

1.3 圖像質量好，抗干擾能力強

由于采用了數字濾波、數字存儲及再生中繼技術，排除了噪聲和失真積累的影響，改善了圖像的信噪比，徹底消除了亮度干擾。接收機的載噪比C/N在門限值以上時，幾乎可以得到無損傷的還原，雖經多級中繼、轉發也不會降低圖像質量，因此數字電視傳輸的圖像質量遠遠高于模擬電視傳輸的圖像質量。

2.數字載波調制方式的比較

前面提到的QPSK和64QAM都是數字信號的載波調制方式。基本的數字載波調制方式有3種，即振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK）。QPSK屬于相移鍵控，也叫正交移相鍵控或4相調制。64QAM屬于振幅相位聯合鍵控，也叫多電平正交振幅調制。經理論分析證明：在抗噪聲性能上，PSK最好，FSK次之，ASK最差。在占據頻譜寬度上，ASK和PSK相同，FSK是ASK的幾倍。

經過比較，得出這樣的結論：從抗噪聲性能和提高信道帶寬利用率的角度來看，相移鍵控是數字載波調制方式中最優越的一種，在省干線上，多跳調頻模擬微波的改造用QPSK移相鍵控調制方式最合適。

64QAM是振幅相位聯合鍵控，頻帶利用率最高，是一種高效率的數字微波方式，但它的抗干擾能力比QPSK差，64QAM特別適用于數字MMDS及微波傳輸跳數不多的模擬微波改造上。

3.干線微波的數字改造

3.1 調頻模擬微波和數字微波收發信設備的比較

1）工作原理相同。模擬和數字微波都采用70MHz中頻調制器，進行上變頻至微波頻率，再進行微波傳輸，只是模擬微波設備在發信中頻調制后有一級限幅中放，而數字微波沒有限幅中放這一級，其他部分的工作原理是一樣的。

2）傳輸帶寬相同。現有模擬微波傳輸一套電視節目占有的帶寬為f0±17MHz，而小容量數字微波傳輸34Mbit/s速率的信號，當中頻采用QPSK調制和同步相干解調方式時，它所要求的微波通道傳輸帶寬實際上也是f0±17MHz，因此兩者的傳輸帶寬要求是相同的。

3）模擬微波系統通道的部分傳輸性能指標，如幅頻群時延指標等均高于數字微波傳輸系統通道性能要求，這無疑地減輕了模擬微波改數字微波的壓力。

4）現在的模擬微波器件都是全固態化的，FET場效應器件、線性放大器等代替了過去的行波管、高壓盤，為模擬微波改數字微波鋪平了道路。

3.2 需要解決的幾個問題

1）頻率穩定度的問題

模擬微波傳輸信號采用中頻調頻調制，變頻用的本振采用微波介質穩頻振蕩器，其頻率穩定度只能達10-4數量級。數字微波傳輸系統傳輸電視信號采用中頻數字調制，經過數字壓縮后的多套電視數字信號復接后對中頻進行QPSK調制，上變頻到微波頻率進行傳輸。它要求微波發信機線性指標高，微波本振源的頻率穩定度較高，不能低于10的-6次冪數量級，一般采用介質穩頻加鎖相穩頻雙重技術進行穩頻，以達到這一要求。

2）相位噪聲問題

模擬微波采用調頻方式傳輸，對系統相位噪聲要求不高，而數字微波采用QPSK調制和相干解調方式，傳輸數字壓縮電視信號，因此要求系統的相位噪聲低于-70dBc/Hz。在模擬微波系統中，即使各站本振源分別達到了這個要求，但由于各微波站中頻轉接，并且經過多次中繼后相位噪聲疊加，只有將傳輸設備的相位噪聲降低到-95dBc/Hz以下，整個系統才能滿足這一要求。

3）線性功放問題

調頻模擬微波的功放工作在非線性區，在早期發射機變頻器的前端還要增加一個限幅放大器。數字調相（QPSK）微波要求三階交調抑制>20dB，因此要求功放必須是線性放大器。

所以微波功放的線性度問題、微波頻率穩定度問題及系統的相位噪聲問題一解決，數字化改造就基本成功了。

以上分析證明，模擬微波設備進行數字化改造不僅在理論上是可行的，在實踐上也是可行的。如遼寧省葫蘆島市廣電局等單位在國內率先進行了模擬微波改數字微波的嘗試，開了一個好頭。