在數(shù)字電視相關(guān)技術(shù)中，接收機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)難度高，而能否實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的接收性能又直接影響到數(shù)字電視終端節(jié)目顯示的效果。那么，如何選擇一款具有良好接收性能的數(shù)字電視解調(diào)芯片呢？這需要進(jìn)行系統(tǒng)地評(píng)估以確定解決方案。在下文中作者將從數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)的特點(diǎn)、接收機(jī)中降低干擾的常見(jiàn)電路和ATSC地面接收機(jī)的測(cè)試方法等方面來(lái)進(jìn)行闡述，希望能為數(shù)字電視生產(chǎn)廠(chǎng)商提供一些參考，以便更系統(tǒng)性地選擇高質(zhì)量的解調(diào)解碼芯片。
數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)的特點(diǎn)
真正的數(shù)字電視廣播是指圖像和聲音都經(jīng)過(guò)數(shù)字壓縮后，通過(guò)數(shù)字的方式在信道上傳播的電視廣播。數(shù)字電視廣播又分為衛(wèi)星數(shù)字電視廣播、有線(xiàn)數(shù)字電視廣播和地面(無(wú)線(xiàn))數(shù)字電視廣播。目前已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用的地面數(shù)字電視廣播有ATSC和DVB-T兩種模式。ATSC主要應(yīng)用在北美和韓國(guó)，DVB-T主要應(yīng)用在歐洲、大洋洲和中國(guó)的臺(tái)灣地區(qū)。中國(guó)國(guó)內(nèi)也有部分DVB-T廣播。除了ATSC和DVB-T之外，另外還有已經(jīng)制定的日本ISDB-T和中國(guó)正在制定的地面廣播標(biāo)準(zhǔn)。
地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)包括節(jié)目制作、信源(節(jié)目包括圖象和伴音)壓縮編碼、信道編碼和調(diào)制、發(fā)射天線(xiàn)、信道(主要是空氣)傳播、接收天線(xiàn)、接收解調(diào)和糾錯(cuò)、信源解壓和終端顯示。在現(xiàn)有的ATSC和DVB-T系統(tǒng)中，圖象壓縮編碼都是采用MPEG2。ATSC中的伴音采用AC3，但DVB-T中的伴音則采用MPEG-2。
和傳統(tǒng)的模擬電視廣播相比，數(shù)字電視廣播的一大特點(diǎn)是它的“數(shù)字效應(yīng)”，也就是說(shuō)接收效果要么很好，要么就收不到，中間幾乎沒(méi)有過(guò)渡帶。一般模擬電視廣播中常見(jiàn)的重影和雪花點(diǎn)在數(shù)字電視廣播中是看不到的。數(shù)字電視接收機(jī)中有專(zhuān)門(mén)的消重影和消雪花電路來(lái)保證接收數(shù)字信號(hào)的完整性。從而使MPEG層的誤碼率達(dá)到MPEG-2解碼所能容許的范圍以?xún)?nèi)。如果信道中的重影和雪花超過(guò)了接收機(jī)的能力，則接收到的MPEG-2碼流會(huì)包含大量的誤碼，從而引起MPEG-2解壓失效，這時(shí)就沒(méi)有圖像和伴音了。
與衛(wèi)星和有線(xiàn)數(shù)字電視廣播不同，數(shù)字電視地面廣播的信道主要是近地大氣層。因此數(shù)字電視廣播的另一大特點(diǎn)是接收到的信號(hào)會(huì)包含大量的反射波和隨機(jī)干擾。而反射波又包括靜態(tài)反射波和動(dòng)態(tài)反射波。靜態(tài)反射波主要包括由周?chē)ㄖ镆鸬姆瓷洳ǎ車(chē)孛妗⑺婧蜕襟w的反射波。周?chē)ㄖ姆瓷洳ㄔ跁r(shí)間延遲上呈離散分布，這是因?yàn)榻ㄖ锵鄬?duì)于電磁波的傳播空間來(lái)說(shuō)是很小的，而周?chē)孛妗⑺婧蜕襟w的反射波則呈連續(xù)分布。
圖：ATSC數(shù)字電視地面廣播接收器架構(gòu)。
動(dòng)態(tài)反射波通常是周?chē)\(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的，例如附近的汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等。如果采用室內(nèi)天線(xiàn)，則還包括附近走動(dòng)的人和其它動(dòng)物等。即使在通常的靜態(tài)反射波情況下，反射波也不是穩(wěn)定的。反射波一方面受空氣熱擾動(dòng)的影響，另一方面接收天線(xiàn)受風(fēng)的吹動(dòng)也使得反射波的強(qiáng)度和相位受到影響，所以說(shuō)真正靜止穩(wěn)定的反射波模型在實(shí)際應(yīng)用中是不存在的。
