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数字电视接收的马赛克现象分析

 论文栏目:广播电视论文     更新时间:2014-4-5 15:22:00   

一、用户端数字电视射频电平问题

有线数字电视接收机(俗称机顶盒)与数字卫星接收机一样,其接收灵敏度是以门限值来衡量的,当接收机输入信号的信噪比大于等于一个特定的数值后,接收机能解调出非常清晰的图像,当输入信号的信噪比小于特定的数值时,接收机解调出的图像就会出现卡、格、部分或全屏马赛克,甚至静止中断黑屏急骤变化,这种现象称为门限效应也叫峭壁效应,此时输入信号信噪比的这个特定的数值称为门限值。信噪比用Eb/No表示,Eb是单位比特所具有的能量,No是噪声功率谱密度。一般情况下接收端对信噪比的测量并不容易进行,而是通过对载噪比的测量经过计算得出,信噪比与载噪比C/N的关系式为:C/N=Eb/No+10lgM(M为每个符号的比特数,在64QAM中M为6)。按国际标准,为保证接收良好的图象效果,数字电视信号在进入接收解码器的向前纠错前,其误码率BER以科学计数法表示应小于1E-4即接收10的4次方个码元也就是接收10000个码元中出现1个错码,经过RS纠错后误码率达到1E-11的准无误码水平,作为接收门限。由误码率BER和Eb/No的关系曲线可得BER为1E-4时Eb/No为16.5dB,即信噪比门限值,这时对应的载噪比C/N=Eb/No+10lg6=23.7dB(也称为载噪比门限值),再加上4dB的噪声余量,接收端的载噪比应为28dB。在IEC60728-1-2001的DVB-C数字电视标准中规定系统出口的C/N指标为31dB,GY/T221-2006中要求C/N大于26dB。有线数字电视系统用户终端接收机技术要求:C/N小于等于28dB,实际能达到23dB,最小接收信号电平小于等于50dBuV,一般能达到40dBuV以下,最大接收信号电平大于等于80dBuV,一般能达到85dBuV以上。由上述分析可知,用户端富有噪声余量地无马赛克接收的基本条件是:射频电平大于接收机的最低输入电平,载噪比C/N大于等于28dB(或26dB)。一般维护人员首先要测量的是数字电视射频电平(数字频道平均功率),此电平值不应与载噪比门限值乃至信噪比门限值相混淆。在有线数字电视系统的内部和外部技术环境已经确定的情况下,用户端射频电平的变化是造成用户端出现马赛克的主要原因。当射频电平在机顶盒实际最低输入和最高输入电平边缘时,接收机不能正常解调并出现马赛克现象。在这类原因中,除极少数是因为用户端电4平升高外,大多数是因为用户端电平降低导致出现马赛克。用户端信号电平偏低有以下方面的线路原因造成1.该条线路电缆、分配器、分支器损坏或故障,电缆老化,接头氧化、进水、接触不良、断路、短路等,造成线路信号衰减大或失匹。此类故障如在信号用户分配环节,则只导致用户端电平下降。如在放大器前则导致放大器输入电平下降输出电平下降,同时导致该级载噪比下降相同的幅度。2.该条线路光接收机、干线放大器、用户放大器出现故障,表现为输出电平降低。3.该条线路光纤因外界原因损耗增大,光纤活接头脏或松动,使该线路光接点光功率下降。4.该条线路相对应的光发光放光分异常,使该线路光接点光功率下降。信号电平低的故障还需分两种情况讨论,一类是整个传输频带内电平整体偏低,这种故障也还属于硬性,只要由用户端向前逐级测量检查并与正常值比较就可很快查到故障点。二类是在整个传输频带内不平度严重,某一频段偏低或某个频点电平大幅度下陷形成陷波点,此时需从光接收向用户端逐级测量整个传输频带内的幅频响应不平度,缩小故障范围,排查出致使某频段或频点电平下降的故障原因。网络设备器材的集中参数和分布参数变化均可改变传输信号的幅频特性,而幅频响应的逐渐劣化容易疏忽形成积累,因此在网络干线日常维护工作中,注意对网络各接点传输频带内幅频特性不平度的指标测试考核显得尤为重要,新购进的电缆分支分配器都应作扫频测试,以防在电缆及器材中有异常陷波点的出现,上线路后给维修带来困难。

