數(shù)字電視信號(hào)的發(fā)射與接收技術(shù)

王人磊

(昆明廣播電視臺(tái) 技術(shù)部，云南 昆明 650118)

伴隨信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，模擬電視被數(shù)字電視所替代成為趨勢(shì)［1］。彩色電視的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)尤其是接收機(jī)的電路構(gòu)成、性能指示標(biāo)準(zhǔn)及其余重要參數(shù)均是為了適應(yīng)接收殘留邊帶調(diào)幅和隔頻道的傳輸。因此接收有線電視信號(hào)存在如下問(wèn)題:(1)接收不到增補(bǔ)頻道的電視信號(hào)。(2)不能有效地接收交互式電視信號(hào)和數(shù)字電視信號(hào)。數(shù)字電視信號(hào)是數(shù)據(jù)流傳輸，與模擬電視信號(hào)完全不同，普通彩電無(wú)法接收，即使在熱門(mén)的市場(chǎng)炒作“高清”電視，“數(shù)字”電視，也無(wú)法接收數(shù)字電視信號(hào)［2］。接收數(shù)字電視信號(hào)，目前應(yīng)用中間有兩種常見(jiàn)的方式:(1)是機(jī)頂盒配套普通電視機(jī)，這也是市場(chǎng)上最常見(jiàn)的一種實(shí)現(xiàn)方式。(2)是能接收使用一種新的電視機(jī)的數(shù)字電視信號(hào)。目前，這兩個(gè)接收模擬電視信號(hào)的兼容電視已在市場(chǎng)普及［3］。

1 數(shù)字電視信號(hào)的激發(fā)方式

目前，衛(wèi)星廣播電視系統(tǒng)是由車(chē)載設(shè)備，上行鏈路傳輸設(shè)備和配套的地面接收系統(tǒng)組成［4］。由上行鏈路傳輸站節(jié)目制作中心負(fù)責(zé)發(fā)送該衛(wèi)星實(shí)時(shí)信號(hào)，且該衛(wèi)星控制板載設(shè)備，包括衛(wèi)星天線使用的收發(fā)器，電源轉(zhuǎn)/發(fā)器車(chē)載控制設(shè)備;而對(duì)于地面接收系統(tǒng)而言，其包括一個(gè)負(fù)責(zé)接收的裝置組、接收天線、各個(gè)接收器、不同功率容量的有線數(shù)字電視系統(tǒng)的無(wú)線電中繼站等設(shè)備。

1.1 電視信號(hào)上行站系統(tǒng)的傳輸方式

用于發(fā)送信號(hào)的上行鏈路站系統(tǒng)目前有兩種電視信號(hào)，即單載波(Single Channel Per Carrier，SCPC)模式和多載波(Multiple Channel Per Carrier，MCPC)模式。單載波模式中，每個(gè)載波僅可傳輸廣播電視信號(hào)，控制電視信號(hào)的傳輸次數(shù)，應(yīng)答器需要有載流子的數(shù)目。其優(yōu)點(diǎn)是，節(jié)目的所有目標(biāo)可在星上的不同位置實(shí)現(xiàn);多載波模式中，每個(gè)載波可同時(shí)傳輸多套廣播電視信號(hào)，其具有只需一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)載波，諧波干擾問(wèn)題不會(huì)在一個(gè)多載波上存在，頻帶和功率利用率相對(duì)較高。但其缺點(diǎn)是有多個(gè)程序，才能實(shí)現(xiàn)在相同的位置上使不同位置上星。

同步數(shù)字體系其實(shí)是一種光纖傳輸系統(tǒng)，基本概念是同步傳輸模塊(STM－1，155 Mbit·s－1)，由信息區(qū)段，卡扣指針結(jié)構(gòu)的有效載荷模塊開(kāi)銷(xiāo)構(gòu)成，主要特點(diǎn)是利用虛擬容器的方式和所有的PDH 系統(tǒng)兼容。其有一個(gè)統(tǒng)一的接口和一組全球網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息標(biāo)準(zhǔn)化分層結(jié)構(gòu)，且具有豐富的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)服務(wù)于管理和維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)位;另外，同步多路結(jié)構(gòu)被使用，且還具有一個(gè)橫向的兼容性，這是理想的下一代傳輸系統(tǒng)，可以是靈活且動(dòng)態(tài)的，因此可適用于任何多變的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)［5］。

