千锤F3多用途高清接收机(九)
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谷歌的去留已成定局。圈内人都明白,要想收好香港地面高清,第一堂功课就是在谷歌地图上计算一下距离,看看路程中间有无遮挡,非常实用。
我们知道地球是圆的,UHF的信号传递距离有极限,其场强大小,跟距离的平方成反比。信号传输的路径中,还有高山大厦等阻挡。珠三角的模拟频谱早已爆满,最要命的是DMB-TH多载波有严重的同频多径干扰。种种因素,决定了香港地面高清信号远达100公里为界,超过这个极限,就难上加难了。
可是偏偏有人不信邪。一年来,远程接收的成功报告层出不穷。从110公里、120公里,直到140公里,频频打破记录。这是靠什么?
陈年往事
DMB-TH国标制定之后,内地反响平平,惟独珠三角热火朝天。究其原因,要从一段历史说起。
早在80年代,也就是彩电普及的时候,国内还没有什么电视可看。我移民广东的那一年,大上海也只有3个地面模拟频道,两个老掉牙的VHF,一个UHF还是实验播出。但在资本主义的香港,已有私营无线电视广播公司的翡翠台(粤语)、明珠台(英语),亚洲电视公司的本港台(粤语)、国际台(英语)等四个UHF频道,现在管它们叫老四台,90年后又增加了丽音数字伴音。无论是节目制作水平,每天播出时长,还是图像色彩和伴音效果,都不是大陆电视台能及。
那时候,珠三角基本没有高层建筑,也没有BB机和手机,空中电磁环境比现在干净得多。街边的日杂用品铺头,就有现成的鱼骨天线和放大器卖,全套不到100元。我在珠海吉大的6楼顶上,第一次竖起鱼骨,收到了4级图像的模拟老四台,看到的第一个节目是1988年香港小姐总决赛,激动的心情难以言表。即使是一个广告,也觉得是美的。
图295是我十多年前刊登在本刊上的一幅漫画,正是那个时代的缩影。可以这样说,老四台伴随着无数内地移民度过了一个又一个无奈和无聊的日子,也伴随着本地整整一代70后孩子们的成长。我本来一句粤语都不懂,老四台自然成了我的良师益友。
那阵子,珠三角居民最大的娱乐,就是安装一套鱼骨天线,偷偷收看境外的香港老四台。在珠海到广州的路上,到处可以见到屋顶上的鱼骨天线,数量比现在的卫星天线不知道多几百倍。一栋楼上,家家户户安装天线,以致于鱼骨琳琅满目的情形,还依稀记得。100公里以外的地方,需要安装网锅。在广州城区内,大小宾馆的楼顶,都安装4到6米不等尺寸的网锅。“资本主义的萌芽”从此开始了。
各地政府也有一些土政策,限制大陆居民收看老四台。在省城广州,安装鱼骨需要提供香港侨民的证件。但这些措施,就像现在卫星天线管理一样,民间的潮流很难抵挡。一些地方,鱼骨拆了又装,此起彼伏。
但好景总是不长。到90年代中期,各地纷纷将零散的公共天线系统整合为有线电视,老四台从画质开始,首先变味。90年代后期,有线电视统一采用省传信号,随意插播广告逐渐蔓延。进入21世纪后,老四台得面目全非,有些地方甚至占用了50%的时间用来插播,各种假药广告比比皆是,弄到无法刹车的地步,各地居民深恶痛绝。有网友风趣地比喻,老四台是在广告频道中,才插播一丁点可看的节目(主次颠倒),这句名言竟然上了2010年春晚。为了防止自家孩子中毒,人们纷纷报停了有线电视。老四台失去了忠实观众,加上内地电视节目崛起,结果使老四台的质量每况愈下,这是老四台的悲哀。
这一切,在2008年元旦,终于划上句号,开始了新的一页。这天,香港在世界上首次采用国家DMB-TH数字电视标准,一举开播了十多套节目。除了将老四台升格为16:9标清之外,更是开张了高清翡翠台和亚洲高清台等两个高清频道。这个消息,首先在本刊的高清总动员论坛里传开了。鱼骨天线又要咸鱼翻身了吗?
