整理模拟电视发射机数字化改造方案设计与实施Word文档格式.docx

1、1.2 研究动机数字电视有着模拟电视无法取代的优势，其取代模拟电视已成为必然。随着数字信号处理技术的发展，传统信号的非线性、相位失真的累积和信噪比恶化的问题，可通过模拟信号转变为数字信号并进行数字信号的处理、存储、控制和传输来解决。而激励器的数字化能极大地提高图像伴音的传播质量，降低信号的噪声，大幅度提高电视节目的清晰度。数字电视地面广播技术采用数字压缩技术，在同样清晰度和音质情况下，用户可以接收的节目数量提高46倍。在同一信道中，可同时传输附加数据和其他信息，且抗干扰能力强，覆盖区域内近场和远场的接收效果几乎相同，因此，数字电视受到了广泛的关注。数字电视广播发射系统取代模拟发射系统成为一个必

2、然趋势。所以研究模拟电视发射机和数字电视发射机的特点，掌握模拟发射机向数字发射机转变的技术具有很大的现实意义。现在虽然数字电视发射机已经逐渐走进了发射领域，但是模拟电视发射机依然占绝大多数，多个频道依然是模拟发射机在播出。如何适应数字化改造的需求，在考虑经济实效等各个方面，用最小的成本实现这个改造和过渡很重要。1.3 研究方法 首先以中央电视塔为例对地面电视发射系统作必要阐述。然后详细论述模拟电视发射机的特点以及与数字电视发射机的区别，从激励器、功放、天线、冷却系统、监控等各个方面进行对比分析。最后对模拟电视发射机数字化改造提出方案和建议。1.4 论文设想及框架 数字电视发射系统取代模拟电视发

3、射系统是必然趋势，预期通过本次研究，能在实践中切实有助于模拟电视发射机数字化改造，给予系统操作人员有价值的参考和应对措施。第一章 引言第二章 地面电视发射系统第三章 模拟电视发射机第四章 数字电视发射机与模拟电视发射机的区别第五章 模拟发射机数字化改造可行性分析第六章 数字化改造的设计和实施第七章 效果评价2 地面电视发射系统2.1中央塔地面电视覆盖目前地面电视覆盖仍然是模拟电视和数字电视两套系统，以中央广播电视塔为例，中央塔肩负着保障7套模拟电视和6套数字电视节目“安全播出、优质零秒”的重任。7套模拟电视有CCTV-1，CCTV-2，CCTV-少儿，CCTV-音乐，BTV-1，BTV-2，B

4、TV-3。6套数字电视包括车载移动电视48CH，中央电视台高清33CH、标清32CH，北京电视台高清14CH，手机电视CMMB 20CH、43CH。中央塔作为广电总局的重要播出单位，响应总局“2015年前中央塔地面广播电视系统全面数字化改造”的要求，拉开了中国地面数字电视广播的建设大幕。中央塔是国内首个高清和标清数字电视地面播出单位，构建了单载波33频道中央台高清和单载波14频道北京台高清地面发射系统，以及中央台32频道标清地面发射系统，肩负着国标地面数字电视标准的高标清频道电视信号的传输工作。作为国标地面数字电视发射的领头羊和先行者，中央电视塔对数字地面发射系统播出安全性和稳定性的实践有初步

5、研究。但由于数字地面发射系统技术新、设备有区别于模拟设备的自身特点，这就有必要认真分析模拟电视发射机与数字电视发射机的特点，为将来全面数字化改造打下基础。2.2地面数字电视标准随着计算机技术、通讯技术的飞速发展，全世界广播电视界正掀起一股数字电视开发和使用的热潮。国际上目前已经形成三种主要的数字电视标准，即美国ATSC 标准、欧洲DVB-T标准和日本的ISDB-T标准。我国也就此颁布了自主知识产权的地面数字电视标准数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制，2008年北京申奥的成功无疑为我国地面数字电视的发展提供了助推剂。不同的地面数字电视广播标准，最主要的区别是在传输信道采用了不同的信道

6、编码与调制技术。ATSC标准采用单载波8VSB编码调制技术；DVB-T和ISDB-T都采用多载波COFDM调制技术。这三种标准的视频信源编码和复用均采用MPEG-2标准相兼容的编码方案，音频信源编码则有所区别。美国ATSC标准采用dolby AC-3 标准，DVB-T采用MPEG-2标准，日本的ISDB-T采用AAC音频编码标准。在已经制定并颁布数字电视标准的国家，数字电视发射机以及相应的测试设备、测试信号源等都已经有了比较成熟的技术和产品。欧、美等主要的发射机生产厂家都已经为数字电视地面广播推出了体现各自最新技术的数字电视发射机。欧美一些国家对数字电视技术的研究较为深入，已研制出了性能完善的

