关于数字MMDS(MUDS)系统综述

前言

    MMDS（Multichannel Microwave Distribution System）是多路微波分配系统的英文缩写，它是九十年代初期进入中国，九十年代中后期迅速发展。据不完全统计，在我国仅单频道发射系统就有600多套，若再加上宽带小系统，估计有1000多套系统，为我国农村有线电视的发展奠定了基础。但是经十年的发展，国内目前还在使用的MMDS系统，恐怕不到四分之一，而且这些系统大都残缺不齐、带病工作。

    MMDS衰落的技术原因如下：由于受频率资源的限制，传送电视节目少；又因为规划不合理，引起同频干扰现象严重；为了收费，系统加扰，但加扰后图像损伤严重，易破解等问题，这些都严重的制约了MMDS的发展。

    技术的发展是螺旋上升的，数字电视的发展是近年广电领域的重大事件，它的到来给传统无线电视领域带来了一场深刻的技术革命。它使传统的电视媒体在技术功能上逐步与信息，通信领域的其它手段相互融合，形成了全新的产业格局。无线传输这种历史悠久的覆盖手段在新的数字电视技术背景下，也被重新赋予了新的生命和市场活力。全新的数字MMDS/MUDS无线传输不仅可以提供更高质量的图像和声音节目以及更佳频谱使用效率，更重要是它提供了强大的多样性数字电视业务。

一、数字MMDS系统原理

    数字MMDS系统的核心首先在信源编码和信道调制上采用DVB-C的数字电视标准，调制后的信号进入发射和天馈系统通过空间电磁场直接覆盖用户。图像按照MPEG—2标准压缩，每8MHz带宽压缩6套电视节目，节目数量增加了几倍，图像质量接近DVD效果，所占用的带宽降低了2/3，通过数字CA系统也使历史上遗留的收费难问题得到了解决，而且便于用户管理。相同功率的数字发射机比模拟发射机覆盖半径大大提高。

    系统具体信号流程如下：卫星码流转发器接收各省未加密的数字卫星节目，输出TS流。加密卫星节目使用带TS流输出的专用解码器输出TS流到复用器。模拟音视频信号使用MPEG-2编码器编码后输出TS流。本地节目的视音频信号经MPEG-2编码器编码后输出的TS流。对于上级网络的有线数字节目，经过适配或解调后输出TS流。以上节目TS流按每6－8套节目为一节目包，将多路TS流复用成多个TS流节目包。TS流节目包进入独立加扰机加扰，由此实现CA系统对用户权限的管理。加扰后的TS流进入QAM调制器，将TS流调制到RF频道，进入发射和天馈系统，最终完成对服务区的无线覆盖。 

图1 数字MMDS前端平台

二、数字MMDS系统核心指标

    从系统技术指标上分析前端数字平台采用的是基于DVB-C的系统，其各项数字指标都能使用广电总局发布的有线数字电视相关行业技术标准予以评测，对于发射和天馈系统却无相关行业标准予以考评。但从实际系统指标分配及工程实施中我们不难发现，发射和天馈系统技术指标的优劣对于数字MMDS系统实施的成功与否起着关键作用。除传统的模拟技术指标外，数字系统的MER,BER等数字指标在发射和天馈系统中也有相关要求。

1、MER（Modulator Error Rate）调制误差率

MER是对叠加在数字调制信号上失真的对数测量结果（dB），计算公式： 
                   
    它是测量数字电视的主要指标。反映数字接收机还原二进制数码的能力，它近似于基带信号的信噪比（S/N），且MER的值越大代表系统越好，如果系统MER值越小，信号受到的损伤变大，误码率增加，图象将出现乱码现象，严重时会出现黑屏，用户端信号出口处要求MER大于23dB。MER不像在模拟系统中图象质量会随着载噪比性能的下降明显降低，只有在低于系统MER门限的情况下才严重影响数据传输。64QAM系统一般要求大于31dB；256QAM系统要求MER大于30dB。在分析仪上显示数字前端的典型最大值MER是35-38dB（不关均衡）。

    MER包含信号的所有类型的损伤：各种噪声、载波泄露、IQ幅度/相位不平衡、相位噪声，都在发射和天馈系统中均存在，尤其是在发射机部分。所以如何优化数字MMDS发射机MER指标对于系统MER指标优劣起作关键作用。

