有线数字电视广播系统MER和BER指标的理解和应用

有线数字电视广播系统MER
和BER 指标的理解和应用
【摘 要】本文从MER 和BER 这两个有线数字电视广播系统日常网络维护常用指标的定义出发，分析讨论了其在数字通信原理意义下的物理和统计意义，揭示了其内在数学关系，并指出了其在数字电视系统规划和设计时的运用方法，同时探讨了其在日常系统维护中的应用方式。

【关键词】有线数字电视，信号调制误差率，误比特率
【中图分类号】
TN949 【文献标识码】 B 【DOI 编码】 10.16171/ki.rtbe.20190004013【本文献信息】王世文.有线数字电视广播系统MER 和BER 指标的理解和应用[J].广播与电视技术，2019,Vol.46(4).
Interpretation and Application of MER and BER in Digital CATV System
Wang Shiwen
(Liaoning Press Publication Radio and TV Development Research Center, Liaoning 110003, China)
Abstract This paper discusses the physical and statistical meanings of MER and BER in digital communication, which are practical parameters
defined in the digital CATV system for daily network maintenance. It reveals the mathematic relationship of the two parameters, points out the application method in digital TV system planning, and discusses the application in daily system maintenance. Keywords Digital CATV , Signal modulation error rate, Bit error rate
王世文
（辽宁省新闻出版广播影视发展研究中心,辽宁 110003）
0 引言
在数字有线电视系统中，信号调制误差率（MER ）和RS 译码前比特误码率（BER ）两个参数用于表征数字电视信号在调制和传输过程中所受到的损伤状况，是反应数字电视系统信号传输质量两个重要的指标，也是日常运维过程中所经常涉及的两个指标。

对于这两个指标的深入理解和认识，有助于数字电视系统的规划设计和运行维护。

文本将从技术理论分析和实际应用两个方面对这两个指标进行讨论。

1 技术指标的理解
1.1 技术指标的基本定义
根据GY /T 179-2001[1]有线数字电视广播系统组成如图1所示，其功能是借助数字通信技术实现数字电视视音频码流从前端系统到终端的传输。

根据GY /T221-2006[2]，信号调制误差率用于评价图1中前端QAM 调制映射模块输出和解QAM 映射的块输入的质量，其定义为：在信号接收端通过对每个接
收到QAM 符号s ~
进行星座点判决得到s ，
计算其距离向量s ^
（即：误差向量），再此基础之上计算
：
（1）
其中，N 表示接收的正交幅度调制（QAM ）符号数，I 和Q 分别表示复QAM
符号的同相分量和正交分量幅度值，表示QAM 星座图所在复平面上，接收QAM 符号的星座点与判决QAM 符号星座点之间的在（欧式）距离，与星座点据原点的距离的比值。

公式（1）所表达的直接含义是N 个接收符号的总能量和误差能量的比值，其背后的物理含义将在后文进行深入讨论。

RS 译码前比特误码率的定义为，图1中解m 位符号映射后的差错特比特数与总比传输特数的比值。

上述两个参数的共同性一方面在于都是统计意义上的数值，另一方面在于，必须以“正确的信息”作为比对参考。

在测量这两个值的时候，获取正确信息的方式存在着差异。

MER 的获得依赖于对接收符号的预先判断，是一种开环估计。

根据标准中的定义，正确的信息比特可以通过服务外（Out of
Service ）和服务内（In Service ）两种方式获取到。

第一种方式是在Null TS 包中插入伪随机的序列的方式，这一种闭环估计方式；第二种方式则依赖于RS 译码器对与传输信息的预先恢复，与MER 类似，也是一种开环估计方式。

