关于数字电视信号测量与传输的讨论
六年级 说明文 5935字 135人浏览 baby肖正文

有线数字电视系统的参数及测量

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。

有线数字电视系统中,模拟视音频信号按照MPEG-2标准经过抽样、量化及压缩编码形成基本码流ES ,基本码流ES 是不分段的连续码流。把基本码流分割成段,并加上相应的头文件打包形成打包的基本码流PES ,PES 包和包之间可以是不连续的。在传输时将PES 包再分段打成有固定长度188 B 的传送包码流TS 。TS 流经系统复用加入PSI/SI及加密信息形成多路节目传输流,最后经过64QAM 调制及上变频形成射频信号在HFC 网中传输,在用户终端经解码恢复模拟音视频信号。

在有线数字系统中,TS 码流参数和系统传输网络参数是需要了解和测试的重点内容。 1传输码流参数及测试

对MPEG-2 TS 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-2 TS系统目标解码器(T-STD )的标准解码程序。

MPEG-2 TS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。

1.1TR101290的3级错误分析

依据DVB 最新的TR101290测试标准将DVB/MPEG-2 TS流的测试错误指示分为3个等级,第一等级是可正确解码所必须的几个参数;第二等级是达到同步后可连续工作必须的参数和需要周期监测的参

数;第三等级是依赖于应用的几个参数。

第一级共6种错误,包括:同步丢失错误、同步字节错误、PAT 错误、连续计数错误、PMT 错误及设置PID 错误。(1)传送码流同步丢失:连续检测到连续5个正常同步视为同步,连续检测到2个以上不正确同步则为同步丢失错误。传输流失去同步,标志着传输过程中会有一部分数据丢失,直接影响解码后的画面的质量。(2)同步字节错误:同步字节值不是0X47。同步字节错误和同步丢失错误的区别在于同步字节错误传输数据仍是188或204包长,但同步字头的0X47被其他数字代替。这表明传输的部分数据有错误,严重时会导致解码器解不出信号。(3)PAT 错误:标识节目相关表PAT 的PID 为0x0000,PAT 错误包括标识PAT 的PID 没有至少0.5 s出现一次,或者PID 为0x0000的包中无内容,或者PID 为0x0000的包的包头中的加密控制段不为0。PAT 丢失或被加密,则解码器无法搜索到相应节目;PAT 超时,解码器工作时间延长。(4)连续计数错误:TS 包头中的连续计数器是为了随着每个具有相同PID 的TS 包的增加而增加,为解码器确定正确的解码顺序。TS 包头连续计数不正确,表明当前传输流有丢包、包重叠、包顺序错现象,会导致解码器不能正确解码。(5)PMT 错误:节目映射表PMT 标识并指示了组成每路业务的流的位置,及每路业务的节目时钟参考(PCR )字段的位置。PMT 错误包括标识PMT 的PID 没有达到至少0.5 s 出现一次,或者所有包含PMT 表的PID 的包的包头中的加密控制段不为0。PMT 被加密,则解码器无法搜索到相应节目;PMT 超时,影响解码器切换节目时间。(6)设置PID 错误:检查是否每一个PID 都有码流,没有PID 就不能完成该路业务的解码。

第二级共6种错误,包括:传输错误、CRC 错误、PCR 间隔错误、PCR 抖动错误、PTS 错误及CAT 错误。(1)传输错误:TS 包头中的传送包错误指示为“1”,表示在相关的

