国标地面数字电视单频网的组网与建设

2011-09-06郭发云

山西电子技术 2011年4期

郭发云

（山西泰森科技股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

随着数字电视技术的发展，数字电视产业逐渐形成了有线数字电视系统、卫星数字电视系统、地面数字电视系统互为补充，并行发展的格局。单频网是地面数字电视产业重要的组网方式之一，它由多个位于不同地点、处于同步状态的发射机组成数字电视覆盖网络，网络中的各个发射机以相同的频率、在相同的时刻发射相同的节目以实现对特定服务区的可靠覆盖。单频网组网过程中需要解决的一个关键问题是所有发射机的同步问题，这个问题的关键在于信号源到发射机的传输、适配。

1 地面数字电视单频网

地面数字电视单频网（SFN:Single Frequency Network）是由多个位于不同地点、处于同步状态的发射机组成的数字电视覆盖网络，以相同频率、在相同时刻发射相同节目，以实现对特定区域的可靠覆盖。

单频网具有有利于频谱规划、提高频谱利用率、较好的信号覆盖特性、降低信号辐射、减少电磁污染、增强信号覆盖均匀度等诸多优点，对单频网组网关键技术的研究将能大大促进我国数字电视产业发展，改善我国频率资源紧张的状况。随着DTMB标准成为我国强制性标准以及老挝、柬埔寨等国对DTMB标准的采纳，我国及采用DTMB标准的国家地面数字电视单频网建设正处于起步阶段，国内、国际市场推广前景将非常广阔。［1］

单频网具有很多优点，首先是有利于频率规划。在我国空间频谱资源紧张的情况下，可以大大节约宝贵的频率资源，提高频谱利用率。其次，由于无线电信号本身的特性，在高楼林立的城市或丘陵山地环境中，无论单个数字电视发射站点的发射功率多大都会有很多信号覆盖不到的区域，这些覆盖不到的区域被称作覆盖盲区或盲点，单频网则可通过多点同频发射的办法来解决覆盖盲区问题，获得较好的覆盖率。第三，单频网技术还可降低发射机设备的成本;通过优化和调整单频网发射网络（基站数量、分布、发射天线高度、发射功率等），可以使用多个较小功率发射机代替一个大功率发射机，以降低信号辐射、减少电磁波污染、增强覆盖均匀度，也可以根据需要随时改变覆盖意图。

2 单频网组网技术

同频干扰是单频网广播面临的最大问题。传统单频网依靠GPS同步各发射机的发射时间，靠保护间隔保证天线收到的不同信号能同时到达接收机。一旦超过保护间隔允许的距离，两个或两个以上的同频信号到达接收机时间不同，将导致接收机解码失败。故而靠GPS同步的方式仍有很多不足。实际上，根本不需要在各发射站完全同步，只需要解决各基站同频信号交叉覆盖地区的同步问题即可。

我们通过研究单频网的建站距离，不断地进行实地检测信号，对单频网组网技术有了更好的认识，通过改善以下两点即可解决同频干扰和信号盲区的问题:（1）只需对各基站同频信号交叉覆盖地区，采用时延调节模块进行相应调整;（2）相邻基站采用不同极化方式发射信号。通过对这两种方式的选用或全部采用，基本能保证各基站“同频干扰”现象消失。这是单频网得以实现的一个技术保证，并在一些地区得到成功的商业运用［3］。

2.1 国标地面数字电视单频网组网结构图

图1 国标地面数字电视单频网组成结构示意图

这种单频网广播模式，可以省掉各个基站复杂昂贵的GPS时钟同步系统，降低系统复杂性，提高安全性;妥善处理某些交叉覆盖区的同频干扰现象。

2.2 单频网补点发射基站

前端处理好的数字化信号输入微波宽频带发射机或光发射机（经有线电视光缆）传输，转发基站接收到信号后，将微波天线上的下变频器转为UHF信号，或将有线电视光缆送来的地面数字电视广播UHF波段信号，经滤波后对所有RF射频信号进行适当延时调整后（传统方案中是对不同频道TS流进行延时，相对比较复杂），经小功率发射机作单频网发射，覆盖5～20 km范围用户。

按照中国数字电视地面广播编码标准GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》所建议的单频网组网模式:“本标准系统也可以采用不依赖于GPS的主从结构方案，全系统自动调节各自相对于主发射机的时延，实现了整个单频网的发送时间同步”，该方案是有权威理论支持的。由于不象传统方式采用昂贵的GPS同步设备，故不需设置保护间隔。该方案已在内地多个地区单频网广播中得到很好应用，是真正质优价廉的可靠的单频网组网技术方案。其原理图见图2。

