数字电视测量实验的探索与设计

李 欣，赵忠山

(南京邮电大学，江苏 南京 210003)

数字电视是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都使用数字电视信号的电视类型，与模拟电视相对。目前各级电视台基本已实现数字化的改造，因而对于数字电视系统的建设维护有一个巨大的人才需求市场。

作为以通信和信号处理为主要发展方向的南京邮电大学，在新时期，开设有广播电视工程专业，为数字电视系统培养专业的人才。该专业开设有如数字电视原理、电视节目制作与播出、电视传输与组网等理论课程，由于缺乏实际环境，在教学过程中偏重于理论知识，影响了学生对数字电视系统的认识，从而影响整体的教学效果。

自2005年起，南京邮电大学在数字电视实验室的建设上做了大量投入，购置了数字电视测量的主要设备:电视信号综合测量仪VM700T、矢量频谱分析仪N9020A(DVB套件)、光功率计等。2007年和2011年又分别申请了中央与地方共建实验室建设经费，进一步完善了数字测量的相关仪器设备，建设了数字电视有线传输实验室、数字电视移动传输实验室。

1 数字电视实验系统的基本结构

数字电视系统主要分为前端、信道传输网络和终端三大部分［1］。数字电视前端主要完成数字电视信号采集、数字电视信号处理和数字电视传输信道编码。目前主要的数字电视信道传输网络可分为卫星广播、有线宽带网和地面无线传输，作为广播信道主要为单向传输，但数字电视特别是有线宽带网络目前已实现双向传输。终端部分主要采用的是机顶盒加电视显示器的方式。

数字电视广播系统的构成如图1所示。

图1 数字电视广播系统构成示意图

完整的数字电视实验系统环境需要符合数字电视系统相关的国际、国内和行业标准。在数字电视实验系统环境中，学生可以对数字电视信号产生、音视频技术处理、数字电视传输标准、数字电视传输信道处理、数字调制技术、电视机顶盒、电视显示器等有系统的认识，增强学生对相应方面理论知识的理解与实际能力锻炼。

2 数字电视测量实验的设计

数字电视测量实验是利用一系列的视频测量仪器对数字电视系统各阶段的信号进行测量分析［2］。根据学生理论课程的设置及实验室建设的已有条件，对数字电视测量实验设计如下。

2.1 数字电视模拟域基本参数测量

目前实际的数字电视系统中由于一些原因还没有实现全数字化，特别是在接收端，很多家庭采用的仍然是机顶盒加模拟电视接收机的模式，因而对于模拟域的一些线性失真和非线性失真参数仍需监控。

主要使用的仪器设备包括:Tektronix PSG－273 PAL模拟电视信号发生器和Tektronix VM700T电视信号综合测量仪。该实验由模拟电视信号发生器产生各测试信号，经视频测试通道后，学生可用VM700T对视频通道的幅频、群时延特性、色－亮不等性等线性失真参数，以及亮度、色度非线性失真，DG，DP等非线性失真参数进行测量［3］。

通过实验，可以帮助学生建立《电视原理》课程中模拟电视信号结构的直观认识，理解模拟电视信道的频率响应特性，以及模拟电视信号中亮度、色度信号之间的组合关系及其在信道传输中的相互影响。

2.2 基带串行数字电视SDI信号测量

数字电视信号一般可在单芯同轴电缆中进行串行传输，由于数据率相对较高，要想在接收端可靠地恢复，信号应当在发送前予以整形，确保信号有良好的边沿，从而可靠地恢复时钟。被发送信号的低频分量应当最小，能量频谱得以展开，这样才可确保后续RF传输问题最少。

主要使用的仪器设备包括:Tektronix TG700TV数字电视信号发生器和Tektronix VM700T电视信号综合测量仪。该实验采用的是数字电视信号发生器，经视频测试通道后，可在VM700T上看到相应数字电视SDI信号的结构，并进行眼图测试［4］。

通过实验，可以看到《数字电视原理》课程中介绍的数字化传输的信号特征，并通过眼图的测量对数字基带信号传输中的模拟特征如信号电平、抖动等问题有直观的认识。可以帮助学生理解模拟电视信号、数字电视信号、数字(模拟)电视传输信号之间的区别与联系。

2.3 MPEG－2 TS 传输码流分析测量

数字电视传输与模拟传输的最大区别在于不是随着传输距离的增加渐近劣化，而是会有某个“崩溃”阈值点，因而仅依靠电视墙来检测其播出内容的“可见损伤”是远远不够的。为了保障传输的安全可靠，则需进行MPEG－2传输码流质量的监测和故障诊断。

实验室配备的测量仪器为:Tektronix公司的MPEG－2码流分析仪AD954，可对MPEG－2码流进行实时分析。在实验过程中，为了方便学生自己操作，主要使用的是码流分析软件进行DVB传输流的离线分析实验，测试软件包括:MPEG－2 TS Packet Analyser码流分析软件和Stream GURU MPEG Analyzer MPEG分析软件。数字电视系统经过信源编码后，需打包复用成TS流再进入信道中传送，在接收端通过对TS码流的节目特定信息(PSI)与业务信息(SI)的监测分析，可以确保节目安全有效地按计划播出。

