地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)原理與應(yīng)用

李天渠

摘 要：為了更好地推動(dòng)我國各大城郊地區(qū)的信息化建設(shè)，豐富廣大人民群眾的文化生活，根據(jù)目前我國廣播電視系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，國家對(duì)此制定出一套基于單頻網(wǎng)地面數(shù)字電視系統(tǒng)的建設(shè)方案。該文將簡(jiǎn)要概述地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的建設(shè)構(gòu)建原理，并對(duì)其構(gòu)建組成部分進(jìn)行分別介紹，通過對(duì)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)分析，找出實(shí)際建設(shè)中存在的信號(hào)覆蓋問題并對(duì)其做出針對(duì)性的優(yōu)化，以期為推動(dòng)我國地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的建設(shè)提供一些有價(jià)值的參考意見。

關(guān)鍵詞：SFN 單頻網(wǎng) 建設(shè)原理 地面數(shù)字電視

中圖分類號(hào)：TN949.197 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（b）-0070-02

1 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的概念

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)（SFN：Single Frequency Network）技術(shù)指的是分布在不同區(qū)域相鄰的多個(gè)發(fā)射機(jī)以同樣的發(fā)射頻率工作運(yùn)轉(zhuǎn)，并且保證相同的碼流在同一時(shí)間播出的工作方式，真正做到了在極大區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)字電視廣播的有效無線覆蓋傳播。

和傳統(tǒng)的模擬電視多頻網(wǎng)（MFN： Multi-Frequency Network）相比，地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)具有下列明顯優(yōu)勢(shì)。

（1）相較于傳統(tǒng)模擬無線電視傳輸上存在的諸多問題，地面數(shù)字電視都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其抗干擾能力更強(qiáng)，播放畫質(zhì)更加清晰，音頻效果更佳，安全可靠性顯著提高。

（2）相較于傳統(tǒng)模擬無線電視傳輸，地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的傳輸能力更強(qiáng)、頻道利用率更高。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PAL頻道（8 M）就可傳送8～10套標(biāo)清畫質(zhì)的數(shù)字電視節(jié)目。

（3）相較于傳統(tǒng)模擬無線電視傳輸，地面數(shù)字單頻網(wǎng)的建設(shè)成本更低：通過對(duì)單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)（基站數(shù)量、分布方式、天線方位與高度、發(fā)射功率等）的不斷優(yōu)化與調(diào)整，利用多個(gè)較小功率的發(fā)射機(jī)同時(shí)工作，將以往傳統(tǒng)的超大功率發(fā)射機(jī)取而代之。有效地降低了信號(hào)輻射、減輕了電磁波污染、覆蓋區(qū)域更加均勻。

（4）相較于傳統(tǒng)模擬無線電視傳輸，地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的業(yè)務(wù)開展靈活性更強(qiáng)，覆蓋效率更高。因此，地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)不僅嫩能夠改善目前農(nóng)村廣播電視公共服務(wù)的覆蓋體系，還有效地提高了城市的覆蓋密度，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電視無線覆蓋的全面性。

2 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)構(gòu)建原理

在地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)中，要事先對(duì)節(jié)目信號(hào)的傳輸，首先要對(duì)原始的TS碼流進(jìn)行編碼復(fù)用處理，然后再將其接入單頻網(wǎng)適配器當(dāng)中完成適配，同時(shí)將GPS信號(hào)引入單頻網(wǎng)適配器當(dāng)中，完成碼率適配以及秒幀初始化，再將其插入形成包含秒幀的SIP的TS碼流，經(jīng)過不同的傳輸分配網(wǎng)絡(luò)，將已經(jīng)打包好的TS碼流信號(hào)傳送到各個(gè)發(fā)射基站的發(fā)射機(jī)適配器中，經(jīng)過發(fā)射機(jī)適配器和激勵(lì)器完成時(shí)鐘同步處理、信道編碼、調(diào)至輸出放大然后進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。

實(shí)際的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)過程中，需要借助GPS全球定位系統(tǒng)來輔助網(wǎng)絡(luò)發(fā)射頻率與TS碼流的同步工作。GPS信號(hào)中包含時(shí)鐘10 MHz和秒脈沖1PPS信號(hào)，單頻網(wǎng)適配器可利用其中的10 MHz時(shí)鐘對(duì)TS碼流速率進(jìn)行調(diào)整，還可選擇1PPS作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，定時(shí)性地在TS碼流中加入秒幀初始化包SIP。接受設(shè)備中的時(shí)間同步處理單元可根據(jù)傳送碼流中的SIP，分析出TS碼流中的時(shí)延信息，再根據(jù)該發(fā)射站點(diǎn)的即時(shí)1PPS信號(hào)與TS碼流信號(hào)進(jìn)行同步，調(diào)至激勵(lì)器進(jìn)行發(fā)射，實(shí)現(xiàn)在不同站點(diǎn)，能夠同步發(fā)射信號(hào)的目的。

