谷緒華，馬曉明，趙衍清

（山東省平陰縣融媒體中心（平陰廣播電視臺(tái)），山東 濟(jì)南 250400）

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)地面數(shù)字廣播電視技術(shù)的飛速發(fā)展，單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)逐步取代了傳統(tǒng)模式的多頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，成為當(dāng)前數(shù)字電視廣播數(shù)字系統(tǒng)中最主流的組網(wǎng)技術(shù)方法，也成為應(yīng)用范圍和覆蓋范圍最廣的核心組網(wǎng)方法。根據(jù)《山東省縣域單頻網(wǎng)頻率規(guī)劃方案》對(duì)于長(zhǎng)清區(qū)、平陰縣組建跨縣單頻網(wǎng)這一要求，平陰縣認(rèn)真落實(shí)、積極準(zhǔn)備，經(jīng)過(guò)近一年多的前期準(zhǔn)備階段，將于2022年進(jìn)入具體實(shí)施階段。在此背景下，本文對(duì)地面數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的探討和研究，具備重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 DTMB簡(jiǎn)介

地面數(shù)字多媒體廣播（Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB）有多重副載波和單一副載波兩種模式，是我國(guó)自主研發(fā)的地面數(shù)字視頻廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)，主要用于規(guī)范我國(guó)地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中單頻網(wǎng)組網(wǎng)的組建過(guò)程，不僅有利于傳統(tǒng)模式下節(jié)省多頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的頻譜資源，直接提升我國(guó)頻譜資源的利用效率，更能夠借助單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，降低整個(gè)地面數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)輻射，減少整個(gè)電視系統(tǒng)中的電磁污染，增加覆蓋強(qiáng)度，拓寬覆蓋范圍，進(jìn)一步增強(qiáng)該技術(shù)實(shí)踐和應(yīng)用的廣泛性[1]。

2 單頻網(wǎng)概述

單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）是指由多個(gè)位于不同地點(diǎn)、處于同步狀態(tài)的發(fā)射機(jī)所組成的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。單頻網(wǎng)是地面數(shù)字電視和多媒體廣播系統(tǒng)中一種重要的組網(wǎng)技術(shù)，其突出的優(yōu)勢(shì)是可以利用處于不同地點(diǎn)但卻處于同步運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)射機(jī)組成的地面數(shù)字電視的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，在相同的頻率、相同的時(shí)刻發(fā)射傳送同一套節(jié)目信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字電視信息系統(tǒng)對(duì)特定服務(wù)區(qū)的完全覆蓋和數(shù)據(jù)傳遞。在此過(guò)程中，單頻網(wǎng)組網(wǎng)的發(fā)射機(jī)直接使用同一頻率對(duì)地面數(shù)字信息系統(tǒng)中的具體服務(wù)區(qū)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，以此提高對(duì)無(wú)線頻譜資源的利用效率。

單頻網(wǎng)技術(shù)中，多個(gè)發(fā)射臺(tái)同步工作，能夠使發(fā)射臺(tái)的覆蓋效率得到提升，同時(shí)也能提升多個(gè)發(fā)射臺(tái)的工作效率，提高發(fā)射臺(tái)在同一時(shí)間接受其他位置發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性和科學(xué)性，使用戶能夠在單頻網(wǎng)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)同一頻道不同電視節(jié)目的收聽(tīng)、收看。

單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)能夠較大程度地降低整個(gè)地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)的最小發(fā)射功率，能夠應(yīng)用諸多小功率發(fā)射機(jī)在多個(gè)布點(diǎn)條件下的組網(wǎng)方式，使組網(wǎng)后的總體發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同一臺(tái)多頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，增加其發(fā)射效率，隨之降低了對(duì)發(fā)射機(jī)的最小發(fā)射功率要求。

單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)能夠采取多臺(tái)發(fā)射機(jī)一體的并行工作模式，進(jìn)一步擴(kuò)大其覆蓋范圍，且能在多臺(tái)發(fā)射機(jī)并行工作的條件下，在覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字電視信息系統(tǒng)中360°的無(wú)縫銜接全覆蓋[1]。

單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)采用統(tǒng)一的發(fā)射頻率，能夠使用戶在整個(gè)單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，并不需要用戶變換其頻道信號(hào)數(shù)據(jù)或改變其參數(shù)，降低了對(duì)用戶端安裝接收機(jī)的要求，使接收機(jī)的信號(hào)處理難度得到進(jìn)一步降低。

