基帶同步調制離散性分析及射頻同步應用研究

呂文娟，劉衛忠，馮卓明

(華中科技大學 光學與電子信息學院電子系，湖北 武漢 430074)

基帶同步調制離散性分析及射頻同步應用研究

呂文娟，劉衛忠，馮卓明

(華中科技大學 光學與電子信息學院電子系，湖北 武漢 430074)

目前基于多載波調制技術的地面數字電視單頻網，采用基帶碼流分配方式保證數據接收的可靠性，但存在調制離散性，長時延多徑等產生的同頻干擾問題。而基于射頻分發產生的射頻同步技術(RFST)為有效解決這些問題提供新的組網方案。通過對現有基帶同步的調制離散性分析，得出調制誤差率不一致對接收信號誤碼率的影響結果，并與采用RFST技術的單頻網系統方案進行比較。理論推導表明，RFST技術保證各發射站點發射信號頻譜特性一致。而仿真結果和實驗網測試結果表明，RFST技術有效降低誤碼率，因此此中、小功率覆蓋的方式可為小區域覆蓋提供了更優性能的組網方案。

調制離散性；RFST；地面數字電視；單頻網

1 地面數字電視廣播單頻網

地面電視的數字化使得構建地面數字電視廣播單頻網(Single Frequency Network，SFN)成為可能。單頻網中若干個發射機在相同時間點上以同一頻率發送相同的無線信號，實現一定服務區域內的可靠覆蓋[1]，具有頻譜利用率高、覆蓋質量好、降低發射機功率等特點。然而發射機的嚴格同步對傳輸分配網絡也提出了相應的要求。目前單頻網實現方式普遍采用基帶同步方式，即各基站分別對接收的基帶碼流進行調制并同步發射，屬于傳輸碼流的數字分配。如圖1所示。

圖1 基帶同步碼流分配單頻網系統

上述組網方式針對覆蓋面積較小的區域，通常采用單點大功率發射站可完成基本覆蓋要求，多點小功率發射站進行補點覆蓋盲區。該方案中，單點大功率的發射導致覆蓋盲區較多，信號覆蓋不均勻使得覆蓋盲區的站點建設尤為重要，在滿足補點覆蓋的要求下同時需要避免盲目建站帶來的投資浪費。因此其網絡優化相對復雜，且大功率的發射更容易造成同頻干擾。

地面數字電視SFN組網要求各發射站點發射的射頻信號具有嚴格的時間、頻率和比特同步。本文針對基帶同步方式可能存在的調制離散性誤差，分析其關鍵指標調制誤差率及誤碼率，并提出一種采用射頻同步方式且更適合較小覆蓋區域的組網方案。

2 基帶同步的調制離散性

由圖1可見，同一TS數據流通過傳輸網絡傳送到各發射站點，由于各激勵器之間調制的非線性，經過數字電視激勵器和功率放大發射的射頻已調波信號，存在著調制離散性誤差。

輸出信號頻譜特性的差異可能導致接收機中同頻干擾的產生。對于模擬電視信號，同頻干擾將導致電視機畫面出現水波紋和網紋狀。數字電視信號由于其較強的糾錯編碼和抗干擾能力在一定程度上保證了減少了射頻已調波頻譜的多徑效應。但在多重信號的覆蓋區域，若超過OFDM保護間隔的信號間場強差不大，同樣會造成同頻干擾[2]。因此，基帶同步方式容易存在同頻干擾。

2.1 MER與SNR的等效關系

正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)技術在地面數字電視信號傳輸信道中，可能引入包括IQ幅度不平衡、IQ正交不平衡、高斯噪聲、載波泄漏、相位噪聲等失真與干擾[3]。工程上，調制誤差率(Modulation Error Ratio， MER)是衡量數字電視系統的重要標準，反映數字電視信號經傳輸后的損傷程度。MER的惡化是傳輸網絡質量惡化的最主要因素。

