广播电视信号无线发射技术的应用分析

韩 超

（山西广播电视无线管理中心7402台，山西 晋中 045300）

0 引 言

与传统有线发射技术相比，信号无线发射技术突破了成本高、维护困难、单线程传输信号等局限性，实现了更加智能化与便利化的转型[1]。无线发射技术具有组网灵活、维护方便等优势，被广泛应用于广播电视信号传输，实现了由点到面的高覆盖度，使得广播电视节目播放更加流畅、清晰。基于无线发射技术，通信系统能够在第一时间感知到系统中出现的故障，以便相关人员及时采取补救措施，保证广播电视节目的有效播放。

1 基于无线发射技术的广播电视信号传播

1.1 广播电视信号采集

广播电视信号发射与接收可以看作是一个完整的数据通信系统，利用无线发射技术在数字-模拟信号转换通道中将读取的数据暂存到双口随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）的信号缓冲区[2]。双口RAM可将转换完成的信号传输到存储区0x0000～0x7fff，若该存储区的空间被信号数据写满，则其将会向数据无线发射模块的内核控制器发送数据读取标志flag，目的是向无线发射模块传达可以进行读取信号的指令。无线发射模块持续采集广播电视的传播信号，并将信号数据写入下一存储区间0x8000～0xffff中，当这个存储区间被写满后，再次向无线发射端的内核控制器发送允许读取该区间内信号数据的指令，然后将采集到的信号数据继续写入到被读取完毕的0x0000～0x7fff区间。通过分别交替对2个存储区间中的信号数据进行写入与读取操作，既可以避免信号数据在读写之间的冲突，又提高了2个存储区间的数据交换效率[3]。在将数字/模拟（Digital/Analog）转换模块转换过的数据写入到RAM端口的同时，检测全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的下1个秒脉冲信号是否有效。若是有效脉冲，则直接触发外部中断0，重新启动定时器中断，并采集下1 s的广播电视信号，通过反复操作实现对广播电视信号数据的同步采集。

1.2 广播电视信号建模

根据采集到的广播电视传播信号数据，针对整个通信发射系统建立信号模型，具体如图1所示。

图1 广播电视发射信号模型

图1中，信号发射圆周上共包含N个频谱阵元，采集到的信号数据i从0～N-1向外扩散；X1表示第l（l=0,1,…,N-1）个阵元上发射的模态信号；表示在阵元l下，第j个模态相对应的相位状态位移因子；hti表示信号从第t个阵元信号发射端口经过无线传输端到地面接收端的有线信道传输参数；表示信号从第t个阵元信号发射端口到频谱中心阵元的无线信道传输参数；Ar表示从频谱中心阵元通过无线传输到信号接收设备So的有线信道传输参数。

基于均匀圆周阵列信号无线传输模型，对信号发射端链路进行校准，以保证信号接收设备能够准确安全地接收到广播电视信号，为实现广播电视节目的顺利播出奠定基础[4]。

1.3 校准信号无线发射端链路

理论上，发射频谱的中心阵元上的能量较弱，有的甚至为0，无线信号发射技术在信号发射端与接收端的起始平面上不易产生涡旋波。在产生信号波的过程中会受多种因素的影响导致信号幅度、峰值、频率以及相位出现偏差，造成信号接收端不能完整准确地接收到发射信号，因此需要对信号无线发射端链路进行传播校准，消除信号发射误差。

信号发射端链路的校准过程如下：首先，信号从发射设备经过信道无线传输参数为hti的物理传播链路到达频谱圆周上的中心发射阵元；其次，经过传输参数为的无线信道传输链路到达接收设备的接收中心阵元；最后，经过有线信道传输参数为Ar的物理传播链路到达接收设备。中心阵元一共接收到了N次信号，并对信号进行标记[5]。

在发射圆周的中心阵元加载一个不为0的模态信号后，根据信号接收设备的信号接收情况和中心阵元采集的信号判断是否需要对信号发射端进行链路校准。通过分析不同模态信号产生的漩涡波，为发射端设定一个初始阈值T0。将信号接收设备接收到的信号与发射端阈值进行比较，若信号小于阈值，则无需进行校准；若信号大于等于阈值，则需要进行校准。发射端链路的校准过程如下。

将信号接收设备接收到的信号用矩阵表示为

式中：X表示信号发射端矩阵；E表示信号相位状态位移因子矩阵；B表示信号传播信道系数矩阵。信号发射端矩阵为

式中：xln表示阵元在第ln条链路上发射的模态信号。

信号相位状态位移因子矩阵为

信号传播信道系数矩阵为

式中：Bk表示信号在第k条链路上的信道因数。

对式（1）进行矩阵变换，将信号发射端矩阵与信号相位状态位移因子矩阵进行求逆计算，可以得到

根据信道系数矩阵B中的链路相关信息，对所有阵元发射链路的幅度衰减、峰值波动、频率变化以及相位延迟等信息进行修正，修正后向信号接收端再次发射信号。通过不断修正与反复发射信号，直至信号接收端接收到的信号小于信号发射端设定的初始阈值T0，此时便完成了信号无线发射端链路的校准[6]。

2 实验论证

2.1 实验准备

本次实验采用的信号接收设备为PC机和USRP B210装置，PC机与USRP B210之间的数据通信采用USB 3.0协议。信号接收设备在接收信号之前进行前导码检测，防止因装置性能问题影响实验结果的准确性。信号发射设备采用STM32系列装置和CC1125发射装置，2者之间的通信通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口实现。为了提高信号传播速率，还采用了序列扩频技术。发射机与接收机均依靠蓄电池供电，具体连接架构如图2所示。

图2 信号发射与接收设备连接

2.2 实验说明

采集信号并建立信号模型，当前导码检测得到的信号在判定阈值以下时，说明有信号数据到达且传播链路没有偏差。由于测试环境并非绝对理想化，对判定阈值的设定需要根据具体实验环境进行动态调整，以确保接收端能够准确完整地接收到信号数据。实验过程中，固定一方协调节点并与PC机连接，同时观测PC机上的串口协调窗口，对接收信号数据情况进行实时监控；另一方节点则逐渐移离协调节点，利用串口协调窗口统计接收到的信号数据。

2.3 实验结果

分别利用文献[2]所提方法（记为传统方法）与本文方法对不同通信距离下的信号数据传输进行丢包测试，每组的测试次数为200次，2种方法的测试结果对比如表1所示。

表1 测试结果对比

由表1可知，在不同的通信距离下，本文方法的丢包次数均小于传统方法。虽然随着通信距离的增加，本文方法的丢包次数也略有增多，但在整体上比传统方法具有更加明显的优势。由此可以证明，本文设计的无线发射技术具有较好的信号传输稳定性与可靠性，可以很好地应用于广播电视信号传输，保证广播电视节目的完整播出。

3 结 论

利用无线发射技术对广播电视信号数据进行采集，基于采集的信号建立信号模型，分析信号传输路径，并根据信号接收端的接收状况对信号发射端的发射链路进行动态校准与调整。经过对比实验验证，设计的无线发射技术能够很好地应用到广播电视信号传输中，其信号数据丢包率较低，可以保证广播电视节目信号的正常发射与接收。