以下对二者分别进行更为深入的讨论。

1.2 MER 指标
利用s ~
、s 和s ^
的关系，对公式（1）进行如下变换
：
（2）
假设QAM 信号本身是为0均值的，平均符号功率为P 的复随机信号，且信源具有无记忆特性，即：相邻QAM 符号之间统计独立。

当噪声为0均值，方差为
（或：噪声功率为δ）的
加性白高斯噪声时，噪声与QAM 信号统计独立。

（事实上，上述两个假设在实际系统中也是认为近似成立的）。

上式可以写为：
（3）
其中，E 表示数学期望，|·|为取复数模算子。

（3）式第二个等号中的分子部分利用了QAM 符号的独立性，分母部分利用了噪声与信号的统计独立性。

因此，由式（3），可以发现MER 在统计意义上的含义是由QAM 星座图进行归一化的噪声方差的倒数；而当QAM 星座点的平均功率为1时，MER 为符号信噪比。

但是应当注意的是，（1）和（2）中的s 是由接收符号s ~
的判决值，因此实际中测量得到的MER 事实上是归一化的噪声方差倒数/符号信噪比的“估计值”。

通常接收机会采用最大似然（ML ，Maximum Likelihood ）算法对接收符号进行判决，即：假设QAM 符号先验等概条件下，将接收
符号判定为与其（欧式）距离最近的星座
点。

因而，测量得到的MER 是对于归一化噪声方差倒数/符号信噪比的最大似然估计。

因此，统计意义上讲，MER 所反映的指标的准确性和有效性是与噪声水平相关的，即：信噪比越高的MER 值反映出对噪声和符号信噪比估计的准确性就越高，
反之越低，其偏离程度依赖于高斯噪声的
方差（功率）。

在此，我们需要对MER 引申出的符号信噪比这一参数加以说明。

一方面，符
号信噪比是数字通信中联系信噪比（SNR ）和比特信噪比（E b /N 0）的重要参数；
另一方面，根据符号信噪比可以对AWGN 信道
上传输QAM 的BER 进估计，此处不再进行更多展开。

特别地，M 阶QAM 调制误比特率可以按照以下公式对BER 进行估计可以采用以下公式[3]
：
（4）
其中，ρ表示符号信噪比（可以用MER 的绝对值代替），
M 为QAM 调制进制数。

1.3 BER 指标
事实上，误比特率或误码率是衡量数字通信系统可靠性的终极指标，也是数字业务质量需求与通信传输承载之间的关联点。

误码率是数字通信系统可靠性的终极指标，这源自于数字通信的基本原理，香农第二定理，即：当信息传输率R 小于信道容量时，只要码长N 足够长，存在M =2NR 个码字组成的一组纠错编码和相应的译码规则，使得译码错误的概率任意小。

这一数学理论在通信工程中进行应用时，通常被解释为，给定误码率要求，码长（对应复杂度）以及系统工作的噪声门限（可
与信道容量换算），可以设计出一套信道编/译码方案，以满足低于误码率要求的可靠信号传输。

数字业务质量需求与通信传输承载的关联点的含义则在于，通信之后的误码事实上是对原始传输数据造成的“失真”，或者说是信息的损失，而业务质量的需求本质上是对于业务失真而带来的业务品质下降的容忍程度。

比如：在GY /T 170-2001标准对数字电视业务译码后的误码率指标要求是在10-10以下。

网络对于其上所所承载的业务而言应当是透明的，误比特率的降低就意味着对于网络传输对业务损伤的减少，系统可靠性的提高，网络层的存在也就不会为业务层所感知，因此在实际系统设计中，通常会根据业务不受影响的条件（误码率指
标）的要求去进行网络传输系统的设计。

实际系统中，根据系
统应用的场景，通常在有效性和复杂性之间折中搭配从而提高系统的有效性。

比如：有线电视网络是一个封闭网络，信号传输的损耗可预算和信号畸变也较小，因此通常采用解构简单、编码和译码计算效率较高的纠错编码方案即可达到误比特要求，如代数分组码RS、BCH码；对于地面数字电视网络，由于无线信道具有时变和衰落特性，导致均衡处理后的信号信噪
比带来极大劣化，因此，通常采用低阶数字调制（如8PSK、16QAM），较为复杂的纠错编码方案（如LDPC码级联BCH码），前者主要用于获得降低系统噪声门限，后者用于消除LDPC码的平层效应。