根據QAM調制機制，經過信道編碼的數字電視信號TS碼流被QAM調制器分成I、Q兩路信號，相位相差90°。碼流中的每一個符號對應IQ平面上的一個點，設接收理想符號的數據點坐標為(I，Q)，則相應實際接收數據點的坐標為(I+ΔI，Q+ΔQ)，其中ΔI和ΔQ代表該符號理想位置(判決

區域中心)和實際接收點位置的距離。MER定義為數字電視信號的理想符號功率與噪聲功率之比

(1)

由上述MER定義表達式可推導出當加性高斯噪聲(Additive White Gaussian Noise， AWGN)是造成QAM調制器的失真的原因時，MER與信號噪聲功率比(Signal Noise Ratio，SNR)等效。信噪比SNR是衡量系統性能的關鍵指標，而在數字電視廣播系統中，引起失真的原因種類多樣，無法直接測量，因此在工程中通常使用調制誤差率測試儀器測量MER值反映信號質量，替代SNR的系統性能指標作用。

以DVB-T系統為例，針對單點收發的地面數字電視傳輸鏈路MATLAB模型如圖2所示，其中Data source為188 byte一幀的隨機數字序列，經過標準的信道編碼、64QAM和OFDM調制后被接收機解調解碼。將信號噪聲功率比SNR設置為 0～20 dB 以1 dB步進增長，測得MER隨SNR變化的數據曲線圖如圖3所示。

由數據結果推導該曲線近似滿足下式

MER=(SNR+1.359)(dB)

(2)

驗證了僅存在高斯噪聲的情況下，MER值可等效為SNR，且通過設置SNR值來對MER進行改變，便于后續仿真分析。

圖2 數字電視信號單點發射傳輸鏈路模型

圖3 MER隨SNR增長呈近似線性關系圖

2.2 調制離散性對信號接收性能的影響

在基帶同步方式中，A、B基站發射的RF信號存在二者MER不一致，即存在調制度誤差的情況，從而影響接收信號的質量。仍以DVB-T系統為例，其地面數字電視廣播單頻網的雙發射站MATLAB仿真模型如圖4所示。其中Data source為188 byte一幀的隨機數字序列，在各發射站點完成標準的信道編碼、64QAM和OFDM調制后，經過傳輸信道被接收機接收并解調解碼，將還原信號與原始信號進行誤碼率(Bit Error Ratio，BER)計算。

為分析經過發射機中激勵器調制后發射站間調制度誤差對接收信號質量的影響，可通過設置兩站輸出信號的SNR值不同，來實現MER的不一致。當A、B兩發射站不存在調制度誤差，即保證兩站發射信號MER相同，其接收信號BER隨發射信號MER的增長如同4中的100%MER曲線所示。當考慮A、B兩發射站存在調制度誤差時，設置B站發射信號MER相對A站分別劣化1%，5%和10%，得到接收信號BER隨A站標準MER的增長變化如圖5中的曲線所示。觀測保證低誤碼率即MER=15 dB左右的曲線可知，當發射信號MER劣化1%時，仿真中需要將MER提高0.2 dB才能保證近10-3的低誤碼率接收效果，而劣化5%時則需要提高 0.5 dB 保證低誤碼率。根據仿真結果，保證低誤碼率時，兩發射站MER一致可提高接收信號BER，劣化越明顯，信號質量提高越明顯。

圖4 調制離散性分析仿真模型

圖5 MER的劣化程度與BER的關系

而隨著A、B兩發射信號的調制離散性誤差ΔMER增大，接收信號BER劣化程度如圖6所示。根據仿真結果可得，在保證低誤碼率10-3時，當1個發射站的射頻信號MER劣化 1 dB， 其誤碼率降低近1倍，且調制離散性ΔMER越大，誤碼率增長越快。

圖6 BER隨ΔMER的變化曲線圖

這里需要特別提到的是，我國發射機的標準要求其輸出的射頻信號MER值不小于32 dB，激勵器輸出不小于 36 dB[4]， 與上述仿真的MER設置值相差甚遠。因為在實際工程中，發射站臺激勵器除調制器外還包括功率放大等模塊，存在的線性失真和非線性失真種類繁多，因此相應對發射機MER值的要求也要大幅提高。

