基于微波傳輸?shù)牡孛鏀?shù)字電視系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

徐家民

（廣東阿爾創(chuàng)通信技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510235）

關(guān)鍵字：數(shù)字電視；微波傳輸；組網(wǎng)優(yōu)化

0 引 言

20 世紀70 年代，無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想第一次被提出，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)極大地增強了人們溝通的能力。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅覆蓋范圍遠超傳統(tǒng)通信手段，而且信息密度以及傳遞速度都得到極大的提升[1-3]。無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由3 個部分組成，分別為發(fā)射端、傳輸媒體以及接收端。其中，發(fā)射端用于將發(fā)送信息轉(zhuǎn)化為電信號，再以電磁波的形式傳遞到接收端，這一過程通常由信號轉(zhuǎn)換器、發(fā)射機以及天線等設(shè)備完成。接收端再利用轉(zhuǎn)換器便可得到發(fā)送信息，這便完成了一次完整的無線通信。

無線通信技術(shù)是在不利用實體線路的條件下，利用無線傳輸媒介進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞絒4,5]。目前，人們可以利用微波和衛(wèi)星2 種無線通信技術(shù)，然而這2 種技術(shù)都受到頻譜有限的制約。因此，隨著人口數(shù)量的增長以及人們對無線通信需求的日漸提升，如何有效利用起頻譜資源、做到合理的分配，是日后需要重點研究的部分。無線通信傳輸技術(shù)仍存在很多問題需要人們?nèi)ゲ粩嗤晟疲缣炀€傳輸信號的局限、接收端對于信號的識別仍有著較大的錯誤率等[6]。

1 DVB-T2 和DTMB 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）系統(tǒng)中的傳輸系統(tǒng)主要指數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的信道部分[7,8]。常見的3 種傳輸系統(tǒng)是有線數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting-Cable，DVB-C）、 數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)（Digital satellite TV system，DVB-S）以及地面數(shù)字電視廣播（Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T）。基于該背景，著重介紹第二代地面數(shù)字電視廣播（Second Generation Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T2）和地面數(shù)字多媒體廣播（Digital Terrestrial Multimedia Broadcast，DTMB）標準。DVB-T2 和DTMB 擁有更先進的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，大大提升了傳輸速率，能夠為數(shù)字電視廣播提供更多的傳輸模式，提高了系統(tǒng)頻帶的利用率，其綜合表現(xiàn)與DVB-T 相比更具優(yōu)勢。

DVB-T2與DTMB都運用了正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）技術(shù)、增加循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)以及頻域?qū)ьl技術(shù)，并加以改進，大大增強了其傳輸能力。此外，DVB-T2 與DTMB 為了有效為各類型接收設(shè)備提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)與傳輸音視頻服務(wù)，進行了徹底的修改，更高效地使用了頻譜，其中主要改進的方面有以下幾點。

一是支持物理層多業(yè)務(wù)功能，在原有基礎(chǔ)上改成了超幀、T2 幀和OFDM 符號組成的三幀結(jié)構(gòu)。提供了多通道物理層以及時間分片等服務(wù)，并且擴大了輸入流格式的范圍，進而可實現(xiàn)多業(yè)務(wù)發(fā)展的操作。

二是采用各項技術(shù)提升傳輸速率，如能夠進行256QAM 級別的高階調(diào)制；使用更加先進的糾錯編碼技術(shù)，如低密度奇偶校驗碼等；能夠在信號中添加更多的保護間隔；支持更多離散時間信號的記錄長度，并增加了擴展子載波模式等技術(shù)。

三是采用多種技術(shù)提升信號傳輸所需要的能力，如前向糾錯碼技術(shù)、OFDM 高速傳輸技術(shù)、星座旋轉(zhuǎn)技術(shù)以及交錯編碼技術(shù)等。

1.1 前向糾錯碼技術(shù)

在傳輸數(shù)字信號的過程中，數(shù)字信號經(jīng)常會由于噪聲等不良干擾出現(xiàn)信號失真等情況，這時候需要利用前向糾錯碼技術(shù)對信息傳輸中的錯誤進行監(jiān)測和糾正[9]。其主要原理是數(shù)據(jù)發(fā)送方利用糾錯碼中的冗余信息，使接收方能夠檢測和糾正傳輸中發(fā)生的錯誤。為了提高系統(tǒng)的傳輸速率，DVB-T2 與DTMB 系統(tǒng)采用新的編碼模式，參考了二元線性循環(huán)碼與低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check，LDPC）等。

