电视发射机数字激励器的技术改造

2003-02-25 /四川广电在线

一、 概述
根据广电总局《2001年至2010年广播影视事业发展计划纲要》、《广播影视科技“十五”计划和2010年远景规划》精神，我国广播电视，到2010年要基本实现数字化。广播影视节目制作、播出以及卫星、有线传输实现数字化、地面电视基本实现数字化，数字电视接收机得到普及。数字电视广播技术是最近几年发展起来的高新技术。电视系统的全面数字化正以超出人们预料的速度向前发展，电视系统的全面数字化使节目制作、传输直到播出都带来了革命性的变化，了解这些变化对设备更新计划的选定，电视发展战略的确定、电视技术政策的制定及我国民族工业的振兴都有重要意义。作为下一代更高质量的电视业务，毫无疑问将是高清晰度电视和立体电视，随着数字信号处理技术的发展，传统信号的非线性和相位失真的累积和信噪比恶化的问题，可以通过模拟信号转变为数字信号并进行数字信号的处理、存储、控制和传输来解决。由于对电视发射机激励器的数字化改造，能极大地提高图像伴音的广播质量，降低信号的噪声，能大幅度地提高电视节目的清晰度，极大地提高播出节目的质量；广播电视的发展趋势是数字化、网络化和信息化，对电视发射机激励器的数字化改造，对于从模拟电视发射机过渡到数字电视发射机将起十分重要的作用。对激励器的数字化改造也将是今后电视发射机发展的一个趋势。
二、电视发射机的数字化技术改造
　在各种高新技术飞速发展的今天，作为高技术、重装备的广电行业，理应走在世界技术发展的前列。广播电视设备数字化已是业内人士的广泛共识。但如何进行数字化、采用什么数字标准却是仁者见仁、智者见智。各国为使自己在这一领域处于领先地位，获得核心技术，都投入了巨大的人力物力进行研究。为尽快抢占数字领域的制高点，不少国家都加快了数字电视的前进步伐。在积极研究、制定标准的同时，数字设备的开发也成为各国的焦点。
根据我国技术水平和基础工业水平，积极推行具有自主知识产权的制、播设备数字化将是明智之举。以数字化设备全面替代目前的模拟处理电视发射系统，将极大地提高电视节目的播送质量，同时使发射机的工作效率大大提高。
数字电视发射机与模拟电视发射机的技术区分关键在发射机的激励器方面，把电视发射机的激励器从传统模拟处理系统改造为数字处理方式，不仅为模拟电视发射过渡到数字电视发射打下基础，而且会使目前的模拟电视发射机的技术指标上升到一个新的台阶。在电视发射机数字化改造后的激励器中，可以做到数字化设置输出频率及输出功率，操作简单，稳定性好，伴音高保真立体声编码器可采用公段数字逼近技术。改造后的激励器配有SCA，RDS复合信号输入端口。发射机配备RS232接口，可以实现遥测遥控。在数字激励器中同时安装了中央控制单元；中央控制单元由工控微机和控制板组成。工控微机操作可显示发射机和每个PA功率放大器模块及内部的实时状态。也可记录、显示故障信息，控制板通过传感器连续监测各个装置，显示工作状态，并管理发射机的所有动作。可通过RS-232 串行口和并行接口对发射机遥控遥测。中央控制单元提供以下信息和操作：1，发射机的工作状态；2，报警信息；3，测量数据；4，启动发射机；5，历史记录；中央控制单元不需要硬盘存储数据以及断电保护电池，发射机的设置和有关信息均存储在非消失RAM（NOVRAM）中。控制软件也可以根据需要随时进行软件升级。

