基于衛星分發鏈路的數字電視單頻網關鍵技術

張 超，李錦文，高 鵬，潘長勇,3，李薰春，戚 武，楊 昉

(1.清華大學 電子工程系 清華信息科學與技術國家實驗室，北京 100084；2.國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院，北京 100866；3.數字電視國家工程實驗室(北京)，北京 100191)

基于衛星分發鏈路的數字電視單頻網關鍵技術

張 超1，李錦文2，高 鵬2，潘長勇1,3，李薰春2，戚 武2，楊 昉1

(1.清華大學 電子工程系 清華信息科學與技術國家實驗室，北京 100084；2.國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院，北京 100866；3.數字電視國家工程實驗室(北京)，北京 100191)

提出了基于衛星分發鏈路的地面數字電視單頻網的組網方案。該方案利用了衛星鏈路的轉發優勢，節目分發鏈路不受地域差異化條件的限制，不需要單獨架設專用有線分發網絡，轉發延時分布均勻，特別適于在復雜環境下構建大范圍的單頻網。詳細闡述了基于衛星分發鏈路的地面數字電視單頻網的網絡結構、特點與關鍵技術。實驗室測試和開路測試結果均表明該方案的可行性和有效性。

地面數字電視；單頻網；衛星鏈路

為了實現大面積的無線區域覆蓋，傳統的地面電視覆蓋網絡通常采用基于多頻網(Multi-Frequency Network，MFN)的組網方式，即不同發射臺站采用不同中心頻率的廣播信道發送同樣的電視節目，造成了大量寶貴的無線頻譜資源的浪費。而單頻網(Single Frequency Network，SFN)由于覆蓋范圍大、頻譜資源利用率高等優點，目前在地面數字電視覆蓋網中受到了高度重視并取得了廣泛的應用[1]。單頻網指位于不同區域的發射臺站采用相同的節目碼流、以相同的信道編碼/調制方式、在同一時刻以同一頻率進行廣播電視覆蓋的組網方式[2]。

2006年8月，我國頒布了具有完整自主知識產權的地面數字電視傳輸標準《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》(Digital Terrestrial Television Multimedia Broadcast，DTMB)，并于2007年8月1日開始實施[3-4]。研究并構建基于DTMB標準的地面數字電視單頻網，對我國數字電視事業和產業的發展具有非常重要的意義和實際應用價值。

SFN提高頻譜效率和功率效率的代價是在網絡中所有發射機必須做到嚴格同步，包括內容比特、時間以及頻率同步。而對于比特級的同步則需要專用的節目傳輸流(Transport Stream，TS)分配網絡，在傳輸TS流中插入特定的同步信息后傳輸到單頻網中的所有發射機[5]。發射機接收到來自分配網絡的節目流之后，完成延時估計與補償，從而使各個發射機在同一時刻發送相同的節目內容。常見的節目分配網絡包括光纖、SDH網絡、數字微波和高速以太網等[6]。如意大利廣播電視公司(RAI)采用光纖網絡作為主分發網絡，而衛星鏈路作為備份節目鏈路組建了DVB-T的單頻網[7]。文獻[8]給出了基于DVB-NGH的單頻網以及本地服務的插入方法。而利用衛星直接轉發地面數字電視調制信號，也可構成衛星-地面廣播混合的單頻網組網方式[9-11]。

圖1 基于衛星分發鏈路的地面數字電視單頻網系統架構

光纖網絡雖然具備很多優點，但由于我國幅員遼闊，地理氣候復雜多樣，區域經濟發展不平衡，各發射臺站分布不均，基礎配套設施和傳輸條件不盡相同，如果實現大面積國土區域的單頻網覆蓋，依靠光纖網絡的節目分配鏈路將會受到很大的實際條件限制。而相比較光纖網絡，使用同步衛星轉發器作為節目分配傳輸鏈路，分發鏈路不受區域差異化條件的限制，節目分配轉發設計規劃實現簡單，且同步衛星轉發器技術成熟應用廣泛，不需要單獨架設專用的有線分配網絡，更適合于大范圍的地面數字電視單頻網。

