基于微波传输的地面数字电视系统关键技术研究

徐家民

（广东阿尔创通信技术股份有限公司，广东 广州 510235）

关键字：数字电视；微波传输；组网优化

0 引 言

20 世纪70 年代，无线网络的构想第一次被提出，无线网络技术的出现极大地增强了人们沟通的能力。无线网络技术不仅覆盖范围远超传统通信手段，而且信息密度以及传递速度都得到极大的提升[1-3]。无线通信网络系统由3 个部分组成，分别为发射端、传输媒体以及接收端。其中，发射端用于将发送信息转化为电信号，再以电磁波的形式传递到接收端，这一过程通常由信号转换器、发射机以及天线等设备完成。接收端再利用转换器便可得到发送信息，这便完成了一次完整的无线通信。

无线通信技术是在不利用实体线路的条件下，利用无线传输媒介进行数据传输的通信方式[4,5]。目前，人们可以利用微波和卫星2 种无线通信技术，然而这2 种技术都受到频谱有限的制约。因此，随着人口数量的增长以及人们对无线通信需求的日渐提升，如何有效利用起频谱资源、做到合理的分配，是日后需要重点研究的部分。无线通信传输技术仍存在很多问题需要人们去不断完善，如天线传输信号的局限、接收端对于信号的识别仍有着较大的错误率等[6]。

1 DVB-T2 和DTMB 关键技术

数字视频广播（Digital Video Broadcasting，DVB）系统中的传输系统主要指数字电视网络的信道部分[7,8]。常见的3 种传输系统是有线数字视频广播（Digital Video Broadcasting-Cable，DVB-C）、 数字卫星电视系统（Digital satellite TV system，DVB-S）以及地面数字电视广播（Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T）。基于该背景，着重介绍第二代地面数字电视广播（Second Generation Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T2）和地面数字多媒体广播（Digital Terrestrial Multimedia Broadcast，DTMB）标准。DVB-T2 和DTMB 拥有更先进的数据传输技术，大大提升了传输速率，能够为数字电视广播提供更多的传输模式，提高了系统频带的利用率，其综合表现与DVB-T 相比更具优势。

DVB-T2与DTMB都运用了正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）技术、增加循环前缀的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术以及频域导频技术，并加以改进，大大增强了其传输能力。此外，DVB-T2 与DTMB 为了有效为各类型接收设备提供相应的数据服务与传输音视频服务，进行了彻底的修改，更高效地使用了频谱，其中主要改进的方面有以下几点。

一是支持物理层多业务功能，在原有基础上改成了超帧、T2 帧和OFDM 符号组成的三帧结构。提供了多通道物理层以及时间分片等服务，并且扩大了输入流格式的范围，进而可实现多业务发展的操作。

二是采用各项技术提升传输速率，如能够进行256QAM 级别的高阶调制；使用更加先进的纠错编码技术，如低密度奇偶校验码等；能够在信号中添加更多的保护间隔；支持更多离散时间信号的记录长度，并增加了扩展子载波模式等技术。

三是采用多种技术提升信号传输所需要的能力，如前向纠错码技术、OFDM 高速传输技术、星座旋转技术以及交错编码技术等。

1.1 前向纠错码技术

在传输数字信号的过程中，数字信号经常会由于噪声等不良干扰出现信号失真等情况，这时候需要利用前向纠错码技术对信息传输中的错误进行监测和纠正[9]。其主要原理是数据发送方利用纠错码中的冗余信息，使接收方能够检测和纠正传输中发生的错误。为了提高系统的传输速率，DVB-T2 与DTMB 系统采用新的编码模式，参考了二元线性循环码与低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check，LDPC）等。

LDPC 码是一类线性分组码，其特点是它的校验矩阵是稀疏矩阵，能较好地适用于各种通信信道。LDPC 码的译码方法和经典分组码不同，其码长较长，因此通常通过其校验矩阵的图像表达进行迭代译码。在第二代欧洲地面数字电视广播标准下，该校验码分别为2 种不同的比特码，其优点在于码率多、译码简易便捷、可实现多线程同时操作，在硬件上使用有较高的优势。

1.2 星座旋转技术

星座旋转调制属于信号在空间层次上进行分集的一种技术，能够在2 个星座点上增加分集度[10]。该技术与其他分集技术的区别在于能够利用来自于系统的调剂能力，更加节能高效。且通过与前向纠错码技术相结合，能够提升系统的传输效率与抵御对外界的干扰水平。在第二代欧洲地面数字电视广播标准下，该技术通过为衰落信道增加额外分集，使系统得到更高的容量与增益。

1.3 OFDM 高速传输技术

OFDM 高速传输技术是一种通过将信道划分为正交的子信道，降低传输速度并改变传输模式，从而实现高速数据传输的技术。该技术被广泛应用于DVB和DVB-T2 等领域，提高了信道的利用效率。可以将信道划分为多个正交的子信道，增加了子信道的数量，从而提高了信道的传输容量。然而，子信道的频谱有一定的重叠区域，因此需要选择适当的传输媒介来消除子信道之间的干扰影响。

