有线电视数字信号分析与测量

　　摘要：数字电视参数测试故障分析

　　关键词:数字电视传输码流QAM调制器BER

　　有线数字电视系统包括编解码、复用和传输等多个环节，整个过程涉及的技术指标较多，其中的关键参数影响着数字信号质量和整个系统的稳定性，所以必须对关键技术参数进行了解和测试。

　　1传输码流参数及测试

　　对MPEG-2TS流参数的测试，主要是依据“DVB系统测试指导”文件ETR290，测试并不依赖于任何商用解码器及芯片，而使用MPEG-2TS系统目标解码器(T-STD)的标准解码程序。

　　MPEG-2TS流参数的监测和特性分析包括TR101290测试标准3级错误检测、PSI/SI信息分析、TS流语法分析、PCR分析及缓冲区分析等。一般采用码流分析仪对TS流进行检测分析。

　　2传输网络技术参数及测试

　　经过MPEG-2信源编码和MPEG-2TS传输流复用后生成的MPEG-2传输复用包经过扰码、RS编码及卷积交织后，进行64QAM调制形成中频调制信号，中频调制信号经过上变频转为射频信号然后送入HFC网传送到用户。数字电视和模拟电视的频谱结构及能量分布完全不同。由于QAM中的调幅是平衡调幅，抑止了载波，因而从频谱分析仪上看，一个数字频道的已调信号，像一个抬高了的噪声平台，均匀地平铺于整个限定带宽内。伴音信号在MPEG-2编码时，已经与图像信号以包的形式复用到了一起，因而，一个数字电视频道，不但没有所谓图像载波，也没有伴音载波。数字频道的存在，非线性产物对模拟频道的干扰明显比数字频道严重，所以应当把数字64QAM信道功率配置为比模拟信道图像载波峰值电平低至10dB。

　　2.1数字电视的信号电平及其测量方法

　　QAM调制的数字电视信号，没有图像载波电平可取，整个限定的带宽内是平顶的，无峰值可言。所以，QAM数字频道的电平是用被测频道信号的平均功率来表达的，称为数字频道平均功率。在用户端电缆信号系统出口处要求：信号电平为47～67dBμV(比模拟电视信号的要求低10dB)，数字相邻频道间最大电平差为≤3dB,数字频道与相邻模拟频道间最大电平差为≤13dB测量的方法是对整个频道进行扫描、抽样，由于每一个随机抽样点的功率也是随机分布的，所以把每一个抽样点的功率值取平均。这种测量功能是模拟电平测试仪器不具备的，所以不能用模拟电平表测量数字频道电平，把结果进行修正当作数字频道电平，而只能用数字表测量数字频道平均功率电平，测量时应当把频率设定在该频道的中心频率处

　　2.2数字电视的噪声电平及其测量方法

　　测量模拟频道噪声时，在模拟频道取噪声测试点，只要偏离图像载频即可。而由于数字电视的类白噪声性质的频谱分布，测量数字频道噪声不能使用模拟频道的测量方法。数字频道内有用能量也像噪声，没有什么特点把它们分开，所以测量噪声，要到被测频道的邻频道去取样，并且这个邻频道应当是空闲的。可以采用频谱分析仪或者矢量分析仪和误比特率(BER)分析仪测量数字信号电平和数字系统的噪声电平。

　　2.3误码率及其测量方法

　　数字电视信号是离散的信号，接收到的数字电视信号要么是稳定、清晰的图像，要么就是中断(包括马赛克、静帧)，具有“断崖效应”的特点。信号的这种变化，只与传输的误码率有关，所以把误码率作为衡量系统信号质量劣变程度的最重要的指标。在RS解码前的TS流的误码率规定为不劣于10?-4，其他参数(如载噪比、调制误差率、噪声容量)的限额值都是为了保证该误码率的。可用伪随机二进制序列(PRBS)发生器、带PRBS码流串行接口的QAM调制器、频谱分析仪和误比特率(BER)分析仪来测量误码率。

