5G 700Mhz對廣電DVB同軸傳輸信號干擾的研究

鐘世強 陳 峰 張 慧

（1.浙江廣播電視發展總公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省廣播電視監測評議中心，浙江 杭州 310005；3.先臨三維科技股份有限公司，浙江 杭州 311200）

導語

5G指的是第五代移動通信技術，具備低時延、高速率和大容量等特征。5G 技術是全球新一輪產業革命和科技的關鍵性技術，為社會進步與發展提供了強有力的支持。之所以電信運營商看好700MHz頻段，是因為該頻段頻點低，有良好的傳播特性，高穿透性和大覆蓋能力，將使得5G建網成本大大降低。目前，中國移動和中國廣電正在大規模合力建設700 MHz的5G網絡。

700MHz頻段網絡覆蓋范圍廣，用戶體驗佳，被國際上稱為“紅利頻段”，具有重大的商業和戰略價值。700MHz頻段是有線電視數字信號使用的頻段，之前大量文章都集中在地面數字廣播電視DVB-T對移動通信的干擾，目前隨著700MHz清頻工作的推進，這個問題已經不是主要矛盾。但移動通信的無線信號，會不會對同軸傳輸的有線數字電視產生干擾，影響用戶正常收看呢？

工信部發文將703-743/758-798MHz（上下行各40M帶寬）用于4G和5G，基站可以使用最大40M帶寬，但手機最多只能用30M帶寬，并且這30M帶寬已經被定死了703-733MHz，或者718-748MHz這兩段，目前廣電使用的是FDD方式，上下行各30M，上行使用703-733MHz，下行則是758-788MHz。

圖1 廣電700Mhz頻譜使用現狀

基于以上頻率分配，我們先做定性分析，首先5G是無線的，通常功率不會很大，而有線電視是同軸傳輸，有屏蔽層，應該是不會受到干擾；其次目前正在清頻的DVB-T地面數字廣播電視之前也用到了700MHz頻段，并沒有對有線電視產生干擾；其三，5G 700MHz基站實際上已經部署很多了，目前尚無批量用戶投訴700MHz頻段的頻道受到影響。但總有人對此不太認可，覺得萬一呢，所以本文對此開展了研究，又做了定量分析。

1.DVB數字電視基本知識介紹

DVB的英文是Digital Video Broadcast，是數字視頻廣播的意思，基于基礎的通訊網絡實現。DVB是基于基礎信道的點對面大眾傳播技術，是公共文化服務的基礎設施，具有很大的傳輸帶寬，基礎物理信道可以是無線、同軸，也可以是光纖。我們通常把DVB理解成同軸電纜上的傳輸技術，實際上，從DVB前端機房到樓道，現在已經都是采用光纖傳輸了，只是入戶的時候會采用同軸電纜。經典的DVB技術傳輸效率是非常高的，而且在硬件實現上，已經實現了產業化分工，電視機內置的高頻頭就可以接收解碼有線電視DVB，只是因為收費和個性化的原因，目前通行的方式是加裝一個機頂盒。

DVB有線電視在入戶時，通常采用阻抗為75歐姆的同軸電纜傳輸，傳輸的信號頻率 為110MHz-860MHz之間，每8MHZ為1個頻點，經過調制后，有效傳輸速率為38.134Mbps。其計算過程為：使用64QAM調制時，α=0.16。頻道利用率N=log64=6，頻道物理帶寬W=8MHz，其 符 號 率D=W/（1+α）=8/1.16=6.8966Ms/s；總傳輸速率S=D×N=6.8966×6=41.379Mbps；DVB-C的信道編碼是RS（204，188）， RS的編碼效率是：188/204，所以有效傳輸速率SS=S×188/204=38.134BPS。

DVB一個頻道占用8MHz帶寬，完全是沿用PAL制習慣的結果，對于數字調制而言，如果頻道帶寬寬一些，則可以容納更多的碼率，這樣可以提高TS流中單一節目的質量或容納更多的節目，因此即使當初將頻道寬度設為7MHz或6MHz也沒有關系，8MHz是一個習慣。

