數(shù)字電視測量實(shí)驗(yàn)的探索與設(shè)計

李 欣，趙忠山

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003)

數(shù)字電視是指從演播室到發(fā)射、傳輸、接收的所有環(huán)節(jié)都使用數(shù)字電視信號的電視類型，與模擬電視相對。目前各級電視臺基本已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的改造，因而對于數(shù)字電視系統(tǒng)的建設(shè)維護(hù)有一個巨大的人才需求市場。

作為以通信和信號處理為主要發(fā)展方向的南京郵電大學(xué)，在新時期，開設(shè)有廣播電視工程專業(yè)，為數(shù)字電視系統(tǒng)培養(yǎng)專業(yè)的人才。該專業(yè)開設(shè)有如數(shù)字電視原理、電視節(jié)目制作與播出、電視傳輸與組網(wǎng)等理論課程，由于缺乏實(shí)際環(huán)境，在教學(xué)過程中偏重于理論知識，影響了學(xué)生對數(shù)字電視系統(tǒng)的認(rèn)識，從而影響整體的教學(xué)效果。

自2005年起，南京郵電大學(xué)在數(shù)字電視實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)上做了大量投入，購置了數(shù)字電視測量的主要設(shè)備:電視信號綜合測量儀VM700T、矢量頻譜分析儀N9020A(DVB套件)、光功率計等。2007年和2011年又分別申請了中央與地方共建實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，進(jìn)一步完善了數(shù)字測量的相關(guān)儀器設(shè)備，建設(shè)了數(shù)字電視有線傳輸實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字電視移動傳輸實(shí)驗(yàn)室。

1 數(shù)字電視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)字電視系統(tǒng)主要分為前端、信道傳輸網(wǎng)絡(luò)和終端三大部分［1］。數(shù)字電視前端主要完成數(shù)字電視信號采集、數(shù)字電視信號處理和數(shù)字電視傳輸信道編碼。目前主要的數(shù)字電視信道傳輸網(wǎng)絡(luò)可分為衛(wèi)星廣播、有線寬帶網(wǎng)和地面無線傳輸，作為廣播信道主要為單向傳輸，但數(shù)字電視特別是有線寬帶網(wǎng)絡(luò)目前已實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。終端部分主要采用的是機(jī)頂盒加電視顯示器的方式。

數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

完整的數(shù)字電視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境需要符合數(shù)字電視系統(tǒng)相關(guān)的國際、國內(nèi)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)字電視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境中，學(xué)生可以對數(shù)字電視信號產(chǎn)生、音視頻技術(shù)處理、數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字電視傳輸信道處理、數(shù)字調(diào)制技術(shù)、電視機(jī)頂盒、電視顯示器等有系統(tǒng)的認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生對相應(yīng)方面理論知識的理解與實(shí)際能力鍛煉。

2 數(shù)字電視測量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計

數(shù)字電視測量實(shí)驗(yàn)是利用一系列的視頻測量儀器對數(shù)字電視系統(tǒng)各階段的信號進(jìn)行測量分析［2］。根據(jù)學(xué)生理論課程的設(shè)置及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的已有條件，對數(shù)字電視測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計如下。

2.1 數(shù)字電視模擬域基本參數(shù)測量

目前實(shí)際的數(shù)字電視系統(tǒng)中由于一些原因還沒有實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，特別是在接收端，很多家庭采用的仍然是機(jī)頂盒加模擬電視接收機(jī)的模式，因而對于模擬域的一些線性失真和非線性失真參數(shù)仍需監(jiān)控。

主要使用的儀器設(shè)備包括:Tektronix PSG－273 PAL模擬電視信號發(fā)生器和Tektronix VM700T電視信號綜合測量儀。該實(shí)驗(yàn)由模擬電視信號發(fā)生器產(chǎn)生各測試信號，經(jīng)視頻測試通道后，學(xué)生可用VM700T對視頻通道的幅頻、群時延特性、色－亮不等性等線性失真參數(shù)，以及亮度、色度非線性失真，DG，DP等非線性失真參數(shù)進(jìn)行測量［3］。

通過實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生建立《電視原理》課程中模擬電視信號結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識，理解模擬電視信道的頻率響應(yīng)特性，以及模擬電視信號中亮度、色度信號之間的組合關(guān)系及其在信道傳輸中的相互影響。

