浅析地面数字电视单频网

临沂市广播电视台 刘振华

单频网技术已经成为国标地面数字电视覆盖最为常用的组网方式，在整个行业中得到了广泛地运用。文章结合了临沂发射台站实际情况对现阶段国标地面数字电视单频网进行相关分析，了解其系统重要组成部分，浅析单频网技术在地面数字电视的应用。

目前，我国“省级或区域单频网为主，多频网为辅”的地面数字电视组网方式已基本实现无线数字化全覆盖。单频网技术在广播电视频谱资源规划有限的情况下，较大的降低了电视节目覆盖率，有效的提高了频谱的利用效率。以我们临沂广播电视台为例，临沂发射台站肩负着保障4套地面数字电视节目“不间断、高质量、既经济、又安全”播出的重任，4套数字电视包括标清13CH、标清16CH、标清23CH和临沂本地高清25CH，其中16CH是中央单频网地面数字电视，23CH是省单频网地面数字电视。

1 地面数字电视单频网简述

1.1 地面数字电视单频网的诠释

地面数字电视单频网是指在一个规定的网络内由多台地面数字电视发射机处于同步工作状态但位于不同地点组成的覆盖区域，网络中的各子发射机为了实现对特定区域内的有效覆盖，必须在相同的时间以相同的频率发射相同的已调射频信号。

1.2 单频网的特点

单频网技术不仅使广播电视频谱有效利用率得到很大的提升，而且网络的功率效率也得到了较大的提高，另外单频网有更加平滑的覆盖面，各级发射站台可以根据实际情况调整和增加覆盖面，可对覆盖盲区进行补点覆盖等。同时单频网也存在一定的缺点和不足，如不能像多频网一样对覆盖区的某一部分提供相关的业务支持，组网技术所需要的设备比较多、建设成本要高出多频网很多，网内各子发射台站的覆盖距离有限，容易会因超出接收机多径信号处理范围而受其他网络干扰。

2 地面数字电视单频网同步的要素

由于地面数字电视接收机具有多径信号处理能力，接收天线能够同时收到网内多个子发射台站的信号，这就要求单频网内必须全部是相同频率和相同比特的数字电视信号；同时为使来自单频网内其他相邻子发射台站的接收信号与欲接收信号之间的时延满足接收机能够抵抗的时延范围，单频网内还必须全部是相同时间的数字电视信号。这就要求单频网中各子发射机都必须经过相同调制方式，并以相同的频率在相同的时间进行无线发射。

2.1 时间同步

时间同步就是为使来自其他相邻子地面数字电视发射台站的接收信号与欲收信号之间的时延保持在一定的范围内，涉及节目分配网络传输过程中产生时延，单频网中各子发射台站在时域上采用校正补偿，以达到信号在相同时间调制发射的目的。也就是说节目分配网络和各子发射台站都将引入时延补偿，以保证相同的信号帧应在相同的时刻被各子发射台站发送。

2.2 频率同步

频率同步是指单频网内各子地面数字电视发射机无线发射相同频率的载波，其载波频率偏差允许值规定在±1Hz。这就要求各子地面数字电视发射机有很高的频率精度和稳定度，为了达到这个要求，各子台站发射机中的激励器的都必须采用相同的调制频率，以用来保证发射机调制到特定的射频频率输出。我们临沂台站采用的方法是发射机激励器部分采用省平台统一规划的时钟参考源来驱动，用GPS接收机提供的10MHz信号作为时钟参考源。

2.3 比特同步

比特同步是指单频网中各子地面数字电视发射台站在相同的时间发射相同字符，这就要求各子台站必须使用完全相同的信道编码、映射和帧体数据处理方式，以及完全相同的帧结构，即各子发射台站的地面数字电视发射机的激励器必须选择相同的模式工作，并且严格遵守GB20600-2006规定，以保证信号调制过程中随机化过程的比特同步。

3 地面数字电视单频网系统结构

现在应用TS流分配网络的单频网覆盖是最为普遍的单频网组网方式，TS流分配网络的设计和建设也是单频网技术的核心内容。现就基于IP传输的地面数字电视单频网系统简单介绍一下，其结构如图1所示。该单频网系统主要是由单频网适配器、TS Over IP网关、节目分配网络、同步系统、发射系统等几部分组成。系统流程：信源经总平台前端的AVS+编码器输出的多路TS码流复用进入单频网适配器进行适配，形成了包含秒帧初始化包（SIP）的TS流，经TS Over IP技术输出IP信号，再通过两条地面传输链路将码流分发到各子发射台站以清流方式播出。对各子发射台站传输链路产生的时延，同步系统计算出单频网同步所需的时间并进行校正，并规定各子发射机以相同频率发送相同节目信号。

图1 基于IP传输的地面数字电视单频网示意图

3.1 单频网适配器

地面数字电视单频网系统的核心组成部分是单频网适配器，最主要作用是利用GPS提供的秒脉冲1PPS信号和10MHz参考时钟，对输入的TS流插入秒帧初始化包（SIP)和码率适配，为全局地面数字电视单频网系统提供标准时间和频率信号。其中SIP每1s插入一次，与GPS的1PPS对齐，国标的SIP插入方法是符合MPEG-2标准的，比DVB的MIP包更简单可行。此外，为实现TS流的码率适配，当TS码流数据不在一个秒帧内时，采用把一个单频网适配空包自动插入其中，其码流速率以10MHz参考时钟锁定。