RS碼是一種能夠糾正多個錯誤的糾錯碼，又叫里德-所羅門碼。RS（204，188）實際載荷是188字節，開銷字節段為16字節（監督段），加起來是204字節，糾錯能力為8個字節，所以我們寫成RS碼為（204，188，t=8），可抗突發錯誤為長度為8×12=96個字節（交織深度設為12）。

MPEG-2是MPEG運動圖像專家組織在1994年制定的視頻和音頻有損壓縮標準。MPEG-2標準在系統和傳輸方面都做了進一步的完善和詳細的規定，具有比較高的圖像質量和更多的圖像格式，以及可變傳輸碼率的圖像壓縮，傳輸速率可以在3mbps-18mbps之間，高清晰電視和標準數字電視都可以采用這個壓縮方案。目前我們通常采用1999年的MPEG-4來傳輸互聯網視頻，但數字電視還是采用MPEG-2來傳輸，否則整個系統都需要升級，成本非常高。

MPEG-2兼顧了高質量圖像和高壓縮比，從比特率為2mbps的VHS圖像質量到比特率為18mbps的高清電視。用戶可選擇通用MPEG-2編碼器，將頻道的電視信號壓縮為2mbps- 8mbps等數字信號。實際觀察表明，壓縮到6mbps和8mbps的圖像與未壓縮的圖像之間沒有差異，但在壓縮到4mbps的快速運動圖像上可以看到圖像的缺陷。因此，體育節目通常使用大于5mbps的比特率，標準清晰度電視（SDTV）使用4mbps的碼率，而普通電視節目通常使用2mbps-3mbps的比特率。按照一套標清數字電視節目在MPEG-2壓縮的 TS流傳輸需要4mbps的帶寬，那么一個8Mhz的模擬頻道可以傳輸9套標清數字電視（38.1÷4=9.5），為了穩定起見，實際上我們通常是傳輸8套標清，或4套高清，或1套4K節目。

2.數字電視信號指標基本知識

有線電視維護時，裝維人員習慣使用場強儀去測量頻道的電平強弱， 配發的場強儀的RBW帶寬一般為30萬赫茲。因為在模擬時代，“載波電平”隨圖像內容的變化會改變，所以場強儀采用“峰值保持采樣”的方法，可以測量圖像的“載波峰值電平”。到了數字電視時代，電視峰值電平概念和測量手段，與模擬時代完全不同，平均功率在數字電視時代，用于表征頻道信號的功率強弱，即信道功率，通過換算可表征頻道的電平強弱。

數字信號在載波上，實際表征是一種噪聲，對于頻譜測試設備來說，數字信號像是隨機加入的一組脈沖，只能用平均功率來標稱信號強弱。數字信號的平均功率和帶寬有關，帶寬越寬，信道平均功率越高。在頻譜中觀察，只能表征信號平坦度、幅度、頻譜、頻率再生等信息，通常也說明不了調制方式是QPSK、16QAM、64QAM還是256QAM。

256QAM調制的數字頻道，其頻道內統計峰值電平比平均功率高約6dB，這樣可以避免放大器失真，一旦產生互調干擾，會干擾其他頻道信號。峰值-平均值比，也就是統計峰值電平和平均功率的比值，必須對全部時間內的功率進行測量，以獲得統計峰值電平。數字頻道的峰值電平如果調整到和模擬頻道的峰值電平差不多大小的話，數字頻道（256QAM）平均功率和模擬頻道峰值電平相比，就會低大約6dB，64QAM低大約10dB。

由于RF信號的功率會不停地變化，峰值-平均值比值越低，其峰值功率要求就越高，突發的峰值電平雖然只會生成比較低的功率，但放大器必須有能力去放大這些峰值信號，才能盡量不產生額外的失真。通過關注RF信號的突出特性，包括相移、電抗、耗散、噪聲、輻射、反射和非線性，可以確立一致的定義基礎，涵蓋多種含義，不依賴于單個方面或特定數值來區分。RF信號的特性不僅會隨著頻率變化，也會隨著信號功率電平而變化。我們在描述基本特性通常用小信號S參數表示，沒有考慮非線性效應。但是，在一般情況下，通過RF信號的功率電平持續升高通常會帶來更明顯的非線性效應，最終導致其性能下降。RF固有的另一個重要特性—噪聲。噪聲是指電信號的波動，包含許多不同方面。根據其頻譜及其影響信號的方式以及產生噪聲的機制，噪聲可以分為許多不同的類型和形式，存在許多不同物理特性的噪聲源，本文對噪音的影響不深入展開。

