孔慧芳, 左繼國, 許建華, 陳安軍

(1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國電子科技集團公司 第四十一研究所,山東 青島 266555)

CMMB調(diào)制質(zhì)量測試系統(tǒng)設(shè)計

孔慧芳1, 左繼國1, 許建華2, 陳安軍2

(1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國電子科技集團公司 第四十一研究所,山東 青島 266555)

文章針對當前國內(nèi)主要采用的中國移動多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)測試系統(tǒng)成本高、不易自主擴展等問題,結(jié)合安捷倫N9030A矢量信號分析儀,設(shè)計了一套具有本地、聯(lián)機2種測試模式的CMMB調(diào)制質(zhì)量測試系統(tǒng),介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計思路與系統(tǒng)軟件的原理框圖,給出了聯(lián)機測試模式的測試結(jié)果。該系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)CMMB信號的調(diào)制質(zhì)量測試,具有結(jié)構(gòu)簡單、使用簡便、方便移植、易于擴展等優(yōu)點,具有廣泛的應(yīng)用前景。

CMMB測試系統(tǒng);矢量信號;調(diào)制質(zhì)量;聯(lián)機測試;信道響應(yīng)

0 引 言

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展,電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)三網(wǎng)融合已經(jīng)進入了快速發(fā)展時期[1]。三網(wǎng)融合有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最大程度共享,避免低水平的重復建設(shè),是國家“十二五”規(guī)劃中全面提高信息化水平的重要手段,也是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[2]。廣播電視是三網(wǎng)融合的主體,承載著重大的社會責任,而作為下一代廣播電視網(wǎng)(Nextcgeneration Broadcasting Network,NGB)的基礎(chǔ)[3],中國移動多媒體廣播電視(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)的重要性不容忽視。

CMMB是我國自主研發(fā)的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的移動多媒體廣播標準,是手機媒體與電視媒體互動融合產(chǎn)生的手機電視業(yè)務(wù)[4],自2006年正式啟用以來,一直都是國家大力發(fā)展的重點。然而,近2年來,CMMB發(fā)展不盡如人意,除了4 G和WIFI網(wǎng)絡(luò)普及、CMMB收費過早等原因外,其信號覆蓋質(zhì)量也有待提高[5]。CMMB急需尋求突破,不僅需要市場上的進步,還需要提高接收信號質(zhì)量。然而,地面?zhèn)鬏敪h(huán)境復雜、條件苛刻,在傳輸過程中,CMMB會受到高斯白噪聲、多徑衰落等干擾[6]。為了科學評估CMMB傳輸系統(tǒng)的抗干擾能力,需要對系統(tǒng)的各項調(diào)制質(zhì)量指標進行全面測試。當前,國內(nèi)主要采用美國安捷倫(Agilent)公司和德國羅德與施瓦茨(R&S)公司提供的CMMB測試系統(tǒng),需要使用該公司提供的矢量信號分析儀與配套插件,如R&S公司的SFU電視測試系統(tǒng)、Agilent公司的N9030A矢量信號分析儀等,成本很高,不適合批量購置,且不易自主擴展。因此,設(shè)計一套測試靈活、成本較低、易于擴展的CMMB調(diào)制質(zhì)量測試系統(tǒng)是必要的。

本文簡要描述了CMMB調(diào)制質(zhì)量判斷標準,設(shè)計了一套CMMB調(diào)制質(zhì)量測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含本地測試模式與聯(lián)機測試模式,能夠?qū)崿F(xiàn)CMMB信號的調(diào)制域測試,且使用簡單、易于后期擴展,可與安捷倫N9030A、國內(nèi)自主研發(fā)的AV4051F等多款矢量信號分析儀聯(lián)機測試,降低了測試成本。

1 CMMB調(diào)制質(zhì)量參數(shù)

CMMB調(diào)制質(zhì)量測試主要是指測量CMMB視頻碼流在信道傳輸過程中受到的干擾程度。CMMB接收機接收來自CMMB發(fā)射機的射頻信號,經(jīng)過下變頻、同步、OFDM解調(diào)、信道均衡等過程[7],輸出調(diào)制域信號。調(diào)制信號質(zhì)量直接決定傳輸碼流的正確性,是檢驗數(shù)字電視接收機能否正常接收的主要判別標準之一,也是無線通信發(fā)射機的關(guān)鍵參數(shù)[8]。通常采用調(diào)制誤差率(MER)、誤差矢量幅度(EVM)、幅度誤差、相位誤差、頻率誤差、信道響應(yīng)作為CMMB信號的調(diào)制質(zhì)量參數(shù)。

MER是信號矢量幅度的有效值與誤差幅度的有效值的比值,以dB為單位,是被接收信號的“品質(zhì)因數(shù)”,往往作為接收機對傳送信號能夠正確解碼的早期指示[9],計算公式如下:

