有线数字电视信号传输中参数的测量方法

有线数字电视信号传输中参数的测量方法

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本文描述了在有线数字电视传输中测量参数的客观方法。重点是有线数字电视信号从信号源到用户接收端的端到端性能。这个传输链包括电缆分配系统，也可包括为有线电视前端提供信号源的链路，如卫星链路、地面传输链路、或宽带网络链路等。

因为卫星系统、地面系统、微波系统有截然不同的测量规范，这里不对它们一一进行定义。

同时建议在测量有线电视系统性能时，通过系统的信号不应是解调后的信号，即有线电视的源信号取自卫星传输（经QPSK、BPSK等调制）、地面开路传输（经8－VSB或COFDM调制）或多点分配微波系统。

本文所述内容适用于任何工作频率从30MHz到2150MHz的有同轴电缆输出的电视和声音信号的有线数字电视分配系统（包括独立接收系统）。

在未来的应用中，频率范围将可能扩展为从5MHz到3000MHz。

本文介绍了对有同轴电缆输出的有线数字电视分配系统工作特性的基本测量方法，以便评估此类系统的性能及其性能限制。

这些测量方法应用于经PSK、QAM和OFDM等方式调制后的数字信号（对于在有线系统中的VSB信号的测量，还需要另外的测量方法），测量的参数如下：

?系统输出口的相互隔离度

?通道内的幅频响应

?射频载波功率

?射频噪声功率

?载噪比（C/N）

?比特误码率（BER）

?比特误码率与Eb/No

?噪声余裕

?调制误差率（MER）

?信噪比（S/N）

?射频相位抖动

?回波（用于测量均衡器的屏蔽能力）

数字调制信号的测量方法不同于模拟调制信号，主要有以下几个原因：

a) 除VSB调制方式外，数字调制的信号不存在载波，因此无法测量（例如ITU－T J83中的PSK或QA

M 调制系统等），或是有几千条载波（例如OFDM调制系统，包括导频及BPSK、QPSK和QAM调制）；

b) 被调制信号频谱像噪声般平铺于频带中；

c) 影响接收信号质量的参数与通过信道传输在解调和纠错前引入的比特或字符误码因素有关(如:噪声、幅度

和相位的失真等)；

数字调制信号的测量方法基于以下几个条件：

a) 对于各种基带系统,其输入输出信号为MPEG－2的传输流(TS),例如卫星,有线,SMATV,MMDS/MVDS和地

面分配系统;

b) 通过卫星接收的PSK调制数字信号,例如QPSK等方式,能够以同样的调制方式在有线网络(SMATV)

中分配;

c) 通过卫星接收的数字调制信号以QAM方式在有线电视网(CATV)中分配;

d) 通过地面广播系统接收的OFDM调制信号能以同样的OFDM调制方式在SMATV/CATV系统中分配;

e)提供PSK,QAM或OFDM调制的I/Q基带信号源,具备适用的接口和相关的SI文件信息;

f) 在注明的有关地方需用PSK,QAM或OFDM调制的一个基准接收机,并指明其接口;

g)解码设备不会影响结果的一致性.

（1）系统输出口的相互隔离度

系统隔离度通常在以下几个连接处测量

a) 系统输出连接相邻用户的分支器连接处;

b) 系统输出连接相同多用户的分支器连接处;

c) 相邻环路系统的输出处;

测量方法如同模拟调制系统方法，使用扫描信号发生器测量。

（2）通道内的幅频响应

本参数用于描述在有线电视分配系统特定两点间，某一独立信道频带的幅度响应。

但是，对那些输入信号解调到基带后再调制频道，其调制器及解调器的响应不应包括进来。当需要将这些响应特性包括进来时，应使用适用的测试手段对这些设备进行独立的评估。

如果在被测系统的天线输入与系统输出之间有变频设备，应进行设备的输出频率标准。首先检查信号发生器输入频率到输出频率的频响平坦度。

测量方法如同模拟调制系统的方法，采用扫描信号发生器测量。

（3）射频载波功率

数字调制信号的射频载波功率使用热功率计来测量。也可用频谱仪积分信道标称频带中频谱功率来测量(许多种频谱仪都有此项功能)。

对于PSK、QPSK和QAM调制的信号，其带宽（BW）定义为符号率的（1＋α）倍，此处α为滚降系数，不同应用中有不同的定义。OFDM信号的带宽定义是两个边界副载波所占的频带外边界的差值。