2014年11月，根據主管部門的安排，國家新聞出版廣電總局啟動了中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程項目，根據項目實施需要，在總局科技司的統一部署下，相關領域的技術人員集體攻關，制定出了基于衛星分發鏈路的國標地面數字電視(DTMB)系統單頻組網技術方案。本文在已有DTMB單頻網的基礎上，研究并闡述了基于衛星分發鏈路的地面數字電視單頻網的網絡組成、關鍵技術與組網特點。實驗室測試和開路覆蓋測試表明衛星分配鏈路的傳輸延時滿足地面數字單頻網的組網要求，實際覆蓋效果明顯優于單發射站的覆蓋效果。

1 基于衛星分發鏈路的地面數字電視單頻網

基于衛星分發鏈路的地面數字電視單頻網系統由節目內容統一集成、加擾加密衛星傳輸分發、地面傳輸網絡(光纜或數字微波)清流傳輸分發、地面清流發射等部分組成，其覆蓋網絡總體架構如圖1所示。

地面數字電視廣播傳輸基于DTMB標準體系。前端系統則采用基于AVS+和DRA音視頻壓縮編碼技術規范，實現電視節目的編碼、復用，清流經加擾加密生成1路傳送碼流，后經單頻網適配器經衛星傳輸轉發。同時生成1路不加擾加密的傳送碼流，經地面傳輸網絡(光纜或數字微波等)進行備份傳輸。

前端系統主要由AVS+編碼器、復用器、節目監測系統和網管系統組成。待傳輸的多路節目流進行AVS+編碼復用，加擾加密后生成1路傳送碼流，適配處理為DS3信號送入衛星傳輸鏈路，同時不加擾加密生成1路傳送碼流，經地面傳輸網絡(光纜或數字微波等)進行備份傳輸。為保障前端系統的安全性，前端系統所有核心設備采用1+1備份方式。

節目分配鏈路包括主鏈路和備份鏈路。其中衛星分配鏈路為主鏈路。

1)衛星分配傳輸鏈路

衛星傳輸鏈路包括信號源傳輸引接系統、上行系統和接收系統3個部分，其中信號源傳輸引接系統將前端系統的輸出信號引接到地球站，經過單頻網適配器適配后進入上行系統，上行系統完成衛星信號調制、上變頻、高功放和發射，接收系統接收衛星信號，解調、解擾還原出2路TS給地面發射系統。

信號源傳輸引接系統完成前端系統DS3信號到地球站上行系統的傳輸和基于衛星傳輸的單頻網適配，系統由傳輸網絡終端、數字光傳輸網絡中心站、雙路由光纜保護環網、數字微波鏈路(具備條件時)、傳輸適配器和單頻網適配器組成。DS3信號通過傳輸網絡終端進入雙路由光纜保護環網，到達中心站后進行分配，然后通過雙路由光纜保護環網、數字微波鏈路(具備條件時)送至多個地球站，經過傳輸網絡終端、傳輸適配器、碼流切換器和單頻網適配器后輸出給上行系統。

衛星上行系統完成TS流的衛星調制、上變頻和信號放大，后傳輸到衛星轉發器。同時在各個地面數字電視發射臺站配置衛星接收天線、AVS+專業衛星綜合接收解碼器，通過衛星信號接收、解調、解擾、整形還原出2路TS送給地面發射系統。

2)地面分配傳輸鏈路

地面傳輸鏈路作為衛星分配傳輸鏈路的備份，將前端系統輸出的復合TS流通過光纖網絡或者數字微波鏈路傳輸至各個發射臺站。發射臺站將適配后輸出的TS碼流與衛星接收的TS碼流進行主備切換后送發射系統。