3.2 TS Over IP网关

目前，我国现阶段已经建成的地面数字电视单频网系统中，为了传输省、市、县各级电视台节目，满足省内各级电视台节目播出的迫切需求，IP网络传输MPEG-2 TS流（即TS Over IP）技术越来越广泛的应用于数字电视广播领域。TS Over IP的重要作用是实现地面数字电视相关业务模式和传输协议的数据转换，其优点组网灵活、资源占用少、兼容性强、扩容成本低。

3.3 节目分配网络

节目分配网络是指以总平台为核心节点的点对多点的数字电视传输专用网络，其功能是把包含SIP包的节目码流全透明地从总平台传送到各子发射台站，以供地面数字电视发射机进行无线发射。根据节目分配网络的类型可以分为基于卫星、光纤、微波以及IP传输的单频网技术方案，其中基于IP传输主要有“光纤+IP”和“数字微波+IP”两种形式。以我们临沂台站为例，省系统网络采用IP+PTN的传输架构，总平台侧移动、广电网络公司均以双路由接入的方式建设，即同一时间三个方向的光缆损坏不影响播出。临沂台（分台站）侧以移动双路由、广电网络公司单路由的接入方式建设，即同一时间两个方向的光缆损坏不影响播出。

3.4 同步系统

为保证广播电视节目全透明传输，单频网内各子发射台站必须采用统一的基准时间和基准频率，这便要求网内应有一个统一的基准时钟。目前该系统大多采用GPS参考源作为基准时钟信号来解决各子发射台站的同步问题，各子发射台站将GPS的1PPS秒脉冲信号和单频网适配器的信息，解决各子发射台站的时间同步，绝对精度需要保持在100nS以内，这在全世界均是相同的；利用GPS的10MHz信号作为外部参考时钟，解决各子发射台站的频率同步，锁定状态下可优于1E-11，同时1PPS秒脉冲信号与10MHz参考时钟相互对应。

3.5 发射系统

发射系统的主要功能是通过发射机将节目分配网络送来的码流信号进行信道编码、同步调制、上变频以及功率放大，再经过滤波器和多工器送给发射天线将已调制射频信号变成电磁波发送出去。国标地面数字电视发射机是地面数字电视单频网发射系统的重要设备，临沂台单频网16CH、23CH目前均采用的是吉兆1KW地面数字电视发射机，其本身是由主备两激励器共同组成，一旦某一激励器出现了故障，就会自动切换到备激励器播出，确保电视节目正常播出。GPS接收机是单频网信号同步的重要保障，单频网内各子发射台站的地面数字电视发射机通过GPS接收机实现信号同步。此外，单频网内各子发射台站天线应发射或接收规定相同极化的电磁波，相邻各子发射台站也要满足一定的台站间距要求。

3.6 其他配套系统

在地面数字电视单频网系统中，为了保障整个系统正常运行，还需要配备其他相关设备，临沂发射台站根据省总平台单频网要求安装的松丰智能一体化UPS电源系统可全方位满足地面数字电视单频网系统及播出机房要求，提高发射相关设备的播出质量；北京博汇远程监控系统通过深度SIP包分析及关键设备参数采集，能实时监测单频网的运行状态，并且可以实现单频网内各级台站数据的统一调配。

4 地面数字电视单频网测试与分析

地面数字电视单频网建成之后，必须要进行测试才能知道单频网的覆盖效果，然后通过分析找到单频网建设中存在的缺陷和不足，对单频网内各台站进行设备调整和技术改造。

单频网信号收测指标主要有接收信号强度指示（RSSI）、信噪比(SNR)、调制误差比(MER)、调制精度-误差矢量幅度(EVM)、低密度校验码(LDPC)误块率以及同步情况等。单频网信号收测主要依靠国标地面数字电视广播测试系统，临沂台站目前使用的是S7000电视信号综合分析仪，S7000为模块化的设计理念，包含DTMB功能模块、码流分析功能模块等，视频监测功能支持标清和高清视频的解码。DTMB功能模块可以测量DTMB频道相关参数，如功率电平、MER、BER等；S7000的嵌入式码流分析模块支持DVB标准和ATSC标准（扩展）的TS流分析，包括实时TS流和离线TS流文件以及后续扩展的IPTV，主要功能有：实时解码、实时码流录制、频道编辑、离线码流解码、TR101 290三级监测、PID浏览、PSSI数据捕获、三级监测报警参数设置等。此外，S7000的地面系统频谱分析功能可以实现对地面信号的动态监控，发现可能存在的干扰信号，利用星座图提供的关于网络干扰的来源与种类的线索，作为辅助工具排除故障，可以轻松的发现各种调制问题。

地面数字电视单频网的运用最大限度地提高了频谱的使用率，节省了大量的无线频谱资源，解决了覆盖盲区问题，获得较好的覆盖效果。本文结合临沂发射台站相关情况，对地面数字电视单频网作了部分浅析，不足之处，敬请指正。