DTMB系統的單頻網接收性能預測

董 鑫，胡曾千，楊 昉

(1.長沙廣電數字移動傳媒有限公司，湖南 長沙410005;2.深圳清華大學研究院，廣東 深圳5180572;3.清華大學 信息技術研究院，北京100084)

隨著地面數字電視廣播技術的發展，單頻網(SFN)組網技術漸漸取代傳統的多頻網(MFN)組網技術，成為目前地面數字電視廣播系統最主流的覆蓋方法之一［1］。單頻網是指由若干個不同位置處于同步狀態的發射臺站，在同一時間以同一頻率發射同一信號，實現對特定服務區的可靠覆蓋。在多頻網方式下，相鄰發射臺站采用不同頻率轉播同一信號，因此覆蓋一個區域需要占用多個頻率，而單頻網不需要頻率重用，節省了大量的頻率資源，頻譜利用率的顯著提高。

然而，增大覆蓋區域和改善覆蓋重疊區的接收性能不一定能同時滿足。一方面，多個發射臺站進行多點發射可以使得單個發射基站無法提供足夠信號強度的覆蓋盲區因為接收到其他發射點的覆蓋而得到改善;另一方面，來自不同發射臺站的信號會帶來相互干擾，構成復雜的人工多徑環境，甚至是強多徑環境，難以獲得接收性能增益［2］。可見在實際應用中，單頻網組網技術能增大接收端的信號功率，但也可能提高信號成功接收所需的接收端最小信噪比(SNR)，使得接收裕量有損失。因此，一味增加發射臺站或增大發射功率并不一定能改善接收效果。本文重點討論單頻網網絡中的人工多徑環境對地面數字電視廣播接收性能的影響，進而提出了根據信道容量分析計算DTMB［3］單頻網網絡中接收信噪比門限的具體方法。

1 信噪比門限預測方法

多載波OFDM調制是單頻網的關鍵技術之一。OFDM將傳輸信道分成多個正交子信道。由于每個調制符號的傳輸速率降低，符號周期加長，遠大于多徑的最大時延，因此多徑的影響就大為減小。此外，還可以通過在OFDM信號幀間加入保護間隔，進一步減弱多徑傳播造成的符號間干擾(ISI)的影響。采用OFDM多載波調制方式可以有效地抵抗多徑干擾，在實現單頻網時具有先天優勢。因此，本文主要討論多載波模式下的單頻網信噪比門限預測方法。

1.1 理論依據

信道容量是差錯率在可接受范圍內信道傳輸能達到的最大信息率，代表信道在特定約束下發送消息的能力。同一接收機工作在同一模式下時，由于采用了同樣的編碼、調制、解碼、解調、量化等算法，可認為對數據傳輸的影響大致恒定，則接收數據的可靠性與傳輸信道的信道容量息息相關。由Shannon的信息理論可知，在傳輸參數一定時，信道容量由信噪比和傳輸信道決定。對于按接收錯誤率判定傳輸失敗的系統，工作在同一模式下時，即使傳輸信道環境不同，達到成功接收臨界點所需的信噪比時，信道容量大致相同，即

式中:SNRawgn和SNRh分別代表高斯信道和多徑信道下成功接收所需的接收端信噪比門限值;Cawgn和Ch分別代表在高斯信道和多徑信道下信噪比門限時的信道容量。因此，若測量得到接收機工作在高斯信道下的信噪比門限，在參數給定的多徑信道下，可計算出使信道容量達到Cawgn(SNRawgn)的傳輸信噪比值，即為該多徑信道下的信噪比門限預測值。

1.2 預測方法

若指定傳輸信道為L徑信道，各徑的場強分別為A1，A2，…，AL，各徑的延時分別為τ1，τ2，…，τL，符號周期為Ts，則該多徑信道模型可簡單描述為

筆者提出了一種指定多徑信道下的信噪比門限預測方法，預測步驟如下:

1)指定工作模式，測試得到接收機在高斯信道下達到成功接收臨界點的接收端信噪比值SNRawgn。

2)對信噪比門限值進行必要的修正。考慮到DTMB實際帶寬、幀頭能量加倍等因素，需要將接收端信噪比門限值修正為OFDM塊上的信噪比門限值，才能進行信道容量的計算。修正公式為

