地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術及實踐

王建生

（山東省招遠市廣播電視臺，招遠 265400）

技術研究

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術及實踐

王建生

（山東省招遠市廣播電視臺，招遠 265400）

本文首先對地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)構成進行介紹，然后從地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配系統(tǒng)、節(jié)目傳輸系統(tǒng)及發(fā)射系統(tǒng)三個環(huán)節(jié)，詳細分析了地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)組網(wǎng)過程中所涉及的具體技術細節(jié)及相應的技術解決方案，最后對青島地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)工程實踐情況進行闡述，對地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)建設有借鑒意義。

地面數(shù)字電視廣播；單頻網(wǎng)；節(jié)目分配；單頻網(wǎng)適配

1 引言

自2006年8月18日國家地面數(shù)字電視標準頒布以后，地面數(shù)字電視網(wǎng)絡建設規(guī)劃和運營模式已成為各地廣播電視機構播積極探討的重點。它通過地面無線廣播方式，在固定接收機、車載接收機、一體機等電視接收終端上，實現(xiàn)隨時隨地接收廣播電視節(jié)目與信息服務，可以作為廣播電視數(shù)字化發(fā)展的一個新的領域。地面數(shù)字電視廣播對于占領移動宣傳領域，進一步提高廣播電視的有效覆蓋，促進民族文化產(chǎn)業(yè)和民族工業(yè)的發(fā)展，有著重要意義。

在地面電視廣播無線覆蓋技術中，目前有三種組網(wǎng)方式：多頻網(wǎng)MFN、雙頻網(wǎng)DFN、單頻網(wǎng)

SFN。作為傳統(tǒng)模擬電視，為了在較大范圍實現(xiàn)覆蓋的通用手段，多頻網(wǎng)目前已廣泛用于全球。而雙頻網(wǎng)作為單頻網(wǎng)的一種特例也在一些地方得到采用。但是隨著頻率資源的日趨緊張，單頻網(wǎng)技術被引入數(shù)字電視廣播，以其節(jié)省頻率資源和大范圍無線覆蓋的優(yōu)勢在全球的地面數(shù)字電視廣播中得到廣泛應用。

2 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)簡介

2.1 單頻網(wǎng)構成

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)就是由多個發(fā)射臺發(fā)射組成的數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡，所有發(fā)射臺采用同一個頻率在同一時間發(fā)送同一個節(jié)目。典型的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)主要由中心發(fā)射站、輔助發(fā)射站、分配傳輸網(wǎng)絡三部分組成。除發(fā)射站基本設備外，還需要配置單頻網(wǎng)適配器SFN、GPS時鐘接收設備、網(wǎng)絡適配器，以及光纖、微波、地面數(shù)字電視發(fā)射機等。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)拓撲圖如圖l所示。

2.2 單頻網(wǎng)技術原理

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)借助全球定位系統(tǒng)（GIS）進行同步授時，利用此授時信號，單頻網(wǎng)適配器首先向TS碼流中插入時間標簽-秒幀初始化包（SIP），隨后帶有SIP包的TS碼流通過不同類型的節(jié)目分配網(wǎng)絡分發(fā)到各個發(fā)射臺站，各發(fā)射臺站的激勵器（發(fā)射機）借助SIP包和秒脈沖（1PPS）進行同步處理，從而實現(xiàn)地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)中各發(fā)射機發(fā)射頻率、發(fā)射時刻以及發(fā)射節(jié)目的同步。

3 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術

根據(jù)節(jié)目分配方式的不同，地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)可分為基于射頻信號分配和基于基帶碼流分配兩種不同形式的網(wǎng)絡，基于基帶碼流分配方式的地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)是目前主流的組網(wǎng)方式。

3.1 單頻網(wǎng)適配系統(tǒng)

單頻網(wǎng)適配系統(tǒng)是構建地面數(shù)字廣播電視廣播單頻網(wǎng)的首要環(huán)節(jié)。單頻網(wǎng)適配通過地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器完成，主要功能包括秒幀初始化包（SIP）插入和碼速率適配。

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器處理流程如下：根據(jù)系統(tǒng)輸出碼率時鐘，首先在每個秒脈沖位置插入1個SIP，SIP的定義符合GY/T 229.1-2008《地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器技術要求和測量方法》相關規(guī)定，包含了工作模式、最大延遲時間、發(fā)射機地址、獨立調(diào)整延時等系統(tǒng)信息；其次，在其他位置，從前端緩沖區(qū)內(nèi)讀取TS碼流，如果碼流數(shù)據(jù)不足一個秒幀，則插入單頻網(wǎng)適配TS空包完成TS流的碼率適配。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器最終輸出的TS碼流速率，與由單頻網(wǎng)適配器設定的發(fā)射機工作模式要求的凈載荷速率完全相同，并且鎖定在10MHz參考時鐘上。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器輸出的TS碼流抖動應小于100ns。

