地面數(shù)字電視與廣播雙向信號的干擾研究

劉雁峰

（山西省廣播電視局，山西太原，030012）

1 地面數(shù)字電視與廣播雙向信號現(xiàn)狀

■1.1 地面數(shù)字電視信號

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)主要使用的廣播標準為數(shù)字電視地面廣播，其傳輸系統(tǒng)使用的是時域同步正交頻分復用單多載波調(diào)制的方式，每一個頻道上的地面數(shù)字電視帶寬包括載波信號與保護帶寬，在國內(nèi)700MHz頻段上一共分成DS–37到DS–48共12個頻道，頻率的范圍在702MHz–798MHz。在一般情況下因為只要考慮數(shù)字機頂盒上的信號接收問題，所以地面數(shù)字電視信號發(fā)射機的功率一般在1kw以上，發(fā)射天線的高度在100米之上。

■1.2 廣電雙向信號

隨著廣播雙向技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播雙向信號包括廣播雙向網(wǎng)絡(luò)信號和廣電5G技術(shù)，其中廣播雙向網(wǎng)絡(luò)信號指的是以4G技術(shù)為基礎(chǔ)的，采用OFDM正交頻分復用調(diào)制技術(shù)、時空編碼、干擾與信道間干擾抑制和智能天線技術(shù)，能夠最大程度提升系統(tǒng)的性能[1]。下一代廣播雙向網(wǎng)絡(luò)信號和廣電5G信號，在頻率上將信號的上下行頻段分開，然后根據(jù)第三代合作伙伴計劃的標準進行定義。上行信號的頻率范圍在703–748MHz之前，下行信號頻率范圍在758–803MHz之間。上下行信號采用的帶寬可以根據(jù)實際情況進行合理調(diào)整，包括載波信號和保護帶寬。根據(jù)最新的5G國際標準，國內(nèi)廣電700MHz 5G頻段最大可以達到2＊30/40MHz。

2 OFDM系統(tǒng)特點

在多載波OFDM系統(tǒng)中，信道被分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸，減少了子信道之間的相互干擾。對地面數(shù)字電視信號和廣播雙向信號之間產(chǎn)生的干擾因素有很多，包括同頻干擾、互調(diào)干擾、雜散干擾和鄰道干擾等[2]。其中信號之間的同頻干擾，指的是在不同城區(qū)之間的清頻工作先后開展時，就可能出現(xiàn)同頻使用的情況。在無線數(shù)字覆蓋工程建設(shè)時，部分區(qū)域選擇單頻網(wǎng)覆蓋模式，該組網(wǎng)模式使不同區(qū)域內(nèi)同步運行的發(fā)射臺在相同時間內(nèi)發(fā)送相同的信號來覆蓋全部信號區(qū)域，但該方式容易同時接收到多臺站傳輸?shù)男盘?，進而產(chǎn)生同頻干擾問題。在一個OFDM 傳輸系統(tǒng)中，在第l 個 OFDM 符號周期內(nèi)，假設(shè) 向量 X 表示頻域各子載波上調(diào)制的符號向量，第 k 個子信道傳送的數(shù)據(jù)為 X (k )，那么：

根據(jù)前面的描述，為了消除多徑時延擴展帶來的符號間干擾（ISI），在S(n)之前插入長度為Ng的循環(huán)前綴作為保護間隔，這樣即可得到長度為Ns的時域OFDM符號Sg(n) ：

如果不考慮多徑衰落信道的時變特性，信道可以等效成為一個有限沖擊響應(yīng)濾波器。假設(shè)信道離散域的沖擊響應(yīng)為h(l),l = 0,2...L–1，L代表信道最大延遲對應(yīng)在離散域的采樣點數(shù)，則接收信號為：

這里?表示線性卷積，w(n)表示加性高斯白噪聲。假設(shè)系統(tǒng)收發(fā)端定時和采樣 嚴格同步，接收端信號在去掉CP之后經(jīng)過FFT解調(diào)，得到第l個周期的頻域OFDM符號Y (k')的表達式為：

