董 鑫，胡曾千，楊 昉

(1.長沙廣電數(shù)字移動傳媒有限公司，湖南 長沙410005;2.深圳清華大學(xué)研究院，廣東 深圳5180572;3.清華大學(xué) 信息技術(shù)研究院，北京100084)

隨著地面數(shù)字電視廣播技術(shù)的發(fā)展，單頻網(wǎng)(SFN)組網(wǎng)技術(shù)漸漸取代傳統(tǒng)的多頻網(wǎng)(MFN)組網(wǎng)技術(shù)，成為目前地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)最主流的覆蓋方法之一［1］。單頻網(wǎng)是指由若干個不同位置處于同步狀態(tài)的發(fā)射臺站，在同一時間以同一頻率發(fā)射同一信號，實(shí)現(xiàn)對特定服務(wù)區(qū)的可靠覆蓋。在多頻網(wǎng)方式下，相鄰發(fā)射臺站采用不同頻率轉(zhuǎn)播同一信號，因此覆蓋一個區(qū)域需要占用多個頻率，而單頻網(wǎng)不需要頻率重用，節(jié)省了大量的頻率資源，頻譜利用率的顯著提高。

然而，增大覆蓋區(qū)域和改善覆蓋重疊區(qū)的接收性能不一定能同時滿足。一方面，多個發(fā)射臺站進(jìn)行多點(diǎn)發(fā)射可以使得單個發(fā)射基站無法提供足夠信號強(qiáng)度的覆蓋盲區(qū)因?yàn)榻邮盏狡渌l(fā)射點(diǎn)的覆蓋而得到改善;另一方面，來自不同發(fā)射臺站的信號會帶來相互干擾，構(gòu)成復(fù)雜的人工多徑環(huán)境，甚至是強(qiáng)多徑環(huán)境，難以獲得接收性能增益［2］?？梢娫趯?shí)際應(yīng)用中，單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)能增大接收端的信號功率，但也可能提高信號成功接收所需的接收端最小信噪比(SNR)，使得接收裕量有損失。因此，一味增加發(fā)射臺站或增大發(fā)射功率并不一定能改善接收效果。本文重點(diǎn)討論單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的人工多徑環(huán)境對地面數(shù)字電視廣播接收性能的影響，進(jìn)而提出了根據(jù)信道容量分析計(jì)算DTMB［3］單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中接收信噪比門限的具體方法。

1 信噪比門限預(yù)測方法

多載波OFDM調(diào)制是單頻網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。OFDM將傳輸信道分成多個正交子信道。由于每個調(diào)制符號的傳輸速率降低，符號周期加長，遠(yuǎn)大于多徑的最大時延，因此多徑的影響就大為減小。此外，還可以通過在OFDM信號幀間加入保護(hù)間隔，進(jìn)一步減弱多徑傳播造成的符號間干擾(ISI)的影響。采用OFDM多載波調(diào)制方式可以有效地抵抗多徑干擾，在實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)時具有先天優(yōu)勢。因此，本文主要討論多載波模式下的單頻網(wǎng)信噪比門限預(yù)測方法。

1.1 理論依據(jù)

信道容量是差錯率在可接受范圍內(nèi)信道傳輸能達(dá)到的最大信息率，代表信道在特定約束下發(fā)送消息的能力。同一接收機(jī)工作在同一模式下時，由于采用了同樣的編碼、調(diào)制、解碼、解調(diào)、量化等算法，可認(rèn)為對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懘笾潞愣?，則接收數(shù)據(jù)的可靠性與傳輸信道的信道容量息息相關(guān)。由Shannon的信息理論可知，在傳輸參數(shù)一定時，信道容量由信噪比和傳輸信道決定。對于按接收錯誤率判定傳輸失敗的系統(tǒng)，工作在同一模式下時，即使傳輸信道環(huán)境不同，達(dá)到成功接收臨界點(diǎn)所需的信噪比時，信道容量大致相同，即

式中:SNRawgn和SNRh分別代表高斯信道和多徑信道下成功接收所需的接收端信噪比門限值;Cawgn和Ch分別代表在高斯信道和多徑信道下信噪比門限時的信道容量。因此，若測量得到接收機(jī)工作在高斯信道下的信噪比門限，在參數(shù)給定的多徑信道下，可計(jì)算出使信道容量達(dá)到Cawgn(SNRawgn)的傳輸信噪比值，即為該多徑信道下的信噪比門限預(yù)測值。

1.2 預(yù)測方法

若指定傳輸信道為L徑信道，各徑的場強(qiáng)分別為A1，A2，…，AL，各徑的延時分別為τ1，τ2，…，τL，符號周期為Ts，則該多徑信道模型可簡單描述為

筆者提出了一種指定多徑信道下的信噪比門限預(yù)測方法，預(yù)測步驟如下:

1)指定工作模式，測試得到接收機(jī)在高斯信道下達(dá)到成功接收臨界點(diǎn)的接收端信噪比值SNRawgn。

2)對信噪比門限值進(jìn)行必要的修正?？紤]到DTMB實(shí)際帶寬、幀頭能量加倍等因素，需要將接收端信噪比門限值修正為OFDM塊上的信噪比門限值，才能進(jìn)行信道容量的計(jì)算。修正公式為

