鐵路電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)測試和性能分析

馬文峰 ，陸靖侃，2

（1.上海交通大學(xué) 上海 200233；2.上海數(shù)字電視國家工程研究中心有限公司，上海 200125）

0 引言

從2006年起，上海交通大學(xué)和上海鐵路通信公司開始推進(jìn)對中國高速鐵路電視（HSRT）系統(tǒng)設(shè)計的研究和測試。該測試工程采用了ADTB-R（railway）系統(tǒng)[1]作為關(guān)鍵技術(shù)。

由于鐵路電視系統(tǒng)的線性和單頻網(wǎng)特征，相應(yīng)的線性SFN覆蓋設(shè)計引入了相當(dāng)復(fù)雜的信道模型[2-4]。我們在設(shè)計系統(tǒng)時提出了一種信道模型的簡化方法[3-4]來簡化信道模型，以降低接收機(jī)的信噪比門限。通過采用高前后比定向天線和相應(yīng)的分集接收結(jié)構(gòu)，將具有2條強(qiáng)多徑和相反多普勒頻移的鐵路電視單頻網(wǎng)信道模型簡化，從而大大降低對接收機(jī)的要求。

為驗證上述設(shè)計[1]的有效性，在上海和無錫間的城際鐵路線上建設(shè)了一條近100 km的試驗段進(jìn)行測試和驗證。最近2年多時間里，在試驗網(wǎng)絡(luò)中一共進(jìn)行過11次試驗，采集了大量現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)。本文將對試驗段的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并證明結(jié)論的正確性。

1 鐵路電視單頻網(wǎng)滬錫試驗段簡介

試驗段選擇了上海到無錫間的一段城際鐵路線，共設(shè)9個基站（陸家浜—昆山—正儀—唯亭—外跨塘—蘇州—蘇州西—滸墅關(guān)—望亭），全長95 km，用來完成鐵路電視單頻網(wǎng)相關(guān)測試和演示。該段地理位置、基站設(shè)置和信號覆蓋形式如圖1。鐵路線每隔10 km左右架設(shè)一個等高的基站，每個基站的傳輸條件相同（如發(fā)射功率、基站天線增益），具體傳輸條件參見文獻(xiàn)[1]中的表1。

鐵路電視是一個涉及全國范圍的單頻網(wǎng)系統(tǒng)，在試驗系統(tǒng)中，采用衛(wèi)星通信網(wǎng)作為分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)在物理層分3個部分：衛(wèi)星中繼適配發(fā)射單元、基站同步發(fā)射單元和車載移動接收單元。如圖2所示，衛(wèi)星中繼適配發(fā)射單元位于鐵路沿線的其中一個基站里，而不是每個基站都需要。每個基站中都有一個衛(wèi)星接收機(jī)和基站同步發(fā)射機(jī)。在地面網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收信號的同步傳輸單元分別對應(yīng)相應(yīng)的設(shè)備，各部分具體連接關(guān)系參見圖3～5。

1.1 衛(wèi)星中繼適配發(fā)射單元

如圖3所示，將DVD輸出的視頻信號編碼后，進(jìn)行插入全局時間標(biāo)志的適配處理[5]，適配后的信號通過DVB-S衛(wèi)星中繼，向MDS-T（T）基站傳送同步信號。需要設(shè)備：DVD，MDS-T（S）適配器，DVB-S調(diào)制器，上變頻器，功率放大器和 發(fā)射天線。

1.2 基站同步發(fā)射單元

試驗中的基站同步單元組成如圖4所示。此次測試在前述9個基站分別部署同步發(fā)射單元，每個基站都需要一套設(shè)備，包括衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星接收機(jī)、GPS天線、MDS-T（T）發(fā)射機(jī)和角形發(fā)射天線。

1.3 車載接收單元

如圖5所示，車載接收單元安裝于列車車廂里，設(shè)備包括分集接收天線、MDS-T（R）分集接收機(jī)、全向天線、頻譜分析儀Agilent E4402B和監(jiān)視器。

圖3～5所示的3個單元構(gòu)成了鐵路單頻網(wǎng)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1]闡明了可以簡化鐵路單頻網(wǎng)系統(tǒng)信道模型的定向覆蓋構(gòu)架。在特定區(qū)域內(nèi)，分集接收機(jī)[6]能在2根天線中轉(zhuǎn)換。由于分集接收機(jī)可以計算實時均衡器的輸出信噪比，這樣根據(jù)輸出信噪比就有如下兩種轉(zhuǎn)換構(gòu)架：