通常情況下，數字信號的峰值電平信號在進入放大器時可能引起放大器失真，引起頻譜再生，產生互調干擾產物，干擾其它頻道的信號，造成這些峰值信號的增益壓縮。所以通常建議數字頻道平均功率電平要求大于50dbμV，但小于80dbμV，信噪比大于28dbμV，調整為比同系統的模擬頻道峰值電平低10dB，對于256QAM要低6dB。

3.以全向天線的模型計算功率密度

移動通信的頻率和有線電視信號直接重疊，理論上存在同頻干擾的可能性，這些干擾分為遠場和近場干擾，近場干擾來自手持設備和小型蜂窩天線，遠場干擾來自手機信號塔。在實際場景中，由于手機離廣電的DVB同軸傳輸線路可以很近（＜1米），其功率密度遠遠大于手機信號塔的遠場干擾，對有線電視影響比較大，所以下面以手機為主要研究對象，手機實際上就是一個小型蜂窩天線作為全向發射天線，接下來通過公式計算量化有線電視系統信號接收端受到5G信號干擾的程度。

4G手機的發射功率，被協議限制為最大23dBm，而5G分為FDD和TDD兩種方式，分別為23 dBm和26dBm：

5G FDD （SA模式）：最大發射功率為等級3，即23dBm；

5G TDD （SA模式）：最大發射功率為等級2，即26dBm；

目前中國廣電5G 700Mhz采用FDD模式，5G手機的信號強度最大 23dBm ，根據公式dBm = 10 x log[ 功率/mW] ，可算出得出發射功率Pt =23dBm=0.1995 W。

我們把手機看作一個小型蜂窩天線，天線與波長比非常小，可以認為是全向發射，那么在手機為中心的各個方向上傳播的能量是一致的。

這時候我們把輻射面看作是一個球形，球的表面積 S=4πR^2；

R是信號接收端到信號發射源的距離，當信號接收端離信號發射源距離為1m時，R=1，S=4π（單位m2）。

設Pd是功率密度，指的是一定距離下單位面積的功率：

4.通過功率密度計算到達同軸線纜的場強

接著用這個功率密度來計算場強，這里要科普一個自由空間本征阻抗的概念。自由空間一般是所沒有損耗的填充均勻的無限大空間，電磁波在這個自由空間的傳導中不產生波的散射、反射和吸收等現象。為了計算方便，我們假設手機到同軸線纜是自由空間，實際上只有空氣，對電磁波輻射的計算結果幾乎沒有影響。

我們將傳輸線始端的輸入阻抗簡稱為阻抗，將信號隨時遇到的即時阻抗稱為瞬時阻抗；如果傳輸線具有恒定不變的瞬時阻抗，就稱之為傳輸線的特性阻抗。傳輸線的特性阻抗是指由于傳輸線材料自身的物理屬性引起的阻抗，它與材料有關，是一個常數。

在信號到達的某一個點，在傳輸線傳輸信號的過程中，參考平面和傳輸線之間會形成電場，這個電場的存在，信號是存在電壓的。這個電阻就是傳輸線的特征阻抗，也就是在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點就會等效成一個電阻，例如有線電視同軸線的特征阻抗就是75Ω。

而本征阻抗是指傳輸線上任一點處電壓波與電流波幅值的比值，由于高頻線路中的電壓和電流是分布參數，不能測量，所以本征阻抗只是一個比值，僅有阻抗的量綱，但沒有實際物理意義。自由空間本征阻抗是一物理常數，其量綱跟電阻相同，大小等于電磁波在理想介質中傳輸時磁場振幅和電場振幅之比，自由空間阻抗和自由空間中電磁波產生的電場及磁場量值有關，它是由媒質的參數磁導率和介電常數決定的。

