廣播電視信號(hào)無(wú)線發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用分析

韓 超

（山西廣播電視無(wú)線管理中心7402臺(tái)，山西 晉中 045300）

0 引 言

與傳統(tǒng)有線發(fā)射技術(shù)相比，信號(hào)無(wú)線發(fā)射技術(shù)突破了成本高、維護(hù)困難、單線程傳輸信號(hào)等局限性，實(shí)現(xiàn)了更加智能化與便利化的轉(zhuǎn)型[1]。無(wú)線發(fā)射技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于廣播電視信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)到面的高覆蓋度，使得廣播電視節(jié)目播放更加流暢、清晰?；跓o(wú)線發(fā)射技術(shù)，通信系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間感知到系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，以便相關(guān)人員及時(shí)采取補(bǔ)救措施，保證廣播電視節(jié)目的有效播放。

1 基于無(wú)線發(fā)射技術(shù)的廣播電視信號(hào)傳播

1.1 廣播電視信號(hào)采集

廣播電視信號(hào)發(fā)射與接收可以看作是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，利用無(wú)線發(fā)射技術(shù)在數(shù)字-模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換通道中將讀取的數(shù)據(jù)暫存到雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）的信號(hào)緩沖區(qū)[2]。雙口RAM可將轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)區(qū)0x0000～0x7fff，若該存儲(chǔ)區(qū)的空間被信號(hào)數(shù)據(jù)寫滿，則其將會(huì)向數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)射模塊的內(nèi)核控制器發(fā)送數(shù)據(jù)讀取標(biāo)志flag，目的是向無(wú)線發(fā)射模塊傳達(dá)可以進(jìn)行讀取信號(hào)的指令。無(wú)線發(fā)射模塊持續(xù)采集廣播電視的傳播信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)據(jù)寫入下一存儲(chǔ)區(qū)間0x8000～0xffff中，當(dāng)這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間被寫滿后，再次向無(wú)線發(fā)射端的內(nèi)核控制器發(fā)送允許讀取該區(qū)間內(nèi)信號(hào)數(shù)據(jù)的指令，然后將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)繼續(xù)寫入到被讀取完畢的0x0000～0x7fff區(qū)間。通過(guò)分別交替對(duì)2個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間中的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入與讀取操作，既可以避免信號(hào)數(shù)據(jù)在讀寫之間的沖突，又提高了2個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間的數(shù)據(jù)交換效率[3]。在將數(shù)字/模擬（Digital/Analog）轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)據(jù)寫入到RAM端口的同時(shí)，檢測(cè)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的下1個(gè)秒脈沖信號(hào)是否有效。若是有效脈沖，則直接觸發(fā)外部中斷0，重新啟動(dòng)定時(shí)器中斷，并采集下1 s的廣播電視信號(hào)，通過(guò)反復(fù)操作實(shí)現(xiàn)對(duì)廣播電視信號(hào)數(shù)據(jù)的同步采集。

1.2 廣播電視信號(hào)建模

根據(jù)采集到的廣播電視傳播信號(hào)數(shù)據(jù)，針對(duì)整個(gè)通信發(fā)射系統(tǒng)建立信號(hào)模型，具體如圖1所示。

圖1 廣播電視發(fā)射信號(hào)模型

圖1中，信號(hào)發(fā)射圓周上共包含N個(gè)頻譜陣元，采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)i從0～N-1向外擴(kuò)散；X1表示第l（l=0,1,…,N-1）個(gè)陣元上發(fā)射的模態(tài)信號(hào)；表示在陣元l下，第j個(gè)模態(tài)相對(duì)應(yīng)的相位狀態(tài)位移因子；hti表示信號(hào)從第t個(gè)陣元信號(hào)發(fā)射端口經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸端到地面接收端的有線信道傳輸參數(shù)；表示信號(hào)從第t個(gè)陣元信號(hào)發(fā)射端口到頻譜中心陣元的無(wú)線信道傳輸參數(shù)；Ar表示從頻譜中心陣元通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)叫盘?hào)接收設(shè)備So的有線信道傳輸參數(shù)。

基于均勻圓周陣列信號(hào)無(wú)線傳輸模型，對(duì)信號(hào)發(fā)射端鏈路進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證信號(hào)接收設(shè)備能夠準(zhǔn)確安全地接收到廣播電視信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)廣播電視節(jié)目的順利播出奠定基礎(chǔ)[4]。

1.3 校準(zhǔn)信號(hào)無(wú)線發(fā)射端鏈路

理論上，發(fā)射頻譜的中心陣元上的能量較弱，有的甚至為0，無(wú)線信號(hào)發(fā)射技術(shù)在信號(hào)發(fā)射端與接收端的起始平面上不易產(chǎn)生渦旋波。在產(chǎn)生信號(hào)波的過(guò)程中會(huì)受多種因素的影響導(dǎo)致信號(hào)幅度、峰值、頻率以及相位出現(xiàn)偏差，造成信號(hào)接收端不能完整準(zhǔn)確地接收到發(fā)射信號(hào)，因此需要對(duì)信號(hào)無(wú)線發(fā)射端鏈路進(jìn)行傳播校準(zhǔn)，消除信號(hào)發(fā)射誤差。

信號(hào)發(fā)射端鏈路的校準(zhǔn)過(guò)程如下：首先，信號(hào)從發(fā)射設(shè)備經(jīng)過(guò)信道無(wú)線傳輸參數(shù)為hti的物理傳播鏈路到達(dá)頻譜圓周上的中心發(fā)射陣元；其次，經(jīng)過(guò)傳輸參數(shù)為的無(wú)線信道傳輸鏈路到達(dá)接收設(shè)備的接收中心陣元；最后，經(jīng)過(guò)有線信道傳輸參數(shù)為Ar的物理傳播鏈路到達(dá)接收設(shè)備。中心陣元一共接收到了N次信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記[5]。

