利用卫星转发组建地面数字电视广播单频网

2010-06-25陈巍艺

电视技术 2010年7期

陈巍艺

（广东省广播电视技术中心，广东广州 510012）

1 引言

在地面数字电视广播的覆盖中，单频网具有功率小、布点多、无缝覆盖范围大[1]、频率资源节省、移动接收不需要更换频道等优点，因此受到高度重视并被广泛应用。单频网利用光纤、微波或卫星把需要发射的信号源传送到各个发射点，分别调制后再放大发射出去[2-3]；或者把调制后的COFDM信号利用光纤、微波或卫星直接传送到各个发射点，再变频到相应的频道后发射播出[4]。在这些组网方式中，只有采用卫星直接转发COFDM信号的组网方式最方便，成本最低，维护最简单，调整最容易。

2 组建地面数字电视广播单频网

2.1 利用卫星传送单频网信号源

使用同步卫星转发器作为信号分配网络的单频网信号源几乎可以同时到达每个发射点。每个发射点的发射功率小，并通过发射天线的赋形，同时均衡单频网的参数，从而实现单频网覆盖的理想效果，其系统组成如图1所示。在这种方式中，发射点需要接收来自卫星的信号解调后作为信号源，在本地进行调制（见图2）。由于需要在每个点使用调制器等有源器件，故要保持单频网同步，对调制器进行调整和维护。由于涉及大量发射点，其成本和维护费用较高。

2.2 使用卫星直接转发单频网信号

使用卫星直接转发单频网信号，即接收来自卫星转发器的射频（RF）信号，不进行解调，而是从转发器直接将接收到的RF信号变频放大进而进行覆盖，单频网系统质量效果的好坏直接决定系统设备的性能以及链路各环节之间技术标准的匹配程度。借助卫星转发将已调制的地面数字电视信号直接发送到各转发点，仅作信号接收、变频和放大，系统的组成如图3所示。这种组网方式主要优点有：1）所占的卫星转发器带宽较低，空间传输成本极低；2）最低的地面设备系统投入，降低了地面数字电视广播系统的投资；3）由于每个发射点延迟时间等均相等，可以实现安全稳定的覆盖。

2.3 地面数字电视传输技术标准对卫星转发组网的要求

由于地面数字电视技术体系是专门为数字电视地面无线传输制定的技术标准。因此，与卫星传输技术体系不同，在技术上存在诸多特殊要求：

1）地面数字电视采用的是COFDM信道调制编码技术：信道内有多子载波数量模式（4k－3780）、4种调制方式选择（QPSK，16QAM，32QAM，64QAM）、多种内纠错码选择（FEC 0.4，0.6，0.8），多种保护间隔插入时隙选择（420，595，945）等；

2）由于信号幅度作为因数参与了调制过程，因此系统对信号幅度的线性传输要求很高；

3）由于信号相位作为因数参与了调制过程，因此系统对传输通道的相位噪声要求高。

3 系统传输试验情况

为了了解卫星传输链路对地面数字电视广播技术体系的影响，特别是卫星传输多载波和高阶调制对信号的影响，利用卫星传输地面数字电视广播信号进行模拟试验。试验系统如图4所示。

试验结果如下：

1）在使用模拟转发器试验时，系统在使用3种调制方式情况下，均可以完成传输解调。

2）在实际使用卫星传输QPSK调制情况下的COFDM载波时，系统链路接收情况良好，裕量较大，可以满足地面的无线传输技术要求。

3）在采用16QAM调制情况下，接收效果很不理想，解调效果不稳定，说明系统接收已在门限附近，已没有载噪比裕量留给地面传输部分。

4）在采用64QAM调制情况下，根本无法解调接收。

试验传输结果表明，利用卫星直接传输COFDM信号，地面接收后直接进行地面无线传输的设计方案固然有上述诸多优势，但在传输中也存在以下问题：

1）COFDM的数字电视信号在地面卫星上行站发射、接收站接收的空间传输过程中，以及地面的变频、功率放大、地面无线传输和接收处理过程中，信号噪声处于持续的积累过程，信号的载噪比将持续地恶化。

2）由于同步卫星通信空间传输距离过长，尽管空间信道十分稳定，但长距离的传输造成很大的自由空间传输衰耗，在接收处理端完全是小信号处理，与传统的地面微波中继通信和数字电视无线传输情况下的大信号有着本质的不同。