传送包中至少有1个不可纠正的错误位,只有在错误被纠正之后,该位才能被重新置0。而一旦有传送包错,就不再从错包中得出其他错误指示。(2)CRC 错误:在PSI 和SI 的各种表中出现循环冗余检测码CRC 出错,说明这些表中的信息有错,这时不再从出现错误的表中得出其他错误信息。(3)PCR 间隔错误:PCR 用于恢复接收端解码本地的27 MHz 系统时钟,如果在没有特别指明的情况下,PCR 不连续发送时间一次超过100 ms或PCR 整个发送间隔超过40 ms ,则导致接收端时钟抖动或者漂移,影响画面显示时间。(4)PCR 抖动错误:PCR 的精度必须高于500 ns或PCR 抖动量不得大于±500 ns。PCR 抖动过大,会影响到解码时钟抖动甚至失锁。(5)PTS 错误:播出时间标记PTS 重复发送时间大于70 ms ,则对帧图像正确显示产生影响。PTS 只有在TS 未加扰时方能接收。(6)CAT 错误:TS 包头中的加密控制段不为0,但却没有相应的PID 为0x0001的条件接收表CAT ,或在PID 为0x0001的包中发现非CAT 表。CAT 表将指出授权管理信息EMM 包的PID 并控制接收机的正确接收,如果CAT 表不正确,就不能正确接收。

第三级共10种错误,包括:NIT 错误、SI 重复率错误、缓冲器错误、非指定PID 错误、SDT 错误、EIT 错误、RST 错误、TDT 错误、空缓冲器错误及数据延迟错误。第三等级错误并非是TS 传输流的致命错误,但会影响一些具体应用的正确实施。

1.2PCR 分析

尽管PCR 间隔错误和PCR 抖动错误列在第二优先级中,但与第一优先级的参数有同样重要的地位。

按照GB/T 17975.1-2000第2.7.3节的规定,同一节目里两个连续PCR 的时间间隔不能超过100 ms 。在数字电视广播应用中,PCR 的时间间隔应不大于40 ms 。解码器要能够对PCR 间隔在100 ms以内的节目正确操作。

在MPEG-2标准中,假设在传输中所有参量的延迟都是一样的,编码器和解码器之间的延迟是固定的,则解码器利用接收到的PCR 值,通过锁相环PLL 锁定本地系统时钟,使解码器服从于编码器,从而产生解码与播放的同步信号。但是在实际中,如果由于时钟的突然变化或再复用时对PCR 的修改或传输码率的变化或传输网络抖动等原因,改变了固定的延迟,就有可能引起已有的PCR 值与实际接收到的PCR 应该具有的值之间的差异,这就是PCR 的抖动。PCR 抖动也就是PCR 的不准确度,是相对于平均值的偏移。平均值有时也称为内插值,不是真正接收到的值,而是无抖动时的理想值。对于MPEG-2标准,PCR 抖动量≤±4 ms,对于DVB 标准,PCR 抖动量≤±500 ns(即PCR 的精度必须高于500 ns)。

1.3缓冲区(Buffer )分析

缓冲区分析用于分析系统和各路节目的系统目标解码器的缓冲器的存储情况,其中缓冲器容量表示该缓冲器的大小;缓冲器数据量表示某时刻在缓冲器中存在的数据的百分数;缓冲器出口速率表示不同类型的数据离开缓冲器的速度;MPEG-2规定的缓冲器错误有上溢错误、下溢错误、空缓冲器错误及数据延迟错误,描述了缓冲器出现的不同的错误的次数。

1.4PSI/SI分析

PSI/SI分析就是分析PSI/SI各个表中的所有信息,直到最底层的描述子信息,并且需要分析从PSI/SI各个表中提取的主要参数形成的带宽信息、节目信息、音视频信息、EPG 信息和复用结构信息。

2传输网络技术参数及测试

经过MPEG-2信源编码和MPEG-2 TS 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。

QAM 是二维调制技术,在实现时采用正交调幅的方式,某一星座点在I 坐标上的投影去调制同相载波的幅度,在Q 坐标上的投影去调制正交载波的幅度,然后将两个调幅信号相加就是所需的调相信号。由于QAM 是幅度、相位联合调制的技术,它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特,因此在最小距离相同的条件下,QAM 星座图中可以容纳更多的星座点,即可实现更高的频带利用率,但QAM 会受到载波幅度失真的影响,其可靠性不如PSK 。

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10 dB。

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47~67 dBμV (比模拟电视信号的要求低10 dB),数字相邻频道间最大电平差为≤3 dB,数字频道与相邻模拟频道间最大电平差为≤13 dB。

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/T 106-1999《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31 dB 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8 MHz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