7、数字电视信号发射机。我国数字电视技术的研究起步相对较晚，还处在实验阶段。为降低成本，数字电视发射机的国产化是我国广播电视行业发展的必然趋势。3 模拟电视发射机3.1电视发射机电视发射机是无线电发射机，它将电视演播室或其它地点、途径送来的信号变换到指定的射频频道，信号符合广播电视标准，功率达到规定的数值。也就是说，它是将信号调制到规定的射频载波和放大到规定功率的无线电设备。顾名思义，发射机最关键的组成部分是激励器、功率放大器和天馈线。激励器调制频率，功放放大功率，天馈线进行地面覆盖。发射机的主要组成部分框图如下图3.1：图3.1发射机组成框图3.2模拟电视发射机发射机的发展经历了从模拟到数字的转

8、化。模拟电视发射机是将图像视频信号和伴音音频信号调制到规定的射频载波和放大到规定功率的无线电发射机。首先分析模拟电视发射机的特点。模拟电视发射机按照发射台使用形式，可以分为以下几种：全固态发射机机型从机器整体结构上分可以分为并机和单机；以激励器来分可以分为双激励器和单激励器。以图像、伴音放大形式来分，分为双通道和单通道两种。并机、单机主要是以机器的数量来说的，并机一般由两个单机组成。双激励器、单激励器，主要是以激励器的个数来说的，双激励器由两个单激励器组成。3.2.1并机和单机并机播出指的是两部机器输出合成，共同上天线。单机播出指的是只有一部机器输出上天线。并机系统的特点是两半各为完整的发射机

9、可独立运行，风机、控制单元和配电装置均为相同的两套，是比较完整的冗余系统，但成本较高，多用一个双工器而体积也更大，适合于较高功率等级下（如20KW以上）使用。单机系统采用单激励器和单发射机功放形式，是只有一个机柜的中功率情况，风机、控制单元、配电装置只有一个，因而冗余性不如并机方式完善，如果激励器、电控、CIN，功放甚至外电出现问题，都会造成整个系统的故障，但成本较低，体积较小。并机系统的全冗余设计可保证系统在局部故障情况下连续工作， 如果单台机器故障仍可以保证播出，只是功率降低。在单机工作方式下，即使采用激励器采用主备工作方式，功放单元采用并联形式而使可靠性得以提高，但由于发射机的结构和设计

10、原因，实际上其电力输入只有一路，如果外电出现问题，仍容易造成停播。如果发射机的CIN或电控等公共部分出现故障，也会造成停播。对于高可靠性要求的电台，最好的方式是采用并机工作方式，采用两路外电工作。即使有一路外电或一部发射机的功放单元出现问题，也仍有1/4的并机合成功率可以输出天线上。3.2.2双激励器和单激励器模拟发射机按照激励器分又可以分为双激励器和单激励器两种。双激励器指的是播出时有主备两个激励器，并机播出时可以采用一个为主激励器。如果主激励器故障时可以自动或者手动切换到备激励器。单激励器只有一部激励器。双激励器的框图如下图3.2：图3.2双激励器框图双激励器方式：由于在全固态发射机中，功

11、放单元采用的是并联工作方式，相对而言，激励器的可靠性低于功放单元的可靠性，为防止激励器故障造成整个系统停播，采用双激励器方式可以提高系统的可靠性。但对于外电电源故障造成的停播无法解决。所以一般采用并机双激励器的形式。并机情况下进行主备激励器的切换使用。3.2.3举例说明目前中央塔使用的7套模拟电视发射机中有6套都采用了并机双激励器播出的形式，只有6CH一套采用一主机一备机的形式。发射机播出的机型主要是东芝TU2000，是80年代末开发的电视发射机，可以由两部15kW机组成并机系统30kW播出。其单机系统组成如图3.3所示，由两部单机经过一个合成器合成上天线。单机工作框图如下图3.3：3.3单机

12、工作框图并机工作框图如下图3.4：图3.4并机工作框图如图可见：东芝TU2000并机系统配置了双激励器和自动切换装置。射频功率放大是基于统一的1kW多级功放单元，单部发射机图像和伴音分别采用了16个和3个功放单元合成输出。采用轴流式风冷，一个功放由一个电源供电。东芝这一代产品具有高度标准化系列设计的特点，VHF（H）和VHF（L）以及UHF分别只用一种1KW功放单元并具有相同外形尺寸，不同频段而同一功率等级的机型在机箱安装上是统一的。3.3双通道和单通道模拟电视发射机并机、单机和双激励器、单激励器是模拟发射机的简单区分。以图像、伴音放大形式来分，模拟电视发射机分双通道（分放式）和单通道（合放式

