数字电视信号的发射与接收技术

2015-03-06王人磊

电子科技 2015年6期

王人磊

(昆明广播电视台技术部，云南昆明 650118)

伴随信息产业的快速发展，模拟电视被数字电视所替代成为趋势［1］。彩色电视的传统结构尤其是接收机的电路构成、性能指示标准及其余重要参数均是为了适应接收残留边带调幅和隔频道的传输。因此接收有线电视信号存在如下问题:(1)接收不到增补频道的电视信号。(2)不能有效地接收交互式电视信号和数字电视信号。数字电视信号是数据流传输，与模拟电视信号完全不同，普通彩电无法接收，即使在热门的市场炒作“高清”电视，“数字”电视，也无法接收数字电视信号［2］。接收数字电视信号，目前应用中间有两种常见的方式:(1)是机顶盒配套普通电视机，这也是市场上最常见的一种实现方式。(2)是能接收使用一种新的电视机的数字电视信号。目前，这两个接收模拟电视信号的兼容电视已在市场普及［3］。

1 数字电视信号的激发方式

目前，卫星广播电视系统是由车载设备，上行链路传输设备和配套的地面接收系统组成［4］。由上行链路传输站节目制作中心负责发送该卫星实时信号，且该卫星控制板载设备，包括卫星天线使用的收发器，电源转/发器车载控制设备;而对于地面接收系统而言，其包括一个负责接收的装置组、接收天线、各个接收器、不同功率容量的有线数字电视系统的无线电中继站等设备。

1.1 电视信号上行站系统的传输方式

用于发送信号的上行链路站系统目前有两种电视信号，即单载波(Single Channel Per Carrier，SCPC)模式和多载波(Multiple Channel Per Carrier，MCPC)模式。单载波模式中，每个载波仅可传输广播电视信号，控制电视信号的传输次数，应答器需要有载流子的数目。其优点是，节目的所有目标可在星上的不同位置实现;多载波模式中，每个载波可同时传输多套广播电视信号，其具有只需一个转发器的优点，因为只有一个载波，谐波干扰问题不会在一个多载波上存在，频带和功率利用率相对较高。但其缺点是有多个程序，才能实现在相同的位置上使不同位置上星。

同步数字体系其实是一种光纤传输系统，基本概念是同步传输模块(STM－1，155 Mbit·s－1)，由信息区段，卡扣指针结构的有效载荷模块开销构成，主要特点是利用虚拟容器的方式和所有的PDH 系统兼容。其有一个统一的接口和一组全球网络节点的信息标准化分层结构，且具有丰富的网络结构服务于管理和维护开销位;另外，同步多路结构被使用，且还具有一个横向的兼容性，这是理想的下一代传输系统，可以是灵活且动态的，因此可适用于任何多变的网络任务［5］。

在系统中，视频、音频和数据的处理将与节目一起使用多路复用发送，其被组合成符合MPEG－2 标准的节目流。在SCPC 系统中，使用1∶1 的备份模式，通过同轴开关进行切换，可同时传送3 套节目。

3G 是指以支持蜂窝移动通信技术的高速数据传输技术［6］。3G 服务能够同时传送声音和数据信息，超过几百kbit·s－1的一般速率。3G 是指下一代移动通信系统中，例如无线通信和多媒体通信与因特网。3G技术可提供一个高带宽空间，带宽可被用于电视信号压缩编码，以合理和有效的方式来获得正确的信号。当然，需利用通信运营商可用来传输的电视信号。

图1 利用3G 技术进行电视信号传输流

在各个节目源和节目复用器编码时进行编码分别复用成一个节目流复用器，然后发送传输信号，在传输流多路转换器调解各个节目混入的传输流。传送节目复用器或解复用器输出的传输数据包被发送到卫星通道适配器部分。该部分可实现以下3 个功能:复用适配和能量扩散、基带整形和前向纠错编码、正交相移键控调制。

