地面數字電視廣播單頻網應用實踐*

潘長勇，馮景鋒，王勁濤

（1.清華大學信息科學與技術國家實驗室；微波與數字通信技術國家重點實驗室；清華大學 電子工程系，北京 100084；2.國家廣播電影電視總局 廣播電視規劃院，北京 100866）

1 引言

在傳統的模擬電視廣播中，為了對一定區域進行覆蓋，相鄰發射臺需使用不同的頻率以避免相互干擾，同一頻率必須在一定距離以外才能進行重用，為多頻網（MFN）組網方式。在多頻網方式下，為實現同一節目在較大范圍內的覆蓋需要使用多個頻率，如圖1所示。例如，在香港，為了使同一廣播節目覆蓋整個地區，曾使用多達27個差轉臺。在多頻網方式下，實現同一節目在一定服務區域的有效覆蓋需要占用幾倍的頻道帶寬，消耗了大量的頻譜資源，具體的復用情況可以用重用因子來描述，圖1所示多頻網的重用因子為7。

2 地面數字電視廣播單頻網

為了有效利用有限的頻譜資源，地面數字電視廣播引入了單頻網組網方式。單頻網是指若干個發射臺在同一時間、同一頻率上發射同樣的信號，以實現對一定服務區域的可靠覆蓋[1-3]。單頻網帶來的最直接的好處就是頻譜利用率的提高。相對于多頻網而言，由于不需要頻率重用，為實現同一節目在較大范圍內的覆蓋只需要使用一個頻率，節省了大量的頻率資源，如圖2所示。

通過對單頻網發射網絡的調整和優化，可使用多個小功率發射機代替一個大功率發射機，以降低信號輻射，減小電磁波污染，增強信號覆蓋均勻度，減輕對附近其他網絡的干擾，甚至根據需要隨時改變覆蓋區域[4-7]。

當然，單頻網在實現時也有很多難點，其網絡結構容易形成一個多徑情況嚴重的無線環境，除了反射、散射等造成的自然多徑以外，其他發射機在同一頻率上所發射的信號也構成人工多徑，而且可能是強多徑，如圖3所示。筆者通過理論分析及場地測試，重點討論在單頻網環境中的地面數字電視廣播接收性能[7]，進而提出地面數字電視單頻網網絡覆蓋中的若干建議。

3 地面數字電視廣播單頻網增益分析

單頻網網絡規劃的最大好處在于頻譜利用率的提高，即在整個網絡中對相同的頻率可以反復使用。在單頻網中，盡管接收機能夠同時接收網絡中的多個信號，從而使接收功率提高，但是由于這些信號會帶來相互干擾，形成復雜的人工多徑環境，因此在一般情況下，難以獲得接收性能增益，一個單頻網網絡只有在若干狹窄的區域才可能得到性能增益[5-6]。

一般地，單頻網對于接收信號的功率是有增益的，但是對于接收的載噪比 （C/N）以及接收裕量是有損失的。假設包含2個發射站（A，B）的單頻網結構，接收機接收到的A站信號功率為PA，接收到的B站信號功率為PB，接收機在目前調制模式下的C/N門限為M，兩站單獨工作時，接收機對2個發射站的接收裕量分別為LA和LB。在單頻網工作狀態下，兩站同時開啟，此時接收點的功率為PA+B，接收機的接收裕量為LA+B。根據場強合成理論，PA+B會大于PA和PB中最大值。但是，LA+B會小于LA和LB中最大值。這是因為在多徑信道下，即使接收機能夠得到準確的信道估計結果，但是對于多徑效應所引起的信道頻率選擇性衰落，現階段的單天線接收機只能盡可能準確地進行均衡，去除干擾影響。特別在單頻網環境下，人工多徑的功率較強，其引起的信道頻率選擇性衰落也會更加嚴重。

以0 dB人工多徑為例對單頻網網絡中存在2個或3個發射站的情況進行分析，即單頻網中2個或3個發射站發射的信號以相同的功率大小到達接收機，其信道的頻率選擇性衰落特性如圖4所示。

由圖4可知，在這兩種情況下的信道都有數個頻率點的功率譜密度低于-25 dB，有的甚至低于-40 dB，稱這些譜值極低的頻點為信道頻譜零點，由于接收機在進行信道均衡時需要根據當前信道頻點的增益 （或衰減）進行調整。在信道頻譜零點上，信道的極大衰減會導致均衡時噪聲能量提升。因此，位于這些頻點之上及附近若干個頻點所攜帶的發送數據很有可能難以恢復，這就是單頻網接收性能惡化的主要原因。圖4中，隨著0 dB回波（或近似0 dB）的數目增多，信道頻率選擇性衰落嚴重，從而導致接收機的性能惡化。

