邵 云
(寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)廣播電視臺,寧夏 中衛(wèi) 755000)
中衛(wèi)市是寧夏西部的一個地級市,也是我國西部的一個樞紐城市。在中衛(wèi)地區(qū),信息獲取手段的落后已經(jīng)成為構(gòu)建和諧社會和建設(shè)新農(nóng)村的嚴重障礙。針對目前中衛(wèi)市農(nóng)村地區(qū)廣播電視覆蓋現(xiàn)狀,中衛(wèi)市廣播電視臺和成廣電視設(shè)備有限公司(下稱成廣公司)在市中心和東部勝金關(guān)農(nóng)村地區(qū)建設(shè)了一套國標數(shù)字電視無線覆蓋規(guī)劃系統(tǒng)。
本系統(tǒng)主要解決農(nóng)村地區(qū)電視信號覆蓋問題。根據(jù)地理位置,在轄區(qū)的東部和西部城區(qū)中心各建一個發(fā)射站,以實現(xiàn)對西發(fā)射站的東南部180°,半徑20 km范圍內(nèi),北部半徑9 km范圍內(nèi)和東發(fā)射站的南部偏東180°,半徑15 km范圍內(nèi),85%以上地區(qū)廣播電視節(jié)目地面數(shù)字電視信號的良好覆蓋,信號場強在上述范圍內(nèi)不低于30 dBμV。并通過發(fā)射天線的偏置設(shè)計,有效避免對本縣以外地區(qū)廣播電視信號的干擾,界外場強低于20 dBμV。
本系統(tǒng)的前端信源系統(tǒng)設(shè)在城區(qū)廣電大樓,包括編碼復(fù)用系統(tǒng)、加擾系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)和光纖傳輸系統(tǒng)。利用5個電視頻道,采用國標地面數(shù)字電視技術(shù),傳輸電視節(jié)目35套以上,廣播節(jié)目8套以上,電視節(jié)目每套碼率平均不低于2.35 Mbit/s。5路TS流信號經(jīng)加擾、激勵器調(diào)制,在射頻上合成后通過既有光纖傳至各發(fā)射站,經(jīng)光接收機接收后傳至發(fā)射機,發(fā)射機進行選頻并將每一個頻道信號功率放大到100 W后發(fā)射,系統(tǒng)原理如圖1所示。
本系統(tǒng)要求,在中衛(wèi)市城區(qū)東部和西部共建2個發(fā)射主站,各使用5臺單頻道100 W發(fā)射機,覆蓋境內(nèi)的大部分農(nóng)村地區(qū),并根據(jù)覆蓋情況在邊遠鎮(zhèn)再建設(shè)2個或更多直放站進行補點發(fā)射,以實現(xiàn)對中衛(wèi)市城區(qū)境內(nèi)所有農(nóng)村地區(qū)地面數(shù)字電視信號的良好覆蓋。
圖1 數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)圖
系統(tǒng)中,2個發(fā)射站各配置5臺100 W發(fā)射機,使用5個相同的電視頻道,發(fā)射5路數(shù)字電視信號。5臺發(fā)射機采用組合設(shè)計方式,將2個和3個頻道的發(fā)射機分別裝入1個機柜,在發(fā)射機輸出端采用數(shù)字式帶通濾波器構(gòu)成的雙工器和三工器進行頻道合成,通過2副天線發(fā)射出去。
系統(tǒng)采用成廣公司生產(chǎn)的DMB-100-I型100 W數(shù)字電視廣播發(fā)射機。主要由頻道選擇器、激勵放大器、功放單元、顯示單元、控制單元、輸出濾波器、電源系統(tǒng)以及風(fēng)冷系統(tǒng)等組成。100 W數(shù)字電視廣播發(fā)射機原理如圖2所示。
圖2 100 W數(shù)字電視發(fā)射機原理圖
發(fā)射系統(tǒng)中,雙工器和三工器裝在一個機柜內(nèi),這樣發(fā)射站的主要發(fā)射設(shè)備被設(shè)計裝在3個機柜內(nèi),發(fā)射系統(tǒng)圖如圖3所示。
