CN100413329C - 数模兼容电视发射机激励器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电视发射机激励器，采用了数字技术来进行预失真校正。当运用于数字电视发射机时，只需将ATV编码板换成DTV编码板，就可实现本项目在应用上模拟电视/数字电视的兼容性。系统使用的主要器件有四个：通用ARM处理器、可编程逻辑器件(FPGA)、可编程变频器和D/A变换器。其中的两个主要芯片：通用ARM处理器和FPGA均为通用可编程器件。基于软件无线电体系结构的设计思想采用分层的设计方法，将系统的结构分为三层：接口层、配置层和处理层。本项目对于改善电视发射机的工作品质，提升我国电视发射机的水准和缩短与发达国家之间的差距上，具有十分独特的积极意义。

Description

数模兼容电视发射机激励器

技术领域

本发明涉及电视发射机激励器，采用一种全新的设计思想和软件方法，来实现其在电视发射机中所应具备的预失真校正功能。它既可应用于模拟电视发射机，也可以运用于数字电视发射机中，采用数字技术来进行预失真校正的激励器设计。所述主要为本发明运用于模拟电视发射机的实施例；当运用于数字电视发射机时，只需将ATV编码板换成DTV编码板，就可以在数字电视中，对于以互调(IMD)和肩距(Shoulder Distance)以及码间窜扰(ISI)来度量的各种失真，进行预校正处理，从而实现本项目在应用上模拟电视/数字电视的兼容性。本项目对于改善电视发射机的工作品质，提升我国电视发射机的水准和缩短与发达国家之间的差距上，具有十分独特的积极意义。

背景技术

电视发射机中传统的模拟激励器，一般由中频调制器和混频器、PLL电路、声表面波(SAW)滤波器及频率响应器件等所组成，电路复杂，成本较高，调整不易，而其预失真校正却又很难达到所期望的信号质量。

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38MHz和伴音载频31.50MHz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模拟电路的预校正处理，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。

而本发明的预失真校正处理方法，则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。

在实现上采用软件无线电SDR(Software Radio/Software-Defined Radio)的基本思想：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能用软件完成。这是一种全新的思想，它一经提出就受到了广泛的重视。所谓软件无线电(Software Defined Radio，简称SDR)，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。

我们采用可编程器件和专用器件相结合的设计方法和分层的设计思想，来设计基于软件无线电的激励器。

采用数字校正和直接调制，使得激励器电路简化，无需中频调制器和混频器、PLL电路、声表面波(SAW)滤波器及频率响应器件。由此带来的好处是：改善了信号质量；提高了设备的稳定性；无需复杂的调整；降低了成本。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于，为电视发射机激励器提供一个全新的基于数字技术的设计方案：

总体方案框图如图1所示。

系统使用的主要器件有四个：通用ARM处理器、可编程逻辑器件(FPGA)、可编程变频器和D/A变换器。其中的两个主要芯片：通用ARM处理器和FPGA均为通用可编程器件。这样，在系统设计时，存在着通用器件的功能定义问题。为了使系统的功能在器件之间进行合理的分配，充分、有效地利用芯片资源，并使系统设计简单、清晰，在软件无线电体系结构的基础上采用了分层的设计方法，将系统的结构分为三层：接口层、配置层和处理层。

1、接口层：用来与外界通信，控制整个系统的工作模式。接口采用ARM的以太网口。图中所示的外部控制器为PC机，即PC机的并口与ARM的以太口相连并通信，将系统工作模式的控制参数传递给ARM。需要指出：任意带以太口通信方式的器件或仪器均可代替PC机，控制系统的工作模式。

2、配置层：用来给处理层配置参数，由ARM完成。ARM根据其以太口接收到的控制参数调用相应的程序，计算出配置层所需要的各个参数值，并产生相应的时序信号，将计算结果配置给可编程器件FPGA和变频器。

3、处理层：由FPGA、变频器和D/A转换器组成。当FPGA和变频器的参数配置完后，处理层脱离配置层单独工作。由FPGA产生对应特定比特流、特定调制方式的I、Q信号，并产生特定的时序信号将I、Q信号写入数字上变频器完成调制过程，再由D/A转换器将数字信号变为模拟已调信号输出。

所述数模兼容电视发射机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。通过RS232接口可以对电视发射机的技术指标进行自动校正。

所述数模兼容电视发射机激励器的工作原理是：输入的模拟电视信号在ATV编码器中经过A/D变换，形成数字I/Q信号；然后在数字校正器中针对后级的失真进行补偿，由于要补偿的信号为数字形式，可以精确到每一个比特的量级；补偿后的I/Q信号直接调制到发射频率的载波上，经过数字滤波器即可得到具有残留边带特性的广播信号(模拟电视广播)。

