关于数字电视信号电平的测试心得与分析

根据GY/T170—2001《有线数字电视广播信道编码与调制规范》规定数字电视信号RMS（均方根）的电平值应低于模拟信号峰值电平0~10dB。但在绝大多数经营有线电视网络的营运单位，并不具有测量RMS电平值的测试手段。
一般的情况下绝大多数中小有线网络营运单位只有简单的模拟信号测试手段，这就提出了一个问题：在数字电视信号（DVB—C）快速发展的今天，如何以现有的测试手段去完成数字信号的测量？为了说明问题，我们可以用一般的场强仪和频谱分析仪去进行模拟信号和数字电视信号电平的测试，并进行对比分析。
先假设在网络中传输的模拟信号的电平值与数字电视信号的RMS电平值之差为零。这时用一般的场强仪去分别测量模拟信号和数字电视信号的电平值，就会发现数字电视信号的电平值会比模拟电视的电平值低十几个dB；更奇怪的是如果用频谱分析仪进行此类测试时，会发现对应于不同的中频扫描带宽（RBW），模拟信号电平与数字电视信号电平之间呈现出不同的电平差。为什么这样？要回答这个问题，首先要回答模拟信号与数字电视信号在频谱上的差异。
模拟信号的峰值出现在载频点，而数字电视信号在频谱上是看不出载频点的。在一个合适的频段内，数字电视信号的电平谱更类似于噪声的频谱。这是由于数字电视信号的频谱是由无数不断变动的载波组成，所以在一个合适的频段内更象是一段噪声频谱。所以对数字电视信号的测量更适合的方式应为类似于噪声的测量。我们可以回忆一下模拟信号载噪比的定义：C/N=20lg（图像载波电平有效值/噪声电平均方根值（规定带宽内））
其中“规定带宽内”的带宽为5.75MHz
由此我们可以初步的理解到，均方根值的测量是与测量带宽有关的。其实我们大可以这样理解数字电视信号RMS值的含义为“带内功率电平值”。其所指“带内”是指-3dB带宽内，“带内功率”是指-3dB带宽内信号功率之和。有了这样的认识，我们就可以理解模拟信号和数字电视信号在测量中所呈现的差异。一般的场强仪均具有一个固定的中频扫描带宽，大约为300KHz左右，在测模拟信号时，出现在300KHz扫描带宽内的只有一个载波的峰值功率电平，不存在多个峰值电平之和；而测量数字电视信号电平时，所显示的是在300KHz扫描带宽内的功率电平之和，而非完整的数字电视信号功率电平。这也就能解释在用频谱分析低度进行测量时，对应不同的中频扫描带宽，测同一个数字电视信号的电平会出现差异的原因。理论上，数字电视信号的带宽与QAM调制的阶数、符号率及滚降系数有关，具体公式为：
信号带宽=符号率×（1+α）
在QAM64的调制方式中，设定符合率为6.875，α=0.15时，信号带宽为7.90625MHz
又假定某测量仪器的中频扫描带宽为300KHz。而测试某数字电视信号电平为S。，则总的数字电视信号电平S则为：
数字电视信号带宽/0.3
S=S。+10lg+K
K为修正系数，有资料介绍为1.7dB.
7.90625/03
代入上述各值：S=S。+10lg + 1.7
=S。+15.9085
至此，事情似乎已经有了个结论：用一般的场强仪或是频谱分析仪是可以测试数字电视信号电平地。只不过需在测试值上加上一个修正值。然而事情远没这么简单，问题就出在这个修正值的确定上。因为理论上的修正值并不是实际的修正值。实际的修正值受各个仪器本身的真实中频扫描带宽、中频滤波器的波形系数、滚降率等因素的影响，与理论值相差甚远。为了说明这个问题，笔者不防用个真实的测试实例作一个比对：
测试时间：2003年9月22日晚
测试地点：武汉广电局十二楼前端机房
测试用QAM调制器：HARRIS
测试仪器：tektronix2714频谱分析仪
测试频点：515MHz
调制信号：QAM64（带AS1流，符号率：6.875）
测试点：混合器后某一分支器的分支端口
首先确定数字电视信号的真实带内功率电平。根据HARRIS调制器的使用说明，当关断调制信号AS1流后，可输出一个中心频率的单载波，其电平等同QAM调制后的带内均方根（RMS）功率电平值。这就可以很容易的用频谱分析仪确定QAM调制后的数字电视信号带内功率电平值。另外也可用Tektronix2714频谱分析仪直接测出数字电视信号的-3dB带宽。有了这两个数据，进行测试分析就容易了。
实测时，在测试点测得HARRIS调制器输出的单载波（515MHz）电平值为68.8dBµv；也即输入ASI流后，得到的数字电视信号的带内功率电平值应为68.8dBµv。下面再来看看输入ASI流后频谱分析仪得到的各种状态下的测试数据： RBW RF幅度（dBµv） -3dB信号带宽（MHz）
300KHz 63.1 7.12
100KHz 57.3 7.09
30KHz 52.4 7.06
10KHz 47.6 7.06
3KHz 41.4 7.06
1KHz 34.0 7.09
1MHz 67.7 <>
7.52
首先看RBW为300KHz时的测试数据，其测得的数字电视信号电平为63.1dBµv。与其实际RMS值仅相差5.7dB。而理论计算值应为10lg(7.12/0.3)+1.7=15.45dB,相去太远。这就不得不怀疑频谱分析仪真实的中频扫描带宽是否有什么不妥当的地方?有什么办法在不违反理论计算的前提下，找到一个合理解释呢？笔者认为既然频谱分析仪显示的中频扫描带宽不能支持理论计算，何不引入一个“等效中频扫描带宽”来进行分析，而且此等效中频扫描带宽也可将K修正系数予以合并，由此可得如下公式：
-3dB信号带宽
RBW，
S=s0+10lg
-3dB信号带宽
n×RBW
式中RBW，=n×RBW为等效中频扫描带宽；n为引入的等效系数。剩下的问题就是如何确定等效系数n。因为测试数据已经有了，只要将数据代入上式，n就可以求出。经过分析比较，发现RBW在30KHz与10KHz之间的电平测试值之差符合10lg(30/10)=4.77dB的规律，可以最大限度的减小人为判读误差。所以决定以RBW为30KHz的数据组为计算依据。得出的n值为5.39。最后可得经练公式：
S=s0+10lg
此经练公式经复核，误差小于1dB。
结论：
1、用场强仪或无均方根（RMS）测试项的频谱分析仪，是可以进行数字电视信号电平测试的。不过要加上合适的修正值。
2、此修正值针对不同的仪器也是会不相同的。
3、上述的计算过程，只是为说明RBW对测试数据的影响，并非最简单的修正值获取方式。最简单的而又相对准确的方式是，直接在一定的RBW条件下直接读取QAM调制器的单载波时的电平值，再减去正常调制情况下测得的数字电视信号电平值，即可得到所需的修正值。如笔者所用的tektronix2714频谱分析仪在300KHz的中频扫描带宽条件下，其修正值为5.7dB，就是直接取得的。
4、从测试数据中可看出，RBW为1MHz时测得的数字电视信号电平与实际值相当接近。也可以作为参考数据。不过尚没对其它种类的频谱分析仪进行过对比。
5、理论计算得出的数字电视信号的带宽，并不一定与实际的数字电视信号带宽一致。各品牌QAM调制器的信号带宽会略有差别。