CN101742133A - 数字电视单频网射频适配器及其宽带网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明为数字电视单频网射频适配器及其宽带网络系统，适配器包括可编程模块，宽带射频信号F_M经下变频滤波得到宽带中频信号IF1。IF1接入中频增益控制模块得信号功率恒定的宽带中频信号IF2。A/D转换得数字信号DATA1，接入可编程模块按设定的延时形成DATA2＝DATA1+Δt。再经D/A转换成为与IF2频域一致、时域已延时的宽带中频信号IF3，IF3经上变频滤波恢复得到经过延时的宽带射频信号。本宽带网络系统配置了本单频网射频适配器。多路音视频节目源经前端部分的信源处理模块、信道处理模块和小信号宽带合成器成为小信号宽带射频信号F_M。信号链路传输至各节点，各节点的单频网射频适配器调整信号时延，各宽带发射机对信号F_M功放、发射，提高系统稳定性和覆盖效果，且降低成本。

Description

数字电视单频网射频适配器及其宽带网络系统

(一)技术领域

本发明涉及数字电视地面广播技术领域，具体为一种数字电视单频网射频适配器及其采用本单频网射频适配器的数字电视单频网宽带网络系统。

(二)背景技术

在数字电视地面广播(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)网络系统中，为满足移动和固定接收等多种业务需要，在300～3000MHz的UHF频段内，采用多个频道(或信道)同时发射，建设区域性多频道(或信道)单频网(Single Frequency Network，SFN)，这种系统必然涉及发射频道更变的工程优化等过程。DTTB的多频道单频网系统(Multi-band SingleFrequency Network system，M-SFNS)前端需要多路信道处理设备，如调制器、上变频器、适配器等，多部单频道发射机还要经过价格昂贵的多频点大功率多工器来合成，合成后所形成的多频道(或通道)很难随时调整。

改进的方案是采用宽带发射机系统来满足多频道发射的技术需要。这种改进的方案虽然能明显克服多部单频道发射机经多工器合成后所形成的多频道难以实现随时调整的缺陷，但是在搭建多频道单频网的宽带发射方式覆盖网络中，需要在宽带信号产生前以GPS信号为时间基准对每个频道通过特定的设备(调制器、单频网适配器等)分别进行延时调整，以克服多径干扰。这就大幅度增加了系统的工程造价，增加系统设备数量，降低系统运行可靠性，增加运行成本。使DTTB网络对于几十套电视节目、多通道移动电视、高清晰度电视等新业务发展需要的承载能力受限。从而影响了DTTB大规模推广应用的市场推进速度。

为了更好更快发展数字电视地面广播网络系统，需要开发新型的单频网射频适配装置，以构建覆盖效果好、稳定性强，并且工程造价低和运行成本低的数字电视地面广播多点单频网宽带发射区域网络系统。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种数字电视单频网射频适配器，在网络的不同节点进行宽带射频上的时延调整。

本发明的另一目的是提供一种采用上述单频网射频适配器构建的数字电视宽带网络系统，本系统采用射频信号的链路传输工程技术和本发明的单频网射频适配器调整信号时延，使得系统中既不存在频率偏差又能调整发射覆盖信号时延，提高系统的覆盖效果和稳定性。

