李彩偉，張曉林，張 展，李 鈾，李 辰，于志堅(jiān)

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 國(guó)家數(shù)字電視工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

DTMB接收機(jī)對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋地點(diǎn)概率估計(jì)的影響研究

李彩偉1，張曉林1，張 展1，李 鈾1，李 辰1，于志堅(jiān)2

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 國(guó)家數(shù)字電視工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

提出一種DTMB接收機(jī)抗單頻網(wǎng)回波干擾性能實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法。首先，測(cè)量系統(tǒng)工作模式下的射頻保護(hù)率PR、0 dB回波最大延時(shí)dmax以及延時(shí)超過(guò)dmax時(shí)回波幅度最小衰減量Dmin，然后根據(jù)射頻保護(hù)率PR定義計(jì)算出延時(shí)超過(guò)dmax時(shí)有用信號(hào)功率所占回波總功率的百分比。并基于理論六邊形單頻網(wǎng)模型研究了固定接收和移動(dòng)接收下DTMB接收機(jī)抗單頻網(wǎng)回波干擾性能在不同F(xiàn)FT窗口同步方法下對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋地點(diǎn)概率估計(jì)的影響，仿真結(jié)果表明接收機(jī)特性對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋率有重要影響。

DTMB；單頻網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；地點(diǎn)概率

University,Beijing100191,China;2.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100094,China)

在單頻網(wǎng)中，接收機(jī)同時(shí)接收來(lái)自SFN中不同發(fā)射機(jī)的多個(gè)信號(hào)，當(dāng)接收信號(hào)達(dá)到時(shí)間相對(duì)于FFT窗口同步時(shí)間的時(shí)延大于保護(hù)間隔GI時(shí)，將產(chǎn)生同頻干擾，干擾功率占接收功率的百分比取決于接收機(jī)抗SFN回波干擾性能，因此，在地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)規(guī)劃中，接收機(jī)抗單頻網(wǎng)回波干擾性能是SFN覆蓋地點(diǎn)概率估計(jì)的一個(gè)重要的方面。文獻(xiàn)[1]和[2]中給出了DAB-T、DVB-T以及DVB-T2接收機(jī)理論干擾模型，這些干擾模型都是在假設(shè)理想的信道估計(jì)和均衡下的推導(dǎo)式，在我國(guó)地面數(shù)字電視相關(guān)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出DTMB接收機(jī)干擾模型[3-4]，本文基于國(guó)家數(shù)字電視工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)通過(guò)DTMB單頻網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究DTMB接收機(jī)抗單頻網(wǎng)回波干擾性能。另一方面，接收機(jī)FFT窗口同步方法決定了單頻網(wǎng)中各發(fā)射機(jī)在接收地點(diǎn)處的時(shí)延差，文獻(xiàn)[5]基于理論六邊形模型研究了DTMB單頻網(wǎng)頻率分配規(guī)劃方法，本文基于理論六邊形模型研究了不同F(xiàn)FT窗口同步方法對(duì)SFN覆蓋率的影響。

1 DTMB接收機(jī)抗單頻網(wǎng)回波干擾性能測(cè)試

1.1 系統(tǒng)測(cè)試框圖

對(duì)于地面數(shù)字電視系統(tǒng)而言，目前國(guó)際上衡量系統(tǒng)可靠性可以采用兩種評(píng)價(jià)方法：主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)方法[6]。本文采用客觀評(píng)價(jià)方法：在1 min之內(nèi)，統(tǒng)計(jì)總的誤碼率高于3×10-6，即為接收失敗，反之則為正常接收。系統(tǒng)測(cè)試框圖如圖1所示。測(cè)試設(shè)備如表1所示。測(cè)試變量為系統(tǒng)工作模式下的射頻保護(hù)率PR、0 dB回波最大延時(shí)dmax以及延時(shí)超過(guò)dmax時(shí)回波幅度最小衰減量為Dmin。

圖1 系統(tǒng)測(cè)試框圖

表1 測(cè)試儀器列表

1.2 測(cè)試方法

設(shè)備連接如圖1a所示，射頻保護(hù)率PR測(cè)試步驟為：

1) 將數(shù)字電視調(diào)制器2輸出信號(hào)設(shè)置在與被測(cè)數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)相同的頻道。

2) 將數(shù)字電視調(diào)制器2的衰減器衰減值設(shè)定為最大，調(diào)整被測(cè)調(diào)制器的衰減器衰減值，使頻譜儀上測(cè)得數(shù)字電視傳輸信號(hào)功率為-60 dBm，記為信號(hào)功率C。