　　2.4信噪比及其测量方法

　　信噪比?S/N指传输信号的平均功率与噪声的平均功率之比。载噪比C/N?指已调制信号的平均功率与噪声的平均功率之比，载噪比中的已调制信号的功率包括了传输信号的功率和调制载波的功率。在调制传输系统中，一般采用载噪比指标;而在基带传输系统中，一般采用信噪比指标。数字调制信号对网络参数的要求主要反映在载噪比上，载噪比越大，信号质量越好，反之信号质量就差，模拟电视会出现“雪花干扰”，数字电视会出现马赛克，严重时会造成图像不连续甚至不能对图像解码。只要满足GY/T106-1999《有线电视广播系统技术规范》要求的有线网，在用户端电缆信号出口处数字频道载噪比达到31dB以上，就可传送64QAM信号。可以采用适当的频谱分析仪或者矢量分析仪测量系统的信噪比。

　　2.5调制误差比及其测量方法

　　数字调制信号的损伤通常用星座图来观察。在星座图中，噪声呈云状，差拍干扰呈环状，IQ不平衡的星座图不是正方形。

　　调制误差比(MER)包含了信号的所有类型的损伤，如各种噪声、载波泄漏、IQ幅度不平衡、IQ相位误差、相位噪声等。MER的测试结果反映了数字接收机还原二进制数码的能力，它近似于基带信号的信噪比?S/N?。在用户端电缆信号出口处调制误差比MER要求达到30dB以上，可以采用QAM星座图分析仪和基准接收机来测量系统的调制误差比MER。

　　2.6传输系统非线性产物的分布和对信噪比的影响

　　传输系统非线性的根源是有源设备，在频率处理(调制、变频)和电平处理(放大)过程中，产生非线性失真是必然的。传输系统非线性失真产生新的频率成分，落到本频道或其他频道，都要成为干扰。在传输频道数很多时，非线性产物的数量是很大的。HFC网中的光链路也会产生非线性，光链路的非线性主要产生于激光器。激光器的驱动电流与输出光功率特性上存在一个拐点。当驱动电流小于拐点时，输出光功率会急剧减小，形成光功率削波，从而产生大量的非线性产物。当QAM信号的光调制幅度增大到与模拟调幅信号的光调制度接近时，大量的非线性产物产生，因此应当正确配置光发射机的射频RF输入电平，防止削波特别是防止数字信号的削波发生。数字频道采用64QAM，占有8MHz带宽。64QAM已调波的频谱像一个限定宽度的噪声带。从频谱分析仪上看，一个频道的64QAM已调信号，像一个抬高了的噪声平台，均匀分布在其中心频率两侧，它的能量在限定带宽内是均匀分布的。在传输通道存在非线性失真的情况下，数字频道与数字频道之间，数字频道与模拟频道之间的互调、交调产物呈白噪声性质，在被干扰的频道内弥散分布，这等于在被干扰频道里增加了噪声，通常称之为组合互调噪声(CIN)。

　　数字频道间，数字频道与模拟频道间的非线性产物，不再具有离散分布的特点，它以均匀分布的噪声形式出现，它对被干扰频道图像质量的影响以互调噪声的方式，劣化被干扰频道信号的信噪比。被干扰频道是数字频道时，虽然该频道的电平并没有降低，但表现为图像频繁的马赛克。

　　2.7网络的相位特性对数字频道误码率的影响

　　数字电视采用既调幅又调相的QAM调制，不但信号的幅度影响码值的判决，信号的相位也影响码值的判决。尤其是高阶的64QAM，有64个判决点，点与点之间的幅度和相位差异都很小，对链路相位特性必然是十分敏感的。一般影响网络的相位特性有两种情况：(1)在电缆传输链路中形成的多径效应产生符号间干扰(ISI)，影响相位判决的准确性，易产生误判决形成误码;(2)频率源的相位抖动。一般用相位噪声描述，相位噪声是指单位赫兹的噪声密度与信号总功率之比，也称残余相位调制，表现为载波相位的随机漂移，是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标。在时域中，它被解释为一个正弦信号在时域中过零点的不确定性，表现为波形的抖动;在频域中，则表现为谱线的近旁扩散，常转化为载波边带的幅度噪声。可以采用QAM星座图分析仪测量调制相位抖动。

