張靜琦，李薰春

(1.浙江廣播電視集團 廣播電視傳輸發(fā)射中心，浙江 杭州 310008;2.國家新聞出版廣電總局廣播科學(xué)研究院，北京 100866)

地面數(shù)字電視系統(tǒng)中的人為噪聲容差研究

張靜琦1，李薰春2

(1.浙江廣播電視集團 廣播電視傳輸發(fā)射中心，浙江 杭州 310008;2.國家新聞出版廣電總局廣播科學(xué)研究院，北京 100866)

分析了我國地面電視頻譜使用情況，提出了研究人為噪聲的重要性和緊迫性，歸納了地面數(shù)字電視系統(tǒng)中的人為噪聲容差和最小中值等效場強的計算方法，為我國地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)規(guī)劃計算和將來米波頻段的數(shù)字化規(guī)劃提供了技術(shù)參考。

地面數(shù)字電視系統(tǒng)；人為噪聲容差；天線噪聲系數(shù)

我國的地面電視廣播頻段可分為兩段：一段位于米波頻段，簡稱為VHF，共有12個頻道(DS1-DS12)；米波段某些頻道的使用受到一定制約，其中3頻道在沿海地區(qū)與其他業(yè)務(wù)共用，4頻道需要考慮對調(diào)頻業(yè)務(wù)的制約影響，5頻道已經(jīng)被調(diào)頻業(yè)務(wù)使用。另一段位于分米波頻段，簡稱為UHF，共有36個廣播業(yè)務(wù)專用頻道(DS13-DS48)。在經(jīng)歷了“兩級辦”、“四級辦”、各種專項工程(如西新工程、農(nóng)村廣播電視節(jié)目無線覆蓋工程、中央廣播電視節(jié)目無線數(shù)字化覆蓋工程等)對頻率資源的反復(fù)挖掘和使用后，我國地面電視頻率資源已變得非常擁擠。模數(shù)過渡期間，由于地面數(shù)字電視業(yè)務(wù)發(fā)展及模數(shù)同播的需要，需在分米波頻段內(nèi)增加地面高清晰度電視、標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視、移動多媒體廣播和車載移動電視等數(shù)字電視頻道。模數(shù)過渡后，米波頻段的數(shù)字化規(guī)劃也是一個重要研究課題。然而，米波頻段與分米波頻段相比，受較高的人為噪聲電平影響。

人為噪聲是指各種電氣裝置中電流或電壓發(fā)生急變而形成的電磁輻射。人為噪聲的來源包括汽車點火系統(tǒng)、輸電線路、開關(guān)電源、微波爐和計算機等。潛在的人為噪聲源的變化也導(dǎo)致了各種人為的噪聲特性，如白噪聲、窄帶干擾或強脈沖噪聲。目前，幾乎所有國家的地面廣播電視系統(tǒng)都是基于多載波調(diào)制，它特別容易受脈沖噪聲的影響[1]。

人為噪聲容差是地面數(shù)字電視系統(tǒng)覆蓋規(guī)劃場強計算重要參數(shù)之一，本文對人為噪聲容差的計算方法進行研究，給出了地面數(shù)字電視系統(tǒng)中人為噪聲容差和最小中值等效場強計算方法，對比了人為噪聲對電視各頻段的影響，為地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)規(guī)劃試算提供了技術(shù)參考。

1 人為噪聲容差計算方法

人為噪聲容差計算公式如下[2]

n=kT0B

(1)

Pa=n+i

(2)

(3)

(4)

Fa=10lgfa

(5)

(7)

(8)

P=pr+n+i

(9)

(10)

(11)

式中：n為熱噪聲(單位為W)；k為玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23(J/K)；T0為絕對溫度=290 K；B為接收機噪聲帶寬(單位為Hz)；i為人為噪聲功率；Pa為噪聲功率和；fa為天線噪聲因子；Fa為天線噪聲系數(shù)；fr為接收機噪聲因子；Fr為接收機的噪聲系數(shù)；P為總功率(單位為W)；Pr為接收機噪聲(單位為W)；mmn為人為噪聲因子；Pmmn為人為噪聲容差。

