地面數字電視廣播網絡規(guī)劃與覆蓋的技術研究

■ 臨沂市廣播電視臺：劉志超

地面數字電視廣播是指廣播信號通過地面進行傳播，這種傳播方式與傳統(tǒng)的模擬信號傳輸方式相比具有以下優(yōu)勢：一是可以在同一個頻率中進行多套廣播電視節(jié)目的傳輸，可以有效提高頻譜資源的使用效率；二是采用數字傳輸技術來進行地面廣播信號的傳播，可以有效增強信號傳輸的抗干擾能力，能為用戶提供更加優(yōu)質的廣播電視節(jié)目；三是可以為用戶提供固定和移動兩種接收方式，滿足不同用戶的不同需求；四是與傳統(tǒng)覆蓋方式相比，數字傳輸技術的覆蓋范圍更廣，覆蓋效果更佳。我國數字電視廣播標準的頒布時間相對較晚，在2006年才正式頒布我國的數字電視廣播國家技術標準。在標準中明確電視和廣播業(yè)務的清晰標準，這也對我國的廣播電視行業(yè)提出了更高的要求。

現階段，在城市范圍內數字電視地面廣播主要采用單頻網覆蓋的模式，這種模式是多臺發(fā)射機在同一頻率上發(fā)射相同的廣播電視內容，所構建的覆蓋網絡被稱為單頻網。隨著我國經濟的發(fā)展，我國地方電臺頻譜資源越發(fā)緊張，單頻網的使用可以有效提高頻率資源的利用效率，只需要占用一個頻率資源就可以實現同一個節(jié)目的大范圍覆蓋。這種覆蓋模式也適合模擬電視向數字電視的過渡，可以節(jié)省大量的頻率資源，有效緩解我國頻率資源緊張的問題，為我國廣播電視行業(yè)未來的發(fā)展奠定技術基礎。此外，單頻網的技術優(yōu)勢還體現在覆蓋方式的優(yōu)化，可以有效增加網絡的覆蓋面積和覆蓋效果。在實際應用時，對發(fā)射站點的位置、數量、功率以及天線參數進行合理設置，就可以有效減少發(fā)射機的輸出功率，減輕相鄰覆蓋網絡的干擾問題，使網絡覆蓋更加平滑。

1.地面數字電視廣播覆蓋技術

1.1 組網模式

廣播覆蓋網絡根據不同的規(guī)劃區(qū)域，可以采用多頻網、單頻網以及混合網三種模式。

多頻網。由多臺發(fā)射機組成，采用不同的頻率在同一時間傳送相同的廣播電視節(jié)目。優(yōu)點：多臺發(fā)射機所使用的頻率各不相同，這就不需要使用頻率同步設備，組網結構簡單，成本較低。這也不需要對各發(fā)射機的輸出延時進行協調，更換廣播電視節(jié)目內容更加便捷。缺點：多臺發(fā)射機并沒有對距離進行限制，導致覆蓋面積較大，所占用的頻率資源更多。同時由于各發(fā)射機的頻率不同，一個區(qū)域內的接收終端如果想更換頻率，就需要占用更多的頻道，這會進一步加劇地方電視臺頻率緊張的問題。因此，多頻網一般適用于高山地區(qū)的廣播覆蓋網絡建設。

單頻網。在覆蓋區(qū)域內多臺發(fā)射器只使用一個頻道，這可以節(jié)省大量的頻率資源。由于對發(fā)射機的距離進行限制，每臺發(fā)射機的發(fā)射功率相對較少，可以有效減少對能源的消耗。但是單頻網需要多臺發(fā)射機使用相同頻率，這就需要增加同步設備，導致單頻網的前期組網成本較高，同時在組網過程中對發(fā)射機的間距有著嚴格的要求，與多頻網相比廣播覆蓋網絡的范圍相對較小。單頻網組網標準中也明確規(guī)定兩臺發(fā)射機之間的距離最大不能超過37.5公里。

混合網。是將單頻網與多頻網組合在一起形成覆蓋網絡。在城區(qū)內采用單頻網進行網絡覆蓋，在城市郊區(qū)或者偏遠地區(qū)采用多頻網進行網絡覆蓋，這種組網方式在達到覆蓋目標的同時，可以有效減少發(fā)射機的使用數量，并提高頻譜資源的利用效率。

單頻網在建設完成后，具有較高的廣播電視信號傳輸質量和傳輸效果，符合廣播電視行業(yè)未來的發(fā)展需求，也是我國廣播電視覆蓋網絡的重點組網方式，因此本文只對單頻網的網絡規(guī)劃進行探討。

