國標地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的組網(wǎng)與建設(shè)

郭發(fā)云

（山西泰森科技股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隨著數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)逐漸形成了有線數(shù)字電視系統(tǒng)、衛(wèi)星數(shù)字電視系統(tǒng)、地面數(shù)字電視系統(tǒng)互為補充，并行發(fā)展的格局。單頻網(wǎng)是地面數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)重要的組網(wǎng)方式之一，它由多個位于不同地點、處于同步狀態(tài)的發(fā)射機組成數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個發(fā)射機以相同的頻率、在相同的時刻發(fā)射相同的節(jié)目以實現(xiàn)對特定服務(wù)區(qū)的可靠覆蓋。單頻網(wǎng)組網(wǎng)過程中需要解決的一個關(guān)鍵問題是所有發(fā)射機的同步問題，這個問題的關(guān)鍵在于信號源到發(fā)射機的傳輸、適配。

1 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)（SFN:Single Frequency Network）是由多個位于不同地點、處于同步狀態(tài)的發(fā)射機組成的數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)，以相同頻率、在相同時刻發(fā)射相同節(jié)目，以實現(xiàn)對特定區(qū)域的可靠覆蓋。

單頻網(wǎng)具有有利于頻譜規(guī)劃、提高頻譜利用率、較好的信號覆蓋特性、降低信號輻射、減少電磁污染、增強信號覆蓋均勻度等諸多優(yōu)點，對單頻網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究將能大大促進我國數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改善我國頻率資源緊張的狀況。隨著DTMB標準成為我國強制性標準以及老撾、柬埔寨等國對DTMB標準的采納，我國及采用DTMB標準的國家地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)正處于起步階段，國內(nèi)、國際市場推廣前景將非常廣闊。［1］

單頻網(wǎng)具有很多優(yōu)點，首先是有利于頻率規(guī)劃。在我國空間頻譜資源緊張的情況下，可以大大節(jié)約寶貴的頻率資源，提高頻譜利用率。其次，由于無線電信號本身的特性，在高樓林立的城市或丘陵山地環(huán)境中，無論單個數(shù)字電視發(fā)射站點的發(fā)射功率多大都會有很多信號覆蓋不到的區(qū)域，這些覆蓋不到的區(qū)域被稱作覆蓋盲區(qū)或盲點，單頻網(wǎng)則可通過多點同頻發(fā)射的辦法來解決覆蓋盲區(qū)問題，獲得較好的覆蓋率。第三，單頻網(wǎng)技術(shù)還可降低發(fā)射機設(shè)備的成本;通過優(yōu)化和調(diào)整單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)（基站數(shù)量、分布、發(fā)射天線高度、發(fā)射功率等），可以使用多個較小功率發(fā)射機代替一個大功率發(fā)射機，以降低信號輻射、減少電磁波污染、增強覆蓋均勻度，也可以根據(jù)需要隨時改變覆蓋意圖。

2 單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

同頻干擾是單頻網(wǎng)廣播面臨的最大問題。傳統(tǒng)單頻網(wǎng)依靠GPS同步各發(fā)射機的發(fā)射時間，靠保護間隔保證天線收到的不同信號能同時到達接收機。一旦超過保護間隔允許的距離，兩個或兩個以上的同頻信號到達接收機時間不同，將導(dǎo)致接收機解碼失敗。故而靠GPS同步的方式仍有很多不足。實際上，根本不需要在各發(fā)射站完全同步，只需要解決各基站同頻信號交叉覆蓋地區(qū)的同步問題即可。

我們通過研究單頻網(wǎng)的建站距離，不斷地進行實地檢測信號，對單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)有了更好的認識，通過改善以下兩點即可解決同頻干擾和信號盲區(qū)的問題:（1）只需對各基站同頻信號交叉覆蓋地區(qū)，采用時延調(diào)節(jié)模塊進行相應(yīng)調(diào)整;（2）相鄰基站采用不同極化方式發(fā)射信號。通過對這兩種方式的選用或全部采用，基本能保證各基站“同頻干擾”現(xiàn)象消失。這是單頻網(wǎng)得以實現(xiàn)的一個技術(shù)保證，并在一些地區(qū)得到成功的商業(yè)運用［3］。

2.1 國標地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 國標地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

這種單頻網(wǎng)廣播模式，可以省掉各個基站復(fù)雜昂貴的GPS時鐘同步系統(tǒng)，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高安全性;妥善處理某些交叉覆蓋區(qū)的同頻干擾現(xiàn)象。