2 地面數(shù)字電視系統(tǒng)人為噪聲容差計算

建議書ITU-R P.372給出了天線噪聲系數(shù)的中值Fa,med與頻率的函數(shù)關(guān)系[3]，如圖1所示。圖1中A表示城市，B表示住宅區(qū)，C表示農(nóng)村，D表示寧靜農(nóng)村，E表示銀河。計算天線噪聲系數(shù)的公式為

Fa,med=c-dlgf(dB)

(12)

圖1 天線噪聲系數(shù)中值與頻率函數(shù)關(guān)系

對于不同的場景，變量c和d的值如表1所示。

表1 不同場景條件下的變量c和d取值

不同場景條件下的人為噪聲偏差范圍如表2所示。歐洲在2006—2007年對室外和室內(nèi)人為噪聲進行了測試，結(jié)果見表3和表4。日本在2009—2011年的測試結(jié)果見表5。

表2 不同場景條件下的人為噪聲偏差范圍

表3 歐洲室外人為噪聲測試結(jié)果

表4 歐洲室內(nèi)人為噪聲測試值

表5 日本室外人為噪聲測試結(jié)果

對于地面數(shù)字電視系統(tǒng)，其接收場景主要為城市、住宅區(qū)和農(nóng)村3種，根據(jù)式(11)，其典型頻率的天線噪聲系數(shù)Fa,med計算結(jié)果見表6。

表6 天線噪聲系數(shù)中值Fa,med

依據(jù)《地面數(shù)字電視廣播傳輸系統(tǒng)實施指南(GB/T 26666—2011)》標(biāo)準(zhǔn)，對于波段Ⅰ和Ⅱ，F(xiàn)r=5dB;對于波段Ⅲ、波段Ⅳ和波段Ⅴ，F(xiàn)r=7 dB;代表波段Ⅰ/Ⅱ、波段Ⅲ、波段Ⅳ和波段Ⅴ的4種參考頻率分別為65 MHz、200 MHz、 500 MHz 和700 MHz。同時，根據(jù)公式12，Pmmn即可算出，結(jié)果見表7。

表7 不同場景下的人為噪聲容差Pmmn

3 地面數(shù)字電視系統(tǒng)最小中值等效場強計算

計算地面數(shù)字電視系統(tǒng)最小中值等效場強，需要綜合考慮人為噪聲容差、地點校正、高度損耗、建筑物穿透損耗等諸多因素，根據(jù)GB/T 26252《VHF/UHF頻段地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則》附錄A，推導(dǎo)最低中值計算公式為

Pn=Fr+10lg(kT0B)

(13)

Ps,min=(C/N)min+Pn

(14)

Aa(dBm2)=10lg(1.64λ2/4π)+G

(15)

φmin=Ps,min-Aa+Lf

(16)

Emin=φmin+10lg(120π)+120=

φmin+145.8

(17)

地面數(shù)字電視系統(tǒng)的最小中值等效場強計算公式如下

Emed=Emin+Pmmn+Cl(室外固定接收)

(18)

Emed=Emin+Pmmn+Cl+Lh(移動接收)

(19)

Emed=Emin+Pmmn+Cl+Lh+Lb(室內(nèi)固定接收)

(20)

Cl=μ×σt

(21)

(22)

式中：Pn為接收機噪聲輸入功率(單位為dBW)；Fr為接收機噪聲系數(shù)(單位為dB)；Ps，min為接收機最小輸入功率(單位為dBW)；C/N為系統(tǒng)接收機輸入端射頻載噪比(單位為dB)；Aa為接收天線有效孔徑(dBm2)；G為接收天線相對于半波偶極子的天線增益(dBd)；λ信號波長(m)；φmin為接收地點的最小功率通量密度(dB(W/m2))；Lf為饋線損耗(dB)；Emin為接收地點的最小等效場強值(dB(μV/m))；Emed為最小中值等效場強，規(guī)劃值(dB(μV/m))；Pmmn為人為噪聲容限(單位為dB)；Lh為高度損耗(接收點在地面以上1.5 m)(單位為dB)；Lb為建筑物和車輛穿透損耗(單位為dB)；Cl為地點校正因子(單位為dB)；σt為總均方差(單位為dB)；σm為大尺度準(zhǔn)偏差(σm=5.5 dB)；σb為建筑物穿透損耗標(biāo)準(zhǔn)差(單位為dB)；μ為分布因子，對于70%地點概率為0.52，90%地點概率為1.28，95%地點概率為1.64，99%地點概率為2.33。