射频载波功率的单位是dBm(dB对应于1mW的功率)。

也可使用其它一些适用设备来测量数字调制信号的射频功率，如矢量信号分析仪等。

在测量载波功率时，应该将一些预防措施考虑在内，具体见附录Ⅰ。

测量可以在系统输出端进行，也可在有源或无源的分配设备输出处进行，还可在前端输出处或卫星接收设备的户外单元输出处（SHF接收）进行。

（4）射频噪声功率

任何传输系统都会有噪声，而且都可对传输信号造成重要的损伤。

噪声功率使用热功率计测量。也可用频谱仪积分信道标称频带中频谱功率来测量。

在测量时, 应当停止被测信道的载波(停止业务)。测量射频噪声功率的带宽应与测量射频载波功率的相同。

射频噪声功率的单位是dBm(dB对应于1mW的功率)。

也可使用矢量信号分析仪等仪器来测量射频噪声功率。

测量可以在系统输出端进行，也可在有源或无源的分配设备输出处进行，还可在前端输出处或卫星接收设备的户外单元输出处（SHF接收）进行。

在测量噪声功率时，应该将一些预防措施考虑在内，具体见附录Ⅰ.

（5）载噪比(C/N)

载噪比的定义是射频载波功率与射频噪声功率的比值。

附录Ⅰ解说了大致的测量过程。

（6）比特误码率(BER)

BER是描述一个数字传输系统的主要指标,它的定义是错误比特数与总接收比特数的比值。

业务中断BER测量是在FEC之前,测量接收的总错误比特数,此时调制器的前端接PRBS。

业务在线传输中进行的实际数据BER测量，利用FEC解码的R－S误码检测能力来进行。这种方法提供了一种测量接收信号性能的统计手段。

无论是哪一种测量方法，在提到BER时,应当说明是净比特率还是总比特率,以及是在何点测量得到的。

1）业务中断，FEC前总BER测量

如果在FEC解码器前的业务中断的BER值在10－2到10－4之间,测量能在合理的时间内进行。

测量必须在不进行业务传输时进行。

测量BER的框图见图1

图1 BER测量示意图

测量时,打开调制器,测量误码率观测足够长的时间,以发现至少100比特的错误,然后将误码数总的传输比特数相比。总比特数与净比特数的区别见附录Ⅰ。

2）在FEC前的,业务在线传输BER的测量

以下文字所指的总BER值都是指FEC解码前的值。

可以这么认为,如果FEC解码器的输入错误是随机的(非突发的)，且错误率低于2×10－4时，R－S 解码器的输出是准无错(QEF)信号。QEF是指每一传输小时中，不可纠正错误小于一个，此时，R－S 解码

器的输出BER值在10－10到10－11之间。在这种情况下,纠错之后不能测量到误码率。

在无不可纠正错误的情况下，测量方法是将FEC解码器的输出再进行FEC编码，并将其与经过延时后的FEC输入端的TS进行比较，两个TS流之间不同的比特数即为错误比特数，计算总BER时，要考虑同步头，有效载荷及编码信息。

只有在传输流中无不可纠正错误时,此测量才是有效的。

3）业务在线传输FEC后BER的测量

以下文字的BER值都是指FEC解码后的值。

当发生了严重的突发错误时，可能会超出纠错算法的纠错范围,此时不能纠正TS包中的错误。此时，传输包中transport_error_indicator位将会置1。

将错误包的数量与时间联系起来,可以定义以下几个测量值：

● 误码块(EB)