2.2 單頻網(wǎng)補點發(fā)射基站

前端處理好的數(shù)字化信號輸入微波寬頻帶發(fā)射機或光發(fā)射機（經(jīng)有線電視光纜）傳輸，轉(zhuǎn)發(fā)基站接收到信號后，將微波天線上的下變頻器轉(zhuǎn)為UHF信號，或?qū)⒂芯€電視光纜送來的地面數(shù)字電視廣播UHF波段信號，經(jīng)濾波后對所有RF射頻信號進行適當延時調(diào)整后（傳統(tǒng)方案中是對不同頻道TS流進行延時，相對比較復(fù)雜），經(jīng)小功率發(fā)射機作單頻網(wǎng)發(fā)射，覆蓋5～20 km范圍用戶。

按照中國數(shù)字電視地面廣播編碼標準GB 20600-2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》所建議的單頻網(wǎng)組網(wǎng)模式:“本標準系統(tǒng)也可以采用不依賴于GPS的主從結(jié)構(gòu)方案，全系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)各自相對于主發(fā)射機的時延，實現(xiàn)了整個單頻網(wǎng)的發(fā)送時間同步”，該方案是有權(quán)威理論支持的。由于不象傳統(tǒng)方式采用昂貴的GPS同步設(shè)備，故不需設(shè)置保護間隔。該方案已在內(nèi)地多個地區(qū)單頻網(wǎng)廣播中得到很好應(yīng)用，是真正質(zhì)優(yōu)價廉的可靠的單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)方案。其原理圖見圖2。

圖2 單頻網(wǎng)補點發(fā)射基站原理框圖

信號源采用MMDS微波或光纜傳輸，而不是各接收基站接收開路地面數(shù)字電視廣播信號后另行轉(zhuǎn)發(fā)，是為了保證后面發(fā)射基站信號不至于時延過于滯后，難以保證交叉覆蓋區(qū)接收點同步接收到不同基站信號。一般來說，離前端近的基站設(shè)計時延調(diào)整多些。距離前端遠的基站時延調(diào)整少些，則比較容易平衡。

通過在多個單頻網(wǎng)交叉覆蓋區(qū)測試數(shù)據(jù)，調(diào)整補點基站的不同時延，可保證在交叉覆蓋區(qū)的信號能基本同步到達接收機，接收機即可正常接收解碼，消除同頻干擾的影響。

圖3 2個基站交叉覆蓋區(qū)同頻干擾的時延調(diào)整示意圖

如圖3所示，在2個交叉覆蓋區(qū)內(nèi)（可事先估算出位置），用一條直線畫出2交叉覆蓋區(qū)域中同頻干擾最嚴重的地方，到該地實測確定后，對2個轉(zhuǎn)播基站中的一個進行時延調(diào)整，一般在5～20 μs之間。經(jīng)過這樣的調(diào)整，相鄰發(fā)射基站的發(fā)射時間不一定嚴格同步，但只要保證在交叉覆蓋區(qū)中心點收到的兩個不同基站的信號能同時到達接收機，同頻干擾現(xiàn)象就會消失。測試時可以采用儀器與機頂盒接收相結(jié)合的辦法進行。一般通過幾次調(diào)整，就可以解決問題，以后也基本不需要再調(diào)試。如有多個基站信號交叉覆蓋區(qū)，相鄰的基站可以采用不同的極化方式（水平或垂直），這樣能最大限度降低同頻干擾的影響。因為用戶主要是固定接收，只要采用相同的天線架設(shè)方式即可，不會影響其日常收看電視。在一些農(nóng)村地區(qū)，有時僅需采用不同極化方式安裝轉(zhuǎn)發(fā)基站，不需調(diào)整基站發(fā)射時延也可以保證交叉覆蓋區(qū)的良好接收效果。

另外，采用定向發(fā)射或降低某個相鄰基站的發(fā)射功率等辦法，也可以進一步降低同頻干擾。

2.3 單頻網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)點［4］

（1）有利于頻率規(guī)劃。在我國頻譜資源有限的情況下，可以大大節(jié)約寶貴的頻率資源，提高頻譜利用率。

（2）可解決覆蓋盲區(qū)問題。在高樓林立的大城市，單臺數(shù)字電視發(fā)射發(fā)射機無論功率多大，都會有一定信號盲區(qū)或盲點，單頻網(wǎng)則可通過多點同頻發(fā)射的辦法來獲得較好的覆蓋率。