2.2 基帶串行數(shù)字電視SDI信號測量

數(shù)字電視信號一般可在單芯同軸電纜中進(jìn)行串行傳輸，由于數(shù)據(jù)率相對較高，要想在接收端可靠地恢復(fù)，信號應(yīng)當(dāng)在發(fā)送前予以整形，確保信號有良好的邊沿，從而可靠地恢復(fù)時鐘。被發(fā)送信號的低頻分量應(yīng)當(dāng)最小，能量頻譜得以展開，這樣才可確保后續(xù)RF傳輸問題最少。

主要使用的儀器設(shè)備包括:Tektronix TG700TV數(shù)字電視信號發(fā)生器和Tektronix VM700T電視信號綜合測量儀。該實(shí)驗(yàn)采用的是數(shù)字電視信號發(fā)生器，經(jīng)視頻測試通道后，可在VM700T上看到相應(yīng)數(shù)字電視SDI信號的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行眼圖測試［4］。

通過實(shí)驗(yàn)，可以看到《數(shù)字電視原理》課程中介紹的數(shù)字化傳輸?shù)男盘柼卣鳎⑼ㄟ^眼圖的測量對數(shù)字基帶信號傳輸中的模擬特征如信號電平、抖動等問題有直觀的認(rèn)識。可以幫助學(xué)生理解模擬電視信號、數(shù)字電視信號、數(shù)字(模擬)電視傳輸信號之間的區(qū)別與聯(lián)系。

2.3 MPEG－2 TS 傳輸碼流分析測量

數(shù)字電視傳輸與模擬傳輸?shù)淖畲髤^(qū)別在于不是隨著傳輸距離的增加漸近劣化，而是會有某個“崩潰”閾值點(diǎn)，因而僅依靠電視墻來檢測其播出內(nèi)容的“可見損傷”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了保障傳輸?shù)陌踩煽?，則需進(jìn)行MPEG－2傳輸碼流質(zhì)量的監(jiān)測和故障診斷。

實(shí)驗(yàn)室配備的測量儀器為:Tektronix公司的MPEG－2碼流分析儀AD954，可對MPEG－2碼流進(jìn)行實(shí)時分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了方便學(xué)生自己操作，主要使用的是碼流分析軟件進(jìn)行DVB傳輸流的離線分析實(shí)驗(yàn)，測試軟件包括:MPEG－2 TS Packet Analyser碼流分析軟件和Stream GURU MPEG Analyzer MPEG分析軟件。數(shù)字電視系統(tǒng)經(jīng)過信源編碼后，需打包復(fù)用成TS流再進(jìn)入信道中傳送，在接收端通過對TS碼流的節(jié)目特定信息(PSI)與業(yè)務(wù)信息(SI)的監(jiān)測分析，可以確保節(jié)目安全有效地按計劃播出。

通過實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生掌握《數(shù)字電視原理》課程中學(xué)習(xí)到的數(shù)字電視中的碼流復(fù)用原理，以及業(yè)務(wù)信息相關(guān)細(xì)節(jié)。業(yè)務(wù)信息是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)向接收設(shè)備傳遞與業(yè)務(wù)相關(guān)的信息，引導(dǎo)接收機(jī)在數(shù)字電視傳送流中搜尋節(jié)目，它是構(gòu)成電子節(jié)目指南(EPG)所必需的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)字衛(wèi)星電視射頻信號測量

數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸由其覆蓋面廣、信號質(zhì)量高、帶寬資源豐富等優(yōu)點(diǎn)已成為各電視臺間長途傳輸數(shù)字電視信號的主要方式，對于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，直播衛(wèi)星到戶的方式也成為這些地區(qū)居民逐漸走入數(shù)字電視時代可靠的傳輸手段［5］。

構(gòu)建數(shù)字衛(wèi)星電視接收部分的主要設(shè)備包括:衛(wèi)星接收天線、高頻頭、數(shù)字衛(wèi)星電視接收機(jī)。測試主要儀器為:Agilent MXA N9020A信號分析儀。在信號分析儀中選擇特定頻道如中心頻率、符號率、極化方式等基本參數(shù)，接收對應(yīng)的射頻信號。通過分析儀可觀測QPSK星座圖接收情況，并測量出誤差矢量幅度(EVM)，調(diào)制誤差比(MER)以及信噪比(SNR)等指標(biāo)。

通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可直觀地理解《電視傳輸與組網(wǎng)技術(shù)》課程中學(xué)習(xí)的QPSK調(diào)制技術(shù)，特別是信號星座點(diǎn)的概念，以及由星座圖測量的基本參數(shù)指標(biāo)。

2.5 數(shù)字有線電視射頻信號測量

數(shù)字有線電視是我國數(shù)字電視的主要傳輸方式，因而對有線數(shù)字電視的傳輸監(jiān)控有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義［5］。