LDPC 碼是一類線性分組碼，其特點是它的校驗矩陣是稀疏矩陣，能較好地適用于各種通信信道。LDPC 碼的譯碼方法和經(jīng)典分組碼不同，其碼長較長，因此通常通過其校驗矩陣的圖像表達進行迭代譯碼。在第二代歐洲地面數(shù)字電視廣播標準下，該校驗碼分別為2 種不同的比特碼，其優(yōu)點在于碼率多、譯碼簡易便捷、可實現(xiàn)多線程同時操作，在硬件上使用有較高的優(yōu)勢。

1.2 星座旋轉(zhuǎn)技術(shù)

星座旋轉(zhuǎn)調(diào)制屬于信號在空間層次上進行分集的一種技術(shù)，能夠在2 個星座點上增加分集度[10]。該技術(shù)與其他分集技術(shù)的區(qū)別在于能夠利用來自于系統(tǒng)的調(diào)劑能力，更加節(jié)能高效。且通過與前向糾錯碼技術(shù)相結(jié)合，能夠提升系統(tǒng)的傳輸效率與抵御對外界的干擾水平。在第二代歐洲地面數(shù)字電視廣播標準下，該技術(shù)通過為衰落信道增加額外分集，使系統(tǒng)得到更高的容量與增益。

1.3 OFDM 高速傳輸技術(shù)

OFDM 高速傳輸技術(shù)是一種通過將信道劃分為正交的子信道，降低傳輸速度并改變傳輸模式，從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于DVB和DVB-T2 等領(lǐng)域，提高了信道的利用效率。可以將信道劃分為多個正交的子信道，增加了子信道的數(shù)量，從而提高了信道的傳輸容量。然而，子信道的頻譜有一定的重疊區(qū)域，因此需要選擇適當?shù)膫鬏斆浇閬硐有诺乐g的干擾影響。

1.4 相關(guān)同步算法

單頻網(wǎng)是基于DVB 系統(tǒng)的重要組網(wǎng)方式之一，為了保證在單頻網(wǎng)中數(shù)字電視可以得到回波與頻偏條件下的較為精準同步，通常會給DVB 系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)同步算法。DVB-T2 和DTMB 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的基本單元都為信號幀。以DTMB 為例，幀體和幀頭共同組成了信號幀。其規(guī)定了3 類不同的幀頭模式，分別是945個符號、595 個符號以及420 個符號。而幀頭序列中的前后同步都是數(shù)據(jù)的重復(fù)。利用幀頭重復(fù)特性，可以設(shè)計相關(guān)延遲算法，找到幀頭的起始位置，再根據(jù)實際的間隔確定幀頭的具體模式。

1.5 交錯編碼技術(shù)

DVB-T2 與DTMB 為了避免數(shù)字信號傳輸時受到外界干擾而影響傳輸質(zhì)量，采用了交錯編碼技術(shù)。該技術(shù)通過將原信號分割成多個單位比特的小段數(shù)據(jù)，并按照一定規(guī)則進行分散重組處理，實現(xiàn)了大段數(shù)據(jù)的細分化。傳輸過程中，可以使用前向糾錯碼對這些小段數(shù)據(jù)進行位置上的復(fù)原，在不改變原有信息內(nèi)容的前提下，有效改變了信息結(jié)構(gòu)，從而顯著改善了數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃詥栴}。

2 算法設(shè)計與實驗分析

以關(guān)鍵技術(shù)中的相關(guān)同步算法設(shè)計為例進行具體研究，并進行相關(guān)實驗。在地面數(shù)字廣播電視無線技術(shù)中，會存在信號互相干擾的情況，即出現(xiàn)了“相干區(qū)”，在這個區(qū)域會無法有效地接收可使用的無線數(shù)字信號。為了驗證相關(guān)同步算法的有效性，選取“相干區(qū)”進行相關(guān)實地實驗，對由主基站和副站組成的單頻網(wǎng)進行實驗，利用放置相關(guān)的檢測設(shè)備對該單頻網(wǎng)進行組網(wǎng)優(yōu)化調(diào)測，以解決實際組網(wǎng)過程中存在的問題，探求如何完成實地組網(wǎng)優(yōu)化過程。該優(yōu)化分為2 步，一是控制好信號覆蓋場；二是利用檢測設(shè)備調(diào)制接收信號指標。

