地面數(shù)字電視前端信號(hào)干擾問題分析與對(duì)策

樊 鵬

（山西廣播電視無線管理中心1125 臺(tái)，山西 太原 030000）

0 引 言

地面數(shù)字電視是我國廣播電視的主要傳輸方式，采用數(shù)字編碼和數(shù)字調(diào)制技術(shù)對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行傳輸，相比模擬電視技術(shù)，具有更高的頻譜利用效率和更強(qiáng)的抗干擾能力。地面數(shù)字電視技術(shù)對(duì)視頻和音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，采用正交幅度調(diào)制方式進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，可以在有限的頻帶內(nèi)傳輸更多的電視頻道和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有高階QAM 調(diào)制能力和強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了固定受信機(jī)、移動(dòng)受信機(jī)和單頻網(wǎng)三種服務(wù)的兼容傳輸[1]。與傳統(tǒng)模擬電視信號(hào)相比，地面數(shù)字電視信號(hào)在圖像和聲音的傳送質(zhì)量上有很大提高。數(shù)字電視提供的高清晰度和超高清晰度的節(jié)目服務(wù)使其圖像更加精細(xì)逼真，聲音也更具沉浸感。

地面數(shù)字電視技術(shù)的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了電視行業(yè)的進(jìn)步，為廣大觀眾帶來強(qiáng)大的視聽體驗(yàn)。但其信號(hào)在傳輸過程中也難免受到各種干擾的影響。地面數(shù)字電視的信號(hào)質(zhì)量仍然面臨各種人為和自然因素的干擾，導(dǎo)致圖像失真、聲音異常等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成長時(shí)間的信號(hào)中斷。為了保證觀眾的視聽體驗(yàn)，必須重視并妥善應(yīng)對(duì)信號(hào)干擾問題。

1 地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的評(píng)價(jià)需要考慮多個(gè)技術(shù)指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境綜合判斷。維持良好的信號(hào)質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字電視高質(zhì)量服務(wù)的基礎(chǔ)。對(duì)此，需要對(duì)各影響因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。常見的地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的量化指標(biāo)如下。

（1）載噪比，表示信號(hào)與噪聲的功率比，是用于評(píng)價(jià)信號(hào)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。地面數(shù)字電視信號(hào)的載噪比需要高于20 dB，才能正常解碼和播放信號(hào)。載噪比測(cè)量主要使用矢量信號(hào)分析儀，獲取信號(hào)的功率譜圖，讀取圖中的噪聲功率和信號(hào)功率，計(jì)算其比值。

（2）相位噪聲，表示相位擾動(dòng)的度量。相位噪聲過大，會(huì)引起解調(diào)后的信號(hào)頻譜增寬，對(duì)信號(hào)識(shí)別造成干擾。相位噪聲的測(cè)量主要使用矢量信號(hào)分析儀，對(duì)接收的地面數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行相位噪聲測(cè)量，獲取信號(hào)的相位噪聲譜圖，讀取相位噪聲功率值并計(jì)算相位噪聲指標(biāo)。

（3）誤碼率，表示解碼后無法正確還原的比特?cái)?shù)量占總比特?cái)?shù)的比例。

整體來看，我國上述指標(biāo)的地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)值為載噪比≥32 dB，相位噪聲≤-60 dBc/Hz，誤碼率≤2×10-11。只要達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)值，低階16QAM 調(diào)制方式就可實(shí)現(xiàn)高清畫面，高階的64/256QAM 更可以達(dá)到超高清的視聽效果[1]。

2 前端信號(hào)干擾類型與機(jī)制分析

2.1 電磁波干擾源與作用機(jī)制

電磁波干擾是地面數(shù)字電視信號(hào)衰減的主要原因之一。來自各種電子設(shè)備和用電設(shè)施的電磁輻射會(huì)對(duì)電視信號(hào)產(chǎn)生干擾[2]。常見的電磁波干擾源有：高壓電力傳輸線路產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)與電荷，對(duì)臨近的電視信號(hào)接收產(chǎn)生電磁干擾，使電視信號(hào)出現(xiàn)噪聲及畫質(zhì)下降現(xiàn)象；商用/業(yè)余無線設(shè)備，如使用相近頻段的對(duì)講機(jī)、無線麥克風(fēng)、WiFi 設(shè)備等造成電磁干擾，增加數(shù)字電視信號(hào)的噪聲和相位噪聲；部分家用電器在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射，如電機(jī)、空調(diào)等有可能對(duì)電視信號(hào)接收端的調(diào)諧電路和放大器產(chǎn)生干擾，出現(xiàn)畫面噪點(diǎn)；電弧焊機(jī)等設(shè)備，電弧焊接等會(huì)產(chǎn)生較大的電磁脈沖，會(huì)嚴(yán)重影響電視信號(hào)的正常接收，造成短時(shí)間的信號(hào)丟失和畫面消失。

