基帶同步調(diào)制離散性分析及射頻同步應(yīng)用研究

呂文娟，劉衛(wèi)忠，馮卓明

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院電子系，湖北 武漢 430074)

基帶同步調(diào)制離散性分析及射頻同步應(yīng)用研究

呂文娟，劉衛(wèi)忠，馮卓明

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院電子系，湖北 武漢 430074)

目前基于多載波調(diào)制技術(shù)的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)，采用基帶碼流分配方式保證數(shù)據(jù)接收的可靠性，但存在調(diào)制離散性，長時延多徑等產(chǎn)生的同頻干擾問題。而基于射頻分發(fā)產(chǎn)生的射頻同步技術(shù)(RFST)為有效解決這些問題提供新的組網(wǎng)方案。通過對現(xiàn)有基帶同步的調(diào)制離散性分析，得出調(diào)制誤差率不一致對接收信號誤碼率的影響結(jié)果，并與采用RFST技術(shù)的單頻網(wǎng)系統(tǒng)方案進(jìn)行比較。理論推導(dǎo)表明，RFST技術(shù)保證各發(fā)射站點(diǎn)發(fā)射信號頻譜特性一致。而仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)測試結(jié)果表明，RFST技術(shù)有效降低誤碼率，因此此中、小功率覆蓋的方式可為小區(qū)域覆蓋提供了更優(yōu)性能的組網(wǎng)方案。

調(diào)制離散性；RFST；地面數(shù)字電視；單頻網(wǎng)

1 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)

地面電視的數(shù)字化使得構(gòu)建地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)(Single Frequency Network，SFN)成為可能。單頻網(wǎng)中若干個發(fā)射機(jī)在相同時間點(diǎn)上以同一頻率發(fā)送相同的無線信號，實(shí)現(xiàn)一定服務(wù)區(qū)域內(nèi)的可靠覆蓋[1]，具有頻譜利用率高、覆蓋質(zhì)量好、降低發(fā)射機(jī)功率等特點(diǎn)。然而發(fā)射機(jī)的嚴(yán)格同步對傳輸分配網(wǎng)絡(luò)也提出了相應(yīng)的要求。目前單頻網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式普遍采用基帶同步方式，即各基站分別對接收的基帶碼流進(jìn)行調(diào)制并同步發(fā)射，屬于傳輸碼流的數(shù)字分配。如圖1所示。

圖1 基帶同步碼流分配單頻網(wǎng)系統(tǒng)

上述組網(wǎng)方式針對覆蓋面積較小的區(qū)域，通常采用單點(diǎn)大功率發(fā)射站可完成基本覆蓋要求，多點(diǎn)小功率發(fā)射站進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)覆蓋盲區(qū)。該方案中，單點(diǎn)大功率的發(fā)射導(dǎo)致覆蓋盲區(qū)較多，信號覆蓋不均勻使得覆蓋盲區(qū)的站點(diǎn)建設(shè)尤為重要，在滿足補(bǔ)點(diǎn)覆蓋的要求下同時需要避免盲目建站帶來的投資浪費(fèi)。因此其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相對復(fù)雜，且大功率的發(fā)射更容易造成同頻干擾。

地面數(shù)字電視SFN組網(wǎng)要求各發(fā)射站點(diǎn)發(fā)射的射頻信號具有嚴(yán)格的時間、頻率和比特同步。本文針對基帶同步方式可能存在的調(diào)制離散性誤差，分析其關(guān)鍵指標(biāo)調(diào)制誤差率及誤碼率，并提出一種采用射頻同步方式且更適合較小覆蓋區(qū)域的組網(wǎng)方案。

2 基帶同步的調(diào)制離散性

由圖1可見，同一TS數(shù)據(jù)流通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到各發(fā)射站點(diǎn)，由于各激勵器之間調(diào)制的非線性，經(jīng)過數(shù)字電視激勵器和功率放大發(fā)射的射頻已調(diào)波信號，存在著調(diào)制離散性誤差。

