ATSC中NTSC抑制滤波器的设计
2008-08-01
作者：黄紫来 周源华
摘 要：讨论了NTSC信号与数字电视ATSC信号在相邻信道中的相互影响以及NTSC抑制滤波器的设计与应用。
关键词： ATSC NTSC 抑制滤波器
在数字电视尚未普及之前，模拟信号NTSC服务就不会停止。因此，讨论模拟信号与数字信号的相互影响有一定的现实意义。VSB传输系统干扰抑制性能的讨论是基于6MHz电视信道中NTSC同信道干扰信号" title="干扰信号">干扰信号的主要载波分量和梳状滤波器" title="梳状滤波器">梳状滤波器中周期性空隙的频率位置。在数字传输中用预编码" title="预编码">预编码补偿梳状滤波器中的空隙。如果预编码是模拟的,就会在传输频谱中产生峰值。因此, 预编码在模运算中完成,由于模运算“回卷”(wrap-around)的随机化影响,会产生平坦的传输频谱。
1 ATSC频谱分析
ATSC频谱如图1所示。其中图（a）表明NTSC三个主要分量的位置和大致幅度。(1)视频载波(V)位于下边带的1.25MHz；(2)色度子载波(C)比视频载波高3.58MHz；(3)伴音载波(A)比视频载波高4.5MHz。
图（b）是梳状滤波器的频响,提供周期性的频谱空隙57×fH(=10.762MHz/12,即896.86kHz)间隔。在6MHz带宽中有7个空隙。图（a）和图（b）的比较表明视频载波比梳状滤波器第二个空隙低2.1kHz,色度子载波接近第6个空隙, 伴音载波比第7个空隙低13.6kHz。如上所述,这些值将随特殊情况下的导频" title="导频">导频偏移而有所不同。
图（c）表明如果在6MHz带宽居中放置VSB信号,导频信号位于VSB信号的低位奈奎斯特频率点，6MHz带宽的309.4405595kHz处。在两个奈奎斯特频率点之间的信号带宽是符号速率的一半,是NTSC水平扫描速率的342倍。342/286×4.5MHz=5.381118811MHz。
2 导频频偏
如图1所示， NTSC视频载波和模拟电视（ATV）载波之间的频率差为56×19/22×fH。这就要求ATV频谱相对于HDTV标准频谱有一个频偏，这个频偏最大为+45.8kHz，约为6MHz带宽的0.76%。事实上,进一步的测量表明DTV频率偏移的期望值依赖于本地的干扰情况。FCC规定同信道DTV/ NTSC的标准频偏是+28.615kHz。频偏使频谱稍高于当前信道并进入上邻信道约-40dB,ATV频谱的附加频偏主要用来跟踪分布在-10kHz、0kHz或10kHz范围内的NTSC干扰。
DTV信号在NTSC信号上邻信道的情况下,导频设置到边带332.138kHz±3Hz上(偏移+22.697kHz)。这个频率进一步偏移+10kHz、0Hz或-10kHz来匹配NTSC发射台的频偏。精确的±3Hz容限用于弥补NTSC接收机抑制上邻信道DTV信号所需选择性的不足。需要注意：精确的偏置可能导致NTSC接收机在空间域和时域交织生成冲击频率,引起无法收看。其它导频偏置情形也可能存在这种情况。
如果上邻信道干扰不存在，DTV频偏用于应付NTSC同频道干扰(精确的DTV频率值使得DTV的同频道干扰对NTSC没有明显的影响)。一个DTV发射台导频对NTSC同频干扰的标称偏置在边带338.056kHz±10Hz上，即偏移+28.615kHz。这个频率进一步偏移+10kHz、0Hz或-10kHz来匹配NTSC发射台的频偏。
对于DTV-DTV同信道情况,一个DTV信道可能比另一个信道偏置高19.403kHz。需要注意：这个频率是数据段速率的1.5倍,会在连续数据段上产生倒相干扰；还会在连续数据场参考段上产生倒相,以致均衡器失效。
所有可能的偏置在VSB接收机上产生的净影响(net effect)是因为在特殊信道上的导频不可能在标称频率上，但在38.6kHz范围内。