1）比較兩根天線的輸出信噪比，并且總是轉(zhuǎn)換到信噪比更高的天線上；

2）當(dāng)其中一根天線的輸出信噪比高于某數(shù)值而另一根天線輸出信噪比低于某數(shù)值時，轉(zhuǎn)換進(jìn)行。

第一種構(gòu)架總是能確保最大分集增益，而第二種構(gòu)架能降低轉(zhuǎn)換頻率。

2 定向覆蓋工程化性能提升

由于基站設(shè)備的特殊設(shè)計，系統(tǒng)得益于兩個方面：首先，定向天線的高增益提高了接收機(jī)等效輸入信噪比；同時，定向天線的前后高抑制比降低了接收機(jī)在面臨簡化信道模型后的等效接收機(jī)SNR門限。

2.1 定向天線的高增益提高了接收機(jī)等效輸入信噪比

選擇比全向天線增益高的定向天線，在獲得更高增益同時，可減少方向性干擾的影響。因此，采取上述前后定向天線的方式之后，輸入信號的場強(qiáng)增大，在周圍環(huán)境噪聲（白噪聲）基本保持不變的情況下，相當(dāng)于提高了接收機(jī)等效的輸入信噪比。全向天線和定向天線信噪比可由公式（1）～（3）描述

式中：K為定向天線增益；J為前向天線的前后抑制比。一般J遠(yuǎn)大于K。

從實際測試的情況來看，噪聲功率基本維持在-90 dBm。所以，當(dāng)N=-90 dBm，K=6 dB，J=16 dB時，根據(jù)電波傳播特性[4，7-8]，可計算得的相應(yīng)的全向、前向和后向信噪比，如表1所示。路徑A增益為6 dB，路徑B增益為-10 dB。

表1 通過公式理論計算得到的信噪比

將表1轉(zhuǎn)換成圖6，則從圖6中可明顯看到定向天線帶來的接收機(jī)等效輸入信噪比（無論是前向或后向）都會提升，且比全向天線在部分區(qū)域的信噪比更高。如果選擇兩根定向天線中更高的一根，大部分地區(qū)的輸入信噪比都會得到提升，從而為工程實現(xiàn)提供更大的工程裕量。

2.2 定向天線的前后高抑制比降低了接收機(jī)在面臨簡化信道模型后等效接收機(jī)的SNR門限

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的結(jié)論，由于模型簡化后，使接收機(jī)在全程中面臨的等效信道單徑萊斯化，因此獲得了低得多的SNR門限值，從而滿足現(xiàn)場信噪比的要求，如表2所示。

將得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖7。可以發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)在面臨簡化信道模型后的等效接收機(jī)信噪比門限大大降低。

表2 使用定向天線接收后TOV要求的接收機(jī)SNR

2.3 高增益和前后高抑制比的定向天線分集接收方式，將大大提高工程裕量

把圖6和圖7結(jié)合起來，如圖8所示，可以看到經(jīng)過特殊設(shè)計后，接收機(jī)的等效輸入信噪比獲得提升，同時等效接收SNR門限卻得到有效抑制，從而使得輸入信噪比和等效接收門限之間的距離拉大，為工程實施留下充足的工程裕量。

3 滬錫試驗段的場測

在滬錫實驗段進(jìn)行場測，驗證第2節(jié)的設(shè)計效果。

3.1 測試方法和測試內(nèi)容

1）通過頻譜儀測試不同天線情況下的信號場強(qiáng)——得到相應(yīng)的輸入信噪比（SNRinput）。

2）通過測試接收機(jī)測得均衡器輸出信噪比——與相應(yīng)的接收信噪比門限（SNRth）存在一定關(guān)系。

測量均衡器輸出信噪比（SNREO）是考慮到由于在移動過程中不能停下來測試，而難以獲得對應(yīng)位置的接收機(jī)SNR門限。實際上對于ADTB-T接收機(jī)來說，可以從均衡器的輸出信噪比來判斷是否可以正常接收（稱為均衡輸出信噪比門限（SNREOth）），而且因為均衡器的作用是將信道白化濾波，所以基本上不管在什么樣的信道下，ADTB-T的均衡輸出信噪比門限大致是固定的。因此，可以根據(jù)均衡輸出信噪比門限來估計接收機(jī)的信噪比門限（SNRth）。