輸出信號頻譜特性的差異可能導(dǎo)致接收機(jī)中同頻干擾的產(chǎn)生。對于模擬電視信號，同頻干擾將導(dǎo)致電視機(jī)畫面出現(xiàn)水波紋和網(wǎng)紋狀。數(shù)字電視信號由于其較強(qiáng)的糾錯編碼和抗干擾能力在一定程度上保證了減少了射頻已調(diào)波頻譜的多徑效應(yīng)。但在多重信號的覆蓋區(qū)域，若超過OFDM保護(hù)間隔的信號間場強(qiáng)差不大，同樣會造成同頻干擾[2]。因此，基帶同步方式容易存在同頻干擾。

2.1 MER與SNR的等效關(guān)系

正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)技術(shù)在地面數(shù)字電視信號傳輸信道中，可能引入包括IQ幅度不平衡、IQ正交不平衡、高斯噪聲、載波泄漏、相位噪聲等失真與干擾[3]。工程上，調(diào)制誤差率(Modulation Error Ratio， MER)是衡量數(shù)字電視系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)，反映數(shù)字電視信號經(jīng)傳輸后的損傷程度。MER的惡化是傳輸網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量惡化的最主要因素。

根據(jù)QAM調(diào)制機(jī)制，經(jīng)過信道編碼的數(shù)字電視信號TS碼流被QAM調(diào)制器分成I、Q兩路信號，相位相差90°。碼流中的每一個符號對應(yīng)IQ平面上的一個點(diǎn)，設(shè)接收理想符號的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)為(I，Q)，則相應(yīng)實(shí)際接收數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)為(I+ΔI，Q+ΔQ)，其中ΔI和ΔQ代表該符號理想位置(判決

區(qū)域中心)和實(shí)際接收點(diǎn)位置的距離。MER定義為數(shù)字電視信號的理想符號功率與噪聲功率之比

(1)

由上述MER定義表達(dá)式可推導(dǎo)出當(dāng)加性高斯噪聲(Additive White Gaussian Noise， AWGN)是造成QAM調(diào)制器的失真的原因時，MER與信號噪聲功率比(Signal Noise Ratio，SNR)等效。信噪比SNR是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，而在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中，引起失真的原因種類多樣，無法直接測量，因此在工程中通常使用調(diào)制誤差率測試儀器測量MER值反映信號質(zhì)量，替代SNR的系統(tǒng)性能指標(biāo)作用。

以DVB-T系統(tǒng)為例，針對單點(diǎn)收發(fā)的地面數(shù)字電視傳輸鏈路MATLAB模型如圖2所示，其中Data source為188 byte一幀的隨機(jī)數(shù)字序列，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼、64QAM和OFDM調(diào)制后被接收機(jī)解調(diào)解碼。將信號噪聲功率比SNR設(shè)置為 0～20 dB 以1 dB步進(jìn)增長，測得MER隨SNR變化的數(shù)據(jù)曲線圖如圖3所示。

由數(shù)據(jù)結(jié)果推導(dǎo)該曲線近似滿足下式

MER=(SNR+1.359)(dB)

(2)

驗(yàn)證了僅存在高斯噪聲的情況下，MER值可等效為SNR，且通過設(shè)置SNR值來對MER進(jìn)行改變，便于后續(xù)仿真分析。

圖2 數(shù)字電視信號單點(diǎn)發(fā)射傳輸鏈路模型

圖3 MER隨SNR增長呈近似線性關(guān)系圖

2.2 調(diào)制離散性對信號接收性能的影響

在基帶同步方式中，A、B基站發(fā)射的RF信號存在二者M(jìn)ER不一致，即存在調(diào)制度誤差的情況，從而影響接收信號的質(zhì)量。仍以DVB-T系統(tǒng)為例，其地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)的雙發(fā)射站MATLAB仿真模型如圖4所示。其中Data source為188 byte一幀的隨機(jī)數(shù)字序列，在各發(fā)射站點(diǎn)完成標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼、64QAM和OFDM調(diào)制后，經(jīng)過傳輸信道被接收機(jī)接收并解調(diào)解碼，將還原信號與原始信號進(jìn)行誤碼率(Bit Error Ratio，BER)計算。

