淺析地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)

臨沂市廣播電視臺(tái) 劉振華

單頻網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為國標(biāo)地面數(shù)字電視覆蓋最為常用的組網(wǎng)方式，在整個(gè)行業(yè)中得到了廣泛地運(yùn)用。文章結(jié)合了臨沂發(fā)射臺(tái)站實(shí)際情況對(duì)現(xiàn)階段國標(biāo)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)分析，了解其系統(tǒng)重要組成部分，淺析單頻網(wǎng)技術(shù)在地面數(shù)字電視的應(yīng)用。

目前，我國“省級(jí)或區(qū)域單頻網(wǎng)為主，多頻網(wǎng)為輔”的地面數(shù)字電視組網(wǎng)方式已基本實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字化全覆蓋。單頻網(wǎng)技術(shù)在廣播電視頻譜資源規(guī)劃有限的情況下，較大的降低了電視節(jié)目覆蓋率，有效的提高了頻譜的利用效率。以我們臨沂廣播電視臺(tái)為例，臨沂發(fā)射臺(tái)站肩負(fù)著保障4套地面數(shù)字電視節(jié)目“不間斷、高質(zhì)量、既經(jīng)濟(jì)、又安全”播出的重任，4套數(shù)字電視包括標(biāo)清13CH、標(biāo)清16CH、標(biāo)清23CH和臨沂本地高清25CH，其中16CH是中央單頻網(wǎng)地面數(shù)字電視，23CH是省單頻網(wǎng)地面數(shù)字電視。

1 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)簡述

1.1 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的詮釋

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)是指在一個(gè)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)由多臺(tái)地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)處于同步工作狀態(tài)但位于不同地點(diǎn)組成的覆蓋區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中的各子發(fā)射機(jī)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的有效覆蓋，必須在相同的時(shí)間以相同的頻率發(fā)射相同的已調(diào)射頻信號(hào)。

1.2 單頻網(wǎng)的特點(diǎn)

單頻網(wǎng)技術(shù)不僅使廣播電視頻譜有效利用率得到很大的提升，而且網(wǎng)絡(luò)的功率效率也得到了較大的提高，另外單頻網(wǎng)有更加平滑的覆蓋面，各級(jí)發(fā)射站臺(tái)可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整和增加覆蓋面，可對(duì)覆蓋盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)覆蓋等。同時(shí)單頻網(wǎng)也存在一定的缺點(diǎn)和不足，如不能像多頻網(wǎng)一樣對(duì)覆蓋區(qū)的某一部分提供相關(guān)的業(yè)務(wù)支持，組網(wǎng)技術(shù)所需要的設(shè)備比較多、建設(shè)成本要高出多頻網(wǎng)很多，網(wǎng)內(nèi)各子發(fā)射臺(tái)站的覆蓋距離有限，容易會(huì)因超出接收機(jī)多徑信號(hào)處理范圍而受其他網(wǎng)絡(luò)干擾。

2 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)同步的要素

由于地面數(shù)字電視接收機(jī)具有多徑信號(hào)處理能力，接收天線能夠同時(shí)收到網(wǎng)內(nèi)多個(gè)子發(fā)射臺(tái)站的信號(hào)，這就要求單頻網(wǎng)內(nèi)必須全部是相同頻率和相同比特的數(shù)字電視信號(hào)；同時(shí)為使來自單頻網(wǎng)內(nèi)其他相鄰子發(fā)射臺(tái)站的接收信號(hào)與欲接收信號(hào)之間的時(shí)延滿足接收機(jī)能夠抵抗的時(shí)延范圍，單頻網(wǎng)內(nèi)還必須全部是相同時(shí)間的數(shù)字電視信號(hào)。這就要求單頻網(wǎng)中各子發(fā)射機(jī)都必須經(jīng)過相同調(diào)制方式，并以相同的頻率在相同的時(shí)間進(jìn)行無線發(fā)射。

