数字电视主要测量技术指标

数字电视的主要测量技术指标（一） 我们要准确把握数字电视传输网络质量的好坏，应该分三步。第一步：对平均功率，MER,BER这三个指标进行测量。MER、BER测量门限（实际经验总结）前端MERPro FEC BERPost FEC BER64QAM优良38dBuv1.00E-91.00E-9正常值36dBuv1.00E-81.00E-9临界值34dBuv1.00E-71.00E-8光节点MERPro FEC BERPost FEC BER64QAM优良36dBuv1.00E-91.00E-9正常值34dBuv1.00E-81.00E-9临界值32dBuv1.00E-71.00E-8放大器MERPro FEC BERPost FEC BER64QAM优良35dBuv1.00E-91.00E-9正常值33dBuv1.00E-81.00E-9临界值28dBuv1.00E-71.00E-8分支器MERPro FEC BERPost FEC BER64QAM优良32dBuv1.00E-81.00E-9正常值28dBuv1.00E-71.00E-9临界值24dBuv1.00E-61.00E-8机顶盒MERPro FEC BERPost FEC BER64QAM优良32dBuv1.00E-81.00E-9正常值28dBuv1.00E-71.00E-8临界值24dBuv1.00E-61.00E-7第二步：当这些指标恶化的时候，应该对其它指标进行详细的测量，判断造成网络质量恶化的原因。因为MER的恶化是最主要的因素，它将直接导致BER的下降并最终影响用户接收机的接收效果。所以因主要测试调制质量参数，找出问题原因。调制质量参数主要有：调制误差率、载波抑制、幅度不平衡、正交误差、相位抖动，RS解码前误码率等。其中调制误差率反映了调制的总体质量；载波抑制、幅度不平衡等反映调制中可能引起误差的主要原因；RS解码前误码率则反映了整个信道的可靠性的性能。对数字调制的直接测量是找到信号失真源头的有用工具。调制质量的估价是放在数字解调之后，自适应均衡器附近.第三步：利用星座图进行逐级排查。当然我们一般的测试工作只需要做第一步就可以，当网络有问题的时候做第二，三步；而且绝大多数时候我们第二，三步是同时进行的。建议即使网络正常也因该定时在网络前端执行第二，三步操作便于防范问题于未然。1.1.1. 平均功率 1.1.1.1. 数字信号电平和模拟信号电平的区别因为模拟电视图像内容是通过幅度调制来传送的，图像的内容是随时变化的，所以模拟电视的信道的功率取决于图像内容，根据图像的内容的不同，信道功率不断的变化。由于模拟电视行/场同步脉冲电平相对稳定，故我们把测量峰值电平作为判别模拟电视信号强弱的测量标准。所有的数字调制信号都有类似噪声的特性，信号在调制到射频载波之前被进行了随机化处理，所以当发送一个数字信号时，无论它是否传送数据，在频域中观察一般都是相同的。而且在频域中观察这样的信号通常也说明不了有关的调制方式，例如是QPSK，16QAM，还是64QAM，它只能说明信号的幅度、频率、平坦度、频谱再生等等。噪声信号的最大响应与噪声信号的功率没有关系。因为数字信号也是以噪声的形式出现，但它更像是随机加入到分析仪检测仪中的一组组脉冲，所以采用平均值作为功率系数更有价值。因为数字电视信号的信道功率相对稳定，不随内容而随机变化，所以数字电视用信道平均功率来表示本频道的功率。数字电视信号的平均功率电平也称作信道功率，这与模拟电视电平是完全不同的概念。数字信号的功率不能用峰值功率测量来完成，因为信道功率是和带宽有关的，带宽越宽，信道的平均功率越高。