數字地面電視發射機激勵器的淺析

郭躍龍

摘 要：隨著數字技術的快速發展，數字地面電視的技術發展也日臻完善。激勵器是數字電視發射機的核心，本文分析了數字地面電視（DVB-T）發射機激勵器的工作原理與技術特點。

關鍵詞：COFDM；數字預校正；復用

中圖分類號：TN948.53 文獻標識碼：A

數字電視發射機激勵器的工作原理與傳統模擬發射機激勵器不同，它輸入的不是普通的音頻和視頻信號，而是以MPEG編碼標準先將音頻、視頻信號編碼、壓縮后與其他業務數據進行打包產生復用的TS流（傳輸碼流）。傳輸碼流作為激勵器的輸入信號，經信道編碼和調制單元后輸出滿足按制式標準要求的中頻模擬信號，該信號上變頻至需要的UHF波段的頻道信號，然后由激勵器輸出該信號至數字電視發射機的功率放大器。信道編碼處理的主要目的是增強信號的抗干擾能力以確保接收端正常接收信號，調制的目的是為了傳輸方便。

一、設計結構

數字電視發射機的激勵器由基帶處理電路，數模轉換電路、頻率合成電路，射頻放大電路，數字濾波器和監控系統組成。

基帶處理電路是激勵器的最重要的部分，它由FPGA處理芯片及外圍電路組成，可分成COFDM編碼調制器，同步單元和數字預校正器。COFDM編碼調制器負責將輸入的傳輸碼流進行多載波的COFDM調制，可選擇QPSK、16QAM和64QAM三種調制方式。同步單元確保了時間基準和頻率基準，實現同步發射。數字與校正器改善了發射機的非線性失真與線性失真，使發射機功放的效率得到顯著提升。數模轉換電路進行傅里葉變換將數字編碼信號轉換成模擬基帶信號，頻率合成器電路產生的射頻載波信號和模擬基帶信號混頻后輸出到指定頻道的射頻信號。激勵器放大電路將來自前級的射頻信號放大，以滿足后級功放的驅動需要。數字濾波器的作用是抑制帶外無用分量。監控系統監控激勵器及發射機的運行狀態，為用戶提供參數設置和數據查詢。

二、COFDM編碼調制技術

COFDM調制技術被稱為編碼正交頻分復用調制技術。射頻信號沿地面傳播時，受多徑效應影響嚴重，COFDM調制技術可以有效的克服多徑干擾的影響。COFDM由多個子載波組成，各子載波都需要調制。串行傳輸的碼流符號序列被分割為N段，每個段內的符號被單獨調制在子載波上，之后所有已調子載波一起傳輸。因此COFDM調制技術是一種并行調制技術，把傳輸符號的周期延長了N倍，利用這種技術抑制了多徑干擾的影響。

COFDM編碼調制處理的過程可分成兩步，第一步是能量擴散、前向糾錯、交織、內碼糾錯和映射。第二部分是進行QAM調制同時引入同步的導頻和TPS進入幀適配器。

1 能量擴散的目的是把數據信息隨機化，這樣避免了符號序列出現長串的1或0，實際電路利用一組移位寄存器作為偽隨機序列發生器進行數據的隨機。輸出的隨機序列需要進行RS糾錯編碼，這種編碼是分組線性碼，性能優良，編碼冗余度一樣的前提下，這種編碼方式的糾錯能力很強。交織分成內交織和外交織，由于傳輸信道具有突發性差錯，差錯發生時，因序列的相關性經常導致數據成串出錯，可能導致超出糾錯碼的范圍，采用數據交織的辦法可以克服這類突發性差錯，將突然發生的信道插錯分隔開。內碼糾錯采用卷積碼方式，它也是一種糾錯能力很強的方式，依據收縮比率分成1/2、2/3、3/4、5/6等多種碼率，用戶可根據選擇的碼率來選定對應的誤碼糾錯。通過映射方式將數據信息配置在相應的子載波和選定的調制方式的星座點上，調制方式有QPSK、16QAM和64QAM3種方式。

2 將QAM調制后的數據信號與引入的導頻和TPS信號送入幀適配器進行導頻與搭載波調制參數和控制信息的處理，可以選擇2K模式和8K模式。選擇2K模式將有17個子載波用于TPS進行搭載波調制參數和控制信息，有176子載波用于同步的導頻信號，子載波總數為1705。選擇8K模式將有68個子載波用于TPS進行搭載波調制參數和控制信息，有701子載波用于同步的導頻信號，子載波總數為6817。2k與8k模式的選擇確定了組網方式，進行單頻網（SFN）和多頻網（MFN）的運行，也關系到獨立發射機的覆蓋范圍。