在系統(tǒng)中，視頻、音頻和數(shù)據(jù)的處理將與節(jié)目一起使用多路復(fù)用發(fā)送，其被組合成符合MPEG－2 標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)目流。在SCPC 系統(tǒng)中，使用1∶1 的備份模式，通過(guò)同軸開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，可同時(shí)傳送3 套節(jié)目。

3G 是指以支持蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)［6］。3G 服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音和數(shù)據(jù)信息，超過(guò)幾百kbit·s－1的一般速率。3G 是指下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，例如無(wú)線通信和多媒體通信與因特網(wǎng)。3G技術(shù)可提供一個(gè)高帶寬空間，帶寬可被用于電視信號(hào)壓縮編碼，以合理和有效的方式來(lái)獲得正確的信號(hào)。當(dāng)然，需利用通信運(yùn)營(yíng)商可用來(lái)傳輸?shù)碾娨曅盘?hào)。

圖1 利用3G 技術(shù)進(jìn)行電視信號(hào)傳輸流

在各個(gè)節(jié)目源和節(jié)目復(fù)用器編碼時(shí)進(jìn)行編碼分別復(fù)用成一個(gè)節(jié)目流復(fù)用器，然后發(fā)送傳輸信號(hào)，在傳輸流多路轉(zhuǎn)換器調(diào)解各個(gè)節(jié)目混入的傳輸流。傳送節(jié)目復(fù)用器或解復(fù)用器輸出的傳輸數(shù)據(jù)包被發(fā)送到衛(wèi)星通道適配器部分。該部分可實(shí)現(xiàn)以下3 個(gè)功能:復(fù)用適配和能量擴(kuò)散、基帶整形和前向糾錯(cuò)編碼、正交相移鍵控調(diào)制。

1.2 星載設(shè)備

星載設(shè)備的整體體積不能過(guò)大，且不能占據(jù)較多的空間，要具備較為輕便的重量以及較高的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)效率，主要由3 部分組成，分別是提供電能的星載電源、收發(fā)信號(hào)的天線及信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器。一般用于提供電能的是硅太陽(yáng)能電池，但是其的劣勢(shì)在于，電池的正反兩面接收到的太陽(yáng)光能不同，導(dǎo)致溫差較大，具體數(shù)據(jù)約為2 000 ℃，且在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到太空中多種微粒的干擾，在此惡劣環(huán)境中約運(yùn)行7 年之后，輸出功率就會(huì)降低到原來(lái)的7 成左右，嚴(yán)重影響星載設(shè)備的使用質(zhì)量及壽命。由于空間以及重量的限制，所使用的天線一般情況下控制為一副，且對(duì)其性能要求較高，要求可靠穩(wěn)定，受太空環(huán)境的影響較小。

星載轉(zhuǎn)發(fā)器具體的工作原理為［7］，對(duì)經(jīng)過(guò)單載波以及多載波方式上行到的電視信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一接收，經(jīng)一定的放大作用及變頻作用之后，在功率較大的環(huán)境中，再次對(duì)其進(jìn)行放大操作與控制，接著通過(guò)天線進(jìn)行輻射，并向指定的位置傳送已處理好的電視信號(hào)。在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，若將較多噪音添加進(jìn)去，則電視信號(hào)就會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)之間有較大的誤差，對(duì)電視信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

數(shù)字信號(hào)的傳輸過(guò)程主要由星載用收發(fā)天線、星載用轉(zhuǎn)發(fā)器和星載電源進(jìn)行控制。每一個(gè)設(shè)備均是保證數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵，而隨著技術(shù)的不斷完善，其工作效率也在不斷提高。