為分析經(jīng)過發(fā)射機(jī)中激勵器調(diào)制后發(fā)射站間調(diào)制度誤差對接收信號質(zhì)量的影響，可通過設(shè)置兩站輸出信號的SNR值不同，來實(shí)現(xiàn)MER的不一致。當(dāng)A、B兩發(fā)射站不存在調(diào)制度誤差，即保證兩站發(fā)射信號MER相同，其接收信號BER隨發(fā)射信號MER的增長如同4中的100%MER曲線所示。當(dāng)考慮A、B兩發(fā)射站存在調(diào)制度誤差時，設(shè)置B站發(fā)射信號MER相對A站分別劣化1%，5%和10%，得到接收信號BER隨A站標(biāo)準(zhǔn)MER的增長變化如圖5中的曲線所示。觀測保證低誤碼率即MER=15 dB左右的曲線可知，當(dāng)發(fā)射信號MER劣化1%時，仿真中需要將MER提高0.2 dB才能保證近10-3的低誤碼率接收效果，而劣化5%時則需要提高 0.5 dB 保證低誤碼率。根據(jù)仿真結(jié)果，保證低誤碼率時，兩發(fā)射站MER一致可提高接收信號BER，劣化越明顯，信號質(zhì)量提高越明顯。

圖4 調(diào)制離散性分析仿真模型

圖5 MER的劣化程度與BER的關(guān)系

而隨著A、B兩發(fā)射信號的調(diào)制離散性誤差ΔMER增大，接收信號BER劣化程度如圖6所示。根據(jù)仿真結(jié)果可得，在保證低誤碼率10-3時，當(dāng)1個發(fā)射站的射頻信號MER劣化 1 dB， 其誤碼率降低近1倍，且調(diào)制離散性ΔMER越大，誤碼率增長越快。

圖6 BER隨ΔMER的變化曲線圖

這里需要特別提到的是，我國發(fā)射機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)要求其輸出的射頻信號MER值不小于32 dB，激勵器輸出不小于 36 dB[4]， 與上述仿真的MER設(shè)置值相差甚遠(yuǎn)。因?yàn)樵趯?shí)際工程中，發(fā)射站臺激勵器除調(diào)制器外還包括功率放大等模塊，存在的線性失真和非線性失真種類繁多，因此相應(yīng)對發(fā)射機(jī)MER值的要求也要大幅提高。

3 射頻同步技術(shù)RFST

針對基帶同步中，發(fā)射信號MER的不一致導(dǎo)致誤碼率增加，從而提高接收門限，最終影響接收信號性能的問題。而基于射頻同步技術(shù)(RF Synchronization Technology， RFST)的地面數(shù)字電視廣播單頻組網(wǎng)方案，則采用射頻信號集中產(chǎn)生方式，將集中調(diào)制后的射頻已調(diào)波信號分發(fā)至各基站，各基站進(jìn)行射頻同步延時處理后同頻發(fā)射。系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 射頻同步地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)是各基站接收同一數(shù)字電視激勵器(主站)分發(fā)的射頻已調(diào)波信號，并以同一頻率發(fā)射出去，保證各基站信號交疊區(qū)的接收信號頻譜特性一致，即MER一致。而各基站經(jīng)過數(shù)字存儲延時，預(yù)失真線性等處理，保證時間同步。因此，該方案滿足SFN組網(wǎng)要求。射頻分發(fā)可以多點(diǎn)中小功率寬帶發(fā)射機(jī)協(xié)同工作，降低發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)均勻的信號覆蓋，減少同頻干擾和覆蓋成本。