但是,情况非常糟糕。和20多年前相比,美丽的城镇已经变成石头森林。空中的电磁污染也更为复杂,除了四面八方传来的模拟电视,还有本地的移动电视、对讲机、集团通信等等各种五花八门的超强信号,有些还是非法的。整个UHF频谱已经爆满了。
但这还不算什么。更要命的是香港采用DMB-TH的多载波方案,是单频多点组网,同频和多径干扰非常严重,而发射功率却只有原来模拟频道的1/10。我找出20年前的老鱼骨,再次架设到天台上,竟然一个频道也收不到了!
两年多来,我在珠三角140公里半径范围内,踩点了一百多个地方,使用过鱼骨天线、相阵天线、网锅天线,以及几十种放大器和接收机,实际测试了香港地面波的接收情况,总结出一些有用的经验。
远程接收
首先,打开谷歌地图,度量一下到香港发射站的直线距离,同时观察路径内有无高山或大厦遮挡(题头图)。当然,也要到楼顶向发射站方向了望,10公里范围没有楼盘超过自己,否则就要动大手术了。
其次,找一套普通鱼骨和放大器,实地测试一下信号,最好看一下模拟频谱。振子不带放大器直接输出,香港DMB-TH的三个频点超过3dBuV。通过放大器之后,信号电平减去本底噪声的净信号达到30dBuV以上。否则需要加强天线,如多鱼骨组阵,或者大网锅。在UHF全景频谱中(图296),本地有没有强信号迫使放大器饱和?如有,必须在振子和放大器之间,串接陷波器。或者在放大器之后,串接带通滤波器。
图297、图298表示586MHz、602MHz频点理想的DMB-TH频谱。在8MHz带内,要求顶部越平坦越好,两边越陡峭越好,整个波形看上去是长方形的。而图299就是一个有缺陷的482MHz频点的频谱波形,表现为顶部不平整,电平也不够,特别是带内受到了模拟杂波的干扰,中间突起一个小峰,给数字解调带来极大的困难。
必须强调,所谓信号不足,是指两方面。一种是信号电平,另一种是信号质量。接收系统最重要的指标,可用载波和噪声之比C/N来标定,简称载噪比,它和信号质量有一个比例关系。
由天线振子、放大器、解调器组成的整个接收系统中,载噪比C/N是在振子上唯一决定的,后面的处理只会使C/N更坏,不可能变好。在振子输出C/N不足的情况下,只有想办法提高天线增益,用其他任何方法都是徒劳的。有人以为放大器真能放大信号,那就大错特错了。放大器只能放大电平,不能提高载噪比,因为在放大载波信号的同时,噪声也按相同比例放大,而且放大器本身也会产生额外的噪声。这个问题,就好比放大镜可以放大图形,却不能放大角度一样。
在夏普调谐器的说明书内,注明输入电平的范围是-87―20dBm,相当于21―128dBuV。要注意,今后我们凡说到电平,简写的dB数值,总是指dBuV而不是dBm。在这个范围内,调谐器被内部的自动增益控制AGC锁定,f3面板上的绿色指示灯亮了。如果电平超过范围,一般是电平不足,那就需要用放大器提高信号电平,这是放大器的唯一用途。
振子信号的C/N不足,放大器就无能为力了,常用的解决方法是鱼骨组阵。理论上两天线组阵可以提高增益3分贝,四天线组阵再提高3分贝,但实际上总是做不到。图300就是用两幅相同的日本进口LSL30鱼骨,上下组阵的情况,当然左右组阵也是可以的。图301是用四幅国产的相阵天线组阵,总共才提高4分贝。
天线组阵最难的地方是几个信号的合路,不能用普通的分配器倒接来合路,这样插损太大。振子到合路器的电缆长度也有讲究,要一厘米一厘米剪,只有当阻抗匹配、驻波最小的时候,信号才会最高。不想折腾合路,又有地方安装的,建议用2.3米网锅(图302)。如果2.3米还不够,可以换3米(图303),或者3.7米(图304)。最大可以做到4.9米甚至6米(图305)。