一个传输包中至少有一个不可纠正错误,可由transport_error_indictor标志置1来判断。

● 同步丢失

连续两个以上同步字节丢失的情况。

● 严重乱码间隔(SDP)

同步丢失或信号丢失的时间间隔。

● 误码秒(ES)

在一秒钟内出现的一个以上误码包。

● 严重误码秒(SES)

在一秒钟内,误码块的比例超出某一特定的百分比,或者至少包含一个SDP。

在传输流转换时，此百分比应在协议中定义。

● 不可用时间(Ut)

不可用时间起始于10个连续严重误码秒事件(SES)。这十个严重误码秒事件也被视为不可用时间的一部分。

可用时间起始于10个连续非严重误码秒(SES)。这十个非严重误码秒也被视为可用时间的一部分。（7）BER与Eb/No

这主要针对PSK或QAM数字调制信号比特误码率的测量。可将测量出的BER和Eb/No列出关系曲线，并与理论曲线关系图进行比较，在特定的BER值下，对比二者Eb/No的不同，可以发现系统实现的不足之处。E b/No值很高时仍残留的BER是网络系统可能存在问题的一种指示。经常研究的BER值在10－7到10－3之间。

测量应在有线电视分配系统输出端进行,根据被测量系统不同,将所需调制信号从系统前端或分配网络的前端输入到系统中。

前端可包括调制转换器(例如从PSK转到QAM格式).

此项测量必须停止业务。

测量BER与Eb/No的框图见图2。

图2 BER与Eb/No和噪声门限的测量原理图

利用以下公式计算Eb/No：

(Eb/No)dB = (C/N)dB ＋10 lg(BW) －10 lg(fs)－10 lgm

这里fs 是指符号率,m是指调制信号(PSK或QAM)中每一符号所代表的比特数。例如BPSK时，m=1；QPSK或TC8PSK时，m=2；16QAM时，m=4；64QAM时，m=6；256QAM时，m=8。

测量步骤如下：

● 打开调制器和噪声发生器

● 改变衰减器的设置，在接收机的输入端测量BER，并在输出端测量Eb/No。

● 重复以上步骤,得到一组BER和Eb/No的值。

当在有线电视系统中测量一个ITU－TJ.83规定的QAM调制信号时，Eb/No值相对的净比特率应以FEC码率计算，包括加上的同步字和帧头以及RFEC 后。

对于ITU－TJ.83中附件 A 的RS(204,188)码格式(详见附录Ⅰ),可使用以下转换系数:

10 lg10(204/188) = ＋0.448dB

对于ITU－TJ.83中附件 B 码格式(见附录Ⅰ),可使用以下转换系数:

10 lg10(1/ RFEC) = ＋0.512dB (64QAM)

10 lg10(1/ RFEC) = ＋0.434dB (256QAM)

当测量一个有额外卷积FEC码的PSK，BPSK或QAM信号或一个OFDM调制信号时,计算Eb/No的值时所引用的净比特率应考虑内码率和外码率。例如内码率是3/4时，可使用以下转换公式:

10 lg10(4/3) (204/188) = ＋1.604dB

最后画出BER相对Eb/No(dB)点的曲线图。同时，应标明BER的测量点。

（8）噪声余裕

该参数的测量可反映被测传输通道的可靠性。噪声余裕是衡量系统操作余裕的一项有用参数，测量噪声余裕比测量BER值更方便，因为BER与Eb/No曲线在边缘十分陡峭。

测量应在有线电视分配系统输出端进行，根据被测系统不同，将所需格式的调制信号输入到系统前端输入口或分配网络输入口。

前端可包括调制转换器(例如从PSK转到QAM格式)。

此项测量必须停止业务。

测量步骤如下：

● 设置输入信号，以得到需要的调制格式，信道频率，信号电平。

● 调整测量设备到合适工作状态。

● 测量此时的C/N，标记为N1。

● 在网络的输出端加噪声，直到BER为1(10－4)。

● 测量此时的C/N，标记为N2。

使用以下的公式计算噪声余裕NM:

NMdB= N1 －N2 (dB)

