地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)的原理與故障案例分析

【摘要】本文基于地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)的原理及其運行的“三同”基本原則，對XG300UT-300D發(fā)射機的主要組成部分（激勵器、功率放大器、監(jiān)控部分）進行了詳述。并基于此，對發(fā)射機輸出功率下降及反射功率過大導(dǎo)致的駐波比告警保護故障進行了理論分析，最后提出了相應(yīng)的故障排除方法。以期望能夠為地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機的高效運行提供幫助。

【關(guān)鍵詞】地面數(shù)字電視；廣播單頻網(wǎng)；故障分析

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.09.013

電視媒體作為信息傳播的關(guān)鍵渠道，隨著社會物質(zhì)條件的進步，觀眾對電視節(jié)目的畫質(zhì)清晰度和內(nèi)容多樣性提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。由此，數(shù)字電視技術(shù)作為一種創(chuàng)新性科技被開發(fā)以滿足這些要求。區(qū)別于傳統(tǒng)電視信號，該模式易受氣候、地理方位、山巒等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致模擬信號質(zhì)量下降，影響畫面清晰度。相比之下，單頻網(wǎng)地面數(shù)字電視廣播發(fā)射設(shè)備克服了這些缺陷，并且結(jié)合了單頻網(wǎng)技術(shù)與數(shù)字電視技術(shù)的優(yōu)勢。這種發(fā)射設(shè)備在信號的抗干擾能力上有顯著提高，不僅提供了高清的視頻畫面，還實現(xiàn)了廣泛而均勻的信號覆蓋，同時，在節(jié)約能源方面也體現(xiàn)了高效性。鑒于此，本文基于地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)和發(fā)射機的原理展開了詳細(xì)的故障分析，并提供了相應(yīng)的排除方法，以期為地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機的穩(wěn)定運行和故障處理提供有力支持。

1. 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)的原理及其運行的要求

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)主要由前端系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。前端系統(tǒng)主要由編碼器、復(fù)用器和加擾器構(gòu)成，其工作流程是將不同路徑傳輸?shù)墓?jié)目源通過編碼器轉(zhuǎn)換為地面數(shù)字電視適用的碼流，再利用復(fù)用器將這些碼流合成為一路信號，并按照DTMB標(biāo)準(zhǔn)對信號進行加擾處理，最終輸出TS碼流。傳輸系統(tǒng)的主要職責(zé)是將生成的TS碼流傳輸至地面數(shù)字電視的各個發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將接收到的TS碼流進行調(diào)制、變頻、濾波、放大等處理，隨后進行地面發(fā)射。而接收系統(tǒng)的核心任務(wù)則是通過接收天線接收高頻調(diào)制信號，并進行變頻、解調(diào)處理，以獲取數(shù)字電視碼流。之后，再經(jīng)過復(fù)用、解碼等操作，完成用戶端數(shù)字電視節(jié)目信號的接收。

地面數(shù)字電視傳輸?shù)膯晤l網(wǎng)（SFN）架構(gòu)遵循“三同”基本原則，即網(wǎng)絡(luò)體系中各個發(fā)射點需在同一頻率、同一時間點及相同數(shù)據(jù)比特速率上保持同步，具體如下。

1.1 頻率同步

在多載波調(diào)制信號中，如我國DTMB系統(tǒng)中所采用的3780個并行子載波，這些子載波應(yīng)具有相同的頻率。若因頻率偏差導(dǎo)致接收機端多個信號出現(xiàn)異步現(xiàn)象，OFDM系統(tǒng)可能遭受子載波間的相互干擾，從而嚴(yán)重降低整體系統(tǒng)性能。為確保發(fā)射系統(tǒng)頻率保持一定精度，實際操作中通常將單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）中各發(fā)射機的上變頻本振與某一參考時鐘（如10 MHz的GPS信號）進行頻率同步化。

1.2 時間同步

從理論層面來看，通過設(shè)置適當(dāng)長度的保護間隔和精確設(shè)計傳輸塔之間的相對距離，正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制能夠有效抵抗多徑反射引起的干擾。為實現(xiàn)此目標(biāo)，發(fā)射機之間需進行時間同步，并在相同時間發(fā)送相同的數(shù)據(jù)流字符。同時，由于保護間隔的引入，時間同步的精度要求相對較為寬松，通常在±1微秒的范圍內(nèi)[1]。

