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CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2017-01-07 08:08:05孔慧芳左繼國(guó)許建華陳安軍
關(guān)鍵詞:聯(lián)機(jī)基帶矢量

孔慧芳, 左繼國(guó), 許建華, 陳安軍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所,山東 青島 266555)

CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔慧芳1, 左繼國(guó)1, 許建華2, 陳安軍2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所,山東 青島 266555)

文章針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要采用的中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)測(cè)試系統(tǒng)成本高、不易自主擴(kuò)展等問(wèn)題,結(jié)合安捷倫N9030A矢量信號(hào)分析儀,設(shè)計(jì)了一套具有本地、聯(lián)機(jī)2種測(cè)試模式的CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng),介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與系統(tǒng)軟件的原理框圖,給出了聯(lián)機(jī)測(cè)試模式的測(cè)試結(jié)果。該系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)CMMB信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量測(cè)試,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便、方便移植、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景。

CMMB測(cè)試系統(tǒng);矢量信號(hào);調(diào)制質(zhì)量;聯(lián)機(jī)測(cè)試;信道響應(yīng)

0 引 言

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展,電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)三網(wǎng)融合已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期[1]。三網(wǎng)融合有利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最大程度共享,避免低水平的重復(fù)建設(shè),是國(guó)家“十二五”規(guī)劃中全面提高信息化水平的重要手段,也是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。廣播電視是三網(wǎng)融合的主體,承載著重大的社會(huì)責(zé)任,而作為下一代廣播電視網(wǎng)(Nextcgeneration Broadcasting Network,NGB)的基礎(chǔ)[3],中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播電視(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)的重要性不容忽視。

CMMB是我國(guó)自主研發(fā)的、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的移動(dòng)多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn),是手機(jī)媒體與電視媒體互動(dòng)融合產(chǎn)生的手機(jī)電視業(yè)務(wù)[4],自2006年正式啟用以來(lái),一直都是國(guó)家大力發(fā)展的重點(diǎn)。然而,近2年來(lái),CMMB發(fā)展不盡如人意,除了4 G和WIFI網(wǎng)絡(luò)普及、CMMB收費(fèi)過(guò)早等原因外,其信號(hào)覆蓋質(zhì)量也有待提高[5]。CMMB急需尋求突破,不僅需要市場(chǎng)上的進(jìn)步,還需要提高接收信號(hào)質(zhì)量。然而,地面?zhèn)鬏敪h(huán)境復(fù)雜、條件苛刻,在傳輸過(guò)程中,CMMB會(huì)受到高斯白噪聲、多徑衰落等干擾[6]。為了科學(xué)評(píng)估CMMB傳輸系統(tǒng)的抗干擾能力,需要對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)調(diào)制質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行全面測(cè)試。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)主要采用美國(guó)安捷倫(Agilent)公司和德國(guó)羅德與施瓦茨(R&S)公司提供的CMMB測(cè)試系統(tǒng),需要使用該公司提供的矢量信號(hào)分析儀與配套插件,如R&S公司的SFU電視測(cè)試系統(tǒng)、Agilent公司的N9030A矢量信號(hào)分析儀等,成本很高,不適合批量購(gòu)置,且不易自主擴(kuò)展。因此,設(shè)計(jì)一套測(cè)試靈活、成本較低、易于擴(kuò)展的CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)是必要的。

本文簡(jiǎn)要描述了CMMB調(diào)制質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了一套CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含本地測(cè)試模式與聯(lián)機(jī)測(cè)試模式,能夠?qū)崿F(xiàn)CMMB信號(hào)的調(diào)制域測(cè)試,且使用簡(jiǎn)單、易于后期擴(kuò)展,可與安捷倫N9030A、國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的AV4051F等多款矢量信號(hào)分析儀聯(lián)機(jī)測(cè)試,降低了測(cè)試成本。

1 CMMB調(diào)制質(zhì)量參數(shù)

CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試主要是指測(cè)量CMMB視頻碼流在信道傳輸過(guò)程中受到的干擾程度。CMMB接收機(jī)接收來(lái)自CMMB發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào),經(jīng)過(guò)下變頻、同步、OFDM解調(diào)、信道均衡等過(guò)程[7],輸出調(diào)制域信號(hào)。調(diào)制信號(hào)質(zhì)量直接決定傳輸碼流的正確性,是檢驗(yàn)數(shù)字電視接收機(jī)能否正常接收的主要判別標(biāo)準(zhǔn)之一,也是無(wú)線通信發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)[8]。通常采用調(diào)制誤差率(MER)、誤差矢量幅度(EVM)、幅度誤差、相位誤差、頻率誤差、信道響應(yīng)作為CMMB信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量參數(shù)。