2.1 同步算法設(shè)計

同步算法可以基于自相關(guān)函數(shù)Rd進行設(shè)計，目的是解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲問題，具體形式為

式中：L為滯后量，用于確定2 個輸入序列之間的時間間隔；N為接收得到的DTMB 信號序列r(n)的長度。L與N的數(shù)值在本次實驗中分別設(shè)定為255 與165。通過利用重復(fù)數(shù)據(jù)的相關(guān)性尋找?guī)^的起始位置，進而確定幀頭模式為PN420。

2.2 具體實驗

本次實驗所用到的測試設(shè)備選取了便攜式電視信號綜合分析儀，型號為S7000，具有可靠與便攜的優(yōu)點，由天津德力電子儀器有限公司生產(chǎn)。

單頻網(wǎng)調(diào)試需要設(shè)立“相干區(qū)”進行實地測試，而相干區(qū)需要滿足接收信號存在明顯的回波干擾且接收水平明顯低于標準指標，對此需要對其進行單頻網(wǎng)優(yōu)化措施，即可進行實驗。表1 為疑似相干區(qū)域的實地測試指標，有4 個地點。

表1 疑似相干區(qū)域的實地測試指標

對于上述4 個測試地點，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析將4 號地點劃分為“相干區(qū)”，通過表1 的數(shù)據(jù)可分析得出此結(jié)論。記錄1 ～4 號地點在不同發(fā)射情況下所接收主基站與副站的信號情況，用接收電平與調(diào)制誤差比（Modulation Error Ratio，MER）值作為量化指標。1號地點能夠接收到主基站和副站的信號，但接收電平數(shù)值達不到標準，因此無法作為“相干區(qū)”。2 號和3號地點均無法接收到主基站信號，其MER值顯示為0，故不能滿足調(diào)試單頻網(wǎng)的需求。而4 號地區(qū)既能接收到主基站的信號又能接收到副站的信號，且2 個不同時延參數(shù)下收到的信號存在較大區(qū)別，故適合作為“相干區(qū)”。本研究選取1 號地點中的一個小區(qū)域進行單頻網(wǎng)調(diào)試，這個區(qū)域稱為A 點。

將激勵器時延參數(shù)設(shè)置為27.4 μs，使用德力S7000 電視信號綜合分析儀對相干區(qū)進行數(shù)據(jù)采集，利用所得到的量化數(shù)據(jù)進行分析并對比，得出的結(jié)果如圖1 和圖2 所示。其中，圖1 顯示了沒有使用同步算法的信號接收結(jié)果，而圖2 展示了使用同步算法的信號接收結(jié)果。

圖1 沒有使用同步算法時的儀器回波測試結(jié)果

圖2 使用同步算法時的儀器回波測試結(jié)果

大量的實際測試參數(shù)顯示，在A 點進行實驗時，當回撥總數(shù)低于一定數(shù)量時，接收質(zhì)量與回波間隔成反比。根據(jù)對圖1 和圖2 中回波間隔的分析，可以明顯觀察到在使用同步算法進行數(shù)據(jù)接收時，回波間隔顯著縮小，相比不使用算法時，接收質(zhì)量更好。

3 結(jié) 論

主要介紹了地面無線數(shù)字電視廣播進行無線通信所需要用到的技術(shù)，且以第二代歐洲地面數(shù)字電視廣播標準DVB-T2 和DTMB 為例介紹了相關(guān)無線傳輸技術(shù)的優(yōu)點與缺點，如糾錯碼技術(shù)與星座旋轉(zhuǎn)技術(shù)等。另外，為了驗證相關(guān)同步算法的有效性，選擇了一個具有相干區(qū)的實地實驗場景，該場景由主基站和副站組成單頻網(wǎng)。通過放置相關(guān)的檢測設(shè)備，對該單頻網(wǎng)進行組網(wǎng)優(yōu)化調(diào)測，證明算法的有效性。本研究旨在為進一步提升地面數(shù)字電視廣播技術(shù)提供研究方向。