模擬MMDS 系統(tǒng)數字化改造的實際應用

郭小鋒

(太原理工大學，山西 太原 030024)

有線電視以其豐富的節(jié)目內容越來越受到用戶的喜愛。我國有線電視在大中型城市主要通過光纖和同軸電纜傳輸方式傳播廣播電視信號，而在廣大農村地區(qū)特別是地形復雜的邊遠山區(qū)，大規(guī)模采用線纜鋪設是不現實的，MMDS(Multichannel Microwave Distribution System)多路微波分配系統(tǒng)能夠通過無線發(fā)射方式將電視信號直接傳達至用戶，有效地解決了該類地區(qū)用戶的需求，成為我國有線電視系統(tǒng)實現全網絡覆蓋的必要支撐［1］。

模擬MMDS是一種以視距傳輸為基礎的圖像分配傳輸系統(tǒng)，模擬MMDS 最早于1983 年在美國應用，20 世紀90 年代傳入我國，其工作頻段主要集中在2.5 GHz，工作帶寬200 MHz，傳輸8 套電視節(jié)目，在發(fā)射天線50 km 范圍內可以將有線電視信號采用無線發(fā)射的方式直接傳送至用戶，為我國地廣人稀地區(qū)的電視覆蓋起到了重要作用。近年來，隨著數字電視技術的發(fā)展，電視節(jié)目套數不斷增加，隨著老百姓生活水平的日益提高，對電視節(jié)目套數和質量的要求也越來越高，模擬MMDS 由于其節(jié)目容量少、同頻干擾和其他傳輸質量方面的原因，模擬MMDS的發(fā)展呈現萎縮趨勢。而數字MMDS 適應了形勢發(fā)展的需要，有效解決了模擬MMDS節(jié)目數量少、圖像質量不穩(wěn)定等問題，使得MMDS 進入了新的快速發(fā)展階段。

1 數字MMDS 無線微波傳輸系統(tǒng)的優(yōu)越性

相比于模擬MMDS 系統(tǒng)，數字MMDS 無線微波傳輸系統(tǒng)有以下技術優(yōu)勢:

(1)數字MMDS 通過數字壓縮技術可以提高頻道容量，傳輸更多的電視節(jié)目。如果采用模擬MMDS 技術，以模擬傳輸模式進行傳輸，有其先天的局限性。模擬傳輸模式占用帶寬大，在無線發(fā)射方式情況下一般不會采用鄰頻調制的方式來傳輸模擬電視信號。如果要傳輸相同數量的電視節(jié)目，模擬方式要采用更多數量的發(fā)射機，更加復雜的功率合成系統(tǒng)和天饋系統(tǒng)。而且要達到同樣的覆蓋效果和節(jié)目數量，模擬方式消耗的總功率要遠大于數字MMDS方式。

(2)數字MMDS 系統(tǒng)在信源部分，采用數字壓縮技術，將音視頻信源壓縮成符合MPEG 標準的數字信號，對于節(jié)目質量要求不是很高，每套節(jié)目的bit 率為2 ～4 Mbps 即可滿足標準清晰度效果。對于節(jié)目質量要求高的，運動圖像較多的可以以更高的碼流進行編碼。

(3)在信道部分，數字MMDS 系統(tǒng)主要采用DVB－S 或DVB－C 標準的信道調制技術，并采用QPSK 或QAM 調制方式，同時采用非系統(tǒng)卷積碼和RS 編碼的級聯，極大地提高了信號的抗干擾和抗衰落的能力。我們采用了QPSK方式，其具有很低的接收門限電平和較低的載噪比要求。

(4)對于投資方而言，MMDS 技術的使用大大節(jié)約了投資成本。在忻州市定襄縣的地理條件下，公路、鐵路、樹林、農耕地等地理環(huán)境相對復雜，如果大范圍的覆蓋架設電纜和光纜，不僅投資巨大、維護困難，受地形影響不容易施工。而MMDS 傳輸系統(tǒng)建設簡單、覆蓋面積大、運行和維護的成本也較低，具有較高的實用性。

(5)MMDS 數字化更容易管理與收費，在模擬電視技術時期，收費人員需要逐戶上門收費，工作效率低，工作難度大。MMDS 數字化改造后，采用用戶管理有條件接收(CA)系統(tǒng)能夠對不同用戶實施不同的授權級別，實現可尋址收費，未經授權的用戶將看不到相關節(jié)目，可從根本上解決過去用戶收費難的問題［2］。