3 射頻同步技術RFST

針對基帶同步中，發射信號MER的不一致導致誤碼率增加，從而提高接收門限，最終影響接收信號性能的問題。而基于射頻同步技術(RF Synchronization Technology， RFST)的地面數字電視廣播單頻組網方案，則采用射頻信號集中產生方式，將集中調制后的射頻已調波信號分發至各基站，各基站進行射頻同步延時處理后同頻發射。系統框圖如圖7所示。

圖7 射頻同步地面數字電視單頻網系統

該系統節目分配網絡是各基站接收同一數字電視激勵器(主站)分發的射頻已調波信號，并以同一頻率發射出去，保證各基站信號交疊區的接收信號頻譜特性一致，即MER一致。而各基站經過數字存儲延時，預失真線性等處理，保證時間同步。因此，該方案滿足SFN組網要求。射頻分發可以多點中小功率寬帶發射機協同工作，降低發射功率，實現均勻的信號覆蓋，減少同頻干擾和覆蓋成本。

3.1 射頻拷貝傳輸技術

射頻同步方式中，射頻同步需要保證A，B基站發射的RF信號調制度一致，頻譜特性一致。射頻拷貝技術原理圖如圖8所示。

圖8 射頻拷貝技術原理框圖

射頻已調信號Sm(t)經上變頻器混頻后，得到混頻產物S1(t)和可能存在的載波泄漏。其中S1(t)包含上下兩邊帶

S1(t)=Sm(t)×cos[ωct+θc(t)]=

Sm(t){cosωct×cosθc(t)-sinωct×sinθc(t)}=

(3)

濾除下邊帶后，兩接收端信號包含泄漏載波分量和上邊帶分量

S2(t)=A·cos[ωct+θc(t)]+

B·Sm(t)ejωct(cosθc(t)+jsinθc(t))

(4)

利用泄漏載波分量與上邊帶分量得到的混頻產物包括一系列高頻信號和中頻信號IFout。經低通濾波器后得到中頻信號。其中

Sm(t)ejωct(cosθc(t)+jsinθc(t))=

(5)

由式(5)推導結果可知，在本振信號保證同頻同相下，IFout與主站射頻已調信號Sm(t)頻譜特性一致。

3.2 數字射頻同步處理

信號接收時間不一致，頻率偏移和數據差錯是導致單頻網系統性能差的重要因素[5]。射頻拷貝處理過程保證了兩基站接收信號的頻譜特性相同，即同頻同比特，在各基站僅需完成RF信號的時間同步。利用雷達電子對抗領域的數字射頻存儲(Digital Radio Frequency Memory， DRFM)技術，在發射端進行數字電視射頻信號的精密存儲延時和無失真傳輸。

接收端接收兩基站發射的RF信號是否存在時差取決于發射機時刻偏移和與接收端的相對位置。時刻偏移是指碼流信號經節目分配網絡到達各發射站時的時刻差異，其確定可根據如GPS接收提供的時間信息。設A、B發射站接收同一數字電視激勵器發射RF信號的時刻為：Ta，Tb。而根據收發端地理位置、環境和發射功率等參數確定的延時固定為Da，Db。數字射頻同步延時處理是將RF信號數字下變頻到中頻信號，經過DSP存儲延時處理，增加各自時延再轉換為RF信號發射出去，增加的延時保證接收端接收信號的時刻一致。

