数字电视测试中的几个测试指标的辨析

数字电视测试中的几个测试指标的辨析一、数字电视信号平均功率和模拟电视信号峰值电平的区别模拟电视信号具有单极性、不对称的特点，即电视信号有一个固定的黑色参考电平，比黑色亮的信号处在黑色电平线的一边，而同步脉冲则处在另一边。用这种单极性调制载波时，会出现两种情况，一是当亮度增加时载波幅度增大，称为正极性调制。另一种是当亮度增加是载波幅度减小，称为负极性调制。正极性调制时，同步脉冲始终对应着发射功率的最小值，而负极性调制时，同步脉冲却对应着发射功率的最大值。负极性调制由于具有受干扰小等优点，我国和世界上大多数国家都采用负极性调制。有线电视对模拟信号电平的测量，是用频谱分析仪在规定的带宽（300KHz）对模拟电视信号的同步脉冲的峰值电平进行测量，并以此作为判别模拟电视信号强弱的测量标准。因为这里集中了信号在频道内的主要能量（超过98%），所以我们可以认为对于载波同步脉冲的测量可以代表信号在测量频道内的电平值。所有的数字调制信号都有类似噪声的特性，信号在调制到射频载波之前被进行了随机化处理，所以当发送一个数字信号时，无论它是否传送数据，在频域中观察一般都是相同的。而且在频域中观察这样的信号通常也说明不了有关的调制方式，例如是QPSK，16QAM，还是64QAM，它只能说明信号的幅度、频率、平坦度、频谱再生等等。数字电视信号信道的功率也不随内容的变化而随机变化。噪声信号的最大响应与噪声信号的功率没有关系。因为数字信号也是以噪声的形式出现，但它更像是随机加入到分析仪检测仪中的一组组脉冲，所以采用平均值作为功率系数更有价值。数字电视信号的平均功率电平也称作信道功率，这与模拟电视电平是完全不同的概念。二、为什么不能用模拟场强仪测量数字信号电平广播电视工程师通常用场强仪测量来测量模拟电视信号的电平，现在各地开始开通数字电视，工程师希望用自己手中的模拟场强仪来测量数字电视信号的电平。我们说不能用模拟场强仪来测量数字信号的电平，原因有以下几点：（１）模拟场强仪测量电平是用一定带宽的滤波器去测量模拟信号的峰值电平。（２）数字电视信号是类似于噪声的信号，需要信号能量的积分。类噪声信号测量时与测量仪器的中频带宽和检波器有关系。当测量的中频带宽改变时，进入滤波器的能量就有变化。（３）各个厂家生产的模拟场强仪的滤波器的带宽和检波器相差较大，且不是宽带能量的积分，所以测试误差会很大。因为场强仪的分辨率带宽通常是固定不变的，所以我们用分辨率带宽可以改变的频谱分析仪来说明不同的分辨率带宽对所测量的数字信号有什么影响。图1就是用德力DS8822Q进行测量的画面。图１不同的分辨率带宽所测得的数字信号波形图1中所示两条曲线，蓝色的曲线是分辨率带宽为300KHz时测得的曲线，绿色的曲线是分辨率带宽为30KHz时测得的曲线。输入的信号的幅度没有任何变化，但是图片上显示分辨率带宽变小之后，显示的信号幅度在降低。引起这种现象的原因是频谱仪所测量出的读数表示落入分辨率带宽滤波器之内的所有信号的总功率。分辨率带宽减小，落入滤波器带宽内的能量也减小，这样就引起了显示图形上的变化，但是整个信道带宽内的总功率是一定的。三、为什么数字电视信号频道的平均功率要低于模拟电视信号频道电平6~10dB左右。一个恒定幅度的调制包络允许使用高效的接近饱和的且在功率输出端不需要补偿的功率放大器，然而非恒定幅度的QAM调制需要一个效率很低的线性放大器去避免大量的频谱再生，此线性放大器且必须在最大功率输出端补偿性能非常好（太多的频谱再生是互调失真的另一种形式，它会产生附加的无用信号，在本身信道的某一侧信道造成干扰）。数字信号在任何时候都有出现更高峰值的统计概率，所以要想得到这些无规律的数字信号的峰值幅度，必须对全部时间内的功率进行测量，以获得一个统计峰值幅度。然后就可以把这个峰值数据和数字信号的平均功率作比较。图２一个数字信号的峰值幅度和平均幅度如果RF信号的功率是不随时间变化，那么它的功率会不断地传送给负载，而且它的峰值功率等于平均功率。