2.1 時(shí)間同步

時(shí)間同步就是為使來自其他相鄰子地面數(shù)字電視發(fā)射臺(tái)站的接收信號(hào)與欲收信號(hào)之間的時(shí)延保持在一定的范圍內(nèi)，涉及節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中產(chǎn)生時(shí)延，單頻網(wǎng)中各子發(fā)射臺(tái)站在時(shí)域上采用校正補(bǔ)償，以達(dá)到信號(hào)在相同時(shí)間調(diào)制發(fā)射的目的。也就是說節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)和各子發(fā)射臺(tái)站都將引入時(shí)延補(bǔ)償，以保證相同的信號(hào)幀應(yīng)在相同的時(shí)刻被各子發(fā)射臺(tái)站發(fā)送。

2.2 頻率同步

頻率同步是指單頻網(wǎng)內(nèi)各子地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)無線發(fā)射相同頻率的載波，其載波頻率偏差允許值規(guī)定在±1Hz。這就要求各子地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，為了達(dá)到這個(gè)要求，各子臺(tái)站發(fā)射機(jī)中的激勵(lì)器的都必須采用相同的調(diào)制頻率，以用來保證發(fā)射機(jī)調(diào)制到特定的射頻頻率輸出。我們臨沂臺(tái)站采用的方法是發(fā)射機(jī)激勵(lì)器部分采用省平臺(tái)統(tǒng)一規(guī)劃的時(shí)鐘參考源來驅(qū)動(dòng)，用GPS接收機(jī)提供的10MHz信號(hào)作為時(shí)鐘參考源。

2.3 比特同步

比特同步是指單頻網(wǎng)中各子地面數(shù)字電視發(fā)射臺(tái)站在相同的時(shí)間發(fā)射相同字符，這就要求各子臺(tái)站必須使用完全相同的信道編碼、映射和幀體數(shù)據(jù)處理方式，以及完全相同的幀結(jié)構(gòu)，即各子發(fā)射臺(tái)站的地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的激勵(lì)器必須選擇相同的模式工作，并且嚴(yán)格遵守GB20600-2006規(guī)定，以保證信號(hào)調(diào)制過程中隨機(jī)化過程的比特同步。

3 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在應(yīng)用TS流分配網(wǎng)絡(luò)的單頻網(wǎng)覆蓋是最為普遍的單頻網(wǎng)組網(wǎng)方式，TS流分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和建設(shè)也是單頻網(wǎng)技術(shù)的核心內(nèi)容?，F(xiàn)就基于IP傳輸?shù)牡孛鏀?shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)簡單介紹一下，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該單頻網(wǎng)系統(tǒng)主要是由單頻網(wǎng)適配器、TS Over IP網(wǎng)關(guān)、節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)、同步系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)等幾部分組成。系統(tǒng)流程：信源經(jīng)總平臺(tái)前端的AVS+編碼器輸出的多路TS碼流復(fù)用進(jìn)入單頻網(wǎng)適配器進(jìn)行適配，形成了包含秒幀初始化包（SIP）的TS流，經(jīng)TS Over IP技術(shù)輸出IP信號(hào)，再通過兩條地面?zhèn)鬏旀溌穼⒋a流分發(fā)到各子發(fā)射臺(tái)站以清流方式播出。對(duì)各子發(fā)射臺(tái)站傳輸鏈路產(chǎn)生的時(shí)延，同步系統(tǒng)計(jì)算出單頻網(wǎng)同步所需的時(shí)間并進(jìn)行校正，并規(guī)定各子發(fā)射機(jī)以相同頻率發(fā)送相同節(jié)目信號(hào)。