数字信号载波功率是正确接收的关键性因素之一，适当提高数字信号载波电平就可较大地提高抗干扰的能力。1.1.1.2. 数字信号电平的测量方法当用DVB-C描述QAM信号和用DVB-S描述QPSK信号时，都称调制的RF/IF信号为“载波”（C），主要是把它与来自用作有关基带解调“信号”（S）相区别。严格的说把数字信号描述为“载波”是不正确的，因为QPSK，QAM调制是抑制载波的调制机制。然而，工程师们继续使用“载波”作为该参数的称呼，特别是谈论“载”噪比时。其实载波说成像要信息功率更为恰当，确切的说应为RF/IF功率，是调制RF/IF信号的总功率。1.1.1.3. 数字调制信号的测量方法不同于模拟信号的原因（1）在数字调制信号中不出现载波（使用QPSK调制的DVB-S和使用QAM调制的DVB-C系统），或是有上千个载波（使用OFDM调制的DVB-T系统），所以不能测量载波。（2）带内的调制信号有平坦的频谱，非常类似于噪声。如果从频谱以上观察，则数字调制信号的频谱像噪声一样充满整个频道。（3）影响接收信号质量的参数与解码和误码校正前由通道（噪声，幅度和相位不等，回波等）引入的比特和字误差有关。（4）数字信号本身具有峭壁效应，不同于模拟信号。信号电平定义为在有效带宽内所选射频和中频信号的均方根值（RMS）功率。它是用热功率传感器或频谱仪在前端输出口和系统输出口进行测量所得。用热功率探头测量时必须没有任何其它信号（包括噪声）。在多信号系统中，也就是CATV网络，但频道的RF/IF功率需要进行频率选择，因此必须使用在热功率表前增加了频道滤波器并具有频带功率测量功能的频谱分析仪或测量接收机进行测量。数字传输的峰值功率比平均功率高6-10dB，在有线同轴网络中为了防止放大器的压缩和互调干扰产物，要求通过调节峰值功率来降低平均传输功率，数字调制信号电平可比模拟调制信号电平低10dB左右。图 11数字电视信号的频谱形状图 12通道功率测量的画面 数字电视的主要测量技术指标（二） 1.1.1. 调制误差率（MER）MER（Modulation Error Ratio）其中，I和Q是理想的QAM接收机相位图中的数据点，I和Q是由损伤引起的接收的数据点和理想的QAM相位图的点的误差，N是在数据抽样中捕获的点数。上式中的N是数据抽样的大小，他一般比相位图中的点数多，为了能捕获到具有代表性的抽样。换句话说，它是测量由任何损伤合法设计与理想的相位图点的位置相比的道德不理想导致的相位图族的变化。MER变化缓慢，随着干扰的增大，当出现误码率时，MER变化很快。在测量时，矢量分析仪首先对被测量数字调制信号进行接收和采样，调整信号经解调后于基准矢量信号进行比较。被测矢量信号与基准矢量信号之间的差矢量信号被称为误差矢量信号，有误差矢量信号中既包含幅度误差信息，也包含相位误差信息。在干扰小的时候MER可以被认为是信噪比测量的一种形式，它将精确表明接收机对信号的解调能力，因为它不仅包括高斯噪声，而且包括接收星座图上所有其它不可校正的损伤。如果信号中出现的有效损伤仅仅是高斯噪声，那么MER等于S/N。11 MER的原理示意图图MER的经验门限值对于64QAM为23.5dB，对于256QAM为28.5dB，低于此值，星座图将无法锁定。另外对不同的部分MER的指标也存有一些经验值：在前端38dB，分前端36dB，光节点34dB，用户26dB。1.1.2. 误差矢量幅度（EVM）和MER相关的参数是误差矢量幅度（EVM），它的定义为Smax是M相QAM相位图最远状态的矢量的幅度。其中I和Q是由损伤引起的接收的数据点和理想的QAM相位图的点的误差，N是在数据抽样中捕获的点数。