利用衛星轉發組建地面數字電視廣播單頻網

陳巍藝

（廣東省廣播電視技術中心，廣東 廣州 510012）

1 引言

在地面數字電視廣播的覆蓋中，單頻網具有功率小、布點多、無縫覆蓋范圍大[1]、頻率資源節省、移動接收不需要更換頻道等優點，因此受到高度重視并被廣泛應用。單頻網利用光纖、微波或衛星把需要發射的信號源傳送到各個發射點，分別調制后再放大發射出去[2-3]；或者把調制后的COFDM信號利用光纖、微波或衛星直接傳送到各個發射點，再變頻到相應的頻道后發射播出[4]。在這些組網方式中，只有采用衛星直接轉發COFDM信號的組網方式最方便，成本最低，維護最簡單，調整最容易。

2 組建地面數字電視廣播單頻網

2.1 利用衛星傳送單頻網信號源

使用同步衛星轉發器作為信號分配網絡的單頻網信號源幾乎可以同時到達每個發射點。每個發射點的發射功率小，并通過發射天線的賦形，同時均衡單頻網的參數，從而實現單頻網覆蓋的理想效果，其系統組成如圖1所示。在這種方式中，發射點需要接收來自衛星的信號解調后作為信號源，在本地進行調制（見圖2）。由于需要在每個點使用調制器等有源器件，故要保持單頻網同步，對調制器進行調整和維護。由于涉及大量發射點，其成本和維護費用較高。

2.2 使用衛星直接轉發單頻網信號

使用衛星直接轉發單頻網信號，即接收來自衛星轉發器的射頻（RF）信號，不進行解調，而是從轉發器直接將接收到的RF信號變頻放大進而進行覆蓋，單頻網系統質量效果的好壞直接決定系統設備的性能以及鏈路各環節之間技術標準的匹配程度。借助衛星轉發將已調制的地面數字電視信號直接發送到各轉發點，僅作信號接收、變頻和放大，系統的組成如圖3所示。這種組網方式主要優點有：1）所占的衛星轉發器帶寬較低，空間傳輸成本極低；2）最低的地面設備系統投入，降低了地面數字電視廣播系統的投資；3）由于每個發射點延遲時間等均相等，可以實現安全穩定的覆蓋。

2.3 地面數字電視傳輸技術標準對衛星轉發組網的要求

由于地面數字電視技術體系是專門為數字電視地面無線傳輸制定的技術標準。因此，與衛星傳輸技術體系不同，在技術上存在諸多特殊要求：

1）地面數字電視采用的是COFDM信道調制編碼技術：信道內有多子載波數量模式（4k－3780）、4種調制方式選擇（QPSK，16QAM，32QAM，64QAM）、多種內糾錯碼選擇（FEC 0.4，0.6，0.8），多種保護間隔插入時隙選擇（420，595，945）等；

2）由于信號幅度作為因數參與了調制過程，因此系統對信號幅度的線性傳輸要求很高；

3）由于信號相位作為因數參與了調制過程，因此系統對傳輸通道的相位噪聲要求高。

3 系統傳輸試驗情況

為了了解衛星傳輸鏈路對地面數字電視廣播技術體系的影響，特別是衛星傳輸多載波和高階調制對信號的影響，利用衛星傳輸地面數字電視廣播信號進行模擬試驗。試驗系統如圖4所示。

試驗結果如下：

1）在使用模擬轉發器試驗時，系統在使用3種調制方式情況下，均可以完成傳輸解調。

2）在實際使用衛星傳輸QPSK調制情況下的COFDM載波時，系統鏈路接收情況良好，裕量較大，可以滿足地面的無線傳輸技術要求。

3）在采用16QAM調制情況下，接收效果很不理想，解調效果不穩定，說明系統接收已在門限附近，已沒有載噪比裕量留給地面傳輸部分。

4）在采用64QAM調制情況下，根本無法解調接收。

試驗傳輸結果表明，利用衛星直接傳輸COFDM信號，地面接收后直接進行地面無線傳輸的設計方案固然有上述諸多優勢，但在傳輸中也存在以下問題：

1）COFDM的數字電視信號在地面衛星上行站發射、接收站接收的空間傳輸過程中，以及地面的變頻、功率放大、地面無線傳輸和接收處理過程中，信號噪聲處于持續的積累過程，信號的載噪比將持續地惡化。

2）由于同步衛星通信空間傳輸距離過長，盡管空間信道十分穩定，但長距離的傳輸造成很大的自由空間傳輸衰耗，在接收處理端完全是小信號處理，與傳統的地面微波中繼通信和數字電視無線傳輸情況下的大信號有著本質的不同。

3）國標數字電視的COFDM處理采用QPSK調制，與DVB-S沒有傳輸上的優勢而言；采用16QAM和64QAM調制，雖然8 MHz載波可以獲得高于19 Mbit/s和27 Mbit/s的大流量信息速率，但由于傳輸信號的幅度和相位均參與調制，同時，4k子載波模式具有3780個小載波，且插入的導頻信號載波與信息載波的電平幅度有差異，因此對傳輸信道的線性度要求、低相位噪聲要求和大功率傳輸要求都很高。

4）目前，常規的同步通信衛星Ku波段轉發器功放的功率盡管已經做到140 W以上，但由于都采用對星載行波管放大器（Traveling Wave Tube Amplifier，TWTA），盡管衛星在Ku波段和C波段轉發器上均采用線性器，衛星轉發器的輸出功率回退值已由原來不帶線性器的4.5 dB減小為2.5 dB，但對系統的線性度仍難以用于傳輸像COFDM這種對傳輸線性度和解調相位模糊度要求很高的載波。

