模拟电视发射机数字化改造方案设计与实施

模拟电视发射机数字化改造方案设计与实施1引言1.1背景简介广播电视从黑白电视、彩色电视时代，正进入数字化时代。数字电视广播技术是近几年广电总局大力推进的高新技术，这一技术的发展引发了广播电视系统的一场技术革命。一方面，人们对广播电视产品的使用和依赖与日俱增，画面的高质量、高清晰度成了人们的追求，特别是对移动接收的需求使得广播电视技术不断发展。另一方面，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，信息获取、加工、处理、传递速度更为快捷，采用数字模式进行通信更为普及。而数字、计算机和网络技术又广泛深入地应用于广播电视领域，从而使广播电视技术能够迅速发展。广播电视正在孕育新的内涵，根据广电总局《2001年到2010年广播影视事业发展计划纲要》要求，2006年全国大中城市实施数字电视信号的播出，2008年奥运会全部用数字电视信号传送。中国广播电视正在进入一个数字化时代，广播影视节目从制作、传输、播出到接收将全面实现数字化。广播电视，尤其是无线发射系统，将面临着极大的机遇与挑战。数字电视地面广播在我国的一些城市已经开始。移动接收技术的发展，使人们可以在移动中随时随地接收到各种信息。上海早在2000年就已经开始了数字无线发射的商业化运作，他们以明珠塔为中心发射台播出一套标准数字电视节目，覆盖上海市区90%，向移动载体提供数字电视接收设备和节目，在车速达到180km/h也可正常接收，仅仅通过插播广告产生的效益就已达数千万元。北京等各地也陆续实现了移动数字电视覆盖，并产生了巨大的社会效益和经济效益。数字技术的飞速发展，也使得高标清电视应蕴而生。2008年1月1日，国内首个高清地面数字电视-中央台高清33频道CCTVHD在中央电视塔开播。2008年5月1日，国内首个标清地面数字电视-中央台标清32频道在中央塔开播。同日，北京电视台高清14频道开播。新的技术给科技人员带来了机遇和挑战。下一代的电视业务将是高清晰度电视和立体电视的天下。未来几年或十几年，将是我国数字电视飞速发展的时期，也是无线数字发射技术的重要转折时期。无线数字发射技术也必将应用到普通大众的日常生活，将来人们不仅能够在车上收看电视，收听广播，而且可在所有移动状态下上网聊天、办公、点播喜欢的节目，在便携手持电视上欣赏节目，与远方朋友交流。还可以通过移动数字电视网络直播收看和下载观看电视节目、新闻，随时随地下载文件、游戏和点播节目。移动数字电视的大规模商用，充分显示出这一技术在产业化方面已经成熟，更显示出了运营商对这一技术所带来的巨大商机的认可。在未来，无线数字发射技术对社会生活的影响无疑会是革命性的。1.2研究动机数字电视有着模拟电视无法取代的优势，其取代模拟电视已成为必然。随着数字信号处理技术的发展，传统信号的非线性、相位失真的累积和信噪比恶化的问题，可通过模拟信号转变为数字信号并进行数字信号的处理、存储、控制和传输来解决。而激励器的数字化能极大地提高图像伴音的传播质量，降低信号的噪声，大幅度提高电视节目的清晰度。数字电视地面广播技术采用数字压缩技术，在同样清晰度和音质情况下，用户可以接收的节目数量提高4—6倍。在同一信道中，可同时传输附加数据和其他信息，且抗干扰能力强，覆盖区域内近场和远场的接收效果几乎相同，因此，数字电视受到了广泛的关注。数字电视广播发射系统取代模拟发射系统成为一个必然趋势。所以研究模拟电视发射机和数字电视发射机的特点，掌握模拟发射机向数字发射机转变的技术具有很大的现实意义。现在虽然数字电视发射机已经逐渐走进了发射领域，但是模拟电视发射机依然占绝大多数，多个频道依然是模拟发射机在播出。如何适应数字化改造的需求，在考虑经济实效等各个方面，用最小的成本实现这个改造和过渡很重要。1.3研究方法首先以中央电视塔为例对地面电视发射系统作必要阐述。然后详细论述模拟电视发射机的特点以及与数字电视发射机的区别，从激励器、功放、天线、冷却系统、监控等各个方面进行对比分析。