二、用户家中劣质的私拉乱接的问题

绝大多数用户与网络公司只申请开一个有线电视户头,而现在用户的居住条件有了很大的改善,二室一厅、三室二厅、农村多幢多层住宅非常普遍,用户都会在自家的每个房间客厅接上有线电视信号,以方便收看。用户端经规范的3~4分配实际出口会降低6~8db,问题更突出的是不少用户购买的是廉价的性能指标低劣的器材,连接不规范,工艺难保证(少数农村用户甚至直接将芯线屏蔽线各自相连),造成衰减大、阻抗失配、不平度大、隔离差、屏蔽差,一旦入户信号电平、载噪比有所波动,这些用户端就会出现马赛克。

三、网络系统外的干扰问题

网络系统外的干扰通常称为入侵噪声干扰,入侵干扰是一种随机的射频干扰。1.冲击脉冲干扰如天电、雷电、引擎、点火系统、大型电器开关、电机电刷启动,高压放弧,焊机等等。这类冲击干扰呈非连续的脉冲状,具有很强瞬间脉冲峰值和分散的众多谐波分量。冲击脉冲干扰噪声是数字系统出错的原因之一,如持续时间为0.01秒的尖峰脉冲,将洗去50位4800b/s传输的数据,干扰脉冲的峰值越高,持续时间越宽,出现频率越密则影响越严重。冲击脉冲干扰有很强的电磁强度,通过空间对网络的相关部位的感应耦合入侵到网络系统,或直接对用户机顶盒形成干扰。2.窄带连续波串扰干扰干线网络与外部的无线电电磁波产生某种耦合形成串扰。主要由各种短波广播、无线对讲机、移动通讯、飞机导航、雷达、微波中继、高频设备、特别干扰设备等引入的等幅波干扰,表现为对传输频带内相应的频带频点形成同频干扰。防范入侵噪声干扰最有效的办法是尽可能地扩大光纤覆盖面,缩短电缆传输距离。在系统设计前应该重视对有线电视网络干线无线电电磁环境的测量评估,一旦发现有带内干扰,首先可排查协调,通过技术方法和政策手段积极解决,可改变干线走向回避干扰源,还可在前端频道设计时将干扰频率点空出,要选用屏蔽性能良好的电缆、分支器分配器,做好网络线路接地,放大器的分路输出端口、监测端口、网络线路分配的各个空闲端口均需接假负载封闭,避免有开路状态出现,提高网络线路的抗干扰能力。另外适当提高用户端信号电平可有效提高抗外界干扰能力。

四、线路内部以及与外部关联引入的干扰

1.线路内有源设备的某些故障如自激、电源交流滤波不良引起用户端出现马赛克。2.大型电器设备使用或异常通过有源设备供电关联引入对该线路的干扰。3.用户端机顶盒的某些自激类故障、电脑以及其它电器异常通过用户线路引入的很小范围的干扰。4.用户家中的电器设备异常通过电源关联引入对本用户的干扰。