3)臺站備份衛星接收前端

在光纖或數字微波等地面傳輸網絡未通達的發射臺站，可考慮接收原有衛星轉發的節目，實現對主用衛星傳輸鏈路的備份。臺站備份前端包含衛星接收天線、衛星數字電視接收機、AVS+轉碼器和復用器等，生成TS流后送至地面發射系統。

地面覆蓋網絡完成TS碼流到地面數字電視的轉換。待傳輸的節目經過編碼、復用、加擾加密后，送入單頻網適配器，根據GPS/北斗雙模授時器的指示信號進行秒幀初始化包(Second-frame Initialization Packet， SIP)插入，并對SIP包增加必要的校驗保護。插入SIP包之后的TS流通過傳輸匹配網絡輸入到衛星調制器進行發射。

各發射站點通過衛星解調、解擾和解密后，獲得節目碼流，基于衛星傳輸的單頻網地面數字電視廣播激勵器對節目碼流進行處理后，輸入到地面數字電視廣播發射機，進行地面發射。地面數字電視發射機/激勵器的同步系統在輸入的TS中識別并解析出SIP包中的發射時刻信息，結合本地參考時鐘提供的時間信息，自動計算出本地延遲，保證發射時刻同步。同時依據SIP所包含的系統信息(SI-SIP)設置其工作模式，以保證單頻網中各激勵器的工作模式相同。

2 系統關鍵技術

2.1 單頻網碼流適配

單頻網適配器是構建單頻網的重要設備，需要完成SIP包插入和碼率適配兩個功能，從而實現從輸入TS流到單頻網適配TS流的轉換。單頻網適配器根據GPS/北斗參考時鐘提供的時鐘信息(10 MHz基準頻率和1pps脈沖信號)，以秒為單位在TS流中周期性地插入SIP包，之后經過衛星傳輸鏈路傳送到各個發射臺。由于引入了衛星分配網絡和衛星調制器，要求基于衛星分配鏈路的單頻網適配器需對碼率適配填充的空包和SIP的填充空字符進行特殊標記，以區別于衛星調制器加入的空包和空字符，否則會造成各個發射臺站對適配碼流的處理錯誤，造成單頻網組網失敗。

為此，單頻網適配器需要在滿足碼流適配功能的同時，對按秒插入SIP時填充的空包進行調整，以和衛星調制器的空包進行區別。同時在原SIP中定義的填充字節中增加特殊指示字節和CRC校驗字節，并增加TS流PCR保護功能。

2.2 衛星傳輸鏈路

基于衛星鏈路地面數字電視單頻網系統架構與原有的地面數字單頻網區別在于引入了衛星鏈路。由于單頻網適配器需要根據網絡所選擇的地面數字電視傳輸模式進行精確的碼率適配，故傳統單頻網中發射機激勵器無需對碼流進行空包插入操作。

衛星調制器的傳輸碼率將略高于DTMB系統各個模式的碼率，因此通用的衛星調制器將再次進行碼率適配插入的空包，改變單頻網適配器輸出的碼流結構，若不進行識別與調整，激勵器無法區分單頻網適配器和衛星調制器分兩步插入的空包，使單頻網無法正常組網。同時，傳統的衛星調制器會調整輸入TS流中PCR的數據，若在衛星接收機或者激勵器中不進行恢復，則可能會產生地面數字電視機頂盒或接收機的音視頻不同步問題。同時，衛星鏈路傳輸可能帶來長延時和抖動問題。

因此，利用衛星分發鏈路的地面數字電視單頻網組網過程中需要克服兩個技術難點。一是要保證對衛星傳輸的碼流正確適配的情況下，保證單頻網適配器的TS輸出在衛星傳輸過程中不會被傳輸環節設備改變。二是要保證在衛星加密傳輸的大延時情況下，單頻網適配器輸出的同步基準在各個激勵器能正常發揮作用。