3.1 射頻拷貝傳輸技術(shù)

射頻同步方式中，射頻同步需要保證A，B基站發(fā)射的RF信號調(diào)制度一致，頻譜特性一致。射頻拷貝技術(shù)原理圖如圖8所示。

圖8 射頻拷貝技術(shù)原理框圖

射頻已調(diào)信號Sm(t)經(jīng)上變頻器混頻后，得到混頻產(chǎn)物S1(t)和可能存在的載波泄漏。其中S1(t)包含上下兩邊帶

S1(t)=Sm(t)×cos[ωct+θc(t)]=

Sm(t){cosωct×cosθc(t)-sinωct×sinθc(t)}=

(3)

濾除下邊帶后，兩接收端信號包含泄漏載波分量和上邊帶分量

S2(t)=A·cos[ωct+θc(t)]+

B·Sm(t)ejωct(cosθc(t)+jsinθc(t))

(4)

利用泄漏載波分量與上邊帶分量得到的混頻產(chǎn)物包括一系列高頻信號和中頻信號IFout。經(jīng)低通濾波器后得到中頻信號。其中

Sm(t)ejωct(cosθc(t)+jsinθc(t))=

(5)

由式(5)推導(dǎo)結(jié)果可知，在本振信號保證同頻同相下，IFout與主站射頻已調(diào)信號Sm(t)頻譜特性一致。

3.2 數(shù)字射頻同步處理

信號接收時間不一致，頻率偏移和數(shù)據(jù)差錯是導(dǎo)致單頻網(wǎng)系統(tǒng)性能差的重要因素[5]。射頻拷貝處理過程保證了兩基站接收信號的頻譜特性相同，即同頻同比特，在各基站僅需完成RF信號的時間同步。利用雷達(dá)電子對抗領(lǐng)域的數(shù)字射頻存儲(Digital Radio Frequency Memory， DRFM)技術(shù)，在發(fā)射端進(jìn)行數(shù)字電視射頻信號的精密存儲延時和無失真?zhèn)鬏敗?/p>

接收端接收兩基站發(fā)射的RF信號是否存在時差取決于發(fā)射機(jī)時刻偏移和與接收端的相對位置。時刻偏移是指碼流信號經(jīng)節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)到達(dá)各發(fā)射站時的時刻差異，其確定可根據(jù)如GPS接收提供的時間信息。設(shè)A、B發(fā)射站接收同一數(shù)字電視激勵器發(fā)射RF信號的時刻為：Ta，Tb。而根據(jù)收發(fā)端地理位置、環(huán)境和發(fā)射功率等參數(shù)確定的延時固定為Da，Db。數(shù)字射頻同步延時處理是將RF信號數(shù)字下變頻到中頻信號，經(jīng)過DSP存儲延時處理，增加各自時延再轉(zhuǎn)換為RF信號發(fā)射出去，增加的延時保證接收端接收信號的時刻一致。

當(dāng)A、B兩發(fā)射站使用射頻同步方式時，理論上不存在調(diào)制度誤差，即保證兩站MER保證相同，其BER隨MER的變化如圖5中的100%MER曲線所示。

3.3 射頻同步實(shí)驗(yàn)網(wǎng)

為評估射頻同步技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字電視廣播單頻組網(wǎng)覆蓋中的實(shí)際效果，本試驗(yàn)網(wǎng)分別以傳統(tǒng)基帶碼流分配方式和射頻集中分發(fā)技術(shù)構(gòu)建CMMB單頻網(wǎng)，并采用移動路測手段，對兩種工作方式的實(shí)際覆蓋效果，進(jìn)行評估比較。在試驗(yàn)網(wǎng)中，同頻發(fā)射臺站距離為38 km，場強(qiáng)差小于8 dB的區(qū)域，絕大多數(shù)地區(qū)落在51.2 μs的雙曲線保護(hù)間隔以內(nèi)，符合單頻網(wǎng)組網(wǎng)覆蓋要求。以光纖構(gòu)建節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)為例，在該網(wǎng)中選取東西向線路移動接收相同測試數(shù)據(jù)的接收效果如表1所示。表中LDPC誤塊率和RS誤塊率記錄落在0～0.02的次數(shù)，信噪比錄入高于15 dB的次數(shù)，功率電平錄入低于 -60 dB 的次數(shù)。

