地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及其優(yōu)化調(diào)整

黃岳華

（珠海廣播電視臺，珠海 519000）

地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)是國家廣播電視宣傳體系的重要組成部分，單頻網(wǎng)是其重要的組網(wǎng)模式和應(yīng)用方式。從我國地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)DTMB 國家標(biāo)準(zhǔn)GB20600-2006的頒布，推出地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)，到逐步完善、具有后發(fā)優(yōu)勢、及完整自主知識產(chǎn)權(quán)的DTMB-A 系統(tǒng)，通過單頻網(wǎng)廣播系統(tǒng)，在實現(xiàn)更智能化的公益性廣播電視宣傳網(wǎng)絡(luò)，提供高品質(zhì)、多業(yè)務(wù)的綜合業(yè)務(wù)等方面提供了廣闊的空間。合理優(yōu)化的組網(wǎng)技術(shù)更是單頻網(wǎng)發(fā)展的重要保障。

1 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)概述

1.1 單頻網(wǎng)的優(yōu)特點(diǎn)

在地面數(shù)字電視無線覆蓋系統(tǒng)中，單頻網(wǎng)以其特有的工作方式：載波同頻、同相，多點(diǎn)發(fā)射，較小的射頻發(fā)射功率，相較于多頻網(wǎng)、雙頻網(wǎng)更具有以下優(yōu)勢：

一、頻譜利用率提高，一個頻道廣播多套節(jié)目，節(jié)省頻率資源；二、小功率、低功耗降低了分支站點(diǎn)建設(shè)和管理難度；三、通過合理優(yōu)化的組網(wǎng)布局，避免了現(xiàn)代城市建筑群或特殊地理條件（如海島、山區(qū)等）造成的覆蓋的盲區(qū)，獲得了較好的覆蓋率。當(dāng)然，單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，合理優(yōu)化的組網(wǎng)技術(shù)，避免了建設(shè)成本及維護(hù)成本的增加，是單頻網(wǎng)的核心。

1.2 單頻網(wǎng)的構(gòu)成

圖1 為地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)圖

在圖一基礎(chǔ)上，單頻網(wǎng)根據(jù)射頻產(chǎn)生方式分為：基于射頻信號分配方式（射頻信號集中產(chǎn)生）單頻網(wǎng)和基于基帶信號分配方式（射頻信號分散產(chǎn)生）單頻網(wǎng)。射頻信號集中產(chǎn)生的單頻網(wǎng)，是由主發(fā)射站完成主區(qū)域覆蓋，并分別將數(shù)字電視射頻信號傳送到從站（或通過從站發(fā)射再傳送至次從站）完成從站范圍發(fā)射覆蓋。因射頻信號傳輸過程存在劣化情況，若要保證從站接收后再次發(fā)射的節(jié)目信號質(zhì)量，則對從站設(shè)備性能要求較高，故而國際上較為少用。

圖2 基于基帶分配方式單頻網(wǎng)拓樸圖

圖二為基于基帶信號分配方式單頻網(wǎng)拓樸圖，是目前較為普遍使用的單頻網(wǎng)的組網(wǎng)方式，組成的廣播系統(tǒng)中包括基本的發(fā)射站設(shè)備、單頻網(wǎng)適配器、網(wǎng)絡(luò)適配器、GPS 時鐘接收設(shè)備，數(shù)字微波或光纖網(wǎng)絡(luò)傳送設(shè)備、地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)等。

2 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

2.1 單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)原理

如圖二所示，各種節(jié)目流、信息數(shù)據(jù)流通過MPEG-2復(fù)用器，進(jìn)行信源編碼壓縮，并輸出MPEG-2格式的TS 信源碼流，再送入單頻網(wǎng)適配器，完成TS/ASI 碼率適配，ASI 是非同步串行接口，使用固定碼率270Mb/s 傳輸不同碼率的MPEG-2傳送流TS 信號（最高碼率44.209Mb/s）。單頻網(wǎng)適配器結(jié)合GPS 時鐘接收設(shè)備，通過GPS 同步時鐘信息（秒脈沖）插入和秒幀初始化包（SlP）插入，實現(xiàn)單頻網(wǎng)各站點(diǎn)頻率同步、節(jié)目比特同步、激勵器工作時鐘同步。單頻網(wǎng)適配器輸出的ASI 碼流，再通過ASI/DS3適配器將ASl 碼流信號通過非線性編碼，輸出DS3碼流信號，再適配到STM-1通道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。適配器工作實質(zhì)就是按網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，將低階碼流編制成高階碼流或反向轉(zhuǎn)換來適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了保證送到各分站的碼流完全相同，要求確保對適配器后碼流進(jìn)行100%網(wǎng)絡(luò)透明傳輸。在現(xiàn)階段組網(wǎng)技術(shù)中，最為常見的地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)節(jié)目傳輸網(wǎng)絡(luò)主要有以下三種形式：直連光纖+數(shù)字光端機(jī)，光纖+SDH，數(shù)字微波+SDH，后兩種方式是較為普遍應(yīng)用于單頻網(wǎng)建設(shè)。SDH（Synchronous Digital Hierarchy）同步數(shù)字體系是一種廣泛應(yīng)用于光纖、微波、衛(wèi)星傳輸節(jié)目同步管理系統(tǒng)。