1.2 規(guī)劃參數

地面數字電視廣播覆蓋網絡的規(guī)劃應該根據實際情況進行科學合理的設計，既要滿足我國模數過度的需求，又要對現有的網絡資源進行有效利用，因此地面數字電視廣播的規(guī)劃參數主要有以下幾點：

最小場強。是指在廣播覆蓋網絡中不存在頻率干擾的問題，只存在自然噪聲和人為噪聲的干擾，并保證接收終端可以正常接收廣播電視節(jié)目所需要的場強最小值。廣播電視信號屬于寬帶信號，信號的功率譜密度在傳輸過程中是不斷變化的，為了便于計算一般采用等效場強進行代替。為了滿足不同用戶的不同需求，需要為用戶提供多種配置參數，但不同的配置參數使系統(tǒng)的傳輸碼率和下載噪比門限也各不相同，會對系統(tǒng)的最小場強因數造成一定的影響。因此，最小場強的規(guī)劃參數設置需要根據覆蓋區(qū)域的實際需求進行合理設置。

保護率。是廣播電視系統(tǒng)抵抗其他系統(tǒng)信號干擾的能力。通過保護率可以計算出接收終端信號的傷門限點，并獲得接收端輸入信號功率與干擾信號功率的比值。在廣播覆蓋網絡規(guī)劃時，必須考慮各系統(tǒng)之間的信號干擾，以免在建設完成后影響廣播電視信號的傳輸質量。

地點和時間概率。地點概率是指信號場強隨著測量位置的變化而發(fā)生變化，要求小區(qū)域內的測量結果應達到給定數值。時間概率是指信號隨著時間而發(fā)生變化，在對任意位置進行測量時，信號場強值達到給定數值。在信號覆蓋標準上，數字電視的覆蓋信號標準更為嚴格，只有達到更高的接收百分比才可以有效保證廣播電視節(jié)目的接收質量。所以在進行系統(tǒng)規(guī)劃時應依照國家標準采取三個覆蓋層次：一是接收地點覆蓋，在覆蓋網絡中最小的覆蓋單元在99%的時間內都可以接收到達標的廣播電視節(jié)目，就可以認定這一區(qū)域已經被覆蓋；二是小區(qū)域覆蓋，在覆蓋網絡中規(guī)定比例的接收地點都已經實現了網絡覆蓋，就可以認定這一小區(qū)域已經被覆蓋；三是覆蓋區(qū)，是由多個小區(qū)域覆蓋所構成的覆蓋區(qū)域，在區(qū)內每個小區(qū)域都已實現網絡覆蓋，就可以認定這一覆蓋區(qū)已經實現了網絡覆蓋。

發(fā)射臺站參數。主要包含：一是地理位置。發(fā)射臺站具體位置需要使用經緯度來進行表示，根據全球定位系統(tǒng)的參考框架，發(fā)射臺站的地理位置可以精確到秒，這可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，在規(guī)劃設計階段也可以提高規(guī)劃的準確性和科學性；二是天線高度。在計算天線高度時不僅需要對天線自身的高度進行計算，還需要對天線基座的海拔高度進行測量。天線在運行時具有方向性，會向著一定方向輻射電磁波，因此天線在安裝時應注意安裝方向，在安裝結束后也需要對天線的能量集中情況進行檢查。天線方向性圖可以有效描述天線能量集中的情況并以圖形模型的形式展現出來，同時也可以用數學函數的形式表達出來。這種檢測方法在實際應用時，可以用兩個相互垂直的平面來進行表示，同時也可以用極坐標來進行表示。此外，通過有效輻射功率和天線方向圖這兩個參數，可以計算出發(fā)射臺各個方向的輻射功率。

2.單頻網的網絡規(guī)劃

2.1 單頻網的原理

單頻網是指多個發(fā)射臺在相同時間、相同頻率發(fā)射相同的廣播無線信號，并對一定區(qū)域進行網絡覆蓋。單頻網的網絡覆蓋需要滿足以下三個條件：一是頻率同步。在單頻網內多臺發(fā)射機的載波頻率必須保持一致；二是時間同步。在單頻網內接收機由于位置不同接收到的廣播信號會有一定的延時，但接收延時必須控制在一定范圍之內，這就要求各發(fā)射機必須保持時間同步。此外，各發(fā)射機所分配的網絡路徑和信號處理速度也存在一定的差異，這就需要引入不同的延時，可以采用自動補償傳輸鏈路的延時方式，保持發(fā)射機輸出信號在時間上的同步，使每臺發(fā)射機可以在相同時刻發(fā)送同一信號幀；三是比特同步。單頻網要求發(fā)射機對所有信號幀進行逐比特的調制，使發(fā)射機可以在相同的時間內發(fā)射相同的信號幀。為了保證比特同步，還要保證輸入信號的逐比特相同，使調制后的信號逐比特對應相同。

