MPTS基于COFDM调制技术微波传输探讨

丁克俭

（亳州广播电视台，安徽 亳州 236800）

随着人们对物质文化、精神文化的要求越来越高，国家“十二五”规划提出大力发展人们对视听文化的需求，广播电视台抓住数字化、网络化、高清晰化等电视技术高速发展的机遇，加快广播电视数字化的整转。在三网融合的大背景下，数字电视业务成为广电新经济增长点。“十二五”规划中提出在进展模拟电视转向数字化及丰富电视节目内容的同时也要加强对偏远地区信号的覆盖工作，国家广电总局在紧锣密鼓发展数字电视业务的同时，也加大对数字电视安全播出、传输的有效管理。为满足广播电视服务大众，进一步促进城乡统筹发展，保障农村收看基本电视的需求，亳州电视台充分利用现有资源与现代成熟的微波技术，把目前台里现有的2套数字嵌入式音频电视与1套模拟电视及1套数字广播信号，采用COFDM调制技术、微波独立加密技术与光端机传输系统构建热备方式把4个信号源无缝传输到发射台转播机房，进行无线传输覆盖。

1 MPTS流传输系统设计

MPTS（Multi-Program Transport Stream）即多节目传输流，复用了多路节目、多种信息的TS流，MPTS流包括视频流、音频流、节目特殊信息流（Program Special Information，PSI）和其他数据包，各种数据之间通过节目特殊信息PSI组织起来。PSI信息中的节目关联表（Program Association Table，PAT）和节目映射表（Program Map Table，PMT）组成一个树状索引，通过PID（Packet ID包标识）来唯一标识每一种TS帧，通过技术手段对ID进行特殊处理，处理过后能一一对应解开，不会出现信息叠加，节目信息混乱。

为实现广播电视局数字化综合业务的整体提升，积极跟随国家“十二五”发展的步伐，亳州台抓住发展的机遇，解决多年来困扰的技术难题:由于亳州市地处淮河北部地区，文化昌盛、历史悠久、交通便捷，随着近年来招商引资的扩大，市委市政府对文化活动的重视程度加大，无形中增加了电视台对文化活动直播转播的工作量，电视台播出信号只通过中心街道上一根光纤链路传输到发射台，所以每次遇到重大活动时，有时会出现光纤突发受损，致使信号传至发射台时中断，因维修工作量较大，很难在短时间内恢复正常通信。亳州台技术人员经过不断咨询学习、参观附近的电视台对这一问题的解决方案，最终设计一套结合亳州台现有资源的优化方案。理论上采用光纤传输为主，结合微波传输为备，光纤传输时在根据地理环境采用多种路径光纤同时传输。实际上两种方式互为热备份，在发射台机房接收端加上一台音视频智能切换器，保障信号源的实时传输。

2 光纤传输

为保障广大电视观众能够收看到安全、丰富多彩、不间断的广播电视节目，亳州台按照公司设计多种路径信号传输方式，根据系统设计的理念总结出一句俗语——“天上飞，地下跑，摸不着，看不到”。具体到系统设计理念中浅析是:“天上飞”是采用空中架接光纤，综合考虑工程量的巨大，利用城市网络公司现有的光纤架接杆，敷设一段光纤配合光端机进行传输；“地下跑”采用的方式跟“天上飞”的系统原理相同，唯一不同的是利用现有光纤管井通道敷设一段光缆；“摸不着，看不到”采用COFDM调制方式的微波进行无线信号传输。亳州台在设计方案时考虑外界不可控因素会导致市里直播一些重大活动信号中断，把空中的架接的光纤传输路线与光纤管井道的路线尽量避开一定距离，为了防止同一个地方出现外界不可控因素造成光纤损伤。防止不可控因素的同时发生造成光纤损伤，采用无线微波进行备份。光端机采用现代最先进电复用与光复用技术，既可以满足高质量传输数字视音频信号、模拟音频信号的要求，又可实现数字信号输入、模拟信号输出。可实现数字视频信号嵌入音频并传播。输出为SDI数字视频，AES-EBU数字立体声音频。光纤系统传输系统如图1所示。

3 微波传输链路

3.1 COFDM调制技术

无线数字图像传输已成为目前新闻采集、现场转播、实时高质量图像监控所必须的组成部分。但是无论是数字微波、扩频微波、无线网都因其采用的是单载波调制体制，存在一定的局限性，在图像传输应用中都会面临着在阻挡环境中的应用和在信号干扰环境中的应用。结合亳州台实际情况，微波传输要求采用COFDM技术。

COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术[1-3]是多载波正交频分复用技术的简称，它采用欧洲地面数字电视传输DVB-T的标准。COFDM调制技术，既能充分利用信道带宽，又能提高载波的频谱利用率，也可以避免载波相互干扰和抗突发噪声差错。COFDM技术将信道划分成正交子信道，每个载波所使用的调制方法可以不相同，可以根据信道状况的不同选择，如QPSK，16QAM，64QAM等。广播电视为了提高电视传输节目质量，采用8 MHz带宽内净荷数码率为4.98～31.67 Mbit/s。COFDM多载波技术具有在非可视或有阻挡的环境中传输特点，其“绕射”与“穿透”能力可以在城区、城郊、建筑物内实现数字图像实时传输，不受周围环境影响或影响较小，同时采用增益较大的全向天线，不会受到方向角度的限制，大大提高了移动时微波传输的有效距离。COFDM多载波技术的发展实现了在高速移动中画面实时无线微波传输，可以借助汽车、火车、直升机、船舶等高速移动交通工具，实现对一些重大事件现场实时采集和接收。它不需要任何附加装置，就可实现固定—移动、移动—移动间的使用，非常适合安装到车辆、船舶、直升机等移动平台上。不仅传输具有高可靠性，而且表现出很高的性价比。

传输带宽高，适合高码流、高画质的音视频传输，图像码流一般可大于4 Mbit/s高码流、高画质的音视频数据流对编码、信道速率要求十分高。一般的数字微波，扩频微波传输链路中，虽然采用MPEG-2编码，但信道多采用2 Mbit/s速率，如E1，使得解码后的图像分辨率可以达到720×576，但是图像压缩码流只有1 Mbit/s左右，无法满足接收端后期音视频分析、存储、编辑等具体的要求。广播电视图像码流一般为8 Mbit/s高码流、高质量的信号节目流对传输信道带宽要求很高，利用COFDM每个子载波可以选择不同的调制方式，合成后的信道带宽可以很大程度地满足8 Mbit/s码流的传输，保障后期广播电视节目的制作编辑。

在复杂电磁环境中，COFDM具备优异的抗干扰性能对抗频率选择性衰落或窄带干扰及信号波形间的干扰性能优越，通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。在单载波系统中（如数字微波、扩频微波等），单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但在多载波COFDM系统中，仅有很小一部分子载波会受到干扰，并且这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错，确保传输的低误码率。

3.2 微波传输

信号传输的方式大致有3种方式:光纤传输，微波传输，卫星传输。由于亳州台是地市级电视台，鉴于资金有限，不能实现采用卫星传输。但是为确保信号传输的不间断、既经济、又安全的原则，亳州台采用以光纤传输为主，以微波传输为热备份的原则，无论是平时的信号传输还是现场直播中的信号传输都是如此。

为确保亳州广播电视台节目信号安全、稳定、高效的传输，采用COFDM调制方式的微波传输系统，实时同步传输与光端系统构成热备份，解决应对外界不可控因素突发事件的问题。采用标准的广播电视图像MPEG-2/MPEG-4数字压缩编码技术，无线微波通信信道采用纠错码技术进行误码纠错技术，大大减小了误码率的发生的概率。多载波、多路径结合空间分集、时间分集提高复杂环境下接收灵敏度即微波图像传输质量。为保障多套节目传输的质量，采用COFDM技术中64QAM高速调制，满足信号传输的信道带宽。

利用现代最先进的编码复用技术，对电视台的4套节目信号源编码成4个单节目TS流，采用安徽现代公司独有的地址码加密解析技术，分别对四道单节目TS流进行地址排序加密编码，通过复用模块复用成一道多节目MPTS流的ASI信号，ASI信号直接通过COFDM中频调制成IF信号，经过上变频器变换成高频频率，推送至功率放大器放大发射功率经LNA天线进行空间无线发射[4]。在发射台较空旷的环境下，架上增益倍数较大频点相同LNA天线，利用空间分集技术接收无线电磁波合成，经滤波器对杂波过滤处理和低噪声放大器对信号放大，最后通过微波接收机解调和解码合成高质量图像。其系统原理框图如图2所示。