13、）两种。我们主要分析双通道和单通道模拟电视发射机这两种。早先图像、伴音分开放大的发射机被称作双通道电视发射机（或分放式电视发射机），是指已调图像载波和已调伴音载波分别经过两个放大器输出，通过双工器合成送到天线。随着高线性、高增益功放器件的开发以及校正技术的不断进步，已调图像、伴音信号合成起来，在一个信号通道进行放大成为可能，于是出现了现在通称的合放式电视发射机。因为图像、伴音在一个通道放大，所以在我国也被叫作单通道电视发射机。单通道和双通道都采用中频调制的方式。主要差别是：图像和伴音合成的位置不同。单通道中图像和伴音在激励器中采用互调校正，小信号合成，在中频低电平上，已调图像载波和已调伴音载波

14、便合成一路，然后上变频到指定频道，再经过同样的射频功率器放大，通过滤波器滤波送到天线。而双通道中图像和伴音分别经过各自功率放大器放大以后，通过双工器合成一路，再去往天线。所以，双通道电视发射机有双工器，而单通道电视发射机没有。单通道电视发射机框图如图3.5，双通道电视发射机框图如图3.6：图3.5单通道电视发射机框图图3.6双通道电视发射机框图首先从激励器系统图详细分析两者的不同。3.3.1单、双通道激励器比较目前中央塔使用的44CH发射机为单通道模拟电视发射机，其它模拟电视发射机均为双通道。单、双通道发射机的激励器均为模块化设计，相同的部件为视频处理器、彩色均衡器、图像中频调制器、伴音中频调

15、制器、中频增益DG校正器、中频相位DP校正器、混频器，以及都有电源、取样与显示、控制等组成。不同的是互调校正电路。如图可见，单通道比双通道多了互调校正器，互调校正器就是小信号图像和伴音合成的位置。从互调校正器以后，信号合为一路去功率放大器。而双通道激励器的输出为图像和伴音射频信号，分别去往图像功率放大器和伴音功率放大器。下面具体分析激励器系统。1、视频处理器 此单元用来稳定及调整输入的视频信号给电视发射机。对于视频输入信号，降低哼声噪声和低频波形失真，稳定输入的视频信号电平，（自动电平控制），并进行同步电平调整和图像电平调整，以及同步信号再生和同步脉冲输出。2、彩色均衡器 此单元用来补偿电视发

16、射机的包络时延。3、伴音中频调制器伴音中频调制器为直接调频方式，将输入的音频信号直接调制到31.5 MHz的伴音中频载波上，其电路包括音频处理和中频调制。4、图像中频调制器图像中频调制器是将输入视频信号进行稳幅、箝位等处理后调制到38MHz中频载波上，并通过残留边带滤波器，滤出所需边带信号，供其它中频校正模块使用。5、图像中频增益DG校正器DG （微分增益）：在PAL制电视信号中，彩色信号是调制在频率为4.43MHz的色度副载波上，而色度副载波又是叠加在亮度信号上的，色副载波的幅度决定彩色信号的饱和度。视频信号的DG失真是指系统的增益特性随输入信号的电平而变化。通俗的说，由于亮度消隐电平变到白

17、电平时，在视频通道输出端产生色度信号幅度的变化，这样，在亮的部分和暗的部分，其彩色饱和度，色调（尤其是饱和度）均有不同的变化。图像中频增益校正模块用来补偿电视发射机功放单元造成的幅度线性失真。6、微分相位DP校正模块DP（微分相位）：在PAL制电视信号中，彩色信号是调制在频率为4.43MHz的色度副载波上，而色度副载波又是叠加在亮度信号上的，色副载波的相位决定彩色信号的色调。视频信号的DP失真是指系统的相移特性随输入视频信号而变化。传输线路上的相移量随不同亮度电平而变化，则色同步和色副载波之间相移就起变化，于是画面亮的部分和暗的部分的色调就不同。微分相位校正模块用来补偿电视发射机功放单元产生的