針對上述技術難點結合實際應用需求，需要盡量保證在傳輸鏈路中不引入更多的設備延時，盡量不增加更多的單點失敗點，且不改變現有節目和用戶管理框架。

3 實驗室驗證與開路測試

為了驗證基于衛星分發鏈路的國標地面數字電視單頻網組網方案的可行性與有效性，項目組搭建了基于衛星鏈路單頻組網的實驗室驗證系統。同時，為了保證方案的有效性，還開展了基于衛星鏈路的地面數字電視單頻網開路試驗。

3.1 實驗室測試

碼流分配鏈路是單頻網組網中非常關鍵的環節，而基于衛星的碼流分配鏈路在無線傳輸延時的基礎上，還需要引入衛星調制器與解調器，增加額外的處理延時。因此，基于衛星分配鏈路的單頻網首先需要驗證衛星傳輸鏈路的傳輸特性和處理延時。衛星鏈路傳輸延時的測試原理如圖2所示。

圖2 衛星鏈路傳輸延時測試圖

延時分析儀在TS流中插入特定的時間標簽，之后通過衛星調制器上行傳輸到轉發衛星，衛星接收機解調后將恢復出的TS流送至延時分析儀。通過比較收發2路TS流中的時間標簽，即可計算出傳輸延時差。

測試地點為衛星地球站機房，使用央視提供的3套 AVS+ 高清節目流，通過延時分析儀后，經衛星調制器調制上星，再在地球站本地通過衛星接收機接收上星信號，將解碼后的TS流送回測試儀。

圖5 合成之后的射頻信號特性(截圖)

通過測試可得，衛星鏈路傳輸延時基本在250 ms左右(248.5～249.3 ms)，不同的衛星接收機存在較小的差異，且測試時間內衛星傳輸鏈路的抖動并不明顯。即使考慮到我國各地的地理位置差異，衛星傳輸延時也與現有地面數字電視單頻網技術要求中的1 s要求有較大差距，即通過衛星傳輸鏈路進行節目分發的方式可以滿足地面數字單頻網的組網要求。

實驗室多臺發射機組網測試是進行單頻網開路覆蓋測試之前非常重要的驗證手段，其測試系統組成如圖3所示。通過衛星傳輸鏈路將傳輸節目流上傳至衛星并轉發，通過樓頂衛星接收天線接收后，通過分配器將信號輸送給2臺衛星接收機。2臺衛星接收機對信號進行接收解擾后，分別將其輸出的TS節目流送給地面數字電視激勵器進行調制，調制后的射頻信號通過合成器進行合成，分別送給數字電視分析儀(ETL)和地面數字電視機頂盒，通過ETL分析單頻網組網效果，通過機頂盒直觀驗證接收情況。

圖3 實驗室組網測試

部分測試現場的測試場景如圖4所示。

圖4 測試現場設備(照片)

實驗室組網試驗結果表明，基于衛星鏈路的節目分配網絡可以有效地支持單頻組網所需要的節目同步，2個激勵器合成之后的射頻信號頻譜和時域沖激響應如圖5a和圖5b所示。多種不同品牌的單頻網適配器和地面數字電視激勵器的交叉測試也均可組建單頻網，驗證了基于衛星分配鏈路的單頻網組網的可行性。

3.2 組網覆蓋開路測試

為最終完成系統整體技術方案的驗證，在實驗室驗證試驗的基礎上，還需進行實際的外場開路驗證測試。為此，項目組協調中央廣播電視發射塔以及衛星地球站、中央電視臺等單位，開展了基于衛星鏈路地面數字電視單頻網組網覆蓋驗證開路測試工作。

試驗完全按照實際運行系統架構設計，中央電視臺提供1路包含6路AVS+節目的傳輸流(已加擾)，碼流經傳輸鏈路傳至衛星地球站，在地球站經單頻網適配器和衛星調制器進行碼率適配，上行至衛星轉發器，在發射臺站使用衛星接收天線和衛星接收機接收并解擾輸出TS流，送入發射機進行發射組網驗證。組建單頻網的2個發射點為中央廣播電視發射塔和北京周邊某發射臺，使用32頻道，頻率為666 MHz，2個發射站點的發射功率均為1 kW，DTMB系統測試工作模式：PN945，C=3 780，16QAM，LDPC 0.6。