2 數(shù)字信號(hào)接收系統(tǒng)

數(shù)字信號(hào)接收方法與模擬信號(hào)接收方法在接收系統(tǒng)上有相似之處，均包括室外部分和接收機(jī)兩大部分。如圖3 所示。

2.1 接收天線與饋源

一般將接收電視信號(hào)的天線放在室外，常見(jiàn)的有拋物面型以及橢圓的偏饋型天線，而前者又可分為花費(fèi)成本低但折損率高的前饋型天線以及可用于衛(wèi)星通信地球站的后饋型天線。在HEMT 等器件生產(chǎn)應(yīng)用之后，能降低前饋型天線的噪音及高溫，提高其質(zhì)量，避免較高的折損率。

后者的饋源在天線的中央稍偏的位置，因此叫做偏饋型，其中間的深度較小，可利用沖壓等工藝制作成一個(gè)整體，有較高的效率及增益。饋源有多種狀，一般為波紋、角錐、圓錐喇叭等，其位于天線的聚焦處，外面有一層塑料罩對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，需盡可能均勻且全面準(zhǔn)確的反饋射到天線。除此之外，角度應(yīng)接近零以便高效率地接收到其電磁波信號(hào)，而信號(hào)的類(lèi)型不同，對(duì)饋源的要求也不盡相同。饋源分別為正饋及偏饋時(shí)，其波紋狀也不同，分別是水平狀及漏斗狀。

圖2 數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)的接收示意圖

2.2 高頻頭

在選用高頻頭時(shí)，要遵循3 個(gè)原則:首先，產(chǎn)生的噪音溫度低;其次，星載設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)頻率有多大，高頻頭也應(yīng)盡量與其在相同的工作范圍內(nèi)，一般情況下Ku 波段的頻率約在10 ～13 GHz 范圍內(nèi)，C 波段的頻率在3.7 ～4.2 GHz 范圍內(nèi)。將高頻頭放置在室外，受到環(huán)境的影響較大，因此要求其振動(dòng)頻率小，由此引發(fā)的噪音要盡量較小，且可靠穩(wěn)定。高頻頭對(duì)天線饋源傳送的信號(hào)進(jìn)行變頻放大操作，主要依賴(lài)其中的下變頻器以及微波放大器等部分。

2.3 室內(nèi)部分的數(shù)字衛(wèi)星電視接收機(jī)

(1)調(diào)諧器設(shè)備。通過(guò)主要從室外單元中一個(gè)衛(wèi)星頻道選擇頻率和接收發(fā)送到第一中頻信號(hào)，然后變換成第二IF 或零IF 信號(hào)輸出RF 有線電視的調(diào)諧器。該模塊由一個(gè)跟蹤濾波器、低噪聲放大器、混頻器、本地振蕩器表面聲波濾波器和其他電路組成;第二中頻信號(hào)，其頻率為479.5 MHz 的輸出。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，零輸出IF 計(jì)劃逐漸取代了模型電路。

(2)信道的解碼和解調(diào)。在信道解碼模塊的傳輸系統(tǒng)中，其功能是從載波頻率恢復(fù)和時(shí)鐘校正在模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過(guò)程中的錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致在正確的采樣值中。本模塊的另一個(gè)作用是糾正在傳輸中的一些錯(cuò)誤代碼，從而使傳輸更加安全可靠，用于解復(fù)用傳輸流，以提供無(wú)誤差電路，從而保證了圖像信號(hào)的質(zhì)量和聲音。

(3)多工復(fù)用解。該模塊對(duì)應(yīng)的多復(fù)用模塊傳輸系統(tǒng)。其解復(fù)用關(guān)系主要是根據(jù)定義進(jìn)行操作的特殊傳輸流語(yǔ)法使用PAT 和PMT 表。通常意義上而言，是復(fù)用分兩級(jí)，所以將會(huì)有兩個(gè)級(jí)別的解復(fù)用和復(fù)用過(guò)程:其一是傳輸流解復(fù)用，結(jié)果是產(chǎn)生新的節(jié)目流，節(jié)目流的視頻;其二則是將音頻一些分離的服務(wù)信息數(shù)據(jù)傳輸給源解碼的模塊。