圖1 基于IP傳輸?shù)牡孛鏀?shù)字電視單頻網(wǎng)示意圖

3.1 單頻網(wǎng)適配器

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)的核心組成部分是單頻網(wǎng)適配器，最主要作用是利用GPS提供的秒脈沖1PPS信號(hào)和10MHz參考時(shí)鐘，對(duì)輸入的TS流插入秒幀初始化包（SIP)和碼率適配，為全局地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和頻率信號(hào)。其中SIP每1s插入一次，與GPS的1PPS對(duì)齊，國標(biāo)的SIP插入方法是符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的，比DVB的MIP包更簡單可行。此外，為實(shí)現(xiàn)TS流的碼率適配，當(dāng)TS碼流數(shù)據(jù)不在一個(gè)秒幀內(nèi)時(shí)，采用把一個(gè)單頻網(wǎng)適配空包自動(dòng)插入其中，其碼流速率以10MHz參考時(shí)鐘鎖定。

3.2 TS Over IP網(wǎng)關(guān)

目前，我國現(xiàn)階段已經(jīng)建成的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)中，為了傳輸省、市、縣各級(jí)電視臺(tái)節(jié)目，滿足省內(nèi)各級(jí)電視臺(tái)節(jié)目播出的迫切需求，IP網(wǎng)絡(luò)傳輸MPEG-2 TS流（即TS Over IP）技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于數(shù)字電視廣播領(lǐng)域。TS Over IP的重要作用是實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字電視相關(guān)業(yè)務(wù)模式和傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其優(yōu)點(diǎn)組網(wǎng)靈活、資源占用少、兼容性強(qiáng)、擴(kuò)容成本低。

3.3 節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)

節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)是指以總平臺(tái)為核心節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字電視傳輸專用網(wǎng)絡(luò)，其功能是把包含SIP包的節(jié)目碼流全透明地從總平臺(tái)傳送到各子發(fā)射臺(tái)站，以供地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)進(jìn)行無線發(fā)射。根據(jù)節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)的類型可以分為基于衛(wèi)星、光纖、微波以及IP傳輸?shù)膯晤l網(wǎng)技術(shù)方案，其中基于IP傳輸主要有“光纖+IP”和“數(shù)字微波+IP”兩種形式。以我們臨沂臺(tái)站為例，省系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用IP+PTN的傳輸架構(gòu)，總平臺(tái)側(cè)移動(dòng)、廣電網(wǎng)絡(luò)公司均以雙路由接入的方式建設(shè)，即同一時(shí)間三個(gè)方向的光纜損壞不影響播出。臨沂臺(tái)（分臺(tái)站）側(cè)以移動(dòng)雙路由、廣電網(wǎng)絡(luò)公司單路由的接入方式建設(shè)，即同一時(shí)間兩個(gè)方向的光纜損壞不影響播出。

3.4 同步系統(tǒng)

為保證廣播電視節(jié)目全透明傳輸，單頻網(wǎng)內(nèi)各子發(fā)射臺(tái)站必須采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)間和基準(zhǔn)頻率，這便要求網(wǎng)內(nèi)應(yīng)有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)鐘。目前該系統(tǒng)大多采用GPS參考源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)來解決各子發(fā)射臺(tái)站的同步問題，各子發(fā)射臺(tái)站將GPS的1PPS秒脈沖信號(hào)和單頻網(wǎng)適配器的信息，解決各子發(fā)射臺(tái)站的時(shí)間同步，絕對(duì)精度需要保持在100nS以內(nèi)，這在全世界均是相同的；利用GPS的10MHz信號(hào)作為外部參考時(shí)鐘，解決各子發(fā)射臺(tái)站的頻率同步，鎖定狀態(tài)下可優(yōu)于1E-11，同時(shí)1PPS秒脈沖信號(hào)與10MHz參考時(shí)鐘相互對(duì)應(yīng)。