4 分析與結(jié)論

假定地面數(shù)字電視系統(tǒng)選取工作模式為：載波數(shù)量C=3 780， 幀頭模式PN945，交織模式720，F(xiàn)EC編碼0.8，映射方式16QAM，系統(tǒng)凈荷19.251 Mbit/s。對于室外固定接收，根據(jù)GB/T 26252—2010《VHF/UHF地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則》，萊斯信道對應(yīng)的C/N門限為15 dB。根據(jù)表7計算結(jié)果和式(18)，可以計算出不同接收場景下的室外固定接收最小中值等效場強，結(jié)果見表8。

表8 不同接收場景下的室外固定接收最小中值等效場強對比

原有的模擬電視在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的覆蓋門限分別為46 dBμV/m、48 dBμV/m、49 dBμV/m、53 dBμV/m、58 dBμV/m， 由此可見，同等功率模數(shù)同播條件下，對于農(nóng)村/郊區(qū)場景下室外固定接收，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的數(shù)字覆蓋門限裕量分別為2 dB、4 dB、5 dB、5 dB、7 dB；對于住宅區(qū)場景下室外固定接收，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的數(shù)字覆蓋門限裕量分別為-3 dB、-1 dB、2 dB、5 dB、7 dB；對于城市場景下室外固定接收，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的數(shù)字覆蓋門限裕量分別為-8 dB、-6 dB、-1 dB、5 dB、7 dB。由此可見，第Ⅰ/Ⅱ波段的地面數(shù)字電視系統(tǒng)最小中值等效場強由于受人為噪聲的影響，比其他電視波段(第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段)高得多。此外，第Ⅰ/Ⅱ波段還受到不規(guī)則電離層傳播的影響，這將導(dǎo)致數(shù)字電視接收系統(tǒng)在很短的一部分時間內(nèi)突然失效。因此，國際上普遍認為第Ⅰ/Ⅱ波段不如其他電視波段更適合地面數(shù)字電視業(yè)務(wù)，需要考慮頻譜的重新分配[4]。

我國目前擁有數(shù)量眾多的米波段大小功率模擬發(fā)射機(占現(xiàn)有模擬電視發(fā)射機的1/3)，建議我國對米波頻段的數(shù)字化覆蓋開展相關(guān)測試研究，為將來如何有效地使用米波頻段資源提供技術(shù)依據(jù)。

[1] ZOELLNER J，ROBERT J，SLIMANI M. Analysis of the impact of man-made noise on DVB-T and DVB-T2[C]//Proc. 2012 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB).Seoul，Korea：IEEE Press，2012：1-6.

[2] ITU-R BS.2214, planning parameters for terrestrial digital sound broadcasting systems in VHF bands[S].2011.

[3] ITU-R P.372-11,radio noise[S].2013.

[4] ITU. Handbook on digital terrestrial television broadcasting in the VHF/UHF bands[S].2002.

李薰春(1977— )，高級工程師，主要研究方向為廣播電視覆蓋網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計等。

責(zé)任編輯：任健男

Research on Man-made Noise Allowance for Digital Terrestrial Television Broadcasting System

ZHANG Jingqi1, LI Xunchun2

(1.ZhejiangRadioandTelevisionGroupofBroadcastingandTelevisionTransmittingCenter,Hangzhou310008,China;2.AcademyofBroadcastingScience,SARPPFT,Beijing100866,China)

In this paper, terrestrial television spectrum usage in China is analyzed. The importance and urgency of man-made noise research are also put forward. The methods of man-made noise allowance and equivalent minimum median field strength for coverage calculations are studied. This paper provides a technical basis and reference for the coverage planning calculation and the digitization of VHF Digital Terrestrial Television Broadcasting System.

digital terrestrial television broadcasting system; allowance for man-made noise; antenna noise factor

【本文獻信息】張靜琦，李薰春.地面數(shù)字電視系統(tǒng)中的人為噪聲容差研究[J].電視技術(shù),2015，39(13).

TN949

B

10.16280/j.videoe.2015.13.033

張靜琦(1982— )，女，工程師，主要研究方向為通信、計算機、廣播電視傳輸發(fā)射等；

2015-05-10