数字地面电视发射机激励器的浅析

郭跃龙

摘 要：随着数字技术的快速发展，数字地面电视的技术发展也日臻完善。激励器是数字电视发射机的核心，本文分析了数字地面电视（DVB-T）发射机激励器的工作原理与技术特点。

关键词：COFDM；数字预校正；复用

中图分类号：TN948.53 文献标识码：A

数字电视发射机激励器的工作原理与传统模拟发射机激励器不同，它输入的不是普通的音频和视频信号，而是以MPEG编码标准先将音频、视频信号编码、压缩后与其他业务数据进行打包产生复用的TS流（传输码流）。传输码流作为激励器的输入信号，经信道编码和调制单元后输出满足按制式标准要求的中频模拟信号，该信号上变频至需要的UHF波段的频道信号，然后由激励器输出该信号至数字电视发射机的功率放大器。信道编码处理的主要目的是增强信号的抗干扰能力以确保接收端正常接收信号，调制的目的是为了传输方便。

一、设计结构

数字电视发射机的激励器由基带处理电路，数模转换电路、频率合成电路，射频放大电路，数字滤波器和监控系统组成。

基带处理电路是激励器的最重要的部分，它由FPGA处理芯片及外围电路组成，可分成COFDM编码调制器，同步单元和数字预校正器。COFDM编码调制器负责将输入的传输码流进行多载波的COFDM调制，可选择QPSK、16QAM和64QAM三种调制方式。同步单元确保了时间基准和频率基准，实现同步发射。数字与校正器改善了发射机的非线性失真与线性失真，使发射机功放的效率得到显著提升。数模转换电路进行傅里叶变换将数字编码信号转换成模拟基带信号，频率合成器电路产生的射频载波信号和模拟基带信号混频后输出到指定频道的射频信号。激励器放大电路将来自前级的射频信号放大，以满足后级功放的驱动需要。数字滤波器的作用是抑制带外无用分量。监控系统监控激励器及发射机的运行状态，为用户提供参数设置和数据查询。

二、COFDM编码调制技术

COFDM调制技术被称为编码正交频分复用调制技术。射频信号沿地面传播时，受多径效应影响严重，COFDM调制技术可以有效的克服多径干扰的影响。COFDM由多个子载波组成，各子载波都需要调制。串行传输的码流符号序列被分割为N段，每个段内的符号被单独调制在子载波上，之后所有已调子载波一起传输。因此COFDM调制技术是一种并行调制技术，把传输符号的周期延长了N倍，利用这种技术抑制了多径干扰的影响。

COFDM编码调制处理的过程可分成两步，第一步是能量扩散、前向纠错、交织、内码纠错和映射。第二部分是进行QAM调制同时引入同步的导频和TPS进入帧适配器。

1 能量扩散的目的是把数据信息随机化，这样避免了符号序列出现长串的1或0，实际电路利用一组移位寄存器作为伪随机序列发生器进行数据的随机。输出的随机序列需要进行RS纠错编码，这种编码是分组线性码，性能优良，编码冗余度一样的前提下，这种编码方式的纠错能力很强。交织分成内交织和外交织，由于传输信道具有突发性差错，差错发生时，因序列的相关性经常导致数据成串出错，可能导致超出纠错码的范围，采用数据交织的办法可以克服这类突发性差错，将突然发生的信道插错分隔开。内码纠错采用卷积码方式，它也是一种纠错能力很强的方式，依据收缩比率分成1/2、2/3、3/4、5/6等多种码率，用户可根据选择的码率来选定对应的误码纠错。通过映射方式将数据信息配置在相应的子载波和选定的调制方式的星座点上，调制方式有QPSK、16QAM和64QAM3种方式。

2 将QAM调制后的数据信号与引入的导频和TPS信号送入帧适配器进行导频与搭载波调制参数和控制信息的处理，可以选择2K模式和8K模式。选择2K模式将有17个子载波用于TPS进行搭载波调制参数和控制信息，有176子载波用于同步的导频信号，子载波总数为1705。选择8K模式将有68个子载波用于TPS进行搭载波调制参数和控制信息，有701子载波用于同步的导频信号，子载波总数为6817。2k与8k模式的选择确定了组网方式，进行单频网（SFN）和多频网（MFN）的运行，也关系到独立发射机的覆盖范围。