本发明如应用于数字电视发射机中时，只需将ATV编码板换成DTV编码板，就可以实现从模拟电视向数字电视的升级。

所述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，所述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进行预校正。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。

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。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。利用FIR控制FPGA，通过双倍的ATV，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，每个第一次序全通滤波器、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。在群时延均衡器输出端，信号使用54MHz开关时钟采样。

所述均衡器(预校正器)用以校正因频率不同而引起的衰减(即传输损耗)及相位差。

1、能校正衰减与频率关系的，称为“衰减均衡器”；

2、能校正相位差与频率关系的称为“相位均衡器”。

在有线电视系统里经常需要使用均衡器。均衡器通常串接在放大器的电路中，是为平衡电缆传输造成的高频、低频端信号衰减不一致而设置。因为电缆的衰减特性随频率的升高而增加。常用的衰减均衡器，又称为幅度均衡器。一般由线圈、电容器、电阻器等元件组成。衰减均衡器的特性阻抗等于一个定值，其均衡值为电缆高、低频参考点之间衰减量的分贝差，均衡器的频率特性正好与电缆频率特性相反，而是频率低衰减大，频率高衰减小，用这一相反的特性起到均衡作用。均衡器也常做成小块印制板插件式结构，以均衡量的大小来分。

所述均衡器(预校正器)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。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。因此必须要有ATV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。

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.，视频和音频信号混合之前，音频滤波器还被用来电平匹配。数据率转换以后，复合视频和音频信号被送到线性均衡器。它由FPGA组成均衡存储器和ARM。

均衡存储器分为二部分：

1、第一部分是均衡视频信号，合成信号和含有视频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。

2、第二部分包含的信息有，作为ATV-分离式音频放大器的斜率，需要计算各种辅助量和限制阀值。

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、一个抗混淆滤波器、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。

所述调制器模块，是用来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经由这条路径。

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。

所述合成器是将两套以上的不同频率的射频节目(信号)混合在一起，形成一路宽带的射频(信号)多频道节目输出的器件。在有线电视系统前端里，混合器是系统信号的集散点，即在混合器输入端集中所有经过技术处理的多频道射频信号，再在混合器输出端将信号输出，分送到系统网络而至用户。

混合器的主要技术要求：

1、工作频率：混合器要是宽带型的则频率应满足系统里整个频带的要求。混合器要是频道型的则频率应满足所需混合的各频道要求；

2、接入损失：信号经过无源网络时总希望接入损失(插入损失)越小越好。混合器输入功率与输出功率之比称混合器的接入损失。接入损失通常用分贝来表示。用分贝表示时，为输入端电平分贝数与输出端电平分贝数之差。不同的混合器接入损失不一样；

3、输入输出阻抗：为了在整个系统内各个接口都应匹配，所以混合器的输入端及输出端阻抗都应为75欧；输入端之间的相互隔离，在理想情况下，混合器任一输入端加入信号时，其它输入端不能出现该信号，任一输入端有开路或短路现象时也不应影响其他输入端。但实际上总有一定的影响。在各端匹配的情况下，某一输入端加入一个信号，该信号电平与其它输入端出现的该信号电平之差，即为混合器输入端之间的相互隔离度，一般用分贝来表示。对于不同的混合器有不同的要求，一般要求大于20分贝。

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，在此I信号与视频载波本机频率(相位+45°)混合，同时Q信号与本机频率(相位-45°)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→RFOUT VIDEO/AUDIO→BIASI/BIAS Q窗口，确保正交调制的残留恒定，用加热器保持在65℃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。在发射机出现故障或错误的时候，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。