MER是信號(hào)矢量幅度的有效值與誤差幅度的有效值的比值,以dB為單位,是被接收信號(hào)的“品質(zhì)因數(shù)”,往往作為接收機(jī)對(duì)傳送信號(hào)能夠正確解碼的早期指示[9],計(jì)算公式如下:

(1)

其中,Z為測(cè)量信號(hào);R為參考信號(hào);MEAN為求平均值。

一般情況下,發(fā)射機(jī)生成的CMMB射頻信號(hào)的MER在32 dB以上,CMMB接收信號(hào)的MER在25 dB以上時(shí)視頻信號(hào)比較清晰。

EVM描述實(shí)際信號(hào)與理想信號(hào)在星座圖上的向量差,如圖1所示,以百分比的形式表示,是評(píng)價(jià)調(diào)制信號(hào)質(zhì)量與發(fā)射機(jī)性能的重要指標(biāo);一臺(tái)高性能發(fā)射機(jī)生成的CMMB信號(hào)的EVM一般在1%以內(nèi)[10]。

圖1 誤差矢量圖

EVM定義為誤差矢量信號(hào)和參考信號(hào)的均方根值(RMS)的比值[11],計(jì)算公式如下:

(2)

幅度誤差和相位誤差表示測(cè)量信號(hào)與理想信號(hào)幅度和相位上的偏差,直接影響系統(tǒng)性能,也是衡量CMMB調(diào)制質(zhì)量的重要參數(shù)。頻率誤差反映接收信號(hào)與實(shí)際頻段的頻率偏差,是衡量CMMB系統(tǒng)受到子載波間干擾(inter-carrier-interference,ICI)程度的重要參數(shù)[12]。

信道響應(yīng)描述傳輸信道對(duì)CMMB信號(hào)的影響程度,包括幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)與脈沖響應(yīng)。幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)表示傳輸信道對(duì)CMMB信號(hào)各子載波處的幅度和相位的影響,脈沖響應(yīng)主要反映傳輸信道的多徑和時(shí)延特性。

2 CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

CMMB系統(tǒng)具有靈活多變的調(diào)制、編碼與時(shí)隙分配方式,可以根據(jù)傳輸信道狀況和實(shí)際傳輸需求自適應(yīng)地選擇不同方案,這些調(diào)制參數(shù)均存儲(chǔ)于控制邏輯通道中,在每幀信號(hào)的第0時(shí)隙發(fā)送[13],測(cè)試系統(tǒng)需要解讀控制邏輯通道,獲取調(diào)制、編碼與時(shí)隙分配參數(shù),才能更有效地進(jìn)行CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試。

本文設(shè)計(jì)的CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)具有聯(lián)機(jī)測(cè)試與本地測(cè)試2種模式,具備時(shí)隙、邏輯通道和整幀測(cè)試3種測(cè)試選項(xiàng)。

聯(lián)機(jī)測(cè)試模式需要具有觸發(fā)功能的矢量信號(hào)分析儀,通過(guò)外部修改通信指令實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)測(cè)試,其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

