數(shù)字電視系統(tǒng)中的關(guān)鍵RF測量

當信號在傳輸通道中出現(xiàn)噪聲、失真和受到干擾時，現(xiàn)代數(shù)字有線系統(tǒng)、衛(wèi)星或地面系統(tǒng)的表現(xiàn)特性完全不同于傳統(tǒng)的模擬電視。現(xiàn)在的電視收看用戶已經(jīng)習慣于模擬電視的接收方式，如果接收的圖象質(zhì)量較差，通常是調(diào)整一下室外天線，這樣接收的圖象就可能要好一些。即便是圖象質(zhì)量仍然很差，但如果節(jié)目的內(nèi)容足夠吸引人，那么，只要還有聲音，觀眾仍會繼續(xù)收看。

DTV可不這樣簡單。一旦接收的信號中斷，要恢復(fù)信號的通路并非總是奏效。產(chǎn)生的原因可能是MPEG SI或PSIP表中出現(xiàn)錯誤，或者僅僅是由于RF 功率在數(shù)字工作門限電平以下或在“崩潰”（cliff）點電平以下。而RF 中的問題又可能由以下原因所引起：衛(wèi)星碟形天線或低噪聲變頻器小盒(LNB)中的故障；地面RF 信號的反射；信道噪聲性能太差；信號傳輸通道中的干擾；有線放大器或調(diào)制器損壞等。

為了解決DTV信號的接收問題，可以有兩種解決方法。一種解決方案是使機頂盒接收機對劣化的信號不再敏感，但對工作人員來說更好的解決方案是始終保持清晰、高質(zhì)量的RF 信號。

為此，泰克公司提出了關(guān)鍵RF 測量的解決方案，在這種解決方案中，集MPEG實時監(jiān)視與記錄功能于一體，這就是MTM400監(jiān)視器。從經(jīng)濟上考慮，可以將MTM400配置在傳輸鏈路中的各監(jiān)測點上，從下行鏈路和編碼處理，通過復(fù)用和再復(fù)用，直至經(jīng)由上行鏈路、前端和發(fā)射機站點的最終傳送。

用MTM400來進行這項工作，工作人員只需投資其它專用RF測試設(shè)備費用的若干分之一，即可完成關(guān)鍵的RF測量。通過基于Web 的遙控設(shè)置，可在整個傳輸鏈路中的相應(yīng)信號層面上進行正確的RF 測量，這樣的測量既經(jīng)濟、又高效。

關(guān)鍵RF測量參數(shù)

BER或誤碼率

誤碼率是錯誤比特與全部傳送比特之比。在早期的DTV監(jiān)視接收機中，誤碼率作為數(shù)字信號質(zhì)量的唯一測量值。誤碼率的測量簡單易行，因為它通常可由調(diào)諧解碼器芯片組提供且容易進行測量。不過，調(diào)諧器的輸出BER 通常是在前向誤碼校正(FEC)之后，最好是在FEC(“前維特比”)之前來測量BER。這樣，通過測量BER可以反映出FEC的校正能力。在維特比去交織之后，采用里德－索羅門(Reed-Solomon，R-S)解碼可以校正錯誤比特以在輸出端獲取準無誤碼(quasi error-free)信號。

如果傳輸系統(tǒng)的工作狀況遠離信號崩潰點，這種運行狀態(tài)是合適的。這時，只有很少的數(shù)據(jù)錯誤發(fā)生，前維特比(pre-Viterbi)誤碼率接近為零。如果傳輸系統(tǒng)工作在崩潰點邊緣附近，則前維特比BER 就會逐漸增加，后維特比(post-Viterbi)BER的變化就比較徒峭，后FEC(在RS之后)就非常徒峭。

因此，F(xiàn)EC能夠?qū)Ρ罎Ⅻc的徒峭程度產(chǎn)生影響。這樣，非常靈敏的誤碼率測量的確會產(chǎn)生告警信號，但對于要采取的校正而言，通常又顯得太遲。

對于被傳送信號質(zhì)量的定量測試和運行記錄而言，顯示BER仍然是有用的。BER通常用來記錄長時間的系統(tǒng)運行狀態(tài)。最好是用來識別周期性損傷、瞬態(tài)損傷。