(4)信源解碼部分。信源解碼部分又包含兩部分:第一是音頻解壓縮，第二個(gè)就是視頻解壓縮。通常，為能得到標(biāo)準(zhǔn)的壓縮視頻流、視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)流，會(huì)根據(jù)MPEG－2 解碼算法作出編碼的音頻流。

(5)視頻編碼和音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換。為使傳統(tǒng)模擬電視能正常進(jìn)行，需通過(guò)視頻編碼器編碼進(jìn)行分析亮度信號(hào)和色差信號(hào)，而其輸出是為了能產(chǎn)生NTSC 或PAL 等視頻信號(hào)。然后，再經(jīng)過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換器解碼所恢復(fù)的數(shù)字音頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換為模擬形式的音頻信號(hào)到電視以再現(xiàn)所要執(zhí)行的聲音。

(6)32 位CPU。在一些相對(duì)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)接收系統(tǒng)中，那些具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力且需隨時(shí)交換數(shù)據(jù)的相關(guān)模塊，具有高的傳輸速度和處理能力是基本要求。另一方面，為了更好地使用戶(hù)與設(shè)備之間達(dá)成互動(dòng)，也需要強(qiáng)大的屏幕上圖形界面。因此，32 位CPU被業(yè)界采納，其功能強(qiáng)大，速度快，主要的功能完成如下:控制信道解調(diào)和解碼，電子調(diào)諧系統(tǒng)的選擇，信源解碼，解復(fù)用等多模塊的工作，并協(xié)調(diào)這些模塊，使其可更及時(shí)的響應(yīng)和處理用戶(hù)的操作指令。

數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)的接收有如下特點(diǎn):

(1)下行頻率方面數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)多采用Ku波段，信號(hào)受降雨影響較大，Ku 波段是衛(wèi)星廣播的最佳波段，并即將推廣使用衛(wèi)星廣播主帶。其具有大容量，寬頻率范圍，接收天線孔徑小的Ku 波段信號(hào)，發(fā)射功率將不受其他條件限制，但降雨因素對(duì)信號(hào)傳輸更大，雨的影響衰減比C 波段大得多。

(2)雖然信號(hào)強(qiáng)度較弱，但拋物面接收天線并不需要一個(gè)大的光圈，盡管功率轉(zhuǎn)發(fā)Ku 波段下行鏈路的衛(wèi)星信號(hào)不限定，但由于數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)頻帶被壓縮較窄，其只有一個(gè)模擬電視信號(hào)可傳輸?shù)?6 MHz帶寬，在單信道單載波的情況下，其可被用來(lái)傳播5 套數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)。因此，6 MHz 的帶寬在傳播五套電視信號(hào)的同時(shí)，其結(jié)果是實(shí)際信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)小于地面模擬衛(wèi)星電視信號(hào)接收器的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這會(huì)帶來(lái)諸多不便。由于增益比Ku 波段天線C 波段高，尤其是當(dāng)所接收的信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)接收器的閾值時(shí)，所接收的信號(hào)與天線孔徑的Ku 波段天線直徑無(wú)直接關(guān)系的數(shù)字衛(wèi)星電視接待不超過(guò)管腔能獲得滿意的接收。

(3)接收的數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)，這大幅增加了接收的次數(shù)，但“尋星”的處理將變得更困難，所謂“尋星”是迄今為止拋物面天線對(duì)準(zhǔn)接收數(shù)字電視信號(hào)35 656 km地球同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的。現(xiàn)在衛(wèi)星可接收的數(shù)字電視信號(hào)可達(dá)到4 ～5 顆，而接收每個(gè)衛(wèi)星節(jié)目一般有十多套數(shù)字電視信號(hào)甚至于幾十套，有的比模擬衛(wèi)星電視信號(hào)強(qiáng)。然而，為接收所述處理的數(shù)字電視衛(wèi)星信號(hào)“尋星”比接收模擬衛(wèi)星電視信號(hào)要困難。