2.2 SDH 網(wǎng)絡(luò)傳輸原理

SDH 傳輸網(wǎng)絡(luò)采用的信息結(jié)構(gòu)等級稱為同步傳送模塊STM-N（N=1，4，16，64），采用塊狀的幀結(jié)構(gòu)來承載信息，最基本同步傳送模塊為STM-1，STM-1（塊狀結(jié)構(gòu)單元幀）相應(yīng)傳輸速率為155.520Mb/s。按網(wǎng)絡(luò)傳輸容量要求，可由4個、16個、64個STM-1分別復(fù)用成STM-（4，16，64），傳送模塊，相應(yīng)的速率分別為622.080Mb/s、2488.320Mb/s、9953.280Mb/s。

在“光纖+SDH”節(jié)目傳輸網(wǎng)絡(luò)中，首先將傳輸節(jié)目ASl 流和用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理、維護(hù)及指配功能的信息及管理幀結(jié)構(gòu)單元的“管理單元指針”信息，復(fù)用成DS3信號，再復(fù)用到STM-1相應(yīng)的功能區(qū)域中形成SDH 網(wǎng)絡(luò)的STM-1傳送模塊組成基帶信號，通過光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)節(jié)目傳輸系統(tǒng)中，為了確保TS 碼流的透明傳輸，必須要使ASI-DS3適配器中填充的TS 空包與TS 流自身帶有的TS 空包，確保能夠在節(jié)目傳輸網(wǎng)絡(luò)的最終接收端將ASI-DS3適配器中填充的TS 空包進(jìn)行去除，使TS 流恢復(fù)原始的狀態(tài)。

在“數(shù)字微波+SDH”節(jié)目傳輸網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)字微波的建設(shè)與光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)相比較之下，顯得更加容易，并且建設(shè)成本相對較低。在地理條件相對較差的地區(qū)或者在丘陵山區(qū)中，或者針對特定海島區(qū)域，比較適合采取數(shù)字微波的傳輸網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，在數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)中SDH 也得到了廣泛的應(yīng)用。然而與“光纖+SDH”的節(jié)目傳輸方式不同，“數(shù)字微波+SDH”傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是通過數(shù)字微波設(shè)備將已經(jīng)形成的SDH 信號幀進(jìn)行載波調(diào)制，將其轉(zhuǎn)換為微波射頻信號，通過微波傳送設(shè)備進(jìn)行傳輸。

2.3 單頻網(wǎng)的發(fā)射系統(tǒng)

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)的發(fā)射系統(tǒng)主要功能是：各發(fā)射點(diǎn)將接收端系統(tǒng)解調(diào)出的TS 流信號進(jìn)行同步編碼及通過載波調(diào)制，并將信號在規(guī)定的時間內(nèi)，以同頻同相方式將信號進(jìn)行發(fā)射[1]。

3 單頻網(wǎng)組網(wǎng)的調(diào)整及其優(yōu)化

一套穩(wěn)定、完善、高可靠性的單頻網(wǎng)廣播系統(tǒng)的建設(shè)，主要涉及以下方面要素：首先，合理選擇信道傳輸系統(tǒng)、信源編碼系統(tǒng)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使接收系統(tǒng)可承受的回波延時越長，提高接收系統(tǒng)抗回波干擾能力，降低誤碼率。其次，結(jié)合本地區(qū)域特點(diǎn)，合理設(shè)計發(fā)射天線增益“花瓣圖”形狀，極大改善接收機(jī)處理多徑信號能力。以上所述，均能使各發(fā)射點(diǎn)的設(shè)點(diǎn)距離進(jìn)一步增大。更易于站點(diǎn)的位置選取、單頻網(wǎng)系統(tǒng)的簡化、性能的調(diào)整和優(yōu)化。