3 NTSC抑制滤波器
如图2所示，NTSC干扰抑制滤波器(梳状滤波器)是一个抽头的线性前向反馈滤波器，传递函数为1-z-1。梳状滤波器延迟信号12个符号（1.115μs）,然后抽取一个。如果NTSC干扰信号在载波电平上有一个阶跃" title="阶跃">阶跃(从低到高或从高到低), 则在ATV和NTSC载频之间一个周期的零冲击频率(偏移)将通过梳状滤波器，幅值与作为瞬态干扰的NTSC阶跃值成比例。这个NTSC载频上阶跃的例子出现在同步的头部和尾部(40IRE单位)。如果希望的信号与不希望的信号的功率比(D/U)足够大,数据判决错误就会出现。但交织会分散错误,使得RS纠错变得容易(RS能纠10字节错误/段)。
因为在梳状滤波器空隙附近仍然有接近NTSC信号频率的边带能量，会使DTV接收机在同信道状态下产生一个频率偏移，如NTSC能量在连续数据段中的相位偏离。
虽然梳状滤波器减小了NTSC干扰,但数据也被改变。7个数据眼(8级)变成了14个数据眼(15级)。这种变化是因为特殊情况下的符号内干扰部分响应过程不能使眼图关闭反而使同等幅度下数据眼加倍。但改变后的数据信号能被格状解码器正确解码。
4 NTSC信号的检测与梳状滤波器的切换
NTSC干扰也可以用图2所示的电路来检测。在梳状滤波器的输入和输出测量二进制数据场同步的信号干扰加噪声比,并比较两次结果，由生成的两个误差信号来完成。通过比较接收到的信号和保存的场同步参考信号生成第一个误差信号；通过比较梳状滤波器的输出信号和保存的场同步参考信号再经过梳状滤波器之后的信号生成第二个误差信号。误差信号经过平方和积分器获得一个预定的电平之后,由最大的信噪比(最低的干扰能量)的路径自动切入/出系统。
典型流程是:如果梳状滤波器路径是好的,步长为一个确定的权重因子的8位置信计数器(confidence counter)递增计数；如果正常路径(梳状滤波器OFF路)是好的,步长为一个较小的数递减计数。当一个复位信号改变信道时,计数器初始化值为零，计数器不允许重复计数。如果计数器超过一个阈值, 梳状滤波器ON路被选通, 滤波器为自适应均衡器。如果计数器值为零, 正常路径被选通,选择器(MUX)输出未经滤波的信号给均衡器。当检测到NTSC干扰信号时, 计数器以权重因子为步长递增计数而不是递减计数来允许梳状滤波器路径的快速选择。梳状滤波器路径一旦选择,当干扰消失时,需要较长时间再选择正常路径。这是为了阻止由于图像内容的变化干扰而产生不希望的转换。当在确定的回波和相位噪声状态下,ATV均值/NTSC峰值信号≌20dB时, 检测方案应该能检测NTSC干扰，阈值应该可调。
不让梳状滤波器在任何时间都接入系统是有原因的。 梳状滤波器在提供抑制同信道干扰的好处的同时,也降低了3dB白噪声性能。事实上这归因于滤波器的输出是两个完全增益路径之差,白噪声与符号不相关,噪声功率加倍。另外12个符号的差分编码造成0.3dB的附加衰减, 所以总数达3.3dB。如果NTSC干扰较小或没有, 梳状滤波器自动切出系统数据通路。当NTSC服务停止时, 梳状滤波器就会在数字电视接收机中省去。
梳状滤波器能瞬时切入/出,下一步TCM电路也要切换。虽然切换是瞬间的,但由于是基于场同步的,所以切换时刻受限。另外,检测器输出经过置信计数器(confidence counter)滤波而有点滞后,应阻止突变(thrashing)和不必要的快速模式转变。
参考文献
1 A_53 ATSC Digital Television Standard
2 A_54 Guide To The Use Of ATSC DTV Standard
3 ATSC/VSB Tutorial-Receiver Technology,Compiled by Wayne E.Bretl, Zenith Electronics Corp.