3)由待預(yù)測的工作模式約束計(jì)算系統(tǒng)在接收門限處的信道容量。星座圖約束下的信道容量計(jì)算方法參見Caire等人的文獻(xiàn)［4］。

4)由待預(yù)測的多徑信道參數(shù)，計(jì)算出使得多徑信道的信道容量達(dá)到Cth時的信噪比。由于信道容量計(jì)算公式非常復(fù)雜，很難根據(jù)Cth和多徑參數(shù)直接得到閉式解SNRh，因此，可以設(shè)置信噪比為一個較低的初始值，以預(yù)設(shè)的步長緩慢增大，直到對應(yīng)的多徑信道容量達(dá)到Cth，此時的信噪比即為該多徑信道下OFDM塊的信噪比門限值。

這種基于信道容量的信噪比門限預(yù)測方式適用于各種最大傳輸時延不超過保護(hù)間隔的多徑信道，不局限于多徑信道的徑數(shù)，在復(fù)雜的多徑信道模型下也能直接應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)室單頻網(wǎng)測試

為配合DTMB多載波模式的單頻網(wǎng)接收門限預(yù)測研究，搭建了實(shí)驗(yàn)室單頻網(wǎng)測試平臺進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)室測試主要有兩個目的:一是為信噪比門限預(yù)測提供所需的高斯信道信噪比門限參數(shù);二是為預(yù)測結(jié)果提供實(shí)際數(shù)據(jù)作為對比。測試框圖如圖1所示，使用盈電3530A信號發(fā)生器產(chǎn)生國標(biāo)信號源，通過盈電4409A多徑模擬器模擬單頻網(wǎng)環(huán)境，采用目前市場上收集到的商用接收機(jī)金網(wǎng)通JC3018機(jī)頂盒接收信號，并在顯示屏上播放以觀察信號質(zhì)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)室測試框圖

本次研究中，筆者測試了廣電總局推薦的4種DTMB多載波工作模式，表1列出了這4種模式的具體參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整多徑模擬器的各徑強(qiáng)度和時延，模擬不同的單頻網(wǎng)環(huán)境，測試機(jī)頂盒在不同單頻網(wǎng)環(huán)境下的接收性能。由于商用機(jī)頂盒一般不具有TS碼流接口，無法直接統(tǒng)計(jì)誤碼率(BER)以觀察接收性能。因此，采用ITU-R BT.1368-2［5］中所述的主觀失敗判據(jù)判斷信號是否成功接收:若在3個相繼20 s的每個20 s內(nèi)所觀察到的圖像損傷多于1個，則判定接收失敗，否則認(rèn)為接收成功。測試中，通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的SNR值，找到被測機(jī)頂盒達(dá)到成功接收的臨界點(diǎn)，并將此時的SNR值記為測試多徑環(huán)境中成功接收所需的信噪比門限。除了高斯信道外，主要測試了具有2個或3個發(fā)射臺站的單頻網(wǎng)傳輸環(huán)境，對應(yīng)2徑或3徑的多徑信道，信道參數(shù)如表2所示。對于每種工作模式，都測試了近萬種多徑信道，以便于驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 測試的4種多載波工作模式參數(shù)

表2 測試的多徑信道參數(shù)

3 預(yù)測結(jié)果與分析

采用金網(wǎng)通JC3018機(jī)頂盒作為接收機(jī)，測試得到4種DTMB多載波工作模式1～4在高斯信道下信噪比門限值分別為8.0，10.1，12.3和15.6 dB。根據(jù)以上結(jié)果，采用本文所述的信噪比門限預(yù)測方法，預(yù)測了接收機(jī)在多徑信道下成功接收所需的信噪比門限值。圖2～5給出了4種DTMB多載波工作模式下信噪比門限預(yù)測值與實(shí)際值的對比。對于這4種工作模式和所測試的多徑信道，預(yù)測誤差在1 dB內(nèi)的比例分別為93%，98%，92%，92%。由此可見，本文提出的預(yù)測方法能有效地估計(jì)單頻網(wǎng)中人工多徑信道干擾的影響，在預(yù)測信噪比門限方面具有較高的準(zhǔn)確性。

4 小結(jié)

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋區(qū)域，但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，覆蓋重疊區(qū)的信號干擾會嚴(yán)重影響信號的接收質(zhì)量。本文基于信道容量的分析提出了一種單頻網(wǎng)接收信噪比門限預(yù)測方法，以分析人工多徑環(huán)境下接收機(jī)的接收性能。該預(yù)測方法可配合單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)踐，通過調(diào)整和優(yōu)化單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，改善服務(wù)區(qū)域的覆蓋效果。

［1］莊謙，楊知行，潘長勇，等.單頻網(wǎng)及其在DTTB中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2003，27(10):7-8.

［2］潘長勇，馮景鋒，王勁濤.地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐［J］.電視技術(shù)，2010，34(8):14-16.

［3］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［S］.2006.

［4］CAIRE G，TARICCO G，BIGLIERI E.Bit-interleaved coded modulation［J］.IEEE Trans.on Inform.Theory，2010，44(3):927-946.

［5］ITU-R BT.1368-2，Planning criteria for digital terrestrial television services in the VHF/UHF bands［S］.2000.