(1)

其中,Z為測量信號;R為參考信號;MEAN為求平均值。

一般情況下,發(fā)射機生成的CMMB射頻信號的MER在32 dB以上,CMMB接收信號的MER在25 dB以上時視頻信號比較清晰。

EVM描述實際信號與理想信號在星座圖上的向量差,如圖1所示,以百分比的形式表示,是評價調(diào)制信號質(zhì)量與發(fā)射機性能的重要指標；一臺高性能發(fā)射機生成的CMMB信號的EVM一般在1%以內(nèi)[10]。

圖1 誤差矢量圖

EVM定義為誤差矢量信號和參考信號的均方根值(RMS)的比值[11],計算公式如下:

(2)

幅度誤差和相位誤差表示測量信號與理想信號幅度和相位上的偏差,直接影響系統(tǒng)性能,也是衡量CMMB調(diào)制質(zhì)量的重要參數(shù)。頻率誤差反映接收信號與實際頻段的頻率偏差,是衡量CMMB系統(tǒng)受到子載波間干擾(inter-carrier-interference,ICI)程度的重要參數(shù)[12]。

信道響應(yīng)描述傳輸信道對CMMB信號的影響程度,包括幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)與脈沖響應(yīng)。幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)表示傳輸信道對CMMB信號各子載波處的幅度和相位的影響,脈沖響應(yīng)主要反映傳輸信道的多徑和時延特性。

2 CMMB調(diào)制質(zhì)量測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

CMMB系統(tǒng)具有靈活多變的調(diào)制、編碼與時隙分配方式,可以根據(jù)傳輸信道狀況和實際傳輸需求自適應(yīng)地選擇不同方案,這些調(diào)制參數(shù)均存儲于控制邏輯通道中,在每幀信號的第0時隙發(fā)送[13],測試系統(tǒng)需要解讀控制邏輯通道,獲取調(diào)制、編碼與時隙分配參數(shù),才能更有效地進行CMMB調(diào)制質(zhì)量測試。

本文設(shè)計的CMMB調(diào)制質(zhì)量測試系統(tǒng)具有聯(lián)機測試與本地測試2種模式,具備時隙、邏輯通道和整幀測試3種測試選項。

聯(lián)機測試模式需要具有觸發(fā)功能的矢量信號分析儀,通過外部修改通信指令實現(xiàn)聯(lián)機測試,其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)機測試系統(tǒng)示意圖

矢量信號發(fā)生器通過局域網(wǎng)接口接收上位機軟件生成的CMMB基帶信號經(jīng)過上變頻、濾波等處理,發(fā)射CMMB射頻信號。函數(shù)/任意波發(fā)生器為矢量信號分析儀提供1 pps的觸發(fā)脈沖信號,CMMB調(diào)制質(zhì)量測試軟件動態(tài)設(shè)置矢量信號分析儀的觸發(fā)延時,可以有效采集指定時隙的射頻信號。矢量信號分析儀對射頻信號進行下變頻、濾波、采樣、量化等處理,并通過局域網(wǎng)接口將基帶信號上傳給上位機,CMMB調(diào)制質(zhì)量測試軟件對該基帶信號進行測試,并顯示測試結(jié)果。測試中可以添加外部參考時鐘,同步矢量信號發(fā)生器、函數(shù)/任意波發(fā)生器與矢量信號分析儀的頻率源。本地測試模式支持.dat與.txt 2種文件格式,需要CMMB調(diào)制質(zhì)量測試軟件與CMMB本地數(shù)據(jù)文件,使用測試軟件載入本地文件,測試軟件自動分析本地數(shù)據(jù)的時隙號,為用戶提供測試選項。用戶外部輸入采樣頻率、調(diào)制參數(shù)與測試方式,輔助完成CMMB信號重采樣、誤差測試功能。由于本地文件數(shù)據(jù)長度有限,可能不包含控制邏輯通道,采用本地模式時用戶可以手動設(shè)置所測基帶信號的調(diào)制參數(shù)輔助進行CMMB調(diào)制質(zhì)量測試。

2.2 軟件設(shè)計

CMMB調(diào)制質(zhì)量測試軟件基于Visual Studio軟件開發(fā)平臺,使用C#語言開發(fā)完成,由通信模塊、顯示模塊、測試模塊、控制模塊與信號處理模塊組成,原理框圖如圖3所示。

