郭躍龍

摘 要：隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字地面電視的技術(shù)發(fā)展也日臻完善。激勵(lì)器是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的核心，本文分析了數(shù)字地面電視（DVB-T）發(fā)射機(jī)激勵(lì)器的工作原理與技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：COFDM；數(shù)字預(yù)校正；復(fù)用

中圖分類號(hào)：TN948.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

數(shù)字電視發(fā)射機(jī)激勵(lì)器的工作原理與傳統(tǒng)模擬發(fā)射機(jī)激勵(lì)器不同，它輸入的不是普通的音頻和視頻信號(hào)，而是以MPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)先將音頻、視頻信號(hào)編碼、壓縮后與其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包產(chǎn)生復(fù)用的TS流（傳輸碼流）。傳輸碼流作為激勵(lì)器的輸入信號(hào)，經(jīng)信道編碼和調(diào)制單元后輸出滿足按制式標(biāo)準(zhǔn)要求的中頻模擬信號(hào)，該信號(hào)上變頻至需要的UHF波段的頻道信號(hào)，然后由激勵(lì)器輸出該信號(hào)至數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的功率放大器。信道編碼處理的主要目的是增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力以確保接收端正常接收信號(hào)，調(diào)制的目的是為了傳輸方便。

一、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的激勵(lì)器由基帶處理電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、頻率合成電路，射頻放大電路，數(shù)字濾波器和監(jiān)控系統(tǒng)組成。

基帶處理電路是激勵(lì)器的最重要的部分，它由FPGA處理芯片及外圍電路組成，可分成COFDM編碼調(diào)制器，同步單元和數(shù)字預(yù)校正器。COFDM編碼調(diào)制器負(fù)責(zé)將輸入的傳輸碼流進(jìn)行多載波的COFDM調(diào)制，可選擇QPSK、16QAM和64QAM三種調(diào)制方式。同步單元確保了時(shí)間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)射。數(shù)字與校正器改善了發(fā)射機(jī)的非線性失真與線性失真，使發(fā)射機(jī)功放的效率得到顯著提升。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行傅里葉變換將數(shù)字編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬基帶信號(hào)，頻率合成器電路產(chǎn)生的射頻載波信號(hào)和模擬基帶信號(hào)混頻后輸出到指定頻道的射頻信號(hào)。激勵(lì)器放大電路將來(lái)自前級(jí)的射頻信號(hào)放大，以滿足后級(jí)功放的驅(qū)動(dòng)需要。數(shù)字濾波器的作用是抑制帶外無(wú)用分量。監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控激勵(lì)器及發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為用戶提供參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查詢。

二、COFDM編碼調(diào)制技術(shù)

COFDM調(diào)制技術(shù)被稱為編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)。射頻信號(hào)沿地面?zhèn)鞑r(shí)，受多徑效應(yīng)影響嚴(yán)重，COFDM調(diào)制技術(shù)可以有效的克服多徑干擾的影響。COFDM由多個(gè)子載波組成，各子載波都需要調(diào)制。串行傳輸?shù)拇a流符號(hào)序列被分割為N段，每個(gè)段內(nèi)的符號(hào)被單獨(dú)調(diào)制在子載波上，之后所有已調(diào)子載波一起傳輸。因此COFDM調(diào)制技術(shù)是一種并行調(diào)制技術(shù)，把傳輸符號(hào)的周期延長(zhǎng)了N倍，利用這種技術(shù)抑制了多徑干擾的影響。

COFDM編碼調(diào)制處理的過(guò)程可分成兩步，第一步是能量擴(kuò)散、前向糾錯(cuò)、交織、內(nèi)碼糾錯(cuò)和映射。第二部分是進(jìn)行QAM調(diào)制同時(shí)引入同步的導(dǎo)頻和TPS進(jìn)入幀適配器。