EVM是在IQ(同相与正交)星座图上检测到的载波与其理论上的准确位置之间的距离，是“误差信号矢量”与“最大信号幅度”之比，表达为RMS百分比值。在干扰小的时候EVM变化很快，当接近数字信号即将崩溃的悬崖时，变化缓慢。EVM的定义和测量原理与MER非常相似，也是采用误差矢量的幅度来描述调制失真，只是在测量参数的定义上略有区别。MER和EVM的区别在于评价的基准不同。MER以基准矢量幅度的有效值为基准，而EVM则以基准矢量幅度的峰值为基准。12EVM的原理示意图图1.1.3. 比特误码率定义：BER（比特误码率）是发生误码的位数与传输的总位数之比BER 被叙述为大量传送码的错误码比率10的几次方来表示，例如测量得3E-7 表示在一千万次传送码有3 次被误解，此比率是采用少数的实际传送码来实际分析并统计而推估的值，越低的BER 代表越好的效能表现。BER(Pre-FEC)：纠错前误码率：FEC纠错算法可以检测出错误比特的数量，同时还可以纠正其中的一部分错误，纠错前的误码率就是实际发生错误的比特数量和总的传送比特数量的比值。BER(Post-FEC)：纠错后误码率：FEC纠错算法在检测出有多少错误比特后，根据自身的纠错能力，纠正错误比特当中的一部分或者全部的错误，用还没有被纠正的错误比特数量与总的传送比特数量进行比较就是纠错后的误码率。当信号质量很好的情况下，纠错前与纠错后的误码率数值是相同的，但有一定干扰存在的情况下，纠错前和纠错后的误码率是不同的，纠错后的误码率要更好。典型的目标值为1E-09，准无误码BER为2E-04；临界BER为1E-03；BER大于1E-03将丧失服务。尽管较差的BER 表示信号品质较差，但BER 不只是测量纯粹QAM 信号本身的情况，因为BER 测量侦测并统计每个被误解的码，他是一个灵敏的指标可指出问题是由瞬间的或突然发生的噪声干扰。测试的误码率的结果表示的意义科学计数法1.00E+001/1一个1.00E-011/10在十个里面一个1.00E-021/100在一百个里面一个1.00E-031/1000在一千个里面一个1.00E-041/10000在一万个里面一个1.00E-051/100000在十万个里面一个1.00E-061/1000000在一百万里面一个1.00E-071/10000000在一千万里面一个1.00E-081/100000000在一亿里面一个1.00E-091/1000000000在十亿里面一个1.1.4. MER与BER之间的关系数字电视和模拟电视图像方面很大的不同不仅仅是图像的清晰度更高，还有其他不同的特性，当模拟电视和数字电视同时受到噪声信号干扰的时候，随着噪声和干扰信号的增加，模拟电视的图像会渐渐恶化，由开始的清晰逐渐变为有雪花，最后雪花越来越多，最后无法观看，有一个渐变的过程，但是数字电视信号不同，数字电视信号有一定的抗干扰性，小的干扰可能不会引起数字信号出现差错，干扰逐渐增大，数字信号出现误码，但是由于有FEC纠错编码机制，对少量的错误可以全部进行纠正，当出差错的数据超过一定的数量，超过了纠错编码的错误纠正能力，信号出现错误，图像便出现了马赛克，甚至马上不能观看图像。这些变化都是在一个门限处发生的，速度很快。这种特性称为数字信号的悬崖效应。示意图如下所示。13模拟和数字电视信号对增加的损伤的不同响应图在明白MER和BER之间变化的相互关系之后，我们就可以理解上述现象的发生原理。MER可为接收机对传输信号进行正确解码的能力提供一个早期指示。根据前面MER的定义可知，MER将接收符号(代表调制图案中的一个数字值)的实际位置与其理想位置进行比较。