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    基帶同步調(diào)制離散性分析及射頻同步應(yīng)用研究

    2015-10-10 02:54:52呂文娟劉衛(wèi)忠馮卓明
    電視技術(shù) 2015年11期
    關(guān)鍵詞:發(fā)射站離散性基帶

    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.

    [2] PENTTINEN J. SFN gain simulations in non-interfered and interfered SFN network[J]. International Journal on Advances in Internet Technology, 2009, 2(1): 115-134.

    [3] 高濱,龔波,程偉. 數(shù)字電視QAM調(diào)制器關(guān)鍵參數(shù)測量的深入探討[J]. 廣播與電視技術(shù), 2005, 32(1): 87-90.

    [4] GY/T 229.4—2008,地面數(shù)字電視廣播激勵器技術(shù)要求和測量方法[S].2008.

    [5] MATTSSON A. Single frequency networks in DTV[J]. IEEE Trans. Broadcasting,2005,51(4):413-422.

    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

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