(6)MMDS 數字電視已經不僅僅是廣播電視的模式，MMDS 可以像光纜一樣實行雙向傳送數據信息、傳送視頻點播、電視會議等，可以實現Internet的寬帶接入。

2 MMDS 數字化改造在定襄縣的應用

2.1 定襄數字MMDS 系統(tǒng)的結構

MMDS 系統(tǒng)主要由前端、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)等三大部分組成。前端主要由節(jié)目源、編碼器、衛(wèi)星信號接收機(TS輸出)、復用器、加擾機、QPSK 調制器、用戶管理和收費系統(tǒng)組成，發(fā)射系統(tǒng)主要包括合成器、MMDS 寬帶發(fā)射機、天饋系統(tǒng)組成;接收系統(tǒng)包括下變頻器，用戶分配網，接收機、電視等。圖1，圖2為其結構示意圖。

圖1 MMDS 前端及發(fā)射系統(tǒng)框圖

圖2 MMDS 接收示意圖

2.2 節(jié)目容量的計算(采用DVB-S 標準)

DVB-S 標準規(guī)定的信號傳輸帶寬在2 ～45 MHz，卷積編碼有1/2，2/3，3/4，5/6，7/8 等方式，RS 編碼為RS(204，188);卷積交織模式為12x17;RS 編碼和卷積交織都是固定的，不影響編碼效率;卷積編碼的編碼效率直接影響信道編碼的編碼效率，卷積編碼的效率越高，系統(tǒng)承載的信源越多，但是抗干擾能力越差，解調接收的門限也越高。

信號3 dB 帶寬設計為40 MHz，即符號速率為40 Msps，卷積模式選擇3/4;可以計算出承載的碼流為:

假定每套節(jié)目經過壓縮編碼3 ～5 Mbps;則在40 M的帶寬上可以承載11 到18 套以上的節(jié)目;根據節(jié)目情況，設計按4個頻點共傳55 套節(jié)目，可以看出是完全符合設計容量的。

2.3 模擬有線電視前端系統(tǒng)的數字化改造

忻州市定襄縣在1996 年開始建設了模擬MMDS 電視系統(tǒng)，在1997 年開始全面施工，覆蓋了定襄縣9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，開始發(fā)射的模擬節(jié)目僅為15 套，而且圖像模糊，經常發(fā)生故障，收費也困難，導致定襄縣廣播電視行業(yè)發(fā)展非常緩慢。伴隨著數字電視技術的成熟，定襄縣從2006 年開始建設數字前端，并于2007 年4 月份開始平移改造，由模擬的15 套節(jié)目增加到55 套數字電視節(jié)目，基本滿足廣大用戶對電視節(jié)目的需求。在用戶收看到高清晰的電視節(jié)目的同時，也方便了對用戶的管理。

原來的模擬信號只是簡單的把音視頻信號調制后傳輸到用戶終端，然后在電視機內部進行解碼還原為音視頻信號，其穩(wěn)定性、合理性均受到了限制，效果也不太理想。

MMDS 系統(tǒng)前端改造后，通過地面衛(wèi)星接收器接收到衛(wèi)星信號，然后用功分器把衛(wèi)星信號分為多路，把每一路送到衛(wèi)星接收機，通過衛(wèi)星接收機把衛(wèi)星信號轉換為音視頻或TS 流信號，然后進行壓縮編碼，通過復用器將多路并行的低速TS 流復接成一路串行的高速TS 流輸出，經過加擾機進行信號的加密處理，以實現對節(jié)目源的管理。再經調制器對加擾后的信號進行調制，將TS 流數字信號調制到射頻信號。MMDS 電視前端改造前與改造后的情況如圖3所示。

TS 流的工作流程主要依據MPEG－2 標準，它的流程是經過抽樣、量化及壓縮編碼形成基本碼流ES，基本碼流ES是不分段的連續(xù)碼流。把基本碼流分割成段，并加上相應的頭文件打包形成打包的基本碼流PES，PES 包與包之間可以是不連續(xù)的。將PES 包再分段打成有固定長度的188KB的傳送包碼流TS。TS 流經復用加入PSI/SI 及加密信息形成多路節(jié)目傳輸流，最后經過32QAM 調制及上變頻形成射頻信號，在用戶終端經機頂盒解碼恢復模擬音視頻信號［3］。

圖3 MMDS 電視前端改造前后比較圖

經過上述的改造，數字前端無論是合理性、穩(wěn)定性、先進性等都比模擬前端好的多。

2.4 數字電視的網絡管理軟件系統(tǒng)的構建

網絡管理軟件系統(tǒng)是由條件接收系統(tǒng)(CAS)和用戶管理軟件系統(tǒng)(SMS)兩大部分組成。CAS 系統(tǒng)是通過對前端系統(tǒng)生成的TS 流加入控制字后混合成加密的TS 流進行傳輸。SMS 系統(tǒng)是對用戶進行管理、服務的系統(tǒng)，它跟CAS 有著密切的聯系，通過SMS 系統(tǒng)對CAS 發(fā)送加解擾信息，從而實現對用戶的加解擾的控制，和模擬系統(tǒng)相比，模擬系統(tǒng)沒有這部分功能，數字網絡管理軟件可以更方便、快捷地為用戶和投資方服務，大大降低了因收費困難所增加的成本。