1 能量擴(kuò)散的目的是把數(shù)據(jù)信息隨機(jī)化，這樣避免了符號(hào)序列出現(xiàn)長(zhǎng)串的1或0，實(shí)際電路利用一組移位寄存器作為偽隨機(jī)序列發(fā)生器進(jìn)行數(shù)據(jù)的隨機(jī)。輸出的隨機(jī)序列需要進(jìn)行RS糾錯(cuò)編碼，這種編碼是分組線性碼，性能優(yōu)良，編碼冗余度一樣的前提下，這種編碼方式的糾錯(cuò)能力很強(qiáng)。交織分成內(nèi)交織和外交織，由于傳輸信道具有突發(fā)性差錯(cuò)，差錯(cuò)發(fā)生時(shí)，因序列的相關(guān)性經(jīng)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)成串出錯(cuò)，可能導(dǎo)致超出糾錯(cuò)碼的范圍，采用數(shù)據(jù)交織的辦法可以克服這類突發(fā)性差錯(cuò)，將突然發(fā)生的信道插錯(cuò)分隔開。內(nèi)碼糾錯(cuò)采用卷積碼方式，它也是一種糾錯(cuò)能力很強(qiáng)的方式，依據(jù)收縮比率分成1/2、2/3、3/4、5/6等多種碼率，用戶可根據(jù)選擇的碼率來(lái)選定對(duì)應(yīng)的誤碼糾錯(cuò)。通過(guò)映射方式將數(shù)據(jù)信息配置在相應(yīng)的子載波和選定的調(diào)制方式的星座點(diǎn)上，調(diào)制方式有QPSK、16QAM和64QAM3種方式。

2 將QAM調(diào)制后的數(shù)據(jù)信號(hào)與引入的導(dǎo)頻和TPS信號(hào)送入幀適配器進(jìn)行導(dǎo)頻與搭載波調(diào)制參數(shù)和控制信息的處理，可以選擇2K模式和8K模式。選擇2K模式將有17個(gè)子載波用于TPS進(jìn)行搭載波調(diào)制參數(shù)和控制信息，有176子載波用于同步的導(dǎo)頻信號(hào)，子載波總數(shù)為1705。選擇8K模式將有68個(gè)子載波用于TPS進(jìn)行搭載波調(diào)制參數(shù)和控制信息，有701子載波用于同步的導(dǎo)頻信號(hào)，子載波總數(shù)為6817。2k與8k模式的選擇確定了組網(wǎng)方式，進(jìn)行單頻網(wǎng)（SFN）和多頻網(wǎng)（MFN）的運(yùn)行，也關(guān)系到獨(dú)立發(fā)射機(jī)的覆蓋范圍。

三、I/Q調(diào)制與變頻

數(shù)字電視發(fā)射機(jī)激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)I/Q調(diào)制和UHF變頻有兩種方式。

一種方式是輸入的I、Q信號(hào)分別經(jīng)過(guò)預(yù)校正后，采用數(shù)字I/Q調(diào)制后完成D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的模擬中頻信號(hào)經(jīng)上變頻變換到要求的UHF頻率進(jìn)行射頻輸出。

另一種方式是I/Q信號(hào)分別預(yù)校正后，將校正后的I/Q信號(hào)進(jìn)行D/A變換，輸出的模擬信號(hào)分別調(diào)制后的合成信號(hào)再經(jīng)上變頻后到要求的射頻輸出。

第一種方法的I/Q調(diào)制器有容易實(shí)現(xiàn)控制操作的特性，不用調(diào)整就可獲得很好的性能指標(biāo)，主要性能取決于內(nèi)置濾波器，這種方法的劣勢(shì)是模擬部分的變頻和濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不容易制作。第二種辦法的模擬部分簡(jiǎn)單，變頻和濾波器容易制作，但缺點(diǎn)是需要有較高的I/Q調(diào)制指標(biāo)。

四、預(yù)校正技術(shù)

數(shù)字電視的模擬信號(hào)具有很高的峰值系數(shù)（峰值與平均值的比值），實(shí)測(cè)可達(dá)15dB，廣播通訊系統(tǒng)對(duì)于頻譜的帶外泄露具有嚴(yán)格的要求，從發(fā)射機(jī)的成本和功放效率考慮功放系統(tǒng)的功率回退不可能過(guò)大，因此射頻信號(hào)放大環(huán)節(jié)難以消除信號(hào)失真，所以采用數(shù)字基帶預(yù)校正的辦法來(lái)抵消功放系統(tǒng)的非線性失真。數(shù)字基帶預(yù)校正有兩種方式，一種方式是自適應(yīng)預(yù)失真校正技術(shù)，另一種是非自適應(yīng)的射頻直接調(diào)制技術(shù)。

1 數(shù)字自適應(yīng)預(yù)校正技術(shù)

數(shù)字自適應(yīng)預(yù)校正使發(fā)射機(jī)剛剛啟動(dòng)后的幾分鐘內(nèi)，依據(jù)發(fā)射機(jī)功放系統(tǒng)的特性預(yù)先選取一條特性曲線，在無(wú)需外界干預(yù)前提下自動(dòng)將發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)性能調(diào)整到最佳狀態(tài)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)溫度、功率的波動(dòng)對(duì)功放系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。這種技術(shù)確保了功放系統(tǒng)的高效穩(wěn)定輸出，降低了放大過(guò)程中的互調(diào)。