3 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的構(gòu)建組成部分

3.1 節(jié)目信號(hào)集成前端

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的節(jié)目信號(hào)集成系統(tǒng)主要是將不同電視廣播節(jié)目信號(hào)源進(jìn)行編碼、處理與復(fù)用處理，再利用單頻網(wǎng)適配器將碼流與GPS等信息進(jìn)行同步，最后也就形成了可分配的、帶有單頻網(wǎng)節(jié)目信號(hào)的傳送碼流。

節(jié)目信號(hào)集成前端平臺(tái)通常都設(shè)在中央或省級(jí)單位的有線電視播放控制總機(jī)房中，所采集的節(jié)目一般為央視以及省級(jí)衛(wèi)視節(jié)目。依據(jù)單頻網(wǎng)的組網(wǎng)頻點(diǎn)以及輸送節(jié)目碼流的壓縮方式，對(duì)輸送節(jié)目的套數(shù)進(jìn)行合理選取，通常單個(gè)頻點(diǎn)可以輸送8～10套標(biāo)清節(jié)目。此外，節(jié)目信號(hào)集成平臺(tái)會(huì)設(shè)置主用和備用兩條線路的信號(hào)，如遇突發(fā)情況，則立即啟用備用節(jié)目信號(hào)，確保輸送節(jié)目的安全性。

3.2 節(jié)目信號(hào)傳輸分配網(wǎng)

為了確保分配至各個(gè)站點(diǎn)需要發(fā)射的TS碼流信號(hào)完全一致，則需保證數(shù)字電視單頻網(wǎng)節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)的傳送保持透明。按照網(wǎng)絡(luò)傳送媒介進(jìn)行劃分，數(shù)字電視單頻網(wǎng)節(jié)目的分配傳輸網(wǎng)絡(luò)可分為光纖直傳傳輸、加擾衛(wèi)星傳送、SDH干線網(wǎng)絡(luò)傳輸、微波傳送等4種方式。這4種傳輸形式各有不同，但近年來光纖網(wǎng)絡(luò)與SDH網(wǎng)絡(luò)逐步完善，現(xiàn)階段的信號(hào)傳輸分配網(wǎng)絡(luò)多數(shù)采取SDH+光纖直傳的分配形式，不但節(jié)省成本，還保證了碼流傳輸?shù)馁|(zhì)量和安全。衛(wèi)星與微波信號(hào)的傳輸方式操作簡(jiǎn)單、碼流傳輸質(zhì)量較好，但是極易受到天氣等自然因素的干擾，安全可靠性大打折扣。

因此，在建設(shè)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的過程中，要將建設(shè)成本、后續(xù)維護(hù)成本、安全可靠性等一系列因素考慮其中，再結(jié)合實(shí)際情況，選擇最適合當(dāng)?shù)氐膯晤l網(wǎng)傳輸分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)。

3.3 無線發(fā)射系統(tǒng)

整個(gè)單頻網(wǎng)節(jié)目傳輸分配網(wǎng)絡(luò)中，主要是通過含有秒幀初始化包的TS碼流，經(jīng)過各個(gè)發(fā)射臺(tái)的激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，再完成信道編碼轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)對(duì)外發(fā)射。依據(jù)規(guī)劃的基站單頻網(wǎng)覆蓋區(qū)域面積的大小，對(duì)建設(shè)方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，控制好發(fā)射機(jī)的輸出功率以及發(fā)射天線的方位等參數(shù)。

對(duì)激勵(lì)器進(jìn)行同步調(diào)整主要是控制其發(fā)射時(shí)延，從接收到的MPEG TS中的SIP包信息分析出有效的時(shí)間信息，通過計(jì)算可得出碼流從主信號(hào)臺(tái)到發(fā)射臺(tái)的輸送時(shí)間，再根據(jù)計(jì)算的時(shí)間對(duì)激勵(lì)器進(jìn)行時(shí)延調(diào)整，保證了信號(hào)傳送的時(shí)間一致。在實(shí)際的店面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的建設(shè)過程中，可以借助全球定位系統(tǒng)GPS來輔助信號(hào)同步的工作，也可利用其他時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步。

3.4 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)保障

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的監(jiān)測(cè)保障系統(tǒng)主要包含：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，利用遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢查不同設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，立即發(fā)出警示并可通過遠(yuǎn)程進(jìn)行問題處理；對(duì)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)每個(gè)基站所覆蓋區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析；對(duì)所有覆蓋區(qū)域基站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總，建立龐大且完善的數(shù)據(jù)庫，方便查閱、調(diào)度以及管理，安全可靠地傳送地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)信號(hào)。

