数字电视系统中的关键射频测量

数字电视系统中的关键射频测量在不同数字电视传输系统中保持可靠、高质量服务的秘诀在于关注那些有可能破坏系统完备性的关键因素。本文介绍这些关键的射频测量，它们可以帮助在收视者完全丧失数字电视服务和画面之前提前检测出有关的问题。与传统的模拟电视相比较，现代数字电缆、卫星和陆地系统非常不同，其信号容易受到线路中噪声、畸变和干扰的影响。今天的消费者已习惯于轻松地收看模拟电视。如果图像质量变差，人们通常会调整室内天线，以获得较好的图像。即使图像质量仍然较差，在节目具有足够吸引力的情况下，观众通常将会继续收看，只要还能听见声音。数字电视没有这么简单。一旦接收中断，恢复的方法并不总是那么明显的。问题可能是由MPEGSI或PSIP表错误引起的，或者仅仅是由于射频功率太低，达不到数字工作门限或“尖峰”点。射频问题可能包含以下问题中的任何一个：碟形卫星天线或低噪声块转换器(LNB)问题、陆地射频信号反射、噪声性能太差或信道干扰，此外还有电缆放大器或调制器故障。解决数字电视接收问题的途径有好几条。一种方案是降低机顶盒接收机对信号质量的敏感度，而更根本的方案则是运营商应保持干净和高质量的射频信号。为了确保这一点，Tektronix公司提供了关键的射频测量能力，在单台MTM400仪器中集成了实时MPEG监视和记录功能。这些仪器可以经济地部署在从下行链路和解码到复用和再复用，最终通过上行链路、前端和发射机站进行节目分配的整个传输链中的各个位置。利用MTM400，运营商能够以相当于专用射频测试设备数分之一的成本来进行关键的射频测量。基于Web的远程控制允许在传输链中适当的信号层上进行正确的测量，从而确保获得经济有效的结果。位误码率BER位误码率是发生误码的位数与传输的总位数之比。早期的数字电视监视接收机提供了一个位误码率指示，作为数字信号质量的唯一度量。这一点很容易实现，因为数据通常是由调谐器解调器芯片组提供的，很容易处理。不过，调谐器可能常常在执行前向纠错(FEC)之后输出BER。更好的方式是在FEC之前测量BER，这样便可以给出FEC工作情况的一个指示。在Viterbi解交织过程之后，Reed-Solomon(RS)解码将纠正各误码位，以便在输出端给出准无误码信号。当传输系统远离尖峰点工作时，这种方法是可行的，这时只发生很少的数据误码，并且Viterbi之前的位误码率接近于零。当系统接近尖峰时，Viterbi之前的位误码率逐渐增大，Viterbi之后的位误码率快速增大，而FEC(在RS之后)后的位误码率则急剧增大。因此，FEC具有锐化尖峰角的效果。其结果是，非常灵敏的位误码率测量可以给出一个告警，但对采取任何纠错措施而言通常已经太晚了。尽管如此，显示BER以记录或量化传输信号的质量仍然是有用的。BER也可用来记录长期的系统趋势。它最适合用来识别周期性的短时信号缺陷。BER测量结果通常使用工程表示法，并常常显示为一个瞬时比值和一个平均比值。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。如何改进BER---采用MERTR101290标准介绍了数字电视系统的测量准则。调制误差比(MER)测量的设计目的是为了给接收信号提供一个单一的品质因素。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。事实上，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。随着信号质量不断降低，符号最终会被错误解码，位误码率将增大，这时就到了门限或尖峰点。图1中显示的图是通过将MER接收器连接到一个测试调制器而获得的。连接好之后，逐步引入噪声，并记录下MER和Viterbi前的BER值。没有加性噪声时，MER的初始值为35dB，此时BER接近于零。值得注意的是，随着噪声增大，MER逐渐降低，而BER仍然保持不变。当MER达到26dB时，BER开始增大，显示已接近尖峰点。MER表明，在到达尖峰点之前很久，系统的信号质量就已经在不断下降了。MER的重要性由于Tektronix公司的设备可以测量到很高的极限MER值(QAM系统中典型值为39dB)，因此，当下行信号流的MER下降因子(安全裕度)已知或者可以在用户处或其附近进行测量时，位于前端调制器的监视设备可以提供信号质量下降的早期指示。当MER降低到24dB(对于64-QAM)或30dB(对于256-QAM)时，普通机顶盒可能就无法正确解调或无法工作了。极限MER测量功能较低的其他普通测量设备将无法给出信号质量降低的早期告警。电缆(QAM)前端的典型极限MER为35～37dB。模拟电缆系统中的MER典型值为45dB。模拟系统和数字系统中的数据相差10dB，因此传送系统中的数字MER约为35dB。误差矢量幅度EVMEVM测量类似于MER，但表达形式不同。EVM表达为RMS误差矢量幅度与最大符号幅度的百分比值。信号缺陷增加时，EVM将会增大，而MER则会减小。MER和EVM彼此可以相互进行转换。EVM是在IQ(同相与正交)星座图上检测到的载波与其理论上的准确位置(参见图3)之间的距离，是“误差信号矢量”与“最大信号幅度”之比，表达为RMS百分比值。