（3）單頻網(wǎng)組網(wǎng)可降低發(fā)射機設(shè)備的成本。通過優(yōu)化和調(diào)整單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)（基站數(shù)量、分布、發(fā)射天線高度、發(fā)射功率等），使用多個較小功率發(fā)射機代替一個超大功率發(fā)射機。

（4）單頻網(wǎng)組網(wǎng)有利于降低信號輻射、減少電磁波污染、增強覆蓋均勻度。

（5）便于移動接收。

2.4 實測單頻網(wǎng)信號頻譜圖

圖4 實測的組網(wǎng)成功的單頻網(wǎng)信號頻譜圖

圖4中，波瓣越多，多路信號的時延差越大，波瓣越深，多路信號的電平差越小。良好的單頻網(wǎng)信號的頻譜應(yīng)該是波瓣少而且深。

3 單頻網(wǎng)建站距離

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)最大建站距離是單頻網(wǎng)的重要參數(shù)，它決定了單頻網(wǎng)的發(fā)射站點的選取、建設(shè)成本以及建網(wǎng)的復(fù)雜性。地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的最大設(shè)臺距離主要取決于地面數(shù)字電視系統(tǒng)抗回波（多徑）干擾的能力，系統(tǒng)如果可承受的回波延時越長，單頻網(wǎng)設(shè)臺距離可以越大。符合GB20600-2006的地面數(shù)字電視系統(tǒng)抗回波干擾的能力依賴于發(fā)射端信號的幀結(jié)構(gòu)以及接收端的信道估計與均衡算法。目前的測試結(jié)果表明:地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)各種工作模式的抗0 dB回波干擾延時長度一般都能做到與各自信號幀結(jié)構(gòu)中的幀頭長度基本相當。隨著地面數(shù)字電視系統(tǒng)接收端算法的改進，以及發(fā)射天線和接收天線的設(shè)計，也可以接收超過幀頭長度的多徑信號，這樣符合GB20600-2006的地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)設(shè)臺距離也將進一步增大［5］。

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)設(shè)臺距離可根據(jù)GB20600-2006規(guī)定的信號幀結(jié)構(gòu)的幀頭持續(xù)時間來考慮，幀頭持續(xù)時間即是抗多徑干擾的保護時間，在保護時間內(nèi)接收到的不同信號可以被接收選擇出最佳電平的信號。

如系統(tǒng)采用PN420幀頭，GB20600-2006規(guī)定的基帶符號率為 7.56 Msps，幀頭長度t=420 ×1/7.56 μs=55.56 μs，射頻信號在此時間內(nèi)的傳輸距離l=55.56 μs×3×108m/s=16.67 km，這也是單頻網(wǎng)設(shè)臺的最大距離。

對于 PN595 幀頭，t=78.7 μs，l=23.61 km，

對于 PN945 幀頭，t=125 μs，l=37.5 km，

因此，單頻網(wǎng)設(shè)臺的最大距離最好選為16.67 km。

4 山西地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的建設(shè)情況

我公司在太原、晉中、運城、晉城、長治、忻州等地已建好多個基于雙國標的單頻網(wǎng)。

太原:DS-31，4臺1 kW發(fā)射機;

晉中:DS-30，4臺1 kW發(fā)射機;

運城:DS-33，3臺1 kW發(fā)射機;

長治:DS-16，3臺1 kW發(fā)射機;

忻州:DS-21，3臺1 kW發(fā)射機。

5 結(jié)束語

綜上所述，合理地對地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)進行組網(wǎng)，不僅能解決信號覆蓋問題，同時節(jié)約成本。本文闡述的國標地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在山西省得到了成功的應(yīng)用，與其他的GPS同步各基站發(fā)射時間的單頻網(wǎng)組網(wǎng)方案相比，更加簡單和實用。

［1］白微微.DTMB單頻網(wǎng)組網(wǎng)概述［J］.電視技術(shù)，2010（8）:17-19.

［2］于麗娟.山西國標地面數(shù)字電視技術(shù)規(guī)劃初探［J］.山西電子技術(shù)，2010（5）:77-79.

［3］宋曦彤，張曉林，文慧霞，等.一種國標地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)覆蓋的規(guī)劃方法［J］.電視技術(shù)，2009（11）:9-11.

［4］許振峰.單頻網(wǎng)技術(shù)及其在移動電視網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.有線電視技術(shù)，2009（6）:50-53.

［5］王建松.國際地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)重疊覆蓋區(qū)性能研究［D］.中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫，2010.03:13-25.