对于有线数字电视系统，因为其传输环境为光纤同轴混合网络，信道基本无时变和频率性衰落，可以近似为一个加性噪声信道，因此，MPEG传输层技术中所提供的里德·所罗门（Reed Solomon）（204，188）编码（由（255，239）截短获得）即可满足前向纠错（FEC，Forward Error Correction）需求。

此外，考虑到同轴电缆网络中可能出现的脉冲噪声，系统设计上增加了交织器来进行信息比特的排列进行分散，防止连续差错数量超出纠错能力范围，使纠错码。

同时，在QAM星座映射前，采用了差分编码技术，以消除载频恢复错误可能造成的倒π/2现象，即以相邻复信号符号的相位相对值代替绝对值。

应当指出的是，不同于RS编码，这两种技术未增加冗余信息，仅是通过信号的线性变换改变了差错的呈现形式，因此，交织器和差分编码这两种技术并不属于差错消除技术。

在图1中，RS模块输出的BER应当达到数字电视呈现质量的差错要求，即：10-10以下。

实际系统测试中，测到这一数量级别的误比率就需要较长的时间，以38Mbps数据流为例，传输1010个比特需要需要263秒，约4分多种，并且未必一定出现差错。

即便出现几个比特差错，其所估计的BER也不能认为是有效的（存在估计偏差，即估计值的标准差较大），因此准确测量RS译码后的10-10以下水平的BER，消耗的时间应以约为1个小时左右，这是日常维护中通常是不现实的。

因
此，GY/T221中采用了RS译码前的BER作为指标。

根据（204，188）RS码的在硬判决译算法下的纠错能力[4]，其输入误字节率p_IN与译码输出后的误字节率的关系公式为：
（5）其中，m=8，为RS码字符号所包含的比特数，t为最小码字距离，此处为17，C表示求组合数运算。

根据（5）可以反推出输入误码率大约在10-5左右，因此，只需要10多秒的时间即可测量获比较可靠的误码数值。

2 指标关系的讨论
根据数字电视系统的框图，以及前两个小节我们对MER 和BER的分别讨论，已经可以看出MER和BER是存在一定内在联系的。

从系统设计的角度，我们可以根据业务所要求的BER水平，运用RS码的纠错能力估计公式（5），推算出译码前BER。

对于译码前BER，结合采用的QAM调制方式，运用AWGN信道下的BER与符号信噪比的关系式（4），可以进一步推算出所需的符号信噪比水平即MER。

反之，我们可以根据测量的MER水平/BER水平，利用公式（4）和（5）推算出所能达到的业务BER水平，或者说，可以将测量的MER/BER指与达到业务承载质量要求所需相应指标相比对，来衡量现网有线电视系统是否达到业务承载所应满足的技术指标需求。

根据这一方法，以DVB-C系统为例：业务误码率门限10-10时，RS译码前的BER门限理论值需达到约为10-5量级，如采用64QAM调制，则要求的MER达到24dB以上，考虑到终端内部处理可能带来的其他信噪比损伤，在输入数字电视机顶盒的MER要求大约控制在26dB以上，BER达到10-6以下。

3 有线数字电视系统维护中的应用
在有线数字电视系统的日常系统维护中，主要是对HFC 网络各个信号参考点的MER/BER指标进行测量和比对，从而侧面评估网络中有线电视射频信号的传输质量。

根据HFC网络结构参考点包括：前端设备、分前端、光节点、用户端等。

实际工作中，可以用户端26dB为基准点，进行各个参考点上MER的反推。

其中，同轴电缆部分，应根据射频频段、电缆长度和类型、分支/分配器的数量来估计传输损耗；光传输部分，应根据光接收机的插损、光放大器的损耗、1310nm/1550nm波长的光信号传输距离进行估计。