五、网络线路失配产生的干扰

有线电视网络在光接点向下是由光接收机、放大器、电缆、分支分配器组成的较长距离的树形干线网络,例如城郊及农村的网络线路,当电缆线路有关端口阻抗失配,则由电缆长线原理可知,射频信号将在失配的端口形成反射向回传输,到达后一端口后再反射向前传输如此反复,不断延时衰减下去,在失配端口形成驻波而产生多径效应,在模电视频道形成重影。失配端口的驻波在幅频特性上有叠加有抵消有大有小,在相频特性上有超前有滞后有多有少,并向失配端口下游网络传输。多径效应主要是造成传输信号的相频特性恶化,相位的干扰改变致使数字信号相位上的混乱,解调时码间干扰上升误码率上升。网络端口失配还会改变相关端口的幅频特性。造成线路失配一般是电缆内部断裂,外部变形、破损、开裂、折弯等改变了电缆的特性组抗,接头氧化、进水、开脱、短路,分配器开路及空载、分支器主路开路,放大器输入回路故障、匹配端口假负载开脱、短路等等。线路失配在模拟电视时期能很快发现并排除,失配驻波使模拟频道出现重影,而现在却不能很快判断,因为绝大多数用户使用机顶盒,较严重的失配对数字频道只表现为马赛克。失配程度的检测一般是用扫频仪测驻波或反射系数,日常线路维护不方便进行。线路失配并不是使载噪比的劣化导致误码率的升高,而是由于失配端口形成的驻波造成所传输的射频信号自身相位改变劣化导致误码率升高。可以通过测量电平、载噪比C/N、比特误码率BER和调制误差率MER指标参数,结合星座图中星座点的分布形状作相应的分析判断,其次可以利用用户机顶盒的射频环路查看少数几个模拟频道是否存在重影,以避免轻度失配隐患的存在。

六、网络系统非线性失真产物形成的干扰

由于网络系统中有源设备存在非线性失真,有线电视很宽的传输频带必然产生繁多的无用产物形成对应的同频干扰,模拟电视采用残留边带调幅,调制后的能量主要集中在图象载频伴音载频色度副载波,其非线性失真产物离散分布,数字电视采用QAM调制,即正交平衡调幅调制调相制,其调制后的能量均匀分布在相关频带内,因此数字电视在传输通道存在非线性失真所产生的二次互调CSO和三次差拍CTB产物就不是呈离散分布,而是呈高斯白噪声性质,在被干扰频道内弥散分布,也就是被干扰的频道增加了噪声,称为组合互调噪声CIN,当系统正常,则CIN指标正常,失真产物会在很小的范围,当系统CIN指标劣化达到一定值,这被干扰频道载噪比C/N下降到接收端载噪比门限值而出现马赛克。网络系统非线性失真问题主要出在光收、干放、用户放这类有源设备,如有源设备异常、环境温度变化电缆损耗减小放大器输入信号超标、有源设备工作点漂移、放大器输出超标等。根据GY/T221-2006《有线数字电视系统技术要求和测量方法》,HFC网络系统输出口的技术指标要求为:载波二次互调CSO大于54dB,载波复合三次差拍CTB大于54dB,由于数字频道比模拟频道低10dB,相对于数字频道的CSO、CTB则为44dB。有资料介绍,数字频道实际CSO、CTB大于44dB时,解调信号非常清晰,在44~40dB时,解调信号在非常清晰与马赛克之间变化,小于40dB时,解调信号出现严重马赛克静像黑屏。因此系统输出口CSO、CTB指标只有不到4dB的富裕量。根据干线放大器CTB的计算公式可知,放大器的输出电平升高1dB,放大器的CTB指标降低2dB,放大器输出电平升高2dB,并使系统CTB指标裕量消失逼近接收门限。我们在干线调试维护工作中应该记住:放大器输入电平降低1dB,该级载噪比降低1dB,放大器输出电平升高1dB,该级CTB指标降低2dB这样的关系。实际干线有源设备的输出电平都适当降低2~3db,保证干线电平可能出现的浮动及非线性失真指标的裕量。

