Особенности  перехода от аналогового сигнала к DVB-T.

Структура сигнала, применяемого для вещания в стандарте DVB-T, принципиально отличается от структуры используемой в аналоговом телевидении. Поэтому к характеристикам усилительных трактов цифровых и цифро-аналоговых передатчиков предъявляются особые требования. В статье рассматриваются факторы, определяющие качество передачи сигналов DVB-T. Обсуждаются проблемы, которые возникают при переводе аналоговых твердотельных передатчиков в режим DVB-T.

«Digital Ready» - устоявшееся название передатчиков аналогового вещания, которые с минимальными затратами могут быть преобразованы для вещания в цифровом формате.  При переходе на цифровое вещание наиболее дорогостоящая часть оборудования передатчика, усилитель мощности, остается на месте, а замене подлежит  только модулятор. Для того чтобы была возможность осуществить такой переход, передатчик должен отвечать определенным требованиям.

Во-первых, мощность выходного сигнала передатчика в режиме цифрового вещания должна быть достаточной, чтобы не только сохранилась прежняя область покрытия, но и произошло улучшение качества изображения на экранах телевизоров в зонах неустойчивого приема. Как показывают расчеты, чтобы выполнить это требование, средняя мощность цифрового сигнала должна быть не менее 1/4 мощности сигнала изображения  аналогового телевидения в пике синхроимпульса. При этом эквивалентные шумовые потери  (END) вследствие собственных помех в передатчике должны быть не более 0.5дБ.[1]

Во-вторых, уровень внеполосных спектральных составляющих (ВСС) на выходе передатчика в режиме цифрового вещания должен укладываться в маску допуска, которую устанавливает стандарт для цифровых передатчиков [1].

Нелинейные искажения - это главная причина появления помех и увеличения внеполосных спектральных, составляющих в выходном сигнале усилителя мощности. Как показывают исследования, усилители, которые вполне удовлетворяют требованиям  по уровню интермодуляционных составляющих для трехтонового сигнала аналогового телевидения, как правило, не обеспечивают формирование сигнала DVB-T требуемой мощности с допустимым уровнем END и ВСС. Для уменьшения нелинейных искажений необходимо применять дополнительные меры: коррекцию нелинейных искажений и фильтрацию.

Фильтр на выходе усилителя позволяет уменьшить уровень внеполосных спектральных составляющих. Однако с его помощью невозможно уменьшить уровень паразитных спектральных составляющих внутри и в близи границ диапазона, занимаемого спектром основного сигнала.

Нелинейные искажения возникают вследствие принципиальной нелинейности процессов, которые происходят в транзисторах усилителя мощности. Для узкополосных сигналов их величина характеризуется нелинейностью амплитудной характеристики усилителя и величиной амплитудно-фазовой конверсии, то есть зависимости фазы выходного сигнала от амплитуды входного сигнала усилителя.

Эффективным методом уменьшения нелинейных искажений является предыскажение. Принцип действия предыскажения основывается на линеаризации амплитудной и фазоамплитудной характеристик усилителя мощности. В усилительный тракт передатчика на малом уровне мощности включается корректор нелинейных искажений – нелинейное устройство, передаточные характеристики которого подбираются так, чтобы амплитудная характеристика объединенного устройства «корректор-усилитель»  стала линейной, а фазоамплитудная характеристика равномерной.

        Практически все современные модуляторы DVB-T содержат в своем составе цифровой корректор нелинейных искажений.[2] Такой корректор реализуется цифровыми методами с применением устройств цифровой обработки сигналов. Он содержит запоминающее устройство, в котором хранится таблица значений корректирующего сигнала для всех возможных значений  амплитуды основного сигнала. При прохождении сигнала через корректор с помощью таблицы определяются отсчеты корректирующего сигнала, которые затем суммируются с отсчетами основного сигнала. Предыскажению подвергаются квадратурные составляющие модулирующего сигнала до формирования промежуточной частоты основного сигнала.

Корректор может быть также аналоговым.[3] В этом случае в корректоре аппаратными методами формируется продукт нелинейного преобразования третьего порядка основного сигнала. Затем он суммируется с основным сигналом с определенным коэффициентом передачи и фазовым сдвигом. Таким образом, удается скомпенсировать нелинейные искажения третьего порядка  в усилителе мощности. Аналоговый корректор включается в передающий тракт между преобразователем частоты и усилителем мощности и вносит предыскажение на рабочей частоте передатчика.

Рис. 1 Зависимость END от уровня выходной мощности

На Рис. 1 показаны зависимости эквивалентного уровня шумовых потерь от уровня выходной  мощности  в режиме цифрового вещания для усилителя с коррекцией и без коррекции нелинейных искажений. Здесь по оси абсцисс указана средняя мощность сигнала DVB-T относительно мощности сигнала аналогового телевидения в пике синхроимпульса. Допустимый уровень END для усилителя рассчитан по методике предложенной в [1]. Все измерения проводились для типового усилителя компании «Триада-ТВ» дециметрового диапазона мощностью 1000Вт в режиме аналогового вещания.