單頻網(wǎng)組網(wǎng)成功的重要標(biāo)志是信號覆蓋交疊區(qū)的形成，及其區(qū)內(nèi)信源節(jié)目接收成功與否。因為單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，主要體現(xiàn)在信號覆蓋交疊區(qū)。交疊區(qū)是指區(qū)內(nèi)接收到的兩個或多個站點(diǎn)不同方向的覆蓋信號，俗稱多徑信號，它嚴(yán)重影響接收端解碼。同時，多徑信號的時延調(diào)整是調(diào)整網(wǎng)絡(luò)性能的一重要手段。為了避免交疊區(qū)多徑復(fù)雜化，對盲區(qū)補(bǔ)點(diǎn)覆蓋，要盡量選擇有天然的屏障作為背靠，這樣可減少來自屏障方向的同頻干擾。

通過研究發(fā)現(xiàn)，單頻網(wǎng)性能調(diào)整的重要原則是：減輕單頻網(wǎng)中各個發(fā)射點(diǎn)在覆蓋重疊區(qū)形成的多徑干擾，同時通過合理選擇單頻網(wǎng)發(fā)射點(diǎn)的位置、設(shè)置發(fā)射天線高度、設(shè)置發(fā)射天線方向圖、改變發(fā)射天線的頃角、調(diào)整個發(fā)射點(diǎn)的功率、改變各個發(fā)射點(diǎn)信號在重疊區(qū)的相對延時等措施來優(yōu)化和提高網(wǎng)絡(luò)性能。其中，對多徑信號相對延時的調(diào)整是最有效的優(yōu)化手段。

縱觀各地的組網(wǎng)實踐，在單頻網(wǎng)建設(shè)中，需要工程技術(shù)人員，考慮各種實際因素，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況，采用多種手段方法，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)性能的測試進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，使單頻網(wǎng)總體性能達(dá)到最佳[2]。

在整個粵港澳大灣區(qū)建設(shè)中，優(yōu)化數(shù)字電視無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，將加強(qiáng)廣播電視系統(tǒng)主流媒體的宣傳作用，為融媒體新業(yè)務(wù)創(chuàng)造更大空間。目前，珠海地區(qū)單一的覆蓋發(fā)射點(diǎn)顯然不足夠。如右圖，珠海市行政區(qū)域呈狹長形狀，同時擁有諸多分散的大小海島。要實現(xiàn)全區(qū)覆蓋，根據(jù)單頻網(wǎng)的技術(shù)要點(diǎn)，可規(guī)劃如下：借靠港珠澳大橋鳳凰山觀景點(diǎn)建設(shè)，海拔400米的鳳凰山是一理想發(fā)射點(diǎn)，設(shè)發(fā)射點(diǎn)1，合理選擇發(fā)射天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以1KW 發(fā)射功率覆蓋大部分主城區(qū)及部分西部城區(qū)。單頻網(wǎng)選擇不同幀頭結(jié)構(gòu)的SDH 信道傳輸系統(tǒng)，其有效覆蓋半徑分別約為：16、23、36公里左右。如圖所示各區(qū)距離，西部城區(qū)可通過“光纖+SDH”或“數(shù)字微波+SDH”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基帶信號傳輸，在西部城區(qū)內(nèi)設(shè)發(fā)射點(diǎn)2，功率配置300瓦。針對橫琴新區(qū)，地理上與主城區(qū)沿海邊而列，選址可依傍加林山而建。可采用“光纖+SDH”網(wǎng)絡(luò)傳輸，進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)覆蓋。同時對桂山島等海島區(qū)域，采用“數(shù)字微波+SDH”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸基帶信號，設(shè)立發(fā)射點(diǎn)3等。至此，建網(wǎng)優(yōu)化的重點(diǎn)是：主城區(qū)與西部城區(qū)覆蓋交疊區(qū)接收性能的調(diào)整，需要反復(fù)調(diào)試。

4 結(jié)束語

在地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)平臺上。隨著越來越多的技術(shù)革新，為融媒體新業(yè)務(wù)提供更多空間，豐富了單頻網(wǎng)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，使單頻網(wǎng)系統(tǒng)日趨成熟、完善，推動了我國地面數(shù)字電視廣播事業(yè)的健康發(fā)展。