圖3 5×100 W數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)圖
在發(fā)射站,光接收機解調(diào)輸出的多個頻道射頻信號,經(jīng)發(fā)射機采用多級頻道濾波器后,分離出單一頻道的射頻信號進入各頻道發(fā)射機。本系統(tǒng)中,選頻器負責(zé)將合成射頻信號里的每個頻道信號取出。對于隔頻信號,分離過程簡單,但實現(xiàn)相鄰頻道數(shù)字電視信號的分離,則必須采取變頻濾波方式才能獲得良好的技術(shù)指標,選頻器原理如圖4所示。
圖4 選頻器原理圖
在相鄰頻道信號分離處理過程中,采用變頻技術(shù)和聲表面濾波技術(shù),這是成廣公司根據(jù)本系統(tǒng)的特點獨創(chuàng)的射頻處理技術(shù),實現(xiàn)過程復(fù)雜,成本較高,最大特點是實現(xiàn)了相鄰頻道高隔離度的要求。
多工器包括1個雙工器和1個三工器,DS-43和DS-46進行雙工,DS-41,DS-44和DS-48進行三工,合成后的2路射頻信號通過2副天線發(fā)射出去。多工器采用星型結(jié)構(gòu),主要技術(shù)指標:1)頻率范圍為470~862 MHz(DS-43/46 雙工,DS-41/44/48 三工);2)功率容量為 2×1 kW/3×1 kW;3)插入損耗不大于0.5 dB(工作頻帶內(nèi));4)隔離度不小于35 dB;5)駐波比不大于1.10;6)輸出接口為IF70;7)輸入接口為L27。
本系統(tǒng)使用2副天線進行發(fā)射,采用6層偶極子筒型垂直極化天線。該天線設(shè)計功率容量3 kW,頻率帶寬100 MHz,可滿足多工使用的要求。發(fā)射天線單元采用筒形結(jié)構(gòu),天線系統(tǒng)進行了適當(dāng)?shù)南辔谎a償優(yōu)化,同時功率分配器采用多級切比雪夫變換以獲得更好的寬帶特性。該天線采用不銹鋼制作,具有防腐能力強、使用壽命長的特點。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡練輕巧、易于制作和運輸,駐波比特性好,頻率帶寬較寬,可滿足100 MHz間隔范圍內(nèi)的多工器的要求。
6層筒形垂直極化天線系統(tǒng)由6對筒形天線振子、3根分饋線、1只3∶1功率分配器和1只λ/4調(diào)配線組成。主要技術(shù)指標:1)頻率范圍為 470~800 MHz/指定電視頻道中心頻率±50 MHz;2)功率容量為 1.4 kW;3)天線增益為9.8 dB;4)駐波比不大于1.10;5)方向性為全向(220°弱向);6)極化方式為垂直;7)波束填充大于 8%;8)系統(tǒng)重量為100 kg。
本系統(tǒng)5個頻道的國標數(shù)字電視激勵器設(shè)置在電視大樓中心機房,采用成廣公司激勵器CGDE-I。激勵器滿足標準GB20600-2006和GY/T229.2-2008的技術(shù)要求,可以實現(xiàn)國標要求的330種工作模式。激勵器的主要性能指標:1)工作頻段為VHF/UHF任一指定電視頻道;2)帶寬為8 MHz;3)頻率穩(wěn)定度中,內(nèi)置頻率基準不大于 1×10-8,外接頻率基準不大于 1×10-10;4)輸出功率可調(diào)范圍為-10~0 dBm;5)帶肩比(中心頻率±4.2 MHz)小于-50 dB;6)帶內(nèi)波動不大于0.3 dB;7)MER優(yōu)于36 dB;8)帶外雜散和諧波抑制不大于-65 dB;9)相位噪聲≤-65 dBc/Hz@10 Hz,≤-80 dBc/Hz@100 Hz,≤-90 dBc/Hz@1 kHz,≤-100 dBc/Hz@10 kHz,≤-115 dBc/Hz@100 kHz,≤-125 dBc/Hz@1 MHz。
本系統(tǒng)支持國標的330種工作模式,在選擇發(fā)射機工作模式時,應(yīng)根據(jù)各地的實際情況進行規(guī)劃設(shè)計,才能保證地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)覆蓋效果最佳。
