基于微波傳輸的地面數字電視系統關鍵技術研究

徐家民

（廣東阿爾創通信技術股份有限公司，廣東 廣州 510235）

關鍵字：數字電視；微波傳輸；組網優化

0 引 言

20 世紀70 年代，無線網絡的構想第一次被提出，無線網絡技術的出現極大地增強了人們溝通的能力。無線網絡技術不僅覆蓋范圍遠超傳統通信手段，而且信息密度以及傳遞速度都得到極大的提升[1-3]。無線通信網絡系統由3 個部分組成，分別為發射端、傳輸媒體以及接收端。其中，發射端用于將發送信息轉化為電信號，再以電磁波的形式傳遞到接收端，這一過程通常由信號轉換器、發射機以及天線等設備完成。接收端再利用轉換器便可得到發送信息，這便完成了一次完整的無線通信。

無線通信技術是在不利用實體線路的條件下，利用無線傳輸媒介進行數據傳輸的通信方式[4,5]。目前，人們可以利用微波和衛星2 種無線通信技術，然而這2 種技術都受到頻譜有限的制約。因此，隨著人口數量的增長以及人們對無線通信需求的日漸提升，如何有效利用起頻譜資源、做到合理的分配，是日后需要重點研究的部分。無線通信傳輸技術仍存在很多問題需要人們去不斷完善，如天線傳輸信號的局限、接收端對于信號的識別仍有著較大的錯誤率等[6]。

1 DVB-T2 和DTMB 關鍵技術

數字視頻廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）系統中的傳輸系統主要指數字電視網絡的信道部分[7,8]。常見的3 種傳輸系統是有線數字視頻廣播（Digital Video Broadcasting-Cable，DVB-C）、 數字衛星電視系統（Digital satellite TV system，DVB-S）以及地面數字電視廣播（Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T）。基于該背景，著重介紹第二代地面數字電視廣播（Second Generation Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T2）和地面數字多媒體廣播（Digital Terrestrial Multimedia Broadcast，DTMB）標準。DVB-T2 和DTMB 擁有更先進的數據傳輸技術，大大提升了傳輸速率，能夠為數字電視廣播提供更多的傳輸模式，提高了系統頻帶的利用率，其綜合表現與DVB-T 相比更具優勢。

DVB-T2與DTMB都運用了正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）技術、增加循環前綴的正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術以及頻域導頻技術，并加以改進，大大增強了其傳輸能力。此外，DVB-T2 與DTMB 為了有效為各類型接收設備提供相應的數據服務與傳輸音視頻服務，進行了徹底的修改，更高效地使用了頻譜，其中主要改進的方面有以下幾點。

一是支持物理層多業務功能，在原有基礎上改成了超幀、T2 幀和OFDM 符號組成的三幀結構。提供了多通道物理層以及時間分片等服務，并且擴大了輸入流格式的范圍，進而可實現多業務發展的操作。

二是采用各項技術提升傳輸速率，如能夠進行256QAM 級別的高階調制；使用更加先進的糾錯編碼技術，如低密度奇偶校驗碼等；能夠在信號中添加更多的保護間隔；支持更多離散時間信號的記錄長度，并增加了擴展子載波模式等技術。

三是采用多種技術提升信號傳輸所需要的能力，如前向糾錯碼技術、OFDM 高速傳輸技術、星座旋轉技術以及交錯編碼技術等。

1.1 前向糾錯碼技術

在傳輸數字信號的過程中，數字信號經常會由于噪聲等不良干擾出現信號失真等情況，這時候需要利用前向糾錯碼技術對信息傳輸中的錯誤進行監測和糾正[9]。其主要原理是數據發送方利用糾錯碼中的冗余信息，使接收方能夠檢測和糾正傳輸中發生的錯誤。為了提高系統的傳輸速率，DVB-T2 與DTMB 系統采用新的編碼模式，參考了二元線性循環碼與低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check，LDPC）等。

LDPC 碼是一類線性分組碼，其特點是它的校驗矩陣是稀疏矩陣，能較好地適用于各種通信信道。LDPC 碼的譯碼方法和經典分組碼不同，其碼長較長，因此通常通過其校驗矩陣的圖像表達進行迭代譯碼。在第二代歐洲地面數字電視廣播標準下，該校驗碼分別為2 種不同的比特碼，其優點在于碼率多、譯碼簡易便捷、可實現多線程同時操作，在硬件上使用有較高的優勢。

1.2 星座旋轉技術

星座旋轉調制屬于信號在空間層次上進行分集的一種技術，能夠在2 個星座點上增加分集度[10]。該技術與其他分集技術的區別在于能夠利用來自于系統的調劑能力，更加節能高效。且通過與前向糾錯碼技術相結合，能夠提升系統的傳輸效率與抵御對外界的干擾水平。在第二代歐洲地面數字電視廣播標準下，該技術通過為衰落信道增加額外分集，使系統得到更高的容量與增益。

1.3 OFDM 高速傳輸技術

OFDM 高速傳輸技術是一種通過將信道劃分為正交的子信道，降低傳輸速度并改變傳輸模式，從而實現高速數據傳輸的技術。該技術被廣泛應用于DVB和DVB-T2 等領域，提高了信道的利用效率。可以將信道劃分為多個正交的子信道，增加了子信道的數量，從而提高了信道的傳輸容量。然而，子信道的頻譜有一定的重疊區域，因此需要選擇適當的傳輸媒介來消除子信道之間的干擾影響。

