基带同步调制离散性分析及射频同步应用研究

吕文娟，刘卫忠，冯卓明

(华中科技大学 光学与电子信息学院电子系，湖北 武汉 430074)

基带同步调制离散性分析及射频同步应用研究

吕文娟，刘卫忠，冯卓明

(华中科技大学 光学与电子信息学院电子系，湖北 武汉 430074)

目前基于多载波调制技术的地面数字电视单频网，采用基带码流分配方式保证数据接收的可靠性，但存在调制离散性，长时延多径等产生的同频干扰问题。而基于射频分发产生的射频同步技术(RFST)为有效解决这些问题提供新的组网方案。通过对现有基带同步的调制离散性分析，得出调制误差率不一致对接收信号误码率的影响结果，并与采用RFST技术的单频网系统方案进行比较。理论推导表明，RFST技术保证各发射站点发射信号频谱特性一致。而仿真结果和实验网测试结果表明，RFST技术有效降低误码率，因此此中、小功率覆盖的方式可为小区域覆盖提供了更优性能的组网方案。

调制离散性；RFST；地面数字电视；单频网

1 地面数字电视广播单频网

地面电视的数字化使得构建地面数字电视广播单频网(Single Frequency Network，SFN)成为可能。单频网中若干个发射机在相同时间点上以同一频率发送相同的无线信号，实现一定服务区域内的可靠覆盖[1]，具有频谱利用率高、覆盖质量好、降低发射机功率等特点。然而发射机的严格同步对传输分配网络也提出了相应的要求。目前单频网实现方式普遍采用基带同步方式，即各基站分别对接收的基带码流进行调制并同步发射，属于传输码流的数字分配。如图1所示。

图1 基带同步码流分配单频网系统

上述组网方式针对覆盖面积较小的区域，通常采用单点大功率发射站可完成基本覆盖要求，多点小功率发射站进行补点覆盖盲区。该方案中，单点大功率的发射导致覆盖盲区较多，信号覆盖不均匀使得覆盖盲区的站点建设尤为重要，在满足补点覆盖的要求下同时需要避免盲目建站带来的投资浪费。因此其网络优化相对复杂，且大功率的发射更容易造成同频干扰。

地面数字电视SFN组网要求各发射站点发射的射频信号具有严格的时间、频率和比特同步。本文针对基带同步方式可能存在的调制离散性误差，分析其关键指标调制误差率及误码率，并提出一种采用射频同步方式且更适合较小覆盖区域的组网方案。

2 基带同步的调制离散性

由图1可见，同一TS数据流通过传输网络传送到各发射站点，由于各激励器之间调制的非线性，经过数字电视激励器和功率放大发射的射频已调波信号，存在着调制离散性误差。

输出信号频谱特性的差异可能导致接收机中同频干扰的产生。对于模拟电视信号，同频干扰将导致电视机画面出现水波纹和网纹状。数字电视信号由于其较强的纠错编码和抗干扰能力在一定程度上保证了减少了射频已调波频谱的多径效应。但在多重信号的覆盖区域，若超过OFDM保护间隔的信号间场强差不大，同样会造成同频干扰[2]。因此，基带同步方式容易存在同频干扰。

2.1 MER与SNR的等效关系

正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)技术在地面数字电视信号传输信道中，可能引入包括IQ幅度不平衡、IQ正交不平衡、高斯噪声、载波泄漏、相位噪声等失真与干扰[3]。工程上，调制误差率(Modulation Error Ratio， MER)是衡量数字电视系统的重要标准，反映数字电视信号经传输后的损伤程度。MER的恶化是传输网络质量恶化的最主要因素。

根据QAM调制机制，经过信道编码的数字电视信号TS码流被QAM调制器分成I、Q两路信号，相位相差90°。码流中的每一个符号对应IQ平面上的一个点，设接收理想符号的数据点坐标为(I，Q)，则相应实际接收数据点的坐标为(I+ΔI，Q+ΔQ)，其中ΔI和ΔQ代表该符号理想位置(判决

区域中心)和实际接收点位置的距离。MER定义为数字电视信号的理想符号功率与噪声功率之比

(1)

由上述MER定义表达式可推导出当加性高斯噪声(Additive White Gaussian Noise， AWGN)是造成QAM调制器的失真的原因时，MER与信号噪声功率比(Signal Noise Ratio，SNR)等效。信噪比SNR是衡量系统性能的关键指标，而在数字电视广播系统中，引起失真的原因种类多样，无法直接测量，因此在工程中通常使用调制误差率测试仪器测量MER值反映信号质量，替代SNR的系统性能指标作用。

以DVB-T系统为例，针对单点收发的地面数字电视传输链路MATLAB模型如图2所示，其中Data source为188 byte一帧的随机数字序列，经过标准的信道编码、64QAM和OFDM调制后被接收机解调解码。将信号噪声功率比SNR设置为 0～20 dB 以1 dB步进增长，测得MER随SNR变化的数据曲线图如图3所示。