電磁波干擾的產(chǎn)生機(jī)制均遵循電磁學(xué)中的馬克斯威爾方程式（Maxwell Equations），即來自高頻電流和電荷在導(dǎo)體和空間中的運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在空間傳播，對(duì)電視信號(hào)接收天線和輸入端形成電磁耦合，引入噪聲和干擾信號(hào)，破壞正常的調(diào)諧復(fù)用接收過程，使信號(hào)質(zhì)量和畫面效果下降[2]。

2.2 多路徑干擾的產(chǎn)生原因

多路徑干擾是地面數(shù)字電視信號(hào)在傳播過程中無法避免的一種干擾形式，源于電視信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)天線前遇到各種障礙物，產(chǎn)生多個(gè)衰減和延遲不同的信號(hào)分量疊加在一起，造成信號(hào)質(zhì)量下降和畫面失真。多路徑干擾的主要產(chǎn)生原因有：（1）復(fù)雜地形，山地、丘陵等不平坦的地表使電視信號(hào)產(chǎn)生多次反射和散射，形成傳播路徑中的多個(gè)分支，這些分支之間的相位差引起信號(hào)相消，影響信號(hào)質(zhì)量；（2）高大建筑物會(huì)對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行反射、衍射和遮蔽，造成多個(gè)信號(hào)分量之間的相位差和延遲差，干擾正常的信號(hào)傳播；（3）金屬隔離物，如金屬材料的墻壁、鐵塔等，會(huì)使電視信號(hào)產(chǎn)生較大的反射損耗，并在一定條件下產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)；（4）移動(dòng)障礙，如高速行駛的車輛、船只等也會(huì)對(duì)電視信號(hào)產(chǎn)生特定多普勒頻移和多路徑效應(yīng)，造成短時(shí)間的信號(hào)中斷和畫面失真；（5）電離層反射，電視信號(hào)在電離層反射時(shí)，不同的信號(hào)成分產(chǎn)生不同程度的衰減和相移，被反射的多個(gè)信號(hào)分量會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。

2.3 氣象變化引起的信號(hào)衰落

氣象變化也是可能導(dǎo)致地面電視信號(hào)質(zhì)量下降的原因之一。氣象變化會(huì)引起電視信號(hào)在大氣中的傳播衰減，嚴(yán)重時(shí)可能造成信號(hào)的中斷和畫面卡頓，主要形式包括：（1）降水對(duì)信號(hào)的衰減，小到中雨的降水會(huì)對(duì)微波信號(hào)產(chǎn)生一定的衰減作用，大雨會(huì)對(duì)電視信號(hào)造成較強(qiáng)烈的衰減，導(dǎo)致畫質(zhì)下降或畫面粒狀；（2）霧霾對(duì)信號(hào)的遮蔽，濃霾和大霧天氣會(huì)使空氣中的水蒸氣和顆粒物增加，會(huì)吸收和散射電視信號(hào)的能量，造成視距縮短和信號(hào)衰減，嚴(yán)重時(shí)信號(hào)被完全遮蔽；（3）氣溫增減，氣溫的升高會(huì)使大氣中的氣體密度減小，對(duì)電視信號(hào)的吸收和散射作用減弱，有利于信號(hào)傳播，反之，氣溫降低時(shí)，信號(hào)衰減，強(qiáng)度下降；（4）大氣壓強(qiáng)變化，大氣壓強(qiáng)的上升會(huì)壓縮大氣，增強(qiáng)電視信號(hào)頻率范圍內(nèi)氣體與顆粒物對(duì)信號(hào)的吸收和散射，引起信號(hào)衰減。

3 前端信號(hào)干擾的應(yīng)對(duì)策略

3.1 電磁波干擾的屏蔽與抑制

電視信號(hào)的發(fā)射、傳輸與接收環(huán)節(jié)采用屏蔽、濾波、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)手段，選用抗干擾度更高的設(shè)備與方法，監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境以針對(duì)存在的干擾源，是減輕電磁波干擾影響、改善地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。為減輕電磁波干擾對(duì)地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的影響，可以采取以下措施：（1）選擇相對(duì)平坦開闊的站址，遠(yuǎn)離高壓線路、大型電氣設(shè)備和高頻射頻傳輸系統(tǒng)，可以有效避免強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾；（2）采用屏蔽措施，在電視發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用屏蔽機(jī)柜及屏蔽電纜，加裝濾波器和阻抗匹配裝置，對(duì)設(shè)備本身的電磁輻射進(jìn)行屏蔽和抑制，或在接收點(diǎn)使用室內(nèi)屏蔽天線，減少外來電磁波的干擾；（3）優(yōu)化天線極化方式，根據(jù)不同的電磁環(huán)境，選擇最優(yōu)的天線極化方式（垂直極化或水平極化），以最小化外電磁波的干擾功率；（4）增加發(fā)射功率，適當(dāng)提高發(fā)射功率，可以增強(qiáng)信號(hào)抗干擾能力，減少外電磁噪聲對(duì)信號(hào)的影響，改善信號(hào)質(zhì)量；（5）采用數(shù)字信號(hào)處理，使用數(shù)字調(diào)制、信道編碼、前糾錯(cuò)編碼等技術(shù)，可以在一定程度上抑制傳輸過程中的電磁噪聲，提高信號(hào)的誤碼率性能，改善信號(hào)抗干擾能力[3]。

