现代广播呢电视发送技术课件.ppt
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1、现代广播电视发送技术,一、总述,广播电视发送技术经历了百年的发展,其间新器件及新技术不断地被广播电视发射机应用,尤其是当今的固态数字发射机,无论体积、整机效率、安全可靠性比传统的模拟发射机优越。 固态数字发射机整机结构由发射单元、激励器、输出滤波器及监测四大模块组成。与模拟发射机相比具有新的技术特点。,电视数字发射机框图,1. 技术要点,(1) 射频功率单元 所用的放大有源器件已由大功率双极性晶体管,场效应管替代真空电子管。尤其是场效应管应用相当普遍。 积木插件式射频功率放大模块。其优点有利于规模生产,并减小停播率。, 射频功率放大采用功率合成技术 射频功率单元采用微带功率放大电路,(2) 激
2、励器 是数字发射机的核心,将数据流(MPEG-2 TS、音频数据流、业务数据)处理为小功率等级的射频数字调制信号。 所涉及的技术包括: 载波发生器(国外产品使用频率合成器)、信道编码、载波数字调制、上变频及小功率射频放大。 作为业务,其中还有条件接收的加密处理。,(3) 输出滤波器 安装在发射机与天线之间,用于抑制带外分量,防止对邻频产生干扰。 其结构为带通滤波器,(4) 监测 监测包括两个含义:监测发射机运行状态和监视发射机输出信号的质量。 监测发射机运行状态。如输出功率,放大器件工作电流、电压、温度等。 监视发射机输出信号的质量。作为数字发射机与模拟截然不同。它是监视数据流,如湿视MPEG
3、-2 TS。监测仪给出的是问题显示。为能判断故障,对之相应的数据流结构要明了、清楚。,二、射频功率放大技术,1. 概述 射频功率放大是任何类型发射机必备的。对于较大功率级的发射机,要求在满足输出功率下,尽量地提高整机效率。就是说:射频功率放大技术是围绕着如何提高整机效率而发展。如采用C、D类放大器(提高放大器件的能量转换放效率)、功率合成技术(小功率合成大功率)、使用场效应晶体管(电压器件比电流器件节能)等,2. 射频放大器件,射频放大器件是射频功率放大的核心。将直流能量转换为交变能量,故称之为“能量转换器“。对整机效率的提高起着决定性作用。 真空电子管、晶体管(双极性晶体管、场效应管,又称之
4、为固态器件)可充当射频放大器件。何谓固态发射机,是指由晶体管作为射频放大器件的发射机。,固态器件,固态器件中的双极性晶体管、场效应管工作驱动(激励)方式不同: 双极性晶体管(指NPN晶体管)是以电流驱动,称为电流器件。 场效应管是以电压驱动,称为电压器件。 电压器件仅需提高一定的电压驱动而不需要驱动功率,显然优于电流器件。这就是当今射频放大器件采用场效应管的原因。当然使用时也有不足之处,可采取措施给于克服。,场效应管,场效应有:绝缘栅场效应管MOSFET,VMOSFET,LDMOS(Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor)即横向扩散金属氧化物半导体
5、。 特点 (1) 输入阻抗高,驱动电平低。 (2) 线性范围宽,动态范围大。 (3) 安全工作区域宽 (4) 热稳定性好。 (5) MOS场效应高频功率管高频特性好,开关速度快, (6) MOS场效应可以采用串联或者多级并联的结构形式工作,以获得较大的输出功率。,LDMOS(Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor)即横向扩散金属氧化物半导体。与双极型晶体管相比,LDMOS管的增益更高,LDMOS管的增益可达14dB以上;LDMOS能经受住高于双极型晶体管3倍的驻波比;因为具有高数值的瞬时峰值功率,能承受输入信号的过激励和峰均比(PARR)较大的数字
6、信号,;LDMOS增益曲线较平滑并且允许多载波数字信号放大且失真较小;LDMOS晶体管具有较好的温度特性温度系数是负数,因此可以防止热耗散的影响;这种温度稳定性允许幅值变化只有0.1dB。,最新的LDMOS FET 能够覆盖整个UHF波段。也就是说,一个功放模块在不需调整的情况下在UHF波段的任一频率下运行,但是并不是所有称之为“宽带”的功率放大器工作在整个UHF波段,原因是牺牲增益以满足带宽。,成都新光微波工程有限责任公司设计的数字电视发射机中功率放大器全部采用LDMOS FET。分为激励和主放大电路。其中激励部分为宽带功率放大器,其工作频段在470MHz860MHz,工作状态为类,增益大于