EVM定义在TR101290的一个附件中。TektronixMTM400提供了MER和EVM两种测量能力。调制方案与系统的各种变体卫星、电缆和陆地数字电视传输系统中的信号采用正交调制方案，这种方案通过对相位和幅度进行调制来表示数据符号。数字电视传输中最常用的调制方案都是正交调幅(QAM)的变体形式。例如，在普遍采用的陆地数字调制方案中，COFDM采用16-QAM或64-QAM，8VSB采用了一种8列体制。卫星数字电视系统中采用的数字调制方案是QPSK(正交相移键控)，相当于4-QAM。QPSK是一种鲁棒性非常好的调制方案，并且已经使用多年了。QPSK还更有效地利用了可用带宽，但需要更高的载噪比。电缆数字电视系统建立在该基础之上，其调制方案更为多样，而且仍在不断发展之中。其他调制阶次(16-QAM、64-QAM、256-QAM和1024-QAM)可提高频谱效率，因而在特定的带宽中能够提供更多的信道。在美国的数字电视体制中，64-QAM的传输速率可达27Mb/s，相当于在一个6MHz的带宽内传输6～10个SD信道或1个HD信道。新的压缩技术可以在256-QAM上提供多达3个HD信道。在欧洲体制中，8MHz带宽可在QAM-256上获得56Mb/s的传输速率。ITU.J83规定了三种地区性的QAM电缆标准：*附件A－欧洲*附件B－北美*附近C－亚洲除了能对卫星应用的QPSK进行测量之外，MTM400具有与上述所有QAM标准进行射频接口和测量的能力。星座显示星座显示是矢量示波器显示的数字等价形式，它可显示QAM信号的同相(I)分量和正交(Q)分量。符号是一个特定调制系统中所传输的最小信息成分。对于QAM-64，一个符号代表6个位，在图上绘制为一个点。这些符号位从原始的MPEG-2传输流中经过了一个复杂的代码转换处理过程。这个过程包括Reed-Solomon编码、交织、随机化、QAM附件B系统网格化和QPSK系统卷积(Viterbi)编码。其目的是为了保护和纠正位误码，提供对突发噪声的抵抗能力，并在频谱中均匀分布能量。在解码器中反向进行这一处理过程之后，必须重建准无误码位流。由于这一纠错处理，仅仅检查传输流将不会得到关于信道或调制器和处理放大器正在引入误码、使系统更接近“数字尖峰点”的任何指示。等到MPEG流中开始报告传输误码标志(TEF)的时候，采取任何纠错措施通常都已经太晚了。星座图星座图可以看成数字信号的一个“二维眼图”阵列，同时符号在图中所处的位置具有合理的限制或判决边界。代表各接收符号的点在图中越接近，信号质量就越高。由于屏幕上的图形对应着幅度和相位，阵列的形状可用来分析和确定系统或信道的许多缺陷和畸变，并帮助查找其原因。星座图对于识别下列调制问题相当有用：*幅度失衡*正交误差*相关干扰*相位噪声、幅度噪声*相位误差*调制误差比远程星座图MTM400采用了基于Web的技术，因此它的独特之处在于可以在不同的地方甚至不同的国家，通过因特网或专用网络来对一个无人值守的测试探查位置察看星座图。用户界面也具有可调余辉，可以在较早的接收载波中淡去斑点，就象在传统仪器上一样。注意：以下MTM400屏幕图形都来自通过测试设置使得MER和EVM的显示效果相似的仪器，只有星座图的显示不同。正交误差正交误差使得符号在图中的位置更接近边界限制，因而降低了噪声裕度。当I、Q相差不精确为90度时，便会出现正交误差。其结果是使得星座图不再为方形，而是看起来象一个平行四边形或菱形一样。噪声误差噪声是包括QAM在内的任何信号中最为常见和无法避免的损伤。加性高斯白噪声(AWGN)是噪声损伤的常规类型。由于它是白色(在频率上为平坦功率密度函数)和高斯性质(数学上为“正态”幅度密度)的，使得接收符号分布在理想位置的周围。增益压缩MTM400形象的信号显示使操作人员能够观察到I轴和Q轴上导致拐角边沿被圆滑的增益压缩现象，但这只发生在当调制器或光纤传输系统趋于极限的时候。此时信号幅度较高，呈现出了非线性。发生增益压缩时，图形显示为“半球”状或“鱼眼珠”状。相关干扰发生相关干扰时，信道干扰或谐波成分恰好锁相至IQ信号。此时，图形显示是一组圆环，或“炸面圈”形状。相位噪声(I、Q抖动)信号链中的任何载波源或本地振荡器都会产生叠加到接收信号上的相位噪声或相位抖动。相位噪声显示为载波符号的同心圆弧。可接受的信号在现代全数字调制器中，IQ增益和相位误差通常可以忽略。发生这些误差不是因为失调，而是由于设备故障。另一方面，在调制器、上行转换器和传输网络中也可能产生压缩。本文小结比较好的办法是在数字电视服务失效之前就提前预计系统问题，而不是等到问题出现之后才去想办法解决。MER可以测量出发射机和系统性能中的微小变化，是任何电缆和卫星传输系统中的最佳品质因素之一。EVM和更传统的BER则对于标准的跨设备检查以及帮助识别短期信号质量下降相当有用。星座图能指示缺陷、畸变或设备偏差，可帮助为射频传输系统提供一种可靠的“完好性检查”。通过在单个探测器中结合这些关键的射频测量和全面的MPEG传输流监控与告警功能，数字电视运营商可以在早期阶段检测出系统问题，从而避免对观众的收视造成影响。有了MTM400，Tektronix现在能够提供所有的关键射频测量和接口，并在单个成本经济的监控探测器中集成MPEG测量功能。