3 單頻網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本原理

單頻網(wǎng)建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的、具有一定難度的系統(tǒng)工程。在設(shè)計(jì)某個(gè)地區(qū)的DTMB單頻網(wǎng)之前，首先要對(duì)覆蓋要求進(jìn)行綜合分析，要充分考慮利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況、發(fā)射塔、天線等資源進(jìn)行調(diào)查，避免重復(fù)投資。其次，還要對(duì)當(dāng)?shù)氐牡匦?、地貌、人口聚集情況以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等進(jìn)行綜合考察，合理規(guī)劃每個(gè)發(fā)射臺(tái)站的位置、發(fā)射天線的方向以及發(fā)射機(jī)輸出功率等，從整體上平衡各個(gè)發(fā)射臺(tái)站的覆蓋區(qū)域。更重要的是，還要經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量和調(diào)試，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并保證網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性、可靠性以及可擴(kuò)展性。

單頻網(wǎng)設(shè)計(jì)的原則是使來(lái)自不同發(fā)射機(jī)的同頻信號(hào)間的延時(shí)小于保護(hù)間隔。另外，相鄰的發(fā)射基站距離、高度、功率及天線方向等對(duì)單頻網(wǎng)中的同頻干擾會(huì)產(chǎn)生一定影響，所以在具體的單頻網(wǎng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)覆蓋目標(biāo)考察覆蓋區(qū)域的具體地形、地貌條件，合理規(guī)劃單頻網(wǎng)的參數(shù)配置，并根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，才能得到滿意的覆蓋效果[2]。

4 DTMB單頻網(wǎng)同步原理

單頻網(wǎng)應(yīng)用中，最關(guān)鍵的技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)各個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的同步，因此單頻網(wǎng)也稱為同步網(wǎng)。為了抑制多徑干擾，單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)之間需要嚴(yán)格同步。目前解決這一問(wèn)題的方法是在發(fā)射端通過(guò)單頻網(wǎng)適配器在傳輸流中插入時(shí)間同步信息。

在DTMB系統(tǒng)中，單頻網(wǎng)主要由單頻網(wǎng)適配器、發(fā)射機(jī)、GPS接收機(jī)、支持單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的調(diào)制器等諸多設(shè)備組成。其中，單頻網(wǎng)適配器的位置在網(wǎng)絡(luò)前端，是地面數(shù)字電視體系中單頻網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳遞和范圍覆蓋的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是向復(fù)用器輸出的TS流中插入SIP數(shù)據(jù)包，形成秒幀。單頻網(wǎng)適配器向電視信息系統(tǒng)的TS碼流中插入相應(yīng)的適配器SIP數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包插入時(shí)和GPS接收機(jī)的脈沖信號(hào)對(duì)接，在接收機(jī)脈沖信號(hào)上升后對(duì)整個(gè)SIP數(shù)據(jù)包對(duì)齊。SIP數(shù)據(jù)包不同字節(jié)的定義如表1所示。

表1 SIP數(shù)據(jù)包不同字節(jié)的定義

SIP數(shù)據(jù)包中，SIP頭部數(shù)據(jù)和TS流包頭數(shù)據(jù)相同，符合地面數(shù)字國(guó)標(biāo)體系的相關(guān)規(guī)定，由32位組成，其中PID號(hào)碼為0x001552xxp，進(jìn)一步重新定義了地面數(shù)字電視國(guó)標(biāo)中的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)。最大延遲參數(shù)由24位數(shù)據(jù)組成，實(shí)際范圍為 0～0.299 999 99 s，實(shí)際單位為100 ns，所設(shè)置的參數(shù)值應(yīng)大于整個(gè)地面數(shù)字廣播信息系統(tǒng)中的最大路徑延遲時(shí)間。廣播尋址參數(shù)中，尋址范圍網(wǎng)內(nèi)的任意一個(gè)發(fā)射機(jī)實(shí)際的尋址信號(hào)由16位參數(shù)組成，全零狀態(tài)則表示該發(fā)射機(jī)為尋址結(jié)構(gòu)覆蓋范圍內(nèi)的所有發(fā)射機(jī)。獨(dú)立調(diào)整時(shí)延參數(shù)由24位數(shù)據(jù)信息顯示，在最大延時(shí)的基礎(chǔ)上通過(guò)地面數(shù)字廣播信息技術(shù)廣播地址選擇，指定發(fā)射機(jī)獨(dú)立調(diào)整時(shí)延結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使單頻網(wǎng)中不同發(fā)射器的發(fā)生信號(hào)能夠滿足延時(shí)關(guān)系。頻偏設(shè)置參數(shù)由24位數(shù)據(jù)編碼組成，為特定發(fā)射機(jī)添加頻偏值，實(shí)際單位為1 Hz[3]。功率控制參數(shù)由16位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，控制地面數(shù)字電視信息系統(tǒng)中的發(fā)射功率。填充字節(jié)作為T(mén)S流，數(shù)據(jù)包共169個(gè)字節(jié)。在DTMB單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)中，適配器主要是為了插入SIP結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包，因此，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中每隔一個(gè)大幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在TS流結(jié)構(gòu)中插入初始化完成后的SIP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包，其構(gòu)成必須符合TS數(shù)據(jù)流的具體標(biāo)準(zhǔn)。