由数据结果推导该曲线近似满足下式

MER=(SNR+1.359)(dB)

(2)

验证了仅存在高斯噪声的情况下，MER值可等效为SNR，且通过设置SNR值来对MER进行改变，便于后续仿真分析。

图2 数字电视信号单点发射传输链路模型

图3 MER随SNR增长呈近似线性关系图

2.2 调制离散性对信号接收性能的影响

在基带同步方式中，A、B基站发射的RF信号存在二者MER不一致，即存在调制度误差的情况，从而影响接收信号的质量。仍以DVB-T系统为例，其地面数字电视广播单频网的双发射站MATLAB仿真模型如图4所示。其中Data source为188 byte一帧的随机数字序列，在各发射站点完成标准的信道编码、64QAM和OFDM调制后，经过传输信道被接收机接收并解调解码，将还原信号与原始信号进行误码率(Bit Error Ratio，BER)计算。

为分析经过发射机中激励器调制后发射站间调制度误差对接收信号质量的影响，可通过设置两站输出信号的SNR值不同，来实现MER的不一致。当A、B两发射站不存在调制度误差，即保证两站发射信号MER相同，其接收信号BER随发射信号MER的增长如同4中的100%MER曲线所示。当考虑A、B两发射站存在调制度误差时，设置B站发射信号MER相对A站分别劣化1%，5%和10%，得到接收信号BER随A站标准MER的增长变化如图5中的曲线所示。观测保证低误码率即MER=15 dB左右的曲线可知，当发射信号MER劣化1%时，仿真中需要将MER提高0.2 dB才能保证近10-3的低误码率接收效果，而劣化5%时则需要提高 0.5 dB 保证低误码率。根据仿真结果，保证低误码率时，两发射站MER一致可提高接收信号BER，劣化越明显，信号质量提高越明显。

图4 调制离散性分析仿真模型

图5 MER的劣化程度与BER的关系

而随着A、B两发射信号的调制离散性误差ΔMER增大，接收信号BER劣化程度如图6所示。根据仿真结果可得，在保证低误码率10-3时，当1个发射站的射频信号MER劣化 1 dB， 其误码率降低近1倍，且调制离散性ΔMER越大，误码率增长越快。

图6 BER随ΔMER的变化曲线图

这里需要特别提到的是，我国发射机的标准要求其输出的射频信号MER值不小于32 dB，激励器输出不小于 36 dB[4]， 与上述仿真的MER设置值相差甚远。因为在实际工程中，发射站台激励器除调制器外还包括功率放大等模块，存在的线性失真和非线性失真种类繁多，因此相应对发射机MER值的要求也要大幅提高。

3 射频同步技术RFST

针对基带同步中，发射信号MER的不一致导致误码率增加，从而提高接收门限，最终影响接收信号性能的问题。而基于射频同步技术(RF Synchronization Technology， RFST)的地面数字电视广播单频组网方案，则采用射频信号集中产生方式，将集中调制后的射频已调波信号分发至各基站，各基站进行射频同步延时处理后同频发射。系统框图如图7所示。

图7 射频同步地面数字电视单频网系统

该系统节目分配网络是各基站接收同一数字电视激励器(主站)分发的射频已调波信号，并以同一频率发射出去，保证各基站信号交叠区的接收信号频谱特性一致，即MER一致。而各基站经过数字存储延时，预失真线性等处理，保证时间同步。因此，该方案满足SFN组网要求。射频分发可以多点中小功率宽带发射机协同工作，降低发射功率，实现均匀的信号覆盖，减少同频干扰和覆盖成本。

3.1 射频拷贝传输技术

射频同步方式中，射频同步需要保证A，B基站发射的RF信号调制度一致，频谱特性一致。射频拷贝技术原理图如图8所示。

图8 射频拷贝技术原理框图

射频已调信号Sm(t)经上变频器混频后，得到混频产物S1(t)和可能存在的载波泄漏。其中S1(t)包含上下两边带

S1(t)=Sm(t)×cos[ωct+θc(t)]=

Sm(t){cosωct×cosθc(t)-sinωct×sinθc(t)}=

(3)

滤除下边带后，两接收端信号包含泄漏载波分量和上边带分量

S2(t)=A·cos[ωct+θc(t)]+

B·Sm(t)ejωct(cosθc(t)+jsinθc(t))

(4)

利用泄漏载波分量与上边带分量得到的混频产物包括一系列高频信号和中频信号IFout。经低通滤波器后得到中频信号。其中

Sm(t)ejωct(cosθc(t)+jsinθc(t))=

(5)

由式(5)推导结果可知，在本振信号保证同频同相下，IFout与主站射频已调信号Sm(t)频谱特性一致。

3.2 数字射频同步处理

信号接收时间不一致，频率偏移和数据差错是导致单频网系统性能差的重要因素[5]。射频拷贝处理过程保证了两基站接收信号的频谱特性相同，即同频同比特，在各基站仅需完成RF信号的时间同步。利用雷达电子对抗领域的数字射频存储(Digital Radio Frequency Memory， DRFM)技术，在发射端进行数字电视射频信号的精密存储延时和无失真传输。