3.2 單頻網(wǎng)節(jié)目傳輸系統(tǒng)

節(jié)目傳輸網(wǎng)絡對于地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)至關重要，直接影響網(wǎng)絡能否成功構建。一般而言，地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)節(jié)目傳輸網(wǎng)絡應滿足以下要求：100%透明傳輸，即在傳輸過程中不改變TS碼流的P1D，不改變TS碼流的PCR，不增加或刪除TS碼流固有的空包，并且傳輸網(wǎng)絡最終恢復的TS碼流抖動小于100ns。目前，比較常用的地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)節(jié)目傳輸網(wǎng)絡主要有以下幾種形式。

（1）直連光纖+數(shù)字光端機“直連光纖+數(shù)字光端機”是地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)最簡單的節(jié)目傳輸網(wǎng)絡。來自地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器的ASI碼流首先經(jīng)過數(shù)字光端機變?yōu)楣庑盘枺缓笸ㄟ^直連光纖進行傳輸，各發(fā)射站點通過光端機將接收到的光信號重新變?yōu)锳Sl電信號并送入到發(fā)射機進行發(fā)射。

（2）光纖+SDH

“光纖+SDH”為城市環(huán)境中一種最普遍的數(shù)字電視廣播節(jié)目傳輸網(wǎng)絡。在該節(jié)目傳輸網(wǎng)絡中，ASI碼流首先需要進行適配，形成準同步數(shù)字序列（PDH）的三次群DS3信號幀（速率為：44.736Mb/s），然后由3路DS3形成1路SDH的一次群STM-1信號幀（速率為：155.52Mb/s）。在節(jié)目傳輸過程中，僅ASI-DS3轉換環(huán)節(jié)中涉及對TS碼流的速率適配，對于地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)而言，為實現(xiàn)TS碼流的透明傳輸。ASI-DS3適配器填充的TS空包應區(qū)別于TS流自身固有空包，從而保證在節(jié)目傳輸網(wǎng)絡接收端去除ASI-DS3適配器填充的TS空包，完全恢復原來的TS碼流。

（3）數(shù)字微波+SDH

相對光纖傳輸網(wǎng)絡而言，數(shù)字微波建設起來比較容易、成本較低，特別適合丘陵山區(qū)或其他地理條件比較惡劣地區(qū)。目前，SDH在數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)中也被廣泛采用。與“光纖+SDH”節(jié)目傳輸網(wǎng)絡不同，“數(shù)字微波+SDH”節(jié)目傳輸網(wǎng)絡在形成SDH信號幀之后，通過數(shù)字微波設備轉換為微波信號以無線的方式進行傳輸。

目前，“光纖+SDH”和“數(shù)字微波+SDH”是地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)應用最為廣泛的節(jié)目傳輸網(wǎng)絡形式。當然，地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)網(wǎng)絡建設和運營部門同樣可根據(jù)自身實際需求，設計定制單頻網(wǎng)節(jié)目傳輸網(wǎng)絡。

3.3 單頻網(wǎng)發(fā)射系統(tǒng)

地面數(shù)字電視廣播單頻同發(fā)射系統(tǒng)，負責將接收到的透明傳輸且已插入SlP包的TS流信號進行同步編碼和調(diào)制，并在規(guī)定的時刻以相同的頻率發(fā)射出去。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)發(fā)射系統(tǒng)最重要的處理單元，是各發(fā)射臺站地面數(shù)字電視廣播調(diào)制器的同步模塊。一般而言，地面數(shù)字電視廣播調(diào)制器或發(fā)射機，可根據(jù)授時接收機提供的1pps和10MHz基準時鐘來實現(xiàn)單頻網(wǎng)的同步。

4 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)實例

目前，地面數(shù)字電視廣播在國內(nèi)的開發(fā)和應用取得了很大的進展，青島市緊跟技術發(fā)展，在地面數(shù)字電視廣播技術平臺建設與運營上率先走在全國有前列。圖2為青島地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)結構圖。

圖2 青島地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)結構圖

4.1 覆蓋設計

（1）電視制式。青島市地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)采用DMB-T標準，工作頻道為CH39，射頻中心頻率722MHz，工作模式為QPSK，4K，F(xiàn)EC4/9，保護間隔1/4時，最高允許碼率為4.8128Mb/s。實現(xiàn)多節(jié)目廣播時，可以采用16QAM，4K，F(xiàn)EC2/3，保護間隔1/4時，最高允許碼率為14.4384Mb/s。

