地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)及傳輸覆蓋

程培剛

（臨沂市廣播電視臺 山東省臨沂市 276000）

地面數(shù)字廣播以地面廣播傳輸數(shù)字信號。數(shù)字電視廣播最早在歐美國家使用，標準為DTTB 標準，之后相繼形成了DVB-T、ATSC 及ISDB-T 標準。我國地面數(shù)字廣播系統(tǒng)發(fā)展較晚，于2006年建立了DTMB 標準，并逐漸走向國際化。隨著地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展，單頻網(wǎng)應(yīng)用逐漸廣泛。

1 單頻網(wǎng)概述

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）包括多個發(fā)射臺，同一時間發(fā)射的信號相同，可以實現(xiàn)全方位覆蓋服務(wù)區(qū)域的效果。隨著數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越發(fā)迅速，單頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，發(fā)展前景較好[1]。需要注意的是，盡管我國多個區(qū)域都覆蓋了單頻網(wǎng)，但是不同地區(qū)的實際碼率速率不同。單頻網(wǎng)在使用時會受到各種因素影響，為推動無線電視臺實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展，需要綜合考慮多種因素。

1.1 信道環(huán)境

電磁波可以分為直射波、繞射波、多徑反射波及散射波等類型。地面數(shù)字電視廣播信道環(huán)境包括高斯、萊斯及瑞利這三種信道類型[1]。

1.1.1 高斯傳播

高斯熱噪聲不受發(fā)射與接收天線、反射和散射體以及視距傳播等因素的影響，概率函數(shù)為：

1.1.2 萊斯傳播

萊斯傳播中，路徑傳播損耗就是電磁波在空間傳播時產(chǎn)生的電平平均值。空間傳播中全向天線和無線電波會以球面波形式擴散在四周。該信道方式受到強接收信號與低功率延時信號阻礙以及熱噪聲影響，一般在高層公寓與市區(qū)街道中應(yīng)用。概率函數(shù)為：

1.1.3 瑞利傳輸

受到噪聲、多徑、電磁波反射及散射因素的影響，一般在山腳下或大樓阻擋處應(yīng)用，概率函數(shù)為：

1.2 傳輸損耗

路徑傳輸損耗是指電磁波在空間傳播過程中產(chǎn)生的電平平均值。就全向天線而言，無線電波在空間中傳輸是以球面波形式擴散到周圍，空間傳播公式為：

地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)使用單頻網(wǎng)組網(wǎng)是為了充分利用頻譜資源。單頻網(wǎng)能夠在同一時間以同一頻率發(fā)射若干相同信號，保證特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信號全覆蓋。相對于多頻網(wǎng)而言，單頻網(wǎng)無需重復(fù)使用頻率，只需要利用某一頻率就能擴大同一節(jié)目的覆蓋范圍，從而降低頻率資源，提高頻譜利用率。通過優(yōu)化調(diào)節(jié)單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)，用若干小功率發(fā)射機替代單一大功率發(fā)射機，可以降低信號輻射，減輕電磁波污染，提高信號覆蓋，進一步提高單頻網(wǎng)抗鄰近網(wǎng)絡(luò)干擾性能。

2 單頻網(wǎng)系統(tǒng)

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)基本構(gòu)成：信源系統(tǒng)、同步設(shè)備、傳輸分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射系統(tǒng)、接收設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備，如圖1 所示。

圖1：地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)基本構(gòu)成

2.1 適配系統(tǒng)

