地面數字電視與廣播雙向信號的干擾研究

劉雁峰

（山西省廣播電視局，山西太原，030012）

1 地面數字電視與廣播雙向信號現狀

■1.1 地面數字電視信號

隨著數字技術的發展，目前國內主要使用的廣播標準為數字電視地面廣播，其傳輸系統使用的是時域同步正交頻分復用單多載波調制的方式，每一個頻道上的地面數字電視帶寬包括載波信號與保護帶寬，在國內700MHz頻段上一共分成DS–37到DS–48共12個頻道，頻率的范圍在702MHz–798MHz。在一般情況下因為只要考慮數字機頂盒上的信號接收問題，所以地面數字電視信號發射機的功率一般在1kw以上，發射天線的高度在100米之上。

■1.2 廣電雙向信號

隨著廣播雙向技術的不斷發展，廣播雙向信號包括廣播雙向網絡信號和廣電5G技術，其中廣播雙向網絡信號指的是以4G技術為基礎的，采用OFDM正交頻分復用調制技術、時空編碼、干擾與信道間干擾抑制和智能天線技術，能夠最大程度提升系統的性能[1]。下一代廣播雙向網絡信號和廣電5G信號，在頻率上將信號的上下行頻段分開，然后根據第三代合作伙伴計劃的標準進行定義。上行信號的頻率范圍在703–748MHz之前，下行信號頻率范圍在758–803MHz之間。上下行信號采用的帶寬可以根據實際情況進行合理調整，包括載波信號和保護帶寬。根據最新的5G國際標準，國內廣電700MHz 5G頻段最大可以達到2＊30/40MHz。

2 OFDM系統特點

在多載波OFDM系統中，信道被分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，減少了子信道之間的相互干擾。對地面數字電視信號和廣播雙向信號之間產生的干擾因素有很多，包括同頻干擾、互調干擾、雜散干擾和鄰道干擾等[2]。其中信號之間的同頻干擾，指的是在不同城區之間的清頻工作先后開展時，就可能出現同頻使用的情況。在無線數字覆蓋工程建設時，部分區域選擇單頻網覆蓋模式，該組網模式使不同區域內同步運行的發射臺在相同時間內發送相同的信號來覆蓋全部信號區域，但該方式容易同時接收到多臺站傳輸的信號，進而產生同頻干擾問題。在一個OFDM 傳輸系統中，在第l 個 OFDM 符號周期內，假設 向量 X 表示頻域各子載波上調制的符號向量，第 k 個子信道傳送的數據為 X (k )，那么：

根據前面的描述，為了消除多徑時延擴展帶來的符號間干擾（ISI），在S(n)之前插入長度為Ng的循環前綴作為保護間隔，這樣即可得到長度為Ns的時域OFDM符號Sg(n) ：

如果不考慮多徑衰落信道的時變特性，信道可以等效成為一個有限沖擊響應濾波器。假設信道離散域的沖擊響應為h(l),l = 0,2...L–1，L代表信道最大延遲對應在離散域的采樣點數，則接收信號為：

這里?表示線性卷積，w(n)表示加性高斯白噪聲。假設系統收發端定時和采樣 嚴格同步，接收端信號在去掉CP之后經過FFT解調，得到第l個周期的頻域OFDM符號Y (k')的表達式為：

根據地面數字電視固定接收場景可知，信道環境屬于萊斯信道，選擇最高碼率的載波數為1，前向糾錯碼率為0.8，調制方式為32QAM的模式，為確保信號正常調解，就需要載噪比在17dB之上。以雙向基站20W，發射天線高度20m來計算，按照頻率是700MHz，時間概率是50%、地點是地面、接收高度為10m的情況來計算，廣電雙向基站對地面數字電視信號的干擾范圍在10km左右。而實際上，計算雙向基站天線下傾角，地面數字電視天線方向性等條件，單個雙向基站對地面數字電視信號的干擾范圍只有5km，因此不會產生干擾。在廣電清頻和廣電5G建設中，應該考慮的是在不同城區之間，地面數字電視對廣電5G上行信號產生的干擾以及頻率范圍。以8MHz 通帶功率為例，其信號干擾等級和對應電平范圍如表1所示。

表1 干擾信號級別劃分

3 雙向地面數字電視廣播系統設計

數字電視技術具有信道容量較大的優勢，其次數字傳輸技術抗燃的能力較好，其采用再生方式排出噪音與失真的影響，使功率的利用率得到大大提升。此外，在采用信源編碼和信道編碼的聯合設計，進一步提升了功率和頻譜的綜合使用率。

■3.1 雙向廣播面臨的問題

雙向地面數字電視廣播具有地面數字電視與交互電視的優勢，與衛星數字和有線數字電視相比，地面廣播信道環境復雜，容易受到周圍環境的影響，對于地面廣播系統物理層調制與接收有很大的挑戰，所以必須選擇合適的調制解調技術才能解決環境帶來的影響[3]。此外，目前組網方式采用的是大功率和高山發射臺站的結構，基站之間的距離很遠，受到地形地勢的影響大且組網非常復雜，網絡中存在許多干擾信號的因素，且建筑無遮擋會產生許多信號盲區，而發射功率高又對發射點有要求，在基站之間可能存在許多覆蓋區域縫隙，導致這些區域無法接收到信號。為確保更好的信號傳輸質量，有必要對雙向數字電視廣播的網絡特性、結構、性能以及相互之間的影響進行研究，并在相應調制解調模式下來提高系統均衡性，使系統能精準同步。

