利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)組建地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)

陳巍藝

（廣東省廣播電視技術(shù)中心，廣東 廣州 510012）

1 引言

在地面數(shù)字電視廣播的覆蓋中，單頻網(wǎng)具有功率小、布點多、無縫覆蓋范圍大[1]、頻率資源節(jié)省、移動接收不需要更換頻道等優(yōu)點，因此受到高度重視并被廣泛應(yīng)用。單頻網(wǎng)利用光纖、微波或衛(wèi)星把需要發(fā)射的信號源傳送到各個發(fā)射點，分別調(diào)制后再放大發(fā)射出去[2-3]；或者把調(diào)制后的COFDM信號利用光纖、微波或衛(wèi)星直接傳送到各個發(fā)射點，再變頻到相應(yīng)的頻道后發(fā)射播出[4]。在這些組網(wǎng)方式中，只有采用衛(wèi)星直接轉(zhuǎn)發(fā)COFDM信號的組網(wǎng)方式最方便，成本最低，維護最簡單，調(diào)整最容易。

2 組建地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)

2.1 利用衛(wèi)星傳送單頻網(wǎng)信號源

使用同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器作為信號分配網(wǎng)絡(luò)的單頻網(wǎng)信號源幾乎可以同時到達每個發(fā)射點。每個發(fā)射點的發(fā)射功率小，并通過發(fā)射天線的賦形，同時均衡單頻網(wǎng)的參數(shù)，從而實現(xiàn)單頻網(wǎng)覆蓋的理想效果，其系統(tǒng)組成如圖1所示。在這種方式中，發(fā)射點需要接收來自衛(wèi)星的信號解調(diào)后作為信號源，在本地進行調(diào)制（見圖2）。由于需要在每個點使用調(diào)制器等有源器件，故要保持單頻網(wǎng)同步，對調(diào)制器進行調(diào)整和維護。由于涉及大量發(fā)射點，其成本和維護費用較高。

2.2 使用衛(wèi)星直接轉(zhuǎn)發(fā)單頻網(wǎng)信號

使用衛(wèi)星直接轉(zhuǎn)發(fā)單頻網(wǎng)信號，即接收來自衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻（RF）信號，不進行解調(diào)，而是從轉(zhuǎn)發(fā)器直接將接收到的RF信號變頻放大進而進行覆蓋，單頻網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量效果的好壞直接決定系統(tǒng)設(shè)備的性能以及鏈路各環(huán)節(jié)之間技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的匹配程度。借助衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)將已調(diào)制的地面數(shù)字電視信號直接發(fā)送到各轉(zhuǎn)發(fā)點，僅作信號接收、變頻和放大，系統(tǒng)的組成如圖3所示。這種組網(wǎng)方式主要優(yōu)點有：1）所占的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬較低，空間傳輸成本極低；2）最低的地面設(shè)備系統(tǒng)投入，降低了地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的投資；3）由于每個發(fā)射點延遲時間等均相等，可以實現(xiàn)安全穩(wěn)定的覆蓋。

2.3 地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)的要求

由于地面數(shù)字電視技術(shù)體系是專門為數(shù)字電視地面無線傳輸制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，與衛(wèi)星傳輸技術(shù)體系不同，在技術(shù)上存在諸多特殊要求：

1）地面數(shù)字電視采用的是COFDM信道調(diào)制編碼技術(shù)：信道內(nèi)有多子載波數(shù)量模式（4k－3780）、4種調(diào)制方式選擇（QPSK，16QAM，32QAM，64QAM）、多種內(nèi)糾錯碼選擇（FEC 0.4，0.6，0.8），多種保護間隔插入時隙選擇（420，595，945）等；

2）由于信號幅度作為因數(shù)參與了調(diào)制過程，因此系統(tǒng)對信號幅度的線性傳輸要求很高；

3）由于信號相位作為因數(shù)參與了調(diào)制過程，因此系統(tǒng)對傳輸通道的相位噪聲要求高。

3 系統(tǒng)傳輸試驗情況

為了了解衛(wèi)星傳輸鏈路對地面數(shù)字電視廣播技術(shù)體系的影響，特別是衛(wèi)星傳輸多載波和高階調(diào)制對信號的影響，利用衛(wèi)星傳輸?shù)孛鏀?shù)字電視廣播信號進行模擬試驗。試驗系統(tǒng)如圖4所示。