当信号质量降低时，接收符号距离理想位置更远，MER测量值将会减小。随着噪声和干扰的增大，MER逐渐降低，而BER仍然保持不变。但是当干扰增加到一定程度，MER继续下降，BER开始增加。14干扰信号对MER和BER变化的影响图上图是MER和BER之间相互关系的一个简单说明。实际在一个星座图中是不会同时出现这几种情况的，这里时间四种不同的情况综合在一起进行互相对比说明。第一象限红色的点是MER的最佳状态，所有点几乎都集中在理想位置；第二象限绿色的点受到一些噪声干扰，干扰比较小，所以基本都环绕在理想中心位置周围，属于比较好的MER；第三象限的蓝色点受到的干扰比较大，各个点无规则的散落在方框内，这时MER的指标比较差；第四个象限受到和很大的干扰，各个点不仅散落在本方框内，而且还有两个点已经离开第四象限的范围，到了第一和第三象限。在第一、二、三象限中的信号有一个共同点，所有的点都落在了自己所在象限的方框内，根据数字电视信号的判决规则，只要在方框内就不会出现误码；只有第四象限的点到了别的方框，这些点一旦进入其它星座点的范围就被判决为该星座点，这样就出现了误码。这就是为什么在一定干扰信号下MER的值在下降，却没有出现误码，直到MER下降到一定程度，才会出现误码，BER的数值开始上升。数字电视的主要测量技术指标（三） 1.1.5. MER和EVM之间的关系EVM测量类似于MER，但表达形式不同。EVM表达为RMS误差矢量幅度与最大符号幅度的百分比值。信号缺陷增加时，EVM将会增大，而MER则会减小。 MER和EVM彼此可以相互进行转换。 其中 定义了在星座图中各点的均方根值。其中是M相QAM相位图最远状态的矢量的幅度。所以 式中V是M相QAM星座图的峰值功率和平均功率之比，对于DVB-C的64QAM调制方式，V的值是1.527。上面的公式式定义了MER和EVM的关系。数字电视的主要测量技术指标（四） 1.2. 用星座图判断故障1.2.1. 星座图的原理在一个星座图中所有I和Q信号可能的结合表现为网格形状，使他们容易说明引起干扰的事物，星座图图表可想象为带方框的数组，每个方框代表一个状态或符号。在理想的数据传输情形下每个被接收的传送码应会落在它方框的中心点，在实际上噪声，侵入干扰与反射会让传输符号离开理论的中心点移往相邻方框的边界。相邻方框之间的分界线称为“判断门坎”，如果传送的信号被干扰推挤一个符号跨越此门坎，它会被错误的理解视为属于相邻方框的符号因此成为一个错误码。符号的干扰不足以推挤跨越门坎则永远被理解为属于正常的。星座图是一个很好的故障排除辅助工具，它可提供关于干扰的来源与种类的线索。由于屏幕上的图形对应着幅度和相位，符号阵列的形状可用来分析和确定系统或信道的许多缺陷和畸变，并帮助查找其原因，使用星座图可以轻松发现各种调制问题。以下的图片显示可各种干扰下星座图对应的不同形状。以下是几种不同的故障所对应的星座图形状1.2.2. 相干干扰信号调制、传输网络、接收设备等均会引入连续的噪声干扰，如CSO/CTB，QAM信号中附带的噪声所产生的失真，会在星座图上形成明显的圆圈图形。如果有够多的连续噪声,在特定方框内所显示的符号形成一个粗环图形。圆环半径的大小代表带内相干干扰幅度的强弱。15相干干扰信号对星座图的影响图1.2.3. 相位噪声相位噪声是振荡器相对的相位不稳定的情况。如果此振荡器与信号处理相关(例如本地振荡器) ，这些相位不稳定会影响在信号上，在信号处理设备内的振荡器在设计上是只会对所处理的信号增加非常微小的相位噪声，然而不良的调制器或变频器可能在信号上增加明显的相位噪声影响，结果在星座图上显示出绕着图形中央旋转的现象。 