■3.2 無線信道和調制技術

3.2.1 無線信道

無線移動信道比其他通信信道更為復雜，電波以空間波傳播，接收設備也不是固定不變的，所以接收設備和基站間的無線信道就具有多變性、難以控制的特點。信號在通過無線信道時也會受到衰落的影響，無線信道對信號的影響包括大尺度衰落、陰影衰落和多徑衰落等。因為移動臺的移動使得無線信道具有時變性，只有進行合理的設計才能消除這些影響。

3.2.2 調制技術

多載波OFDM系統中的信道分成若干個正交之信道，把高速信號轉變成并行的低速子數據流，可調制到每一個子信道上完成傳輸，降低子信道間的相互干擾。這是因為每一個子信道上的信號帶寬都比信道帶寬小，所以可以有效消除碼之間的互相干擾，每一個子信道的貸款是原來信道帶寬的一小部分，因此也可以使得信道變得均衡。OFDM系統使用平衡調幅，將所有載波的能量平均分配到限定頻率的帶寬內。和傳統單載波傳輸相比，單載波是將某一個信道帶寬上的信號全部都調制到一個載波上傳輸，所以信號傳輸速率變大以后傳輸符號的持續時間也會變短，信道多徑效應將在通過無線信道時變得十分顯著。而采用多載波調制技術，可以使用多個子載波來滿足正交的條件，也允許子信號之間的頻譜互相重疊，OFDM調制系統能提高對頻譜資源的使用率。由于無線信道環境非常復雜，對于信號傳輸的調制解調也提出了更高的要求。考慮到無線信道多徑效應會對系統的接收性能產生影響，可進行信道估計與均衡來解決。在當前無線系統中，單載波時域均衡、單載波頻域均衡和正交頻分復用多載波技術是常見的調制解調技術，其中單載波時域均衡的應用最為廣泛，技術也最為成熟，單載波頻域均衡則對于對抗多徑的效果較好[4]。而OFDM則是這幾年來在無線帶寬接入中比較常見的熱點技術，對其信道估計與均衡方式進行研究分析，可對原有OFDM系統進行改進優化，以提高終端接收信號的準確性，降低接收誤碼率。

■3.3 雙向地面數字電視廣播系統設計和實踐驗證

地面廣播雙向系統是能有效解決廣電雙向信號和地面數字電視信號之間干擾的方案，且該系統的范圍較大，容納的數量較多，具備靈活選擇的參數，使得該系統能適應各種復雜的傳輸環境。在進行實際系統設計時，首先應對下行信號的標準、參數等進行規定，然后對上行信道進行設計優化，使雙向系統可以滿足上行與下行的傳輸要求，提高系統的動態自適應能力，系統也可以根據當前信道的狀況來選擇合適的參數，并進行傳輸優化。現有系統下行與上行信道使用的都是OFDM調制，該調制方式頻帶的利用率較高，且具有抗多徑效應的作用，能有效調變參數配置，使得基站和用戶都能進行優化傳輸。新型雙向地面廣播系統也采用OFDM調制方式，但是上行信道使用了單載波頻域均衡的方式替代了原來的調制方式，上行下行信道使用不同的調制方案是為能減少交互終端的成本和信號之間的干擾程度[5]。從功率和接收性能的角度分析，單載波頻域均衡的方式可以代替原來OFDM方式作為上行信道調制解調方法，但是因為單載波的方式具有峰均較小、結構較為簡單的特點，所以更能減少交互終端工作量，降低發送峰值的功率，有利于減少交互終端成本，雙向廣播電視系統適合采用該模式。

針對地面數字電視同頻干擾的問題，可以通過在發射端處設置延時和功率的方式，比如將附近某一個臺站的發射功率調低，以保證交疊覆蓋區域內各個臺站信號強度變化差距不大，穩定在某一個值[6]。也可以通過在接收端位置采用網狀天線或針對用戶端信號接收位置進行調整，利用附近建筑物將多個或某一個同頻信號進行有效屏蔽。或者以某個地區為例，將其主信號設置在山上的中心機房，發射功率為1000W，信號傳輸到某個縣的發射站機房中，該縣的發射機功率也為1000W。在實際信號傳輸中因為傳輸距離很長，地形地貌復雜，覆蓋面積大，存在多徑效應，在場強不明顯的地方存在同頻干擾的問題。為此進行雙向地面數字電視廣播系統設計，采用OFDM調制與單載波相結合的方式，有效調整參數配置，優化上下行信道，通過采用不同的調制方案來減少信號傳輸時的干擾程度。同時在接收端采取方向性較強的網狀天線，使天線主瓣方向面對信號主場強區域，分析場強儀輔助值和電視收看質量來驗證上述方案對同頻干擾的抑制作用。

4 結語

綜上所述，本文提出了地面數字電視和廣電雙向信號之間的干擾影響，對相關干擾因素進行了分析，并對相關調制技術進行了分析介紹。本文對已有的雙向數字地面廣播系統進行了系統性能分析，證明OFDM調制可提高帶寬的利用率、增強抗多徑的效應。但是因為該調制方式對發射設備功率與線性度的要求較大，中每次提出新型系統方案，該方案改變了原來上行鏈路OFDM調制方式，將其變成單載波頻域均衡方式，但下行鏈路保持原來調制方式不變，可有效降低交互終端設備的成本和信號之間的干擾，提升系統的穩定性。