电视发射机传统的模拟激励器对信号处理的过程一般是先把电视中心送来的视频、音频模拟信号进行适当的处理，然后就分别直接调制在中频图像载频37MHz和伴音载频30.50MHz上，并输出额定电平的已调图像中频信号和已调伴音中频信号，之后已调图像中频信号再经过残余边带滤波处理及群时延校正、相位非线性校正、振幅非线性校正等多道各种繁杂的预校正，最后再将中频调制器所产生的中频已调波进行频率变换并放大到一定功率以推动末级功率放大器工作的单元。
改造后的数字激励器主要是电视发射机中将视频和模拟音频信号进行调制，转化成一定功率的射频RF信号的部份。数字激励器与传统的模拟激励器的区别是在处理信号的方式上，数字激励器首先是把模拟的视频、音频电视信号经数字处理后转换成数字正交基带信号，之后对数字正交基带信号进行均衡和线性预校正，然后转换成模拟基带信号，再送到调制器从而直接调制在所需要的射频载频点上并送至功率放大器单元进行放大而播出。激励器经过数字化技术改造之后的优点：1，便于自动化的集中控制；2，工作稳定，技术指标较高，3，操作简单，调试维护较方便。本数字激励器可以工作在III、IV和V波段，并支持图像声音信号共同放大或分开放大二种工作模式。如图二所示，数字激励器由下列模块组成：编码器、均衡器，调制器和合成器；这些模块通过一块母板相互连接，由一个开关电源供电；在数字激励器中同时也配置了先进技术的显示单元和微处理控制单元；激励器通过RS232接口与外部进行通讯联系，从而使电视发射机能够实现遥测遥控。改造后的数字激励器的遥测遥控的主要功能包括：通过电话线，可以在办公室或家中查看发射机的运行数据情况并可对电视发射机进行实时控制及开关机操作；通过RS232接口可以对电视发射机的技术指标进行自动校正。

本数字激励器设计安装在一个专用的结构内，固定在发射机架的上边部分，该专用结构可容纳二部激励器。左边为主激励器，右边为备激励器，即双激励器的设计结构；激励器的模块都垂直地插在结构中并与旋紧在结构后面的母板紧插。结构下面是带有激励器电源的主备激励器的风机小盒。二个12V风扇安装在专用风扇盒中。它们把空气朝上吹向激励器。空气是从激励器结构盒流向发射机架。风机的工作状况由在编码器上的取样电路进行监视。数字激励器的电源被安装在风扇盒子中，也由编码器进行监视。

数字激励器的编码器模块接受了一个模拟视频信号，由于视频信号是模拟的，它不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的，要使模拟视频信号数字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对模拟视频信号进行离散化处理，这一过程为信号的抽样处理。抽样把模拟视频信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程为电视信号的量化处理。模拟视频信号经抽样、量化后，信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程就是电视信号的编码。这样数字激励器的编码器模块首先就完成了模拟电视信号数字化的三个步骤：抽样、量化、编码处理，把模拟视频信号变换成数字编码处理的数字信号；这个数字信号按照选定的制式处理后，经HILBERT变换，变成了二个正交视频基带Q信号与视频基带I信号。在这个过程中，信号的残余边带特性同时形成。模拟音频信号同时也经数字化，按相同制式进行处理，得到的数据在二个伴音副载波上进行频率调制。

二个伴音副载波可用一个数字信号，再变换成二个进行正交调制的伴音基带Q信号与伴音基带I信号。数字化的视频和音频基带信号送到预校正器。编码器支持不同的视、音频制式。编码器还包含一个微处理器，它能驱动整个激励器，并与CCU进行通信。作为微控制器的外设，还有一个程序存储器，这就意味着，激励器所有的微程序和软件存放在一个地方，在不更动任何硬件的情况下，经过串行接口，进行技术指标的自动调整及软件升级。

在编码器的输入信号中，视频信号标称输入幅度既可以是0.7 VPP/75Ω，也可以是1VPP/75Ω，这可以通过微处理器在显示器上进行操作选择；视频输入信号最大可容许的输入幅度和标称输入幅度之差为50%，如果输入幅度太低了，视频信号可能检测不出来，或者不能获得质量数据。如果输入信号太大了，那么信号在A/D转换期间就会被限幅，信号中的成分会受损失。