7、10dB;末级采用最新的LDMOS FET器件,及平衡放大电路结构,增益大于10dB,交调抑制小于55dB,噪声功率密度大于130dBc/Hz。经过优化和调试,满足系统要求。在单频道发射时采用AB类放大,但在宽带多频道发射时,采用A类放大。,3. 射频放大器件工作状态,射频放大器件工作状态是指: 当外界条件,即交流激励电压、直流馈电(指双极性晶体管基极直流偏置、集电极直流电压,场效应管直流栅压偏置、漏极直流电压)馈至相应电极及负载(指双极性晶体管集电极负载、场效应管漏极负载)确定后,放大器件输出电流的状况。 工作状态影响输出功率、放大器件的能量转换效率及输出信号线性。故正确选择工作状态是件很重
8、要的工作。,选择射频放大器件工作状态,1. 选择工作状态前题: 激励信号类型,有正弦等幅信号及幅度调制信号。其中: 正弦等幅信号适于载波发生器输出的载波放大、调频激励器输出的频率调制信号放大。电视激励器输出的MPSK数字调制信号放大。 幅度调制信号适于电视激励器输出的MASK、MQAM数字调制信号。 激励信号幅度 低幅度( 小信号),即电压放大 高幅度(大信号), 即功率放大,正弦等幅信号放大选择工作状态,小信号下,考虑输出电压尽量高,而不必追求高转换效率。选用A类(甲类),临界放大状态。 大信号下,输出功率高的考虑是必要的,但这时转换效率的高低引起的后果突出。例如达到10kW的输出功率,转换
9、效率仅有50%,那直流供给功率将是20kW,其中10kW功率将被损耗在放大器件上。还需要散热。若转换效率提高到80%,这时直流供给功率将下降为12.5kW。其中仅有2.5kW功率损耗。这不是一举二得,何乐而不为之。选用C类(丙类)、临界放大状态;或D类(戍类) 实质是开关状态。,幅度调制信号放大选择工作状态,幅度调制信号放大应将包络不失真放大做为前题,否则既使达到输出功率、转换效率高,可是幅度调制信号失真,影响质量岂不无用。 小信号放大,选用甲类,其满制度包络峰值点处于临界状态。 大信号放大,在确保包络不失真放大前题下尽量作到输出功率及转换效率高选用工作状态。通常选用AB类,其满制度包络峰值点
10、处于临界状态。,4.固态射频功率放大电路,双极性晶体管射频功率放大电路,场效应晶体管射频功率放大电路, 输入电路: 采用阻抗变换网络将放大器件输入阻抗变换为输入端联接电馈特性阻抗Zc。实现阻抗匹配,达到最大限度的传输效率。 输出电路: 采用阻抗变换网络将放大器输出负载变换为放大器件所需要的最佳负载值,使放大器件在输入激励值下输出不失真的最大交流功率,或最高能量转换效率。,射频信号是利用传输线传送,同轴电缆应用广泛。为使负载获取到最大功率的条件是负载值应等于传输线的特性阻抗Zc,否则会向信号源反射能量.。称者为匹配而后者为失配。用传输线负载端的反射损失(又可用反射系数p或驻波比 s)描述失配。三
11、者之间的关系为: 反射损失 = 20lg1/p (dB) (4-17) 驻波比s = 1+ p / 1- p (4-18) 反射系数p =U反射 / U入射 (4-19) 如 p =0.1 s =1.22 反射损失 = 20(dB) p =1 s= 反射损失 = 0(dB) 负载端短路或开路 p =0 s= 1 反射损失 = (dB)负载等于传线特性阻抗Zc,当传输处于失配时,导致如下后果 .(1) 负载获得功率减小,其值为 PL = PMAX (1- p2 ) 。对于大功率传输损失不可低估。 式中PMAX为匹配下负载获得的最大功率值 (2 )传输线击穿电压降低,容易击穿电缆。 当反射系数p较
12、大时,形成电压驻波,在电压最大处造成同轴电缆击穿或以空气为介质的同轴馈管内外导体之间打火。 (3) 传输线损耗加大 总之,阻抗失配,传输线间的电压为驻波状态。失配越严重,最大电压偏离匹配状态值越大,损耗加大。 鉴于以上各点射频功率放大器输入端与连接传输线之间呈现匹配状态至关重要,尤其大功率下。尽管有源器件工作处于最佳状态,放大器输出也不会获得最大功率。这是因为放大器输入端所获得的功率因失配会减小。, 直流馈电电路 采用并联馈电路,提供放大器件工作所需的偏置(基极、栅极)、直流电压(集电极、漏极)。 要求采用的电路直流通路下,阻隔输入交流激励信号,输出交流信号不串入直流电源。,阻抗变换网络,阻抗