當A、B兩發射站使用射頻同步方式時，理論上不存在調制度誤差，即保證兩站MER保證相同，其BER隨MER的變化如圖5中的100%MER曲線所示。

3.3 射頻同步實驗網

為評估射頻同步技術應用在數字電視廣播單頻組網覆蓋中的實際效果，本試驗網分別以傳統基帶碼流分配方式和射頻集中分發技術構建CMMB單頻網，并采用移動路測手段，對兩種工作方式的實際覆蓋效果，進行評估比較。在試驗網中，同頻發射臺站距離為38 km，場強差小于8 dB的區域，絕大多數地區落在51.2 μs的雙曲線保護間隔以內，符合單頻網組網覆蓋要求。以光纖構建節目分配網絡為例，在該網中選取東西向線路移動接收相同測試數據的接收效果如表1所示。表中LDPC誤塊率和RS誤塊率記錄落在0～0.02的次數，信噪比錄入高于15 dB的次數，功率電平錄入低于 -60 dB 的次數。

表1 基帶同步與射頻同步試驗網接收效果比較次數

由表1可見，盡管信噪比劣化，但射頻同步的誤碼率明顯低于基帶同步，最小接收功率電平更低，證明其靈敏度更高。根據路測儀記錄顯示，在兩發射臺的覆蓋的8 dB相干區域內，傳統單頻網方式存在誤塊率。CMMB接收機偶然出現馬賽克或停頓現象。而由光纖構建的已調波同頻譜組網模式，在整個路測過程中，路測儀未顯示明顯誤塊率，CMMB接收機圖像始終流暢，未出現過馬賽克和畫面停頓。

4 總結

射頻同步分配方式保證各發射站點發射信號頻譜特性一致，接收時間一致，從而在不產生同頻干擾的前提下提高接收信號質量，解決基帶同步碼流分配方式中因調制度離散性而產生的誤碼率增加。該技術為較小覆蓋區域的地面數字電視廣播系統單頻網提供了更優的組網方案，特別針對山區復雜地形和城市多建筑遮擋的環境。在減省數字激勵器等設備的同時降低建網工程復雜度和成本，降低發射功率以提升覆蓋效果和信號質量。當然該方案的關鍵還在于射頻延時處理器的精準度，配合GPS、北斗等衛星系統提供的基準時間頻率，也是不難實現的。

[1] 楊知行，王軍，王昭誠，等. 數字電視傳輸技術[M]. 北京：電子工業出版社，2011.

[2] PENTTINEN J. SFN gain simulations in non-interfered and interfered SFN network[J]. International Journal on Advances in Internet Technology， 2009， 2(1)： 115-134.

[3] 高濱，龔波，程偉. 數字電視QAM調制器關鍵參數測量的深入探討[J]. 廣播與電視技術， 2005， 32(1)： 87-90.

[4] GY/T 229.4—2008，地面數字電視廣播激勵器技術要求和測量方法[S].2008.

[5] MATTSSON A. Single frequency networks in DTV[J]. IEEE Trans. Broadcasting，2005，51(4)：413-422.

責任編輯：時 雯

Research on Performance Analysis of Base-band Synchronization and Comparison with RFST

Lü Wenjuan，LIU Weizhong，FENG Zhuoming

(DepartmentofElectronics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Single Frequency Network (SFN)of territorial digital TV，utilizing multi-carrier modulation，is usually based on base-band TS stream distribution to ensure the data reliability， but it still has problems on modulation discreteness， co-channel interference caused by long delay time. Radio Frequency Synchronization Technology (RFST) can solve these problem based on RF signal distribution. The relationships between modulation discreteness and BERs of base-band synchronization is analyzed and the results to RFST are compared. With results from theoretical derivation，simulink tests and trial project network prove that RFST offers a more excellent networking scheme of the small area coverage for Digital Video Broadcasting-Territorial (DVB-T)，by ensuring the identical spectral characteristics of RF signals from different stations and reducing BER.

modulation discreteness；radio frequency synchronization technology； DVB-T；single frequency network

【本文獻信息】呂文娟，劉衛忠，馮卓明.基帶同步調制離散性分析及射頻同步應用研究[J].電視技術,2015，39(11).

國家自然科學基金項目(60902006)；華中科技大學科學研究基金項目(2012QN152)

TP949

A

10.16280/j.videoe.2015.11.021

2014-12-15