1.3 比特同步

在單頻網(wǎng)絡(luò)中，比特同步的目標(biāo)是確保分布在不同地點的各發(fā)射站點在同一時間點發(fā)送相同的OFDM信號幀。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)采用了第二幀初始化包（Second-frame Initialization Packet，簡稱SIP）。將SIP插入到傳輸流（Transport Stream，簡稱TS）中，并將其傳送至各遠(yuǎn)程發(fā)射器，從而確保比特位置同步，達(dá)到時間序列的一致性[2]。

2. XG300UT-300D發(fā)射機原理

XG300UT-300D發(fā)射機為高效分米波地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機，其主要功能是處理輸入的傳輸流（TS流）。該過程首先涉及信道編碼和調(diào)制步驟，這些步驟將接收的TS流轉(zhuǎn)換成模擬中頻信號。隨后，信號會經(jīng)過上變頻過程以匹配特定的傳播頻道，接著在功率放大器的作用下進行放大。最終階段包括信號過濾，以便輸出規(guī)定的射頻（RF）信號。該發(fā)射機的構(gòu)成可以劃分為以下幾個關(guān)鍵部分。

2.1 激勵器

激勵器作為發(fā)射機的核心部件，肩負(fù)著將輸入激勵器的MPEG TS傳輸碼流轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)中頻信號輸出的重任。在此過程中，傳輸碼流首先經(jīng)過編碼器進行信道編碼，由數(shù)字調(diào)制器實施調(diào)制處理后，經(jīng)過上變頻操作，將信號轉(zhuǎn)換至相應(yīng)的RF載波頻道。數(shù)字激勵器本身由多個關(guān)鍵部分組成，包括負(fù)責(zé)數(shù)字TS流編碼的編碼器電路，負(fù)責(zé)數(shù)字基帶信號預(yù)校正與數(shù)/模轉(zhuǎn)換的數(shù)字均衡器電路，負(fù)責(zé)調(diào)制的調(diào)制器電路，負(fù)責(zé)生成RF載波的頻率合成器電路，以及負(fù)責(zé)全局控制的控制電路[3]。這些組成部分的協(xié)同確保了數(shù)字激勵器的穩(wěn)定運行和信號準(zhǔn)確輸出，如圖1所示。

在數(shù)字信號傳輸過程中，信道編碼扮演著至關(guān)重要的角色，其主要功能可分為三個部分：首先，糾錯編碼能力，通過算法增強信息傳輸?shù)目煽啃裕黄浯?，信號調(diào)制過程的標(biāo)準(zhǔn)化，確保信息可在特定的通信系統(tǒng)中有效傳輸；最后，實現(xiàn)延遲管理，以維護系統(tǒng)同步。針對連續(xù)的廣泛誤碼問題，本系統(tǒng)采用的交織器技術(shù)通過將編碼后信號依照特定的交織規(guī)則重排序，成功分散了誤碼集中度，增強了糾錯能力。

2.2 功率放大器

在數(shù)字電視技術(shù)領(lǐng)域，放大器的作用至關(guān)重要，其主要功能為增強數(shù)據(jù)信號強度，擴大傳輸范圍，確保音視頻信號的有效傳輸，并保持電視畫面的清晰度。XG300UT-300D發(fā)射機集成XGPA10D型線性前置功率放大器與XGPA120D型高效率功率放大器，以實現(xiàn)優(yōu)化信號放大效能。該發(fā)射機設(shè)計中，線性前置功率放大器與激勵器緊密整合，形成一體化結(jié)構(gòu)。RF信號由激勵器提供，進一步通過XGPA10D前置放大器進行放大處理。隨后，這些放大后的RF功率信號輸出高達(dá)10 W，具備高線性特性，以推動后續(xù)末級功率放大過程。此外，三功分器負(fù)責(zé)將來自前置放大器的推動功率信號分成三個等分，每一分信號隨后經(jīng)由三個120 W的XGPA120D高效率功率放大器進行獨立放大處理。三個放大后的信號通過合成器集合，形成超過360 W的RF輸出功率信號[4]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，前置功率放大器（前置功放）采用預(yù)放大器與MRF3090功率放大模塊的組合方案。通過直流電源，以直流50 V/12 V為MRF3090提供電源，使其輸出可達(dá)到10 W的高線性功率。然而，在實際應(yīng)用中，驅(qū)動輸出被限制為3 W。預(yù)放大單元采用倍增放大器對射頻（RF）信號進行初步放大處理。在終端功率放大階段，采用MRF3090功放管，確保輸出能達(dá)到10 W的高線性功率。相比之下，XGPA120D高效率功率放大單元的設(shè)計與前述前置功率放大器相似，但是其中的MRF3090功放管被MRFE6VP8600所替代。MRFE6VP8600采用了多赫蒂（Doherty）電路架構(gòu)，使功率放大單元能夠提供高達(dá)120 W的輸出功率。