（2）規(guī)劃站點基本情況。為了實現(xiàn)青島轄區(qū)內(nèi)的有效信號覆蓋，在市區(qū)及市屬各縣建9個發(fā)射點。

4.2 系統(tǒng)組成

各基站之間，通過微波、光纜實現(xiàn)信號的連接，各發(fā)射系統(tǒng)把傳輸系統(tǒng)送來的數(shù)字電視TS流信號進行信道糾錯編碼，并作TDS-OFDM多載波調(diào)制，形成中頻IF信號，發(fā)射機將IF信號上變頻為射頻RF信號。單頻網(wǎng)發(fā)射系統(tǒng)依靠衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)GPS時鐘信號，使得任何一個發(fā)射臺頻率和相位嚴格的保持一致，同時發(fā)射同一個數(shù)字電視信號（相同的頻率、相同的發(fā)射時間和相同的電視節(jié)目）。不同發(fā)射臺之間TS流的不同時延需要用單頻網(wǎng)適配器來調(diào)整，以使各發(fā)射臺之間同步。

在單頻網(wǎng)建設中，激勵器則是關鍵中的關鍵，采用了進口的R&S公司的SV702，該激勵器中包含非線性校正模塊。為節(jié)約系統(tǒng)造價，采用了目前國內(nèi)技術已相當成熟的北廣BGTDV3261發(fā)射機，主站輸出功率1.0kW，功放由5個模塊組成，副站功率300W。

4.3 碼流鏈路

青島地面數(shù)字電視的單頻網(wǎng)碼流傳輸過程中采用了直達光纜的方式進行傳輸。在光纖上傳輸?shù)氖菃晤l網(wǎng)適配器輸出的碼流，發(fā)射端將TS碼流信號變?yōu)楣庑盘?，接收端將收到的光信號進行光電轉換、同步再生后輸出TS碼流。這種方法系統(tǒng)設計簡單、可靠性高，碼流中MIP包的位置與絕對時間的關系穩(wěn)定，不可能出現(xiàn)微波、SDH等傳輸網(wǎng)絡出現(xiàn)的抖動問題。

4.4 同步

青島單頻網(wǎng)建設時采用了GPS來作為同步。考慮到各種干擾對GPS的影響，在進行GPS型號選購時對Hold Over功能作了考慮。在48小時不能接收到GPS信號時，還可以保證系統(tǒng)同步的精度和穩(wěn)定。

4.5 場強覆蓋

實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)無線覆蓋存在很多折中的問題。單站情況下，發(fā)射功率增加，可以增加覆蓋范圍；但在單頻網(wǎng)中一味地增加發(fā)射功率對網(wǎng)絡覆蓋不一定能帶來好處。因為多個發(fā)射機產(chǎn)生信號交疊會產(chǎn)生回波影響接收效果，過大的功率會使得在網(wǎng)絡交疊地區(qū)的多徑特性明顯惡化。因此，在青島移動電視網(wǎng)絡建設中，主發(fā)射站只采用了1kW，輔助發(fā)射臺使用300W。青島主發(fā)射塔為4層16面水平極化天線，饋線長度約230m。副站天線選擇高增益的4層8面全向天線，模擬信號要求覆蓋的距離較遠，下傾角較小，而數(shù)字信號要求加強城區(qū)的覆蓋，在安裝中適當加大了下傾角，實踐表明，這樣修改后在城區(qū)的覆蓋效果十分理想。

4.6 GAP FILLER

由于地形復雜，不可避免地會有小部分盲區(qū)，針對這些小部分盲區(qū)，采用同頻轉發(fā)器（GAP FILLER）進行小范圍補點。

5 結束語

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)可以實現(xiàn)更大區(qū)域、更加平滑的覆蓋效果，加之較高的頻譜效率，已經(jīng)被許多國家和地區(qū)越來越多地采用。地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的組網(wǎng)技術，通過近幾年來的不斷探索與實踐，大規(guī)模建網(wǎng)并實現(xiàn)有效覆蓋的條件也正在成熟。數(shù)字電視廣播的蓬勃發(fā)展離不開一張高質(zhì)量的覆蓋網(wǎng)，因此，只有不斷拓展和完善這張覆蓋網(wǎng)，才能為地面數(shù)字電視廣播的運營提供最優(yōu)質(zhì)的服務。

[1] 崔競飛，李培林，張國庭．單頻網(wǎng)組網(wǎng)拓撲結構分析[J]．廣播電視信息，2008(8):56-70

[2] 王波．CMMB單頻網(wǎng)同步技術[J]．廣播與電視技術，2008,35(9):20-23

Digital Terrestrial Television Broadcasting Single Frequency Network Technology and Practice

Wang Jiansheng
(Zhao Yuan Television Station, Zhaoyuan, 265400)

First introduced on the ground digital television single frequency network system, Then from terrestrial digital TV broadcasting SFN adapter system, transmission system and launch system are analyzed in detail in three stages: terrestrial digital TV broadcasting SFN network involved in the process of the specific technical details and the corresponding technical solutions, Finally expounds on Qingdao ground digital television single frequency network engineering practice, is of significance for digital terrestrial television broadcasting single frequency network construction.

Digital television terrestrial broadcasting; Single frequency network; Program distribution; Single frequency network adapter

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.05.002

TN943

A

1672-7274（2015）05-0005-04

王建生，男，1959年生，助理工程師，主要從事廣播電視技術工作。