5）在衛星運行過程中，可以采取多種技術手段，改善傳輸條件，如通過加大衛星前級的衰減量FCA，減少上行的雜散和鄰星干擾等；通過加大轉發器上各載波的輸入輸出功率回退值，改善衛星轉發器傳輸的線性、雜散、交調和相噪等。但目前，衛星傳輸也只能進行8PSK調制方式的載波傳輸，尚未有人使用同步衛星成功傳輸16QAM的調制載波；在加大載波轉發器功率回退、改善線性度的同時，會使衛星轉發器的可用輻射功率大大減小，對載波載噪比的改善十分不利，同時使載波轉發器可傳輸的載波數量降低，從而提高了單載波的傳輸成本。

4 分析與驗證

為了驗證傳輸試驗結果，對衛星傳輸地面數字電視鏈路有一個定量的研究，采用與國標DMB-TH相近的歐洲DVB－T標準對地面數字電視諸多傳輸參數進行選擇，以下述傳輸條件分別對QPSK，16QAM和64QAM 3種調制方式進行鏈路計算，從而分析國標在地面數字電視廣播中的傳輸特性[5]。

1）計算傳輸鏈路載波參數的選擇見表1。

表1 鏈路計算參數表

2）鏈路傳輸的衛星參數選擇：

（1）傳輸頻段：Ku波段；

（2）衛星有效全向輻射功率EIRP值：52.1 dBW；

（3）衛星品質因數G/T值：5.5 dB/K；

（4）衛星接收飽和通量密度SFD值：－90.05 dBW/m2；

（5）上行發射天線4.5 m，天線仰角60.55°；

（6）接收天線2 m，天線仰角60.55°。

在鏈路計算中選取的衛星轉發器和地面設備的參數基本上與試驗實際情況一致，主要目的是考察傳輸鏈路能獲得的載噪比（C/N）；本鏈路計算中選取的門限是能量噪聲比（Eb/N0），如QPSK時為7.7 dB只是一個參考數值，并非實際的信噪比。實際上需要考察的是表1中給出的數據中的C/N。鏈路計算中，系統傳輸可用度的選取僅為99.8%，上行鏈路的雨衰損耗為2.72 dB。因此，上行設置3 dB的上行功率自動控制功率補償；下行鏈路的雨衰損耗為2.07 dB。鏈路的傳輸可用度是由滿足電信級的傳輸接收鏈路保障要求的。

3）計算結果分析

鏈路計算結果評估如表2所示。

表2 鏈路計算結果評估表

由于3種調制方式選取的調制系數和信息速率不同，且相對應地進行變化，故最終得到的符號速率基本上十分接近，因此3種調制體制下傳輸鏈路的綜合載噪比基本相同。從QPSK調制的傳輸結果來看，鏈路的傳輸裕量很大，因此測試中必然能穩定地接收。衛星鏈路傳輸預算的條件一般比較苛刻，實際發射過程中的傳輸結果一般會比理論計算結果高3 dB左右，因此采用16QAM調制時，鏈路計算的理論結果是不通的，但試驗時是可以測通的，所以一定是在門限附近，才會出現圖像不穩定的情況，這與本文的分析是吻合的。

采用64QAM的調制方式，由于鏈路裕量相差太多，多達8 dB以上。即使考慮理論和實際傳輸的3 dB的差值，也沒有任何實際應用的意義。

根據利用衛星傳輸歐標地面數字電視DVB-T的理論，利用衛星傳輸只能采用QPSK調制的方式進行，而國標采用了4k模式，并利用LDPC和BCH糾錯編碼，其C/N值要求比DVB-T標準更低（見表3），即使考慮發射點功放的損耗也能夠留有足夠的裕量來實現轉發設置。

5 小結

通過試驗和分析表明，在利用衛星轉發進行地面數字電視廣播單頻網覆蓋應用方面：

1）只能采用QPSK等低階調制，所傳送的有效碼流有限，故只適合要求碼流較低的場合，如公路或鐵路沿線等地的廣播覆蓋；

表3 國標地面數字電視C/N值

2）發射點需要進行自動功率控制，以防止由于衛星轉發器功率波動或雨雪衰減導致的功率波動；

3）在覆蓋規劃中，需要注意采用物理手段來進行天線場型的合理調配。

地面數字電視的覆蓋是地面數字電視廣播發展的重要環節，應因地制宜，根據實際需求摸索合適的覆蓋方法才能更大限度地實現覆蓋的目標。隨著衛星轉發器質量和技術的不斷提高，衛星轉發的能力也不斷提升。屆時，天地一體的地面數字電視網絡將普遍應用，使信息的傳輸更加方便快捷。

[1]Newtec公司.如何解決DVB-T單頻網傳輸中的技術問題[J].數字通訊世界，2005（9）：45-46.

[2]盧林，羅志斌.地面數字電視單頻網覆蓋特性探討[J].電視技術，2009，33（5）：4-6.

[3]陽輝，馬杰，潘長勇.地面數字電視單頻網組網技術[J].電視技術，2006，30（2）：4-6.

[4]王勁濤，潘長勇，楊知行.數字電視廣播的單頻網實驗及場地實驗[J].清華大學學報：自然科學版， 2005，45（10）：23-26.

[5]云南電視臺，亞洲衛星公司.衛星DVB-T傳輸實驗報告[R].昆明：云南電視臺，2008.