矢量信號(hào)發(fā)生器通過(guò)局域網(wǎng)接口接收上位機(jī)軟件生成的CMMB基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻、濾波等處理,發(fā)射CMMB射頻信號(hào)。函數(shù)/任意波發(fā)生器為矢量信號(hào)分析儀提供1 pps的觸發(fā)脈沖信號(hào),CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試軟件動(dòng)態(tài)設(shè)置矢量信號(hào)分析儀的觸發(fā)延時(shí),可以有效采集指定時(shí)隙的射頻信號(hào)。矢量信號(hào)分析儀對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻、濾波、采樣、量化等處理,并通過(guò)局域網(wǎng)接口將基帶信號(hào)上傳給上位機(jī),CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試軟件對(duì)該基帶信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,并顯示測(cè)試結(jié)果。測(cè)試中可以添加外部參考時(shí)鐘,同步矢量信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)/任意波發(fā)生器與矢量信號(hào)分析儀的頻率源。本地測(cè)試模式支持.dat與.txt 2種文件格式,需要CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試軟件與CMMB本地?cái)?shù)據(jù)文件,使用測(cè)試軟件載入本地文件,測(cè)試軟件自動(dòng)分析本地?cái)?shù)據(jù)的時(shí)隙號(hào),為用戶提供測(cè)試選項(xiàng)。用戶外部輸入采樣頻率、調(diào)制參數(shù)與測(cè)試方式,輔助完成CMMB信號(hào)重采樣、誤差測(cè)試功能。由于本地文件數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限,可能不包含控制邏輯通道,采用本地模式時(shí)用戶可以手動(dòng)設(shè)置所測(cè)基帶信號(hào)的調(diào)制參數(shù)輔助進(jìn)行CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試軟件基于Visual Studio軟件開發(fā)平臺(tái),使用C#語(yǔ)言開發(fā)完成,由通信模塊、顯示模塊、測(cè)試模塊、控制模塊與信號(hào)處理模塊組成,原理框圖如圖3所示。

圖3 CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試軟件原理框圖

本軟件根據(jù)聯(lián)機(jī)測(cè)試與本地測(cè)試2種模式,提供2種獲取CMMB基帶信號(hào)的方式:

(1) 通信模塊通過(guò)局域網(wǎng)接口與矢量信號(hào)分析儀通信,采集當(dāng)前的CMMB基帶信號(hào)。

(2) 用戶手動(dòng)加載本地存儲(chǔ)的CMMB基帶數(shù)據(jù)文件。

信號(hào)處理模塊的內(nèi)部原理框圖如圖4所示。該模塊根據(jù)當(dāng)前的設(shè)置參數(shù),對(duì)CMMB基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、同步、頻偏補(bǔ)償、信道估計(jì)[14]等處理,并向控制模塊反饋當(dāng)前信號(hào)的同步狀態(tài)以及CMMB傳輸指示參數(shù),控制模塊根據(jù)反饋信息與用戶需求,向顯示模塊發(fā)送顯示控制參數(shù)。

若基帶信號(hào)已同步成功并成功獲取時(shí)隙序號(hào),信號(hào)處理模塊可將調(diào)制域信號(hào)發(fā)送至調(diào)制參數(shù)測(cè)試模塊,對(duì)調(diào)制域信號(hào)進(jìn)行星座映射、低密度奇偶校驗(yàn)碼(low density parity check code,LDPC)解碼[15]與解復(fù)用[16],最終得到CMMB基帶信號(hào)的調(diào)制參數(shù)。

上述過(guò)程在程序初始化或重置后測(cè)試時(shí)隙0中的調(diào)制參數(shù)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行,用戶也可單擊功能欄中的調(diào)制參數(shù)測(cè)試按鈕重新測(cè)試基帶信號(hào)的調(diào)制參數(shù)。其他情況下,信號(hào)處理模塊將調(diào)制域數(shù)據(jù)、信道響應(yīng)估計(jì)數(shù)據(jù)、調(diào)制參數(shù)等傳送到測(cè)試模塊進(jìn)行調(diào)制質(zhì)量測(cè)試。若基帶信號(hào)無(wú)法成功同步或獲取時(shí)隙序號(hào),則信號(hào)處理模塊結(jié)束,控制模塊向顯示模塊發(fā)送出錯(cuò)指令。

測(cè)試模塊由誤差測(cè)試模塊與信道響應(yīng)測(cè)試模塊2部分組成,誤差測(cè)試模塊包括MER、EVM、幅度誤差、相位誤差和觸發(fā)偏差測(cè)試等功能,其中觸發(fā)偏差僅在聯(lián)機(jī)測(cè)試模式中使用,描述觸發(fā)信號(hào)與時(shí)隙0的時(shí)間偏差,當(dāng)觸發(fā)源采用外部參考時(shí)鐘時(shí),觸發(fā)偏差較小,一般在10 μs以內(nèi)。信道響應(yīng)模塊從信道響應(yīng)估計(jì)數(shù)據(jù)中獲取幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)與脈沖響應(yīng),去除相頻響應(yīng)的線性相位后,一起封裝,最終傳送到顯示模塊。