图2 单频网补点发射基站原理框图

信号源采用MMDS微波或光缆传输，而不是各接收基站接收开路地面数字电视广播信号后另行转发，是为了保证后面发射基站信号不至于时延过于滞后，难以保证交叉覆盖区接收点同步接收到不同基站信号。一般来说，离前端近的基站设计时延调整多些。距离前端远的基站时延调整少些，则比较容易平衡。

通过在多个单频网交叉覆盖区测试数据，调整补点基站的不同时延，可保证在交叉覆盖区的信号能基本同步到达接收机，接收机即可正常接收解码，消除同频干扰的影响。

图3 2个基站交叉覆盖区同频干扰的时延调整示意图

如图3所示，在2个交叉覆盖区内（可事先估算出位置），用一条直线画出2交叉覆盖区域中同频干扰最严重的地方，到该地实测确定后，对2个转播基站中的一个进行时延调整，一般在5～20 μs之间。经过这样的调整，相邻发射基站的发射时间不一定严格同步，但只要保证在交叉覆盖区中心点收到的两个不同基站的信号能同时到达接收机，同频干扰现象就会消失。测试时可以采用仪器与机顶盒接收相结合的办法进行。一般通过几次调整，就可以解决问题，以后也基本不需要再调试。如有多个基站信号交叉覆盖区，相邻的基站可以采用不同的极化方式（水平或垂直），这样能最大限度降低同频干扰的影响。因为用户主要是固定接收，只要采用相同的天线架设方式即可，不会影响其日常收看电视。在一些农村地区，有时仅需采用不同极化方式安装转发基站，不需调整基站发射时延也可以保证交叉覆盖区的良好接收效果。

另外，采用定向发射或降低某个相邻基站的发射功率等办法，也可以进一步降低同频干扰。

2.3 单频网组网优点［4］

（1）有利于频率规划。在我国频谱资源有限的情况下，可以大大节约宝贵的频率资源，提高频谱利用率。

（2）可解决覆盖盲区问题。在高楼林立的大城市，单台数字电视发射发射机无论功率多大，都会有一定信号盲区或盲点，单频网则可通过多点同频发射的办法来获得较好的覆盖率。

（3）单频网组网可降低发射机设备的成本。通过优化和调整单频网发射网络（基站数量、分布、发射天线高度、发射功率等），使用多个较小功率发射机代替一个超大功率发射机。

（4）单频网组网有利于降低信号辐射、减少电磁波污染、增强覆盖均匀度。

（5）便于移动接收。

2.4 实测单频网信号频谱图

图4 实测的组网成功的单频网信号频谱图

图4中，波瓣越多，多路信号的时延差越大，波瓣越深，多路信号的电平差越小。良好的单频网信号的频谱应该是波瓣少而且深。

3 单频网建站距离

地面数字电视单频网最大建站距离是单频网的重要参数，它决定了单频网的发射站点的选取、建设成本以及建网的复杂性。地面数字电视单频网的最大设台距离主要取决于地面数字电视系统抗回波（多径）干扰的能力，系统如果可承受的回波延时越长，单频网设台距离可以越大。符合GB20600-2006的地面数字电视系统抗回波干扰的能力依赖于发射端信号的帧结构以及接收端的信道估计与均衡算法。目前的测试结果表明:地面数字电视传输系统各种工作模式的抗0 dB回波干扰延时长度一般都能做到与各自信号帧结构中的帧头长度基本相当。随着地面数字电视系统接收端算法的改进，以及发射天线和接收天线的设计，也可以接收超过帧头长度的多径信号，这样符合GB20600-2006的地面数字电视广播单频网设台距离也将进一步增大［5］。

地面数字电视广播单频网设台距离可根据GB20600-2006规定的信号帧结构的帧头持续时间来考虑，帧头持续时间即是抗多径干扰的保护时间，在保护时间内接收到的不同信号可以被接收选择出最佳电平的信号。

如系统采用PN420帧头，GB20600-2006规定的基带符号率为 7.56 Msps，帧头长度t=420 ×1/7.56 μs=55.56 μs，射频信号在此时间内的传输距离l=55.56 μs×3×108m/s=16.67 km，这也是单频网设台的最大距离。

对于 PN595 帧头，t=78.7 μs，l=23.61 km，

对于 PN945 帧头，t=125 μs，l=37.5 km，

因此，单频网设台的最大距离最好选为16.67 km。