数字电视传输发射系统的测量

2006-07-27 依马狮广电网

目前，数字电视卫星传输系统、数字电视有线传输系统在我国已广泛使用，地面数字电视覆盖实验也在一些城市进行。在各种不同类型的数字电视传输系统中，信号在通道中出现噪声、失真和受到干扰时，系统的表现特性是完全不同于传统的模拟电视的。为了在图像质量降低之前就能检测出系统中的潜在问题，保证机顶盒接收机始终能接收到清晰、高质量的RF信号，那么对关键的RF参数进行测量就很有必要了。我们使用了泰克公司MTM400监视器对整个传输链路中的相应信号层面上进行了RF测量，以确保系统安全可靠地工作。

关键RF测量参数主要包括：RF信号强度，它表示接受到的信号有多强；BER（误码率）它用来表征前向误码校正（FEC）的误码纠错量；MER（调制误差比），它是信号劣化的早期指示参数，为信号功率与误差矢量功率的比值，以dB表示；EVM（矢量幅度误差），它与MER类似，是RMS误差矢量幅度与最大符号幅度的比值，以百分比表示；星座图，表征链路和调制器性能；TEF（传输错误标志），用于指示FEC无法校正所有的传输错误，也称为“未校正的里德·索罗门分组码计数”。

一. BER（误码率）
    误码率是错误比特与全部传送比特之比。在早期的DTV监视接收机中，误码率作为数字信号质量的唯一测量值。误码率的测量简单易行，因为它通常可由调谐解码器芯片组提供且容易进行测量。不过，调谐器的输出BER通常是在前向误码校正（FEC）之后，最好是在FEC（“前维特比”）之前来测量BER。这样，通过测量BER可以反映出FEC的校正能力。在维特比去交织之后，采用里德·索罗门（Reed-Solomon，R-S）解码可以校正错误比特，以在输出端获取准无误码（quasi error-free）信号。

    如果传输系统的工作状况远离信号崩溃点，这种运行状态是合适的。这时，只有很少的数据错误发生，前维特比（pre-Viterbi）误码率接近为零。如果传输系统工作在崩溃点边缘附近，则前维特比BER就会逐渐增加，后维特比（post-Viterbi）BER的变化就比较徒峭，后FEC（在RS之后）就非常徒峭。

    因此，FEC能够对崩溃点的徒峭程度产生影响。这样，非常灵敏的误码率测量会产生告警信号并用来记录长时间的系统运行状态，最好是用来识别周期性损伤、瞬态损伤。BER的测量值常常用工程记数法来表示，并标明为瞬时码率和平均码率。典型的目标误码率为：1E-09，准无差错的误码率为2E-04；临界误码率为1E-03；当误码率大于1E-03时则处于传输服务允许值之外。

二. 调制误差比（MER）
TR101 290标准是用来描述DVB系统的测量准则。在标准中，调制误差比（MER）指的是被接收信号的单个“品质因数”（figure of merit）。MER往往作为接收机对传送信号能够正确解码的早期指示。事实上，MER是用来比较接收符号（用来代表调制过程中的一个数字值）的实际位置与其理想位置的差值。当信号逐渐变差时，被接收符号的实际位置离其理想位置愈来愈远，这时测得的MER数值也会渐渐减小。一直到最后，该符号不能被正确解码，误码率上升，这时就处于门限状态即崩溃点。

图1 64-QAM接收机的MER测量曲线

图1是将MER接收机与一测试调制器相连接时所测得的曲线。连接妥当后，逐渐引入噪声，同时记录MER和前维特比BER的数值。在没有引入噪声时，MER的起始值为35dB，而BER接近为零。随着噪声的增加，MER值逐渐降低，而BER却保持恒定。当MER降低至26dB附近时，BER才开始攀升，说明崩溃点就在此值附近。因此，MER可用来指示系统在崩溃点之前的早期劣化渐变过程。因此，如果我们在用户点（或其附近）测出MER的安全余量，那么，位于前端调制器处的监视设备通过测量MER即可提供信号劣化的早期指示。当MER下降至24dB（64-QAM）或30dB（256-QAM）时，通用机顶盒就不能正确解调。

三. EVM（误差矢量幅度）
EVM的测量与MER有些相似，但表示方法有所不同。EVM是误差矢量的RMS幅度与最大符号幅度之比，并以百分比来表示。信号损伤增加时，EVM增加；信号损伤降低时，EVM减小。通过测量MER和EVM，能在BER迅速攀升和接收信号中断之前预测出系统的安全余量。

图2 误差矢量

四. 星座显示
    数字调制系统的星座显示图形相当于矢量仪中的矢量显示，可用来表示QAM信号中的同相（I）分量和正交分量（Q）。符号是给定调制系统中传输信息的最小部分，一个符号在星座图中可描绘为一单个点。这些符号比特是通过复杂的代码转换过程由原始的MPEG-2传输流中导出的。这一转换过程包括了里德－索罗门编码、交织、随机化处理，北美地区的QAM和格形编码或QPSK系统中的卷积（维特比）编码。人们希望能对系统的传输提供防护并能纠正比特错误，抵御脉冲噪声，将传输能量平均地分布于整个频谱。解码器端所采取的处理方式与上述过程相反，应能恢复基本上无差错的比特流。由于采取了误码校正，仅对传输流进行检查并不能提供传输通道或调制器和处理放大器包含有错误的任何指示，使得系统靠近“数字崩溃点”。一旦MPEG码流中的传送错误标志（TEF）作出报告，这时再采取校正措施常常是太迟了。

    1.星座图

图3 星座图显示

可以把星座图认为是一种数字信号“2维眼图”的阵列，在星座图中标出了符号的着陆点，并给出了着陆的允许范围和判决边界。符号着陆点愈是靠近而聚集在接收符号的“云层”中，那么信号质量就愈佳。由于星座图映射为屏幕上信号的幅度和相位，因此可以利用该阵列的形状来判断和确定传输系统或传输通道中故障和失真的严重程度，有助于阻止传输质量的下降。

    利用上述星座图，可以判断幅度不平衡、正交错误、相干干扰、相位噪声，幅度噪声、相位错误和调制误差比等调制问题。

    2.正交误差
    传输系统中的正交误差使得符号着陆点靠近边界容限，因而降低了噪声余量。当I信号和Q信号彼此间的相位差不是准确的90度时就会出现这种情形。正交误差使星座图失去了“方形”结构而呈现为平行四边形或呈菱形。