但是RF信号（包括任何交流信号）的功率是不断变化的，所以它的峰值功率与平均功率是不同的。已调信号的峰值功率与平均功率之比，就是指峰值-平均值比，这个比值越低，信号的峰值功率和平均功率就越接近，当信号接近P1dB压缩点的电平时，在这个电平上能够驱动放大器且不会产生额外的互调失真，因为在有较低的峰值-平均值比的调制形式中，偶然的功率峰值会有较低的信号幅度。因此对于高幅度的功率峰值，它们不产生紊乱的互调失真，放大器不需要很多的功率容限去接受这些高幅度的功率峰值。绝对峰值高而平均功率低的信号，会有很差的峰值-平均值比，为了不产生额外的失真，强迫这种信号的放大器要有大量的备用功率去放大这些偶然的峰值信号。然而，虽然这些波峰在时间上一般没有规律——因为这些波峰是由一个星座点到另一个星座点的调制偏移引起的——但是数字信号平均功率将是一个常数。这是因为数字信号是经过编码的。64QAM数字传输的峰值功率比平均功率高约10dB左右。在QAM调制中，具有峰值功率的信号占所有信号一定的比例，如果让数字频道的平均功率和模拟频道的峰值功率具有相同的数值，那么数字信号的峰值信号将超过模拟信号的峰值功率，在进入传输线路放大器时可能会引起失真，造成这些峰值信号的增益压缩，引起频谱再生，产生互调干扰产物，干扰其它频道的信号，本身也受到严重的干扰。所以需要让数字频道的信号的峰值功率同模拟信号的峰值功率具有相同的数值，所以需要降低数字信号的平均功率，来避免信号失真。建议的数字信号电平：对于64QAM，要比同系统中的模拟电视频道的视频载波信号峰值电平低10dB；对于256QAM，要比同系统中的模拟电视频道的视频载波信号峰值电平低6dB。另外一个原因：数字信号本身的抗干扰能力强，对载噪比的要求比模拟信号低，所以数字电视信号可以用比模拟信号低的多的幅度进行传送，这样每一个频道的传送功率降低，总的传送功率就降低，传输网络总体输入功率就会降低，因此在同一个线路中就可以传送比原来更多的信号，更多的内容。四、MER与BER之间的关系调制误差率（MER：ModulationErrorRatio）的定义对于QAM接收机接收到的每个符号，（Ij，Qj）是QAM接收机星座图中接收到一个符号的理想位置的数值。（δIj，δQj）是误差矢量，被定义为选中符号的理想位置（星座图中定义的符号所在方框的中心）到接收到的实际符号位置的矢量距离。N是一段时间内捕获符号的点数，它一般比星座图中的点数多。也就是说接受到的矢量是理想矢量和误差矢量的和。()()22122110logNjjjNjjjIQMERdBIQδδ==⎧⎫+⎪⎪⎪⎪=⋅⎨⎬⎪⎪+⎪⎪⎩⎭∑∑理想矢量符号幅度的平方和除以误差矢量符号幅度的平方和，这个结果用一个以dB表示的功率比，被定义为MER（ModulationErrorRatio）。在测量时，矢量分析仪首先对被测量数字调制信号进行接收和采样，解调后与基准矢量信号进行比较。被测矢量信号与基准矢量信号之间的差矢量信号被称为误差矢量信号，误差矢量信号中既包含幅度误差信息，也包含相位误差信息。MER可以被认为是信噪比测量的一种形式，它将精确表明接收机对信号的解调能力，因为它不仅包括高斯噪声，而且包括接收星座图上所有其它不可校正的损伤。如果信号中出现的有效损伤仅仅是高斯噪声，那么MER等于S/N。QI理想I，Q值对的位置在定义区域的中心位置I，Q值对的误差矢量I，Q值对的实际位置图3MER的原理示意图MER的经验门限值对于64QAM为23.5dB，对于256QAM为28.5dB，低于此值，星座图将无法锁定。另外对不同的场合，64QAM调制的数字电视信号，MER的指标存有一些经验值：在前端38dB，光节点34dB，用户端26dB。BER（BitErrorRate）的定义定义：BER（比特误码率）是发生误码的位数与传输的总位数之比BER被叙述为大量传送码的错误码比率10的几次方来表示，例如测量得3E-7表示在一千万次传送比特有3次被误解，此比率是采用少数的实际传送码来实际分析并统计而推估的值，越低的BER代表越好的信号质量。