BER 的測量值常常用工程記數(shù)法來表示，并標明為瞬時碼率和平均碼率。

典型的目標誤碼率為：1E-09，準無差錯的誤碼率為2E-04；臨界誤碼率為1E-03；當誤碼率大于1E-03 時則處于傳輸服務(wù)允許值之外。

如何改善BER－通過MER

TR101 290標準是用來描述DVB系統(tǒng)的測量準則。在標準中，調(diào)制誤差比(MER)指的是被接收信號的單個“品質(zhì)因數(shù)”(figure of merit)。MER往往作為接收機對傳送信號能夠正確解碼的早期指示。事實上，MER 是用來比較接收符號(用來代表調(diào)制過程中的一個數(shù)字值)的實際位置與其理想位置的差值。當信號逐漸變差時，被接收符號的實際位置離其理想位置愈來愈遠，這時測得的MER 數(shù)值也會漸漸減小。一直到最后，該符號不能被正確解碼，誤碼率上升，這時就處于門限狀態(tài)即崩潰點。

圖1. 64-QAM 接收機的MER 測量曲線

圖1 是將MER 接收機與一測試調(diào)制器相連接時所測得的曲線。連接妥當后，逐漸引入噪聲，同時記錄MER 和前維特比BER 的數(shù)值。在沒有引入噪聲時，MER 的起始值為35dB，而BER 接近為零。隨著噪聲的增加，MER 值逐漸降低，而BER卻保持恒定。當MER降低至26dB附近時，BER 才開始攀升，說明崩潰點就在此值附近。因此，MER可用來指示系統(tǒng)在崩潰點之前的早期劣化漸變過程。

MER 的重要性

泰克公司設(shè)備能夠測量非常高的極限MER值（在QAM系統(tǒng)中，極限MER的典型值為39dB），因此，如果下游MER的縮減因子（安全余量）是已知的，或者可在用戶點（或其附近）測出MER 的安全余量，那么，位于前端調(diào)制器處的監(jiān)視設(shè)備通過測量MER即可提供信號劣化的早期指示。當MER 下降至24dB（64-QAM）或30dB（256-QAM）時，通用機頂盒就不能正確解調(diào)。至于其它的一般測量設(shè)備，只能給出較低的極限MER 測量值，因此也就不能用于信號劣化的早期告警。

對于數(shù)字有線（QAM）前端，典型的MER值為35dB至37dB。而在模擬有線系統(tǒng)中，典型的MER 值為45dB。模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的MER差值為10dB，在數(shù)字分配系統(tǒng)中，MER值在35dB 左右。

EVM(誤差矢量幅度)

EVM的測量與MER有些相似，但表示方法有所不同。EVM是誤差矢量的RMS幅度與最大符號幅度之比，并以百分比來表示。信號損傷增加時，EVM 增加；信號損傷降低時，EVM 減小。

圖2. 通過測量MER 和EVM，能在BER 迅速攀升和接收信號中斷之前預(yù)測出系統(tǒng)的安全余量。

MER和EVM 可以相互導(dǎo)出。EVM 是IQ（同相軸和正交軸）星座圖中被檢測載波與理論上的理想著陸點（landingpoint，參見圖3）之間的距離，即為“誤差信號矢量”與“最大信號幅度”的比值，并用RMS 百分比數(shù)值來表示。EVM 是按照TR 101 290 的附件部分作出的定義。泰克公司的MTM400，既可以測量MER，也可以測量EVM。

圖3. 誤差矢量。

圖4. QAM 調(diào)制器。

傳輸系統(tǒng)的調(diào)制方式

在衛(wèi)星、有線和地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中，信號的調(diào)制方式通常為正交調(diào)制，用已調(diào)制信號波形的相位和幅度來代表數(shù)據(jù)符號。在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中，最常用的調(diào)制方式是正交幅度調(diào)制（QAM）。

例如，在廣泛使用的地面數(shù)字調(diào)制方式中，COFDM 采用的是16-QAM 或64-QAM 調(diào)制方式，8VSB 使用的是8 列系統(tǒng)。在衛(wèi)星數(shù)字系統(tǒng)中，所采用的數(shù)字調(diào)制方式是四相或正交相移鍵控（QPSK），它等效于4-QAM。QPSK 是一種非?？煽康恼{(diào)制方式，它已經(jīng)使用很多年了。QPSK 也常用于分配饋送系統(tǒng)中，它可以有效地利用可用帶寬，但需要較高的載噪比。

