基于单载波传输的数字同频转发器设计与实现

摘要：提出了基于单载波传输方案的数字同频转发技术的实现方式, 该技术克服了传统转发技术的缺陷, 提高了天线间的隔离度和输出信号的质量, 可广泛应用于城市复杂的信道环境下的盲区覆盖。

关键词：同频转发; 单频网; 数字电视地面广播; DVB- T 标准; ATSC 标准

1 概述

美国ATSC 地面数字电视广播(DTTB) 的频谱覆盖主要采用多塔发射和同频转发(OCR) 器相结合的单频网( SFN) 模式。数字电视不仅可启用模拟电视的“TabooChannel”, 而且可依靠单频网解决区域性的相同节目的覆盖, 对比模拟电视的差频覆盖既节约了频谱, 还降低了覆盖工程的复杂度。到目前为止, 我国已采用单点或单频网多塔发射模式在上海、北京、广州等城市开通了移动电视业务, 要使移动电视在有效覆盖区内达到95%以上的接收率, 需要有可靠的场强覆盖( 一般不能低于- 75dBm) , 对于城市中的小范围覆盖盲区则需要用同频转发器进行补点覆盖。传统同频转发技术包括射频和中频滤波同频转发。射频滤波同频转发器( 如图1 所示) 结构简单, 但受限于射频滤波器的指标, 转发信号的质量较差, 该转发模式在我国模拟电视地面广播中已得到应用。

图1 射频滤波同频转发器

中频滤波同频转发器( 如图2) 目前在ATSC 地面数字电视广播中已得到广泛应用, CRC 也对其作过官方测试。ATTC 关于同频转发技术的设计, 采用的就是中频滤波技术。图3 为转发器的接收信号, 图4为转发器的输出信号, 明显可以看出由于滤波器性能和天线隔离度问题造成的带内波动, 而且在高楼林立的城市中不可能保证接收信号这样高的质量。在文献中提供了对接收发射天线隔离度的具体分析, 但是由于城市中外界环境非常复杂, 大功率发射信号通过障碍物反射或者铁塔传播等途径反馈到接收天线, 导致有用信号受到干扰甚至被淹没。

图2 中频滤波同频转发器


图3 接收信号(ATTC)


图4 转发信号(ATTC)

上述模拟同频转发在工程实现时只能靠调整转发塔发射天线之间的物理位置来保证隔离度, 而城市信号传播环境比较复杂多变, 靠传统同频转发不但不能保证盲区转发信号的质量, 且会影响到和主发射塔信号之间的交叉区域的覆盖。所以, 利用数字基带处理同频转发可以使转发信号达到主发射塔信号质量, 又可大大提高天线之间的隔离度, 从根本上解决传统技术的缺陷。

2 基于单载波传输的OCR 技术

在基于单载波传输的数字基带处理过程中, 早期的数字同频转发技术是把图像信号全部解调出来后再进行调制, 可完成可靠性更高的同频转发, 但信道解码和信道再编码等环节, 将引入不可接受的转发延时, 导致转发信号和原信号之间产生干扰。在此, 要依靠同频转发站接收天线的方向性保证接收信号的质量, 去除信道解码模块,将均衡器硬判决后的输出直接进行调制。

数字同频转发电路( 如图5 所示) 和传统的中频滤波同频转发电路一样包括一个同本振的上变频和下变频模块, 只是用数字基带处理代替了后者的模拟中频滤波。利用数字基带处理, 可将主发射信号完全无误差的解调出来, 再调制成中频输入上变频, 使转发信号达到主发射塔的信号质量, 并与其保持同频, 不会相互干扰。

图5 数字基带处理OCR

在数字基带处理过程中, 中频信号A/D 变换后先经过解调模块, 再送入自适应均衡器。当系统初始化时, 解调模块完成载波和时钟的恢复, 继而自适应均衡器完成训练并进入数据判决(DD) 模式。进入正常工作状态后,解调部分对信号引入的时延可忽略不计, 系统时延主要由均衡器产生。在单频网模式下, 利用接收信号的方向性, 可认为接收信号中只存在来自单个发射塔的信号( 即使存在其他发射塔信号也会受到天线衰减, 可当作噪声处理) , 而单个发射塔信号产生的多径时延通常不会超过4μs。所以, 为了既满足对抗多径的要求, 又不引入过多的延时, 可将均衡器的级数定为65 级, 相对于主发射塔的信号引入的延时低于5μs, 而该量级的时延对于交叉覆盖区域的信号接收基本不造成影响。