模拟电视分路传输的视频及音频信号基于模拟信号在时间上的连续性这一特点，基本上不存在声音与画面的迟滞。进入数字时代后，由于视频信号和音频信号的处理方式、传输通道方式的不同，使视音频信号出现不同的延时，产生了声音与图像不同步的现象。为有效解决上述问题，设计了一种基于FPGA的多功能视音频信号转换系统，该系统在完成主电路、控制电路和外围接口电路设计的基础上，采用软件编程，将数字音频信号嵌入到SDI视频信号中，实现了视音频信号同路传输，在实际应用中取得良好的效果。

数字广播是指将数字化了的音频信号、视频信号以及各种数据信号在数字状态下进行各种编码、调制、传递等处理[5-6]。同时，数字广播也是一项有别于传统所熟知的AM和FM的广播技术，它通过地面发射站，以发射数字信号来达到广播以及数据资讯传输目的。随着技术的发展，数字广播除了传统意义上仅传输音频信号外，还可以传送包括音频、视频、数据、文字、图形等在内的多媒体信号。就世界范围看，数字广播已经进入了数字多媒体广播的时代，受众通过手机、计算机、便携式接收终端、车载接收终端等多种接收装置，就可以收看到丰富多彩的数字多媒体节目。PID4路编码复用器是一种集编码器，复用器于一体，且易于使用，功能强大的MPEG-2/MPEG-4编码器。强大的图像预处理能力，能最大限度的去掉冗余信息。压缩数据输出格式为ASI，支持MP2，AC3，ACC多种音频格式，完全符合MPEG-2/MPEG-4的ISO标准。多种图像高宽比（含4∶3，16∶9）设置，满足各种画面需求，具有极强的兼容性。其体积为1U机箱，通过前面板液晶显示可实现完全脱机设置和运行。

上变频器是将较低频率变换成较高频率的变频器，是一种小信号，然后进行功率放大，用于低噪声接收。在通信设备中，它一般用作发送混频器，将发送端已调好的中频信号和发送本振信号一起送给上变频器，以输出发送的微波信号。

为保障亳州广播电视台日常工作的有序开展，选用高质量、高性能、高指标的设备为依据，亳州台进行了大量研究调查工作，最终选择市场比较好的几家，进行设备的试用。在试用阶段亳州台总结出微波系统关键点的技术:1）根据当地的实际环境测量出干净的频率资源；2）设备体积、重量满足方便快速安装、防雷防水；3）信号在经过编解码处理时要安全稳定。微波设备频点的选择很重要，一定根据本地实际频点资源，测试出受电磁波、等压电离子波等杂波影响较小的频率波段，原则上采用500～800 MHz的UFH频段，因为在这个频段中COFDM调制方式微波可以把8 Mbit/s带宽信号通道内的电视信号，传输过程表现更加优越的“绕射”和“穿透”能力。电视信号在编码时一定采用性能指标好的编码器（采用进口编码器），既能降低图像在编码时产生的误码，也能降低图像传输的延时。设备体积要符合广电标准机箱的同时具备防水防雷等技术指标。

3.3 低噪声放大器

低噪声放大器是COFDM调制方式微波传输接收系统最重要的环节，它直接与接收端的天馈相连，与接收信源的噪声和信噪比有着极为密切关系。信号在信道中传输除了信号损耗和衰减之外，信号噪声干扰对信号传输抑制起到重要作用。信号噪声干扰的原因比较多，其中电子元器件在工作时引发的噪声影响最大，在微波信号移动传输时噪声干扰会降低接收信号的灵敏度。在微波发射功率相同时，噪声干扰会缩短传输距离，同时图像质量也会变差。微波传输时采用低噪声放大器对降低噪声系数有重要作用。低噪声放大器是一个多级放大器对弱信号有放大作用，采用高性能低噪管降低噪声系数。低噪声放大器主要由低噪声管、放大管、限幅组件、检波电路、限幅运算电路等组成。采用增益较大、噪声系数较小、温度范围控制较大的低噪声放大器提高了微波传输距离、图像质量。

4 小结

现代广播电视技术的发展，利用数字微波传输系统，解决电视节目传输的时效性、易维护性、安全性，弥补了环境比较复杂下电视信号光纤无法传输的盲点。未来随着微波通信技术的发展，将为广播电视领域信号传输直播提供更有力的保障，同时也会为亳州市打造现代化数字通信城市提供坚强的基础。

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