主要有以下幾點(diǎn)原因:

(1)用于數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)接收的一組特定節(jié)目，地面場(chǎng)強(qiáng)比模擬衛(wèi)星電視信號(hào)要弱。此時(shí)，當(dāng)拋物面天線接收信號(hào)時(shí)，達(dá)不到衛(wèi)星接收信號(hào)要求或所接收的信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星接收機(jī)閾的水平，則此時(shí)將不會(huì)收到任何聲音和圖像，這與模擬衛(wèi)星電視信號(hào)的接收方式相比所不同。對(duì)于模擬衛(wèi)星電視信號(hào)，當(dāng)信號(hào)接收?qǐng)鰪?qiáng)弱，只會(huì)影響圖像和音頻信號(hào)。

(2)為了提高頻譜效率，在模擬電視信道同時(shí)傳輸多套數(shù)字衛(wèi)星電視節(jié)目時(shí)，所謂的數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)也必須是高壓縮率的編碼和解碼技術(shù)?？扇菀椎孬@得，當(dāng)數(shù)字電視信號(hào)壓縮功能更強(qiáng)大時(shí)，使其占據(jù)的窄頻帶中，更加難以確保傳輸質(zhì)量。為了能傳輸窄帶條件下沒(méi)有的相關(guān)信息，這勢(shì)必將增加其傳輸速率損失。

(3)數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)是一個(gè)數(shù)據(jù)流的信號(hào)，為保證傳輸?shù)目煽啃裕仨毷褂枚喾N差錯(cuò)檢測(cè)、糾錯(cuò)編碼步驟，例如所羅門(mén)·里德編碼，卷積編碼，交織和編碼技術(shù)，但這些措施將會(huì)帶來(lái)更大的不便。當(dāng)實(shí)際接收時(shí)，即使該場(chǎng)強(qiáng)在比閾值電平高的數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)中，必須接收該正確的代碼，從而正確地譯碼電視圖像和音頻輸入。

(4)當(dāng)有相當(dāng)數(shù)量的數(shù)字衛(wèi)星電視節(jié)目被加密時(shí)，此時(shí)只有被授權(quán)的客戶(hù)可接收電視節(jié)目進(jìn)行觀看。在接收到加密的電視節(jié)目時(shí)，用戶(hù)必須事先申請(qǐng)相關(guān)程序許可，以獲取特殊的解碼器，并輸入正確的密鑰或智能卡，由此才能收看加密的電視節(jié)目。

3 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著我國(guó)數(shù)字電視的不斷普及發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字電視的信號(hào)穩(wěn)定性傳輸不僅是其發(fā)展過(guò)程中不容忽視的關(guān)鍵性問(wèn)題之一，且還決定了數(shù)字電視的兼容性及其清晰性。當(dāng)然，為了進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)數(shù)字電視傳輸技術(shù)的發(fā)展，必須加大自主研發(fā)力度，引進(jìn)創(chuàng)新機(jī)制，借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。

［1］ 蘇志武，周師亮.廣播電視傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:新華出版社，2001.

［2］ 陳國(guó)平.衛(wèi)星數(shù)字電視系統(tǒng)缺陷及解決思路研究［J］.中國(guó)集成電路，2007(12):81－83.

［3］ 胡波霞.城鄉(xiāng)有線數(shù)字電視在模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)踐中技術(shù)問(wèn)題分析［J］.中國(guó)有線電視，2010(2):124－129.

［4］ 周健.有線數(shù)字電視技術(shù)模式的思考［J］.廣播與電視技術(shù)，2004(9):42－44，15.

［5］ 曹玉良.數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)［J］.電視技術(shù)，2008(6):40－43.

［6］ 翟向麗.中國(guó)數(shù)字電視的發(fā)展［J］.河南科技:上半月，2007(10):18.

［7］ 關(guān)旭東.硅集成電路工藝基礎(chǔ)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2003.