最后对模拟电视发射机数字化改造提出方案和建议。1.4论文设想及框架数字电视发射系统取代模拟电视发射系统是必然趋势，预期通过本次研究，能在实践中切实有助于模拟电视发射机数字化改造，给予系统操作人员有价值的参考和应对措施。第一章引言第二章地面电视发射系统第三章模拟电视发射机第四章数字电视发射机与模拟电视发射机的区别第五章模拟发射机数字化改造可行性分析第六章数字化改造的设计和实施第七章效果评价2地面电视发射系统2.1中央塔地面电视覆盖目前地面电视覆盖仍然是模拟电视和数字电视两套系统，以中央广播电视塔为例，中央塔肩负着保障7套模拟电视和6套数字电视节目“安全播出、优质零秒”的重任。7套模拟电视有CCTV-1，CCTV-2，CCTV-少儿，CCTV-音乐，BTV-1，BTV-2，BTV-3。6套数字电视包括车载移动电视48CH，中央电视台高清33CH、标清32CH，北京电视台高清14CH，手机电视CMMB20CH、43CH。中央塔作为广电总局的重要播出单位，响应总局“2015年前中央塔地面广播电视系统全面数字化改造”的要求，拉开了中国地面数字电视广播的建设大幕。中央塔是国内首个高清和标清数字电视地面播出单位，构建了单载波33频道中央台高清和单载波14频道北京台高清地面发射系统，以及中央台32频道标清地面发射系统，肩负着国标地面数字电视标准的高标清频道电视信号的传输工作。作为国标地面数字电视发射的领头羊和先行者，中央电视塔对数字地面发射系统播出安全性和稳定性的实践有初步研究。但由于数字地面发射系统技术新、设备有区别于模拟设备的自身特点，这就有必要认真分析模拟电视发射机与数字电视发射机的特点，为将来全面数字化改造打下基础。2.2地面数字电视标准随着计算机技术、通讯技术的飞速发展，全世界广播电视界正掀起一股数字电视开发和使用的热潮。国际上目前已经形成三种主要的数字电视标准，即美国ATSC标准、欧洲DVB-T标准和日本的ISDB-T标准。我国也就此颁布了自主知识产权的地面数字电视标准《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》，2008年北京申奥的成功无疑为我国地面数字电视的发展提供了助推剂。不同的地面数字电视广播标准，最主要的区别是在传输信道采用了不同的信道编码与调制技术。ATSC标准采用单载波8VSB编码调制技术；DVB-T和ISDB-T都采用多载波COFDM调制技术。这三种标准的视频信源编码和复用均采用MPEG-2标准相兼容的编码方案，音频信源编码则有所区别。美国ATSC标准采用dolbyAC-3标准，DVB-T采用MPEG-2标准，日本的ISDB-T采用AAC音频编码标准。在已经制定并颁布数字电视标准的国家，数字电视发射机以及相应的测试设备、测试信号源等都已经有了比较成熟的技术和产品。欧、美等主要的发射机生产厂家都已经为数字电视地面广播推出了体现各自最新技术的数字电视发射机。欧美一些国家对数字电视技术的研究较为深入，已研制出了性能完善的数字电视信号发射机。我国数字电视技术的研究起步相对较晚，还处在实验阶段。为降低成本，数字电视发射机的国产化是我国广播电视行业发展的必然趋势。3模拟电视发射机3.1电视发射机电视发射机是无线电发射机，它将电视演播室或其它地点、途径送来的信号变换到指定的射频频道，信号符合广播电视标准，功率达到规定的数值。也就是说，它是将信号调制到规定的射频载波和放大到规定功率的无线电设备。顾名思义，发射机最关键的组成部分是激励器、功率放大器和天馈线。激励器调制频率，功放放大功率，天馈线进行地面覆盖。发射机的主要组成部分框图如下图3.1：光端机激励器功率放大器天线电信号射频图3.1发射机组成框图3.2模拟电视发射机发射机的发展经历了从模拟到数字的转化。模拟电视发射机是将图像视频信号和伴音音频信号调制到规定的射频载波和放大到规定功率的无线电发射机。首先分析模拟电视发射机的特点。模拟电视发射机按照发射台使用形式，可以分为以下几种：全固态发射机机型从机器整体结构上分可以分为并机和单机；以激励器来分可以分为双激励器和单激励器。