圖4 信號(hào)處理模塊原理框圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

基于上述測(cè)試方案,本文采用CMMB調(diào)制質(zhì)量聯(lián)機(jī)測(cè)試模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),選取安捷倫N5182A矢量信號(hào)發(fā)生器、安捷倫81104A脈沖信號(hào)發(fā)生器與安捷倫N9030A矢量信號(hào)分析儀作為實(shí)驗(yàn)儀器,如圖5所示,N5182A使用N9030A的10 MHz參考時(shí)鐘作為外部時(shí)鐘源。

圖5 實(shí)驗(yàn)儀器

使用安捷倫N7623B軟件,N5182A矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生CMMB射頻信號(hào),將1幀CMMB信號(hào)劃分為1個(gè)控制邏輯通道與7個(gè)業(yè)務(wù)邏輯通道,除了控制邏輯通道采用固定的調(diào)制參數(shù)外,每個(gè)業(yè)務(wù)邏輯通道采用獨(dú)立的調(diào)制參數(shù),由于篇幅所限,此處不加描述,其他設(shè)置參數(shù)見表1所列。

CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試軟件的測(cè)試結(jié)果如圖6~圖8所示。圖6所示為傳輸信道的脈沖響應(yīng)曲線,CMMB基帶信號(hào)的信道脈沖響應(yīng)比較平滑,不存在明顯的多徑現(xiàn)象。主徑功率較強(qiáng),位于0 μs位置,同步模塊估計(jì)的幀位置與所測(cè)信號(hào)的實(shí)際幀位置一致。

表1 配置參數(shù)

圖6 信道脈沖響應(yīng)

圖7所示為傳輸信道的頻率響應(yīng)曲線,當(dāng)前傳輸信道對(duì)CMMB基帶信號(hào)的幅度和相位的影響均較小,各子載波處的幅度變化范圍為±0.25 dB,相位變化在±1°以內(nèi)。

圖7 信道頻率響應(yīng)

圖8所示為CMMB基帶信號(hào)的星座圖、調(diào)制參數(shù)和調(diào)制誤差,由圖8可知,所測(cè)調(diào)制參數(shù)與設(shè)置值一致。當(dāng)前測(cè)試的第1時(shí)隙采用16QAM調(diào)制方式,頻率誤差為4.999 6 kHz,與設(shè)置值僅差0.4 Hz。經(jīng)過(guò)頻偏補(bǔ)償與信道均衡后,所測(cè)EVM為1.1%,MER高達(dá)39.14 dB,與信噪比(SNR)設(shè)置值40 dB基本一致。由于CMMB射頻信號(hào)在傳輸電纜上產(chǎn)生能量損耗,通道功率測(cè)量值為-20.78 dBm,略小于發(fā)射功率,CMMB時(shí)域能量的峰均比為10.71 dB,與N9030A測(cè)量結(jié)果基本一致。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試,達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8 星座圖、調(diào)制參數(shù)、調(diào)制誤差

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套CMMB調(diào)制質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案,能夠通過(guò)本地、聯(lián)機(jī)2種測(cè)試模式實(shí)現(xiàn)CMMB信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量測(cè)試,并成功與安捷倫N9030A、國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的AV4051F聯(lián)機(jī),降低了測(cè)試成本,具有良好的適應(yīng)性與可移植性,使用簡(jiǎn)便,對(duì)CMMB系統(tǒng)的測(cè)試、評(píng)估和規(guī)劃有著重要用途。

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(責(zé)任編輯 張 镅)

Design of modulation quality test system for CMMB

KONG Huifang1, ZUO Jiguo1, XU Jianhua2, CHEN Anjun2

(1.School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.The 41st Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Qingdao 266555, China)

To solve the problems which occur in the common test system for China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB) including high cost and difficulty in independent expansion, a modulation quality test system for CMMB is designed with both local and online models combining with the N9030A Vector Signal Analyzer researched and developed by Agilent. The scheme of the designed system and the block diagram of the system software are introduced as well as the test results under online test model. This system can accomplish the modulation quality test for CMMB signal. In addition, the system is simple and easy to use, transplant and expand, which has wide application prospect.

China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB) test system; vector signal; modulation quality; online test; channel response

2015-11-20;

2016-01-08

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012YQ200224;2013YQ200607)

孔慧芳(1964-),女,安徽蚌埠人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師; 許建華(1967-),男,安徽碭山人,中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所教授級(jí)高級(jí)工程師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.011

TN934.3

A

1003-5060(2016)12-1644-05

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