本发明设计的数字电视单频网射频适配器结构如下：包括上下变频滤波模块、基准时钟、中频增益控制模块，还有可编程模块、高速模数及数模转换模块。基准时钟I与锁相环模块组成标准锁相环电路与可编程模块连接受其控制，标准锁相环电路分别接入上下变频滤波模块，送入本振信号f2。含有多个物理频道的、基准时间为t₀的宽带射频信号F_M接入下变频滤波模块，输入信号在此和本振信号进行一次或多次变频，通过滤波后取出信号的边带，得到含有多个频谱段的宽带中频信号IF1。下变频滤波模块接入中频增益控制模块，中频增益控制模块消除传输链路的信号不稳定的影响，得到信号功率恒定的、含有多个频谱段的宽带中频信号IF2。中频增益控制模块接入高速模/数转换模块，将中频信号IF2转换成为数字信号DATA1，接入可编程模块。可编程模块接有数据存储器和键盘显示模块。可编程模块与锁相环模块连接，输出锁相环控制信号。基准时钟II的本振信号f3接入高速模/数转换模块、可编程模块和高速数/模转换模块。f3的最低频率满足奈奎斯特采样定理。可编程模块将收到的数字信号DATA1送入数据存储器存储，并根据程序设定的延时时长Δt，按照先入先出的原则从数据存储器中读出DATA1，形成DATA2＝DATA1+Δt。可编程模块与高速数/模转换模块相连接，完成延时后的数字信号DATA2经过高速数/模转换模块转换，成为含有多个频谱段的宽带中频信号IF3，IF3和IF2在频域上完全一致，但在时域上已是经过延时，IF3＝IF2+Δt。高速数/模转换模块的输出接入上变频滤波模块。IF3信号在上变频滤波模块和本振信号f2进行一次或多次变频，通过滤波后取出信号的边带，最终恢复得到含有多个物理频道的经过延时的宽带射频信号F_M/(t₀+Δt)，从而实现了对射频信号的延时调整。当系统的硬件固有延时为Ta，则恢复出的最终信号为F_M/(t₀+Ta+Δt)。

可编程模块可为现场可编程门阵列FPGA模块或者数字信号处理DSP模块。

当上下变频滤波器进行多次变频时，可以有多个本振信号f2。

中频增益控制模块与可编程模块连接，受其程序控制，使IF2功率保持为设定的恒定值；或者中频增益控制模块为模拟自动增益电路AGC模块。

输入的射频信号F_M经过下变频滤波模块的一次或多次变频，可编程模块输出中频信号IF3经过上变频滤波模块的一次或多次变频，本振信号的频率变量在上下变频中相互抵消，从而使得本适配器的输入输出的频率完全一致，完全排除了内部本振频率偏差对系统造成的影响。

本适配器中的高速数/模转换模块的采样、高速模/数转换模块的变换、可编程模块的工作时钟、数据存储器的读写时钟都采用了同一个基准时钟II的本振信号f3，这样使得本适配器的宽带中频信号IF2和IF3的频率完全一致，同时数据存储器也不会产生数据溢出或错位。

本发明的数字电视宽带网络系统，包括前端部分、单点多频道发射模块、信号链路传输和多点多频道发射部分，其多点多频道发射部分配置了本发明的单频网射频适配器。

前端部分包括信源处理模块、信道处理模块和小信号宽带合成器。信源处理模块将多路音视频节目源分别进行编码-复用，形成1～n路的多节目传输流(Multi-Program Transport Stream，MPTS)MPTS1～MPTSn。其中n为2～199的正整数。信源处理模块的多路MPTS输出分别接入信道处理模块的相应的激励器1～n，进行调制映射，变频后分别形成不同频道的射频信号F1、F2……Fn。各射频频道信号F1、F2……Fn的射频中心频率为F₀₁、F₀₂……F_0n。这些不同频道的射频信号F1、F2……Fn接入小信号宽带合成器，合成为含有n路频道的小信号宽带射频信号F_M，它的基准时间为t₀。该小信号宽带射频信号F_M频谱连续或者不连续。

小信号宽带射频信号F_M可接入单点多频道发射模块，直接由宽带发射机对含有n个物理频道的宽带射频信号F_M进行功率放大后发射；或者，经信号链路传输送至本宽带网络系统的各节点的信号转换器，经信号转换后接各节点的单频网射频适配器调整相应的射频输入信号的时延，再经各节点的宽带发射机对含有n个物理频道的宽带射频信号F_M进行功率放大后发射。信号传输链路为光纤网络、或有线网络、或微波网等，将前端部分小信号宽带合成器送出的包含有F1、F2……Fn的宽带射频信号FM送到各个节点1、节点2……节点N。N为2～9999的正整数。各节点链路传输距离不同，射频信号在链路传输时延不同，在各节点的信号转换器上恢复出各节点的不同传输时延t₀、t₁、t₂……t_N的宽带射频信号F_M/t₀+t₁、F_M/t₀+t₂……F_M/t₀+t_N，其中t₀为初始时间。t₀、t₁……t_N中的最大值为tmax。