在發(fā)射圓周的中心陣元加載一個(gè)不為0的模態(tài)信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)接收設(shè)備的信號(hào)接收情況和中心陣元采集的信號(hào)判斷是否需要對(duì)信號(hào)發(fā)射端進(jìn)行鏈路校準(zhǔn)。通過(guò)分析不同模態(tài)信號(hào)產(chǎn)生的漩渦波，為發(fā)射端設(shè)定一個(gè)初始閾值T0。將信號(hào)接收設(shè)備接收到的信號(hào)與發(fā)射端閾值進(jìn)行比較，若信號(hào)小于閾值，則無(wú)需進(jìn)行校準(zhǔn)；若信號(hào)大于等于閾值，則需要進(jìn)行校準(zhǔn)。發(fā)射端鏈路的校準(zhǔn)過(guò)程如下。

將信號(hào)接收設(shè)備接收到的信號(hào)用矩陣表示為

式中：X表示信號(hào)發(fā)射端矩陣；E表示信號(hào)相位狀態(tài)位移因子矩陣；B表示信號(hào)傳播信道系數(shù)矩陣。信號(hào)發(fā)射端矩陣為

式中：xln表示陣元在第ln條鏈路上發(fā)射的模態(tài)信號(hào)。

信號(hào)相位狀態(tài)位移因子矩陣為

信號(hào)傳播信道系數(shù)矩陣為

式中：Bk表示信號(hào)在第k條鏈路上的信道因數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行矩陣變換，將信號(hào)發(fā)射端矩陣與信號(hào)相位狀態(tài)位移因子矩陣進(jìn)行求逆計(jì)算，可以得到

根據(jù)信道系數(shù)矩陣B中的鏈路相關(guān)信息，對(duì)所有陣元發(fā)射鏈路的幅度衰減、峰值波動(dòng)、頻率變化以及相位延遲等信息進(jìn)行修正，修正后向信號(hào)接收端再次發(fā)射信號(hào)。通過(guò)不斷修正與反復(fù)發(fā)射信號(hào)，直至信號(hào)接收端接收到的信號(hào)小于信號(hào)發(fā)射端設(shè)定的初始閾值T0，此時(shí)便完成了信號(hào)無(wú)線發(fā)射端鏈路的校準(zhǔn)[6]。

2 實(shí)驗(yàn)論證

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)采用的信號(hào)接收設(shè)備為PC機(jī)和USRP B210裝置，PC機(jī)與USRP B210之間的數(shù)據(jù)通信采用USB 3.0協(xié)議。信號(hào)接收設(shè)備在接收信號(hào)之前進(jìn)行前導(dǎo)碼檢測(cè)，防止因裝置性能問(wèn)題影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。信號(hào)發(fā)射設(shè)備采用STM32系列裝置和CC1125發(fā)射裝置，2者之間的通信通過(guò)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口實(shí)現(xiàn)。為了提高信號(hào)傳播速率，還采用了序列擴(kuò)頻技術(shù)。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)均依靠蓄電池供電，具體連接架構(gòu)如圖2所示。

圖2 信號(hào)發(fā)射與接收設(shè)備連接

2.2 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

采集信號(hào)并建立信號(hào)模型，當(dāng)前導(dǎo)碼檢測(cè)得到的信號(hào)在判定閾值以下時(shí)，說(shuō)明有信號(hào)數(shù)據(jù)到達(dá)且傳播鏈路沒有偏差。由于測(cè)試環(huán)境并非絕對(duì)理想化，對(duì)判定閾值的設(shè)定需要根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確保接收端能夠準(zhǔn)確完整地接收到信號(hào)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，固定一方協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)并與PC機(jī)連接，同時(shí)觀測(cè)PC機(jī)上的串口協(xié)調(diào)窗口，對(duì)接收信號(hào)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一方節(jié)點(diǎn)則逐漸移離協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，利用串口協(xié)調(diào)窗口統(tǒng)計(jì)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別利用文獻(xiàn)[2]所提方法（記為傳統(tǒng)方法）與本文方法對(duì)不同通信距離下的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行丟包測(cè)試，每組的測(cè)試次數(shù)為200次，2種方法的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表1可知，在不同的通信距離下，本文方法的丟包次數(shù)均小于傳統(tǒng)方法。雖然隨著通信距離的增加，本文方法的丟包次數(shù)也略有增多，但在整體上比傳統(tǒng)方法具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。由此可以證明，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線發(fā)射技術(shù)具有較好的信號(hào)傳輸穩(wěn)定性與可靠性，可以很好地應(yīng)用于廣播電視信號(hào)傳輸，保證廣播電視節(jié)目的完整播出。

3 結(jié) 論

利用無(wú)線發(fā)射技術(shù)對(duì)廣播電視信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，基于采集的信號(hào)建立信號(hào)模型，分析信號(hào)傳輸路徑，并根據(jù)信號(hào)接收端的接收狀況對(duì)信號(hào)發(fā)射端的發(fā)射鏈路進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)與調(diào)整。經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的無(wú)線發(fā)射技術(shù)能夠很好地應(yīng)用到廣播電視信號(hào)傳輸中，其信號(hào)數(shù)據(jù)丟包率較低，可以保證廣播電視節(jié)目信號(hào)的正常發(fā)射與接收。