表1 基帶同步與射頻同步試驗(yàn)網(wǎng)接收效果比較次數(shù)

由表1可見，盡管信噪比劣化，但射頻同步的誤碼率明顯低于基帶同步，最小接收功率電平更低，證明其靈敏度更高。根據(jù)路測儀記錄顯示，在兩發(fā)射臺的覆蓋的8 dB相干區(qū)域內(nèi)，傳統(tǒng)單頻網(wǎng)方式存在誤塊率。CMMB接收機(jī)偶然出現(xiàn)馬賽克或停頓現(xiàn)象。而由光纖構(gòu)建的已調(diào)波同頻譜組網(wǎng)模式，在整個路測過程中，路測儀未顯示明顯誤塊率，CMMB接收機(jī)圖像始終流暢，未出現(xiàn)過馬賽克和畫面停頓。

4 總結(jié)

射頻同步分配方式保證各發(fā)射站點(diǎn)發(fā)射信號頻譜特性一致，接收時間一致，從而在不產(chǎn)生同頻干擾的前提下提高接收信號質(zhì)量，解決基帶同步碼流分配方式中因調(diào)制度離散性而產(chǎn)生的誤碼率增加。該技術(shù)為較小覆蓋區(qū)域的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)單頻網(wǎng)提供了更優(yōu)的組網(wǎng)方案，特別針對山區(qū)復(fù)雜地形和城市多建筑遮擋的環(huán)境。在減省數(shù)字激勵器等設(shè)備的同時降低建網(wǎng)工程復(fù)雜度和成本，降低發(fā)射功率以提升覆蓋效果和信號質(zhì)量。當(dāng)然該方案的關(guān)鍵還在于射頻延時處理器的精準(zhǔn)度，配合GPS、北斗等衛(wèi)星系統(tǒng)提供的基準(zhǔn)時間頻率，也是不難實(shí)現(xiàn)的。

[1] 楊知行，王軍，王昭誠，等. 數(shù)字電視傳輸技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

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責(zé)任編輯：時 雯

Research on Performance Analysis of Base-band Synchronization and Comparison with RFST

Lü Wenjuan，LIU Weizhong，F(xiàn)ENG Zhuoming

(DepartmentofElectronics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Single Frequency Network (SFN)of territorial digital TV，utilizing multi-carrier modulation，is usually based on base-band TS stream distribution to ensure the data reliability， but it still has problems on modulation discreteness， co-channel interference caused by long delay time. Radio Frequency Synchronization Technology (RFST) can solve these problem based on RF signal distribution. The relationships between modulation discreteness and BERs of base-band synchronization is analyzed and the results to RFST are compared. With results from theoretical derivation，simulink tests and trial project network prove that RFST offers a more excellent networking scheme of the small area coverage for Digital Video Broadcasting-Territorial (DVB-T)，by ensuring the identical spectral characteristics of RF signals from different stations and reducing BER.

modulation discreteness；radio frequency synchronization technology； DVB-T；single frequency network

【本文獻(xiàn)信息】呂文娟，劉衛(wèi)忠，馮卓明.基帶同步調(diào)制離散性分析及射頻同步應(yīng)用研究[J].電視技術(shù),2015，39(11).

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60902006)；華中科技大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2012QN152)

TP949

A

10.16280/j.videoe.2015.11.021

2014-12-15