郭發(fā)云

（山西泰森科技股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隨著數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)逐漸形成了有線數(shù)字電視系統(tǒng)、衛(wèi)星數(shù)字電視系統(tǒng)、地面數(shù)字電視系統(tǒng)互為補(bǔ)充，并行發(fā)展的格局。單頻網(wǎng)是地面數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)重要的組網(wǎng)方式之一，它由多個(gè)位于不同地點(diǎn)、處于同步狀態(tài)的發(fā)射機(jī)組成數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)發(fā)射機(jī)以相同的頻率、在相同的時(shí)刻發(fā)射相同的節(jié)目以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定服務(wù)區(qū)的可靠覆蓋。單頻網(wǎng)組網(wǎng)過程中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是所有發(fā)射機(jī)的同步問題，這個(gè)問題的關(guān)鍵在于信號(hào)源到發(fā)射機(jī)的傳輸、適配。

1 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)（SFN:Single Frequency Network）是由多個(gè)位于不同地點(diǎn)、處于同步狀態(tài)的發(fā)射機(jī)組成的數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)，以相同頻率、在相同時(shí)刻發(fā)射相同節(jié)目，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的可靠覆蓋。

單頻網(wǎng)具有有利于頻譜規(guī)劃、提高頻譜利用率、較好的信號(hào)覆蓋特性、降低信號(hào)輻射、減少電磁污染、增強(qiáng)信號(hào)覆蓋均勻度等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)單頻網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究將能大大促進(jìn)我國數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改善我國頻率資源緊張的狀況。隨著DTMB標(biāo)準(zhǔn)成為我國強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)以及老撾、柬埔寨等國對(duì)DTMB標(biāo)準(zhǔn)的采納，我國及采用DTMB標(biāo)準(zhǔn)的國家地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)正處于起步階段，國內(nèi)、國際市場推廣前景將非常廣闊。［1］

單頻網(wǎng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先是有利于頻率規(guī)劃。在我國空間頻譜資源緊張的情況下，可以大大節(jié)約寶貴的頻率資源，提高頻譜利用率。其次，由于無線電信號(hào)本身的特性，在高樓林立的城市或丘陵山地環(huán)境中，無論單個(gè)數(shù)字電視發(fā)射站點(diǎn)的發(fā)射功率多大都會(huì)有很多信號(hào)覆蓋不到的區(qū)域，這些覆蓋不到的區(qū)域被稱作覆蓋盲區(qū)或盲點(diǎn)，單頻網(wǎng)則可通過多點(diǎn)同頻發(fā)射的辦法來解決覆蓋盲區(qū)問題，獲得較好的覆蓋率。第三，單頻網(wǎng)技術(shù)還可降低發(fā)射機(jī)設(shè)備的成本;通過優(yōu)化和調(diào)整單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)（基站數(shù)量、分布、發(fā)射天線高度、發(fā)射功率等），可以使用多個(gè)較小功率發(fā)射機(jī)代替一個(gè)大功率發(fā)射機(jī)，以降低信號(hào)輻射、減少電磁波污染、增強(qiáng)覆蓋均勻度，也可以根據(jù)需要隨時(shí)改變覆蓋意圖。

2 單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

同頻干擾是單頻網(wǎng)廣播面臨的最大問題。傳統(tǒng)單頻網(wǎng)依靠GPS同步各發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)間，靠保護(hù)間隔保證天線收到的不同信號(hào)能同時(shí)到達(dá)接收機(jī)。一旦超過保護(hù)間隔允許的距離，兩個(gè)或兩個(gè)以上的同頻信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)間不同，將導(dǎo)致接收機(jī)解碼失敗。故而靠GPS同步的方式仍有很多不足。實(shí)際上，根本不需要在各發(fā)射站完全同步，只需要解決各基站同頻信號(hào)交叉覆蓋地區(qū)的同步問題即可。

我們通過研究單頻網(wǎng)的建站距離，不斷地進(jìn)行實(shí)地檢測信號(hào)，對(duì)單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)有了更好的認(rèn)識(shí)，通過改善以下兩點(diǎn)即可解決同頻干擾和信號(hào)盲區(qū)的問題:（1）只需對(duì)各基站同頻信號(hào)交叉覆蓋地區(qū)，采用時(shí)延調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整;（2）相鄰基站采用不同極化方式發(fā)射信號(hào)。通過對(duì)這兩種方式的選用或全部采用，基本能保證各基站“同頻干擾”現(xiàn)象消失。這是單頻網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)技術(shù)保證，并在一些地區(qū)得到成功的商業(yè)運(yùn)用［3］。

2.1 國標(biāo)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 國標(biāo)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

這種單頻網(wǎng)廣播模式，可以省掉各個(gè)基站復(fù)雜昂貴的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高安全性;妥善處理某些交叉覆蓋區(qū)的同頻干擾現(xiàn)象。

