数字电视信号在有线网络中无失真传输的探讨

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数字电视是指电视节目的摄制、编辑、发送、传输、存储、接收和显示均采用数字化和数字处理，即在信源、信道和信宿三方面全面数字化和数字处理的电视系统。

数字电视按视频传输率的分类如表1所示。

视频数字压缩技术能够把数字电视的原始数据压缩到1/100，在广播电视的数字压缩标准MPEG-2中规定了视频/音频数据的编码过程、视频、音频、数据的复用结构和同步方法、用于传输的数据包格式。为达到有效的数据压缩，应用了色度/亮度预处理、离散余弦变换、可变长度编码、运动估计与补偿、自适应场/帧间编码、速率缓冲控制和统计复接等技术。但无限带宽的信号要通过有限带宽的信道进行传输，其结果必定会对信号波形产生失真。

为此我们来研究一下波形传输的失真问题。首先，让我来看一下基带信号传输系统的典型模型，如图1a所示。

在发送端，数字基带信号经发送滤波器输入到信道，发送滤波器的作用是限制发送频带，阻止不必要的频率成分干扰相邻信道。基带信号在信道中传输时常混入噪声，同时由于信道带宽的有限性，因此引起传输波形的失真是必然的。所以在接收端输入的波形与原始的基带信号肯定存在较大的差别，若直接进行抽样判决将会产生较大的误判。所以在抽样判决之前先经过一个接收滤波器，它一方面滤除带外噪声，另一方面对失真波形进行均衡。取样和判决电路使数字信号得到再生，并改善输出信号的质量。

根据频谱分析的基本原理，基带信号在频域上的失真，在时域上必定产生延伸，这就带来了各码元间相互串扰问题。所以，造成判决错误的主要原因除了噪声外，就是由于传输特性（包括发、收滤波器和信道特性）不良引起的码间串扰。基带脉冲序列通过系统时，系统的滤波作用使脉冲拖宽（时域上的周期变长），在时间上，它们重叠到邻近时隙中去（如图1b所示）。接收端在按约定的时隙对各点进行取样，并以取样时刻测定的信号幅度和判别门限电平进行比较，以此作为依据进行判决，来导出原脉冲的消息。若相邻脉冲的拖尾相加超过判别门限电平，则会使发送的"0"判为"1"。实际中可能出现好几个邻近脉冲的拖尾叠加，这种脉冲重叠，并在接收端造成判决困难的现象即码间干扰。

因此可以看出，传输基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性。当然可以有意地加宽传输频带使这种干扰减小到最小程度。然而这会导致不必要地浪费带宽。如果带宽展得太多还会将过大的噪声引入系统。所以应该探索另外的代替途径，即通过设计信号波形，或采用合适的传输滤波器，以便在最小传输带宽的条件下大大减小或消除这种干扰。

数字信号传输的无失真条件

1、低通特性

针对以上的情况，奈奎斯特等人提出了数字信号传输的无失真条件，即奈奎斯特第一准则：当数字信号序列通过某一信道传输时，如信号传输速率Bb=2Bc (Bc为信道物理带宽)，各码元的间隔T=1/2Bc，该数字序列就可以做到无码间干扰传输了。这时Bc=1/2T称为奈奎斯特带宽，T称为奈奎斯特间隔。

上面说过任何一个传输信道的带宽都是有限的，它的特性相当于一个低通滤波器。理想的低通滤波器的冲激响应为sinωct/ωct，其波形如图2 (b)所示。如果传输的是二元数码序列，其频带利用率为Bb/Bc=2bit/s/Hz(式中BC是奈奎斯特带宽)。如果序列为n进制信号，则频带利用率为2log2n bit/s/Hz（如16QAM 24＝16所以是4进制的、64QAM 26＝64所以是6进制的）。

奈奎斯特第一准则本质上是取样值无失真条件，它给我们指出了无码间干扰和充分利用频带的基本关系。同时说明信号经传输后，虽然整个波形会发生了变化，但只要取样值保持不变，那么再次取样的方法（即再生判决）仍然可以准确无误地恢复原始信号，为此，采用理想低通响应波形作接收是不会产生码间干扰的。