自由空間本征阻抗=120πΩ=377Ω

當信號接收端離信號發射源距離為1米時，

場強E2= 功率密度 Pd * 本征阻抗 = 0.0159 *377

可算出 E=2.45 （單位V/m） 。

按照國家規定，有線電視系統中到用戶終端設備的基礎電平一般在60-80 dbμV，按照目前常用的75Ω的同軸線換算，取下限60dbμV，換算后可以得到是-48.75dbm，下圖給出了換算的公式：

圖2 dbμV和dbm的換算公式

5.計算最大干擾信號強度

按照256 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調制），理想的 SNR（Signal Noise Ratio，信噪比）為35dB，

最大干擾信號強度= -45.75-35db=-80.75 dbm

根據 ANSI-SCTE48-1 2007 的要求，用戶端產品對700Mhz的屏蔽要求不得低于83.4dB。

所以環境最大干擾信號強度為

-80.75dbm + 83.4db= 2.65 dbm = 1.84 mw

功率密度Pd75= 0.0159*377/75=0.08 w/m2 =80mw/m2

通過最大干擾信號可以反推出，如果輻射面積大于 S=1.84/80= 0.023m2，就是230平方厘米，被近距離輻射到這么大面積，才會造成干擾。同軸電纜是很細的，輻射到這么大面積顯然不太可能，所以理論上是不會造成干擾的。

但以上是理論計算，根據調查，70%的有線電視信號屏蔽不良，尤其是從主干分支設備到用戶端。原因包括老化、外部干擾、物理創傷、連接器連接松動、電纜質量差以及無源產品（分支裝置或分配器）或連接器質量差。700MHz頻段是有線電視信號泄漏最嚴重的頻段，泄漏表明密封不良，可能是同軸連接器的連接處有開口，或者電纜的屏蔽層損壞或開裂。

在沒有屏蔽的情況下，-80.75dbm = 0.00000841mw，S=0.00000841/80=1.05e-7m2，也就是0.1平方毫米，這么小的裂縫如果有信號泄漏進去，就會導致干擾。

這也解釋了，在現實場景中，確實有發現手機信號會通過裂縫干擾有線電視信號，反過來泄漏的有線電視系統信號也會干擾手機信號，不僅是上行信號，也會干擾到手機的下行信號。

6.改進工藝提高屏蔽效能

圖3 同軸連接器

有線電視系統典型的用戶端屏蔽問題是同軸連接器的連接處松動，由于同軸電纜的使用和安裝不當，信號泄漏將難以想象，這將不可避免地影響電視信號的接收效果和用戶體驗。薄金屬涂層和片狀導體在所有頻率下都具有良好的電場屏蔽效果，然而，由于孔和裂紋的存在，實際屏蔽效果比預期差。

這些裂紋表現為室內外使用時連接器螺紋鎖緊功能差造成的松動、同軸電纜編織密度差、受時間和氣候影響的鋁箔屏蔽層損壞和孔洞、放大器和分配器后蓋密封不嚴造成的裂紋。因此，為了加強有線電視系統的屏蔽效能，除了關注連接設備自身的材料和生產加工質量外，我們還需要從設計的角度對產品進行細化。常規電纜的屏蔽層由鋁箔和編織線層組成，因此可以考慮通過改進編織線的密度、加工方法、材料和鋁厚度以及將鋁箔層改為銅箔層，采取適當的方法減少物理損傷造成的裂紋和孔洞。在處理放大器分配器后蓋和其他部件密封不良導致的裂紋問題時，除了使用焊絲和焊膏進行密封外，還可以考慮在外殼內部添加屏蔽層，以減少信號泄漏。

結語

綜上，筆者認為5G 700Mhz對有線電視播出的干擾是較小的，完全可以通過工藝改進來避免。但如果因為普遍的施工質量問題，造成大范圍投訴，那么建議這些有線網絡公司直接把受干擾的700Mhz頻道 DS44-DS45， DS47遷移至 DS21-DS22、 Z-9 低頻頻道上，避免影響包括央視在內的高清頻道直播電視的傳輸，或者把一些不重要的內容換到這些高頻頻道來。