2.2 單頻網(wǎng)補(bǔ)點(diǎn)發(fā)射基站

前端處理好的數(shù)字化信號(hào)輸入微波寬頻帶發(fā)射機(jī)或光發(fā)射機(jī)（經(jīng)有線電視光纜）傳輸，轉(zhuǎn)發(fā)基站接收到信號(hào)后，將微波天線上的下變頻器轉(zhuǎn)為UHF信號(hào)，或?qū)⒂芯€電視光纜送來的地面數(shù)字電視廣播UHF波段信號(hào)，經(jīng)濾波后對(duì)所有RF射頻信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)延時(shí)調(diào)整后（傳統(tǒng)方案中是對(duì)不同頻道TS流進(jìn)行延時(shí)，相對(duì)比較復(fù)雜），經(jīng)小功率發(fā)射機(jī)作單頻網(wǎng)發(fā)射，覆蓋5～20 km范圍用戶。

按照中國數(shù)字電視地面廣播編碼標(biāo)準(zhǔn)GB 20600-2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》所建議的單頻網(wǎng)組網(wǎng)模式:“本標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)也可以采用不依賴于GPS的主從結(jié)構(gòu)方案，全系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)各自相對(duì)于主發(fā)射機(jī)的時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)單頻網(wǎng)的發(fā)送時(shí)間同步”，該方案是有權(quán)威理論支持的。由于不象傳統(tǒng)方式采用昂貴的GPS同步設(shè)備，故不需設(shè)置保護(hù)間隔。該方案已在內(nèi)地多個(gè)地區(qū)單頻網(wǎng)廣播中得到很好應(yīng)用，是真正質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的可靠的單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)方案。其原理圖見圖2。

圖2 單頻網(wǎng)補(bǔ)點(diǎn)發(fā)射基站原理框圖

信號(hào)源采用MMDS微波或光纜傳輸，而不是各接收基站接收開路地面數(shù)字電視廣播信號(hào)后另行轉(zhuǎn)發(fā)，是為了保證后面發(fā)射基站信號(hào)不至于時(shí)延過于滯后，難以保證交叉覆蓋區(qū)接收點(diǎn)同步接收到不同基站信號(hào)。一般來說，離前端近的基站設(shè)計(jì)時(shí)延調(diào)整多些。距離前端遠(yuǎn)的基站時(shí)延調(diào)整少些，則比較容易平衡。

通過在多個(gè)單頻網(wǎng)交叉覆蓋區(qū)測試數(shù)據(jù)，調(diào)整補(bǔ)點(diǎn)基站的不同時(shí)延，可保證在交叉覆蓋區(qū)的信號(hào)能基本同步到達(dá)接收機(jī)，接收機(jī)即可正常接收解碼，消除同頻干擾的影響。

圖3 2個(gè)基站交叉覆蓋區(qū)同頻干擾的時(shí)延調(diào)整示意圖

如圖3所示，在2個(gè)交叉覆蓋區(qū)內(nèi)（可事先估算出位置），用一條直線畫出2交叉覆蓋區(qū)域中同頻干擾最嚴(yán)重的地方，到該地實(shí)測確定后，對(duì)2個(gè)轉(zhuǎn)播基站中的一個(gè)進(jìn)行時(shí)延調(diào)整，一般在5～20 μs之間。經(jīng)過這樣的調(diào)整，相鄰發(fā)射基站的發(fā)射時(shí)間不一定嚴(yán)格同步，但只要保證在交叉覆蓋區(qū)中心點(diǎn)收到的兩個(gè)不同基站的信號(hào)能同時(shí)到達(dá)接收機(jī)，同頻干擾現(xiàn)象就會(huì)消失。測試時(shí)可以采用儀器與機(jī)頂盒接收相結(jié)合的辦法進(jìn)行。一般通過幾次調(diào)整，就可以解決問題，以后也基本不需要再調(diào)試。如有多個(gè)基站信號(hào)交叉覆蓋區(qū)，相鄰的基站可以采用不同的極化方式（水平或垂直），這樣能最大限度降低同頻干擾的影響。因?yàn)橛脩糁饕枪潭ń邮?，只要采用相同的天線架設(shè)方式即可，不會(huì)影響其日常收看電視。在一些農(nóng)村地區(qū)，有時(shí)僅需采用不同極化方式安裝轉(zhuǎn)發(fā)基站，不需調(diào)整基站發(fā)射時(shí)延也可以保證交叉覆蓋區(qū)的良好接收效果。

