CMMB调制质量测试系统设计

孔慧芳, 左继国, 许建华, 陈安军

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国电子科技集团公司 第四十一研究所,山东 青岛 266555)

CMMB调制质量测试系统设计

孔慧芳1, 左继国1, 许建华2, 陈安军2

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国电子科技集团公司 第四十一研究所,山东 青岛 266555)

文章针对当前国内主要采用的中国移动多媒体广播(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)测试系统成本高、不易自主扩展等问题,结合安捷伦N9030A矢量信号分析仪,设计了一套具有本地、联机2种测试模式的CMMB调制质量测试系统,介绍了该系统的设计思路与系统软件的原理框图,给出了联机测试模式的测试结果。该系统可以有效实现CMMB信号的调制质量测试,具有结构简单、使用简便、方便移植、易于扩展等优点,具有广泛的应用前景。

CMMB测试系统;矢量信号;调制质量;联机测试;信道响应

0 引 言

随着数字化、网络化等高新技术的迅猛发展,电信网、计算机网和广播电视网三网融合已经进入了快速发展时期[1]。三网融合有利于实现网络资源的最大程度共享,避免低水平的重复建设,是国家“十二五”规划中全面提高信息化水平的重要手段,也是现代信息技术发展的必然趋势[2]。广播电视是三网融合的主体,承载着重大的社会责任,而作为下一代广播电视网(Nextcgeneration Broadcasting Network,NGB)的基础[3],中国移动多媒体广播电视(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)的重要性不容忽视。

CMMB是我国自主研发的、具有完全自主知识产权的移动多媒体广播标准,是手机媒体与电视媒体互动融合产生的手机电视业务[4],自2006年正式启用以来,一直都是国家大力发展的重点。然而,近2年来,CMMB发展不尽如人意,除了4 G和WIFI网络普及、CMMB收费过早等原因外,其信号覆盖质量也有待提高[5]。CMMB急需寻求突破,不仅需要市场上的进步,还需要提高接收信号质量。然而,地面传输环境复杂、条件苛刻,在传输过程中,CMMB会受到高斯白噪声、多径衰落等干扰[6]。为了科学评估CMMB传输系统的抗干扰能力,需要对系统的各项调制质量指标进行全面测试。当前,国内主要采用美国安捷伦(Agilent)公司和德国罗德与施瓦茨(R&S)公司提供的CMMB测试系统,需要使用该公司提供的矢量信号分析仪与配套插件,如R&S公司的SFU电视测试系统、Agilent公司的N9030A矢量信号分析仪等,成本很高,不适合批量购置,且不易自主扩展。因此,设计一套测试灵活、成本较低、易于扩展的CMMB调制质量测试系统是必要的。

本文简要描述了CMMB调制质量判断标准,设计了一套CMMB调制质量测试系统。该系统包含本地测试模式与联机测试模式,能够实现CMMB信号的调制域测试,且使用简单、易于后期扩展,可与安捷伦N9030A、国内自主研发的AV4051F等多款矢量信号分析仪联机测试,降低了测试成本。

1 CMMB调制质量参数

CMMB调制质量测试主要是指测量CMMB视频码流在信道传输过程中受到的干扰程度。CMMB接收机接收来自CMMB发射机的射频信号,经过下变频、同步、OFDM解调、信道均衡等过程[7],输出调制域信号。调制信号质量直接决定传输码流的正确性,是检验数字电视接收机能否正常接收的主要判别标准之一,也是无线通信发射机的关键参数[8]。通常采用调制误差率(MER)、误差矢量幅度(EVM)、幅度误差、相位误差、频率误差、信道响应作为CMMB信号的调制质量参数。

MER是信号矢量幅度的有效值与误差幅度的有效值的比值,以dB为单位,是被接收信号的“品质因数”,往往作为接收机对传送信号能够正确解码的早期指示[9],计算公式如下:

(1)