通過頻率規劃軟件對2個發射臺站的覆蓋進行了測算，其覆蓋交疊區主要在北京市東三環和東五環之間，故外場移動收測路線主要選取東三環和東五環的主干道進行，測試時使用路測儀進行收測。

中央電視塔和某發射臺分別單獨覆蓋時的測試結果分別如圖6a和圖6b所示。通過LDPC誤塊率指標可以直觀地反映移動接收狀態下地面數字電視業務的可用度。在相同的測試區域，中央電視塔和某發射臺單獨覆蓋時，業務均有不同程度的覆蓋盲區(圖6中深灰色區段)。

圖6 單發射塔覆蓋測試結果(截圖)

圖7a給出了2個發射臺站同時開機，但2臺發射機工作于不同步狀態時的覆蓋測試結果。由圖7a可以看出，若2部發射機工作于單頻網不同步狀態，則相互造成較大的干擾，原先單獨開機時能正常接收的區域大大縮小。

圖7 2臺發射臺同時工作時的測試結果(截圖)

2個發射臺站發射信號同步構成單頻網狀態下的覆蓋測試結果如圖7b所示。通過測試結果可以看出，在中央電視塔和某發射臺兩部發射機同時開機，且2部發射機工作于單頻網同步狀態時，測試區域中業務可用度達到了98%以上，遠超過之前單獨覆蓋的測試結果，證明了基于衛星分配鏈路的單頻組網在實際應用環境中的可行性與有效性。

4 結論

本文在傳統單頻網架構的基礎上，提出了全新的基于衛星分配鏈路的國標地面數字電視單頻組網方案。該方案充分利用了衛星鏈路的轉發優勢，節目分發鏈路不受地域差異化條件的限制，分發鏈路設計規劃簡便，不需要單獨架設專用有線分發網絡，設備成熟度高，轉發延時分布均勻，特別適合于在復雜環境下構建大范圍的單頻網。測試結果表明衛星分配鏈路的傳輸延時滿足地面數字單頻網的組網要求，實驗室組網測試和組網覆蓋開路測試結果均表明，該單頻網組網方案的可行性和有效性，實際覆蓋效果明顯優于單發射站的覆蓋效果。

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責任編輯：閆雯雯

SFN Structure Based on Satellite Distribution Links for Digital Terrestrial Television Broadcasting Systems

ZHANG Chao1, LI Jinwen2, GAO Peng2, PAN Changyong1,3, LI Xunchun2, QI Wu2, YANG Fang1

(1.TsinghuaNationalLaboratoryofInformationScienceandTechnology,DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.AcademyofBroadcastingScience,SAPPRFT,Beijing100866,China; 3.NationalEngineeringLaboratoryforDTV(Beijing),Beijing100191,China)

In this paper, a novel SFN structure based on satellite distribution networks is proposed. The satellite link will not be restricted by different geographical conditions without dedicated wired distribution networks. The transmission delay of the satellite link is distributed uniformly for different locations which can greatly simplify the network planning. Therefore, it is suitable for constructing national wide or large area DTTB SFN under complicated environments. Laboratory tests and field trials indicate that the proposed scheme can support practical DTTB applications.

digital terrestrial television broadcasting; single frequency network; satellite distribution link

質檢公益性行業科研專項經費資助項目；科技部科技伙伴計劃資助項目

TN94

B

10.16280/j.videoe.2015.16.023

2015-07-14

【本文獻信息】張超，李錦文，高鵬，等.基于衛星分發鏈路的數字電視單頻網關鍵技術[J].電視技術,2015，39(16).