1.4 相關同步算法

單頻網是基于DVB 系統的重要組網方式之一，為了保證在單頻網中數字電視可以得到回波與頻偏條件下的較為精準同步，通常會給DVB 系統設計相關同步算法。DVB-T2 和DTMB 系統幀結構的基本單元都為信號幀。以DTMB 為例，幀體和幀頭共同組成了信號幀。其規定了3 類不同的幀頭模式，分別是945個符號、595 個符號以及420 個符號。而幀頭序列中的前后同步都是數據的重復。利用幀頭重復特性，可以設計相關延遲算法，找到幀頭的起始位置，再根據實際的間隔確定幀頭的具體模式。

1.5 交錯編碼技術

DVB-T2 與DTMB 為了避免數字信號傳輸時受到外界干擾而影響傳輸質量，采用了交錯編碼技術。該技術通過將原信號分割成多個單位比特的小段數據，并按照一定規則進行分散重組處理，實現了大段數據的細分化。傳輸過程中，可以使用前向糾錯碼對這些小段數據進行位置上的復原，在不改變原有信息內容的前提下，有效改變了信息結構，從而顯著改善了數字信號傳輸的可靠性問題。

2 算法設計與實驗分析

以關鍵技術中的相關同步算法設計為例進行具體研究，并進行相關實驗。在地面數字廣播電視無線技術中，會存在信號互相干擾的情況，即出現了“相干區”，在這個區域會無法有效地接收可使用的無線數字信號。為了驗證相關同步算法的有效性，選取“相干區”進行相關實地實驗，對由主基站和副站組成的單頻網進行實驗，利用放置相關的檢測設備對該單頻網進行組網優化調測，以解決實際組網過程中存在的問題，探求如何完成實地組網優化過程。該優化分為2 步，一是控制好信號覆蓋場；二是利用檢測設備調制接收信號指標。

2.1 同步算法設計

同步算法可以基于自相關函數Rd進行設計，目的是解決數據傳輸過程中的延遲問題，具體形式為

式中：L為滯后量，用于確定2 個輸入序列之間的時間間隔；N為接收得到的DTMB 信號序列r(n)的長度。L與N的數值在本次實驗中分別設定為255 與165。通過利用重復數據的相關性尋找幀頭的起始位置，進而確定幀頭模式為PN420。

2.2 具體實驗

本次實驗所用到的測試設備選取了便攜式電視信號綜合分析儀，型號為S7000，具有可靠與便攜的優點，由天津德力電子儀器有限公司生產。

單頻網調試需要設立“相干區”進行實地測試，而相干區需要滿足接收信號存在明顯的回波干擾且接收水平明顯低于標準指標，對此需要對其進行單頻網優化措施，即可進行實驗。表1 為疑似相干區域的實地測試指標，有4 個地點。

表1 疑似相干區域的實地測試指標

對于上述4 個測試地點，經過數據分析將4 號地點劃分為“相干區”，通過表1 的數據可分析得出此結論。記錄1 ～4 號地點在不同發射情況下所接收主基站與副站的信號情況，用接收電平與調制誤差比（Modulation Error Ratio，MER）值作為量化指標。1號地點能夠接收到主基站和副站的信號，但接收電平數值達不到標準，因此無法作為“相干區”。2 號和3號地點均無法接收到主基站信號，其MER值顯示為0，故不能滿足調試單頻網的需求。而4 號地區既能接收到主基站的信號又能接收到副站的信號，且2 個不同時延參數下收到的信號存在較大區別，故適合作為“相干區”。本研究選取1 號地點中的一個小區域進行單頻網調試，這個區域稱為A 點。

將激勵器時延參數設置為27.4 μs，使用德力S7000 電視信號綜合分析儀對相干區進行數據采集，利用所得到的量化數據進行分析并對比，得出的結果如圖1 和圖2 所示。其中，圖1 顯示了沒有使用同步算法的信號接收結果，而圖2 展示了使用同步算法的信號接收結果。

圖1 沒有使用同步算法時的儀器回波測試結果

圖2 使用同步算法時的儀器回波測試結果

大量的實際測試參數顯示，在A 點進行實驗時，當回撥總數低于一定數量時，接收質量與回波間隔成反比。根據對圖1 和圖2 中回波間隔的分析，可以明顯觀察到在使用同步算法進行數據接收時，回波間隔顯著縮小，相比不使用算法時，接收質量更好。

3 結 論

主要介紹了地面無線數字電視廣播進行無線通信所需要用到的技術，且以第二代歐洲地面數字電視廣播標準DVB-T2 和DTMB 為例介紹了相關無線傳輸技術的優點與缺點，如糾錯碼技術與星座旋轉技術等。另外，為了驗證相關同步算法的有效性，選擇了一個具有相干區的實地實驗場景，該場景由主基站和副站組成單頻網。通過放置相關的檢測設備，對該單頻網進行組網優化調測，證明算法的有效性。本研究旨在為進一步提升地面數字電視廣播技術提供研究方向。