16相位噪声对星座图的影响1.2.4. 增益压缩增益压抑是在信号传送路径上因有源器件(放大器或频率变换器)过载或不良的有源器件所导致的信号压缩失真，结果在星座图上显示出四个角落被扭曲造成四边弯成如弓形的现象，而不是正常的四方形形状。由于QAM调制的峰值因子较大，星座中半径越大的部分，压缩越严重。17信号增益压缩对星座图影响1.2.5. 幅度不平衡由于I，Q调制部分正交载波幅度的不平衡度造成星座图I/Q两轴增益不一致，从而造成接收符号脱离理想星座点，接收星座图变成长方形装，使MER和BER指标下降，通常是QAM调制器造成这个问题。18信号幅度不平衡对星座图影响图1.2.6. 正交不平衡正交度是指接收星座I，Q轴角度是否是90。由于I，Q调制部分正交载波相位正交性差，造成接收星座图有正方形变为菱形，两轴增益不一致，使MER和BER指标下降。通常是QAM调制器造成这个问题。19信号正交不平衡对信号造成的影响1.2.7. 载波抑制QAM调制是载波抑制调制方式，如果调制部分载波泄漏到输出单元，就会造成接收问题。如果载波抑制差，星座图表现为接收星座点整体平移，脱离理想星座位置，相当于星座上加直流偏置效果。图 110载波抑制不好对星座图的影响1.2.8. 噪声干扰在实际的网络系统中，QAM信号会一直被噪声干扰。噪声导致所显示的符号落在星座图方框内正常位置的周围，所以在累积一段时间长度后统计一特定方框内所有符号的落点就会形成如云般的形状，每个符号表示噪声干扰些微的差异。如果有够多的噪声干扰星座图会显示一些符号以表示超过判断门限形成 “误码” 。111受噪声干扰的信号对星座图的影响数字电视的主要测量技术指标（五） 1.2.9. 星座图测量画面技术指标说明ENM：估计噪声裕量：噪声裕量比BER更为有用，此测量可初步指示出数字业务接近失效的裕量，这是一个检查合格与否的快速而简单的测量方法，它可用来在安装过程中检查信号质量，还可以作为一种维护手段，对通过网络的信号质量作基本监测。BER(Pre-FEC)：纠错前误码率：FEC纠错算法可以检测出错误比特的数量，同时还可以纠正其中的一部分错误，纠错前的误码率就是实际发生错误的比特数量和总的传送比特数量的比值。BER(Post-FEC)：纠错后误码率：FEC纠错算法在检测出有多少错误比特后，根据自身的纠错能力，纠正错误比特当中的一部分或者全部的错误，用还没有被纠正的错误比特数量与总的传送比特数量进行比较就是纠错后的误码率。当信号质量很好的情况下，纠错前与纠错后的误码率数值是相同的，但有一定干扰存在的情况下，纠错前和纠错后的误码率是不同的，纠错后的误码率要更好。MER：调制误差率：MER包括了可能存在于商用接收机判决电路输入全部信号的劣化，因此能够指示出接收机正确解码信号的能力。调制误差率（MER）的定义是所有的理想矢量的平方和被所有矢量的平方和除的结果，用dB表示。详细的定义和解释在本文前面部分有叙述。EVM：误差矢量幅度：本文前面部分有详细叙述。PJ：相位抖动：此项测量能够表明用在电缆分配系统（也就是QAM调制器或频率变换器）中的本地振荡器的相位起伏和频率起伏。此指标从一定程度上表征网络中相位噪声的情况，恶化到一定程度会大大提高误码率。TJ：时间抖动：接收符号时钟的抖动；此指标的恶化会影响符号的判决，形成误码；很差时会破坏整个传输系统。QE: IQ正交载波相位正交（90）误差AI：IQ正交载波幅度不平衡度Freq offset：QAM调制载波频率偏移Real Symb：当前真实符号率SNR: 信噪比。这里的S/N主要描述解调之后的信号S/N。噪声来源于几种情况：网络传输中引入噪声，潜入调制信号中的幅度噪声，相位噪声，码间串扰和调制损伤等。