然而在实际中，理想的低通特性很难实现，在实际应用中我们用的是具有滚降特性的信道。其带宽较奈奎斯特带宽要宽，增加的程度用滚降系数α（0≤α≤1）来表示。α=fc2/fc1，式中的fc1是理想低通的截止频率，fc2滚降特性信道的截止频率。具有滚降系数α信道的特性和冲击响应如图3所示。

从图3中可看出：

（1）α＝0时，系统为理想低通特性，α≤1为升余弦滚降滤波特性。

（2）于α>0的升余弦滚降特性，其冲激响应H(t)的值，除在取样点t=0处不为零外，其余各取样点的值均为零，且t>T后，各样值点之间又增加了一个零点，使"尾巴"随时间的延长而衰减加快。这对消除码间干扰和减弱定时抖动很有利。

（3）升余弦滚降信号在各取样点(图中的-3T、-2T、……2T、3T)处的串扰值始终为零，因此它满足取样值无失真传输条件。α越小，波形拖尾的振荡起伏越大，但传输所需要的带宽减少，即频带利用率高；反之，α越大，拖尾振荡起伏越小，传输所需要的带宽增大，即频带利用率变低；极限情况是α=1，此时的滚降特性所占带宽比α=0时增加一倍，这时其频带利用率只有极限情况下的一半。

（4）考虑到接收波形在再生判决中还再进行取样才能实现无失真传输，而在实际取样时，取样时刻不可能完全没有误差，加之取样脉冲宽度不可能为零。因此，为了减少取样定时的脉冲所带来的影响，α 值不能取得太大，通常选择α≥0.16，例如在DVB－C系统中，调制前得I、Q信号，采用α=0.16的升余弦特性滤波。

一个基于调制传输方式的计算例子，例如：α=0.16，使用64QAM调制，则频带利用率N=log264=6(每个调制符号的比特数)，频道物理带宽为W=8MHz的DVB－C系统，求其有效传输速率SS，计算如下：

（1）先算其符号率D=W/(1+α)＝8/(1+0.16)=6.8966Ms/s

（2）传输速率C=D*N=6.8966*6=41.379Mbps

（3）DVB－C的信道编码是RS（204，188），所以有效传输速率 CO=C*188/204=38.134Mbps

总的来说，由于传输信道存在抖动，所以，在判决时的定时不可能做到很精确，这样一来具有低通滤波特性的信道的冲激响应波形的拖尾将会造成码间干扰，为此可通过增加α的值来减弱这种拖尾效应，从而减少码间干扰，但却是以牺牲信道的带宽利用率为代价的。

为了进一步克服码间干扰的影响，通常在接收端取样判决器前加上一个可调的补偿滤波器对信道特性作进一步的补偿，以使实际系统的性能尽量接近最佳的性能，能有效地克服因电缆的长度和质量所引起的传输误码，这个补偿过程即为均衡。

2、均衡原理

对基带系统的性能进行补偿可以在频域实现，也可以在时域实现，前者为频域均衡，后者为时域均衡。频域均衡的基本原理是利用可调滤波器的频率特性取补偿基带系统的频率特性，使包括可调滤波器在内的基带系统的总特性尽量接近最佳系统特性。模拟视频信号的均衡就是一种频域的均衡，主要是在0～6M的频率范围内选取几个频点来调节系统的频率特性，当然也包括信号幅度的调节与对共模干扰的抑制。而时域均衡不是为了获得平坦的幅频特性和群迟延特性，主要目的是消除判决时刻的码间干扰。下面主要讨论时域均衡。

所谓时域均衡就是直接利用波形补偿的方法来校正由于基带特性不理想引起的波形畸变，使校正后的波形在取样判决时码间干扰尽可能小，所以时域均衡也称波形均衡。其原理可用图4来说明：

图中实线为取样判决器输入端的单个脉冲响应信号，由于信道特性不理想产生了畸变拖尾，在t-3……t3各取样点上会造成串扰。如果均衡器能产生图中虚线所示的补偿波形，那么经它校正后的波形如图4b所示，在除t0以外所有取样点上的值均为零，从而消除了码间干扰。