3) 減小數(shù)字電視調(diào)制器2的衰減器衰減值直至接收失敗。

4) 以0.1 dB為步進(jìn)增加數(shù)字電視調(diào)制器2的衰減器衰減值，直到系統(tǒng)傳輸優(yōu)于失敗判據(jù)，記錄此時(shí)的誤比特率BER。

5) 將被測(cè)調(diào)制器的衰減器衰減值設(shè)定為最大，使用頻譜儀測(cè)量此時(shí)數(shù)字電視調(diào)制器2信號(hào)在其所在頻道內(nèi)的功率，記為功率I。

6) 計(jì)算C/I，記錄為同頻數(shù)字干擾數(shù)字信號(hào)的C/I門限。

設(shè)備連接如圖1b所示，0 dB回波最大延時(shí)dmax以及延時(shí)超過(guò)dmax時(shí)回波幅度最小衰減量Dmin測(cè)試步驟為：

1) 將多徑信道仿真器的信道模型設(shè)置為2徑模型，回波衰減為0 dB，回波時(shí)延為1 μs，調(diào)整傳輸信號(hào)衰減器的衰減量，使頻譜儀上測(cè)量信號(hào)功率為-53 dBm。

2) 調(diào)整多徑仿真器的信道模型，回波衰減保持原值，增大回波延時(shí)直到接收機(jī)不能正常接收。

3) 以1 μs為步進(jìn)逐步減小多徑時(shí)延的長(zhǎng)度，直至系統(tǒng)傳輸優(yōu)于失敗判據(jù)，記錄此時(shí)的BER；記錄此時(shí)的回波時(shí)延，作為0 dB回波最大時(shí)延dmax。

4) 將多徑信道仿真器的信道模型設(shè)置為單徑模型，調(diào)整傳輸信號(hào)衰減器的衰減量，使頻譜儀上測(cè)量信號(hào)功率為-53 dBm。

5) 將多徑信道仿真器的信道模型設(shè)置為兩徑模型，設(shè)置回波時(shí)延大于最大0 dB回波延時(shí)dmax，以0.1 dB為步進(jìn)，逐步增加回波衰減直至系統(tǒng)傳輸優(yōu)于失敗判據(jù)，記錄此時(shí)的BER。

6) 記錄此時(shí)的回波衰減值，作為延時(shí)超過(guò)dmax時(shí)回波幅度最小衰減量為Dmin。

設(shè)主徑信號(hào)的功率為P，當(dāng)回波延時(shí)Δτ大于dmax時(shí)，回波的有用信號(hào)功率占總功率的百分比為w(Δτ)，由保護(hù)率PR的定義可得

(1)

因此得

(2)

部分工作模式下的抗回波性能測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，DTMB接收機(jī)抗0 dB回波的最大延時(shí)dmax近似于保護(hù)間隔GI，當(dāng)回波延時(shí)Δτ大于dmax時(shí)，有用信號(hào)功率占總功率的百分比不足10%，隨著延時(shí)的逐漸增大，該信號(hào)功率全部變?yōu)楦蓴_功率。

2 DTMB接收機(jī)對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋地點(diǎn)概率估計(jì)的影響

除接收機(jī)抗SFN回波干擾性能外，接收機(jī)FFT窗口同步方法也是單頻網(wǎng)規(guī)劃中考慮的重要因素。本節(jié)基于理論六邊形SFN模型研究了式(3)和式(4)所表示的DTMB接收機(jī)抗回波干擾模型在不同F(xiàn)FT窗口同步方法下對(duì)SFN覆蓋地點(diǎn)概率估計(jì)的影響,即

(3)

(4)

圖2 DTMB接收機(jī)抗SFN回波干擾性能模型

當(dāng)Δτ大于GI時(shí)，式(3)將信號(hào)功率全部視為干擾功率，式(4)將有用功率占總功率的百分比視為10%。

2.1 理論六邊形單頻網(wǎng)模型

眾所周知，我國(guó)南海海域遼闊，島嶼眾多。但是，目前修建有可供大型飛機(jī)起降的機(jī)場(chǎng)的海島不過(guò)寥寥數(shù)個(gè)。更讓人頭疼的是，大多數(shù)島嶼還并不具備修建機(jī)場(chǎng)的條件。一旦遇到特殊情況，如何將人員、物資、裝備等快速投送到事發(fā)地，一直困擾著我們。