其中,Z为测量信号;R为参考信号;MEAN为求平均值。

一般情况下,发射机生成的CMMB射频信号的MER在32 dB以上,CMMB接收信号的MER在25 dB以上时视频信号比较清晰。

EVM描述实际信号与理想信号在星座图上的向量差,如图1所示,以百分比的形式表示,是评价调制信号质量与发射机性能的重要指标；一台高性能发射机生成的CMMB信号的EVM一般在1%以内[10]。

图1 误差矢量图

EVM定义为误差矢量信号和参考信号的均方根值(RMS)的比值[11],计算公式如下:

(2)

幅度误差和相位误差表示测量信号与理想信号幅度和相位上的偏差,直接影响系统性能,也是衡量CMMB调制质量的重要参数。频率误差反映接收信号与实际频段的频率偏差,是衡量CMMB系统受到子载波间干扰(inter-carrier-interference,ICI)程度的重要参数[12]。

信道响应描述传输信道对CMMB信号的影响程度,包括幅频响应、相频响应与脉冲响应。幅频响应与相频响应表示传输信道对CMMB信号各子载波处的幅度和相位的影响,脉冲响应主要反映传输信道的多径和时延特性。

2 CMMB调制质量测试系统设计

2.1 总体设计

CMMB系统具有灵活多变的调制、编码与时隙分配方式,可以根据传输信道状况和实际传输需求自适应地选择不同方案,这些调制参数均存储于控制逻辑通道中,在每帧信号的第0时隙发送[13],测试系统需要解读控制逻辑通道,获取调制、编码与时隙分配参数,才能更有效地进行CMMB调制质量测试。

本文设计的CMMB调制质量测试系统具有联机测试与本地测试2种模式,具备时隙、逻辑通道和整帧测试3种测试选项。

联机测试模式需要具有触发功能的矢量信号分析仪,通过外部修改通信指令实现联机测试,其系统示意图如图2所示。

图2 联机测试系统示意图

矢量信号发生器通过局域网接口接收上位机软件生成的CMMB基带信号经过上变频、滤波等处理,发射CMMB射频信号。函数/任意波发生器为矢量信号分析仪提供1 pps的触发脉冲信号,CMMB调制质量测试软件动态设置矢量信号分析仪的触发延时,可以有效采集指定时隙的射频信号。矢量信号分析仪对射频信号进行下变频、滤波、采样、量化等处理,并通过局域网接口将基带信号上传给上位机,CMMB调制质量测试软件对该基带信号进行测试,并显示测试结果。测试中可以添加外部参考时钟,同步矢量信号发生器、函数/任意波发生器与矢量信号分析仪的频率源。本地测试模式支持.dat与.txt 2种文件格式,需要CMMB调制质量测试软件与CMMB本地数据文件,使用测试软件载入本地文件,测试软件自动分析本地数据的时隙号,为用户提供测试选项。用户外部输入采样频率、调制参数与测试方式,辅助完成CMMB信号重采样、误差测试功能。由于本地文件数据长度有限,可能不包含控制逻辑通道,采用本地模式时用户可以手动设置所测基带信号的调制参数辅助进行CMMB调制质量测试。

2.2 软件设计

CMMB调制质量测试软件基于Visual Studio软件开发平台,使用C#语言开发完成,由通信模块、显示模块、测试模块、控制模块与信号处理模块组成,原理框图如图3所示。

图3 CMMB调制质量测试软件原理框图

本软件根据联机测试与本地测试2种模式,提供2种获取CMMB基带信号的方式：

(1) 通信模块通过局域网接口与矢量信号分析仪通信,采集当前的CMMB基带信号。

(2) 用户手动加载本地存储的CMMB基带数据文件。

信号处理模块的内部原理框图如图4所示。该模块根据当前的设置参数,对CMMB基带数据进行重采样、同步、频偏补偿、信道估计[14]等处理,并向控制模块反馈当前信号的同步状态以及CMMB传输指示参数,控制模块根据反馈信息与用户需求,向显示模块发送显示控制参数。