13、变换网络型式 谐振式 - 倒L型、T型及型。,非谐振式- 传输变压器 实现: 采用集总参数和分布参数结合的微带电路。,5.功率合成技术,(1) 功率合成是指N个(N2) 等同的功率放大器,其输出利用合成网络实现输出功率P相加,获取N P输出功率。 为了实现功率合成,需要分配网络将前级供给的功率等分于各晶体管功率放大器,作为输入信号功率。除此之外,放大器输入端电压的相位也要满足要求。分配网络与合成网络互为可逆网络,即两种网络的结构形式是相同的,仅是输入、输出端接法倒置。,(2) 功率合成增益等于组成功率合成的单级功率放大器增益 (3)获取N P的条件是分配与合成网络必采用同一型式网络,,功率合成
14、应用范围: 1. 利用多支低功率固态功放器件组成功率放大器,获取较高功率输出 2. 为实现幅度调制波线性放大,可用低功率固态功放器件,工作于线性区域,借用功率合成,输出功率较大的线性功率。 3. 组成积木式固态发射机 4. 实现多部发射机共用一套天线与馈线系统,这时将合成网络称为双工器、多工器。,分配/合成网络类型,1.传输线变压器合成与分配网络,2. 3dB定向耦合器功率合成与分配 信号源馈给端口1,端口2 (耦合端)及端口4 (直通端)获取U2超前U4相位900 的等同电压。其值等于0.707U1。为确保端口3 (隔离端)为零电压,信号源内阻抗、其它端口所接电阻值应等于3dB定向耦合器特性
15、阻抗Zc,通常选取Zc=50,其原因是考虑端口1联接的同轴电缆的特性阻抗为50。,3dB定向耦合电缆线,简称双绞心电缆,,3dB定向耦合器构的功率合成放大电路,3. 1/4波长传输线分配/合成网络 1/4波长传输线阻抗变换器而构成的同相分配原理图, 其镜像电路为1/4波长传输线阻抗变换器而构成的同相合成。,300W功率模块,1.2kW功率放大器,三、数字电视激励器,地面数字电视标准 国际标准: 美国的ATSC标准,属单载波。 欧州的DVBT标准,属多载波。 中国的标准: 上海交大的ADTBT标准,属单载波。 北京清华的DMBT标准,属多载波。,需要解决的问题,(1)足够好的接收性能,在室内采用
16、简单、小型和低增益天线实现稳 定接收,对于移动用户在较强的静态和动态多径的环境中,仍能够稳定收视电视节目。为达到以上目的岛需要解决抗动态多径干扰、频率选择性衰落。 (2) 在8MHz带宽内提供高质量高清晰电视节目(HDTV)要解决高速码流传输(20Mbit/s 的净荷码率) (3) 高度灵活的操作模式,系统能够支持固定、便携、步行、手持或移动接收。,(4)易于和其它媒介或服务器接口,支持多节目/业务,能够通过分级调制得到分级服务,具有交互性。 (5) 高度灵活的频率规划和覆盖区域,能够使用单频网SFN 和同频道覆盖扩展/缝隙填充。 (6) 系统应允许多种成本价格的接收机使用,ADTBT特点,A
17、DTBT具有低的接收门限 低的接收门限有利于频谱规划、增加覆盖范围、减小发射功率、降低电磁污染、提高接收可靠度和保证接收效果 高码率(29Mbps) 高码率(23Mbps) 中码率(11Mbps) 低码率 (5.5Mbps) ADTB-T -83dBm24dBuv -87dBm20dBuv -94dBm13dBuv -98dBm9dBuv ATSC 无 -84dBm23dBuv 无 无 DVB-T -76dBm31dBuv -80dBm27dBuv - 86dBm21dBuv -91dBm16dBuv,ADTB-T系统由于采用单载波4OQAM调制、解调技术和优质的图像编码技术,在高速运动的环境
18、下,能实时非视距传输高质量图像。,单载波4OQAM 多载波COFDM 802.11b 扩频通信 有效发射 高 低 高 高 功率 传输容量 大 较大 随距离拉长 小 而下降 接收门限 低 高 高 低 抗干扰能力 强 较强 差 差 传输距离 远且非视距 较远 短距离视距 视距 传输质量 高 较高 差不保证稳定 差 质量,1. 结构,(1) DVB-T系统,(2) ADTB-T系统,2.技术参数,(1) ADTV-T 参数项目 内容及指标 发射频率470MHz800MHz(8MHz步进)。12401300MHZ 发射功率5W、10W、30W可选调(可根据应用环境、传输半径调整 功率,减少不必要的电磁