三、I/Q調制與變頻

數字電視發射機激勵器實現I/Q調制和UHF變頻有兩種方式。

一種方式是輸入的I、Q信號分別經過預校正后，采用數字I/Q調制后完成D/A（數/模）轉換，然后將轉換后的模擬中頻信號經上變頻變換到要求的UHF頻率進行射頻輸出。

另一種方式是I/Q信號分別預校正后，將校正后的I/Q信號進行D/A變換，輸出的模擬信號分別調制后的合成信號再經上變頻后到要求的射頻輸出。

第一種方法的I/Q調制器有容易實現控制操作的特性，不用調整就可獲得很好的性能指標，主要性能取決于內置濾波器，這種方法的劣勢是模擬部分的變頻和濾波器結構復雜，成本高，不容易制作。第二種辦法的模擬部分簡單，變頻和濾波器容易制作，但缺點是需要有較高的I/Q調制指標。

四、預校正技術

數字電視的模擬信號具有很高的峰值系數（峰值與平均值的比值），實測可達15dB，廣播通訊系統對于頻譜的帶外泄露具有嚴格的要求，從發射機的成本和功放效率考慮功放系統的功率回退不可能過大，因此射頻信號放大環節難以消除信號失真，所以采用數字基帶預校正的辦法來抵消功放系統的非線性失真。數字基帶預校正有兩種方式，一種方式是自適應預失真校正技術，另一種是非自適應的射頻直接調制技術。

1 數字自適應預校正技術

數字自適應預校正使發射機剛剛啟動后的幾分鐘內，依據發射機功放系統的特性預先選取一條特性曲線，在無需外界干預前提下自動將發射機的系統性能調整到最佳狀態，同時實時監測發射機的運行狀態，根據溫度、功率的波動對功放系統進行自動調整。這種技術確保了功放系統的高效穩定輸出，降低了放大過程中的互調。

2 射頻直接調制

不經中頻，數字基帶信號直接調制為射頻，適用于單頻點固定頻道，依靠數字濾波器濾除帶外分量。

數字自適應預校正有精確度高和穩定性強的優勢，可對功放的長期工作和溫度變化帶來的特性漂移自動校正。目前數字電視發射機的開發重點是設計合適的中頻預校正電路，提高甲乙類放大器的線性度，改善功放效率。

五、同步與SFN（單頻網）

為了使單頻網絡內的所有發射機保持同步工作，需要在單頻網中保持頻率同步、時間同步和比特率同步。

1 頻率同步

COFDM調制信號的每個子載波必須在同一頻率上，同時單頻網中的所有發射機也要頻率一致。頻率的準確度由載波之間的距離決定，為了保證中頻和UHF變頻后的射頻準確度還滿足要求，采用將網內全部發射機的上變頻本振都用一個參考時鐘同步，一般選取GPS時鐘。

2 時間同步

發射機時間同步，可以保證采用合適的保護間隔和合理設計發射機之間的距離來使COFDM調制抵消多徑干擾。全部發射機發射同一碼流時必須時間一致，保護間隔的存在使時間的精度要求不必太高，一般采用±1?s。實際工作中如果反射時延大于保護間隔，系統性能將嚴重惡化。

3 比特同步

一個字符在同一時間傳輸時需要被所有載波完全一致調制，因此，同一比特需要調制在同一個載波。單頻網中每臺調制器通過不同的分配網與復用器連接，導致引入的延時不同，復用器無法為調制器提供時間基準，因此需要額外引入精度高于1μS的時間基準，常用的方法是從GPS中取1PPS標準時間和10MHz標準頻率。為了保證網內的遠程發射機傳輸碼流的比特同步，在碼流中加入MIP包，傳輸至遠程發射機。

六、復用

數字電視傳輸采用的復用方式為時分復用。復用實現了信息處理，數據插入和DVB加擾器的功能。隨機數據的插入功能優化了數字發射機的帶寬。交互電視，IP數據及其他私有數據可以填充音視頻數據剩余帶寬中的空包，可采用固定比特率和可變比特率兩種填充方式，填充后的帶寬利用率高達99%以上。復用可以內置加擾器，實現按要求條件接收。采用復用傳輸碼流時要考慮比特率適配問題，復用輸出的比特率不能使QAM調制器溢出。

結語

今后幾年將是我國地面數字電視快速普及的幾年，上述數字電視激勵器的各種技術和方案將更加完善，也會出現一些新的技術。對于電視技術的從業者來說，熟練掌握激勵器的技術原理和學習新的技術十分必要。

參考文獻

[1]何廣茹，朱文平.數字地面電視發射機激勵器原理[J].內蒙古廣播與電視技術，2014（03）：93-95.