5 DTMB組網(wǎng)方案及可行性分析

單頻網(wǎng)組網(wǎng)中，最首要的問(wèn)題是網(wǎng)內(nèi)發(fā)射機(jī)的同步問(wèn)題。由于節(jié)目傳輸網(wǎng)絡(luò)的差異性，傳輸?shù)腡S流從單頻網(wǎng)適配器到各個(gè)調(diào)制器的時(shí)間可能并不相同，并且由于網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境的時(shí)變性，同一網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)刻的傳輸延時(shí)也會(huì)相差很多。完全意義上的單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)同步，應(yīng)包含頻率同步、時(shí)間同步及工作模式同步[4]。

單頻網(wǎng)組網(wǎng)模式包括GPS接收機(jī)、單頻網(wǎng)適配器、頻譜分析儀器等諸多設(shè)備。在對(duì)DTMB組網(wǎng)方案可行性進(jìn)行分析前，首先應(yīng)保證不同的單頻網(wǎng)適配器設(shè)備所提供的頻率數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)基本吻合，與GPS接收設(shè)備相同，都處于已鎖定狀態(tài)。其次，使用的頻率計(jì)要能夠在3 min時(shí)間內(nèi)測(cè)試不同的GPS接收區(qū)設(shè)備偏差，且能夠保證該偏差在誤差允許值范圍內(nèi)。此外，在設(shè)計(jì)DTMB組網(wǎng)方案時(shí)，調(diào)制器輸出的頻率必須保持一致，所使用的頻率的射頻偏差必須小于1 Hz，實(shí)際輸出的功率大小也必須保持一致。

6 DTMB單頻網(wǎng)的未來(lái)和發(fā)展趨勢(shì)

隨著DTMB技術(shù)及單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)水平的快速提升和地面數(shù)字信息系統(tǒng)需求的變化，地面數(shù)字電視應(yīng)用進(jìn)一步增加了對(duì)便攜可移動(dòng)終端設(shè)備信號(hào)接收的要求，使HDTV、SDTV等諸多射頻技術(shù)的發(fā)射范圍和傳播范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。另外，伴隨著智能手機(jī)、智能終端等便攜終端使用范圍的進(jìn)一步拓寬，終端用戶覆蓋范圍同步擴(kuò)大，將進(jìn)一步提高DTMB地面數(shù)字技術(shù)對(duì)移動(dòng)便攜終端的使用要求[5]。另一方面，就固定終端而言，家用型的固定終端在DTMB數(shù)字技術(shù)的使用和有線數(shù)據(jù)技術(shù)的服務(wù)內(nèi)容上，呈現(xiàn)出互補(bǔ)的基本特質(zhì)，不論是在城鎮(zhèn)還是在農(nóng)村，地面數(shù)字電視和有線數(shù)字電視的結(jié)合，使電視產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，而DTMB將隨著技術(shù)的不斷成熟，成本不斷下降，使更多家庭進(jìn)一步選擇DTMB作為其固定收視終端，從而大幅提升我國(guó)地面數(shù)字技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

7 結(jié) 語(yǔ)

隨著寬帶無(wú)線通信和廣播電視業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)商不得不面對(duì)頻率短缺的現(xiàn)實(shí)，因此需要使用頻譜效率更高的傳輸技術(shù)。單頻網(wǎng)由于高頻譜效率和易于規(guī)劃，在提高頻譜效率方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越被人們所重視，在很多基于DTMB的傳輸系統(tǒng)中都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

2022年，平陰縣、長(zhǎng)清區(qū)組建跨縣單頻網(wǎng)將進(jìn)入具體實(shí)施階段，相信通過(guò)這次跨縣DTMB單頻網(wǎng)的組建實(shí)施，定能進(jìn)一步提升平陰縣廣播電視基本公共服務(wù)的質(zhì)量和水平，大大提高平陰廣播電視臺(tái)自辦節(jié)目的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)中央和省、市、縣廣播電視節(jié)目的無(wú)線數(shù)字化全覆蓋，使平陰縣廣播電視公共服務(wù)體系建設(shè)邁上新臺(tái)階，為持續(xù)推進(jìn)平陰縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大的精神動(dòng)力和文化支撐。