七、有线电视前端带外抑制问题

有线电视前端除传输一二百套数字电视节目外,还有多套模拟电视频道,多套调频广播,数据广播,上行通道等综合运用,各频段除有用通带信号外,不可避免地还有带外产物,因此混合前必须作带外抑制处理。当混合的各路射频信号幅度超过正常指标或设备异常或老旧设备未作带外抑制滤波,就可产生带外邻频及同频干扰。此种情况能够直接导致用户端出现马赛克的概率非常小,但是带外抑制是有线电视前端测量的重要项目,更是相干等幅波干扰的重要来源之一。

八、用户端机顶盒的问题

当用户端电平、载噪比、误码率均正常时,一般就是机顶盒出故障了。九、与产生马赛克现象相关的其它一些原理及概念1.噪声容限有线数字电视采用QAM调制方式,由QAM调制原理我们知道,随着电平级数的增加带来传输数码率的增加,这就是有16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM之分,在原一个模拟频道8MHz带宽上如采用64QAM调制可传输八套左右数字电视节目,其传输效率是模拟频道的八倍左右,但是随着电平级数的增加,电平间的间隙减小,噪声容限减小,同样噪声条件下误码率增加。同样在时间轴上,随着电平级数的增加,各相位间的间隙减小,相位干扰相位噪声的影响增大,码间干扰增加误码率增加。QAM调制为正交平衡调幅调相制,除载波的幅度携带调制数字信号外,载波的相位也携带了调制数字信号,因此传输系统的相位特性影响着比特误码率。当整个系统频率稳定度、相位噪声、相位抖动、群延时特性、驻波多径效应等相位特性变差,将使所传输的数字信号脉冲扩展到下一个判决时刻而造成码间干扰,使得误码率BER上升。2.相位噪声有线数字电视系统的相位噪声是由前端调制器或用户端接收机不稳定的振荡器及时钟引入的,振荡器及相应的电源电路、控制电路的基础热噪声杂散噪声射入的干扰可引起振荡器载波相位的随机变化,数字信号经过这样的振荡器,致使接收解调时取样的不确定性,因接收端载波的恢复不能跟踪发射端载波的相位变化,解调器对它的有害影响无法校正。相位噪声具体表现为载波相位的随机漂移,在时域中载波频率对应的周期时长变化不确定,在频域中,则表现为谱线的近旁扩散。相位噪声表达式为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。3.相位抖动相位抖动是数字信号传输过程中有源器件的振荡器如频率变换器的一种瞬时相位和频率不稳定性,是数字信号各有效瞬间相对标准时间位置的偏差,抖动产生短期的载波相位偏移,偏移的时间范围称为抖动幅度,偏移的时间间隔对时间的变化率称为抖动频率。相位抖动和相位噪声产生的后果一样,都是造成解调时星座点偏离实际位置,使系统的噪声余量减小,码间干扰增加误码率增加。根据64QAM调制解调原理,I-Q平面星座图上的每个点代表一个6bit二进制数据,在理想状态下,64个星座点的位置是固定不变的,系统的各类噪声干扰使星座点以原点为中心扩散分布,而相位噪声的影响表现为星座点轨迹围绕I-Q平面的原点旋转,旋转偏离的幅度比扩散偏离的幅度要大,当星座点的旋转偏离和扩散偏离超出判决门坎(星座图中的方格线)落到另外的方格中时就形成误码。所谓的“相位噪声”是载波的相位偏移和不稳定,而非其它各类干扰噪声,它不在载噪比所指的噪声功率范畴之列,但是接收解调时它消耗了系统的噪声余量,其作用机理相当于噪声干扰,在星座图中它使星座点发生旋转偏离与噪声使星座点发生扩散偏离的性质相同。(相位抖动和多径效应与其影响相近。)

导致马赛克现象的各类问题对系统、干线、用户端造成的影响范围不同,符合相应的关联原理,表现形式有其自身的特点及规律性。通过射频电平、载噪比、比特误码率、调制误差率及星座图的测试,结合经验数据综合分析逻辑判断,可以很快地确定问题的类形并加以解决。

本文作者:余平 工作单位:江苏省东台市广播电视台

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