3)由待預測的工作模式約束計算系統在接收門限處的信道容量。星座圖約束下的信道容量計算方法參見Caire等人的文獻［4］。

4)由待預測的多徑信道參數，計算出使得多徑信道的信道容量達到Cth時的信噪比。由于信道容量計算公式非常復雜，很難根據Cth和多徑參數直接得到閉式解SNRh，因此，可以設置信噪比為一個較低的初始值，以預設的步長緩慢增大，直到對應的多徑信道容量達到Cth，此時的信噪比即為該多徑信道下OFDM塊的信噪比門限值。

這種基于信道容量的信噪比門限預測方式適用于各種最大傳輸時延不超過保護間隔的多徑信道，不局限于多徑信道的徑數，在復雜的多徑信道模型下也能直接應用。

2 實驗室單頻網測試

為配合DTMB多載波模式的單頻網接收門限預測研究，搭建了實驗室單頻網測試平臺進行測試。實驗室測試主要有兩個目的:一是為信噪比門限預測提供所需的高斯信道信噪比門限參數;二是為預測結果提供實際數據作為對比。測試框圖如圖1所示，使用盈電3530A信號發生器產生國標信號源，通過盈電4409A多徑模擬器模擬單頻網環境，采用目前市場上收集到的商用接收機金網通JC3018機頂盒接收信號，并在顯示屏上播放以觀察信號質量。

圖1 實驗室測試框圖

本次研究中，筆者測試了廣電總局推薦的4種DTMB多載波工作模式，表1列出了這4種模式的具體參數。在實驗中，通過調整多徑模擬器的各徑強度和時延，模擬不同的單頻網環境，測試機頂盒在不同單頻網環境下的接收性能。由于商用機頂盒一般不具有TS碼流接口，無法直接統計誤碼率(BER)以觀察接收性能。因此，采用ITU-R BT.1368-2［5］中所述的主觀失敗判據判斷信號是否成功接收:若在3個相繼20 s的每個20 s內所觀察到的圖像損傷多于1個，則判定接收失敗，否則認為接收成功。測試中，通過調節信號發生器的SNR值，找到被測機頂盒達到成功接收的臨界點，并將此時的SNR值記為測試多徑環境中成功接收所需的信噪比門限。除了高斯信道外，主要測試了具有2個或3個發射臺站的單頻網傳輸環境，對應2徑或3徑的多徑信道，信道參數如表2所示。對于每種工作模式，都測試了近萬種多徑信道，以便于驗證預測結果的準確性。

表1 測試的4種多載波工作模式參數

表2 測試的多徑信道參數

3 預測結果與分析

采用金網通JC3018機頂盒作為接收機，測試得到4種DTMB多載波工作模式1～4在高斯信道下信噪比門限值分別為8.0，10.1，12.3和15.6 dB。根據以上結果，采用本文所述的信噪比門限預測方法，預測了接收機在多徑信道下成功接收所需的信噪比門限值。圖2～5給出了4種DTMB多載波工作模式下信噪比門限預測值與實際值的對比。對于這4種工作模式和所測試的多徑信道，預測誤差在1 dB內的比例分別為93%，98%，92%，92%。由此可見，本文提出的預測方法能有效地估計單頻網中人工多徑信道干擾的影響，在預測信噪比門限方面具有較高的準確性。

4 小結

地面數字電視單頻網可以實現更大的覆蓋區域，但在實際網絡中，覆蓋重疊區的信號干擾會嚴重影響信號的接收質量。本文基于信道容量的分析提出了一種單頻網接收信噪比門限預測方法，以分析人工多徑環境下接收機的接收性能。該預測方法可配合單頻網網絡規劃實踐，通過調整和優化單頻網網絡參數，改善服務區域的覆蓋效果。

［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］潘長勇，馮景鋒，王勁濤.地面數字電視廣播單頻網應用實踐［J］.電視技術，2010，34(8):14-16.

［3］GB/20600—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.

［4］CAIRE G，TARICCO G，BIGLIERI E.Bit-interleaved coded modulation［J］.IEEE Trans.on Inform.Theory，2010，44(3):927-946.

［5］ITU-R BT.1368-2，Planning criteria for digital terrestrial television services in the VHF/UHF bands［S］.2000.