地面數(shù)字電視接收機(jī)中的常見(jiàn)干擾處理電路
在模擬電視的圖像中，反射波表現(xiàn)為重影，而隨機(jī)干擾則表現(xiàn)為雪花點(diǎn)。還有一些干擾，如單頻干擾表現(xiàn)為網(wǎng)格，非線(xiàn)性干擾則表現(xiàn)為斜條。而在數(shù)字電視接收機(jī)中，所有這些干擾都反映在接收機(jī)的誤碼率上。現(xiàn)在所有的地面數(shù)字電視接收機(jī)中都有專(zhuān)門(mén)的電路來(lái)減小這些干擾對(duì)誤碼率的影響。在ATSC和DVB-T中，各種干擾的影響是不一樣的。下面以ATSC為例探討一些常見(jiàn)的電路。
1. 消回波電路
一般的ATSC接收機(jī)都用自適應(yīng)判決反饋均衡器來(lái)實(shí)現(xiàn)消回波電路。一個(gè)好的消回波電路應(yīng)該具有跟蹤響應(yīng)時(shí)間快、回波覆蓋范圍大、自適應(yīng)噪聲低的特點(diǎn)。
自適應(yīng)判決反饋均衡器由前向均衡部分和判決反饋均衡部分組成。要實(shí)現(xiàn)好的消回波性能，該判決反饋均衡器必需有足夠多的抽頭系數(shù)，尤其要有足夠多的前向均衡抽頭系數(shù)。因?yàn)橹挥羞@樣才可以充分利用天線(xiàn)所接收到的所有回波的能量，以提高接收機(jī)信噪比，而不只是把回波抵消掉。
但是，單純?cè)黾泳馄鞒轭^系數(shù)并不能解決全部問(wèn)題。一方面，如果抽頭系數(shù)多了，均衡器的自適應(yīng)跟蹤性能會(huì)下降，以至于跟不上動(dòng)態(tài)回波的變化而嚴(yán)重影響接收機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的性能；另一方面，如果抽頭系數(shù)多了，后均衡器由自適應(yīng)調(diào)整引起的內(nèi)部噪聲會(huì)變大，從而影響接收機(jī)的信噪比。當(dāng)然抽頭系數(shù)多也會(huì)增加接收機(jī)的成本。多重因素的矛盾需求決定了消回波電路是ATSC接收機(jī)中大量技術(shù)創(chuàng)新的部分。
早期ATSC接收機(jī)的設(shè)計(jì)中采用稀疏抽頭自適應(yīng)判決反饋均衡器來(lái)降低成本和自適應(yīng)噪聲。稀疏抽頭自適應(yīng)判決反饋均衡器的基本原理是只在那些真正有回波的時(shí)延位配置抽頭，而其他的位置不配置。設(shè)計(jì)者希望真正需要配置抽頭的位置不多(因而得名稀疏抽頭)，這樣既降低了成本，又降低了自適應(yīng)噪聲。
顯然，這需要假定回波是靜態(tài)或者變化十分緩慢和離散的。而我們知道，真正的靜態(tài)離散回波在實(shí)際應(yīng)用中是不存在的。稀疏抽頭自適應(yīng)判決反饋均衡器在實(shí)際應(yīng)用中并不理想。它一方面需要大量的電路來(lái)檢測(cè)回波的變化，以便及時(shí)變更抽頭配置；另一方面，不精密的抽頭配置和頻繁的更換引起的噪聲也降低了接收機(jī)的性能。
在消回波電路設(shè)計(jì)中的另一點(diǎn)考慮是所謂的前向回波(PRE-ECHO)和后向回波(POST-ECHO)。這是以信道沖擊響應(yīng)的能量點(diǎn)為參考點(diǎn)的，比點(diǎn)來(lái)得早的回波是前向回波，來(lái)得晚的是后向回波。因?yàn)殡姶挪芰康膫鞑ルS著距離增加而衰落，而來(lái)的早的回波比來(lái)的晚的回波經(jīng)過(guò)的距離短，所以信道沖擊響應(yīng)的能量點(diǎn)在整個(gè)信道沖擊響應(yīng)中是比較靠前的。也就是說(shuō)前向回波會(huì)比后向回波短。這一點(diǎn)在均衡器設(shè)計(jì)中要做相應(yīng)的考慮，盲目增加前向回波范圍而不增加對(duì)應(yīng)的后向回波范圍，雖然在實(shí)驗(yàn)室中可以測(cè)試出好效果，但在實(shí)際應(yīng)用中是不會(huì)取得好效果的。
2. 消噪聲電路
接收機(jī)中的噪聲一方面源自熱噪聲，另一方面源自接收機(jī)內(nèi)部噪聲。接收機(jī)內(nèi)部噪聲又包括量化噪聲、均衡器的自適應(yīng)噪聲，鎖相環(huán)(PLL)的剩余噪聲等等。對(duì)熱噪聲只能用濾波的辦法使之減少。量化噪聲可以通過(guò)提高接收機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)的精度和內(nèi)部運(yùn)算精度來(lái)改善。鎖相環(huán)(PLL)的剩余噪聲可以利用動(dòng)態(tài)參數(shù)鎖相環(huán)的技術(shù)來(lái)降低。