4 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的應(yīng)用

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的建設(shè)，主要內(nèi)容有合理分布限定區(qū)域內(nèi)的每個(gè)基層站點(diǎn)、各個(gè)站點(diǎn)之間的相隔距離、發(fā)射功率的大小、合理選取發(fā)射接收方式等，更要對(duì)鄰近站點(diǎn)之間的信號(hào)重疊覆蓋導(dǎo)致相互干擾的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

4.1 實(shí)際應(yīng)用中的信號(hào)覆蓋問題

在地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)覆蓋重合的區(qū)域，如果不同的發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度不在一個(gè)量級(jí)之上，也就是相差過大時(shí)，則可以對(duì)其中較弱的信號(hào)忽略不計(jì)，因?yàn)榻邮諜C(jī)只會(huì)識(shí)別和接收更為強(qiáng)烈的信號(hào)，因此這類信號(hào)之間不會(huì)存在相互干擾。然而，當(dāng)不同發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度相差較小時(shí)，接收機(jī)則無法對(duì)弱信號(hào)的存在選擇忽視，這時(shí)候接收機(jī)就要在同一時(shí)間處理兩個(gè)甚至更多的信號(hào)，這一信號(hào)覆蓋重合、相互干擾的區(qū)域叫作“相干區(qū)”。

4.2 針對(duì)信號(hào)干擾問題的應(yīng)用優(yōu)化

處于地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的“相干區(qū)”，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)相互干擾的現(xiàn)象，導(dǎo)致用戶無法有效接收到信號(hào)。到底要如何才能控制從不同發(fā)射站發(fā)出的電波同時(shí)間到達(dá)“相干區(qū)”中點(diǎn)0dB接收?qǐng)鰪?qiáng)差，有如下兩項(xiàng)工作要做好。第一，信號(hào)覆蓋的場(chǎng)形一定要控制好，選擇科學(xué)合理的設(shè)計(jì)記憶有效的天線調(diào)整。其中科學(xué)合理的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要為詳細(xì)了解覆蓋區(qū)域的地貌、合理選擇站點(diǎn)、確定發(fā)射功率、配置天線以及對(duì)場(chǎng)形的控制等。第二，激勵(lì)器除了能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)間同步，也具備獨(dú)立時(shí)延調(diào)整功能。利用獨(dú)立時(shí)延調(diào)整功能可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，在激勵(lì)器上的時(shí)延參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)置，使其在相干區(qū)域內(nèi)與空間參數(shù)完成匹配（即“二次同步”）。

4.3 信號(hào)盲區(qū)的應(yīng)用優(yōu)化

在地面數(shù)字點(diǎn)數(shù)單頻網(wǎng)的服務(wù)區(qū)中，有時(shí)會(huì)因?yàn)檎诒挝锏淖韪?，?dǎo)致單頻網(wǎng)信號(hào)無法抵達(dá)，這一部分服務(wù)區(qū)就叫作單頻網(wǎng)信號(hào)盲區(qū)。比如山峰或較高的建筑群阻擋區(qū)域、隧道、城市地鐵等場(chǎng)地，單頻網(wǎng)信號(hào)無法到達(dá)，這時(shí)候可利用單頻網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)器（Gap Filler）對(duì)信號(hào)進(jìn)行重新覆蓋。根據(jù)傳輸方式進(jìn)行劃分，轉(zhuǎn)發(fā)器一般可分為同頻轉(zhuǎn)發(fā)器、移頻轉(zhuǎn)發(fā)器以及光纖轉(zhuǎn)發(fā)器。此外，轉(zhuǎn)發(fā)器還可對(duì)建筑物室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行信號(hào)的補(bǔ)充覆蓋，正因?yàn)閿?shù)字電視的轉(zhuǎn)發(fā)器體積較小，所以在有限的覆蓋范圍內(nèi)不會(huì)干擾到單頻網(wǎng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)器可不需要借助GPS等專業(yè)設(shè)備，只需要用定向天線就可實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的定向覆蓋，由于其設(shè)備成本低、安裝場(chǎng)所不受過多限制、安裝便捷效果明顯等特點(diǎn)，使其成為地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)優(yōu)化中的重要手段。

5 結(jié)語

綜上所述，文章主要概述了地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的概念、構(gòu)建原理以及構(gòu)建組成部分，并對(duì)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)中遇到的實(shí)際問題提出了幾點(diǎn)優(yōu)化意見。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在目前頻率資源緊缺的嚴(yán)峻形勢(shì)下，地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的使用極大地節(jié)約了頻率資源，提高了頻率的利用率，將地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致，對(duì)我國的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)工程起到了良好的推動(dòng)作用。

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