試驗結(jié)果如下：

1）在使用模擬轉(zhuǎn)發(fā)器試驗時，系統(tǒng)在使用3種調(diào)制方式情況下，均可以完成傳輸解調(diào)。

2）在實際使用衛(wèi)星傳輸QPSK調(diào)制情況下的COFDM載波時，系統(tǒng)鏈路接收情況良好，裕量較大，可以滿足地面的無線傳輸技術(shù)要求。

3）在采用16QAM調(diào)制情況下，接收效果很不理想，解調(diào)效果不穩(wěn)定，說明系統(tǒng)接收已在門限附近，已沒有載噪比裕量留給地面?zhèn)鬏敳糠帧?/p>

4）在采用64QAM調(diào)制情況下，根本無法解調(diào)接收。

試驗傳輸結(jié)果表明，利用衛(wèi)星直接傳輸COFDM信號，地面接收后直接進行地面無線傳輸?shù)脑O(shè)計方案固然有上述諸多優(yōu)勢，但在傳輸中也存在以下問題：

1）COFDM的數(shù)字電視信號在地面衛(wèi)星上行站發(fā)射、接收站接收的空間傳輸過程中，以及地面的變頻、功率放大、地面無線傳輸和接收處理過程中，信號噪聲處于持續(xù)的積累過程，信號的載噪比將持續(xù)地惡化。

2）由于同步衛(wèi)星通信空間傳輸距離過長，盡管空間信道十分穩(wěn)定，但長距離的傳輸造成很大的自由空間傳輸衰耗，在接收處理端完全是小信號處理，與傳統(tǒng)的地面微波中繼通信和數(shù)字電視無線傳輸情況下的大信號有著本質(zhì)的不同。

3）國標(biāo)數(shù)字電視的COFDM處理采用QPSK調(diào)制，與DVB-S沒有傳輸上的優(yōu)勢而言；采用16QAM和64QAM調(diào)制，雖然8 MHz載波可以獲得高于19 Mbit/s和27 Mbit/s的大流量信息速率，但由于傳輸信號的幅度和相位均參與調(diào)制，同時，4k子載波模式具有3780個小載波，且插入的導(dǎo)頻信號載波與信息載波的電平幅度有差異，因此對傳輸信道的線性度要求、低相位噪聲要求和大功率傳輸要求都很高。

4）目前，常規(guī)的同步通信衛(wèi)星Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器功放的功率盡管已經(jīng)做到140 W以上，但由于都采用對星載行波管放大器（Traveling Wave Tube Amplifier，TWTA），盡管衛(wèi)星在Ku波段和C波段轉(zhuǎn)發(fā)器上均采用線性器，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率回退值已由原來不帶線性器的4.5 dB減小為2.5 dB，但對系統(tǒng)的線性度仍難以用于傳輸像COFDM這種對傳輸線性度和解調(diào)相位模糊度要求很高的載波。

5）在衛(wèi)星運行過程中，可以采取多種技術(shù)手段，改善傳輸條件，如通過加大衛(wèi)星前級的衰減量FCA，減少上行的雜散和鄰星干擾等；通過加大轉(zhuǎn)發(fā)器上各載波的輸入輸出功率回退值，改善衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)木€性、雜散、交調(diào)和相噪等。但目前，衛(wèi)星傳輸也只能進行8PSK調(diào)制方式的載波傳輸，尚未有人使用同步衛(wèi)星成功傳輸16QAM的調(diào)制載波；在加大載波轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退、改善線性度的同時，會使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的可用輻射功率大大減小，對載波載噪比的改善十分不利，同時使載波轉(zhuǎn)發(fā)器可傳輸?shù)妮d波數(shù)量降低，從而提高了單載波的傳輸成本。

4 分析與驗證

為了驗證傳輸試驗結(jié)果，對衛(wèi)星傳輸?shù)孛鏀?shù)字電視鏈路有一個定量的研究，采用與國標(biāo)DMB-TH相近的歐洲D(zhuǎn)VB－T標(biāo)準(zhǔn)對地面數(shù)字電視諸多傳輸參數(shù)進行選擇，以下述傳輸條件分別對QPSK，16QAM和64QAM 3種調(diào)制方式進行鏈路計算，從而分析國標(biāo)在地面數(shù)字電視廣播中的傳輸特性[5]。