2、BER（Bit Error Rate）比特误码率

    BER（Bit Error Rate）比特误码率是指错误比特数于全部比特数的比值。数字电视信号是离散的信号，具有“断崖效应”的特点，接收要么稳定，要么马赛克，要么静帧，要么中断。没有模拟信号那种劣化的渐变的过程。在数字MMDS系统中CSO/CTB/C/N等指标都反映到误码率上，所以误码率是数字传输系统中特有的指标，也是衡量数字MMDS系统有效行和可靠性优劣程度的重要指标,用户对系统的要求实际上最终就是误码率。

    BER一般用科学记数法表示，BER越低越好。对于数字传输误码率（BER）应达到：数字MMDS发射机BER?10-8、数字MMDS中继站BER?10-7、用户终端BER?10-5

    MER指标的主要局限性是不能捕捉到周期性的瞬间的测量，周期性的干扰使得一个信号可能有良好的MER而BER却很差。如果系统MER值较高，但依旧看到错误，那么该错误可能由一个周期性故障造成，因此判定系统中是否有周期性故障的以个方法是同时测量MER和BER。

三、数字MMDS发射机和合成器

    数字MMDS发射机和合成器是数字MMDS系统的核心设备，如何选型是一个综合考虑的结果。是否传统的模拟发射机和天馈系统可以不经过修改即可胜任数字MMDS系统，答案是否定的。[page]

1、数字MMDS发射机与模拟发射机的区别：

    数字MMDS发射机比模拟MMDS发射机要求更高，两者主要有以下几点区别：

    1) 数字MMDS发射机以平均功率为额定输出功率。因为对64QAM的数字信号来说,数字发射机大多处于平均工作状态，末级功率放大器处于AB类工作状态，功放管功率利用率高；而模拟MMDS发射机是线性调幅,功放级处在A类工作状态，甚至是超线性工作状态，功放管利用率低。即使数字发射机工作在峰值状态时,功放管特性曲线稍有弯曲也不影响数字信息传输(仍有良好的线性)，一般DTV发射机的线性峰值功率比平均功率高6～7dB。

    2) 数字MMDS发射机对相位噪声要求特别严格，因为数字信号是QAM正交调幅调制，相位的抖动导致检测的错误和码间干扰,误码率大，使恢复的信号失真。因此数字发射机的相位噪声指标做到偏离载频10kHz处1Hz带宽上时为－110dBc。因此若原有的模拟MMDS发射机要升级能兼容传输数字信号时，必须更换本振源，要采用精密同步源,将振荡器频率与GPS（或精密源）锁定，这可大大提高相位噪声指标,可达-110dBc。

    3) 数字发射机的中频频率是指数字信号频谱的中心频率。以适应各种制式及各种信道编码调制的中频输出。对MMDS数字传输系统QAM调制方式，我国目前还未制定标准，规定中频频率,若以模拟MMDS发射机中频38MHz而言,其8MHz频道带宽的中心频率为35.25MHz。因此目前我国的数字MMDS发射机采用36MHz或36.125MHz中频，与国际上靠扰。

    4) 发射机类型：我公司研制的数字MMDS发射机有两种类型：一类为单频道发射机，一类为宽带发射机。单频道发射机包括中频数字调制器、上变频器、功放、电源、控制单元等。只要将复用后的TS流接到中频数字调制器，即可通过MMDS发射机、多工器、波导、天线发射出去。宽带发射机包括数字射频调制器、混合器、上变频器、功放、电源、控制单元等。只要将复用后的TS流分别接到数字射频调制器，经混合器混合后，接到宽带发射机，通过波导、天线发射出去。

3、模拟和数字多工合成器的区别

    我国模拟电视信号制式为PLA/D,采用的是残留边带调制，每个电视频道总共占用带宽8MHz，其中6MHz用于传送图像，位于频谱的低端；15kHz用于传送伴音，位于视频频带的高端，中间有一小段距离，以避免伴音信号串入图像信号中；在8MHz的上、下边缘部分各有一段空白频带，用以防止频道之间的串扰。我国PAL制电视的视频带宽示意图见图1，该图为第二频道的带宽。 
                   