BER(Pre-FEC)纠错前误码率：FEC纠错算法可以检测出错误比特的数量，同时还可以纠正其中的一部分错误，纠错前的误码率就是实际发生错误的比特数量和总的传送比特数量的比值。BER(Post-FEC)纠错后误码率：FEC纠错算法在检测出有多少错误比特后，根据自身的纠错能力，纠正错误比特当中的一部分或者全部的错误，用还没有被纠正的错误比特数量与总的传送比特数量进行比较就是纠错后的误码率。当信号质量很好的情况下，纠错前与纠错后的误码率数值是相同的，但有一定干扰存在的情况下，纠错前和纠错后的误码率是不同的，纠错后的误码率要更好。典型的目标值为1E-09，准无误码BER为2E-04；临界BER为1E-03；BER大于1E-03将丧失服务。尽管较差的BER表示信号品质较差，但BER不只是测量纯粹QAM信号本身的情况，因为BER测量侦测并统计每个被误解的码，它是一个灵敏的指标可指出问题是由瞬间的或突然发生的噪声干扰。MER和BER之间的关系MER是对叠加在数字调制信号上的失真的对数测量结果。MER受多种因素的影响，包括载噪比、突发脉冲、各种失真以及IQ偏移量对信号造成的损伤。在数字调制信号中，突发脉冲、各种失真、IQ偏移量对信号造成的损伤十分相似。如果系统的MER减小，信号受到的损伤变大，出现误码的概率增加。MER可为接收机对传输信号进行正确解码的能力提供一个早期指示。根据前面MER的定义可知，MER将接收符号(代表调制图案中的一个数字值)的实际位置与其理想位置进行比较。当信号质量降低时，接收符号距离理想位置更远，MER测量值将会减小。随着噪声和干扰的增大，MER逐渐降低，而BER仍然保持不变。但是当干扰增加到一定程度，MER继续下降，BER开始增加。图4干扰信号对MER和BER变化的影响图4是MER和BER之间相互关系的一个简单说明。实际在一个星座图中是不会同时出现这几种情况的，这里时间四种不同的情况综合在一起进行互相对比说明。第一个方框红色的点是MER的最佳状态，所有的点几乎都集中在理想位置；第二个方框绿色的点受到一些噪声干扰，干扰比较小，所以基本都环绕在理想中心位置周围，属于比较好的MER；第三个方框的蓝色点受到的干扰比较大，各个点无规则的散落在方框内，这时MER的指标比较差；第四个方框受到很大的干扰，各个点不仅散落在本方框内，而且还有两个点已经离开本方框所划定的范围。在第一、二、三方框中的信号有一个共同点，所有的点都落在了自己所在方框所划定的范围内，根据数字电视信号的判决规则，只要在判决范围内（方框内）就不会出现误码；只有第四个方框的点超出了划定的界限，这些点一旦进入其它星座点的范围就被判决为该星座点，这样就出现了误码。这就是为什么在一定干扰信号下MER的值在下降，却没有出现误码，直到MER下降到一定程度，才会出现误码，BER的数值开始上升。五、MER和SNR（信噪比）、载噪比之间的区别MER和SNR之间的关系前面说过，MER可以被认为是信噪比测量的一种形式，它将精确表明接收机对信号的解调能力，因为它不仅包括高斯噪声，而且包括接收星座图上所有其它不可校正的损伤。如果信号中出现的有效损伤仅仅是高斯噪声，那么MER等于S/N。噪声来源于几种情况：网络传输中引入噪声，潜入调制信号中的幅度噪声，相位噪声，码间串扰和调制损伤等。应在解调后的星座图数据中测量信噪比。对于星座图中的每一符号，从其云状轨迹可以得出其统计分布。在去处了正交失真，幅度不均匀，原点位移误差残留载波，非线性失真，相位抖动，连续波干扰的影响之后，剩余的云状轨迹可以认为是由高斯噪声引起的，这剩余的云状轨迹也是计算信噪比的基础。当去除了高斯噪声之外，所有以上谈到的错误都被排除后，可以认为MER与S/N有相同的值。{}22,jjIQδδidiσ图5不同失真参数之间的关系数字信号载噪比与信噪比之间的关系信噪比(S/N)是指传输信号的平均功率与加性噪声的平均