噪声余裕单位是dB。对应BER的测量结果，应标明BER测量接口点。

（9）调制误差率(MER)

这种测量提供了分析接收信号的一种“品质图形”。

此图形的计算包括了可能存在于商用接收机判决电路输入全部信号的劣化, 因此能够指示出接收机正确解码

信号的能力。

测量应在有线电视分配系统输出端进行，根据被测系统不同，输入所需调制信号进入系统前端输入口或分配网络的输入口。

前端可包括调制转换器(例如从PSK转到QAM格式)。

测量调制误差率(MER)的框图见图3。

图3 调制误差率(MER) 的测量原理图

测量步骤如下：

●设置输入信号，以得到需要的调制方式，信道频率，信号电平。

●调整测量设备到合适工作状态。

恢复载波频率和符号定时，去除了频率误差和相位旋转。但是未纠正原点偏移(由残留载波或直流偏置等引起)，正交误差，及幅度不均匀。

利用星座分析仪定时捕获接收到的N符号正交信号对(Ij＋δIj,Qj＋δQj)，N应显著的大于信号符号M。

理想字符对应是(Ij,Qj)。

对每个接收到的符号都要进行关于原发射符号是什么的判断，矢量误差的定义是选定符号的实际接收位置偏离理想位置的距离，此处，选定符号是指判决矢量的中心位置。

差值可被表示为矢量dj = (δIj，δQj)。

图4举例表示了64QAM调制格式的星座图和接收到的N个符号从它的ith坐标点到理想位置(Ij,Qj)的距离(δIj，δQj)。

图4 64QAM调制格式的星座图的例子,它的ith坐标点被放大以显示矢量误差的坐标

对每个符号M而言，其矢量误差显示为一片云状轨迹。

调制误差率(MER)的定义是所有理想矢量的平方和被所有矢量的平方和除的结果，用dB表示。

在测量之前,应先检查调制器的性能，在数字源调制的信号发生器输出处接上接收机及星座分析仪，所显示的星座图将被视为测量的基准位置.

MER单位是dB。对应MER的测量结果，应标明测量点。

(10)信噪比(S/N)

这里的S/N主要描述解调之后的信号S/N。

噪声来源于几种情况：网络传输中引入的噪声，嵌入调制信号中的幅度噪声，相位噪声，码间串扰和调制损伤等。

应在解调后的星座图数据中测量信噪比。

对应于星座图中每一符号，从其云状轨迹可以得出其统计分布。在去除了正交失真，幅度不均匀，原点位移误差，残留载波，非线性失真，相位抖动，连续波干扰的影响后，剩余的云状轨迹可认为是由高斯噪声引起的, 这剩余的云状轨迹也是计算信噪比的基础。

当所有以上谈到的错误都被排除后，可以认为MER与S/N有相同的值。

目标矢量误差(TEV)

因为以上提到了一种减少误差的方法，目标矢量误差可以这样定义:

在M符号点的星座图中，对应于每个符号I，理论值与实际值的差用dij表示，其平均值dI就称为目标矢量误差(TEV),见图5.

d ij =(δI ij ，δQ ij).

以Ni 为例，在已得到的N个采样值之外，将之与各个不同符号的标号“i ”对应起来,TEV的值可由以下公式得到：

此处k代表对于符号“i "的采样值“j"的总数。

每个采样值“j"到符号“i "的中心点的矢量差值表示式为：

对于在M符号星座图中的每个符号“i ",此差值矢量可用来对每个符号的噪声的RMS值。

TEV表示了正交失真,幅度不均匀,残留载波,非线性失真等的干扰结果。

当干扰类型为CW,CTB,CSO等时,必须先将其影响去除,才能认为S/N等于MER.

图5示意出星座图中所有矢量的dij 的平均值来表示的TEV.