1.2 星载设备

星载设备的整体体积不能过大，且不能占据较多的空间，要具备较为轻便的重量以及较高的信号转发效率，主要由3 部分组成，分别是提供电能的星载电源、收发信号的天线及信号转发器。一般用于提供电能的是硅太阳能电池，但是其的劣势在于，电池的正反两面接收到的太阳光能不同，导致温差较大，具体数据约为2 000 ℃，且在运行过程中会受到太空中多种微粒的干扰，在此恶劣环境中约运行7 年之后，输出功率就会降低到原来的7 成左右，严重影响星载设备的使用质量及寿命。由于空间以及重量的限制，所使用的天线一般情况下控制为一副，且对其性能要求较高，要求可靠稳定，受太空环境的影响较小。

星载转发器具体的工作原理为［7］，对经过单载波以及多载波方式上行到的电视信号进行统一接收，经一定的放大作用及变频作用之后，在功率较大的环境中，再次对其进行放大操作与控制，接着通过天线进行辐射，并向指定的位置传送已处理好的电视信号。在转发过程中，若将较多噪音添加进去，则电视信号就会与标准之间有较大的误差，对电视信号的质量产生不利影响。

数字信号的传输过程主要由星载用收发天线、星载用转发器和星载电源进行控制。每一个设备均是保证数字信号传输的关键，而随着技术的不断完善，其工作效率也在不断提高。

2 数字信号接收系统

数字信号接收方法与模拟信号接收方法在接收系统上有相似之处，均包括室外部分和接收机两大部分。如图3 所示。

2.1 接收天线与馈源

一般将接收电视信号的天线放在室外，常见的有抛物面型以及椭圆的偏馈型天线，而前者又可分为花费成本低但折损率高的前馈型天线以及可用于卫星通信地球站的后馈型天线。在HEMT 等器件生产应用之后，能降低前馈型天线的噪音及高温，提高其质量，避免较高的折损率。

后者的馈源在天线的中央稍偏的位置，因此叫做偏馈型，其中间的深度较小，可利用冲压等工艺制作成一个整体，有较高的效率及增益。馈源有多种状，一般为波纹、角锥、圆锥喇叭等，其位于天线的聚焦处，外面有一层塑料罩对其进行保护，需尽可能均匀且全面准确的反馈射到天线。除此之外，角度应接近零以便高效率地接收到其电磁波信号，而信号的类型不同，对馈源的要求也不尽相同。馈源分别为正馈及偏馈时，其波纹状也不同，分别是水平状及漏斗状。

图2 数字卫星电视信号的接收示意图

2.2 高频头

在选用高频头时，要遵循3 个原则:首先，产生的噪音温度低;其次，星载设备转发的信号频率有多大，高频头也应尽量与其在相同的工作范围内，一般情况下Ku 波段的频率约在10 ～13 GHz 范围内，C 波段的频率在3.7 ～4.2 GHz 范围内。将高频头放置在室外，受到环境的影响较大，因此要求其振动频率小，由此引发的噪音要尽量较小，且可靠稳定。高频头对天线馈源传送的信号进行变频放大操作，主要依赖其中的下变频器以及微波放大器等部分。

2.3 室内部分的数字卫星电视接收机

(1)调谐器设备。通过主要从室外单元中一个卫星频道选择频率和接收发送到第一中频信号，然后变换成第二IF 或零IF 信号输出RF 有线电视的调谐器。该模块由一个跟踪滤波器、低噪声放大器、混频器、本地振荡器表面声波滤波器和其他电路组成;第二中频信号，其频率为479.5 MHz 的输出。随着技术的不断进步与发展，零输出IF 计划逐渐取代了模型电路。

(2)信道的解码和解调。在信道解码模块的传输系统中，其功能是从载波频率恢复和时钟校正在模拟到数字的转换过程中的错误，从而导致在正确的采样值中。本模块的另一个作用是纠正在传输中的一些错误代码，从而使传输更加安全可靠，用于解复用传输流，以提供无误差电路，从而保证了图像信号的质量和声音。

(3)多工复用解。该模块对应的多复用模块传输系统。其解复用关系主要是根据定义进行操作的特殊传输流语法使用PAT 和PMT 表。通常意义上而言，是复用分两级，所以将会有两个级别的解复用和复用过程:其一是传输流解复用，结果是产生新的节目流，节目流的视频;其二则是将音频一些分离的服务信息数据传输给源解码的模块。

(4)信源解码部分。信源解码部分又包含两部分:第一是音频解压缩，第二个就是视频解压缩。通常，为能得到标准的压缩视频流、视频数据和音频数据流，会根据MPEG－2 解码算法作出编码的音频流。