如圖3所示，理論六邊形SFN由位于六邊形中心和頂點(diǎn)的7個(gè)發(fā)射機(jī)組成，所有的發(fā)射機(jī)使用相同有效天線高度以及有效輻射功率，發(fā)射機(jī)之間的距離為ISD(Inter Site Distance)，服務(wù)區(qū)半徑為D。根據(jù)規(guī)劃策略和規(guī)劃目的的不同，服務(wù)區(qū)域可以是由外圍6個(gè)發(fā)射機(jī)組成的六邊形區(qū)域，稱為封閉單頻網(wǎng)(Closed SFN)，也可以是邊長(zhǎng)比ISD大15%的六邊形區(qū)域，這種網(wǎng)絡(luò)稱為開(kāi)放單頻網(wǎng)(Open SFN)。在封閉單頻網(wǎng)中，中心發(fā)射機(jī)使用全向天線，外圍發(fā)射機(jī)使用指向覆蓋區(qū)域內(nèi)的定向天線以減少對(duì)外部的干擾。在開(kāi)放單頻網(wǎng)中，所有發(fā)射機(jī)使用全向天線。本文中使用開(kāi)放單頻網(wǎng)模型。

圖3 理論六邊形SFN模型

2.2 仿真場(chǎng)景和參數(shù)

DTMB主要用于固定接收和移動(dòng)接收，各規(guī)劃場(chǎng)景下的參考網(wǎng)絡(luò)和參考規(guī)劃配置參數(shù)如表2所示[3-4]。

表2 參考網(wǎng)絡(luò)和參考規(guī)劃配置參數(shù)

在單頻網(wǎng)中，產(chǎn)生覆蓋盲區(qū)的原因主要有兩個(gè)，第一個(gè)為接收機(jī)的本地噪聲，第二個(gè)為單頻網(wǎng)自干擾。為分析一些覆蓋預(yù)算算法在存在自干擾下對(duì)覆蓋效果的影響，發(fā)射機(jī)的有效輻射功率為不存在自干擾情況下使整個(gè)服務(wù)區(qū)滿足接收模式覆蓋要求的最小輻射功率(固定接收下覆蓋地點(diǎn)概率為95%，移動(dòng)接收下覆蓋地點(diǎn)概率為99%)。

2.3 覆蓋地點(diǎn)概率計(jì)算方法

在SFN中，接收機(jī)同時(shí)接收到來(lái)自不同發(fā)射機(jī)的多個(gè)信號(hào)，文獻(xiàn)[1]中給出了5種不同發(fā)射機(jī)FFT窗口同步方法，本文中使用兩種FFT同步方法，分別為某門限以上最先到達(dá)信號(hào)(TL)和最強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)(SS)。假設(shè)SFN中第i個(gè)發(fā)射機(jī)在接收地點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)為Pi，傳播時(shí)間為ti，F(xiàn)FT窗口同步時(shí)間為to，則第i個(gè)發(fā)射機(jī)相對(duì)于to的延時(shí)差為Δτi=ti-t0，根據(jù)接收機(jī)抗SFN回波干擾模型，第i個(gè)信號(hào)在接收地點(diǎn)處產(chǎn)生的有用信號(hào)功率Ui和干擾信號(hào)功率Ii為

(5)

因?yàn)镻i為對(duì)數(shù)正態(tài)分布變量，Ui和Ii也可以視為對(duì)數(shù)正態(tài)變量，其對(duì)數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)方差分別為

(6)

(7)

接收地點(diǎn)處的有用信號(hào)功率U和干擾信號(hào)功率I是SFN中各個(gè)發(fā)射機(jī)在接收地點(diǎn)處產(chǎn)生的各有用信號(hào)功率分量Ui和各干擾信號(hào)功率分量Ii的合成，即

(8)

U和I是對(duì)數(shù)正態(tài)變量的和，可以近似為對(duì)數(shù)正態(tài)變量[9]，在對(duì)數(shù)正態(tài)信號(hào)合成方法中，t-LNM算法準(zhǔn)確率較高，本文使用t-LNM進(jìn)行信號(hào)合成[10]。

接收地點(diǎn)的覆蓋質(zhì)量取決于接收地點(diǎn)處的載噪干比CINR，用γ表示，定義為

(9)

式中：N0為接收機(jī)本底噪聲。

覆蓋小區(qū)的覆蓋地點(diǎn)概率定義為CINR大于PR的概率，

Pc=P{γ>PR}=P{γdB>(PR)dB}

(10)

忽略陰影衰落以及自干擾引起的相關(guān)性，假設(shè)U、I獨(dú)立，則U/I對(duì)數(shù)正態(tài)分布的均值mU/I和方差σU/I分別為

(11)

因?yàn)镹0和I相互獨(dú)立，則有

(12)

式中：Q(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的互補(bǔ)累積分布函數(shù)，表示為

(13)