图2 第二频道带宽

    QAM即正交幅度调制，是对载波的振幅和相位同时进行数码调制的一种复合的调制形式。在DVB-C系统中它是一个8M带宽的等幅单载波，载波频点为频带中心频率。

    从上述分析可知PAL-D/K的残留边带调制与QAM正交幅度调制两种不同波形在8MHz的上、下边缘部分的频谱分布是不同的，其上升沿和下降沿的余玄函数也是不相同的。因此它们对于多工合成器的带通特性和频响要求是不同的，模拟MMDS多工合成器不宜直接应用于数字MMDS系统。同时由于数字MMDS系统的发射机是按照RMS（平均功率）设计和考核的，其实际等效峰值功率为相同模拟功率的5－6倍，数字MMDS多工合成器的额定功率容量也需要重新设计。

    现阶段数字MMDS系统大都采用QAM调制方式，符号率 大都采用6.875MSP，波形和带宽如下，可以参照下图设计滤波器。 
                 
图3 滤波器设计参考图

四、数字MMDS系统同频干扰问题

    由于现阶段国内数字MMDS系统采用的是DVB-C调制模式，DVB-C是一个单载波系统，不同于DVB-T采用的多载波COFDM方式。在数字MMDS系统规划中考虑到具体的实施条件，许多系统都存在一个行政区域内多主站规划，但如何解决各主站之间的同频干扰是一个现实的问题。

    1、采用频分的方式，将可使用频点进行分组。各发射台使用不同的频率避免同频干扰。 

    2、采用极化隔离。利用水平和垂直两种不同极化方式增大隔离度，提高抗同频干扰的能力。

    3、采用异形场发射，减少场强重叠区域。

    4、接收端也可以优化选用波束宽度窄、前后比高、极化隔离高的网状天线以提高对空间信号源的选择性和抗干扰性。

    在系统中同频覆盖区域内，最大的交叉覆盖区域是同频干扰最容易发射的地区。下面我们通过系统实验作出一个判定。

    某系统采用两组频率，极化隔离，共3个主站。

    测试交叉覆盖区域的站点隔离度，180°直线径上相同半径的接收点，此接收点为最大干扰接收点，它处于两个发射站点的中心，天线的相对隔离度最低（对于接收天线来说，副瓣的影响最大），实验接收高度模拟农村用户的实际高度，分别在离地面3米，6米，9米左右（物理高度）测试接收电平（一般农户的房顶高度为6米），按照目前的标准接收支架2米计算，实际接收高度为8米左右。由于是临时测试，发射塔没有按正规计算标准改造，因此在天线的安装上出现一定的不规范，带来部分角度区域场型的变化和不规范。

    采用同频交叉极化方式，视为干扰源的发射台按平均15W数字功率发射，与接收天线对准收视的主发射台工作功率一致，传输流内容一致。确定理论计算数据和实际实验数据的一致性。

         经测试交叉覆盖区域没有形成相互干扰，极限接收点的相互电平值都在22dB以下，具体数据如下：发端天线极化隔离20dB,接收天线后比20dB,两项相加的隔离度为40dB，实际测试点接收主发射台信号为57dB，关闭主发射台发射机，实际测得干扰台的信号为22dB(淹没在噪声中)，接收天线改换接收极化并对准干扰台方向，实测干扰台接收信号电平为55dB。与理论值计算值相差不大。[page]

    通过上述分析，结合工程经验及数据，得出以下结论：

    1）在数字MMDS系统中同频干扰最大的干扰源为相同DVB－C标准的MMDS信号源,模拟MMDS对于数字MMDS系统的干扰远小于数字MMDS系统之间的干扰。

    2）系统CCI保护比大于28db以上即使是基于DVB-C的单载波系统，同频干扰的问题也可以得到解决。因此，同频转发方案基本可行

五、数字MMDS系统的组网：

5.1 数字MMDS系统传输和组网问题：

    建立数字MMDS系统的单一主站的技术现阶段已经比较成熟，但是由于无线传输的特点主站大多建立在高山上，主站同前端机房诸如SDH环网信号，各专用数字解码器信号设备之间存在很长的距离，在系统中有时达几十公里。如何高质量的传输数字信号源是系统中一个现实而迫切的问题。我们在系统实施中对数字信号源采取了数字MMDS主干传输或通过数字7/8G传输和利用HFC系统传输QAM射频信号这三种方式传输，在具体系统实施中可根据各地现状选取适合本地的主干数字信号传输方式。
针对这三种传输方式，我们先后开发了数字MMDS专用DVB-C解码器(带TS流输出)，QPSK调制器，QPSK解调器、数字频道处理器等专用数字设备，并在系统中成功应用，构成了多种灵活的传输方式。