構(gòu)建數(shù)字有線電視發(fā)送和接收部分的主要設(shè)備包括調(diào)制器、混頻器、光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、數(shù)字有線電視機(jī)頂盒等。測試儀器仍然選用:Agilent MXA N9020A信號分析儀。同樣設(shè)定中心頻率、符號率等基本參數(shù)，接收對應(yīng)的射頻信號，通過分析儀觀察64QAM星座圖接收情況，并由星座圖測量EVM、MER、SNR等指標(biāo)。數(shù)字有線電視射頻信號的測量與數(shù)字衛(wèi)星電視射頻信號的測量方法、指標(biāo)基本一致，因而需注意觀察2種傳輸方式的一些基本參數(shù)的差別，以及信號質(zhì)量的區(qū)別。

通過2個實(shí)驗(yàn)的對比，可以幫助學(xué)生理解《電視傳輸與組網(wǎng)技術(shù)》課程中學(xué)習(xí)到的各種傳輸方式的傳輸特點(diǎn)的區(qū)別，以及設(shè)定不同信道處理步驟的原因。

2.6 數(shù)字地面電視射頻信號測量

數(shù)字地面電視廣播是信道環(huán)境最為復(fù)雜的傳輸方式，因而對該傳輸方式各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的監(jiān)控尤為重要。地面廣播是標(biāo)準(zhǔn)最不統(tǒng)一的一種傳輸方式，各個國家和地區(qū)選用不同的信道處理及調(diào)制方式，作為教學(xué)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有條件選擇某一標(biāo)準(zhǔn)。

本實(shí)驗(yàn)室選擇了基于CMMB的系統(tǒng)，包括:CMMB信號發(fā)生器T5000、CMMB信道綜合測量儀和CMMB信號接收測量儀?？赏ㄟ^藍(lán)拓?fù)涞腃MMB信道綜合測量儀做CMMB射頻信號指標(biāo)的測試，通過CMMB信號接收測量儀做CMMB碼流信號的分析和測試。

數(shù)字地面廣播涉及到移動的無線通信，因而多徑干擾是信道處理過程中主要面臨的問題。地面廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要分為單載波和多載波兩大類，本實(shí)驗(yàn)選擇的多載波系統(tǒng)，可幫助學(xué)生理解《電視傳輸與組網(wǎng)技術(shù)》課程中多載波對抗多徑干擾的相關(guān)原理。

3 總結(jié)

本文主要討論的是數(shù)字電視系統(tǒng)中對各部分信號的測量實(shí)驗(yàn)，這部分實(shí)驗(yàn)有著較好的理論和現(xiàn)實(shí)意義。一方面，數(shù)字電視測量實(shí)驗(yàn)有著良好的教學(xué)意義。學(xué)生在其他的課程學(xué)習(xí)中對數(shù)字電視信號的處理及傳輸流程有概念性的了解，但對實(shí)際信號的特征、電視信號與最終顯示的圖像之間的聯(lián)系都缺乏直觀的認(rèn)識，通過電視測量實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生建立課本與實(shí)際的聯(lián)系。另一方面，數(shù)字電視測量實(shí)驗(yàn)有著顯著的實(shí)用價值。廣播電視教育，旨在培養(yǎng)數(shù)字電視系統(tǒng)建設(shè)維護(hù)人才，因而數(shù)字電視測量實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生適應(yīng)以后工作崗位有著積極作用。

當(dāng)然，整個數(shù)字電視系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)不僅僅是這部分測量實(shí)驗(yàn)［6］，還有信源壓縮編碼、非線性編輯、信道傳輸?shù)炔糠值膶?shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)可與對應(yīng)的理論課程配合開出。文中列出的測量實(shí)驗(yàn)也僅是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備設(shè)計的幾類典型實(shí)驗(yàn)，在未來實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)一步優(yōu)化過程中，可對這部分實(shí)驗(yàn)做補(bǔ)充和修改。

［1］盧官明，宗昉.數(shù)字電視原理［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］陳善移.數(shù)字視頻測量應(yīng)用技術(shù):基本篇［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［3］章文輝，王世平.數(shù)字視頻測量技術(shù)［M］.北京:北京廣播學(xué)院出版社，2003.

［4］余兆明，余智，李欣.數(shù)字電視測量［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［5］余兆明，余智.數(shù)字電視傳輸與組網(wǎng)［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［6］魯業(yè)頻，任玲芝，蔣全勝.數(shù)字電視實(shí)踐中若干問題之思考［J］.電視技術(shù)，2010，34(12):15－17.