(11)射频相位抖动

这种测量用于反映有线电视分配系统所用设备（例如变频器）震荡器的频率或相位波动。因为在接收端载波恢复时，无法跟随此种波动，所以使用这种震荡器，数字调制信号会在接收端造成取样错误。

测量应在有线电视分配系统输出端进行。根据被测系统不同，将所需调制信号输入到系统前端输入口或分配网络输入口。前端可包括调制转换器(例如从PSK转到QAM格式)。此项测量必须停止业务。

测量调制误差率(MER)的框图见图3

测量步骤如下:

●设置输入信号，以得到需要的调制格式，信道频率，信号电平。

●调整测量设备到合适的工作状态。

恢复载波频率和符号定时，去除了频率误差和相位旋转，非相位抖动因素。但是未纠正原点偏移(由残留载波或直流偏置等引起)、正交误差，及幅度不均匀。

用星座分析仪记录N个接收符号的坐标对( I j ＋δI j , Q j ＋δQ j)，N应远大于M值。

符号的理想坐标是( I j , Q j )。

受相位抖动的影响信号点表现为穿过星座图中各个信号正方框中心的曲线，此种正方框称之为"角决定方框"，见图6。

相位抖动可以用以下步骤计算。对每个接收到符号：

●计算星座图I轴与接收矢量(I rcvd,Q rcvd)之间的角度

Ф1=arctan(Q rcvd/I rcv)

●计算星座图I轴与相应理想符号矢量(I ideal ,Q ideal)之间的角度

Ф1=arctan(Qideal/Iideal)

●计算错误角度: ФE =Ф1 =Ф23

从N的误差角度计算出RMS相位抖动(PJ):

在测量之前，先检查调制器的性能，在数字调制的信号发生器输出处接上接收机及星座分析仪，所显示的星座图将被视为测量的基准位置。

相位抖动单位是度。

(12)回波(测量均衡器的屏蔽)

高阶的调制如64QAM等对失真非常敏感，其眼图很小，任何小的抖动都可造成接收信号的失真。当滚降系数小的时候，此问题更加突出。在实际网络中，如果在接收端没有特殊的措施，眼图近乎完全闭合，无法同步。为解决这个问题，所有的网络接收机，无论是否是专业级的，都装有均衡器。

在有线电视网络传输中，最常见的质量损伤来自于阻抗不匹配和滤波器的影响。这种损伤表现为信道的频率响应(或脉冲响应)的扰乱，使用均衡器可以消除这些失真。均衡器在消除线形失真时非常有效，但却无法消除非线性失真。如同模拟电视中的互调产物一样，均衡器只能消除固定频率的干扰。因为时钟与载波的恢复系统利用的是均衡的信号，所以，均衡对时钟与载波恢复有很大的影响。因此接收端的特性很大程度上取决于均衡器的性能。

本文提到的测量大多数是在经过均衡器后进行的。其原因首先是因为在均衡之前信号失真太大，以至得不到有意义的结果。另外，由于接收机中，均衡之后大多数信号失真都已滤掉了，所以这种测量与系统的相关性并不大。测量结果受均衡器的影响很大，这就意味着使用不同均衡器的设备会有不同的结果。从测量的观点来看，这种方式并不适合,因此，必须对均衡器进行规范。

图7表示有线数字电视系统均衡器的实际模板。

图7 用于测量均衡器的规范模版

由于滤波器波形系数的算法不同，滤波器的结构也不同(如基于时间、基于频率、递归式或非递归式)，均衡器的种类非常多，对均衡器进行规范相当困难。另外, 当前规范不应限制未来设备的性能，所以，采用简单的解决方法就是定义接收机的均衡器相对一种扰乱的典型纠正程度，例如：回波。

为使基准的紊乱不会影响测量，必须定义出技术要求。然后定义均衡器必须纠正的扰乱的最小水平，一种方法是将回波的最小水平设为对输入信号的等效噪声影响不超过1dB，这种测量是在最坏的回波相位漂移的情况下进行的。

在有些情况下，要研究用户接收机对网络信号的响应，测量设备需选用近似于用户接收机性能的均衡器。

【作者: 爱发源的地方】【2006年01月3日星期二11:27】