18、相位非线性失真。7、互调校正器互调校正模块信号流程方框图如图3.7所示。互调校正模块接在DP校正模块后面， 用于实现图像中频和伴音中频的合成以及校正整机的互调指标，同时兼顾整机的DG指标。图3.7互调校正信号流程方框图互调校正电路由图像、伴音合成单元、同步扩张单元、互调校正单元以及中频AGC单元4部分组成，使信号预先产生一定的反向失真，以抵消末级功放产生的互调失真。由DP校正模块输出的图像中频信号经放大，送到同步扩张电路，使中频信号的正负半周在相等电平处具有相同的扩张。同步扩张后的图像中频信号与伴音中频调制器输出的伴音中频信号经过合成后，送到DG校正单元，经过放大，分成线性和非线性两条支路。非

19、线性支路再分成两条校正支路，经过非线性放大后，会产生一定的失真，失真信号再经过合成器与线性支路信号相加后输出。通过调节校正量电位器可控制预失真的大小，即校正量的大小。经过校正后，信号幅度变化较大，需要有AGC电路来稳定合成的中频基带信号的幅度。AGC电路是通过3个二极管组成的电调衰减器来实现控制。信号经放大后，经过峰值检波、放大形成AGC电压来稳定输出幅度（AGC电压大小可调）。为消除瞬态过冲设有前馈保护电路，在中频信号过小时会拉掉AGC电压。8、混频器混频器的作用是将中频信号变换成指定频道的射频信号。混频器单元对收到的电视中频信号和本振信号进行混频，输出特定的电视频道的射频信号。只需更换本振

20、单元和混频器单元，即可适用于任何频道。9、激励功放混频器输出的0 dBm射频信号经激励功放放大27 dB后，送到末级功放放大到12W 输出。10、取样、显示及控制电路激励器中使用单片机监测各个放大器的工作状态，调测各个校正单元的校正量，控制伴音中频的输出等。有一套激励器的监测、调整软件，可以利用普通微机监测状态，调整指标，控制激励器的状态。信号经过激励器出来以后，要经过放大器进行放大。单通道发射机激励器出来的一路合成信号直接进入功率放大器输出后上天线。双通道发射机激励器出来的图像、伴音信号，分别进入图像放大器和伴音放大器。图像放大器和伴音放大器最终的输出都去往双工器合成，然后输出上天线。下面分

21、析双通道模拟电视发射机双工器。3.3.2双通道双工器双工器的基本功能是将图像及伴音输出的射频信号相加并将其送上发射天线。1kW电视发射机双工器吸收功率正常值为4-16mA，如果大于50mA，即为吸收功率过大。目前使用的双工器多为三分贝定向耦合器式，其基本构成为一微波无源四端网络，所用器件为同轴元器件及谐振腔体，其原理图如图3.8所示。图3.8双工器原理图图中：W1、W2：3dB定向耦合器Z1、Z2：fv4.43MHz陷波滤波器Z3、Z4：伴音谐振腔3dB定向耦合器是由一个金属外壳和壳内二根互相平行的/4波长金属板（带状耦合线，也称芯板）组成的，3dB定向耦合器的基本特点是：端子1和端子2为耦合

22、端，信号经耦合端后，在端子2得到的信号其功率为端子1处信号功率的二分之一，其相位与输入信号同相。端子1和端子4为直通端，信号经直通端后，在端子4得到的信号其功率也是端子1处信号功率的二分之一，但其相位与输入信号相差90。反射腔对与腔体谐振点相同的频率呈一短路点，产生全反射，不使其通过，两个腔体的谐振频率为fv+6.5MHz，另两个腔体的谐振频率为fv4.43MHz，分别称为伴音腔和4.43腔。当图像信号输入至W1端子1后，端子2得到的是同相二分之一影入功率信号，端子4得到的是相位差90的二分之一影入功率信号。这两路信号分别经同轴馈管传输到W2的端子2和端子4，中途Z1和Z2将影入信号频谱中位于

23、fv4.43MHz的频率处的能量反射至负载端吸收掉，而Z3和Z4除对图像频响特性的高端有影响外（这种影响在图像功率放大器和激励器内部可以得到补偿）对影入信号不构成其他影响。影入信号到达W2时，经端子2、端子3构成的直通端后产生90相移，而经端子4、端子3构成的耦合端后相位不变。这样，前面所说的两路信号当到达W2的端子3时同相相加成一路合成信号，其功率和影入功率相同。与此同时，信号也要从W2的端子4直通到达端子1，从W2的端子2耦合到端子1，但这两路信号到达端子1时呈反相抵消状态，不会对声入信号形成干扰。声入信号经W2后也被分成两路相位相差90的半功率信号，但由于Z3、Z4是谐振在伴音载频fs上