4 总结
本文在从MER和BER这两个有线电视网络日常维护常用指标的定义出发，在分析讨论了其在数字通信原理意义下的物理和统计意义，揭示了其内在数学关系，并指出了其在数字电视系统的规划和设计时的运用方法，并探讨了其在日常系统维护中的应用方式。

希望本文的分析能够为广大有线数字电视网络运行维护的一线人员提供一定的理论指导，便于大家在日常工作中能够从原理出发，对这两个指标进行灵活运用，保障有线数字电视系统的安全平稳运行。

此外，从通信系统的角度，本文采用的分析方法也是可以适用于地面数字电视和卫星电视传输系统的，只不过对于这两个系统将需要采用更加复杂的数
学分析工具对其信道特性、信号处理技术和纠错编码技术进行建模，继而进行相关指标的估算。

参考文献：
[1] GY /T 170-2001 有线数字电视广播信道编码与调制规范[S].2001.
[2] GY /T 221-2006 有线数字电视系统技术要求和测量方法[S].2006.[3] Proakis , J . G ., Digital Communications , 4th ed ., New York ,
【摘 要】本文对“雪亮工程”智能视频运维管理系统的现状、
总体方案的设计、应用从系统构成及原理上作了详细的分析，并提出了保证系统安全运行的和构建公共安全视频专网内运行环境统一、完善、主动的运维服务集中管理平台，以及可以全面提升运维管理能力的实施方案。

【关键词】雪亮工程，智能视频，运维管理系统
【中图分类号】 TP315 【文献标识码】 B 【DOI 编码】
10.16171/ki.rtbe.20190004014【本文献信息】郑尚尧.“雪亮工程”中智能视频运维管理系统的设计[J].广播与电视技术，2019,Vol.46(4).
Design of Intelligent Video Operation and Maintenance Management System
in Xueliang Project
Zheng Shangyao
(Zhejiang Sanmen Broadcasting Network Co. Ltd., Zhejiang 317100, China)
Abstract According to the current international advanced technical standards, this paper makes a detailed analysis of the status, overall scheme design and application of the intelligent video operation and maintenance management system in Xueliang Project from aspects of system composition and principle. It puts forward a unified, perfect and active platform for centralized management of operation and maintenance services, in order to ensure a safe operation of the system and to build a video private network for public security. It also presents an implementing plan to improve the operation and maintenance management ability.
Keywords Xueliang project, Intelligent video, Operation and maintenance management system
郑尚尧
（浙江三门广电网络有限公司，浙江 317100）
0 引言
我县在“雪亮工程”视频监控建设管理过程中，存在着监控点较多、图像资源繁杂，所使用的摄像机种类多的现状。

满足业主对于智能视频运维管理系统技术高要求。

因此我们在系统的研发和设计过程中，必须充分的考虑到业主的需求，结合当今国际上最先进的技术，有效地解决在运维管理中碰到的实际问题，建设成为安全高效最大限度支撑的智能视频运维运转的管理系统。

1 系统设计思路
在智能视频运维管理系统设计中，需要对所有不同类型智能及人脸抓拍的摄像机进行数据的全面管理，因此采用的技术标准必须严格按照ITIL /ISO20000/ITSS 等通用运维标准和规范。

平台的设基于B /S 结构，通过简洁、方便的WEB 操作界面，满足视频设备集中化管理（监控点、编码设备、解码设备等）、状态实时监控、故障告警第一时间发现并处理、统计报表自动化生成的运维需求，为用户在公共安全视频专网内运行环境构建统一、
“雪亮工程”中
智能视频运维管理系统的设计
McGraw -Hill , 2001.
[4] Sklar , B ., Digital Communications , 2nd ed ., Prentice Hall , 2001.
作者简介：
王世文，男，1965年生,高级工程师，主要从事广播电视技术研究和工程规划管理等工作,曾参与过辽宁省高山台站基础设施改造工程和中央广播电视节目无线数字覆盖工程。