圖3 CMMB調(diào)制質(zhì)量測試軟件原理框圖

本軟件根據(jù)聯(lián)機測試與本地測試2種模式,提供2種獲取CMMB基帶信號的方式：

(1) 通信模塊通過局域網(wǎng)接口與矢量信號分析儀通信,采集當前的CMMB基帶信號。

(2) 用戶手動加載本地存儲的CMMB基帶數(shù)據(jù)文件。

信號處理模塊的內(nèi)部原理框圖如圖4所示。該模塊根據(jù)當前的設(shè)置參數(shù),對CMMB基帶數(shù)據(jù)進行重采樣、同步、頻偏補償、信道估計[14]等處理,并向控制模塊反饋當前信號的同步狀態(tài)以及CMMB傳輸指示參數(shù),控制模塊根據(jù)反饋信息與用戶需求,向顯示模塊發(fā)送顯示控制參數(shù)。

若基帶信號已同步成功并成功獲取時隙序號,信號處理模塊可將調(diào)制域信號發(fā)送至調(diào)制參數(shù)測試模塊,對調(diào)制域信號進行星座映射、低密度奇偶校驗碼(low density parity check code,LDPC)解碼[15]與解復用[16],最終得到CMMB基帶信號的調(diào)制參數(shù)。

上述過程在程序初始化或重置后測試時隙0中的調(diào)制參數(shù)時自動運行,用戶也可單擊功能欄中的調(diào)制參數(shù)測試按鈕重新測試基帶信號的調(diào)制參數(shù)。其他情況下,信號處理模塊將調(diào)制域數(shù)據(jù)、信道響應(yīng)估計數(shù)據(jù)、調(diào)制參數(shù)等傳送到測試模塊進行調(diào)制質(zhì)量測試。若基帶信號無法成功同步或獲取時隙序號,則信號處理模塊結(jié)束,控制模塊向顯示模塊發(fā)送出錯指令。

測試模塊由誤差測試模塊與信道響應(yīng)測試模塊2部分組成,誤差測試模塊包括MER、EVM、幅度誤差、相位誤差和觸發(fā)偏差測試等功能,其中觸發(fā)偏差僅在聯(lián)機測試模式中使用,描述觸發(fā)信號與時隙0的時間偏差,當觸發(fā)源采用外部參考時鐘時,觸發(fā)偏差較小,一般在10 μs以內(nèi)。信道響應(yīng)模塊從信道響應(yīng)估計數(shù)據(jù)中獲取幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)與脈沖響應(yīng),去除相頻響應(yīng)的線性相位后,一起封裝,最終傳送到顯示模塊。

圖4 信號處理模塊原理框圖

3 實驗與分析

基于上述測試方案,本文采用CMMB調(diào)制質(zhì)量聯(lián)機測試模式進行實驗,選取安捷倫N5182A矢量信號發(fā)生器、安捷倫81104A脈沖信號發(fā)生器與安捷倫N9030A矢量信號分析儀作為實驗儀器,如圖5所示,N5182A使用N9030A的10 MHz參考時鐘作為外部時鐘源。

圖5 實驗儀器

使用安捷倫N7623B軟件,N5182A矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生CMMB射頻信號,將1幀CMMB信號劃分為1個控制邏輯通道與7個業(yè)務(wù)邏輯通道,除了控制邏輯通道采用固定的調(diào)制參數(shù)外,每個業(yè)務(wù)邏輯通道采用獨立的調(diào)制參數(shù),由于篇幅所限,此處不加描述,其他設(shè)置參數(shù)見表1所列。

CMMB調(diào)制質(zhì)量測試軟件的測試結(jié)果如圖6～圖8所示。圖6所示為傳輸信道的脈沖響應(yīng)曲線,CMMB基帶信號的信道脈沖響應(yīng)比較平滑,不存在明顯的多徑現(xiàn)象。主徑功率較強,位于0 μs位置,同步模塊估計的幀位置與所測信號的實際幀位置一致。

表1 配置參數(shù)

圖6 信道脈沖響應(yīng)

圖7所示為傳輸信道的頻率響應(yīng)曲線,當前傳輸信道對CMMB基帶信號的幅度和相位的影響均較小,各子載波處的幅度變化范圍為±0.25 dB,相位變化在±1°以內(nèi)。

圖7 信道頻率響應(yīng)

圖8所示為CMMB基帶信號的星座圖、調(diào)制參數(shù)和調(diào)制誤差,由圖8可知,所測調(diào)制參數(shù)與設(shè)置值一致。當前測試的第1時隙采用16QAM調(diào)制方式,頻率誤差為4.999 6 kHz,與設(shè)置值僅差0.4 Hz。經(jīng)過頻偏補償與信道均衡后,所測EVM為1.1%,MER高達39.14 dB,與信噪比(SNR)設(shè)置值40 dB基本一致。由于CMMB射頻信號在傳輸電纜上產(chǎn)生能量損耗,通道功率測量值為-20.78 dBm,略小于發(fā)射功率,CMMB時域能量的峰均比為10.71 dB,與N9030A測量結(jié)果基本一致。經(jīng)過實驗,本系統(tǒng)成功實現(xiàn)了CMMB調(diào)制質(zhì)量測試,達到了預期效果。