只有当信号电平和信号品质两项指标都合格,才可以试收数字信号。有人建议先试收香港模拟老四台,如果老四台能够收到NICAM数字伴音,图像有彩色,就可以判定接收数字信号把握很大。当然,也可以直接用数字机试收,马上就能知道结果。
各种数字机的信号显示方式都不一样。其中,信号电平仅仅是调谐器的模拟AGC,并没太大参考作用。信号品质与C/N有一定的比例关系,但各机比例尺的标定没有规矩,一台机器显示80%并不等于比另一台显示40%的更好,只有像F3那样显示真正的C/N数值才能进行比较。最简单的方法,是比较各机在信号门限附近的实际表现。
当信号电平落在AGC正常范围,信号品质过了门限,最后能做的事情,就是烧香拜佛了。香港高清的586和602两个频点,在青山、慈云山、九龙坑山、金山、飞鹅山、南丫岛等6个山头上的发射功率都大于100瓦,它们同步发射,仅仅是各自的延时不一样(表17)。在香港本地覆盖范围内,各个山头来的信号,可以互相叠加而不会抵消。但在香港以外的珠三角地区却正好相反,信号是抵消而不是叠加,这是一个坏消息。
远程接收的信号在模拟频谱上看,明明波形很好,电平和载噪比都够,但数字机却不能过门。这种情况,在珠江西岸地区,简直就是家常便饭。那是为什么呢?
题头图表示西岸某地73.87公里接收的情况,从慈云山和青山两地来的信号,只有5度夹角。同时收到两个发射站来的信号并非好事,由于两路数字信号的时延不同,超过30公里铁定是抵消的。
远程接收最后一个问题,就是挑选接收机了。这不能按照卫星接收机的挑选标准,门限低的就好。由于同频多径干扰严重,需要挑选即能抵御模拟临频和同频干扰,又能抵抗数字多径信号干扰的接收机。
找这样的接收机,等于找一款合适的DMB-TH数字解调芯片。两年来,我们用过几乎所有厂家的芯片,一直找不到理想的。直到去年中,终于发现国芯的第二代解调芯片1501B(图306)。历经九九八十一劫,终于修成正果。
解调芯片
要搞清楚杭州国芯GX1501B解调芯片的来龙去脉,得先从3年前DMB-TH国标制定的时候说起。当时,多载波的鼻祖凌讯了唯一的一款芯片8913(图21),这也是第一批香港地面接收机所采用的芯片,包括箐华、索尼、8仔,以及中大的3688K等。同时期的代表芯片还有卓胜微、泰鼎、澜起等,都是昙花一现,消失得无影无综。
为能融合单载波,迎接北京奥运,到了2008年中,各厂家纷纷推出双模解调芯片,又叫融合芯片,具有多载波/单载波双重功能。最具代表性的是凌讯的8G75(图18),被后来的F304所采用,性能稳定。而泰鼎的5572(图16)不但具有多载波/单载波的DMB-TH功能,还融合了DVB-C数字有线功能,被用在中大3688M/F1上。同样,国芯的1501(图19)也融合了DVB-C,被中大3688M/F2采用。F1/F2就是因为搭载了5572/1501,成为那个时代最具活力的高清机型。
但是问题也接踵而来。1501的集成度太高,把多载波和单载波、数字有线、解交织贮存器、A/D转换器等融于一身,还要降低功耗,难度很大。结果性能方面表现平平,各地用户颇有微言。特别是遇到多载波的多径干扰,1501似乎束手无策,频频败下阵来。
时间进入2009年。在F3设计时,希望能选择一种性能更好的解调芯片。为此,笔者专门上北京拜访了参展厂商,并把自己的怨恨和希望,统统写进了《京城日记》里。当时获悉,中天联科由海归女博士率队,研发新一代抗干扰的解调芯片,但无法提供样片测试。而国芯正在设计的第二代解调芯片,命名为1501B,也是只见风不见雨。同时,泰鼎已经退出地面波的游戏,不玩了。因此在2009年,F302只能继续采用1501,虽然明知性能一般,但也没办法,只能等待下一代的芯片量产。反正F302可以更换活动调谐板,这是F302在一年前就埋下的伏笔。
