CMMB單頻網(wǎng)多徑模型研究

張 帥，潘長勇，李薰春

（1.清華大學(xué) 電子工程系信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.國家廣電總局 廣播科學(xué)研究院，北京 100045）

2006年10月24日，國家廣電總局頒布了中國自主研發(fā)的CMMB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。CMMB采用波段大功率衛(wèi)星與地面同頻增補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)，兩顆高功率S波段衛(wèi)星覆蓋中國多數(shù)地域，將從各廣播電臺獲取的Ku波段上行信號送至移動(dòng)設(shè)備。在信號不佳的地區(qū)，架設(shè)地面補(bǔ)點(diǎn)網(wǎng)（單頻網(wǎng)），同時(shí)保證衛(wèi)星信號與地面增補(bǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信號到達(dá)接收設(shè)備時(shí)同步，以確保信號質(zhì)量，形成覆蓋全國的移動(dòng)多媒體廣播網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)天地一體[1-3]。

本文以市場上常用的商用接收機(jī)為測試終端，在實(shí)驗(yàn)室中模擬兩徑和三徑信道，得到單頻網(wǎng)下的載噪比門限性能數(shù)據(jù)，通過非線性擬合得到信道模型，并進(jìn)行相關(guān)分析，可作為指導(dǎo)單頻網(wǎng)建設(shè)的理論依據(jù)。

1 CMMB的單頻網(wǎng)

單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）是由多個(gè)不同位置處于同步的發(fā)射機(jī)在同一時(shí)間以同一頻率發(fā)射信號，實(shí)現(xiàn)對服務(wù)區(qū)域的可靠覆蓋。單頻網(wǎng)具有低功耗、低成本、高容錯(cuò)率與抗干擾能力等優(yōu)勢，且在最大限度上適應(yīng)在復(fù)雜多變地形上完成高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)覆蓋。與此同時(shí)，單頻網(wǎng)的構(gòu)架決定了它是一個(gè)極易受多徑效應(yīng)影響的網(wǎng)絡(luò)，如何高效地降低多徑效應(yīng)的影響是組建單頻網(wǎng)的主要難題。

2 單頻網(wǎng)測試

2.1 測試平臺

實(shí)驗(yàn)室模擬測試平臺采用R＆S SFU來產(chǎn)生單頻網(wǎng)多徑信號，并輸入接收終端進(jìn)行測試。

2.2 測試內(nèi)容

單頻網(wǎng)測試內(nèi)容包括2個(gè)接收終端在4種工作模式下的兩徑和三徑C/N門限數(shù)據(jù)。4種工作模式見表1。

表1 4種工作模式

2.3 測試標(biāo)準(zhǔn)

由于接收終端沒有TS碼流輸出，本文采用主觀判別法。當(dāng)多徑效應(yīng)明顯時(shí)，信道惡化，信息傳輸時(shí)將出現(xiàn)丟包，表現(xiàn)為肉眼可見的塊效應(yīng)，即馬賽克。當(dāng)丟包過多導(dǎo)致解碼芯片無法正常工作時(shí)，圖像畫面和聲音將出現(xiàn)停頓或黑屏。因此，本文在測試時(shí)采用ITU-R BT.2035報(bào)告（11/2008）《評估數(shù)字地面電視廣播系統(tǒng)（包括評價(jià)其覆蓋區(qū)）的指導(dǎo)原則和技術(shù)》中建議的主觀TOV判別法，定義播放60 s無影響觀影效果的馬賽克、停頓等現(xiàn)象出現(xiàn)的情況為成功接收，反之為失敗。

2.4 測試方案

本文測試兩徑和三徑條件下接收終端的C/N門限值，定義能保證接收終端正常播放的最低C/N值為C/N門限值，并定義能在關(guān)閉SFU的附加噪聲條件下使接收終端異常播放的最低延時(shí)為失敗點(diǎn)，若在SFU能提供的最大C/N值（60 dB）下接收終端仍不能正常播放也視為失敗點(diǎn)。

兩徑測試方案如下：

主徑場強(qiáng)差0 dB，延時(shí)0 μs，第二徑場強(qiáng)差分別為0 dB，1 dB，2 dB，3 dB，4 dB，5 dB，10 dB，15 dB，測試第二徑延時(shí)±10 μs，±30 μs，±45 μs，±55 μs，±60 μs處的C/N門限值，同時(shí)測量失敗點(diǎn)。

三徑測試方案如下：

主徑場強(qiáng)差0 dB，延時(shí)0 μs，第二徑場強(qiáng)差分別為3 dB，5 dB，10 dB，延時(shí)分別為20 μs，40 μs，50 μs，測試第三徑場強(qiáng)差為0 dB，1 dB，2 dB，3 dB，4 dB，5 dB，10 dB，15 dB，延時(shí)為±10 μs，±30 μs，±45 μs，±55 μs，±60 μs處的C/N門限值，同時(shí)測量失敗點(diǎn)。