2 射頻直接調(diào)制

不經(jīng)中頻，數(shù)字基帶信號(hào)直接調(diào)制為射頻，適用于單頻點(diǎn)固定頻道，依靠數(shù)字濾波器濾除帶外分量。

數(shù)字自適應(yīng)預(yù)校正有精確度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可對(duì)功放的長(zhǎng)期工作和溫度變化帶來(lái)的特性漂移自動(dòng)校正。目前數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的開發(fā)重點(diǎn)是設(shè)計(jì)合適的中頻預(yù)校正電路，提高甲乙類放大器的線性度，改善功放效率。

五、同步與SFN（單頻網(wǎng)）

為了使單頻網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有發(fā)射機(jī)保持同步工作，需要在單頻網(wǎng)中保持頻率同步、時(shí)間同步和比特率同步。

1 頻率同步

COFDM調(diào)制信號(hào)的每個(gè)子載波必須在同一頻率上，同時(shí)單頻網(wǎng)中的所有發(fā)射機(jī)也要頻率一致。頻率的準(zhǔn)確度由載波之間的距離決定，為了保證中頻和UHF變頻后的射頻準(zhǔn)確度還滿足要求，采用將網(wǎng)內(nèi)全部發(fā)射機(jī)的上變頻本振都用一個(gè)參考時(shí)鐘同步，一般選取GPS時(shí)鐘。

2 時(shí)間同步

發(fā)射機(jī)時(shí)間同步，可以保證采用合適的保護(hù)間隔和合理設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)之間的距離來(lái)使COFDM調(diào)制抵消多徑干擾。全部發(fā)射機(jī)發(fā)射同一碼流時(shí)必須時(shí)間一致，保護(hù)間隔的存在使時(shí)間的精度要求不必太高，一般采用±1?s。實(shí)際工作中如果反射時(shí)延大于保護(hù)間隔，系統(tǒng)性能將嚴(yán)重惡化。

3 比特同步

一個(gè)字符在同一時(shí)間傳輸時(shí)需要被所有載波完全一致調(diào)制，因此，同一比特需要調(diào)制在同一個(gè)載波。單頻網(wǎng)中每臺(tái)調(diào)制器通過(guò)不同的分配網(wǎng)與復(fù)用器連接，導(dǎo)致引入的延時(shí)不同，復(fù)用器無(wú)法為調(diào)制器提供時(shí)間基準(zhǔn)，因此需要額外引入精度高于1μS的時(shí)間基準(zhǔn)，常用的方法是從GPS中取1PPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和10MHz標(biāo)準(zhǔn)頻率。為了保證網(wǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)程發(fā)射機(jī)傳輸碼流的比特同步，在碼流中加入MIP包，傳輸至遠(yuǎn)程發(fā)射機(jī)。

六、復(fù)用

數(shù)字電視傳輸采用的復(fù)用方式為時(shí)分復(fù)用。復(fù)用實(shí)現(xiàn)了信息處理，數(shù)據(jù)插入和DVB加擾器的功能。隨機(jī)數(shù)據(jù)的插入功能優(yōu)化了數(shù)字發(fā)射機(jī)的帶寬。交互電視，IP數(shù)據(jù)及其他私有數(shù)據(jù)可以填充音視頻數(shù)據(jù)剩余帶寬中的空包，可采用固定比特率和可變比特率兩種填充方式，填充后的帶寬利用率高達(dá)99%以上。復(fù)用可以內(nèi)置加擾器，實(shí)現(xiàn)按要求條件接收。采用復(fù)用傳輸碼流時(shí)要考慮比特率適配問(wèn)題，復(fù)用輸出的比特率不能使QAM調(diào)制器溢出。

結(jié)語(yǔ)

今后幾年將是我國(guó)地面數(shù)字電視快速普及的幾年，上述數(shù)字電視激勵(lì)器的各種技術(shù)和方案將更加完善，也會(huì)出現(xiàn)一些新的技術(shù)。對(duì)于電視技術(shù)的從業(yè)者來(lái)說(shuō)，熟練掌握激勵(lì)器的技術(shù)原理和學(xué)習(xí)新的技術(shù)十分必要。

參考文獻(xiàn)

[1]何廣茹，朱文平.數(shù)字地面電視發(fā)射機(jī)激勵(lì)器原理[J].內(nèi)蒙古廣播與電視技術(shù)，2014（03）：93-95.