《京城日记》获得了很大的社会反响,特别是国芯高层非常重视,加快了二代芯片的研制步伐。到了2009年夏,终于有了眉目。当国芯年轻有为的开发者赵工带着样片来珠海测试,我终于领略到1501B的优良性能。接着我们做了三台样机,分别发到各地测试,取得了令人满意的效果(表19)。
在常州市,由于F304的有线解调也是国芯的1001芯片,所以1501B的对比数据很接近,但1001更好一些,1501最差。根据这个情况,国芯在正式量产的1501B芯片中,已经将DVB-C的模块照搬成熟的1001解调单元,性能和1001一致。这个DVB-C单元,接收能力更强,特别是在抗有线大网信号抖动、对讲机干扰和256QAM的性能上,表现尤其突出。
在珠海市,由于澳门多载波发射设备的误码太高,导致星座图倾斜,这时1501毫无招架之处,但1501B和8G75都能稳定。
在中山市,情况和珠海类似。1501根本不过门,但1501B和8G75都过关。1501B样片在多载波的C/N显示上,比8G75偏小,这是它们各自选取的信号检测点不同引起的。新的驱动程序已经改良,使两者更接近。
在常熟市,单载波的性能非常平均,各芯片几乎没有什么分别,说明单载波确实容易收。
在新会市,同频干扰最严重的地区,8G75的门限由通常的C/N=15.5,大幅提高到19,即使18.5图像也卡。但1501B没有受到影响,说明它抵御同频干扰很成功。
通过以上分析可知,在三个芯片选项的PK中,1501B完胜。F3终于找到了适合自己需要的强悍芯片!
1501B的管脚和1501完全相同,可以互换使用,当然驱动程序不一样。消息一出,已购F302的用户,纷纷拆下活动调谐板,返厂更换1501B二代芯片。经反馈意见,好评如潮,真是相见恨晚。
F3新搭载的1501B调谐板,采用四层的PCB镀金板(图307),竭尽所能提升它的高频性能。用首批量产的1501B芯片组装的F3各款型号,春节前全部售罄。不少人原先使用索尼100C,但586/602的图像比较卡,换上新版的F302之后,马上稳定了。我们终于在接收性能上打败了不可一世的索尼,1501B立了大功。
不过话要说回来,1501B并非万能的灵丹妙药。上面谈到,要收好香港地面波,首先得保证信号过门限。如果它牌机器什么也收不到,那么换1501B也无能为力。只有当系统过门限,仅仅是同频多径干扰的原因,造成图像卡或者停顿,换F302才有意义。可以这样说,1501B是解决稳定接收的一系列措施中,压死骆驼的最后一根稻草。
很多人折腾香港高清,换过的天线、接收机,不下十几种。搞了半年甚至一两年之后,图像还是卡的。在这种情况下,为什么不试试F302呢?或许它能救你一命。对于没有同频多径问题的地方,如在内地,1501B的效果也不明显,此时建议你选用有线、无线独立输入的F304,同样稳定可靠。这也就是2010年新版F3的型号中,只保留F302和F304两个型号的原因(表15)。
西岸测试
1501B运用了全新的均衡技术和算法。除了上面谈到的抗同频多径干扰和星座图倾斜的能力之外,多普勒性能也得到了提升,很适合单载波的移动接收。此外,它还有两个秘密武器,那就是抗同频模拟干扰的能力,以及附送的仪器包,都非常实用。
实践证明,100公里远程接收,没有真正的直射波,收的都是反射或折射波,因此就不要幻想一支鱼骨走天下了。只有地势很高、前方很开阔的个别幸运地方,才能用简单器材做成功。在远程接收中,天线阵、网锅是主要武器,从振子、放大器、接收机等所有环节都不能松懈。这个问题,一定要有思想准备。