3 模型研究

理論上，信道容量由香農(nóng)公式給出

式中：W表示傳輸信道帶寬；SNR(f)表示傳輸信道在頻率f處的信噪比P(f)/N(f)；H(f)表示傳輸信道傳輸函數(shù)。

根據(jù)COFDM調(diào)制方式，式（1）可寫為

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，對式（2）進(jìn)行簡化，得到兩徑經(jīng)驗(yàn)公式為

三徑經(jīng)驗(yàn)公式為

4 公式擬合

4.1 兩徑模型

使用式（3）對兩徑測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，圖1～圖4為擬合結(jié)果。

4.2 三徑模型

用式（4）對三徑測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合相關(guān)系數(shù)如表2所示。

圖1 佳明兩徑Mode1擬合結(jié)果

圖2 佳明兩徑Mode2擬合結(jié)果

圖3 佳明兩徑Mode3擬合結(jié)果

圖4 佳明兩徑Mode4擬合結(jié)果

表2 擬合相關(guān)系數(shù)

從上表可以看出，式（4）的擬合相關(guān)程度不高。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，C/N門限值隨延時(shí)單調(diào)增加的幅度在低碼率時(shí)不明顯，但在高碼率時(shí)就非常顯著。式（4）能在低碼率時(shí)得到好的擬合效果，但對高碼率的擬合效果并不理想?；谏鲜龇治觯瑢Ζ?與τ2的高次項(xiàng)進(jìn)行修正，經(jīng)過篩選，使用4次多項(xiàng)式，最終擬合公式為

修正后擬合的相關(guān)系數(shù)如表3所示，可以看出有明顯改善。圖5～圖8為佳明接收機(jī)擬合結(jié)果，佳明兩徑擬合結(jié)果如表4所示，佳明三徑擬合結(jié)果如表5所示。

表3 公式系數(shù)

圖5 佳明三徑Mode1擬合結(jié)果

圖6 佳明三徑Mode2擬合結(jié)果

圖7 佳明三徑Mode3擬合結(jié)果

圖8 佳明三徑Mode4擬合結(jié)果

表4 佳明兩徑擬合結(jié)果

表5 佳明三徑擬合結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

對兩徑模型，式（3）能很好地描述兩徑信道特點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。通過觀察有如下結(jié)論：

1）C/N門限值與延時(shí)τ呈正相關(guān)，與場強(qiáng)差Δ呈反相關(guān)；

2）延時(shí)對稱點(diǎn)的C/N門限值大致相同；

3）隨著碼率的提高，C/N門限值升高，且C/N門限值隨延時(shí)τ的變化減緩，而隨場強(qiáng)差Δ的變化加大。

對三徑模型，經(jīng)過修正的式（5）能更好地描述三徑信道特點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)基本在0.9以上，相對式（4）有顯著提高。通過觀察有如下結(jié)論：

1）C/N門限值隨延時(shí)基本呈正相關(guān)，隨場強(qiáng)差呈反相關(guān)，碼率增高變化趨勢明顯。

2）第二徑對C/N門限值的影響強(qiáng)于第三徑。第二徑場強(qiáng)差對C/N門限值的影響強(qiáng)于第二徑延時(shí)的影響。場強(qiáng)差越大，信道條件越差，C/N門限值變化幅度越劇烈；

3）隨著碼率的升高，C/N門限值變化的幅度越劇烈，信道條件越差。

4）調(diào)制方式不同時(shí)，信道惡化對C/N門限值的影響程度不同，QPSK下信道惡化程度弱于16QAM下的信道惡化程度。

5 總結(jié)

本文先對CMMB系統(tǒng)和單頻網(wǎng)進(jìn)行介紹，然后在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際信道中的兩徑和三徑模型，并測量不同模式下的載噪比門限。得到測量數(shù)據(jù)后，按照經(jīng)驗(yàn)公式使用專業(yè)軟件進(jìn)行非線性擬合，得到不同模式下信道載噪比門限與延時(shí)和場強(qiáng)差的公式，相關(guān)系數(shù)基本在0.9左右。擬合得到的公式與理論分析相比有大幅簡化，可以保證一定精確度下工程計(jì)算的要求，具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]GY/T 220.1—2006，移動(dòng)多媒體廣播第1部分廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

[2]章理為，萬戈，邸娜，等.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)多徑模型研究與性能測試[J].電視技術(shù)，2011，35（20）：21-23.

[3]解偉.移動(dòng)多媒體廣播（CMMB）技術(shù)與發(fā)展[J].電視技術(shù)，2008，32（4）：4-7.