2.4 仿真結(jié)果

固定接收和移動(dòng)接收下不同的接收機(jī)FFT窗口同步方法對(duì)SFN覆蓋率的影響分別如圖4和圖5所示。同時(shí)也給出了不同的接收抗回波干擾性能對(duì)SFN覆蓋率的影響。為了使對(duì)比更鮮明，表3給出了各覆蓋地點(diǎn)概率區(qū)間內(nèi)接收地點(diǎn)的百分比。

由圖4和圖5可以看出，接收機(jī)FFT窗口同步算法對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋率有很大影響，在固定接收和移動(dòng)接收下，TL同步算法具有比SS同步算法較高的覆蓋率。同步算法決定了各發(fā)射機(jī)在接收地點(diǎn)的延時(shí)差，TL同步算法將FFT窗口末端與門限(低于最強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)6 dB)以上最先到達(dá)信號(hào)的第N個(gè)符號(hào)的末端對(duì)齊，SS同步算法將FFT窗口的中心位置同步到第N個(gè)符號(hào)的中心，在該理論單頻網(wǎng)模型中最先到達(dá)信號(hào)具有最強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)，因此相對(duì)于TL而言，SS的FFT窗口同步時(shí)間提前GI/2，各回波延時(shí)增大GI/2，因此干擾較大，覆蓋率較低。當(dāng)接收機(jī)處理時(shí)延大于GI的回波性能稍有提高，覆蓋率將有所提高。

圖4 固定接收下覆蓋地點(diǎn)概率分布圖

圖5 移動(dòng)接收下覆蓋地點(diǎn)概率分布圖

表3 固定接收和移動(dòng)接收下各覆蓋地點(diǎn)概率區(qū)間內(nèi)接收地點(diǎn)的百分比 %

3 小結(jié)

本文通過(guò)DTMB單頻網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究了DTMB接收機(jī)抗單頻網(wǎng)回波干擾性能，并基于理論六邊形單頻網(wǎng)模型研究了該性能在不同F(xiàn)FT窗口同步方法下對(duì)SFN覆蓋地點(diǎn)概率的影響，仿真結(jié)果表明在固定接收和移動(dòng)接收下TL同步算法具有比SS同步算法較高的覆蓋率，但是本文研究基于均勻地形，SFN中沒(méi)有前回波，SS同步算法在移動(dòng)接收信道下的可用性有待進(jìn)一步研究。接收機(jī)處理長(zhǎng)時(shí)延回波性能的提高將進(jìn)一步提高SFN覆蓋率。

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張曉林(1951— )，博士生導(dǎo)師，主研方向?yàn)榈孛鏀?shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)、集成電路、飛行器遙控遙測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；

張 展(1981— )，博士后，主研地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)研制、集成電路SoC設(shè)計(jì)、航空電子系統(tǒng)與飛行器測(cè)控通信；

李 鈾(1981— )，博士后，主研OFDM通信系統(tǒng)峰均比抑制及功放線性化、地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)測(cè)試方法；

李 辰(1983— )，博士生，主研地面數(shù)字電視接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；

于志堅(jiān)(1960— )，博士生導(dǎo)師，主研方向?yàn)楹教鞙y(cè)控系統(tǒng)工程、通信、信息系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：許 盈

Research on Impact of DTMB Receiver Characteristics on SFN Coverage Location Probability

LI Caiwei1, ZHANG Xiaolin1, ZHANG Zhan1, LI You1, LI Chen1, YU Zhijian2

(1.KeyLaboratoryonStateDigitalTelevisionEngineering,SchoolofElectronicandInformationEngineering,Beihang

A method based on laboratory SFN simulation tests for DTMB receiver performance measurement with SFN echo is proposed. Firstly, protection ratio (PR), the maximum delaydmaxfor 0 dB echo and the minimum amplitude attenuationDminfor echo with delay larger thandmaxare measured for a given transmission mode. Secondly, the ratio between the useful contribution and the total power is calculated according to the formula ofPRdefinition. The effects of DTMB receiver characteristics, including the interfering model and FFT window synchronization methods, on coverage location probability are studied based on the theoretical hexagon model for mobile and fixed reception. The results show that the receiver characteristics have a relevant impact on the final coverage percents within the service area.

DTMB; SFN; network planning; location probability

【本文獻(xiàn)信息】李彩偉，張曉林，張展,等.DTMB接收機(jī)對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋地點(diǎn)概率估計(jì)的影響研究[J].電視技術(shù),2015，39(11).

北京市重點(diǎn)學(xué)科基金項(xiàng)目(XK100070525)

TN949.197

A

10.16280/j.videoe.2015.11.020

李彩偉(1984— )，女，博士生，主研地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及測(cè)試技術(shù)；

2014-12-26