有線傳輸系統(tǒng)也是以QAM為基礎(chǔ)，有著更多的調(diào)制方式，現(xiàn)在仍在開發(fā)之中。在有線系統(tǒng)中，增加了調(diào)制狀態(tài)數(shù)（16-QAM、64-QAM、256-QAM 和1024-QAM），改善了頻譜利用率。這樣，在給定的帶寬內(nèi)，可以容納更多的電視頻道。

在美國的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，采用64-QAM 每秒可以傳送27Mb的數(shù)據(jù)，這相當于在6MHz的帶寬內(nèi)可以傳送6至10個SD 電視頻道或1 個HD 電視頻道。而256-QAM 的數(shù)據(jù)率為38.8Mbps，它等效于在6MHz 帶寬內(nèi)傳送11 至20 個SD電視頻道或兩個HD電視頻道。采用新的壓縮技術(shù)，通過256-QAM調(diào)制方式可進一步增加到三個HD頻道。在歐洲的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，使用256-QAM調(diào)制方式，8MHz 帶寬內(nèi)的數(shù)據(jù)率可達56 Mbps。

在ITU.J83 規(guī)范中，規(guī)定了三種區(qū)域性的QAM 有線標準，它們是：
·附錄A －歐洲
·附錄B －北美
·附錄C －亞洲

在MTM400 中，備有RF 接口選項，可以測量上述的全部QAM調(diào)制標準，還可測量衛(wèi)星數(shù)字傳輸應(yīng)用中的QPSK調(diào)制方式。

圖5. 數(shù)字傳輸系統(tǒng)中的調(diào)制方式

星座顯示

數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的星座顯示圖形相當于矢量儀中的矢量顯示，可用來表示QAM信號中的同相(I)分量和正交分量(Q)。符號是給定調(diào)制系統(tǒng)中傳輸信息的最小部分，一個符號在星座圖中可描繪為一單個點。這些符號比特是通過復(fù)雜的代碼轉(zhuǎn)換過程由原始的MPEG-2傳輸流中導(dǎo)出的。這一轉(zhuǎn)換過程包括了里德－索羅門編碼、交織、隨機化處理，北美地區(qū)的QAM和格形編碼或QPSK系統(tǒng)中的卷積(維特比)編碼。人們希望能對系統(tǒng)的傳輸提供防護并能糾正比特錯誤，抵御脈沖噪聲，將傳輸能量平均地分布于整個頻譜。解碼器端所采取的處理方式與上述過程相反，應(yīng)能恢復(fù)基本上無差錯的比特流。由于采取了誤碼校正，僅對傳輸流進行檢查并不能提供傳輸通道或調(diào)制器和處理放大器包含有錯誤的任何指示，使得系統(tǒng)靠近“數(shù)字崩潰點”。

一旦MPEG 碼流中的傳送錯誤標志(TEF) 作出報告，這時再采取校正措施常常是太遲了。

星座圖

可以把星座圖認為是一種數(shù)字信號“2 維眼圖”的陣列，在星座圖中標出了符號的著陸點，并給出了著陸的允許范圍和判決邊界。符號著陸點愈是靠近而聚集在接收符號的“云層”中，那么信號質(zhì)量就愈佳。由于星座圖映射為屏幕上信號的幅度和相位，因此可以利用該陣列的形狀來判斷和確定傳輸系統(tǒng)或傳輸通道中故障和失真的嚴重程度，有助于阻止傳輸質(zhì)量的下降。

圖6. 星座圖顯示

利用上述星座圖，可以判斷下述調(diào)制問題：
·幅度不平衡
·正交錯誤
·相干干擾
·相位噪聲，幅度噪聲
·相位錯誤
·調(diào)制誤差比

星座圖的遙控顯示

在MTM400 中，采用了特有的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（Web-browser）技術(shù)，可通過因特網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)在各個不同地點甚至不同國家觀察到無人監(jiān)測點處的星座圖顯示。可以調(diào)整用戶界面的余輝特性，使得先前接收的載波顯示點逐漸減弱，就象傳統(tǒng)的顯示儀器一樣。