構(gòu)建單頻網(wǎng)首先要建立單頻網(wǎng)適配系統(tǒng)。單頻網(wǎng)適配利用地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器實現(xiàn)。適配器能夠?qū)崿F(xiàn)碼速率適配和秒幀初始化包（Second Frame Initialization Packet，SIP）插入功能。適配器根據(jù)系統(tǒng)輸出碼率時鐘每隔1 s 向輸入的TS 碼流插入SIP，其中包括最大延遲時間、工作模式及獨立調(diào)整延時等信息。在其他位置，適配器可以在前端緩沖區(qū)讀取TS 碼流，并將TS 碼流中所有包標識（Packet Identifier，PID）為0x1FFF 的TS 包替換為單頻網(wǎng)適配數(shù)據(jù)包，若碼流數(shù)據(jù)不在一個秒幀內(nèi)，就在其中插入TS 空包，使TS 流碼率能夠更好地完成適配[2]。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器輸出的TS 碼流速率和由單頻網(wǎng)適配器規(guī)定的發(fā)射機工作模式要求的凈載荷速率相同，并且鎖定在10 MHz 參考時鐘上。此外，需要注意單頻網(wǎng)適配器TS 碼流抖動要盡量控制在100 ns 以內(nèi)。

2.2 傳輸系統(tǒng)

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)的節(jié)目傳輸網(wǎng)絡(luò)需要滿足兩個要求：

（1）傳輸網(wǎng)絡(luò)TS 碼流抖動在100 ns 內(nèi)；

（2）確保100%傳輸，即不可在傳輸網(wǎng)絡(luò)中改變PID 和節(jié)目時鐘參考(Program Clock Reference，PCR)，也不能增加或刪除固定空包。

2.3 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)是單頻網(wǎng)十分重要的處理單元，一般在各發(fā)射臺調(diào)制器同步模塊中[3]，將接收的透明傳輸同步編碼調(diào)制成射頻信號，利用同一頻率在規(guī)定時間發(fā)射出去。調(diào)制器或發(fā)射機在實際應(yīng)用中可以按照授時接收機所提供的基準時鐘實現(xiàn)單頻網(wǎng)同步。

3 單頻網(wǎng)傳輸覆蓋

3.1 選擇同步方式

3.1.1 復(fù)用器

CMMB 復(fù)用器可以對不同發(fā)射臺站的節(jié)目進行復(fù)用，其中包括了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視音頻編碼等內(nèi)容，利用該設(shè)備可以使傳輸流進入到傳輸分配網(wǎng)絡(luò)，最終進入到CMMB 調(diào)制器內(nèi)。

3.1.2 適配器

作為網(wǎng)絡(luò)傳送裝置之一，網(wǎng)絡(luò)適配器能夠?qū)Πl(fā)射臺站與分發(fā)射臺站信號實現(xiàn)透明傳輸，負責接收的適配器可以進行相反功能轉(zhuǎn)化分配。為使傳輸能夠同步進行，需要對網(wǎng)絡(luò)適配器延時問題進行嚴格控制，延遲要低于3s[4]。

3.1.3 調(diào)制器

CMMB 調(diào)制器可以提供射頻信號發(fā)射至天線的附加時延。不同發(fā)射臺中的調(diào)制時鐘能夠?qū)崿F(xiàn)同步運行。根據(jù)單頻網(wǎng)需求，發(fā)射機信號的所有信號都需要一致，同時也需要保證調(diào)制輸入碼流能夠同步。

3.1.4 定位系統(tǒng)

GPS 系統(tǒng)可以得到10 MHz 標準頻率、標準時間及時間標簽等方面的數(shù)據(jù)信息。

3.2 頻率選擇

廣播電視網(wǎng)絡(luò)是采用模擬信號和數(shù)字信號共同播出的一種混合網(wǎng)絡(luò)，為使模擬信號和數(shù)字移動電視頻道能夠同時播出，在對數(shù)字移動電視信號發(fā)射裝置進行分析的時候，需要選擇干擾小、負擔小、電磁環(huán)境干凈的頻道進行工作[5]。需要按照以下流程進行頻率選擇：

（1）參考臺站的選擇，其是隨機在候選頻道內(nèi)選擇一個頻道使用，計算選擇的臺址有害場，選擇的有害場相對于設(shè)定的門限參考模擬站臺要保持超過狀態(tài)。

（2）在選中的模擬站臺做電子順磁共振（EPR），按照模擬站臺的有害場場強值，結(jié)合模擬站臺與數(shù)字站臺之間的間距，篩選對應(yīng)的模擬站臺[6]。