3. 消干擾電路
ATSC接收機(jī)的干擾主要是鄰頻和同頻的NTSC和ATSC干擾。尤其以鄰頻NTSC干擾為嚴(yán)重。這是因?yàn)橄骂l道的伴音載頻離有用信號(hào)只有0.25MHz，而上頻道的圖像載頻離有用信號(hào)只有1.25MHz。這就要求接收機(jī)有經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)的濾波電路和剩余窄頻干擾消除電路。干擾信號(hào)有時(shí)比有用信號(hào)大得多，所以要求接收機(jī)有大的動(dòng)態(tài)范圍。增加接收機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度有利于提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。
4. 抗相位抖動(dòng)電路
相位抖動(dòng)多為調(diào)諧器受外界干擾而產(chǎn)生。的干擾來(lái)自供電回路。所以相位抖動(dòng)的頻率大多為供電頻率的倍數(shù)。在美國(guó)，相位抖動(dòng)的頻率多為60HZ或120HZ。其它引起相位抖動(dòng)的因素包括傳播介質(zhì)的變化和天線(xiàn)的抖動(dòng)。但這些因素引起的相位抖動(dòng)頻率要低得多。傳統(tǒng)的抗相位抖動(dòng)的方法是在自適應(yīng)判決反饋均衡器后面加相位跟蹤器。這種辦法沒(méi)有去掉相位抖動(dòng)對(duì)自適應(yīng)判決反饋均衡器的影響。更好的辦法是在自適應(yīng)判決反饋均衡器前將相位抖動(dòng)的影響去掉，這樣，均衡器將可以更好地對(duì)信道回波進(jìn)行均衡。
一個(gè)具備良好的抗相位抖動(dòng)能力的接收機(jī)可以在一定程度上降低整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的工藝要求。同時(shí)也可以減輕對(duì)調(diào)諧器的要求，從而降低成本并提高整機(jī)的穩(wěn)定性。
ATSC接收機(jī)的測(cè)試方法
可以看出，一個(gè)好的地面數(shù)字電視接收機(jī)應(yīng)該有合理的回波消除范圍，以及較大的白噪聲容忍度和良好的抗干擾能力。那么，如何測(cè)試和評(píng)估一個(gè)接收機(jī)的性能呢？
ATSC委員會(huì)對(duì)ATSC接收機(jī)的性能有一個(gè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)A/74，該標(biāo)準(zhǔn)主要描述接收機(jī)的靜態(tài)性能。接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能是很難描述的，到目前為止并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。接收機(jī)的靜態(tài)性能可以用羅德施瓦茨公司的SFQ來(lái)測(cè)試，SFQ可以測(cè)試接收機(jī)的信噪比。一般的接收機(jī)都可以在2.5*10-4包誤碼率情況下達(dá)到15.5dB，好的接收機(jī)可以達(dá)到15.3dB以下。
SFQ還可以測(cè)試不超過(guò)5個(gè)點(diǎn)的離散靜態(tài)和動(dòng)態(tài)回波。不過(guò)，SFQ的動(dòng)態(tài)回波只是在固定的回波時(shí)延上加上不同的相位，而不是真正意義上的動(dòng)態(tài)回波，真正的動(dòng)態(tài)回波的時(shí)延和相位都是可變的。需要指出的是，羅德施瓦茨公司的SFU已經(jīng)具備了測(cè)量離散動(dòng)態(tài)回波(包括時(shí)延和相位)的能力。而市面上還沒(méi)有好的商用儀器可以測(cè)試連續(xù)回波，原因之一是這類(lèi)回波并沒(méi)有很好的模型可以描述。
通常廠(chǎng)家只給出單個(gè)回波的前向和后向時(shí)延測(cè)試結(jié)果，這在實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有太大意義，因?yàn)閹缀鯖](méi)有任何情況下的回波是單個(gè)的。測(cè)量接收機(jī)能夠同時(shí)處理的兩個(gè)回波的時(shí)延差，可以更好地了解接收機(jī)對(duì)靜態(tài)離散回波的處理能力。一般好的接收機(jī)能夠處理的時(shí)延差可以達(dá)到50微秒以上。