1.4 相关同步算法

单频网是基于DVB 系统的重要组网方式之一，为了保证在单频网中数字电视可以得到回波与频偏条件下的较为精准同步，通常会给DVB 系统设计相关同步算法。DVB-T2 和DTMB 系统帧结构的基本单元都为信号帧。以DTMB 为例，帧体和帧头共同组成了信号帧。其规定了3 类不同的帧头模式，分别是945个符号、595 个符号以及420 个符号。而帧头序列中的前后同步都是数据的重复。利用帧头重复特性，可以设计相关延迟算法，找到帧头的起始位置，再根据实际的间隔确定帧头的具体模式。

1.5 交错编码技术

DVB-T2 与DTMB 为了避免数字信号传输时受到外界干扰而影响传输质量，采用了交错编码技术。该技术通过将原信号分割成多个单位比特的小段数据，并按照一定规则进行分散重组处理，实现了大段数据的细分化。传输过程中，可以使用前向纠错码对这些小段数据进行位置上的复原，在不改变原有信息内容的前提下，有效改变了信息结构，从而显著改善了数字信号传输的可靠性问题。

2 算法设计与实验分析

以关键技术中的相关同步算法设计为例进行具体研究，并进行相关实验。在地面数字广播电视无线技术中，会存在信号互相干扰的情况，即出现了“相干区”，在这个区域会无法有效地接收可使用的无线数字信号。为了验证相关同步算法的有效性，选取“相干区”进行相关实地实验，对由主基站和副站组成的单频网进行实验，利用放置相关的检测设备对该单频网进行组网优化调测，以解决实际组网过程中存在的问题，探求如何完成实地组网优化过程。该优化分为2 步，一是控制好信号覆盖场；二是利用检测设备调制接收信号指标。

2.1 同步算法设计

同步算法可以基于自相关函数Rd进行设计，目的是解决数据传输过程中的延迟问题，具体形式为

式中：L为滞后量，用于确定2 个输入序列之间的时间间隔；N为接收得到的DTMB 信号序列r(n)的长度。L与N的数值在本次实验中分别设定为255 与165。通过利用重复数据的相关性寻找帧头的起始位置，进而确定帧头模式为PN420。

2.2 具体实验

本次实验所用到的测试设备选取了便携式电视信号综合分析仪，型号为S7000，具有可靠与便携的优点，由天津德力电子仪器有限公司生产。

单频网调试需要设立“相干区”进行实地测试，而相干区需要满足接收信号存在明显的回波干扰且接收水平明显低于标准指标，对此需要对其进行单频网优化措施，即可进行实验。表1 为疑似相干区域的实地测试指标，有4 个地点。

表1 疑似相干区域的实地测试指标

对于上述4 个测试地点，经过数据分析将4 号地点划分为“相干区”，通过表1 的数据可分析得出此结论。记录1 ～4 号地点在不同发射情况下所接收主基站与副站的信号情况，用接收电平与调制误差比（Modulation Error Ratio，MER）值作为量化指标。1号地点能够接收到主基站和副站的信号，但接收电平数值达不到标准，因此无法作为“相干区”。2 号和3号地点均无法接收到主基站信号，其MER值显示为0，故不能满足调试单频网的需求。而4 号地区既能接收到主基站的信号又能接收到副站的信号，且2 个不同时延参数下收到的信号存在较大区别，故适合作为“相干区”。本研究选取1 号地点中的一个小区域进行单频网调试，这个区域称为A 点。

将激励器时延参数设置为27.4 μs，使用德力S7000 电视信号综合分析仪对相干区进行数据采集，利用所得到的量化数据进行分析并对比，得出的结果如图1 和图2 所示。其中，图1 显示了没有使用同步算法的信号接收结果，而图2 展示了使用同步算法的信号接收结果。

图1 没有使用同步算法时的仪器回波测试结果

图2 使用同步算法时的仪器回波测试结果

大量的实际测试参数显示，在A 点进行实验时，当回拨总数低于一定数量时，接收质量与回波间隔成反比。根据对图1 和图2 中回波间隔的分析，可以明显观察到在使用同步算法进行数据接收时，回波间隔显著缩小，相比不使用算法时，接收质量更好。

3 结 论

主要介绍了地面无线数字电视广播进行无线通信所需要用到的技术，且以第二代欧洲地面数字电视广播标准DVB-T2 和DTMB 为例介绍了相关无线传输技术的优点与缺点，如纠错码技术与星座旋转技术等。另外，为了验证相关同步算法的有效性，选择了一个具有相干区的实地实验场景，该场景由主基站和副站组成单频网。通过放置相关的检测设备，对该单频网进行组网优化调测，证明算法的有效性。本研究旨在为进一步提升地面数字电视广播技术提供研究方向。