根據(jù)地面數(shù)字電視固定接收場景可知，信道環(huán)境屬于萊斯信道，選擇最高碼率的載波數(shù)為1，前向糾錯碼率為0.8，調(diào)制方式為32QAM的模式，為確保信號正常調(diào)解，就需要載噪比在17dB之上。以雙向基站20W，發(fā)射天線高度20m來計算，按照頻率是700MHz，時間概率是50%、地點是地面、接收高度為10m的情況來計算，廣電雙向基站對地面數(shù)字電視信號的干擾范圍在10km左右。而實際上，計算雙向基站天線下傾角，地面數(shù)字電視天線方向性等條件，單個雙向基站對地面數(shù)字電視信號的干擾范圍只有5km，因此不會產(chǎn)生干擾。在廣電清頻和廣電5G建設(shè)中，應(yīng)該考慮的是在不同城區(qū)之間，地面數(shù)字電視對廣電5G上行信號產(chǎn)生的干擾以及頻率范圍。以8MHz 通帶功率為例，其信號干擾等級和對應(yīng)電平范圍如表1所示。

表1 干擾信號級別劃分

3 雙向地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字電視技術(shù)具有信道容量較大的優(yōu)勢，其次數(shù)字傳輸技術(shù)抗燃的能力較好，其采用再生方式排出噪音與失真的影響，使功率的利用率得到大大提升。此外，在采用信源編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計，進一步提升了功率和頻譜的綜合使用率。

■3.1 雙向廣播面臨的問題

雙向地面數(shù)字電視廣播具有地面數(shù)字電視與交互電視的優(yōu)勢，與衛(wèi)星數(shù)字和有線數(shù)字電視相比，地面廣播信道環(huán)境復雜，容易受到周圍環(huán)境的影響，對于地面廣播系統(tǒng)物理層調(diào)制與接收有很大的挑戰(zhàn)，所以必須選擇合適的調(diào)制解調(diào)技術(shù)才能解決環(huán)境帶來的影響[3]。此外，目前組網(wǎng)方式采用的是大功率和高山發(fā)射臺站的結(jié)構(gòu)，基站之間的距離很遠，受到地形地勢的影響大且組網(wǎng)非常復雜，網(wǎng)絡(luò)中存在許多干擾信號的因素，且建筑無遮擋會產(chǎn)生許多信號盲區(qū)，而發(fā)射功率高又對發(fā)射點有要求，在基站之間可能存在許多覆蓋區(qū)域縫隙，導致這些區(qū)域無法接收到信號。為確保更好的信號傳輸質(zhì)量，有必要對雙向數(shù)字電視廣播的網(wǎng)絡(luò)特性、結(jié)構(gòu)、性能以及相互之間的影響進行研究，并在相應(yīng)調(diào)制解調(diào)模式下來提高系統(tǒng)均衡性，使系統(tǒng)能精準同步。

■3.2 無線信道和調(diào)制技術(shù)

3.2.1 無線信道

無線移動信道比其他通信信道更為復雜，電波以空間波傳播，接收設(shè)備也不是固定不變的，所以接收設(shè)備和基站間的無線信道就具有多變性、難以控制的特點。信號在通過無線信道時也會受到衰落的影響，無線信道對信號的影響包括大尺度衰落、陰影衰落和多徑衰落等。因為移動臺的移動使得無線信道具有時變性，只有進行合理的設(shè)計才能消除這些影響。

3.2.2 調(diào)制技術(shù)

多載波OFDM系統(tǒng)中的信道分成若干個正交之信道，把高速信號轉(zhuǎn)變成并行的低速子數(shù)據(jù)流，可調(diào)制到每一個子信道上完成傳輸，降低子信道間的相互干擾。這是因為每一個子信道上的信號帶寬都比信道帶寬小，所以可以有效消除碼之間的互相干擾，每一個子信道的貸款是原來信道帶寬的一小部分，因此也可以使得信道變得均衡。OFDM系統(tǒng)使用平衡調(diào)幅，將所有載波的能量平均分配到限定頻率的帶寬內(nèi)。和傳統(tǒng)單載波傳輸相比，單載波是將某一個信道帶寬上的信號全部都調(diào)制到一個載波上傳輸，所以信號傳輸速率變大以后傳輸符號的持續(xù)時間也會變短，信道多徑效應(yīng)將在通過無線信道時變得十分顯著。而采用多載波調(diào)制技術(shù)，可以使用多個子載波來滿足正交的條件，也允許子信號之間的頻譜互相重疊，OFDM調(diào)制系統(tǒng)能提高對頻譜資源的使用率。由于無線信道環(huán)境非常復雜，對于信號傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)也提出了更高的要求?？紤]到無線信道多徑效應(yīng)會對系統(tǒng)的接收性能產(chǎn)生影響，可進行信道估計與均衡來解決。在當前無線系統(tǒng)中，單載波時域均衡、單載波頻域均衡和正交頻分復用多載波技術(shù)是常見的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其中單載波時域均衡的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)也最為成熟，單載波頻域均衡則對于對抗多徑的效果較好[4]。而OFDM則是這幾年來在無線帶寬接入中比較常見的熱點技術(shù)，對其信道估計與均衡方式進行研究分析，可對原有OFDM系統(tǒng)進行改進優(yōu)化，以提高終端接收信號的準確性，降低接收誤碼率。