在电波走过的100公里路径范围内,所有建筑、山水,都是一个个高频元件,都会影响到电波的衰减和运行方向,因此具有很大的不确定性,信号会随着气候及海潮等自然因素的变化而变化。
下面通过3个珠江西岸实地测试的例子,来说明新版F302在远程接收时的作用。
实测之一
在中山市小榄镇的7楼顶,用一套2.3米网锅主收九龙坑山,信号非常好(图302)。抛物面天线具有尖锐的指向性,前后比高,先天就具抵抗周遭杂波干扰的能力。
先看全景频谱(图308),能量分布均匀,右边两个是关键的586/602频点, 波形正常。展开频谱中,三个有用频点非常漂亮,电平也足够过门限了,分别是586(图309),602(图310),546(图311)。
1501B附送一个工具包,可以检测多径冲激响应、带内频谱、星座图等主要的性能指标,并用图形直观地显示出来。在地面频道搜索的菜单中,开启信号分析功能,对应红键是冲激响应,对应蓝键是带内频谱,对应绿键是星座图。
先收老四台546,在下午4点钟的时候信号非常好(图312)。冲激响应图中只有一个信号响应,冲激峰的波形面积代表信号的能量,它越集中,越尖锐,表示信号越好(图313)。频谱图的水平轴宽度正好是8MHz,所以又叫带内频谱,本例的频谱(图314)和传统频谱仪上看到的基本一致(图311)。
但别高兴得太早,下午4点半出现状况了。随着当地强烈的543南方模拟台开播,香港546的频谱上立刻出现干扰峰(图315),对应冲激响应峰的形状也发生改变,峰底看到杂波干扰(图316),C/N显著下降,误码率升高。
这种情况下,任何机器都不能过门。但1501B还有一丝希望,它独特的设计,把受到模拟峰干扰的部分,用内置的可变陷波器陷掉(图317),虽然也同时陷掉了有用的数字信号,但不太严重的时候还能纠正过来。本例中,C/N跌到12.5-14.5之间,能出图像,但比较卡。这就是1501B独特的抗临频和同频模拟干扰的功能。
再来看586,情况就比较稳定(图318-图320)。602虽然C/N不高,但图像稳定流畅(图321-323)。本地不存在同频多径干扰。
实测之二
在广州番禺的4楼顶,用4鱼骨组阵,主收九龙坑山(图324)。本例中,上场三种机器对比。第一台F1是泰鼎5572二代芯片,单多载波、无线有线融合方案,是前年9月的版本。第二台TF是北京高拓讯达(AltoBeam)8820M二代芯片,纯多载波解调方案(图325),是去年10月的版本。第三台F302是国芯1501B二代芯片,单多载波、无线有线融合方案,是今年1月的版本。
先看546老四台。F1不能过门(图326),TF轻松收下(图327)。F302也不示弱(图328),C/N=14.5,偶而会卡。F3图像卡,其实并非解调单元的问题,而是出现误码之后,后级的MPEG视频解压拦死了,一个马赛克也不让放过去,这样做的好处是F3的图像一旦锁定,想出马也难,保证了画质。而其他牌子的机器容许一定的误码,照样通过MPEG视频解压单元,仅仅在画面上出些马赛克,给人门限较低的假象。
再看586和602。F1图像流畅(图329、330),602偶而会卡。但TF两个频点都无法过门,常常显示品质为零(图331)。最后F302上场,完全流畅播放(图332、333),甚至602的C/N压到12.5依然可以过门。在这次PK中,只有F302通吃所有频点,F1拿不下546,而TF竟然连586/602都不过门,打破了先前高拓公司的宣传神话,它的芯片功耗低但抗干扰性能差,不适合香港以外地区使用。