    5.2 MMDS与数字MUDS系统的混合组网

    MUDS采用的MMDS的命名方法，U为UHF频段（470-860MHz），MUDS即为多路分米波分配系统（Multichannel UHF Distribute system）的英文编写。基本原理同MMDS相近。它是采用宽频发射技术，将光接收机或MMDS降频器输出的数字电视信号使用无线方式发送。

    由于MMDS系统波束视距传输的特点，造成阴影区和半阴影区信号衰减过大，用户收视效果较差，为了解决该问题在该系统中采用了MMDS数字中继，即将MMDS降频为UHF信号，通过小功率的无人值守野外型全固态数字MUDS发射机全向或定向发射出去，然后在用户端采用宽频接收天线接收电视信号。较好的解决了中继全向发射所引起的收、发干扰问题，以及农村和山区低成本大范围覆盖的问题。为此我们专门开发了宽带数字MUDS发射机和小功率高增益天馈系统。

    MUDS的应用如下图所示： 
              
图4 MUDS的应用图示

六、MUDS应用应注意的问题

    MUDS由于频率低，生产技术比较容易掌握，很快被很多厂家采用，被广泛地应用在数字无线覆盖上，认为频率低，绕射能力强，机顶盒可直接接收，不需降频器，成本低。大有取代MMDS之势。
但是，在实际应用中，却并不如意。用户接收时莫名其妙的出现马赛克、中断、黑屏等现象，似乎很不稳定。原因如下：

    很多厂家并非专业无线生产厂，对无线覆盖一知半解，即使专业无线生产厂家，也缺乏多路发射的技术，东拼西凑随意组合系统。对系统指标不重视，结果肯定不如意。

    其次，MUDS优势是频率低，但劣势也是频率低，因为UHF接收天线增益低，主瓣大，又因为频率低，绕射能力强，接收天线既可接收直射波，也可接收绕射波。那么，进入机顶盒的信号就会发生干扰。

    但MMDS的频率高，绕射能力弱，又因为接收天线增益高，主瓣小，即使有绕射波，也很难收到。

    因此，提高MUDS发射系统指标，提高MUDS接收天线的增益和高度，是解决MUDS接收难的办法之一。但主站仍建议采用MMDS，MUDS仅作为MMDS的中继和补充，混合组网为宜。

七、MMDS调制方式的选择

    由于我国幅员辽阔，农村人口众多，农民收入很低。而数字无线覆盖，大都覆盖农村。因此，正确选择MMDS的调制方式，关乎接收成本的高低和运营成功的关键。

    DVB-T的调制方式是COFDM，它最大的优势是抗多经干扰，是地面覆盖最理想的调制方式。但是，它的缺点是：传输速率较低，即使子载波调制采用64QAM也只能传输31Mbps左右的速率。传输节目套数少，而且接收机顶盒成本较高。

    DVB-C的调制方式是m-QAM，在应用中大多采用64QAM，应用在CATV系统中。它的优势是传输速率高（38Mbps），传输节目套数多，接收成本居中。它的缺点是：抗干扰能力弱，受环境影响大。

    DVB-S调制方式是QPSK，它最大的优势是接收灵敏度较高，抗干扰能力较强，接收机顶盒成本最低。但是，它的缺点是：频率利用率最低。适合于频率资源丰富的地区。

    对于频率资源奇缺的地区，干扰严重的地区，利用超级编码或码流整形技术降低码率，采用DVB-T调制方式，如云南电视台就采用该技术。

    对于频率干扰较少，CATV和MMDS共用一个前端的地区，可以采用DVB-C的调制方式。如成都广电局。

    对于频率资源较丰富的地区，采用DVB-S调制方式，成本低，也是一个最佳的方式。如西部县市。

    总之，因地制宜大力发展数字MMDS是解决村村通问题最佳解决方案。