CMMB单频网多径模型研究

张 帅，潘长勇，李薰春

（1.清华大学 电子工程系信息科学与技术国家实验室，北京 100084；2.国家广电总局 广播科学研究院，北京 100045）

2006年10月24日，国家广电总局颁布了中国自主研发的CMMB系统标准。CMMB采用波段大功率卫星与地面同频增补网络相结合的技术，两颗高功率S波段卫星覆盖中国多数地域，将从各广播电台获取的Ku波段上行信号送至移动设备。在信号不佳的地区，架设地面补点网（单频网），同时保证卫星信号与地面增补设备转发信号到达接收设备时同步，以确保信号质量，形成覆盖全国的移动多媒体广播网络，实现天地一体[1-3]。

本文以市场上常用的商用接收机为测试终端，在实验室中模拟两径和三径信道，得到单频网下的载噪比门限性能数据，通过非线性拟合得到信道模型，并进行相关分析，可作为指导单频网建设的理论依据。

1 CMMB的单频网

单频网（Single Frequency Network，SFN）是由多个不同位置处于同步的发射机在同一时间以同一频率发射信号，实现对服务区域的可靠覆盖。单频网具有低功耗、低成本、高容错率与抗干扰能力等优势，且在最大限度上适应在复杂多变地形上完成高质量网络覆盖。与此同时，单频网的构架决定了它是一个极易受多径效应影响的网络，如何高效地降低多径效应的影响是组建单频网的主要难题。

2 单频网测试

2.1 测试平台

实验室模拟测试平台采用R＆S SFU来产生单频网多径信号，并输入接收终端进行测试。

2.2 测试内容

单频网测试内容包括2个接收终端在4种工作模式下的两径和三径C/N门限数据。4种工作模式见表1。

表1 4种工作模式

2.3 测试标准

由于接收终端没有TS码流输出，本文采用主观判别法。当多径效应明显时，信道恶化，信息传输时将出现丢包，表现为肉眼可见的块效应，即马赛克。当丢包过多导致解码芯片无法正常工作时，图像画面和声音将出现停顿或黑屏。因此，本文在测试时采用ITU-R BT.2035报告（11/2008）《评估数字地面电视广播系统（包括评价其覆盖区）的指导原则和技术》中建议的主观TOV判别法，定义播放60 s无影响观影效果的马赛克、停顿等现象出现的情况为成功接收，反之为失败。

2.4 测试方案

本文测试两径和三径条件下接收终端的C/N门限值，定义能保证接收终端正常播放的最低C/N值为C/N门限值，并定义能在关闭SFU的附加噪声条件下使接收终端异常播放的最低延时为失败点，若在SFU能提供的最大C/N值（60 dB）下接收终端仍不能正常播放也视为失败点。

两径测试方案如下：

主径场强差0 dB，延时0 μs，第二径场强差分别为0 dB，1 dB，2 dB，3 dB，4 dB，5 dB，10 dB，15 dB，测试第二径延时±10 μs，±30 μs，±45 μs，±55 μs，±60 μs处的C/N门限值，同时测量失败点。

三径测试方案如下：

主径场强差0 dB，延时0 μs，第二径场强差分别为3 dB，5 dB，10 dB，延时分别为20 μs，40 μs，50 μs，测试第三径场强差为0 dB，1 dB，2 dB，3 dB，4 dB，5 dB，10 dB，15 dB，延时为±10 μs，±30 μs，±45 μs，±55 μs，±60 μs处的C/N门限值，同时测量失败点。

3 模型研究

理论上，信道容量由香农公式给出

式中：W表示传输信道带宽；SNR(f)表示传输信道在频率f处的信噪比P(f)/N(f)；H(f)表示传输信道传输函数。

根据COFDM调制方式，式（1）可写为

根据文献[2]，对式（2）进行简化，得到两径经验公式为

三径经验公式为

4 公式拟合

4.1 两径模型

使用式（3）对两径测试数据进行拟合，图1～图4为拟合结果。

4.2 三径模型

用式（4）对三径测试数据进行拟合，拟合相关系数如表2所示。

图1 佳明两径Mode1拟合结果

图2 佳明两径Mode2拟合结果

图3 佳明两径Mode3拟合结果

图4 佳明两径Mode4拟合结果

表2 拟合相关系数

从上表可以看出，式（4）的拟合相关程度不高。对数据进行分析可知，C/N门限值随延时单调增加的幅度在低码率时不明显，但在高码率时就非常显著。式（4）能在低码率时得到好的拟合效果，但对高码率的拟合效果并不理想。基于上述分析，对τ1与τ2的高次项进行修正，经过筛选，使用4次多项式，最终拟合公式为

修正后拟合的相关系数如表3所示，可以看出有明显改善。图5～图8为佳明接收机拟合结果，佳明两径拟合结果如表4所示，佳明三径拟合结果如表5所示。

表3 公式系数

图5 佳明三径Mode1拟合结果

图6 佳明三径Mode2拟合结果

图7 佳明三径Mode3拟合结果

图8 佳明三径Mode4拟合结果

表4 佳明两径拟合结果

表5 佳明三径拟合结果

4.3 结果分析

对两径模型，式（3）能很好地描述两径信道特点，相关系数均在0.95以上。通过观察有如下结论：

1）C/N门限值与延时τ呈正相关，与场强差Δ呈反相关；

2）延时对称点的C/N门限值大致相同；

3）随着码率的提高，C/N门限值升高，且C/N门限值随延时τ的变化减缓，而随场强差Δ的变化加大。

对三径模型，经过修正的式（5）能更好地描述三径信道特点，相关系数基本在0.9以上，相对式（4）有显著提高。通过观察有如下结论：

1）C/N门限值随延时基本呈正相关，随场强差呈反相关，码率增高变化趋势明显。

2）第二径对C/N门限值的影响强于第三径。第二径场强差对C/N门限值的影响强于第二径延时的影响。场强差越大，信道条件越差，C/N门限值变化幅度越剧烈；

3）随着码率的升高，C/N门限值变化的幅度越剧烈，信道条件越差。

4）调制方式不同时，信道恶化对C/N门限值的影响程度不同，QPSK下信道恶化程度弱于16QAM下的信道恶化程度。

5 总结

本文先对CMMB系统和单频网进行介绍，然后在实验室模拟实际信道中的两径和三径模型，并测量不同模式下的载噪比门限。得到测量数据后，按照经验公式使用专业软件进行非线性拟合，得到不同模式下信道载噪比门限与延时和场强差的公式，相关系数基本在0.9左右。拟合得到的公式与理论分析相比有大幅简化，可以保证一定精确度下工程计算的要求，具有一定的指导意义。

[1]GY/T 220.1—2006，移动多媒体广播第1部分广播信道帧结构、信道编码和调制[S].2006.

[2]章理为，万戈，邸娜，等.地面数字电视单频网多径模型研究与性能测试[J].电视技术，2011，35（20）：21-23.

[3]解伟.移动多媒体广播（CMMB）技术与发展[J].电视技术，2008，32（4）：4-7.