均衡器是由群时延均衡器和线性预校正器组成。校正是在数字化基带层次上进行的。在双通道模式，视频和音频信号在线性预校正器中分别校正。在单通道模式，数字视频和音频信号在线性预校正器前就被组合，数字信号再转换成模拟基带信号，然后再送到调制器。

一部模拟或数字电视发射机主要由激励器，放大器，输出滤波器和输出端的信号合成器组成。虽然，激励器输出的是顶级的无损伤的信号，但是，在经过电视发射机后续的部件以后，信号的质量被逐步劣化。为了经济的原因，放大器通常工作在高效率状态，这会引起信号的非线性失真。这就意味着，信号的瞬间增益和相位是振幅的函数。这样，信号频谱中就会产生寄生频率。发射机输出频道的限制，会引起输出幅频特性曲线边缘的线性相位失真，在模拟电视中，它会引起彩色变化和重影，在DVB-T数字电视发射机中，它会产生回波信号从而减低抗干扰的能力。因此必须要有ATV/DVB均衡器。在频道限制器中，信号相位利用群时延均衡器进行预加重，这样，在输出滤波器或在视/音双工器的波道限制过程中引起的失真得到了补偿，线性均衡器引入的预加重可校正放大器失真，二者作用结果，使发射机输出信号的质量得到了恢复。均衡器在信号的基带内工作，信号在时间域以数字I/Q标准进行传递。均衡功能通过FPGAS，自行执行例如用可编程的ICS.。在发射机设置时，要把适当的软件安装到芯片中去。

编码器把经处理的复合时间信号加到均衡器后背的多芯母口连接器上，带有14-bit分辨率的四个通道用于ATV。首先二个通道用于视频-I和视频-Q的传输，另外二个通道的音频-I和音频-Q信号，包含有声音信息。DVB-T的传输仅需二个通道，DVB-I和DVB-Q。由于为ATV和DVB-T使用了相同的电路，复合DVB-T信号使用与复合视频信号使用相同的信号通道。信号的时钟频率在多芯母口连接器上，送至PLL，它使内部时钟同步。输入时钟比率对ATV为27MHz，对DVB-T为18MHz（或一个通道的带宽为8MHz）。利用FIR控制FPGA（场—可编程门列），通过双倍的ATV和三倍DVB-T，一个源自内部时钟的54MHz系统时钟，该系统时钟同步信号传递到输入缓冲器。为电路控制需要的数字信号和带系统控制器的通信，还经过多芯连接器输送。复合视频信号或DVB-T信号加到FPGA群时延均衡器。后面还包括一个适合低频率群时延均衡的第一次序全通滤波器和五个适合在高频率群时延均衡的第二次序全通滤波器，每个第二次序全通滤波器、每个第二次序滤波器都能修改幅频特性。在ATV场合，在发射机输出端的视/音双工器的群时延失真能通过全通滤波器进行补偿。视频信号上端范围的幅频响应能够加强或被削弱。群时延均衡器为了这个目的，使用27MHZ内同步系统时钟。关于DVB-T，在发射机输出端的频道滤波器能够通过全通滤波器补偿群时延失真。在信号限制波段上的幅频特性能够进行加强或削弱。为了这个目的，群时延滤波器使用18MHz内同步系统时钟。音频信号不需要群时延均衡，可以直通。在群时延均衡器输出端，信号使用54MHz开关时钟采样。

当信号被进一步处理时，新的频率成分随着频率升高到三倍于信号最高频率而线性地产生，所以，取样比率增加，这些信号成分也需线性均衡地被发射。四个FIR滤波器—--每个通道一个—--通过内插的方法，把时钟频率转换到54MHz。这些通过FIR控制的FIR滤波器，控制用ATV混合的FPGA.，在视频和音频信号混合之前，音频滤波器还被用来电平匹配。DVB-T不需要二个FIR滤波器。数据率转换以后，复合视频和音频信号，或复合DVB-T信号被送到线性均衡器。它由FPGA组成，均衡存储器，和DSP.。均衡存储器一分为二部分，第一部分是均衡视频信号，合成信号或DVB-T信号和含有视频或DVB放大器倾斜曲率特性的信息，各种阀值被当作辅助量进行计算，内容包括瞬间信号幅度和I与Q信号之间的瞬间角度。第二部分包含的信息有，作为ATV-分离式音频放大器的斜率和在DVB-T情况下，需要计算各种辅助量和限制阀值。第二部分在单通道系统中不需要。