通过实验，帮助学生掌握《数字电视原理》课程中学习到的数字电视中的码流复用原理，以及业务信息相关细节。业务信息是数字电视广播系统向接收设备传递与业务相关的信息，引导接收机在数字电视传送流中搜寻节目，它是构成电子节目指南(EPG)所必需的数据。

2.4 数字卫星电视射频信号测量

数字电视卫星传输由其覆盖面广、信号质量高、带宽资源丰富等优点已成为各电视台间长途传输数字电视信号的主要方式，对于一些偏远地区，直播卫星到户的方式也成为这些地区居民逐渐走入数字电视时代可靠的传输手段［5］。

构建数字卫星电视接收部分的主要设备包括:卫星接收天线、高频头、数字卫星电视接收机。测试主要仪器为:Agilent MXA N9020A信号分析仪。在信号分析仪中选择特定频道如中心频率、符号率、极化方式等基本参数，接收对应的射频信号。通过分析仪可观测QPSK星座图接收情况，并测量出误差矢量幅度(EVM)，调制误差比(MER)以及信噪比(SNR)等指标。

通过实验，学生可直观地理解《电视传输与组网技术》课程中学习的QPSK调制技术，特别是信号星座点的概念，以及由星座图测量的基本参数指标。

2.5 数字有线电视射频信号测量

数字有线电视是我国数字电视的主要传输方式，因而对有线数字电视的传输监控有着极其重要的现实意义［5］。

构建数字有线电视发送和接收部分的主要设备包括调制器、混频器、光发射机、光接收机、数字有线电视机顶盒等。测试仪器仍然选用:Agilent MXA N9020A信号分析仪。同样设定中心频率、符号率等基本参数，接收对应的射频信号，通过分析仪观察64QAM星座图接收情况，并由星座图测量EVM、MER、SNR等指标。数字有线电视射频信号的测量与数字卫星电视射频信号的测量方法、指标基本一致，因而需注意观察2种传输方式的一些基本参数的差别，以及信号质量的区别。

通过2个实验的对比，可以帮助学生理解《电视传输与组网技术》课程中学习到的各种传输方式的传输特点的区别，以及设定不同信道处理步骤的原因。

2.6 数字地面电视射频信号测量

数字地面电视广播是信道环境最为复杂的传输方式，因而对该传输方式各项参数指标的监控尤为重要。地面广播是标准最不统一的一种传输方式，各个国家和地区选用不同的信道处理及调制方式，作为教学机构，可根据实验室已有条件选择某一标准。

本实验室选择了基于CMMB的系统，包括:CMMB信号发生器T5000、CMMB信道综合测量仪和CMMB信号接收测量仪。可通过蓝拓扑的CMMB信道综合测量仪做CMMB射频信号指标的测试，通过CMMB信号接收测量仪做CMMB码流信号的分析和测试。

数字地面广播涉及到移动的无线通信，因而多径干扰是信道处理过程中主要面临的问题。地面广播传输标准主要分为单载波和多载波两大类，本实验选择的多载波系统，可帮助学生理解《电视传输与组网技术》课程中多载波对抗多径干扰的相关原理。

3 总结

本文主要讨论的是数字电视系统中对各部分信号的测量实验，这部分实验有着较好的理论和现实意义。一方面，数字电视测量实验有着良好的教学意义。学生在其他的课程学习中对数字电视信号的处理及传输流程有概念性的了解，但对实际信号的特征、电视信号与最终显示的图像之间的联系都缺乏直观的认识，通过电视测量实验可以帮助学生建立课本与实际的联系。另一方面，数字电视测量实验有着显著的实用价值。广播电视教育，旨在培养数字电视系统建设维护人才，因而数字电视测量实验对于学生适应以后工作岗位有着积极作用。

当然，整个数字电视系统的实验不仅仅是这部分测量实验［6］，还有信源压缩编码、非线性编辑、信道传输等部分的实验，这些实验可与对应的理论课程配合开出。文中列出的测量实验也仅是根据实验室已有设备设计的几类典型实验，在未来实验室条件进一步优化过程中，可对这部分实验做补充和修改。

［1］卢官明，宗昉.数字电视原理［M］.2版.北京:机械工业出版社，2009.

［2］陈善移.数字视频测量应用技术:基本篇［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［3］章文辉，王世平.数字视频测量技术［M］.北京:北京广播学院出版社，2003.

［4］余兆明，余智，李欣.数字电视测量［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［5］余兆明，余智.数字电视传输与组网［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［6］鲁业频，任玲芝，蒋全胜.数字电视实践中若干问题之思考［J］.电视技术，2010，34(12):15－17.