若基带信号已同步成功并成功获取时隙序号,信号处理模块可将调制域信号发送至调制参数测试模块,对调制域信号进行星座映射、低密度奇偶校验码(low density parity check code,LDPC)解码[15]与解复用[16],最终得到CMMB基带信号的调制参数。

上述过程在程序初始化或重置后测试时隙0中的调制参数时自动运行,用户也可单击功能栏中的调制参数测试按钮重新测试基带信号的调制参数。其他情况下,信号处理模块将调制域数据、信道响应估计数据、调制参数等传送到测试模块进行调制质量测试。若基带信号无法成功同步或获取时隙序号,则信号处理模块结束,控制模块向显示模块发送出错指令。

测试模块由误差测试模块与信道响应测试模块2部分组成,误差测试模块包括MER、EVM、幅度误差、相位误差和触发偏差测试等功能,其中触发偏差仅在联机测试模式中使用,描述触发信号与时隙0的时间偏差,当触发源采用外部参考时钟时,触发偏差较小,一般在10 μs以内。信道响应模块从信道响应估计数据中获取幅频响应、相频响应与脉冲响应,去除相频响应的线性相位后,一起封装,最终传送到显示模块。

图4 信号处理模块原理框图

3 实验与分析

基于上述测试方案,本文采用CMMB调制质量联机测试模式进行实验,选取安捷伦N5182A矢量信号发生器、安捷伦81104A脉冲信号发生器与安捷伦N9030A矢量信号分析仪作为实验仪器,如图5所示,N5182A使用N9030A的10 MHz参考时钟作为外部时钟源。

图5 实验仪器

使用安捷伦N7623B软件,N5182A矢量信号发生器产生CMMB射频信号,将1帧CMMB信号划分为1个控制逻辑通道与7个业务逻辑通道,除了控制逻辑通道采用固定的调制参数外,每个业务逻辑通道采用独立的调制参数,由于篇幅所限,此处不加描述,其他设置参数见表1所列。

CMMB调制质量测试软件的测试结果如图6～图8所示。图6所示为传输信道的脉冲响应曲线,CMMB基带信号的信道脉冲响应比较平滑,不存在明显的多径现象。主径功率较强,位于0 μs位置,同步模块估计的帧位置与所测信号的实际帧位置一致。

表1 配置参数

图6 信道脉冲响应

图7所示为传输信道的频率响应曲线,当前传输信道对CMMB基带信号的幅度和相位的影响均较小,各子载波处的幅度变化范围为±0.25 dB,相位变化在±1°以内。

图7 信道频率响应

图8所示为CMMB基带信号的星座图、调制参数和调制误差,由图8可知,所测调制参数与设置值一致。当前测试的第1时隙采用16QAM调制方式,频率误差为4.999 6 kHz,与设置值仅差0.4 Hz。经过频偏补偿与信道均衡后,所测EVM为1.1%,MER高达39.14 dB,与信噪比(SNR)设置值40 dB基本一致。由于CMMB射频信号在传输电缆上产生能量损耗,通道功率测量值为-20.78 dBm,略小于发射功率,CMMB时域能量的峰均比为10.71 dB,与N9030A测量结果基本一致。经过实验,本系统成功实现了CMMB调制质量测试,达到了预期效果。

图8 星座图、调制参数、调制误差

4 结 论

本文设计了一套CMMB调制质量测试系统,给出了系统的设计思路与系统软件的设计方案,能够通过本地、联机2种测试模式实现CMMB信号的调制质量测试,并成功与安捷伦N9030A、国内自主研发的AV4051F联机,降低了测试成本,具有良好的适应性与可移植性,使用简便,对CMMB系统的测试、评估和规划有着重要用途。

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(责任编辑 张 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

国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2012YQ200224;2013YQ200607)

孔慧芳(1964-),女,安徽蚌埠人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师; 许建华(1967-),男，安徽砀山人，中国电子科技集团公司第四十一研究所教授级高级工程师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.011

TN934.3

A

1003-5060(2016)12-1644-05