Полученные зависимости демонстрируют, что с помощью предыскажения с усилителя аналогового передатчика можно уверенно получать сигнал DVB-T мощностью более 1/4  мощности аналогового сигнала с допустимым уровнем эквивалентных шумовых потерь.

Цифровой корректор позволяет снизить уровень побочных спектральных составляющих на 4…8 дБ. Аналоговый корректор несколько менее эффективен, поскольку не позволяет сформировать требуемое предыскажение с такой точностью как цифровой  корректор. Другой недостаток аналогового корректора по сравнению с цифровым – температурная нестабильность передаточных характеристик.   Преимуществом аналогового корректора является простота настройки.

Теоретически с помощью предыскажения можно добиться полной компенсации нелинейных искажений, в том случае если в усилитель мощности не проявляет инерционных свойств по отношению к огибающей передаваемого сигнала.  Инерционность усилительного тракта обусловлена частотными искажениями в канальном фильтре преобразователя частоты и в согласующих цепях усилительных каскадов, температурным эффектом в мощных транзисторах, инерционным действием цепей смещения транзисторов.

Существенным источником инерционности в передающем тракте является канальный фильтр преобразователя частоты в формирователе ТВ сигнала. Он ограничивает полосу пропускания, вносит неравномерность в характеристику группового времени запаздывания в диапазоне, который занимает передаваемый сигнал. Такое влияние способно ослабить эффективность цифровой коррекции, так как предыскажение вносится до преобразования частоты.

Сигнал формата DVB-T хорошо защищен от влияния частотных искажений. Эквалайзер приемника способен, ориентируясь на пилотные сигналы, исправить значительные отклонения характеристик АЧХ и ГВЗ.[4] Однако с точки зрения эффективности предыскажения частотные искажения в тракте вплоть до выходного каскада должны быть минимальны.

Рис. 2 Спектр выходного сигнала передатчика
A) Усилитель без корректора и фильтра
B) Усилитель с корректором без фильтра
C) Усилитель с корректором и фильтро

Спектральные характеристики выходного сигнала передатчика, показанные на рис. 2 демонстрируют, как уровень внеполосных спектральных составляющих изменяется при использовании  корректора нелинейных искажений и канального фильтра. В данном случае измерения проводились при выходной мощности цифрового сигнала равной 1/4 пиковой мощности в аналоговом режиме.

                Применение коррекции позволяет добиться приемлемого уровня ВСС на границах диапазона основного сигнала. Для того чтобы уровень ВСС укладывался в маску допуска на других частотах, необходима дополнительная фильтрация. Для решения этой задачи применен стандартный канальный фильтр на встречно-стержневых структурах, используемый в аналоговых передатчиках.                Выходной канальный фильтр уже не влияет на эффективность коррекции нелинейных искажений. Поэтому его полоса пропускания может приближаться к ширине спектра основного сигнала. Вызываемые при этом искажения ГВЗ будут скомпенсированы эквалайзером приемника. Неравномерность АЧХ в диапазоне частот, занимаемом сигналом, должна быть не менее 0.5дБ, так как в противном случае произойдет недопустимое уменьшение коэффициента передачи фильтра и увеличение уровня отраженной мощности.

                Нелинейные искажения в усилителе мощности – ключевой фактор, определяющий качественные показатели передачи сигнала DVB-T: величину эквивалентных шумовых потерь и уровень внеполосных спектральных составляющих. Для того чтобы при переходе от аналогового сигнала к цифровому получить сигнал требуемой мощности при допустимом уровне END и ВСС,  необходимо совместное использование коррекции нелинейных искажений и  дополнительной фильтрации. Цифровой или аналоговый корректор при выполнении определенных требований к устройствам усилительного тракта позволяют добиться приемлемого уровня побочных спектральных составляющих внутри и на границах диапазона, занимаемого сигналом DVB-T. Подавление  спектральных составляющих, расположенных на большем расстоянии от центральной частоты канала обеспечивается выходным канальным фильтром.

1. ГОСТ-Р Радиопередатчики телевизионные цифровые 1-я редакция.

2. F. Zavosh, D. Runton , C. Thron, “Digital Predistortion Linearizes CDMA LDMOS Amps, “ Microwaves & RF, pp 55-59, March 2000.

3. Половников А. С. , Яковенко В. А., “Линеаризация усилительных трактов методом предыскажений,” Радиотехника, №7, 2003.

4. ETSI EN 300 744 V1.4.1: European Standard for Digital Video Broadcasting (DVB), Framing Structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television, January 2001.

Авторы:

Половников Александр Сергеевич

Ведущий инженер “ООО НПП Триада-ТВ”

Цыкунов Андрей Викторович

Технический директор “ООО НПП Триада-ТВ”