3.2 多路徑效應(yīng)的技術(shù)抑制

為減輕多路徑效應(yīng)對(duì)地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的影響，可以采取以下措施：（1）站址選址遠(yuǎn)離高大建筑物群，以減小信號(hào)抵達(dá)接收點(diǎn)的傳播路徑和產(chǎn)生的回波，緩解多路徑效應(yīng)；（2）使用方向性更強(qiáng)的天線，采用更窄的信號(hào)發(fā)射波束和更高的天線增益，減少信號(hào)向周邊區(qū)域的擴(kuò)散；（3）將接收天線放置在水平較高且開闊的位置，減少地面和建筑物造成的多路徑回波，并采用定向至主信號(hào)源的方式放置，提高天線的方向增益；（4）使用均衡器、序列估計(jì)與信道均衡等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可以估計(jì)信道的多徑效應(yīng)，補(bǔ)償不同路徑信號(hào)之間的相位與幅度差異，減輕多路徑干擾對(duì)信號(hào)的影響，提高系統(tǒng)的抗多徑性能；（5）定期對(duì)電視信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的各信號(hào)路徑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄路徑損耗、相移等參數(shù)的變化，為采取針對(duì)性措施提供參考依據(jù)。

3.3 氣象條件引起干擾的應(yīng)急措施

在氣象條件變化導(dǎo)致地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量下降的情況下，對(duì)信號(hào)傳輸與服務(wù)質(zhì)量必須使用技術(shù)手段，以最大限度地減小氣象因素對(duì)電視廣播的影響[4]，具體包括以下措施。

（1）增加發(fā)射功率。在氣象條件變差期間提高電視信號(hào)的發(fā)射功率，加大信號(hào)功率在所覆蓋區(qū)域內(nèi)的余量，以抵抗氣象條件引起的額外損耗，保障信號(hào)質(zhì)量。

（2）設(shè)置備用頻點(diǎn)。預(yù)先規(guī)劃電視信號(hào)的備用頻點(diǎn)，在主頻點(diǎn)信號(hào)質(zhì)量受到氣象條件影響無法滿足需求時(shí)，將信號(hào)快速切換至備用頻點(diǎn)，恢復(fù)正常服務(wù)。

（3）增加發(fā)射站點(diǎn)。在電視信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)增加備用發(fā)射站點(diǎn)，當(dāng)某一發(fā)射站點(diǎn)的信號(hào)傳播受到氣象條件影響時(shí)，可啟用備用站點(diǎn)的發(fā)射，將高質(zhì)量信號(hào)提供給受影響區(qū)域。

（4）臨時(shí)調(diào)整發(fā)射方向。根據(jù)氣象條件變化對(duì)電視信號(hào)覆蓋的具體影響區(qū)域，臨時(shí)調(diào)整發(fā)射天線的波束方向，將信號(hào)重點(diǎn)覆蓋至受影響最嚴(yán)重的地區(qū)，保證優(yōu)先服務(wù)。

（5）加密與差錯(cuò)糾正。使用數(shù)字調(diào)制和信號(hào)前向糾錯(cuò)技術(shù)，可以在一定程度上提高電視信號(hào)抗衰落的能力，當(dāng)信號(hào)傳播過程受到氣象引起的影響出現(xiàn)誤碼時(shí)，可以對(duì)誤碼進(jìn)行糾正，保證信號(hào)的正確解調(diào)[5]。

（6）提供跨地區(qū)備援。與相鄰區(qū)域的電視臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)本地電視信號(hào)服務(wù)因氣象條件受到嚴(yán)重影響時(shí)，采用跨地區(qū)的信號(hào)對(duì)本地覆蓋區(qū)域進(jìn)行備份覆蓋，保證區(qū)域內(nèi)基本的電視信號(hào)接收需求。

4 結(jié) 語

隨著地面數(shù)字電視技術(shù)的快速發(fā)展，信號(hào)傳輸質(zhì)量的重要性日益凸顯。高質(zhì)量的信號(hào)服務(wù)不僅確保電視節(jié)目的清晰流暢，也關(guān)系到廣電系統(tǒng)的工作效率。未來，地面數(shù)字電視信號(hào)傳輸將向更加智能化、靈活化和高清化方向發(fā)展，信號(hào)質(zhì)量管理也將更加自動(dòng)化和精細(xì)化，抗干擾能力也將更強(qiáng)，日益成為廣播電視服務(wù)效率提升的關(guān)鍵所在。