（3）通過數(shù)字站臺干擾篩選同時分析所篩選的模擬站臺。

（4）以數(shù)字臺站為首站臺來分析有害場，并對數(shù)字臺站和模擬臺站干擾性進行分析，同時對EPR 進行模擬。

3.3 傳輸模式

DVB-T 和2K 模塊可以建立較小的單頻網(wǎng)，其中2K 模塊同步速度快且抗干擾能力較強；8K 模塊同步穩(wěn)定且有較強抗時延能力。3 種典型的傳輸模式設(shè)置及相應(yīng)的特點對比如表1 所示。

表1：3 種典型的傳輸模式設(shè)置對比

3.4 GPS同步模式

由于多載波系統(tǒng)抵抗頻率漂移能力比較弱，因此需要采用GPS同步，構(gòu)建高度穩(wěn)定的本地振蕩器，發(fā)射機以GPS 頻率為參考利用基本頻率發(fā)射，使整體系統(tǒng)穩(wěn)定工作[7]。主發(fā)射點接收高質(zhì)量的信號后將其傳送到變頻器，將信號變?yōu)橹蓄l信號后進行濾波并放大，達到較好的盲點覆蓋效果。

3.5 發(fā)射機與傳輸網(wǎng)絡(luò)

構(gòu)建單頻網(wǎng)首先要選定發(fā)射機。發(fā)射機要能長時間不間斷地工作，這是對設(shè)備的基本要求，即可靠性；同時還要保證發(fā)射器的技術(shù)性，即能在各種環(huán)境下良好運行，保證傳輸效果，穩(wěn)定發(fā)送和接收信號。

發(fā)射臺站建設(shè)完成后，多路節(jié)目可以在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)同步傳輸至發(fā)射臺站上，最終達到客戶端。信號傳輸主要通過光纖、衛(wèi)星和射頻等方式進行傳輸。光纖傳輸是將調(diào)制器安裝到發(fā)射器上，電視信號可以在此基礎(chǔ)上傳輸至發(fā)射機，調(diào)制器可以對信號進行統(tǒng)一處理、發(fā)射，這樣充分利用電信網(wǎng)絡(luò)資源[8]；而衛(wèi)星傳輸則是利用衛(wèi)星信道進行信號傳輸。射頻傳輸則是利用調(diào)制器將射頻信號發(fā)射出來，再經(jīng)過多個微波頻道將信號傳給發(fā)射機，經(jīng)過調(diào)制器轉(zhuǎn)化最終實現(xiàn)發(fā)送。

3.6 測試與優(yōu)化

測試結(jié)果能夠起到優(yōu)化單頻網(wǎng)的作用，其能夠幫助改進重疊區(qū)信號和覆蓋盲區(qū)。改進重疊區(qū)信號需要對天線、發(fā)射功率、時延等方面進行優(yōu)化，通過調(diào)整天線層數(shù)、傾斜度、發(fā)射功率可以控制發(fā)射點的覆蓋區(qū)域，利用發(fā)射時延能夠使重疊區(qū)的接收機干擾情況得到有效調(diào)整。而覆蓋盲區(qū)則可以采用增加補點器或是基站達到目的。大范圍的覆蓋盲區(qū)是通過增加基站達到目的的。發(fā)射機形成的信號網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生局部的弱區(qū)或是盲區(qū)，對此可以通過加強覆蓋信號或是增強信號對該問題進行解決，采用補點器能夠使覆蓋范圍擴大，提高覆蓋率。

4 結(jié)語

主要研究地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)，深入分析單頻網(wǎng)技術(shù)、組網(wǎng)方式、傳輸網(wǎng)絡(luò)、工程實施以及測試優(yōu)化工作。當今時代，頻率資源十分緊張，單頻網(wǎng)可以大大提高頻率資源利用率，確保接收信號更加穩(wěn)定可靠，保障傳輸覆蓋區(qū)域的可靠性。