無論多載波工作模式,還是單載波工作模式,均在時域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)幀結(jié)構(gòu)下進行子載波參數(shù)選擇。國標DTMB的統(tǒng)一性表現(xiàn)在系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、擾碼糾錯、系統(tǒng)時鐘、時域交織、調(diào)制方式、信號帶寬等,國標DTMB的融合性表現(xiàn)在時域和頻域相結(jié)合的信號處理方式上,在此基礎(chǔ)上的單載波和多載波信號可以統(tǒng)一用硬件處理。
根據(jù)成廣公司承擔(dān)的大量工程項目經(jīng)驗,在相同測試環(huán)境下,邊緣接收場強時,單載波16QAM模式的性能要比多載波的32QAM模式好;對發(fā)射機而言,相同輸出功率情況下,發(fā)射機單載波工作時的帶肩比要比多載波工作高約2~3 dB,而在相同帶肩比情況下,單載波工作時的輸出功率約比多載波工作高約20%~30%。
在選擇發(fā)射機工作模式時,還應(yīng)作如下基本考慮:
1)達到最低碼流要求。35套標清節(jié)目平均每套碼流控制在2.35 Mbit/s,每個頻道7套節(jié)目,碼流合計為16.5~17.5 Mbit/s,留有近20%裕量,可有效防止碼流溢出。
2)本項目主要面向農(nóng)村固定用戶覆蓋,選擇C=1有如下好處:更低的峰平比,在16QAM時,單載波的峰平比要低1.5~2 dB,這樣發(fā)射機的成本可以降低,效率也可以得到5%以上的提高,運行成本降低了;接收成本更低,由于接收芯片的成本差異,同一個廠家的機頂盒,通常單載波的價格要略低一點。
根據(jù)廣電總局推薦的7種主要工作模式,本系統(tǒng)選用了如下4種工作模式進行試驗,最后根據(jù)接收效果確定了表1中的第2種模式為常規(guī)工作模式。
表1 4種工作模式參數(shù)
系統(tǒng)安裝完畢后,對整個發(fā)射系統(tǒng)進行測試。內(nèi)容包括激勵器測試、信號分配系統(tǒng)測試、發(fā)射機系統(tǒng)測試和天饋系統(tǒng)測試。經(jīng)測試,各子系統(tǒng)均達到了設(shè)計要求,可以投入使用。特別是發(fā)射機的帶肩比指標,均在-36 dB以下,包括相鄰頻道的2臺發(fā)射機均能達到這一要求,因此,本系統(tǒng)設(shè)計合理。
系統(tǒng)建成后,對每個發(fā)射系統(tǒng)的信號分布情況進行詳細的道路測試,進行多點測試,包括主要覆蓋區(qū)的近端(10 km以內(nèi))、遠端(場強覆蓋的邊緣20 km),考察測試點的場強和實際接收效果。同時在國標的不同模式下進行測試,包括發(fā)射機的效率、覆蓋場強和接收效果,最終確定上述第2種模式為最佳的覆蓋模式。
本系統(tǒng)的實施,實現(xiàn)了中衛(wèi)市城區(qū)境內(nèi)大部分農(nóng)村地區(qū)的數(shù)字電視無線覆蓋。由于系統(tǒng)具有良好的擴展性,易于實現(xiàn)其他地方的補點覆蓋。只要廣電系統(tǒng)光纖能夠到達的地方,大范圍補點時可采用本系統(tǒng)的單頻道發(fā)射方案,小范圍補點時可采用多頻道寬帶放大方案。
采用了射頻同源發(fā)射技術(shù),所有相同頻道的發(fā)射機使用同一臺激勵器信號,該方案具有以下兩大優(yōu)勢:第一,能有效解決干擾問題,因為在系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)盡量減少交叉覆蓋區(qū)域,就算出現(xiàn)交叉覆蓋區(qū)域,也不會影響數(shù)字電視的接收。第二,節(jié)省系統(tǒng)成本,由于第一個發(fā)射臺站建設(shè)完畢后,新增發(fā)射臺站的發(fā)射機不再需要激勵器,這樣發(fā)射機系統(tǒng)的成本則會大大節(jié)省。