各节点的信号转换器对应不同的信号传输链路，为光接收器、或滤波器、或变频器等。

节点1、节点2……节点N分别有单频网射频适配器1、单频网射频适配器2……单频网射频适配器N。

节点1的单频网射频适配器1输入宽带射频信号F_M/t₀+t₁，其附加信号时延为tmax-t₁，输出宽带射频信号F_M/tmax+t₀；

节点2的单频网射频适配器2输入宽带射频信号F_M/t₀+t₂，其附加信号时延为tmax-t₂，输出宽带射频信号F_M/tmax+t₀；

依此类推，节点N的单频网射频适配器N输入宽带射频信号F_M/t₀+t_N，其附加信号时延为tmax-t_N，输出宽带射频信号F_M/tmax+t₀；

该信号最终在各节点的发射时刻为t₀+tmax。

各节点的单频网射频适配器分别对各自的输入宽带射频信号F_M进行时延调整后，分别送入各节点的宽带发射机1、宽带发射机2……宽带发射机N。各宽带发射机对射频信号进行宽带信号功率放大与发射，实现本系统的高覆盖效果。

本发明数字电视单频网射频适配器及其宽带网络系统的优点在于：1、以数字处理的方式实现了多频道单频网(M-SFNS)中对含有多个物理频道(谱)的宽带射频信号的时延精确调整；2、本适配器的输入输出的频率完全一致，完全排除了内部本振频率偏差对系统造成的影响，使得数字电视地面广播交叉覆盖区域的接收效果得到明显改善；3、本系统的信号传输链路中信号传输无需依靠GPS信号作为基准，也不需要在各个节点进行单频道信道处理(调制映射、SFN适配)、上变频、射频单频道功率放大后再进行大功率合成后发射，免除了多频道功率合成的发射功率损耗，有效提高了整个系统的工作效率；4、所有节点和传输链路中都使用同一路的含有多个物理频道(谱)宽带射频信号F_M，因此在整个覆盖网络中不存在频率偏差；5、射频处理设备的固有延时Ta极小，系统链路中所有设备的固有时延Ta还可以作为一个常量通过单频网射频适配器的附加延时微调来补偿，保证了各节点的时延调整精确；6、本系统采用射频信号的链路传输和单频网射频适配器调整信号时延，使得系统中既不存在频率偏差又能调整发射覆盖信号时延，大大地提高了系统的覆盖效果和稳定性；7、本发明不仅保证了信号覆盖质量，且系统构建中节省了大量的设备(如调制器、适配器等)，特别摒弃了不方便系统发射频道优化调整、价格昂贵的多频点多工器对整体工程性价比影响，有效降低了工程造价和运行成本，明显提升了多频道单频网(M-SFNS)采用宽带发射方式的工程实现性。

(四)附图说明

图1为本数字电视单频网射频适配器实施例结构示意图；

图2为本数字电视宽带网络系统实施例结构示意图。

(五)具体实施方式

数字电视单频网射频适配器实施例

本数字电视单频网射频适配器实施例结构如图1所示。包括上下变频滤波模块、基准时钟、中频增益控制模块，还有可编程模块、高速模数、数模转换模块。本例的可编程模块为现场可编程门阵列FPGA。

本例的基准时钟I为10MHz的恒温控制晶体振荡器OCXO，与锁相环模块连接组成标准锁相环电路，该电路与可编程模块连接受其控制，锁相环电路分别接入上下变频滤波模块，送入854MHz的本振信号f2。

输入的宽带射频频谱信号F_M的中心频点F_0M为714MHz，带宽为40MHz。FM信号包含了3个有效带宽为7.56MHz的不同频道信号F1、F2、F3，其中心频点F₀₁、F₀₂、F₀₃分别为698MHz、706MHz和730MHz，基准时间为t₀。

含有3个物理频道的、基准时间为t₀的宽带射频信号F_M接入下变频滤波模块，输入信号在此和854MHz的本振信号f2进行一次变频，由0～160MHz的低通滤波器滤除854MHz的本振信号和1568MHz的上边带信号，同时取出中心频率140MHz、带宽为40MHz的下边带信号IF1。下变频滤波模块接入中频增益控制模块，中频增益控制模块输出的宽带中频信号IF2，接入高速模/数转换模块，中频信号IF2转换成为数字信号DATA1，接入可编程模块FPGA。