2.3 監(jiān)控部分

在數(shù)字電視發(fā)射機中，監(jiān)控部分能夠持續(xù)追蹤發(fā)射機的運行狀況并實時報告任何異常情況，此舉確保了信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。該模塊構(gòu)成了發(fā)射機的核心監(jiān)控系統(tǒng)，其中包含了溫度傳感設(shè)備（例如溫度計）、數(shù)據(jù)采集與保護單元、電流檢測單元、顯示與控制單元以及液晶顯示屏等關(guān)鍵部件。為保證發(fā)射設(shè)備的可靠性與安全性，監(jiān)控部分提供了一整套的檢測、控制與保護機制。具體包括對供電電壓與電流、環(huán)境溫度、輸出功率和反射功率等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)還具備多種保護環(huán)節(jié)，避免因參數(shù)超標(biāo)而造成的損害，如防止過壓、過流、過熱、輸出功率過高或反射功率過高，這些機制能夠在檢測到故障時立即關(guān)閉功率放大模塊的供電。在較為嚴(yán)重的場合，監(jiān)控部分甚至能夠切斷主要的50 V電源，只保留12 V的電源以維持基本的運作，從而最大程度地減少潛在的損害，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

3. 故障排除案例分析

3.1 故障現(xiàn)象：發(fā)射機輸出功率下降，或不穩(wěn)定，時有時無

3.1.1 故障理論分析

發(fā)射機的輸出功率降低或不穩(wěn)定主要可以歸因于以下幾個因素：

（1）功率放大器的故障：功率放大器在工作過程中如果出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致發(fā)射機的輸出功率降低或不穩(wěn)定。

（2）開關(guān)電源故障：影響功放供電，影響輸出功率。開關(guān)電源的穩(wěn)定運行對于輸出功率至關(guān)重要。開關(guān)電源實現(xiàn)了一系列的保護功能，例如相位缺失、防雷擊以及欠壓、過壓、過流和過熱保護等。如果開關(guān)電源發(fā)生故障，諸如輸出電壓過高（超過56 V）時自動切斷輸出（輸出電壓變?yōu)? V）并觸發(fā)報警；交流輸入電壓偏低（低于310 V）時也會自動切斷，并且在輸入電壓恢復(fù)到一個穩(wěn)定狀態(tài)（超過315 V）時重新啟動；或者當(dāng)散熱器的溫度超過規(guī)定的極限（80°以上）時，電源將會關(guān)閉，并在溫度下降到安全水平（70°以下）時重新啟動。

盡管發(fā)射機的功率放大器設(shè)計了電源的冗余備份和均流供電機制以確保可靠性，而且開關(guān)電源也有較高的冗余度，確保了單臺電源故障時發(fā)射機可以維持滿功率運行。但如果發(fā)生兩臺或以上電源同時故障，發(fā)射機的輸出功率就會受到影響。

（3）激勵器功能性故障：此情況導(dǎo)致輸入端信號功率衰減，從而影響系統(tǒng)的輸出功率性能。

（4）功率放大器模塊插件保護：此狀態(tài)下功率放大器停止輸出。

（5）傳輸線路缺陷：此問題可能導(dǎo)致功率放大器所接收到的輸入信號產(chǎn)生波動。

3.1.2 故障排除方法

首先，通過監(jiān)測功率放大器（PA）面板上的故障指示燈狀態(tài)，以確定是否存在警報情況。若指示燈顯示警報，則說明故障發(fā)生在功率放大器本身，此時應(yīng)根據(jù)警報類型進行故障排除操作。若未出現(xiàn)指示燈警報，則應(yīng)比較當(dāng)前功放的運行數(shù)據(jù)與正常工作時的記錄數(shù)據(jù)，仔細(xì)觀察開關(guān)電源電流是否降低或功放模塊中各電子管電流是否存在顯著變化。

