地面数字电视广播单频网应用实践*

2010-06-07潘长勇冯景锋王劲涛

电视技术 2010年8期

潘长勇，冯景锋，王劲涛

（1.清华大学信息科学与技术国家实验室；微波与数字通信技术国家重点实验室；清华大学电子工程系，北京 100084；2.国家广播电影电视总局广播电视规划院，北京 100866）

1 引言

在传统的模拟电视广播中，为了对一定区域进行覆盖，相邻发射台需使用不同的频率以避免相互干扰，同一频率必须在一定距离以外才能进行重用，为多频网（MFN）组网方式。在多频网方式下，为实现同一节目在较大范围内的覆盖需要使用多个频率，如图1所示。例如，在香港，为了使同一广播节目覆盖整个地区，曾使用多达27个差转台。在多频网方式下，实现同一节目在一定服务区域的有效覆盖需要占用几倍的频道带宽，消耗了大量的频谱资源，具体的复用情况可以用重用因子来描述，图1所示多频网的重用因子为7。

2 地面数字电视广播单频网

为了有效利用有限的频谱资源，地面数字电视广播引入了单频网组网方式。单频网是指若干个发射台在同一时间、同一频率上发射同样的信号，以实现对一定服务区域的可靠覆盖[1-3]。单频网带来的最直接的好处就是频谱利用率的提高。相对于多频网而言，由于不需要频率重用，为实现同一节目在较大范围内的覆盖只需要使用一个频率，节省了大量的频率资源，如图2所示。

通过对单频网发射网络的调整和优化，可使用多个小功率发射机代替一个大功率发射机，以降低信号辐射，减小电磁波污染，增强信号覆盖均匀度，减轻对附近其他网络的干扰，甚至根据需要随时改变覆盖区域[4-7]。

当然，单频网在实现时也有很多难点，其网络结构容易形成一个多径情况严重的无线环境，除了反射、散射等造成的自然多径以外，其他发射机在同一频率上所发射的信号也构成人工多径，而且可能是强多径，如图3所示。笔者通过理论分析及场地测试，重点讨论在单频网环境中的地面数字电视广播接收性能[7]，进而提出地面数字电视单频网网络覆盖中的若干建议。

3 地面数字电视广播单频网增益分析

单频网网络规划的最大好处在于频谱利用率的提高，即在整个网络中对相同的频率可以反复使用。在单频网中，尽管接收机能够同时接收网络中的多个信号，从而使接收功率提高，但是由于这些信号会带来相互干扰，形成复杂的人工多径环境，因此在一般情况下，难以获得接收性能增益，一个单频网网络只有在若干狭窄的区域才可能得到性能增益[5-6]。

一般地，单频网对于接收信号的功率是有增益的，但是对于接收的载噪比（C/N）以及接收裕量是有损失的。假设包含2个发射站（A，B）的单频网结构，接收机接收到的A站信号功率为PA，接收到的B站信号功率为PB，接收机在目前调制模式下的C/N门限为M，两站单独工作时，接收机对2个发射站的接收裕量分别为LA和LB。在单频网工作状态下，两站同时开启，此时接收点的功率为PA+B，接收机的接收裕量为LA+B。根据场强合成理论，PA+B会大于PA和PB中最大值。但是，LA+B会小于LA和LB中最大值。这是因为在多径信道下，即使接收机能够得到准确的信道估计结果，但是对于多径效应所引起的信道频率选择性衰落，现阶段的单天线接收机只能尽可能准确地进行均衡，去除干扰影响。特别在单频网环境下，人工多径的功率较强，其引起的信道频率选择性衰落也会更加严重。

以0 dB人工多径为例对单频网网络中存在2个或3个发射站的情况进行分析，即单频网中2个或3个发射站发射的信号以相同的功率大小到达接收机，其信道的频率选择性衰落特性如图4所示。

由图4可知，在这两种情况下的信道都有数个频率点的功率谱密度低于-25 dB，有的甚至低于-40 dB，称这些谱值极低的频点为信道频谱零点，由于接收机在进行信道均衡时需要根据当前信道频点的增益（或衰减）进行调整。在信道频谱零点上，信道的极大衰减会导致均衡时噪声能量提升。因此，位于这些频点之上及附近若干个频点所携带的发送数据很有可能难以恢复，这就是单频网接收性能恶化的主要原因。图4中，随着0 dB回波（或近似0 dB）的数目增多，信道频率选择性衰落严重，从而导致接收机的性能恶化。

在目前接收机的硬件结构下，单频网增益很难找到。除非找到一个点，2个信号完全同频同相，延时完全一致，在这些点的信号才能完全相加，得到增益。这种点应该存在于一条直线上，考虑到无线信道是时变信道，在实际的测试中几乎无法测得这样的点。但是在实验室中，如果能够准确地控制时间和相位，可能得到这样的增益。

4 地面数字电视广播单频网开路测试

实验室测试发现，单频网中2个发射机发射的信号以相同大小到达接收机（0 dB回波）时，接收信号的功率增加一倍（载波功率提高3 dB）。在2个信号的延时扩展不超过系统保护间隔大小的时候，无误接收所需的C/N值约增加一倍（C/N门限提高3 dB），因此需要更高的C/N来抵抗0 dB回波对接收信号的干扰，这也相应抵消了接收信号功率的提高。当信道回波延时不超过系统保护间隔长度时，0 dB回波的极端情况在单频网中可以容忍，但由于所需C/N门限的提高，很难带来所谓的网络增益，这也与上节中的分析吻合。

2007年，在北京进行了数字电视单频网开路测试[8]，包含3个发射站：中央电视塔、沙河、491台（见图5），台站间距为20.98 km，23.80 km和35.72 km，发射功率为1 kW。

北工大西门测试点位于中央电视发射塔和491台之间，测试结果如表1所示。

表1 北工大西门测试结果

测试数据表明：在单频网覆盖的交叠区，即至少两个或两个以上不同单频网台站信号重复覆盖的区域（在该区域内，各台站独立接收时，最大信号电平与其他台站信号电平差小于射频保护率），当多个发射站开启时将有效提升接收点的场强，但是接收点的C/N却也存在明显的恶化。

无线通信系统的接收灵敏度由式（1）决定

式中：C/N是载噪比门限，NF是噪声系数。如果要保证接收机能够正常接收，则要求接收到的信号功率必须大于Pmin。单频网的引入虽然使接收功率增加，但也使正常接收所需的C/N门限增加。如果希望得到单频网增益，则要求功率的增加大于C/N门限的增加。当单频网中不同发射站的重叠覆盖区信号功率增量小于载噪比门限增量时，单频网重叠覆盖将导致信号接收裕量的下降。

表2为北京单频网实验实测的另外一组数据，该点的多径情况如图6所示。可以看出，由于单频网环境中存在较强的多径回波，从而引起了载噪比门限的增加，尽管接收端信号电平有明显提高（约4 dB），但信号的接收裕量却下降了。