本例的中频增益控制模块与可编程模块连接，30dB的中频增益控制模块受可编程模块FPGA的程序控制。可编程模块FPGA的程序根据高速模/数转换模块的10bitA/D采样的数据DATA1计算出含有多个频谱段的宽带中频信号IF2的平均功率电平，同时不断自动调整中频增益控制模块的数值，使IF2功率保持为设定的恒定值，数控的中频增益控制模块可以消除信号传输带入的不稳定因素，使发射功率始终维持恒定。

10bit的高速模/数转换模块和数/模转换模块信噪比约为62dB。由于输入信号的带宽为40MHz，根据带通采样定理，模/数和数/模的采样速率为80MHz。

可编程模块FPGA接有128MHz的高速数据存储器和键盘显示模块。

本例的基准时钟II为80MHz的晶振，其将本振信号f3接入高速模/数转换模块、可编程模块和高速数/模转换模块。f3的最低频率满足奈奎斯特采样定理。

IF2中频信号经高速模/数转换模块转换成的10bit数字信号DATA1送入可编程模块FPGA处理后按照逻辑以80MHz的速率写入128MHz的高速数据存储器，同时可编程模块FPGA按照程序设定的延时在Δt时刻，以先入先出的原则从数据存储器中读出DATA1，形成DATA2＝DATA1+Δt。完成延时后的数据DATA2在80MHz时钟的速率下送入10bit高速数/模转换模块进行转换，重新得到中心频率为140MHz，带宽为40MHz的宽带多频谱信号IF3。IF3和IF2在频域上一致，在时域上IF3完成了IF2的Δt时延，IF3＝IF2+Δt＝f2-(F_M/t₀+Δt)。高速数/模转换模块接入上变频滤波模块。中心频点为140MHz的IF3信号和854MHz的本振信号f2进行变频后，由694MHz～734MHz的带通滤波器滤除854MHz的本振信号和994MHz的上边带信号，最终恢复出中心频点为714MHz、带宽40MHz的射频信号F_M，F_M包含3个频道信号F1、F2、F3，F1、F2、F3的中心频点F₀₁、F₀₂、F₀₃分别为698MHz、706MHz和730MHz，有效带宽各为7.56MHz，实现了射频信号F_M的Δt时延。

本例适配器硬件的固有延时为Ta，故本例适配器总延时为：Ta+Δt。数字电视宽带网络系统实施例

本数字电视宽带网络系统实施例采用中国国标GB20600-2006中C＝1选项的16QAM调制。本例系统结构如图2所示，包括前端部分、单点多频道发射模块、信号链路传输和多点多频道发射部分，其多点多频道发射部分配置了上例的本发明的单频网射频适配器。

前端部分包括信源处理模块、信道处理模块和小信号宽带合成器。几十套标准清晰度电视(含若干高清晰度电视)等节目源送入信源处理模块，在此多路音视频节目源分别进行编码-复用，分为3个信道的多节目传输流MPTS1、MPTS2和MPTS3。信源处理模块的3路MPTS输出分别接入相应的激励器1～3，进行调制和上变频，分别形成不同频道的小功率射频信号F1、F2、F3，它们的频道信号有效带宽均为7.56MHz，频道带宽均为8MHz。F1的中心频点F₀₁为698MHz；F2的中心频点F₀₂为706MHz；F3的中心频点F₀₃为730MHz。这些不同频道的射频信号F1、F2、F3接入小信号宽带合成器，合成为含有3个频道的小信号宽带射频信号F_M/t₀，其中心频点F_0M为714MHz，其总带宽为40MHz，基准时间为t₀。其中F1和F2为邻频频谱，F3为隔频频谱。

小信号宽带射频信号F_M/t₀的一路接入单点多频道发射模块，直接经宽带发射机A对含有3个物理频道的宽带射频信号F_M/t₀进行功率放大后发射。对于单点发射无需时延调整。