时域均衡所需要的补偿波形可由接收到的波形经延时加权（加一定的增益）来得到，所以均衡滤波器实际上就是由抽头延时线加上一些可变增益放大器组成的，如图5所示：

它共有N节延时线，每节延时线的延时时间都等于码元的宽度T，在各节延时线之间引出抽头共N＋1个，每个抽头的输出经可变增益（正负可调）放大器 d加权后再相加输出。因此当输入有畸变的波形时，只要适当选择可变增益放大器增益就可以使相加器输出的信号对其它码元波形的串扰为最小。

均衡滤波器又称横向滤波器，理论上，均衡滤波器要有无限多个抽头才能做出精确补偿，这当然是不可能的，因为抽头越多，成本越高，调整也越困难，要想消除码间干扰就是要寻找合适的抽头增益，若将这一过程自动完成就做到了自适应式自动均衡。自适应式数字均衡在数字通信领域有着广泛的应用，它能消除信道的各种干扰（多径干扰、调幅性干扰、调频性干扰、相位噪声等），还可以反馈载波误差信号，以细调载波的相位和小的频差。而为了使码间干扰最小，还需要找出有限个横向滤波抽头增益d与输出信号之间的关系，在这里将不再赘述。

挑选相位噪声低的QAM调制器

1、噪声、带宽、传输码率

另外，上面曾说过，影响误判的还有信道的噪声。那么在调制传输方式信道的噪声、带宽、传输码率是怎么一种关系呢？让我们看看有名的香农公式：C=Wlog2(1+S/N)，从香农公式中可以看出：(C是信道容量、W是信道带宽、no是噪声功率密度、N噪声功率、S信号功率。)

（1）/N (SNR) ，C 。

（2）如果N0，SNR∞，C∞。无干扰信道的信道容量无穷大。

（3）W ，C ，但趋于一个极限。因为W ，N=W*n0 。

（4）若C 为常数，W与SNR可以互换。 (扩频通信)

（5）信道容量为C，信源的信息速率为R，如果R

从图6上可以看出，对任何一种给定的调制技术，传输信道的信噪比（S/N）越高，则其比特误码率（BER）特性就会越好。换句话说，对任何一种给定的调制技术，如果希望传输信道的比特误码率特性更好，就要提高传输信道的信噪比。

当然，以上分析是在理想情况下的结论，实际情况要复杂得多。但不管是噪声、互调、回波还是侵入噪声影响，其结果都是劣化了信道的信噪比，最终都是劣化了信道的无纠错比特误码率BER。

从图6看出，曲线在水平轴上的位置取决于调制方式，调制方式抗噪性能越佳，则传输系统在得到相同BER值时所要求的S/N值就越小。一般来说，数字信号在传输之前都先进行前向误码校正（EFC）等的信道编码处理，这样可将BER从10－4提高到10－10～10－11，所以，在接收端我们只要保证其BER在10－4以上就可以了。对QPSK调制方式，在S/N大于11dB时BER就优于10－4。对16QAM调制方式则要求S/N大于18dB才能保证BER优于10－4。

因此在频谱仪上看，一个数字频道的已调信号象一个抬高了的噪声平台，均匀的平铺于整个带宽之内。它的能量是均匀分布在整个限定带宽内的，因此，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。

QAM数字频道的电平是用被测频道的平均功率来表达的，称为数字频道平均功率，测量的方法是对整个频道扫描、抽样，把每一个抽样的功率值取平均，然后在信道的带宽内进行积分，得到信道的平均功率，这种测量功能只有专用的数字信号测量仪器才能测量。

在模拟系统中，我们通常用CSO、CTB、C/N这几个参数来衡量信号的优劣。前两个是反映信号的保真度，后一个是信号的信噪比。如果保真度不够，将表现为：图像里有网纹、滚条等干扰，信噪比不够表现为图像里的噪波点。

由于数字信号是离散信号，衡量其质量的标准只能用信号的取值（或状态）判断的正确与否来评价，即用误码率作为衡量主要参数，系统的CSO、CTB、C/N等指标都反映到误码率上。数字信号的指标劣化，表现为马赛克、静帧至图像中断，没有模拟信号那种劣化的渐变过程。