应在解调后的星座图数据中测量信噪比。对于星座图中的每一符号，从其云状轨迹可以得出其统计分布。在去处了正交失真，幅度不均匀，原点位移误差残留载波，非线性失真，相位抖动，连续波干扰的影响之后，剩余的云状轨迹可以认为是由高斯噪声引起的，这剩余的云状轨迹也是计算信噪比的基础。当所有以上谈到的错误都被排除后，可以认为MER与S/N有相同的值。CS： 载波抑制CI： 同频干扰1.2.10. QAM技术参数解释1.2.10.1. I/Q不平衡I/Q不平衡就是DS8831Q上面所标注的技术指标AI，I/Q不平衡的说明如下：I/Q不平衡由DVB-C调制器的I路径和Q路径的不同的放大产生，这个参数由以下公式来计算：QAM信号产生一对I，Q值在水平或垂直方向上有不同间隔的星座图，一对I，Q值所形成的星座映射点并没有落在定义的位置上，最后星座图整体会表现为长方形。一个有幅度不平衡的1.2.10.2. I/Q正交误差如果I轴和Q轴不是互相垂直的，那么就存在一个I/Q正交误差，这项参数由以下公式来计算 载波抑制1.2.10.3.在DVB-C调制器的I或者Q路径上的直流电压偏置导致的结果是有残留的载波成分存在。这项参数由以下公式来计算。QAM信号如果载波抑制不够，产生的星座图中的I，Q值对，在水平或者垂直方向上平移。I，Q值对不在所定义区域的中心位置上。一个1.2.10.4. 相位抖动 对各阶QAM参数计算的理论最大和最小值1.2.11.QAM的阶数AImaxPEmaxCSmaxCSminPJmax490o0.14dB60dB11.26o16190.80%36.15o7.26dB60dB4.17o3261.54%23.06o10.56dB60dB2.59o6437.10%15.39o13.78dB60dB1.85o12819.19%9.82o17.28dB60dB1.22o25613.34%6.73o20.45dB60dB0.86o1.2.12. 均衡器的原理、功能和应用高阶的调制如64QAM等对失真非常敏感，其眼图很小，任何小的抖动都可以造成接收信号的失真。当滚降系数小的时候，此问题更加突出。在实际网络中，如果在接收机端没有特殊的措施，眼图近乎完全闭合，无法同步。为解决这个问题，所有的网络接收机，无论是否是专业级的，都装有均衡器。在有线电视网络传输中，最常见的质量损伤来自于阻抗不匹配，和滤波器的影响。这种损伤表现为信道的频率响应（或脉冲响应）的扰乱，是用均衡器可以消除这些失真。均衡器在消除线性失真时非常有效，但却无法消除非线性失真。如同模拟电视中的互调产物一样，均衡器只能消除固定频率的干扰。因为时钟与载波的恢复系统利用的是均衡的信号，所以，均衡对时钟与载波恢复有很大的影响。因此接收端的特性很大程度上取决于均衡器的性能。 本文提到的测量大多数是在经过均衡器后进行的。 1、自适应均衡器（Adaptive Equalizer）：用来补偿传输系统中因存在不良分配器、松动的接头、损坏的电缆等造成数字频道内的频率响应（In-Channel）及群时延(Group delay)失真的数字滤波器。2、自适应均衡器反映了数字调制信号的线性损伤度。自适应均衡对线性失真相当有效，但是不能抵消非线性失真。3、频道内频率响应反映幅度损伤，群时延(Group delay)反映相位损伤。通过均衡器的显示，能判断频道内的反射等线性失真，有的仪器还能计算出产生反射的距离位置。 4、当测量到均衡器难以消除的线性失真后，用频谱仪检测频道的平坦度来确定线路失真的来源（如不良分配器、松动的接头、损坏的电缆、双工滤波器等）并加以修复，从而减轻均衡器校正强度。