另外，采用定向發(fā)射或降低某個(gè)相鄰基站的發(fā)射功率等辦法，也可以進(jìn)一步降低同頻干擾。

2.3 單頻網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)［4］

（1）有利于頻率規(guī)劃。在我國頻譜資源有限的情況下，可以大大節(jié)約寶貴的頻率資源，提高頻譜利用率。

（2）可解決覆蓋盲區(qū)問題。在高樓林立的大城市，單臺(tái)數(shù)字電視發(fā)射發(fā)射機(jī)無論功率多大，都會(huì)有一定信號(hào)盲區(qū)或盲點(diǎn)，單頻網(wǎng)則可通過多點(diǎn)同頻發(fā)射的辦法來獲得較好的覆蓋率。

（3）單頻網(wǎng)組網(wǎng)可降低發(fā)射機(jī)設(shè)備的成本。通過優(yōu)化和調(diào)整單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)（基站數(shù)量、分布、發(fā)射天線高度、發(fā)射功率等），使用多個(gè)較小功率發(fā)射機(jī)代替一個(gè)超大功率發(fā)射機(jī)。

（4）單頻網(wǎng)組網(wǎng)有利于降低信號(hào)輻射、減少電磁波污染、增強(qiáng)覆蓋均勻度。

（5）便于移動(dòng)接收。

2.4 實(shí)測單頻網(wǎng)信號(hào)頻譜圖

圖4 實(shí)測的組網(wǎng)成功的單頻網(wǎng)信號(hào)頻譜圖

圖4中，波瓣越多，多路信號(hào)的時(shí)延差越大，波瓣越深，多路信號(hào)的電平差越小。良好的單頻網(wǎng)信號(hào)的頻譜應(yīng)該是波瓣少而且深。

3 單頻網(wǎng)建站距離

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)最大建站距離是單頻網(wǎng)的重要參數(shù)，它決定了單頻網(wǎng)的發(fā)射站點(diǎn)的選取、建設(shè)成本以及建網(wǎng)的復(fù)雜性。地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的最大設(shè)臺(tái)距離主要取決于地面數(shù)字電視系統(tǒng)抗回波（多徑）干擾的能力，系統(tǒng)如果可承受的回波延時(shí)越長，單頻網(wǎng)設(shè)臺(tái)距離可以越大。符合GB20600-2006的地面數(shù)字電視系統(tǒng)抗回波干擾的能力依賴于發(fā)射端信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)以及接收端的信道估計(jì)與均衡算法。目前的測試結(jié)果表明:地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)各種工作模式的抗0 dB回波干擾延時(shí)長度一般都能做到與各自信號(hào)幀結(jié)構(gòu)中的幀頭長度基本相當(dāng)。隨著地面數(shù)字電視系統(tǒng)接收端算法的改進(jìn)，以及發(fā)射天線和接收天線的設(shè)計(jì)，也可以接收超過幀頭長度的多徑信號(hào)，這樣符合GB20600-2006的地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)設(shè)臺(tái)距離也將進(jìn)一步增大［5］。

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)設(shè)臺(tái)距離可根據(jù)GB20600-2006規(guī)定的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)的幀頭持續(xù)時(shí)間來考慮，幀頭持續(xù)時(shí)間即是抗多徑干擾的保護(hù)時(shí)間，在保護(hù)時(shí)間內(nèi)接收到的不同信號(hào)可以被接收選擇出最佳電平的信號(hào)。

如系統(tǒng)采用PN420幀頭，GB20600-2006規(guī)定的基帶符號(hào)率為 7.56 Msps，幀頭長度t=420 ×1/7.56 μs=55.56 μs，射頻信號(hào)在此時(shí)間內(nèi)的傳輸距離l=55.56 μs×3×108m/s=16.67 km，這也是單頻網(wǎng)設(shè)臺(tái)的最大距離。

對(duì)于 PN595 幀頭，t=78.7 μs，l=23.61 km，

對(duì)于 PN945 幀頭，t=125 μs，l=37.5 km，

因此，單頻網(wǎng)設(shè)臺(tái)的最大距離最好選為16.67 km。

4 山西地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的建設(shè)情況

我公司在太原、晉中、運(yùn)城、晉城、長治、忻州等地已建好多個(gè)基于雙國標(biāo)的單頻網(wǎng)。

太原:DS-31，4臺(tái)1 kW發(fā)射機(jī);

晉中:DS-30，4臺(tái)1 kW發(fā)射機(jī);

運(yùn)城:DS-33，3臺(tái)1 kW發(fā)射機(jī);

長治:DS-16，3臺(tái)1 kW發(fā)射機(jī);

忻州:DS-21，3臺(tái)1 kW發(fā)射機(jī)。

5 結(jié)束語

綜上所述，合理地對(duì)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，不僅能解決信號(hào)覆蓋問題，同時(shí)節(jié)約成本。本文闡述的國標(biāo)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在山西省得到了成功的應(yīng)用，與其他的GPS同步各基站發(fā)射時(shí)間的單頻網(wǎng)組網(wǎng)方案相比，更加簡單和實(shí)用。

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