19、辐射。)车载式SZ1C-1600F:510W面板可调便携式SZ1B-1800F:2001w 可选射频带宽8MHz 调制方式单载波调制4OQAM 压缩方式MPEG-2 信源输入接口模拟接口。发射设备本身携带MPEG-2编码板,可进行模拟视音频的编码。ASI接口,可以外接专业编码器。支持MPEG-2、MPEG-4、AVS、H.264等多种编解码方式视频 BNC 音频 卡侬接口,BNC接口(可选)模拟视频复合信号、音频双声道、 ASI-TS流发射信噪比35dB, 频率稳定度110-6 编码速率5.5Mbps;11Mbps;23Mbps;加密功能可选外形尺寸便携式SZ-1:背包式车载式SZ-1:2U标
20、准机箱,R&S Sx800型激励器(DVB-T),技术参数 TS流输入 符合EN 50083 ASI接口标准,支持不含RS码的188/204包和含RS码的204包 调制和信道编码 调制载波模式(FFT):2k,4k,8k 内纠错码率(FEC):1/2,2/3,3/4,5/6,7/8 保护间隔:1/4,1/8,1/16,1/32 调制方式:QPSK,16QAM,64QAM 等级调制参数:Alpha = 1,2,4 交织深度 带宽:5MHz,6MHz,7MHz,8MHz TPS信号:TVB-T或TVB-H,中频(IF) 输出 中心频率:30MHz-40MHz 信号电平:如0dBm -20 dBm
21、信号稳定性: 0.5dB 1kHz I/Q幅度平衡误差:40dB 频肩:52Db 4.2MHz 杂波:52dB 反射损耗 :55dB,性能术语,内纠错码率(FEC) : 表示FEC纠错能力。数值越大,如7/8比2/3纠错能力弱,但净负荷数据量多。详情见相关知识 保护间隔: 在有效码元段之间 填充的时间段,以解决多径干扰。其时间为码元的1/4,1/8,1/16,1/32。填充内容为有效码元段的第1个码元。 交织深度 即在交织时,打乱传送数码顺序的程度。,MER ( Modulation Error Ratio) 调制误差比 MER和EVM测量相同的量,如果星座图已知,则这两个测量之间很容易地转换
22、。用简化比值表达时,MER等于EVM的平方再乘以星座图的峰值/均值功率比。MER与BER之间的关系见图,64 QAM前维特比 BER与MER之间的关系,当MER为: 24dB(64QAM) 30dB(256QAM),BER迅速上升,直至出现“数字悬崖”接收机不能正常解调。,3.技术要点,围绕地面数字电视传输中抗干扰性能,尤其是移动接收中的多径干扰,高质量地传输,地面数字电视技术要点,或者说各种标的技术创新点体现在: 帧结构 信道估算 信道编码 (EFC+交织) 数字信号载波调制(映射、MQAM), DMB-T技术要点, 将数据检测与信道估计分别对待,对数据检测,采用了频谱效率高、抗多径干扰能力
23、强;适用宽带信号传输的多载波OFDM调制方式; 对于信道估计,在时域采用了已知的周期伪随机PN(Pseudorandom Number)序别作为参考信号; 其中创新技术-时域信号处理与频域信号相处理,可同时发挥数字信号在时域和频域同处理的特点; 依据多媒体业务和移动接收的服务要求设计纠错编码和交织编码; 多层分组乘积码,采用最新的Turbo算解码,以获取最大的接收信道容量的传输性能。, ADTB-T技术要点是:, 基于单载波M-OQAM 调制的时域技术。 独特的帧结构,可进行简洁、高效的数据结构能够迅速、可靠地实现系统同步,并迅速、可靠地进行信道估计。 采用TPC(Turbo Product
24、Code)先进的信道编码。可作到编码效率高,8/9编码效率可将16QAM调制的门限由16dB降为12.7dB,而不需要提高调制度。TPC编码不存在误码平层,故减少额外的如RS编码。同时TPC编码硬件复杂低,适用于高数据率传输。, 采用4OQAM、16OQAM、32OQAM低阶调制。由于OQAM低阶调制映射对应的数据星座点之间的距离较大,带来接收机能够有效的降低信号判决门限。在单载波调制存有的低峰均比(相对于多载波的高峰均比),可进一步再降低信号峰均比。对于发射机的较大功率单元可不添显置非线性校正。 结合接收终端抗干扰技术,突破了单载波数字电视移动接收/发射的技术瓶颈,以获取最大的接收信道容量的
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