数字信号频道的能量均匀分布在限定的带宽内，由于这个特点，在传输通道存在非线性失真的情况下，所产生的互调、交调产物就不是呈离散性的分布，而是呈白噪声性质，在扰的频道内弥散分布，这等于在扰频道里增加了噪声，称为组合互调噪声CIN。这种噪声如果落在模拟频道上，对扰频道的图像质量的影响不是表现为互调的网纹，也不表现为交调的负像，是表现为画面信噪比的劣化，全画面象是罩上了一层部分网孔被堵塞了的窗纱，细看是黑白相间的小点子，使图像的分辨率、对比度明显降低，看上去不通透，缺乏力度。如果干扰的频道是数字频道，则表现为图像频繁的马赛克，虽然该频道的电平并没有降低。

国家标准推荐，在数值和模拟兼容传输的网络中，数字频道的电平比模拟频道电平应当低10dbμV。其目的是减少数字信号的非线性失真。在一个550MHz的HFC系统中传输27套模拟频道和5个数字频道（64QAM）的数字电视信号（共25套数字电视节目）。当数字信道的平均功率电平提高到比模拟频道图像载波低5dbμV时，部分模拟频道受到干扰的程度已经十分明显，画面的对比度和清晰度明显下降，给收看者造成压抑感，但数字信号的图像并没有出现明显的马赛克现象。将数字信道功率电平调回到比模拟信号低10dbμV，干扰就不可察觉了。

另外，按国际标准，为了保证良好的接收，在进入接收解调器的RS纠错前，误码率BER应该小于10E-4。这相当于经过RS纠错之后误码率达到10E-12的准无误码水平。由误码率BER和Eb/No的关系曲线中可以查得对应于BER=10E-4的Eb/No为16.5db，对于64QAM，Eb/No与C/N的转换式为：C/N=Eb/No+10lg6=24.28db，而模拟频道要达到4级图像的C/N要43db，可见，数字信号比模拟信号低10db并不影响数字信号的接收质量。

２、网络相位特性

由于数字信号采用QAM调制方式，所以，除了载波的幅度携带了信息外，载波的相位也携带了信息。为此，传输网络的相位特性也影响着信号的BER。影响网络的相位特性主要有两个方面，一是网络的失配产生反射所造成的多径效应；二是有设备振荡源的不稳定性所产生的相位噪声。

有线电视网络如果存在失配，将产生反射，这样使到达机顶盒的信号不只是直接路径传来的，还有由反射路径传来的。直接路径与反射路径之间存在时间差，从载频角度讲，只要两个信号到达的时间差改变1/fc（fc是射频载频频率），两者的相位差就改变2π弧度，就是说很小的时间差就会引起很大的相位差，在两信号相位差为2π时，二者同相相加，合成信号幅度最大；两者相位差为π时，二者反相相减，合成信号幅度最小。可见，时间上延时的信号与直接信号到达接收机混合在一起，不但会从幅度上的影响，更会从相位上影响数字信号的正确解码。

造成网络反射的原因有：电缆的物理损伤、接头的氧化进水、干线空闲端口没接假负载、分配器有空口没有接假负载等，这些都造成网络失配而产生反射。在实际维护工作中，我们深刻地体会到，由多径效应所产生的信号相位失真而造成的误码是影响数字电视接收的重要原因。

相位噪声是指单位赫兹的噪声密度与信号总功率之比，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。相位噪声的影响在星座图上表现为星座点轨迹围绕这I―Q平面的原点旋转。与通常噪声使星座点以原地点为中心的扩散不同。

相位噪声对模拟电视影响比较轻，即便相位噪声指标很差，也不过表现为图像暗场是出现杂乱无章的花纹，因此相位噪声指标在模拟电视里不被考察。相位噪声的来源是频率处理器，即含有振荡源的设备，如调制器，频率变换器等，为此，挑选相位噪声低的QAM调制器是从根本上保证传输质量的关键。

结 语

有线数字电视系统既可以为高清晰的数字电视提供大容量、高质量的数字信号，也可以在数字电视机并不普及的今天为模拟电视机提供画面清晰、音质优良的模拟信号，充分利用有线电视系统的频率资源，为实现交互式电视服务，建立家庭多媒体平台做好准备。