3.5 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)的主要功能是通過發(fā)射機(jī)將節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)送來的碼流信號(hào)進(jìn)行信道編碼、同步調(diào)制、上變頻以及功率放大，再經(jīng)過濾波器和多工器送給發(fā)射天線將已調(diào)制射頻信號(hào)變成電磁波發(fā)送出去。國標(biāo)地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)是地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)發(fā)射系統(tǒng)的重要設(shè)備，臨沂臺(tái)單頻網(wǎng)16CH、23CH目前均采用的是吉兆1KW地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)，其本身是由主備兩激勵(lì)器共同組成，一旦某一激勵(lì)器出現(xiàn)了故障，就會(huì)自動(dòng)切換到備激勵(lì)器播出，確保電視節(jié)目正常播出。GPS接收機(jī)是單頻網(wǎng)信號(hào)同步的重要保障，單頻網(wǎng)內(nèi)各子發(fā)射臺(tái)站的地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)通過GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步。此外，單頻網(wǎng)內(nèi)各子發(fā)射臺(tái)站天線應(yīng)發(fā)射或接收規(guī)定相同極化的電磁波，相鄰各子發(fā)射臺(tái)站也要滿足一定的臺(tái)站間距要求。

3.6 其他配套系統(tǒng)

在地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)中，為了保障整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，還需要配備其他相關(guān)設(shè)備，臨沂發(fā)射臺(tái)站根據(jù)省總平臺(tái)單頻網(wǎng)要求安裝的松豐智能一體化UPS電源系統(tǒng)可全方位滿足地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)系統(tǒng)及播出機(jī)房要求，提高發(fā)射相關(guān)設(shè)備的播出質(zhì)量；北京博匯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過深度SIP包分析及關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)采集，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單頻網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)內(nèi)各級(jí)臺(tái)站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)配。

4 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)測(cè)試與分析

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建成之后，必須要進(jìn)行測(cè)試才能知道單頻網(wǎng)的覆蓋效果，然后通過分析找到單頻網(wǎng)建設(shè)中存在的缺陷和不足，對(duì)單頻網(wǎng)內(nèi)各臺(tái)站進(jìn)行設(shè)備調(diào)整和技術(shù)改造。

單頻網(wǎng)信號(hào)收測(cè)指標(biāo)主要有接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、信噪比(SNR)、調(diào)制誤差比(MER)、調(diào)制精度-誤差矢量幅度(EVM)、低密度校驗(yàn)碼(LDPC)誤塊率以及同步情況等。單頻網(wǎng)信號(hào)收測(cè)主要依靠國標(biāo)地面數(shù)字電視廣播測(cè)試系統(tǒng)，臨沂臺(tái)站目前使用的是S7000電視信號(hào)綜合分析儀，S7000為模塊化的設(shè)計(jì)理念，包含DTMB功能模塊、碼流分析功能模塊等，視頻監(jiān)測(cè)功能支持標(biāo)清和高清視頻的解碼。DTMB功能模塊可以測(cè)量DTMB頻道相關(guān)參數(shù)，如功率電平、MER、BER等；S7000的嵌入式碼流分析模塊支持DVB標(biāo)準(zhǔn)和ATSC標(biāo)準(zhǔn)（擴(kuò)展）的TS流分析，包括實(shí)時(shí)TS流和離線TS流文件以及后續(xù)擴(kuò)展的IPTV，主要功能有：實(shí)時(shí)解碼、實(shí)時(shí)碼流錄制、頻道編輯、離線碼流解碼、TR101 290三級(jí)監(jiān)測(cè)、PID瀏覽、PSSI數(shù)據(jù)捕獲、三級(jí)監(jiān)測(cè)報(bào)警參數(shù)設(shè)置等。此外，S7000的地面系統(tǒng)頻譜分析功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)可能存在的干擾信號(hào)，利用星座圖提供的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)干擾的來源與種類的線索，作為輔助工具排除故障，可以輕松的發(fā)現(xiàn)各種調(diào)制問題。

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的運(yùn)用最大限度地提高了頻譜的使用率，節(jié)省了大量的無線頻譜資源，解決了覆蓋盲區(qū)問題，獲得較好的覆蓋效果。本文結(jié)合臨沂發(fā)射臺(tái)站相關(guān)情況，對(duì)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)作了部分淺析，不足之處，敬請(qǐng)指正。