2.5 MMDS 數字化發(fā)射系統(tǒng)升級

數字發(fā)射系統(tǒng)是由數字前端調制器調制信號，然后再進行混合，送到MMDS 發(fā)射機經天線發(fā)射出去，如圖4所示。

圖4 MMDS 發(fā)射系統(tǒng)示意圖

數字MMDS 發(fā)射機與模擬MMDS 發(fā)射機相比有以下區(qū)別。

(1)數字MMDS 發(fā)射機發(fā)射信號穩(wěn)定，一般都是平均功率輸出，功放利用率高。模擬MMDS 發(fā)射機是線型調幅，末級功放利用率低。

(2)數字MMDS 發(fā)射機采用功放前饋校正技術，在中頻期間把信號調整完善后，再用上變頻器變?yōu)楦哳l信號，確保輸出高質量的數字信號。

(3)數字MMDS 發(fā)射機相位噪聲≤－110 dBc/Hz，S/N為52 dB，模擬MMDS 一般為≤－90 dBc/Hz，比數字發(fā)射機低很多，所以數字MMDS 發(fā)射機的鎖相能力更強，抗干擾能力更好。

從以上幾種區(qū)別可以看出模擬發(fā)射機比數字發(fā)射機性能更差，不能滿足數字發(fā)射機的各種指標，因此，定襄電視臺在MMDS 數字化過程中對原有的發(fā)射系統(tǒng)進行了升級。

2.6 基于MMDS 數字電視用戶機頂盒的接收系統(tǒng)

定襄縣前端發(fā)射塔位于定襄縣城的中心位置，覆蓋了周邊的9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。但因發(fā)射塔與接收端之間存在較多樹木和山丘，導致接收天線需要達到一定的高度才行，一般為20 米以上，如果每個用戶都用一付天線，在安裝過程中必然會耗費大量的人力物力。結合定襄的實際情況，大部分農村采用一村一付天線，通過用戶分配網傳到用戶家中。接收天線的直徑為0.8 m，變頻器采用的頻率為2033 MHz，并由18 V的電源盒為下變頻器供電。在MMDS 系統(tǒng)中，終端接收部分的接收天線，下變頻器和供電部分由于會被常有的惡劣天氣所損壞，定襄電視臺在MMDS 數字化改造過程中對該部分進行了改進:

(1)把饋線延長，變頻器放到比較低的地方方便更換和維修。以前都是把天線立在很高的地方接收的，更換下變頻器的時候，浪費人力物力，現在不僅維修率下降而且一個人在很輕松的情況下就可以維修。

(2)減少電源盒環(huán)節(jié)，可由第一級線路放大器直接給下變頻器供電。因下變頻器需18 V 供電，為此在放大器中加入一個7818 穩(wěn)壓模塊，使放大器輸出18 V 電壓。這樣不僅節(jié)省了成本，而且由于放大器的防水性大大高于電源盒的防水性，也明顯降低了維修率。

3 前景展望

MMDS 作為一種傳輸手段，傳輸的不僅僅是電視節(jié)目，在不久的將來MMDS 在實現電視數據雙向傳輸的同時，可與電話、網絡一起接入用戶的身邊，真正實現三網合一和全面的無線傳輸。在國外有的國家已經可以向數字MMDS 系統(tǒng)提供512 kbps的上傳服務和1 Mbps的下載服務，真正實現了雙向傳輸的MMDS 系統(tǒng)。數字MMDS 技術以其自身優(yōu)勢，能夠在寬帶數據傳輸技術中實現真正的無線寬帶接入［4］。

4 結束語

通過對忻州市定襄縣電視臺原有的模擬MMDS 系統(tǒng)進行數字化改造，將原有的4 ～8 套電視節(jié)目壓縮在一個模擬通道中，并對MMDS 其他相關設備進行系統(tǒng)更換與升級，解決了模擬MMDS 在傳輸節(jié)目數量少、信號不穩(wěn)定、圖像質量較差等問題方面的瓶頸，通過上述改造后，基本滿足了忻州市定襄縣10 萬多人的收視需求。

［1］胡艷軍，俞傳峰，杜昌明.基于MMDS 電視微波的無線接入系統(tǒng)［J］.中國科學技術大學學報，2010，40(1):69－72.

［2］姜文耀.模擬MMDS 數字化改造的探討［J］.中國有線電視，2010(15):1372－1374.

［3］廉剛.淺析數字MMDS 數字系統(tǒng)中節(jié)目的傳輸和加密［J］.有線電視技術，2011(2):37－38.

［4］田國棟.數字MMDS 系統(tǒng)的特點及應用［J］.包頭職業(yè)技術學院學報，2008，9(1):5－6.