比较上述两个不同地点之后发现,在没有同频干扰的情况下,图320和图323的顶部是平滑的。而有同频干扰的时候,图332和图333的顶部出现了尖刺。在平滑线以上的尖刺,表示多径信号叠加。在平滑线以下的尖刺,表示多径信号抵消,它把有用的信号电平拉底了,等效于门限提高。仔细分析还能发现这些尖刺是有规律的,它们也有周期性,类似于驻波,详细分析可参考深圳老威的精彩文章。
香港多载波的格式,在不到8MHz带宽内,具有3千多个小载波,每个载波占用2K。这就是多载波名称的由来。普通频谱仪都没有2K这个分辨度,所以看不到尖刺,而1501B的内置仪器包正好具备这样的分辨率,所以看得很清楚。从这点看,1501B比几万元的专业设备还管用。
实测之三
在中山三乡的9层楼顶,两套日本进口的万视宝LSL30鱼骨天线组阵,主收青山(图300)。万视宝是西岸玩家公认的最好天线(表20)。先看586,发现在冲激响应图中,有一大两小三个峰(图334)。其中,水平轴一格刻度,在空间上相当于500米。两个小峰比主峰青山提前到达,相差6公里左右,原因不明。
由于三个信号都是586同频,但相位不同,因此会在振子上形成驻波,这在频谱图上看得很清楚(图335)。和第二个例子一样,向上的尖峰表示叠加,向下的尖峰表示抵消。而实际的信号电平应该以抵消后的最低点计算,相当于信号变低,等效于门限提高了。但这种叠加和抵消的现象,在相同时刻,用普通分辨率为1K的频谱仪上是看不出来的(图336)。
星座图表示香港地面波64QAM调制的64个星座(图337),数字信号就是调制在这上面的,它们两两无关。如果把星座图看做64个靶子,那么理想的状态就是每次都中靶心。但实际上由于存在误码,依然有个别的信号落在靶子以外,甚至落在隔壁的靶子上,这就是图像卡,出马,甚至完全黑屏的原因。
602的情况和586类似,篇幅关系,这里从略。最后看看650老四台的信号分析,图338可见信号C/N为23。按1501B的设计,超过30的时候,用实验室的精密仪器也没有意义,因此这个信号已经很好了。图339的冲激响应也是非常漂亮,只有一条,能量集中。图340的频谱更是无懈可击,仿佛是实验室信号发生器输出的纯净信号。图341的星座图,同样可以作为所有接收情况的范本,64个星座非常精准,几乎看不到离散现象。
星座图还解答了一个困扰我们很久的问题,为什么单载波16QAM比较容易收?因为它的星座图中,只有16个格子而不是64个格子,每个格子都比64QAM大4倍。枪法不精的人,也能打准了。
以上仅仅是在很多实地测试的案例中随便挑选出来的3个。两年多来,我在珠三角特别是西岸地区,踩点了一百多个地方,使用过的鱼骨天线、相阵天线、网锅天线、放大器和接收机,不计其数。现在,终于把各地接收香港地面波的实际情况弄清楚了,也找到了切实有效的应对方法。
在西岸测试活动中,我每到一站,都得到当地网友的热情欢迎和大力协助。在简易的工棚里,在陡峭的天台上,我看到各地高清发烧友对接收香港高清的迫切愿望和西岸市场的强烈需求;看到大家为了收好高清,不遗余力、不辞辛苦、不屈不饶的坚定意志和必胜信念;也看到了五花八门的自制鱼骨阵、6米大网锅、低噪声放大器、滤波器等等,不能一一尽录。
有人说,想收好香港高清,第一是地段,第二也是地段,第三还是地段!那么,远程地段不好的怎么办?我们这个圈子里的人,自诩100公里俱乐部,却都是普通的高清发烧友(图342-图345)。大家都面对同样的困难,信号低,杂波强,干扰大。但这些和我们的兴趣和勇气相比,实在微不足道,我们喜欢的就是折腾。别人怎么看,我们不在乎,哪怕最后只剩下你和我!
(未完待续)