小信号宽带射频信号F_M/t₀还经信号链路传输送至本宽带发射机网络系统的3个节点，经各节点的单频网射频适配器调整相应的射频输入信号的时延，再经各节点的宽带发射机对含有n个物理频道的宽带射频信号F_M进行功率放大后发射。

本例的信号传输链路为光纤网络，不是传输多节目传输流MPTS，而是直接将包含有F1、F2、F3的宽带射频频谱信号F_M/t₀通过光纤网络传输到3个节点。在各节点的信号转换器光接收机恢复出包含有F1、F2、F3的宽带射频频谱信号F_M，分别送入各节点的单频网射频适配器1、单频网射频适配器2、单频网射频适配器3。

本例节点1的光纤长度10km，造成的链路信号时延为t1＝33μs；节点2的光纤长度30km，造成的链路信号时延为t2＝100μs；节点3的光纤长度50km，造成的链路信号时延为t3＝167μs，最大时延tmax＝167μs。为保证3个节点发射的交叉覆盖区的可靠接收，按该系统中的最大延时为参照来校调各节点的延时，由此设定节点1的单频网射频适配器1的附加延时为tmax-t1＝134μs，节点2的单频网射频适配器2的附加延时为tmax-t2＝67μs，节点3的单频网射频适配器1的附加延时为tmax-t3＝0μs。各节点输出的宽带射频信号均为F_M/tmax+t0，即该信号最终在各节点的发射时刻为t₀+167μs。

各节点的单频网射频适配器分别对各自的输入宽带射频信号F_M进行时延调整后，分别送入各节点的宽带发射机1、宽带发射机2、宽带发射机3。各宽带发射机对射频信号进行宽带信号功率放大与发射。

3个发射点的包含有F1、F2、F3的宽带射频频谱信号FM在经过各自的单频网射频适配器调整时延后，形成3个相同内容、相同频率、相同发射时刻的包含有F1、F2、F3的宽带射频频谱信号(F_M/t₀+167μs)；该信号分别由各自的宽带发射机进行发射，形成一张有3个发射点和3个物理频道的采用宽带发射机的多频道单频网系统M-SFNS。

在系统链路中所有设备的固有时延Ta作为一个常量由单频网射频适配器的附加延时微调补偿。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.数字电视地面广播单频网射频适配器，包括上下变频滤波模块、基准时钟、中频增益控制模块，其特征在于：

还有可编程模块、高速模数和数模转换模块；

基准时钟I与锁相环模块组成标准锁相环电路与可编程模块连接受其控制，标准锁相环电路分别接入上下变频滤波模块，送入本振信号f2；含有多个物理频道的、基准时间为t₀的宽带射频信号F_M接入下变频滤波模块，输入信号在此和本振信号进行一次或多次变频，通过滤波后取出信号的边带，得到含有多个频谱段的宽带中频信号IF1；下变频滤波模块接入中频增益控制模块，得到信号功率恒定的、含有多个频谱段的宽带中频信号IF2，IF2＝IF1；中频增益控制模块接入高速模/数转换模块，中频信号IF2转换成为数字信号DATA1，接入可编程模块；可编程模块接有数据存储器和键盘显示模块，可编程模块与锁相环模块连接，输出锁相环控制信号；基准时钟II的本振信号f3接入高速模/数转换模块、可编程模块和高速数/模转换模块；可编程模块将收到的数字信号DATA1送入数据存储器存储，并根据程序设定的延时时长Δt，按照先入先出的原则从数据存储器中读出DATA1，形成DATA2＝DATA1+Δt；可编程模块与高速数/模转换模块相连接，完成延时后的数字信号DATA2经过高速数/模转换模块转换，成为含有多个频谱段的宽带中频信号IF3，IF3＝IF2+Δt；高速数/模转换模块接入上变频滤波模块，IF3信号在上变频滤波模块和本振信号f2进行一次或多次变频，通过滤波后取出信号的边带，恢复得到含有多个物理频道的经过延时的宽带射频信号F_M/(t₀+Δt)。