输出缓冲器通过预加重的信号到D/A变换器。对于双通道要提供四个D/A变换通道，D/A变换通道的结构是相同的。每个通道含有一个isesaD/A变换器、一个平衡放大器、一个抗混肴滤波器、一个输出放大器和测量放大器。输出放大器把模拟形式的经预加重的复合信号送到安装在板后的SMP连接头，在ATV/DVB调制器中进一步处理。在模块正面有四个测量复合信号的输出端，为每个D/A变换器的参考值能够被精密地设置，所以在所有的通道中具有准确的1V标称电平。
在激励器的调制器模块中，是用直接正交调制产生视频和音频载波。这些信号被滤波和放大后，送到输出级。调制器还提供一个射频RF监视器，它能输出激励器输出端和天线之前的视频和音频载波的测试数据。激励器的输出控制和监视也在这条路径。天线上的测量数值既用来监视，还用来显示视频和音频载波功率。调制器含有二个处理通道，一个处理视频载波，另一个处理音频载波。在单通道方案中，音频载波通道可以去掉，因为二个通道的设计几乎是相同的。基带信号，即同相（I）信号和正交（Q）信号，通过一个装在输入端的低通滤波器，加到I/Q调制器，在那里I信号与视频载波（本机频率，相位+450）混合，同时Q信号与本机频率（相位-450）混合。二个本机信号在加到混合器之前，它们的相位和幅度经过稳定处理。混合以后，二个信号在合成器中相加后，再给射频RF信号。由于，混合器和合成器存在误差，所以正交调制器是被调整过的。这里还有一个载波抑制调节的问题：如果正交调制是理想的，残留载波会被完全抑制掉，而混频器的交扰仍然会产生载波泄漏。载波泄漏可通过加上一个等值而反相的幅度和相位的载波信号加以消除。校正载波的产生方法是：把一个弥补电压加到基带信号上，用显示器上的RF→ RF OUT VIDEO/AUDIO→ BIAS I/BIAS Q窗口，确保正交调制的残留恒定，用加热器保持在650C左右。调节以后，视频载波及音频载波用正交调制器输出。在正交调制的情况下，合成器产生形成视频和音频载波的载波频率。频率合成器的参考频率可由内置的GPS接收机或外部模块提供。在发射机故障或错误的时候，位于底板上的紧急控制回路可保持发射机正常运行。而母板是用来连接激励器模块和中央控制单元CCU。该母板还构成控制接口与机架之间的连接，用来控制发射机。

三、总结
通过以上电视发射机激励器的数字化技术改造之后，运行一年多，不但各项技术指标运行稳定，播出节目的图像质量和声音质量明显地改善，而且，各种维护的费用同时也降低了很多，减小了故障停播率，具有显著的经济效益和社会效益，技术人员的劳动强度减少了。在实际应用中，设备的稳定性，低耗能，维护容易等优势非常突出，虽然投入不是很大，但已使我台的电视发射又上了一个新的档次。由以上分析可见,采用激励器的数字化技术改造,其工作可靠,性能稳定,故障率低,效率高,寿命长,小型化,经济维护量又小,是一项极成功的技术改造，也是电视发射机发展的必然趋势。 随着广播电视事业的蓬勃发展，顺应数字信息时代的要求，电视发射机的数字化技术更新十分重要。我们只有不断提高业务素质，丰富改造实践经验，才能适应事业发展的需要。

参考作者文献：
1，《 电视技术》2000年9月期，第93页，标题：《计算机技术在发射机指标测调中的应用》
2，《卫星通信广播电视》2002年10月期，第23页，标题：《MPEG－4技术及其在广播电视中综合应用研究》
3，《广播与电视》2000年2月期，第10页，标题：《应用计算机技术提高发射管使用寿命》