(5)视频编码和音频数模转换。为使传统模拟电视能正常进行，需通过视频编码器编码进行分析亮度信号和色差信号，而其输出是为了能产生NTSC 或PAL 等视频信号。然后，再经过D/A 转换器解码所恢复的数字音频信号，转换为模拟形式的音频信号到电视以再现所要执行的声音。

(6)32 位CPU。在一些相对复杂的数字信号接收系统中，那些具有较强的运算能力且需随时交换数据的相关模块，具有高的传输速度和处理能力是基本要求。另一方面，为了更好地使用户与设备之间达成互动，也需要强大的屏幕上图形界面。因此，32 位CPU被业界采纳，其功能强大，速度快，主要的功能完成如下:控制信道解调和解码，电子调谐系统的选择，信源解码，解复用等多模块的工作，并协调这些模块，使其可更及时的响应和处理用户的操作指令。

数字卫星电视信号的接收有如下特点:

(1)下行频率方面数字卫星电视信号多采用Ku波段，信号受降雨影响较大，Ku 波段是卫星广播的最佳波段，并即将推广使用卫星广播主带。其具有大容量，宽频率范围，接收天线孔径小的Ku 波段信号，发射功率将不受其他条件限制，但降雨因素对信号传输更大，雨的影响衰减比C 波段大得多。

(2)虽然信号强度较弱，但抛物面接收天线并不需要一个大的光圈，尽管功率转发Ku 波段下行链路的卫星信号不限定，但由于数字卫星电视信号频带被压缩较窄，其只有一个模拟电视信号可传输的36 MHz带宽，在单信道单载波的情况下，其可被用来传播5 套数字卫星电视信号。因此，6 MHz 的带宽在传播五套电视信号的同时，其结果是实际信号场强小于地面模拟卫星电视信号接收器的磁场强度，这会带来诸多不便。由于增益比Ku 波段天线C 波段高，尤其是当所接收的信号强度到达接收器的阈值时，所接收的信号与天线孔径的Ku 波段天线直径无直接关系的数字卫星电视接待不超过管腔能获得满意的接收。

(3)接收的数字卫星电视信号，这大幅增加了接收的次数，但“寻星”的处理将变得更困难，所谓“寻星”是迄今为止抛物面天线对准接收数字电视信号35 656 km地球同步卫星转发的。现在卫星可接收的数字电视信号可达到4 ～5 颗，而接收每个卫星节目一般有十多套数字电视信号甚至于几十套，有的比模拟卫星电视信号强。然而，为接收所述处理的数字电视卫星信号“寻星”比接收模拟卫星电视信号要困难。

主要有以下几点原因:

(1)用于数字卫星电视信号接收的一组特定节目，地面场强比模拟卫星电视信号要弱。此时，当抛物面天线接收信号时，达不到卫星接收信号要求或所接收的信号到达卫星接收机阈的水平，则此时将不会收到任何声音和图像，这与模拟卫星电视信号的接收方式相比所不同。对于模拟卫星电视信号，当信号接收场强弱，只会影响图像和音频信号。

(2)为了提高频谱效率，在模拟电视信道同时传输多套数字卫星电视节目时，所谓的数字卫星电视信号也必须是高压缩率的编码和解码技术。可容易地获得，当数字电视信号压缩功能更强大时，使其占据的窄频带中，更加难以确保传输质量。为了能传输窄带条件下没有的相关信息，这势必将增加其传输速率损失。

(3)数字卫星电视信号是一个数据流的信号，为保证传输的可靠性，必须使用多种差错检测、纠错编码步骤，例如所罗门·里德编码，卷积编码，交织和编码技术，但这些措施将会带来更大的不便。当实际接收时，即使该场强在比阈值电平高的数字卫星接收机中，必须接收该正确的代码，从而正确地译码电视图像和音频输入。

(4)当有相当数量的数字卫星电视节目被加密时，此时只有被授权的客户可接收电视节目进行观看。在接收到加密的电视节目时，用户必须事先申请相关程序许可，以获取特殊的解码器，并输入正确的密钥或智能卡，由此才能收看加密的电视节目。