2.根据权利要求1所述的数字电视地面广播单频网射频适配器，其特征在于：

所述可编程模块可为现场可编程门阵列FPGA模块或者为数字信号处理DSP模块。

3.根据权利要求1所述的数字电视地面广播单频网射频适配器，其特征在于：

当系统的硬件固有延时为Ta，恢复出的最终信号为F_M/(t₀+Ta+Δt)。

4.根据权利要求1所述的数字电视地面广播单频网射频适配器，其特征在于：

有一个或多个相同的本振信号f2，上下变频滤波模块进行一次或多次变频。

5.根据权利要求1所述的数字电视地面广播单频网射频适配器，其特征在于：

中频增益控制模块与可编程模块连接，受其程序控制；或者中频增益控制模块为模拟自动增益电路AGC电路处理。

6.数字电视地面广播宽带发射网络系统，包括前端部分、信号链路传输和多点多频道发射部分，其特征在于：

所述多点多频道发射部分配置了权利要求1至5中任一项所述的数字电视地面广播单频网射频适配器；

前端部分包括信源处理模块、信道处理模块和小信号宽带合成器，信源处理模块将多路音视频节目源分别进行编码-复用，形成1～n路的多节目传输流MPTS1～MPTSn，其中n为2～199的正整数；信源处理模块的多路MPTS输出分别接入信道处理模块的相应的激励器1～n，进行调制映射，变频后分别形成不同频道的射频信号F1、F2……Fn；各射频频道信号F1、F2……Fn的射频中心频率为F₀₁、F₀₂……F_0n；这些不同频道的射频信号F1、F2……Fn接入小信号宽带合成器，合成为含有n路频道的小信号宽带射频信号F_M，它的基准时间为t₀，该小信号宽带射频信号F_M频谱连续或者不连续；

小信号宽带射频信号F_M经信号链路传输送至本宽带网络系统的各节点信号转换器，再接入各节点的单频网射频适配器，经各节点的单频网射频适配器调整相应的射频输入信号的时延，再经各节点的宽带发射机对含有n个物理频道的宽带射频信号F_M进行功率放大后发射。

7.根据权利要求6所述的数字电视地面广播宽带发射网络系统，其特征在于：

所述前端部分小信号宽带合成器送出的包含有F1、F2……Fn的宽带射频信号F_M经信号链路送到各个节点1、节点2……节点N，N为2～9999的正整数；各节点链路传输距离不同，射频信号在链路传输时延不同，在各节点的信号转换器上恢复出各节点的不同传输时延t₀、t₁、t₂……t_N的宽带射频信号F_M/t₀+t₁、F_M/t₀+t₂……F_M/t₀+t_N，其中t₀为初始时间；t₀、t₁……t_N中的最大值为tmax；节点1、节点2……节点N分别有单频网射频适配器1、单频网射频适配器2……单频网射频适配器N；

节点1的单频网射频适配器1输入宽带射频信号F_M/t₀+t₁，其附加信号时延为tmax-t₁，输出宽带射频信号F_M/tmax+t₀；

节点2的单频网射频适配器2输入宽带射频信号F_M/t₀+t₂，其附加信号时延为tmax-t₂，输出宽带射频信号F_M/tmax+t₀；

依此类推，节点N的单频网射频适配器N输入宽带射频信号F_M/t₀+t_N，其附加信号时延为tmax-t_N，输出宽带射频信号F_M/tmax+t₀；

该信号最终在各节点的发射时刻为t₀+tmax；

各节点的单频网射频适配器分别对各自的输入宽带射频信号F_M进行时延调整后，分别送入各节点的宽带发射机1、宽带发射机2……宽带发射机N，各宽带发射机对射频信号进行宽带信号功率放大与发射。

8.根据权利要求6所述的数字电视地面广播宽带发射网络系统，其特征在于：

所述信号传输链路为光纤网络、或有线网络、或微波网，所述各节点的信号转换器对应信号传输链路为光接收器、或滤波器、或变频器。

9.根据权利要求6所述的数字电视地面广播宽带发射网络系统，其特征在于：

小信号宽带射频信号F_M还接入单点多频道发射模块，直接由宽带发射机对含有n个物理频道的宽带射频信号F_M进行功率放大后发射。

10.根据权利要求6所述的数字电视地面广播宽带发射网络系统，其特征在于：

系统链路中所有设备的固有时延Ta作为一个常量由单频网射频适配器的附加延时微调补偿。

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