說明：以下的MTM400 屏幕快照是按照儀器的測試設(shè)置顯示的，這樣在所有情況下的MER 和EVM 都是相似的。僅星座圖形不同。

正交誤差

傳輸系統(tǒng)中的正交誤差使得符號著陸點靠近邊界容限，因而降低了噪聲余量。當I信號和Q信號彼此間的相位差不是準確的90 度時就會出現(xiàn)這種情形。正交誤差使星座圖失去了“方形”結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)為平行四邊形或呈菱形。

圖7. 星座圖中同相軸和正交軸間的正交誤差使得圖形不是方形而呈菱形

圖8. MTM400 中的屏幕俘獲顯示，說明IQ 間有5 度的正交相位差。

圖9. 信號的同相分量和正交分量間的增益差使得星座圖不為方形而為矩形。

圖10. MTM400 顯示出IQ 間的幅度不平衡為10%。

噪聲誤差

噪聲是任何信號中最常見的也是無法避免的信號損傷，QAM 信號也不例外。噪聲損傷的常見形式是加性高斯（白）噪聲（AWGN）。由于白噪聲（按頻率分布，噪聲功率為平坦密度函數(shù)）和高斯噪聲（數(shù)學上稱為正態(tài)幅度密度）的存在，使得所接收的符號在星座圖中呈簇狀分散在理想位置附近。

圖11. 噪聲誤差（QAM-64有線系統(tǒng)）

圖12. 噪聲誤差(來自衛(wèi)星的QPSK信號)

增益壓縮

MTM400 可給出各種生動的實際信號顯示，從中您可以觀察到增益壓縮現(xiàn)象，它在I 和Q坐標顯示圖形的邊角處呈圓弧形，不過這種顯示只在調(diào)制器或光纖傳輸系統(tǒng)中才觀察得到，因為它們的信號驅(qū)動可達到其容限。這種現(xiàn)象發(fā)生在高幅度電平下，表現(xiàn)為非線性失真。其圖形看起來象“球形”或呈“魚眼透鏡”(fish-eye lens)狀。

圖13. MTM400 的增益壓縮顯示。

圖14. MTM400 的顯示圖形，該信號具有明顯的增益壓縮誤差。

相干干擾

相干干擾是一種與IQ信號相鎖定的通道干擾或諧波分量。相干干擾的存在使得顯示陣列呈環(huán)狀或呈“圓環(huán)圖”。

圖15. 相干干擾

相位噪聲(I和Q信號中的抖動)

信號傳輸鏈路的載波信號或本機振蕩器中存在著相位噪聲或相位抖動，它疊加在所接收的信號上。在MTM400的顯示圖形中，載波符號呈現(xiàn)為同心圓弧狀。

圖16. 相位噪聲(I 和Q 信號中的抖動)

載波抑制

圖17. 同相軸上的一種“直流偏置”效應(yīng)，載波抑制為10%。在MTM400 的顯示中，符號位置向右偏移。

可接收信號

在現(xiàn)代全數(shù)字調(diào)制器中，一般情況下的IQ 增益和相位誤差是可以忽略的。這樣的誤差并非校準不當而是設(shè)備故障。另一方面，信號的壓縮可能出現(xiàn)在調(diào)制器中，或上變頻器中和傳輸網(wǎng)絡(luò)中。

圖18 為MTM400 中的正常信號顯示。

圖18. 工作正常的256-QAM 有線系統(tǒng)。

結(jié)束語

最好的解決方案是遠在系統(tǒng)停止播送節(jié)目之前，盡早地對系統(tǒng)中的問題作出預(yù)測并及時予以修復(fù)。

無論是有線傳輸系統(tǒng)還是衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)，通過MER 的測量，均能夠及時地發(fā)現(xiàn)發(fā)射機中和系統(tǒng)性能的微小變化，因此它是能夠反映系統(tǒng)狀況的一項最好的品質(zhì)因數(shù)。EVM和更傳統(tǒng)的BER 測量可用于跨接設(shè)備間的質(zhì)量檢驗，它們有助于判斷短期的信號劣化。

通過星座顯示，可提供RF傳輸系統(tǒng)的“健康檢查”，這是一項可靠的檢查，它能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的畸變、失真或設(shè)備的偏差。

總之，將上述關(guān)鍵的RF 測量與綜合性的MPEG 傳輸流監(jiān)視相結(jié)合，同時再提供各監(jiān)測點的告警設(shè)置，就能在早期階段檢測到系統(tǒng)中的各種問題，而不會給觀眾的收看帶來影響。