（1）當(dāng)開關(guān)電源電流減少且某電子管電流顯示為零時，暗示相應(yīng)功放模塊可能出現(xiàn)故障，需針對性地進行維修或更換。

（2）若開關(guān)電源電流下降，且所有相關(guān)功放模塊的電子管電流均呈減少趨勢，這可能意味著激勵器輸出電流降低。此時，建議切換至備用激勵器并監(jiān)測整機運行數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，則故障可能在激勵器，應(yīng)進行檢查。

（3）若開關(guān)電源電流和功放模塊數(shù)據(jù)均無異常，但整機功率顯示下降，可能是顯示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不會影響發(fā)射機實際工作性能。

（4）當(dāng)功放模塊發(fā)生保護動作時，可能觀察到前級電子管電流顯示為零，末級電子管僅存在靜態(tài)電流。此時，應(yīng)打開功率放大器前面板進行檢查，并根據(jù)顯示的保護類型（如駐波保護、溫度保護或過激勵保護）進行故障處理。

（5）最后，需檢查激勵器輸出接口與功放輸入接口之間的連接電纜。若連接線存在接觸不良或接頭虛焊現(xiàn)象，應(yīng)重新焊接并擰緊，以確保信號傳輸?shù)耐暾浴?/p>

3.2 故障現(xiàn)象：反射功率過大，駐波比告警保護

駐波比（SWR，Standing Wave Ratio）保護是為防止發(fā)射機的天線饋線系統(tǒng)中反射波過強而損害功率放大器。

3.2.1 故障理論分析

造成反射功率過大的原因通常源于饋線連接接頭的接觸缺陷以及天線饋線系統(tǒng)的故障。在實際運行中，依據(jù)系統(tǒng)控制器的預(yù)設(shè)參數(shù)，當(dāng)天線的駐波比小于或等于1.5時，發(fā)射設(shè)備將保持正常運行狀態(tài)。然而，如果駐波比超過1.5，系統(tǒng)控制器將激活輸出保護信號，從而觸發(fā)停止發(fā)射或?qū)⒐β式档椭涟踩降谋Ｗo程序，以避免對發(fā)射機的功率放大器造成損壞。

3.2.2 故障排除方法

（1）首先，將假負(fù)載（一個設(shè)計用來模擬天線阻抗屬性的裝置）與發(fā)射機連接，以代替實際的天饋線系統(tǒng)。這樣做可以確定故障是否源自內(nèi)部組件。如果在使用假負(fù)載時仍發(fā)現(xiàn)相同問題，這表明發(fā)射機內(nèi)部存在故障。這時應(yīng)仔細(xì)檢查頻率合成器、帶通濾波器等內(nèi)部組件是否存在損壞之處，并確保所有連接套管接頭的接觸是否可靠且無接觸不良現(xiàn)象。任何發(fā)現(xiàn)的故障都應(yīng)得到及時修復(fù)。如果在連接假負(fù)載后故障不再存在，則表明問題位于天饋線系統(tǒng)外部。

（2）檢查天線本身及其連接是否良好，確認(rèn)沒有破損、腐蝕、或饋線內(nèi)部積水等問題。若發(fā)現(xiàn)此類故障，必須立即修復(fù)。如果天線及其連接均無問題，則可能故障起因于套管接頭，該接頭位于發(fā)射機輸出端與天線之間的連接處。

（3）仔細(xì)檢查與天線相連的發(fā)射機輸出口接頭。確認(rèn)接頭的連接是否牢固，檢查是否存在開路、短路或接觸不良的問題。一旦發(fā)現(xiàn)問題，迅速進行糾正。

4. 結(jié)束語

為確保地面數(shù)字電視傳播服務(wù)的優(yōu)質(zhì)與連續(xù)，對單頻網(wǎng)技術(shù)的深入掌握以及對發(fā)射機設(shè)備運行維護的專業(yè)知識顯得尤為重要。廣播工程技術(shù)人員通過深入理解單頻網(wǎng)的同步機制，對XG300UT-300D發(fā)射機等核心設(shè)備構(gòu)造與功能的精準(zhǔn)把握，以及系統(tǒng)故障排查與處理能力的熟練運用，能夠有效提升廣播網(wǎng)絡(luò)的運行效率與穩(wěn)定性。本文所提出的策略，旨在協(xié)助技術(shù)人員優(yōu)化設(shè)備性能，保障傳播信號的高品質(zhì)，進而為廣大觀眾帶來更加豐富與優(yōu)質(zhì)的收視體驗。

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作者簡介：張揚（1979—），男，河南許昌人，工程師，研究方向：廣播電視、5G通訊。