以图像、伴音放大形式来分，分为双通道和单通道两种。并机、单机主要是以机器的数量来说的，并机一般由两个单机组成。双激励器、单激励器，主要是以激励器的个数来说的，双激励器由两个单激励器组成。3.2.1并机和单机并机播出指的是两部机器输出合成，共同上天线。单机播出指的是只有一部机器输出上天线。并机系统的特点是两半各为完整的发射机可独立运行，风机、控制单元和配电装置均为相同的两套，是比较完整的冗余系统，但成本较高，多用一个双工器而体积也更大，适合于较高功率等级下（如20KW以上）使用。单机系统采用单激励器和单发射机功放形式，是只有一个机柜的中功率情况，风机、控制单元、配电装置只有一个，因而冗余性不如并机方式完善，如果激励器、电控、CIN，功放甚至外电出现问题，都会造成整个系统的故障，但成本较低，体积较小。并机系统的全冗余设计可保证系统在局部故障情况下连续工作，如果单台机器故障仍可以保证播出，只是功率降低。在单机工作方式下，即使采用激励器采用主备工作方式，功放单元采用并联形式而使可靠性得以提高，但由于发射机的结构和设计原因，实际上其电力输入只有一路，如果外电出现问题，仍容易造成停播。如果发射机的CIN或电控等公共部分出现故障，也会造成停播。对于高可靠性要求的电台，最好的方式是采用并机工作方式，采用两路外电工作。即使有一路外电或一部发射机的功放单元出现问题，也仍有1/4的并机合成功率可以输出天线上。3.2.2双激励器和单激励器模拟发射机按照激励器分又可以分为双激励器和单激励器两种。双激励器指的是播出时有主备两个激励器，并机播出时可以采用一个为主激励器。如果主激励器故障时可以自动或者手动切换到备激励器。单激励器只有一部激励器。双激励器的框图如下图3.2：激励器1激励器2预放分配器分配器合成器合成器双工器功放单元1预放功放单元N功放单元N功放单元1视频音频音频视频图3.2双激励器框图双激励器方式：由于在全固态发射机中，功放单元采用的是并联工作方式，相对而言，激励器的可靠性低于功放单元的可靠性，为防止激励器故障造成整个系统停播，采用双激励器方式可以提高系统的可靠性。但对于外电电源故障造成的停播无法解决。所以一般采用并机双激励器的形式。并机情况下进行主备激励器的切换使用。3.2.3举例说明目前中央塔使用的7套模拟电视发射机中有6套都采用了并机双激励器播出的形式，只有6CH一套采用一主机一备机的形式。发射机播出的机型主要是东芝TU2000，是80年代末开发的电视发射机，可以由两部15kW机组成并机系统30kW播出。其单机系统组成如图3.3所示，由两部单机经过一个合成器合成上天线。单机工作框图如下图3.3：激励器分配器合成器双工器功放单元1功放单元8二分配器分配器合成器功放单元1功放单元8分配器合成器功放单元1功放单元3二合成器视频输入音频输入1Vp-p/75欧0dBm/600欧VINVOUTAINAOUT图机输出声机输出功率合成3.3单机工作框图并机工作框图如下图3.4：激励器1激励器2视频音频音频视频图像功放伴音功放伴音功放图像功放移相移相双工器双工器并机网络电控系统图3.4并机工作框图如图可见：东芝TU2000并机系统配置了双激励器和自动切换装置。射频功率放大是基于统一的1kW多级功放单元，单部发射机图像和伴音分别采用了16个和3个功放单元合成输出。采用轴流式风冷，一个功放由一个电源供电。东芝这一代产品具有高度标准化系列设计的特点，VHF（H）和VHF(L)以及UHF分别只用一种1KW功放单元并具有相同外形尺寸，不同频段而同一功率等级的机型在机箱安装上是统一的。3.3双通道和单通道模拟电视发射机并机、单机和双激励器、单激励器是模拟发射机的简单区分。以图像、伴音放大形式来分，模拟电视发射机分双通道（分放式）和单通道（合放式）两种。我们主要分析双通道和单通道模拟电视发射机这两种。早先图像、伴音分开放大的发射机被称作双通道电视发射机（或分放式电视发射机），是指已调图像载波和已调伴音载波分别经过两个放大器输出