　　相位噪声的影响，在星座图上表现为星座点轨迹围绕着I-Q平面的原点旋转。与通常噪声使星座点以原地点为中心的扩散不同，在64QAM调制方式中，I-Q平面星座图上的每个点代表一个6bit的二进制数据，在理想的传输条件下，64个星座点的位置是固定不变的。当星座点的旋转扩散范围超过了判决门限时，就不会正确判决而形成误码。由于相位噪声，使星座图上星座点的轨迹围绕I-Q平面的原点旋转，因而，位于星座图四角的星座点，受相位噪声的影响而偏离最大。可见，在相位噪声影响下，星座点的旋转要比通常噪声形成的星座点扩散严重。系统相位噪声的来源是频率处理，如调制器、频率变换器、解调器等，所以应挑选相位噪声低、调制错误率(MER)小的设备。

　　从理论上讲，数字电视抗干扰能力强，数字电视对系统质量指标的要求比模拟电视要低许多，模拟电视能够收看的地方，数字电视应该不会出故障，但是现实中往往并非完全如此，不少地方常常会出现模拟电视是好好的、而数字电视却出现故障频发的现象。为什么公认抗干扰强的有线数字电视还会频频发生故障呢?

　　1有线数字电视和有线模拟电视抗普通噪声干扰特性的差异

　　国家广电行业标准GY/T106-1999中规定有线模拟电视系统出口的C/N指标要求≥43dB，当前有线电视系统的C/N指标是按这个要求设计的，当系统的实际指标达到这个要求时，由于有线数字电视信号的电平通常比模拟电视低10个dB，因此有线数字电视信号的实际C/N指标比系统实际C/N指标也低10个dB，即为33dB，但比要求的26dB还高7个dB，显然还有相当多的裕量。从这个角度看，有线数字电视抗普通噪声的能力比有线模拟电视要强得多，系统指标的“下裕量”(指网络C/N指标的实际值与极限值之间的差距)比较大，比“上裕量”要大得多,因此，由于系统载噪比太低而导致有线数字电视发生静像或“马赛克”的情况比较少见。

　　2有线数字电视和有线模拟电视抗失真产物的组合互调噪声干扰特性的差异

　　数字信号频道的能量均匀分布在限定的频带内，由于这个特点，在传输频带内存在非线性失真的情况下，所产生的互调、交调产物就不是呈离散性的分布，而是呈白噪声的性质，在被干扰的频道内弥散分布，这等于在被干扰频道里增加了噪声，成为组合互调噪声CIN，使数字电视出现频繁的静像或“马赛克”。当数字载波电平高出非线性失真电平50dB时，信号质量将不受影响;当高出40～46dB时，数字信号在非常好和“马赛克”之间;而当这个比值低于40dB时，数字信号将变为静像或严重的“马赛克”。

　　3有线数字电视和有线模拟电视抗外界侵入噪声干扰特性的差异

　　当网络发生故障，比如某处接触不良或电缆外导体断裂以后，外界干扰信号就会侵入系统，对于有线数字电视，其中非同频的杂散干扰信号可能会呈白噪声的性质，在被干扰的频道内弥散分布，这等于在被干扰频道里增加了噪声，其结果，和前节讨论过的失真产物的互调噪声相似;而其中的同频干扰信号，情况可能就比较复杂。

　　当系统网络发生故障时，有线数字电视信号中会出现两种同频干扰。

　　(1)、外界窜入的同频干扰信号。(2)、由自身信号反射形成的延时多径信号。以上两种同频干扰信号，有可能是以白噪声的形式弥散分布在被干扰的频道内，直接劣化系统的C/N指标，使有线数字电视出现“马赛克”现象。。

　　当网络发生接触不良和信号反射的故障时，对有线模拟电视的影响往往很轻微，或者低端图像质量略降、其他正常，或者某些频道有干扰点，用户室内的故障通常也不会因反射信号引起重影。而此时对有线数字电视来说其后果都是很严重的，无论从外界侵入的干扰是何种方式引起数字电视故障，都可能使某几套节目出现静像或“马赛克”。可见，有线数字电视很怕外界入侵的干扰，外界入侵干扰常常是零星有线数字电视用户频频发生故障的最主要原因。

　　有线数字电视信号经过载波调制处理以后，已经不是纯粹的数字信号，它的抗干扰能力大大降低了，特别在网络出现某些问题以后，它的抗干扰能力远远不及有线模拟电视，所以，我们正确认识了有线电视数字信号以后，应该在施工和维护中更应保持严谨的工作作风，提高有线电视网络的质量，减少事故隐患，以保障有线电视信号的优质传输。

　　参考文献：《有线电视技术》

　　《有线数字电视系统》

　　《数字电视技术》

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