■3.3 雙向地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)設(shè)計和實踐驗證

地面廣播雙向系統(tǒng)是能有效解決廣電雙向信號和地面數(shù)字電視信號之間干擾的方案，且該系統(tǒng)的范圍較大，容納的數(shù)量較多，具備靈活選擇的參數(shù)，使得該系統(tǒng)能適應(yīng)各種復雜的傳輸環(huán)境。在進行實際系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)對下行信號的標準、參數(shù)等進行規(guī)定，然后對上行信道進行設(shè)計優(yōu)化，使雙向系統(tǒng)可以滿足上行與下行的傳輸要求，提高系統(tǒng)的動態(tài)自適應(yīng)能力，系統(tǒng)也可以根據(jù)當前信道的狀況來選擇合適的參數(shù)，并進行傳輸優(yōu)化?，F(xiàn)有系統(tǒng)下行與上行信道使用的都是OFDM調(diào)制，該調(diào)制方式頻帶的利用率較高，且具有抗多徑效應(yīng)的作用，能有效調(diào)變參數(shù)配置，使得基站和用戶都能進行優(yōu)化傳輸。新型雙向地面廣播系統(tǒng)也采用OFDM調(diào)制方式，但是上行信道使用了單載波頻域均衡的方式替代了原來的調(diào)制方式，上行下行信道使用不同的調(diào)制方案是為能減少交互終端的成本和信號之間的干擾程度[5]。從功率和接收性能的角度分析，單載波頻域均衡的方式可以代替原來OFDM方式作為上行信道調(diào)制解調(diào)方法，但是因為單載波的方式具有峰均較小、結(jié)構(gòu)較為簡單的特點，所以更能減少交互終端工作量，降低發(fā)送峰值的功率，有利于減少交互終端成本，雙向廣播電視系統(tǒng)適合采用該模式。

針對地面數(shù)字電視同頻干擾的問題，可以通過在發(fā)射端處設(shè)置延時和功率的方式，比如將附近某一個臺站的發(fā)射功率調(diào)低，以保證交疊覆蓋區(qū)域內(nèi)各個臺站信號強度變化差距不大，穩(wěn)定在某一個值[6]。也可以通過在接收端位置采用網(wǎng)狀天線或針對用戶端信號接收位置進行調(diào)整，利用附近建筑物將多個或某一個同頻信號進行有效屏蔽?；蛘咭阅硞€地區(qū)為例，將其主信號設(shè)置在山上的中心機房，發(fā)射功率為1000W，信號傳輸?shù)侥硞€縣的發(fā)射站機房中，該縣的發(fā)射機功率也為1000W。在實際信號傳輸中因為傳輸距離很長，地形地貌復雜，覆蓋面積大，存在多徑效應(yīng)，在場強不明顯的地方存在同頻干擾的問題。為此進行雙向地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)設(shè)計，采用OFDM調(diào)制與單載波相結(jié)合的方式，有效調(diào)整參數(shù)配置，優(yōu)化上下行信道，通過采用不同的調(diào)制方案來減少信號傳輸時的干擾程度。同時在接收端采取方向性較強的網(wǎng)狀天線，使天線主瓣方向面對信號主場強區(qū)域，分析場強儀輔助值和電視收看質(zhì)量來驗證上述方案對同頻干擾的抑制作用。

4 結(jié)語

綜上所述，本文提出了地面數(shù)字電視和廣電雙向信號之間的干擾影響，對相關(guān)干擾因素進行了分析，并對相關(guān)調(diào)制技術(shù)進行了分析介紹。本文對已有的雙向數(shù)字地面廣播系統(tǒng)進行了系統(tǒng)性能分析，證明OFDM調(diào)制可提高帶寬的利用率、增強抗多徑的效應(yīng)。但是因為該調(diào)制方式對發(fā)射設(shè)備功率與線性度的要求較大，中每次提出新型系統(tǒng)方案，該方案改變了原來上行鏈路OFDM調(diào)制方式，將其變成單載波頻域均衡方式，但下行鏈路保持原來調(diào)制方式不變，可有效降低交互終端設(shè)備的成本和信號之間的干擾，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。