在目前接收機的硬件結構下，單頻網增益很難找到。除非找到一個點，2個信號完全同頻同相，延時完全一致，在這些點的信號才能完全相加，得到增益。這種點應該存在于一條直線上，考慮到無線信道是時變信道，在實際的測試中幾乎無法測得這樣的點。但是在實驗室中，如果能夠準確地控制時間和相位，可能得到這樣的增益。

4 地面數字電視廣播單頻網開路測試

實驗室測試發現，單頻網中2個發射機發射的信號以相同大小到達接收機（0 dB回波）時，接收信號的功率增加一倍（載波功率提高3 dB）。在2個信號的延時擴展不超過系統保護間隔大小的時候，無誤接收所需的C/N值約增加一倍（C/N門限提高3 dB），因此需要更高的C/N來抵抗0 dB回波對接收信號的干擾，這也相應抵消了接收信號功率的提高。當信道回波延時不超過系統保護間隔長度時，0 dB回波的極端情況在單頻網中可以容忍，但由于所需C/N門限的提高，很難帶來所謂的網絡增益，這也與上節中的分析吻合。

2007年，在北京進行了數字電視單頻網開路測試[8]，包含3個發射站：中央電視塔、沙河、491臺（見圖5），臺站間距為20.98 km，23.80 km和35.72 km，發射功率為1 kW。

北工大西門測試點位于中央電視發射塔和491臺之間，測試結果如表1所示。

表1 北工大西門測試結果

測試數據表明：在單頻網覆蓋的交疊區，即至少兩個或兩個以上不同單頻網臺站信號重復覆蓋的區域（在該區域內，各臺站獨立接收時，最大信號電平與其他臺站信號電平差小于射頻保護率），當多個發射站開啟時將有效提升接收點的場強，但是接收點的C/N卻也存在明顯的惡化。

無線通信系統的接收靈敏度由式（1）決定

式中：C/N是載噪比門限，NF是噪聲系數。如果要保證接收機能夠正常接收，則要求接收到的信號功率必須大于Pmin。單頻網的引入雖然使接收功率增加，但也使正常接收所需的C/N門限增加。如果希望得到單頻網增益，則要求功率的增加大于C/N門限的增加。當單頻網中不同發射站的重疊覆蓋區信號功率增量小于載噪比門限增量時，單頻網重疊覆蓋將導致信號接收裕量的下降。

表2為北京單頻網實驗實測的另外一組數據，該點的多徑情況如圖6所示。可以看出，由于單頻網環境中存在較強的多徑回波，從而引起了載噪比門限的增加，盡管接收端信號電平有明顯提高（約4 dB），但信號的接收裕量卻下降了。

表2 西北四環測試數據

通過上述理論分析及實驗室、場地測試，可以認為：

1）單頻網可改善信號場強，故存在功率增益，但是一般不存在C/N和接收靈敏度增益。

2）在實際單頻網應用中，應盡可能減小信號覆蓋交疊區域，并保證在交疊區的信道多徑延時不超過系統保護間隔長度。同時對發射臺的天線場形作適當的限制，避免不必要的干擾。

3）當單頻網交疊區中存在多個發射站信號延時超過保護間隔時，可以通過使用定向天線的方法來減小單頻網中干擾。

5 小結

地面數字電視廣播單頻網可以實現更大區域、更加平滑的覆蓋效果，加之較高的頻譜效率，已經被許多國家和地區越來越多地采用，但是在實際網絡規劃實踐中，需要嚴格控制和優化單頻網中的覆蓋交疊區，以實現更加完美的覆蓋效果。

[1]莊謙，楊知行，潘長勇，等.單頻網及其在DTTB中的應用[J].電視技術，2003，27（10）：7-8.

[2]GB20600-2006，數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制[S].2006.

[3]宋健.中國地面數字電視傳輸標準DTMB與產業化推廣[J].電子測量與儀器學報， 2009（9）：1-6.

[4]李熠星.2009年地面數字電視推廣計劃[J].廣播電視信息，2009（10）：24-25.

[5]張海濤.堅持科技創新，加快數字化進程，構建廣播影視現代傳播體 系 [EB/OL].[2010-05-20].http：//info.broadcast.hc360.com/2009/03/240836126565.shtml.

[6]姜文波.中國地面數字電視展望[J].廣播與電視技術，2008（1）：16-21.

[7]鄒峰，李薰春.地面電視頻率規劃與優化[M].北京：中國廣播電視出版社，2008.

[8]GY/T 236-2008，地面數字電視廣播傳輸系統實施指南[S].2008.