3）国标数字电视的COFDM处理采用QPSK调制，与DVB-S没有传输上的优势而言；采用16QAM和64QAM调制，虽然8 MHz载波可以获得高于19 Mbit/s和27 Mbit/s的大流量信息速率，但由于传输信号的幅度和相位均参与调制，同时，4k子载波模式具有3780个小载波，且插入的导频信号载波与信息载波的电平幅度有差异，因此对传输信道的线性度要求、低相位噪声要求和大功率传输要求都很高。

4）目前，常规的同步通信卫星Ku波段转发器功放的功率尽管已经做到140 W以上，但由于都采用对星载行波管放大器（Traveling Wave Tube Amplifier，TWTA），尽管卫星在Ku波段和C波段转发器上均采用线性器，卫星转发器的输出功率回退值已由原来不带线性器的4.5 dB减小为2.5 dB，但对系统的线性度仍难以用于传输像COFDM这种对传输线性度和解调相位模糊度要求很高的载波。

5）在卫星运行过程中，可以采取多种技术手段，改善传输条件，如通过加大卫星前级的衰减量FCA，减少上行的杂散和邻星干扰等；通过加大转发器上各载波的输入输出功率回退值，改善卫星转发器传输的线性、杂散、交调和相噪等。但目前，卫星传输也只能进行8PSK调制方式的载波传输，尚未有人使用同步卫星成功传输16QAM的调制载波；在加大载波转发器功率回退、改善线性度的同时，会使卫星转发器的可用辐射功率大大减小，对载波载噪比的改善十分不利，同时使载波转发器可传输的载波数量降低，从而提高了单载波的传输成本。

4 分析与验证

为了验证传输试验结果，对卫星传输地面数字电视链路有一个定量的研究，采用与国标DMB-TH相近的欧洲DVB－T标准对地面数字电视诸多传输参数进行选择，以下述传输条件分别对QPSK，16QAM和64QAM 3种调制方式进行链路计算，从而分析国标在地面数字电视广播中的传输特性[5]。

1）计算传输链路载波参数的选择见表1。

表1 链路计算参数表

2）链路传输的卫星参数选择：

（1）传输频段：Ku波段；

（2）卫星有效全向辐射功率EIRP值：52.1 dBW；

（3）卫星品质因数G/T值：5.5 dB/K；

（4）卫星接收饱和通量密度SFD值：－90.05 dBW/m2；

（5）上行发射天线4.5 m，天线仰角60.55°；

（6）接收天线2 m，天线仰角60.55°。

在链路计算中选取的卫星转发器和地面设备的参数基本上与试验实际情况一致，主要目的是考察传输链路能获得的载噪比（C/N）；本链路计算中选取的门限是能量噪声比（Eb/N0），如QPSK时为7.7 dB只是一个参考数值，并非实际的信噪比。实际上需要考察的是表1中给出的数据中的C/N。链路计算中，系统传输可用度的选取仅为99.8%，上行链路的雨衰损耗为2.72 dB。因此，上行设置3 dB的上行功率自动控制功率补偿；下行链路的雨衰损耗为2.07 dB。链路的传输可用度是由满足电信级的传输接收链路保障要求的。

3）计算结果分析

链路计算结果评估如表2所示。

表2 链路计算结果评估表

由于3种调制方式选取的调制系数和信息速率不同，且相对应地进行变化，故最终得到的符号速率基本上十分接近，因此3种调制体制下传输链路的综合载噪比基本相同。从QPSK调制的传输结果来看，链路的传输裕量很大，因此测试中必然能稳定地接收。卫星链路传输预算的条件一般比较苛刻，实际发射过程中的传输结果一般会比理论计算结果高3 dB左右，因此采用16QAM调制时，链路计算的理论结果是不通的，但试验时是可以测通的，所以一定是在门限附近，才会出现图像不稳定的情况，这与本文的分析是吻合的。

采用64QAM的调制方式，由于链路裕量相差太多，多达8 dB以上。即使考虑理论和实际传输的3 dB的差值，也没有任何实际应用的意义。

根据利用卫星传输欧标地面数字电视DVB-T的理论，利用卫星传输只能采用QPSK调制的方式进行，而国标采用了4k模式，并利用LDPC和BCH纠错编码，其C/N值要求比DVB-T标准更低（见表3），即使考虑发射点功放的损耗也能够留有足够的裕量来实现转发设置。