自适应均衡器硬判决的输出直接输入成形滤波模块, 最后进行D/A 变换并上变频到中频, 完成数字基带处理。自适应均衡器消除了接收信号中的噪声和多径干扰, 其中包括从发射天线通过各种途径反馈回接收天线的转发信号, 在一定程度上提高了转发系统的隔离度, 最后系统输出的无失真信号已达到主塔发射信号的质量,相比较传统方式, 大大提高了转发信号的质量。数字基带处理OCR 仅适用于单载波数字电视广播,如美国ATSC。以欧洲DVB-T为代表的多载波制式若采用基带数字处理技术进行同频转发, FFT 块处理将会引入较大的时延。

3 硬件实现

数字同频转发的基带处理电路如图6 所示。采用ALTERA 公司的CycloneII 系列的EP2C70 作为核心处理芯片, 该款低成本的FPGA 拥有近7 万个LE, 满足了整个基带处理包括解调、均衡和再调制三个模块所需资源。选用National 公司的锁相环芯片LMX2515 生成本振( LO) 信号, 参考时钟采用TCXO 输出的12.6 MHz。由于把中频信号定为36 MHz, 转发信号为37 频道广播信号,中心频率706 MHz, 所以要求本振输出742 MHz。本振信号同时供给上变频和下变频模块, 以保持转发信号和原始信号保持同频。

图6 单点发射的信道响应

变频模块采用MAXIM 基于移动通信设计的MAX2680 作为下变频, MAX2673 作为上变频。下变频输出的中频信号经过中频自动增益控制芯片RF2673, 该IC可提供超过90dB 的增益控制。在AGC 控制中, 解调模块根据AD9051模数变换的10 bit 采样值平方后累加处理后生成中频AGC 控制字, 输入串行12 bit DAC7512变换成模拟电压反馈控制RF2673, 达到中频AGC 的控制。

基带处理中, AD9051 输出的数字中频信号经过数字下变频到基带后, 经过载波恢复和同步等模块解调后, 进入一个63 级的自适应均衡器, 由于接收的信号比较干净, 均衡器启动后能立即进入Data Direct 模式。当均衡器输出信噪比达到阈值后即启动再调制模块。重新调制后的数字基带信号经AD9857 完成数模变换和直接频率合成输出中频36 MHz 差分信号, 再经信号放大模块和声表面滤波器SAW, 输入MAX2673 上变频到载频706MHz 上, 直接输入后端推动放大器。该过程和主发射塔调制过程相同, 最终输出信号质量能达到相同水平。该硬件实现方案均采用了低成本的基于移动通信的相关芯片, 如果将来把FPGA 设计流成芯片可进一步降低整个同频转发系统的成本。

4 试验结果

在上海利用电视塔发射的37 频道信号作为同频转发的信号源, 并选择了一个范围较小的覆盖盲区作为试验区, 由于受到高楼遮挡, 该阴影区37 频道信号场强在- 85 dBm 以下。图7 为安装在楼顶的转发系统的接收信号, 在频谱的右边可以明显看出有38 频道的图像载频信号, 受到信道环境的影响, 因多径干扰造成了带内的波动。在这种情况下, 采用传统的中频滤波和数字基带处理技术进行同频转发对比试验。


图7 接收信号频谱

中频滤波处理后的输出频谱对比图7 的接收信号频谱并没有改善, 而带外的图像载频信号也没有被完全衰减; 数字基带处理同频转发耦合输出频谱如图8 所示, 相比中频滤波处理的输出频谱有了很大改善, 已达到主发射塔发射信号的质量, 彻底消除了带外的无用信号, 且提高了接收与发射天线之间的隔离度。

图8 数字基带处理

经过同频转发, 在原来信号场强低于- 85 dBm 的覆盖阴影区中实测的信号强度达到了- 53 dBm, 图像可正常接收, 解决了盲区的覆盖问题。同时, 在同频转发和主发射塔覆盖的交叉区域中选择了典型的测试点, 通过图9 所示, 同频转发系统产生的总时延低于6μs, 对交叉区域的接收效果不造成任何影响。

图9 交叉区域信道响应

5 小结

综上所述, 数字基带处理OCR 相比传统的模拟OCR 大大提高了转发信号的质量达到了还原信号的效果,可广泛应用于复杂多变的城市数字电视盲区的补点覆盖。当然, 传统OCR性能逊于数字OCR, 但因设备简单加上其成本上的优势, 仍可广泛应用于山区或者其他转发环境简单的场合。