三、I/Q调制与变频

数字电视发射机激励器实现I/Q调制和UHF变频有两种方式。

一种方式是输入的I、Q信号分别经过预校正后，采用数字I/Q调制后完成D/A（数/模）转换，然后将转换后的模拟中频信号经上变频变换到要求的UHF频率进行射频输出。

另一種方式是I/Q信号分别预校正后，将校正后的I/Q信号进行D/A变换，输出的模拟信号分别调制后的合成信号再经上变频后到要求的射频输出。

第一种方法的I/Q调制器有容易实现控制操作的特性，不用调整就可获得很好的性能指标，主要性能取决于内置滤波器，这种方法的劣势是模拟部分的变频和滤波器结构复杂，成本高，不容易制作。第二种办法的模拟部分简单，变频和滤波器容易制作，但缺点是需要有较高的I/Q调制指标。

四、预校正技术

数字电视的模拟信号具有很高的峰值系数（峰值与平均值的比值），实测可达15dB，广播通讯系统对于频谱的带外泄露具有严格的要求，从发射机的成本和功放效率考虑功放系统的功率回退不可能过大，因此射频信号放大环节难以消除信号失真，所以采用数字基带预校正的办法来抵消功放系统的非线性失真。数字基带预校正有两种方式，一种方式是自适应预失真校正技术，另一种是非自适应的射频直接调制技术。

1 数字自适应预校正技术

数字自适应预校正使发射机刚刚启动后的几分钟内，依据发射机功放系统的特性预先选取一条特性曲线，在无需外界干预前提下自动将发射机的系统性能调整到最佳状态，同时实时监测发射机的运行状态，根据温度、功率的波动对功放系统进行自动调整。这种技术确保了功放系统的高效稳定输出，降低了放大过程中的互调。

2 射频直接调制

不经中频，数字基带信号直接调制为射频，适用于单频点固定频道，依靠数字滤波器滤除带外分量。

数字自适应预校正有精确度高和稳定性强的优势，可对功放的长期工作和温度变化带来的特性漂移自动校正。目前数字电视发射机的开发重点是设计合适的中频预校正电路，提高甲乙类放大器的线性度，改善功放效率。

五、同步与SFN（单频网）

为了使单频网络内的所有发射机保持同步工作，需要在单频网中保持频率同步、时间同步和比特率同步。

1 频率同步

COFDM调制信号的每个子载波必须在同一频率上，同时单频网中的所有发射机也要频率一致。频率的准确度由载波之间的距离决定，为了保证中频和UHF变频后的射频准确度还满足要求，采用将网内全部发射机的上变频本振都用一个参考时钟同步，一般选取GPS时钟。

2 时间同步

发射机时间同步，可以保证采用合适的保护间隔和合理设计发射机之间的距离来使COFDM调制抵消多径干扰。全部发射机发射同一码流时必须时间一致，保护间隔的存在使时间的精度要求不必太高，一般采用±1?s。实际工作中如果反射时延大于保护间隔，系统性能将严重恶化。

3 比特同步

一个字符在同一时间传输时需要被所有载波完全一致调制，因此，同一比特需要调制在同一个载波。单频网中每台调制器通过不同的分配网与复用器连接，导致引入的延时不同，复用器无法为调制器提供时间基准，因此需要额外引入精度高于1μS的时间基准，常用的方法是从GPS中取1PPS标准时间和10MHz标准频率。为了保证网内的远程发射机传输码流的比特同步，在码流中加入MIP包，传输至远程发射机。

六、复用

数字电视传输采用的复用方式为时分复用。复用实现了信息处理，数据插入和DVB加扰器的功能。随机数据的插入功能优化了数字发射机的带宽。交互电视，IP数据及其他私有数据可以填充音视频数据剩余带宽中的空包，可采用固定比特率和可变比特率兩种填充方式，填充后的带宽利用率高达99%以上。复用可以内置加扰器，实现按要求条件接收。采用复用传输码流时要考虑比特率适配问题，复用输出的比特率不能使QAM调制器溢出。

结语

今后几年将是我国地面数字电视快速普及的几年，上述数字电视激励器的各种技术和方案将更加完善，也会出现一些新的技术。对于电视技术的从业者来说，熟练掌握激励器的技术原理和学习新的技术十分必要。

参考文献

[1]何广茹，朱文平.数字地面电视发射机激励器原理[J].内蒙古广播与电视技术，2014（03）：93-95.