主要的技术指标包括：

1、带内互调：

a)≥1kW：≤-50dB；

b)＜1kW与≥100W：≤-48dB；

c)＜100W：≤-46dB。

2、群时延——频率特性依照SJ/T 10351-93中4.2.5中A、B两项之规定(小于和等于30W的不作要求)。

3、亮度信号的波形失真(注：≤100W时，不作要求)：

a)场时间波形失真(场倾斜)：≤2％；

b)行时间波形失真(行倾斜)：≤2％；

c)2T正弦平方脉冲失真(Kp)：≤2％。

4、由于亮度信号电平不同引起的亮度信号的幅度失真：低频亮度非线性应≤10％。

5、由于亮度信号电平不同引起的色度信号的失真

6、微分增益(DG)：

a)大于和等于1kW：≤6％；

b)小于1kW与大于和等于30W：≤8％；

c)小于30W：≤12％。

7、微分相位(DP)：

a)大于和等于1kW：≤±5°；

b)小于1kW与大于和等于30W：≤±7°；

c)小于30W：≤±12°。

8、音频谐波失真(40Hz～15kHz范围内)：

a)大于和等于30W：≤1％；

b)小于30W：≤2％。

附图说明

图1为本发明的总体方案框图。

图2为本发明的校正工作原理图。

图3为本发明产品在网络系统中的位置图。

图4为节目时统模块图。

图5为节目时统模块的相关连接框图。

具体实施方式

本产品用于模拟电视发射机和数字电视发射机。是连接网络信号(数字信号或模拟信号)到发射机的主要部件。激励器在整个网络系统中的位置如图3所示。从SDH网络上来的TS流在适配器上解MIP帧，送到时统服务器，时统服务器加上当地的时标，计算信号发射的延迟，并在没有达到延迟时间的情况下，对到达的数据进行缓冲。待到达延迟时间后，就将数据发送到激励器。如果是模拟电视信号，就发送AV信号到激励器。如果是数字电视，就发送TS流到激励器。节目时统模块由节目缓存模块、同步播出模块构成，其构成及相关连接见图4、5。节目缓存模块主要完成节目的存储；同步播出模块主要完成延时的计算、设置及节目的同步播出，激励器模块完成对信号的预先放大。

在实际使用上，根据实际的发射机需求，可以选择数字电视激励器或是模拟电视激励器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此。任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种数模兼容电视发射机激励器，其组成包括下列模块：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，同时配置了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，通过RS232接口激励器可以对电视发射机的技术指标进行自适应校正；所述的这种激励器，其特征在于：

A)它是采用可编程器件和专用器件相结合的设计方法和分层的设计思想，设计出来的基于软件无线电SDR的激励器；它具有的数字技术预失真校正，包括群时延失真校正、微分增益失真校正、微分相位失真校正和互调失真校正；只需要更换其编码器中的编码板，即

只需将ATV编码板换成DTV编码板，就可以实现从模拟电视向数字电视的变换；

B)所述的数字技术预失真校正，是当输入的电视信号是模拟信号时，先要使用宽带的模/数转换器完成信号的数字化，再用软件来定义和实现预失真校正。

2. 如权利要求1所述的数模兼容电视发射机激励器，其特征在于，其输入的电视信号是模拟信号或数字信号；只是模拟信号输入后，先要经过A/D变换，形成数字I/Q信号；无论何种输入信号，均采用数字校正和直接调制，无需中频调制器和混频器、PLL电路、声表面波滤波器及频率响应器件。

3. 如权利要求1所述的数模兼容电视发射机激励器，其特征在于，其编码器支持不同的视、音频制式；编码器包含有一个微处理器，它能驱动整个激励器，并与发射机的中央控制单元CCU进行通信；作为微处理器的外设，还有一个程序存储器，这就意味着，激励器所有的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。

4. 如权利要求1所述的数模兼容电视发射机激励器，其特征在于，其均衡器由群时延均衡器和线性预校正器组成；预失真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；复合视频信号加到群时延均衡器，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高频率群时延均衡的第二次序全通滤波器，每个第一次序全通滤波器、每个第二次序全通滤波器都能修改发射机的幅频特性。

5. 一种应用于权利要求4所述的数模兼容电视发射机激励器中的均衡器，其特征在于，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FPGA，自行执行可编程的IC；在发射机设置时，要把相适应的软件安装到芯片中去；均衡器使用27MHz内同步系统时钟；在群时延均衡器输出端，信号使用54MHz开关时钟采样。

6. 一种应用于权利要求4所述的数模兼容电视发射机激励器中的均衡器，其特征在于，均衡器包含有均衡存储器；而均衡存储器分为二部分：

第一部分，存储为均衡视频信号的合成信号和含有视频放大器倾斜曲率特性的信息，各种阈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，需要计算各种辅助量和限制阈值。

7. 一种应用于权利要求4所述的数模兼容电视发射机激励器中的均衡器，其特征在于，其末端设有输出缓冲器，经过预校正的信号，对于模拟电视发射机来说，还需要进行D/A变换；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D/A变换器、一个平衡放大器、一个抗混淆滤波器、一个输出放大器和测量放大器；经预校正的模拟复合信号送到安装在板后的连接头，在后续的调制器中做进一步处理；在模块正面有四个测量复合信号的输出端，使每个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。

8. 如权利要求1所述的数模兼容电视发射机激励器，其特征在于，其调制器模块是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输出；调制器提供有一个射频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经由这条路径；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。

9. 一种应用于权利要求8所述的数模兼容电视发射机激励器中的调制器，包含有混合器；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，加到调制器，在此I信号与视频载波相位+45°的本机频率混合，同时Q信号与相位-45°的本机频率混合；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。

10. 如权利要求1所述的数模兼容电视发射机激励器，其特征在于，其合成器将经过混合和调制的二个信号在合成器中相加，为发射机给出射频RF信号；合成器的参考频率由内置的GPS接收机或外部模块提供。

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