24、，这种谐振特性对伴音信号构成全反射，使两路半功率伴音信号反回W2，在端子3形成同相相加且与图像信号一起送上天线，但在端子1形成反相相抵消，当然，所谓全反射仅是理论上的，实际情况总有一部分伴音信号传输到W1的端子2和端子4，W1作用的结果使得端子3得到同相相加的伴音信号，被吸收负载R1吸收掉，而端子1得到反相相加的伴音信号，从而不对影入信号形成干扰。这样，图像功率和伴音功率由3端合成输出至天线，实现了两相隔离，吸收负载吸收的功率只有fv-4.43MHz分量。3.3.3单、双通道比较根据实践经验，合放方式时功率容量要比分放方式的图像通道容量大（1+1n）的平方倍。n为图像、伴音功率比。例如，当n=

25、10时，合放时的功率器件比分放时图像功率容量大致要大1.73倍。或者说，10kW的只图像功放的器件，在合放时最多只能用来作5kW的功放。这就是说，对相同等级的发射机来说，合放时的功率器件要贵些。此外，在分放时只需要对DG、DP进行校正；而合放时，由于伴音的加入，成为三者（图像载波fv、伴音载波fs和色副载波fsc）相互在非线性器件中作用，从而形成+-pfv、+-qfsc、+-rfs（式中p、q、r为任意正整数）许多互调分量。通常对一些主要的带外互调分量，例如：+fv+fsc-fs，-fv+2fs，2fv-fsc，2fv-fs等还要采取滤波措施，即需增加陷波器；对带内主要互调分量fv-fsc+f

26、s也要采取措施，例如通过校正将其压低到-50dB以下，即需增加互调校正电路。但是由于合放方式兼具了伴音通道，省去了专门的伴音通道，省去了大功率双工器，因此，体积、总成本等还是优于分放方式。加上合放方式的变频和射频部分与电视差转机一样，因而可以在只增加接收部分的情况下，实现发射机差转机两用。所以，在中、小功率的电视发射机的设计、生产中合放方式也受到欢迎。全固态模拟电视发射机可以用分放式，也可以用合放式，两者各具特点。从性能、成本、效率、体积、故障率等准则作比较时同样与输出功率等级和功放管的制造水平有关。合放式存在互调（以及交调）恶化传输质量的潜在问题，因而对功放的线性有较高要求，致使功放管的线性

27、输出能力将较低。分放式不存在互调问题，功放管的输出能力可充分利用，但输出有双工器，将构成一定高频损耗，而且常规结构的双工器体积较大。高频大功率晶体管的输出能力低而且线性较差。甲类线性放大时能得到良好的互调指标，而且对环境条件和电源变动不太敏感，因而适合于分放式运用。但效率太低，输出功率也太低，甲类功放单元中输出最高的仅为VHF180W;UHF50W（如LGT公司）。甲乙类晶体管功放效率较高，并可充分利用器件的输出能力，但线性较差，更适合于分放式使用。为提高晶体管功放在分放式运用下的输出能力，日本从70年代中期开始，美欧从80年代中期开始，先后在分放式功放系统中采用甲乙类工作的晶体管功放单元。当

28、前甲乙类功放单元分放式运用时的输出能力已达千瓦等级，合放式运用时的输出能力大体减半，且其互调随工作点的变化很临界。这意味着同样输出功率下，合放式运用时并联工作的甲乙类功放的数量（或晶体管数）将是分放式运用时的两倍，因此合放式全固态机型只适用于低功率情况。当前在日本，由于开发了小型化，低成本的低功率双工器，500W及其以上采用分放式。全部甲类工作的合放式功放系统，仅用于100W以下的小型设备。法国LGT公司2kW以上为分放式，500W至2kW兼用分放式和合放式。全部甲类工作的合放式功放系统VHF最高2kW，UHF最高500W。因为数字音频信号总是复合在一起进行调制解调，所以数字电视发射机不可能采用分放式。因此单通道模拟电视发射机功率放大器可直接用于数字电视发射机，而双通道模拟电视发射机的功率放大器只有改造成一路（合放式）才能用于数字电视发射机。4 数字电视发射机与模拟电视发射机的区别随着数字电视技术的发展，高清和标清电视的优势逐渐体现，原来需要占用6个频道带宽播出的6套模拟电视节目，标清用1个频道就可以播出。模拟电视用户也不断的加装了数字机顶盒。而且国家规定在原来地面模拟电视覆盖的范围内，开通地面数字电视广播，按照模拟电视接收条