對(duì)于消干擾電路的測(cè)試主要基于對(duì)鄰頻干擾和同頻干擾的測(cè)試。其中又分為數(shù)字鄰頻干擾、同頻干擾和模擬鄰頻干擾、同頻干擾。一般可以用SFQ再加另一臺(tái)數(shù)字或模擬電視信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)混合電路。不過(guò)要精確地控制和測(cè)量混和信號(hào)中有用信號(hào)和干擾信號(hào)的功率并不是一件容易的事。一般的ATSC接收機(jī)應(yīng)可以做到40dB以上的抗鄰頻干擾能力和抗-15dB數(shù)字2dB模擬同頻干擾能力。羅德施瓦茨公司的SFU在這方面有很大改善。
考慮到真正的靜態(tài)模型在實(shí)際應(yīng)用中是不存在的，所以上面談到的靜態(tài)測(cè)試結(jié)果不一定就與實(shí)際用戶(hù)經(jīng)驗(yàn)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。也就是說(shuō)，靜態(tài)測(cè)試性能好的接收機(jī)不一定在實(shí)際應(yīng)用中就有好的表現(xiàn)。正是考慮到這一點(diǎn)，人們常用ATSC RF測(cè)試集來(lái)評(píng)價(jià)ATSC接收機(jī)的性能。ATSC RF測(cè)試集是由ATSC標(biāo)準(zhǔn)制定委員會(huì)記錄的，由不同廠(chǎng)家用不同天線(xiàn)在美國(guó)不同地點(diǎn)實(shí)地采集到的ATSC數(shù)字信號(hào)。
ATSC RF測(cè)試集由50個(gè)信號(hào)采樣組成。對(duì)每個(gè)信號(hào)序列的測(cè)試結(jié)果分為四類(lèi)：類(lèi)圖像無(wú)干擾；第二類(lèi)圖像有干擾但無(wú)間斷；第三類(lèi)圖像有間斷；第四類(lèi)無(wú)完整圖像。好的接收機(jī)的結(jié)果中、二類(lèi)的結(jié)果應(yīng)占50%以上，但是這個(gè)信號(hào)集并不是完美無(wú)暇的。由于這些信號(hào)主要是在美國(guó)東部紐約和華盛頓附近采集的，
它們主要反映了平原地區(qū)大城市附近的情況，對(duì)美國(guó)中西部的山區(qū)，湖區(qū)環(huán)境則代表性不足。但由于這個(gè)ATSC RF信號(hào)集是公開(kāi)的，由多個(gè)廠(chǎng)商聯(lián)合完成的，有準(zhǔn)確的記錄，所以可用來(lái)比較公正地測(cè)試不同接收機(jī)在特定環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)。
另一個(gè)常提到的測(cè)試是巴西測(cè)試集。巴西測(cè)試集由五組不同的靜態(tài)離散回波參數(shù)組成，每組不超過(guò)五個(gè)靜態(tài)離散回波。綜合上面的敘述，我們知道真正的離散靜態(tài)模型在實(shí)際應(yīng)用中是不存在的，所以巴西測(cè)試集多為市場(chǎng)考量。羅德施瓦茨公司的SFQ可用于測(cè)試巴西測(cè)試集。加拿大通訊研究中心(CRC)是一個(gè)可以提供ATSC接收機(jī)測(cè)試的一個(gè)第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)。它無(wú)疑對(duì)那些沒(méi)有能力購(gòu)置大量?jī)x器的廠(chǎng)家提供了一個(gè)測(cè)試選擇。CRC現(xiàn)在可以提供ATSC接收機(jī)的靜態(tài)測(cè)試包括巴西測(cè)試集和ATSC RF測(cè)試集的測(cè)試。除了簡(jiǎn)單地改變靜態(tài)回波的相位外，CRC不做動(dòng)態(tài)回波測(cè)試。但ATSC RF測(cè)試集的測(cè)試結(jié)果對(duì)接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用具有參考價(jià)值。
綜上所述，在地面數(shù)字電視接收系統(tǒng)中，要想獲得良好的接收效果，一款具備高質(zhì)量解調(diào)能力的數(shù)字電視接收芯片是關(guān)鍵所在。這類(lèi)芯片應(yīng)該具備接收靈敏度高、抗干擾、消回波及糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特性。數(shù)字電視的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的數(shù)字電視接收機(jī)方案，必須選對(duì)設(shè)計(jì)方案中的關(guān)鍵芯片，包括前端的解調(diào)接收芯片及后端的解碼、顯示處理芯片。只有將它們組合后才能在電視機(jī)上呈現(xiàn)出顯示效果，讓人們真正享受到高清視覺(jué)的體驗(yàn)。