由式（4）可得，在輸入信噪比相同的情況下，均衡器輸出信噪比越高，接收機(jī)信噪比門限就越低。

3.2 測試報告

測試報告由信號強(qiáng)度、均衡器輸出信噪比以及測試過程中的信號中斷概率3部分組成。9個測試站分別記為S1～S9（從陸家浜至望亭）。

3.2.1 信號強(qiáng)度

圖9表明測試得到的信號強(qiáng)度。圖中，SS_OA，SS_AA，SS_BA，SS_Diversity分別表示的是全向、前向、后向和采用帶有定向天線的轉(zhuǎn)換構(gòu)架的分集接收機(jī)信號強(qiáng)度；S1～S9代表9個基站。考慮到測試過程中的噪聲功率維持在-90 dBm的水平，很容易推算出該情況下的輸入信噪比。可見，與圖6a所示的理論值相比，圖9的曲線給出了相同的趨勢。當(dāng)使用定向天線時，等效輸入信噪比因定向增益而增加。

3.2.2 均衡器的輸出信噪比

均衡器輸出信噪比的近似值由測試接收機(jī)接收到的訓(xùn)練序列的信噪比計算得到。這個參數(shù)實際上控制著分集接收機(jī)的轉(zhuǎn)換，因此它是最重要的一個參數(shù)。

試驗結(jié)果和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換構(gòu)架詳見圖10。圖中，SNR_EQ_OA，SNR_EQ_AA，SNR_EQ_BA，SNR_EQ_Di?versity分別表示全向、前向、后向和采用定向天線轉(zhuǎn)換構(gòu)架的分集接收機(jī)均衡器的輸出信噪比。如圖10所示，由均衡器輸出信噪比可知，分集接收機(jī)的平均增益為5 dB。并且，正如之前在式（4）中所解釋的，這等效于把信噪比門限降低5 dB。

3.2.3 故障概率

故障判斷主要依靠主觀感受。在測試中，當(dāng)無法流暢地收看電視節(jié)目時，就將其視為故障期或失敗點。

如圖11所示，測試過程中，使用全向天線時，總會出現(xiàn)某些區(qū)域無法確保收到穩(wěn)定的電視信號，并且這些區(qū)域往往位于兩基站的中間部分；而使用定向覆蓋和分集接收器時，除兩三個點會出現(xiàn)不到1 s的接收不流暢外，在整個測試過程中的性能都是非常出色的。

4 小結(jié)

圖11 故障概率（軟件截圖）

筆者給出了鐵路電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)的試驗結(jié)果，由此證實了采用基于定向覆蓋和分集接收機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計來簡化等效信道模型是可行的。測試結(jié)果與理論分析一致，證明了所設(shè)計的鐵路電視單頻網(wǎng)非常適于中國鐵路電視的特殊應(yīng)用。

[1]陸靖侃，馬文峰.鐵路電視單頻網(wǎng)信道簡化模型覆蓋設(shè)計[J].電視技術(shù)，2011，35（8）：35-38.

[2]馬文峰，歸琳，金濟(jì)華，等.用于軌道交通的單頻網(wǎng)信號線型覆蓋方法：中國，200710041713.2[P].2007-06-07.

[3]ZHANG Wenjun，GUI Lin，MA Wenfeng，et al.The television broadcasting network of Chinese high speed railway[C]//Proc.2008 IEEE InternationalSymposiumon BroadcastingMultimediaSystemsand Broadcasting.[S.l.]：IEEE Press，2008：1-4.

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[5]歸琳，陸靖侃，馬文峰，等.鐵路電視單頻網(wǎng)中系統(tǒng)時鐘饋送和恢復(fù)方法：中國，200710041715.1[P].2007-06-07.

[6]歸琳，施洋，馬文峰，等.數(shù)字電視單頻網(wǎng)的分集接收終端及接收方法：中國，200710041714.7[P].2007-06-07.

[7]ITU-R P.1546-3，Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz[S].2007.

[8]GB/T 14617.1—1993，陸地移動業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)傳播特性：第一部分陸地移動業(yè)務(wù)傳播特性[S].1993.