1）計算傳輸鏈路載波參數(shù)的選擇見表1。

表1 鏈路計算參數(shù)表

2）鏈路傳輸?shù)男l(wèi)星參數(shù)選擇：

（1）傳輸頻段：Ku波段；

（2）衛(wèi)星有效全向輻射功率EIRP值：52.1 dBW；

（3）衛(wèi)星品質(zhì)因數(shù)G/T值：5.5 dB/K；

（4）衛(wèi)星接收飽和通量密度SFD值：－90.05 dBW/m2；

（5）上行發(fā)射天線4.5 m，天線仰角60.55°；

（6）接收天線2 m，天線仰角60.55°。

在鏈路計算中選取的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面設(shè)備的參數(shù)基本上與試驗實際情況一致，主要目的是考察傳輸鏈路能獲得的載噪比（C/N）；本鏈路計算中選取的門限是能量噪聲比（Eb/N0），如QPSK時為7.7 dB只是一個參考數(shù)值，并非實際的信噪比。實際上需要考察的是表1中給出的數(shù)據(jù)中的C/N。鏈路計算中，系統(tǒng)傳輸可用度的選取僅為99.8%，上行鏈路的雨衰損耗為2.72 dB。因此，上行設(shè)置3 dB的上行功率自動控制功率補償；下行鏈路的雨衰損耗為2.07 dB。鏈路的傳輸可用度是由滿足電信級的傳輸接收鏈路保障要求的。

3）計算結(jié)果分析

鏈路計算結(jié)果評估如表2所示。

表2 鏈路計算結(jié)果評估表

由于3種調(diào)制方式選取的調(diào)制系數(shù)和信息速率不同，且相對應(yīng)地進行變化，故最終得到的符號速率基本上十分接近，因此3種調(diào)制體制下傳輸鏈路的綜合載噪比基本相同。從QPSK調(diào)制的傳輸結(jié)果來看，鏈路的傳輸裕量很大，因此測試中必然能穩(wěn)定地接收。衛(wèi)星鏈路傳輸預(yù)算的條件一般比較苛刻，實際發(fā)射過程中的傳輸結(jié)果一般會比理論計算結(jié)果高3 dB左右，因此采用16QAM調(diào)制時，鏈路計算的理論結(jié)果是不通的，但試驗時是可以測通的，所以一定是在門限附近，才會出現(xiàn)圖像不穩(wěn)定的情況，這與本文的分析是吻合的。

采用64QAM的調(diào)制方式，由于鏈路裕量相差太多，多達8 dB以上。即使考慮理論和實際傳輸?shù)? dB的差值，也沒有任何實際應(yīng)用的意義。

根據(jù)利用衛(wèi)星傳輸歐標(biāo)地面數(shù)字電視DVB-T的理論，利用衛(wèi)星傳輸只能采用QPSK調(diào)制的方式進行，而國標(biāo)采用了4k模式，并利用LDPC和BCH糾錯編碼，其C/N值要求比DVB-T標(biāo)準(zhǔn)更低（見表3），即使考慮發(fā)射點功放的損耗也能夠留有足夠的裕量來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)置。

5 小結(jié)

通過試驗和分析表明，在利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)進行地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)覆蓋應(yīng)用方面：

1）只能采用QPSK等低階調(diào)制，所傳送的有效碼流有限，故只適合要求碼流較低的場合，如公路或鐵路沿線等地的廣播覆蓋；

表3 國標(biāo)地面數(shù)字電視C/N值

2）發(fā)射點需要進行自動功率控制，以防止由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率波動或雨雪衰減導(dǎo)致的功率波動；

3）在覆蓋規(guī)劃中，需要注意采用物理手段來進行天線場型的合理調(diào)配。

地面數(shù)字電視的覆蓋是地面數(shù)字電視廣播發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)因地制宜，根據(jù)實際需求摸索合適的覆蓋方法才能更大限度地實現(xiàn)覆蓋的目標(biāo)。隨著衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器質(zhì)量和技術(shù)的不斷提高，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的能力也不斷提升。屆時，天地一體的地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)將普遍應(yīng)用，使信息的傳輸更加方便快捷。

[1]Newtec公司.如何解決DVB-T單頻網(wǎng)傳輸中的技術(shù)問題[J].數(shù)字通訊世界，2005（9）：45-46.

[2]盧林，羅志斌.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)覆蓋特性探討[J].電視技術(shù)，2009，33（5）：4-6.

[3]陽輝，馬杰，潘長勇.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)[J].電視技術(shù)，2006，30（2）：4-6.

[4]王勁濤，潘長勇，楊知行.數(shù)字電視廣播的單頻網(wǎng)實驗及場地實驗[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2005，45（10）：23-26.

[5]云南電視臺，亞洲衛(wèi)星公司.衛(wèi)星DVB-T傳輸實驗報告[R].昆明：云南電視臺，2008.