接收端接收两基站发射的RF信号是否存在时差取决于发射机时刻偏移和与接收端的相对位置。时刻偏移是指码流信号经节目分配网络到达各发射站时的时刻差异，其确定可根据如GPS接收提供的时间信息。设A、B发射站接收同一数字电视激励器发射RF信号的时刻为：Ta，Tb。而根据收发端地理位置、环境和发射功率等参数确定的延时固定为Da，Db。数字射频同步延时处理是将RF信号数字下变频到中频信号，经过DSP存储延时处理，增加各自时延再转换为RF信号发射出去，增加的延时保证接收端接收信号的时刻一致。

当A、B两发射站使用射频同步方式时，理论上不存在调制度误差，即保证两站MER保证相同，其BER随MER的变化如图5中的100%MER曲线所示。

3.3 射频同步实验网

为评估射频同步技术应用在数字电视广播单频组网覆盖中的实际效果，本试验网分别以传统基带码流分配方式和射频集中分发技术构建CMMB单频网，并采用移动路测手段，对两种工作方式的实际覆盖效果，进行评估比较。在试验网中，同频发射台站距离为38 km，场强差小于8 dB的区域，绝大多数地区落在51.2 μs的双曲线保护间隔以内，符合单频网组网覆盖要求。以光纤构建节目分配网络为例，在该网中选取东西向线路移动接收相同测试数据的接收效果如表1所示。表中LDPC误块率和RS误块率记录落在0～0.02的次数，信噪比录入高于15 dB的次数，功率电平录入低于 -60 dB 的次数。

表1 基带同步与射频同步试验网接收效果比较次数

由表1可见，尽管信噪比劣化，但射频同步的误码率明显低于基带同步，最小接收功率电平更低，证明其灵敏度更高。根据路测仪记录显示，在两发射台的覆盖的8 dB相干区域内，传统单频网方式存在误块率。CMMB接收机偶然出现马赛克或停顿现象。而由光纤构建的已调波同频谱组网模式，在整个路测过程中，路测仪未显示明显误块率，CMMB接收机图像始终流畅，未出现过马赛克和画面停顿。

4 总结

射频同步分配方式保证各发射站点发射信号频谱特性一致，接收时间一致，从而在不产生同频干扰的前提下提高接收信号质量，解决基带同步码流分配方式中因调制度离散性而产生的误码率增加。该技术为较小覆盖区域的地面数字电视广播系统单频网提供了更优的组网方案，特别针对山区复杂地形和城市多建筑遮挡的环境。在减省数字激励器等设备的同时降低建网工程复杂度和成本，降低发射功率以提升覆盖效果和信号质量。当然该方案的关键还在于射频延时处理器的精准度，配合GPS、北斗等卫星系统提供的基准时间频率，也是不难实现的。

[1] 杨知行，王军，王昭诚，等. 数字电视传输技术[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[2] PENTTINEN J. SFN gain simulations in non-interfered and interfered SFN network[J]. International Journal on Advances in Internet Technology， 2009， 2(1)： 115-134.

[3] 高滨，龚波，程伟. 数字电视QAM调制器关键参数测量的深入探讨[J]. 广播与电视技术， 2005， 32(1)： 87-90.

[4] GY/T 229.4—2008，地面数字电视广播激励器技术要求和测量方法[S].2008.

[5] MATTSSON A. Single frequency networks in DTV[J]. IEEE Trans. Broadcasting，2005，51(4)：413-422.

责任编辑：时 雯

Research on Performance Analysis of Base-band Synchronization and Comparison with RFST

LÜ Wenjuan，LIU Weizhong，FENG Zhuoming

(DepartmentofElectronics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Single Frequency Network (SFN)of territorial digital TV，utilizing multi-carrier modulation，is usually based on base-band TS stream distribution to ensure the data reliability， but it still has problems on modulation discreteness， co-channel interference caused by long delay time. Radio Frequency Synchronization Technology (RFST) can solve these problem based on RF signal distribution. The relationships between modulation discreteness and BERs of base-band synchronization is analyzed and the results to RFST are compared. With results from theoretical derivation，simulink tests and trial project network prove that RFST offers a more excellent networking scheme of the small area coverage for Digital Video Broadcasting-Territorial (DVB-T)，by ensuring the identical spectral characteristics of RF signals from different stations and reducing BER.

modulation discreteness；radio frequency synchronization technology； DVB-T；single frequency network

【本文献信息】吕文娟，刘卫忠，冯卓明.基带同步调制离散性分析及射频同步应用研究[J].电视技术,2015，39(11).

国家自然科学基金项目(60902006)；华中科技大学科学研究基金项目(2012QN152)

TP949

A

10.16280/j.videoe.2015.11.021

2014-12-15