2.2 單頻網系統(tǒng)的規(guī)劃建設

單頻網的規(guī)劃建設十分復雜，對規(guī)劃建設的技術要求較高，在進行設計時也需要充分考慮現有的網絡資源，保證單頻網建設完成后具有科學性、可靠性、開放性以及可持續(xù)發(fā)展性。在單頻網規(guī)劃之前需要對現有的網絡資源和基礎建設進行調查，由于我國各個地區(qū)廣播電視覆蓋網絡的建設規(guī)模各不相同，盡可能對原有的資源進行利用以避免重復投資。因此，單頻網系統(tǒng)的規(guī)劃建設應遵循以下步驟：

現有資源調查。對現有資源狀況進行調查從而確定單頻網的建設目標。

選擇系統(tǒng)模式。根據我國公布的技術標準，并依據建設區(qū)域的服務內容和服務范圍合理進行網絡規(guī)劃，并選擇適合的系統(tǒng)模式。

選擇發(fā)射點。根據建設目標對現有的發(fā)射點和建設區(qū)域的地理信息進行考察，合理設置接收地的臺站參數。同時還需要對各發(fā)射點的視距進行計算，并使用網絡規(guī)劃軟件對網絡覆蓋效果進行預測。

評估發(fā)射機功率。發(fā)射站點的天饋系統(tǒng)需要嚴格依據單頻網的要求進行設計，也需要對發(fā)射機的功率進行準確評估。

前端系統(tǒng)設計。在前端系統(tǒng)中廣播電視節(jié)目的音頻和視頻質量會受到編碼器的影響，因此需要選擇質量過關的編碼器。在前端系統(tǒng)中如果適配器和GPS時鐘出現故障，會導致整個廣播電視系統(tǒng)發(fā)生混亂，為了有效解決這一問題，設計人員可以增加備用設備，一旦主設備發(fā)生故障，就可以及時啟動備用設備來保證系統(tǒng)的正常運行。此外，為了保證廣播電視系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在廣播節(jié)目傳輸時也應建立備份系統(tǒng)，從而有效保證網絡覆蓋的質量。

圖1：前端系統(tǒng)結構圖

傳送網設計。在傳送網設計時，盡可能對現有資源進行重用和升級，同時新站點的設立需要根據傳送網的實際需求進行設置。如采用SDH環(huán)網，就需要使用配套的適配器來實現信號的轉換；如采用微波傳送方式，就需要采用TS over IP的方式，實現信號的相互轉換。

發(fā)射機的選擇。在發(fā)射機選擇上應盡可能選擇技術指標較高的型號，設備在運行時能具有較高的可靠性。為了保證覆蓋網絡的穩(wěn)定，在使用老款發(fā)射設備時，需要與新款發(fā)射設備進行配合使用，盡可能對老款發(fā)射設備進行升級和換代。在新老設備混合使用時需要事先做大量的實驗來保證覆蓋網絡的質量和效果。

發(fā)射臺站的設計。為了保證發(fā)射臺站配電系統(tǒng)的安全性和可靠性，需要做好防潮、防汛、防雨以及安裝散熱設備。如果是無人值守的機房還要安裝配套的監(jiān)控設備，可以遠程對機房內的電子設備進行監(jiān)控，了解設備實時的運行狀態(tài)。

對單頻網的建設投入進行預算，并制定最終的工程實施方案。在工程建設完成后還需要對單頻網的性能進行測試，不斷調整和優(yōu)化并使其達到最佳狀態(tài)。

2.3 單頻網網絡規(guī)劃

網絡規(guī)劃的本質是對網絡結構和內部參數的合理配置，從而實現對頻率資源的科學規(guī)劃，并達到理想的網絡覆蓋效果，提升頻率資源的利用效率。對于單頻網網絡規(guī)劃設計本文提出以下幾種系統(tǒng)模式作為參考規(guī)劃配置。