圖8 星座圖、調(diào)制參數(shù)、調(diào)制誤差

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套CMMB調(diào)制質(zhì)量測試系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的設(shè)計思路與系統(tǒng)軟件的設(shè)計方案,能夠通過本地、聯(lián)機2種測試模式實現(xiàn)CMMB信號的調(diào)制質(zhì)量測試,并成功與安捷倫N9030A、國內(nèi)自主研發(fā)的AV4051F聯(lián)機,降低了測試成本,具有良好的適應(yīng)性與可移植性,使用簡便,對CMMB系統(tǒng)的測試、評估和規(guī)劃有著重要用途。

[1] 白曉龍.三網(wǎng)融合技術(shù)與廣電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的探討[J].山西電子技術(shù),2014(2):72-74.

[2] 中華人民共和國國務(wù)院.中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要[EB/OL].(2011-03-16)[2015-10-15].http://news.xinhuanet.com/politics/2011-03/16/c-121193916-7.htm.

[3] 劉曉雪,章文輝.淺談下一代廣播電視網(wǎng)(NGB)[J].電視技術(shù),2009,33(增刊2):150-152.

[4] 劉文俊,廖世敏.CMMB發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)[J].電視技術(shù),2014,38(22):68-72.

[5] 匡文波,張蕊.CMMB發(fā)展中存在的問題及對策：基于36位用戶的深度訪談[J].湖南師范大學社會科學學報,2013,42(4):139-144.

[6] 劉佳.CMMB基帶接收機中信道估計算法研究[D].南京：南京理工大學,2012.

[7] YU C,SUNG C H,KUO C H,et al.Design and implementation of a low-power OFDM receiver for wireless communications[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2012,58(3):739-745.

[8] 聶良兵.矢量信號分析軟件設(shè)計[D].成都:電子科技大學,2014.

[9] WANG Y,CHEN Z,GONG K.MER performance analysis of M-QAM-OFDM with Wiener phase noise[C]//International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology,2007.ICMMT'07.[S.l.]:IEEE,2007:1-4.

[10] 周鑫,鐘章隊,卞昕,等.數(shù)字調(diào)制質(zhì)量參數(shù)的比對測量[J].儀器儀表學報,2014,35(7):1600-1605.

[11] KOTZER I,HAR-NEVO S,SODIN S,et al.An analytical approach to the calculation of EVM in clipped multi-carrier signals[J].IEEE Transactions on Communications,2012,60(5):1371-1380.

[12] NGUYEN-LE H,LE-NGOC T,KO C C.RLS-based joint estimation and tracking of channel response,sampling,and carrier frequency offsets for OFDM[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2009,55(1):84-94.

[13] 全國廣播電視標準化技術(shù)委員會.移動多媒體廣播第1部分:廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制:GY/T 220.1—2006 [S].北京:國家廣播電影電視總局廣播電視規(guī)劃院,2006:4-8.

[14] 但德東,丁志中.超高速OFDM通信系統(tǒng)實時頻偏估計研究[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2015,38(2):204-207,284.

[15] LEE S J,PARK J Y,CHUNG K S.Memory efficient multi-rate regular LDPC decoder for CMMB[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2009,55(4):1866-1874.

[16] 全國廣播電視標準化技術(shù)委員會.移動多媒體廣播第2部分:復用:GY/T 220.2—2006 [S].北京:國家廣播電影電視總局廣播電視規(guī)劃院,2006:8-14.

(責任編輯 張 镅)

Design of modulation quality test system for CMMB

KONG Huifang1, ZUO Jiguo1, XU Jianhua2, CHEN Anjun2

(1.School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.The 41st Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Qingdao 266555, China)

To solve the problems which occur in the common test system for China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB) including high cost and difficulty in independent expansion, a modulation quality test system for CMMB is designed with both local and online models combining with the N9030A Vector Signal Analyzer researched and developed by Agilent. The scheme of the designed system and the block diagram of the system software are introduced as well as the test results under online test model. This system can accomplish the modulation quality test for CMMB signal. In addition, the system is simple and easy to use, transplant and expand, which has wide application prospect.

China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB) test system; vector signal; modulation quality; online test; channel response

2015-11-20；

2016-01-08

國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項資助項目(2012YQ200224;2013YQ200607)

孔慧芳(1964-),女,安徽蚌埠人,博士,合肥工業(yè)大學教授,博士生導師; 許建華(1967-),男，安徽碭山人，中國電子科技集團公司第四十一研究所教授級高級工程師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.011

TN934.3

A

1003-5060(2016)12-1644-05