RN1大服務區(qū)網絡覆蓋規(guī)劃。根據大服務區(qū)的網絡需求特點，共安裝7臺發(fā)射機，其中一臺位于中心，其余六臺呈六角形圍繞中心發(fā)射機排列，這種組網模式可以實現對服務區(qū)內的網絡覆蓋，覆蓋面積較廣，但這種網絡規(guī)劃模式各發(fā)射機之間會產生一定的電磁干擾，對網絡的覆蓋質量有一定影響。

圖2：RN1大服務區(qū)發(fā)射機結構圖

RN2小服務區(qū)網絡覆蓋規(guī)劃。根據小服務區(qū)的網絡需求特點，共安裝3臺發(fā)射機，3臺發(fā)射機以三角形的形狀，安裝在服務區(qū)內部。這種網絡規(guī)劃方式，可以有效滿足小服務區(qū)的網絡覆蓋需求，能有效提升廣播信號的傳輸質量和傳輸效果。

圖3：RN2小服務區(qū)發(fā)射機結構圖

RN3半封閉小服務區(qū)網絡覆蓋規(guī)劃。根據半封閉小服務區(qū)的網絡需求特點，為保證區(qū)域內的網絡覆蓋效果，共安裝3臺發(fā)射機，三臺發(fā)射機以三角形狀，布置在服務區(qū)邊界，這種布置方式通過選取特定的方向可以有效提高網絡的覆蓋效果，減少網絡的溢出干擾。

圖4：RN3半封閉小服務區(qū)發(fā)射機結構圖

2.4 系統(tǒng)模式的選擇

單頻網需要根據覆蓋網絡內各站點之間的距離、覆蓋面積、凈碼率以及接收終端類型來選擇適合的系統(tǒng)模式。同時系統(tǒng)的性能還會受到載波數量、糾錯率、映射方式以及幀頭模式4個參數影響，所以單頻網在進行網絡規(guī)劃時需要充分考慮這4個參數對系統(tǒng)整體性能的影響。單頻網支持單載波和多載波兩種方式，單載波對接收終端的處理要求較高，適用于大范圍固定的廣播信號接收；多載波對接收終端的處理要求較低，移動終端設備就可以接收到廣播信號。單頻網信號幀主要由幀頭和幀體組成，幀頭由PN序列組成，可以實現廣播信號的快速同步和信道估計，同步時間很短具有較強的自相關性，在系統(tǒng)同步方面具有較強的技術優(yōu)勢。同時，PN序列還具有一定的隨機性可以對均衡器進行準確訓練，能有效補償信號在信道傳輸過程中產生的失真。PN序列在系統(tǒng)中進行應用可以提高頻譜資源的利用效率。不同的幀頭模式所包含的幀頭長度也不同，這會直接影響到單頻網發(fā)射臺之間的間距。目前幀頭模式主要分為PN420、PN595以及PN945，其中PN420的幀頭最長，PN945的幀頭最短。間距越短覆蓋網絡之間的干擾性就越強，不同的幀頭模式所對應的保護間隔長度也不同，在實際應用時幀頭越長抗干擾能力就越強。但如果幀頭過長會影響廣播系統(tǒng)的凈荷碼率，需要根據覆蓋區(qū)域的需求來進行合理選擇。

圖5：保護間隔的作用

從圖5中可以看出，當保護間隔大于時，接收端在接收廣播信號時信號質量就不會受到多路徑信號的干擾，通常情況下，發(fā)射機在發(fā)出廣播信號時都設置了一定的延時，時間間隔設置在保護間隔之內，所以在選擇發(fā)射站點時就需要充分考慮各站點之間的間距。

3.結語

隨著我國經濟的發(fā)展，我國數字地面電視廣播業(yè)務不斷增加，人們也對廣播電視節(jié)目的內容質量和數量提出了更高的要求。但原有的系統(tǒng)已經很難滿足實際的業(yè)務需求，在未來還要不斷提高廣播電視網絡的覆蓋面積，提高覆蓋技術水平以滿足人們的需求。同時與模擬電視節(jié)目相比，數字電視節(jié)目有效提高了頻率資源的節(jié)目容量，這時采用便捷的網絡技術對廣播覆蓋網絡進行調整和優(yōu)化，可以有效改善城區(qū)范圍內的覆蓋網絡效果，廣播電視節(jié)目的畫質也更加清晰。并且地面數字電視的建設成本更低，信號覆蓋面積更廣，可以同時滿足固定接收和移動接收用戶的需求。從地面數字電視廣播的技術特點來看，它在抗干擾和抗破壞方面具有著巨大的技術優(yōu)勢，不易受到工程施工、自然災害以及人為因素的影響，在未來將會有更加廣泛的應用前景。