地面数字电视广播单频网系统及传输覆盖

程培刚

（临沂市广播电视台 山东省临沂市 276000）

地面数字广播以地面广播传输数字信号。数字电视广播最早在欧美国家使用，标准为DTTB 标准，之后相继形成了DVB-T、ATSC 及ISDB-T 标准。我国地面数字广播系统发展较晚，于2006年建立了DTMB 标准，并逐渐走向国际化。随着地面数字电视广播网络的持续发展，单频网应用逐渐广泛。

1 单频网概述

地面数字电视广播单频网（Single Frequency Network，SFN）包括多个发射台，同一时间发射的信号相同，可以实现全方位覆盖服务区域的效果。随着数字电视广播网络发展越发迅速，单频网络应用广泛，发展前景较好[1]。需要注意的是，尽管我国多个区域都覆盖了单频网，但是不同地区的实际码率速率不同。单频网在使用时会受到各种因素影响，为推动无线电视台实现持续发展，需要综合考虑多种因素。

1.1 信道环境

电磁波可以分为直射波、绕射波、多径反射波及散射波等类型。地面数字电视广播信道环境包括高斯、莱斯及瑞利这三种信道类型[1]。

1.1.1 高斯传播

高斯热噪声不受发射与接收天线、反射和散射体以及视距传播等因素的影响，概率函数为：

1.1.2 莱斯传播

莱斯传播中，路径传播损耗就是电磁波在空间传播时产生的电平平均值。空间传播中全向天线和无线电波会以球面波形式扩散在四周。该信道方式受到强接收信号与低功率延时信号阻碍以及热噪声影响，一般在高层公寓与市区街道中应用。概率函数为：

1.1.3 瑞利传输

受到噪声、多径、电磁波反射及散射因素的影响，一般在山脚下或大楼阻挡处应用，概率函数为：

1.2 传输损耗

路径传输损耗是指电磁波在空间传播过程中产生的电平平均值。就全向天线而言，无线电波在空间中传输是以球面波形式扩散到周围，空间传播公式为：

地面数字电视广播系统使用单频网组网是为了充分利用频谱资源。单频网能够在同一时间以同一频率发射若干相同信号，保证特定区域实现信号全覆盖。相对于多频网而言，单频网无需重复使用频率，只需要利用某一频率就能扩大同一节目的覆盖范围，从而降低频率资源，提高频谱利用率。通过优化调节单频网发射网络，用若干小功率发射机替代单一大功率发射机，可以降低信号辐射，减轻电磁波污染，提高信号覆盖，进一步提高单频网抗邻近网络干扰性能。

2 单频网系统

地面数字电视单频网基本构成：信源系统、同步设备、传输分发网络、发射系统、接收设备、监测设备，如图1 所示。

图1：地面数字电视单频网基本构成

2.1 适配系统

构建单频网首先要建立单频网适配系统。单频网适配利用地面数字电视广播单频网适配器实现。适配器能够实现码速率适配和秒帧初始化包（Second Frame Initialization Packet，SIP）插入功能。适配器根据系统输出码率时钟每隔1 s 向输入的TS 码流插入SIP，其中包括最大延迟时间、工作模式及独立调整延时等信息。在其他位置，适配器可以在前端缓冲区读取TS 码流，并将TS 码流中所有包标识（Packet Identifier，PID）为0x1FFF 的TS 包替换为单频网适配数据包，若码流数据不在一个秒帧内，就在其中插入TS 空包，使TS 流码率能够更好地完成适配[2]。地面数字电视广播单频网适配器输出的TS 码流速率和由单频网适配器规定的发射机工作模式要求的净载荷速率相同，并且锁定在10 MHz 参考时钟上。此外，需要注意单频网适配器TS 码流抖动要尽量控制在100 ns 以内。

2.2 传输系统

地面数字电视广播单频网的节目传输网络需要满足两个要求：

（1）传输网络TS 码流抖动在100 ns 内；

（2）确保100%传输，即不可在传输网络中改变PID 和节目时钟参考(Program Clock Reference，PCR)，也不能增加或删除固定空包。

2.3 发射系统

发射系统是单频网十分重要的处理单元，一般在各发射台调制器同步模块中[3]，将接收的透明传输同步编码调制成射频信号，利用同一频率在规定时间发射出去。调制器或发射机在实际应用中可以按照授时接收机所提供的基准时钟实现单频网同步。

3 单频网传输覆盖

3.1 选择同步方式

3.1.1 复用器

CMMB 复用器可以对不同发射台站的节目进行复用，其中包括了数据业务、视音频编码等内容，利用该设备可以使传输流进入到传输分配网络，最终进入到CMMB 调制器内。

3.1.2 适配器

作为网络传送装置之一，网络适配器能够对发射台站与分发射台站信号实现透明传输，负责接收的适配器可以进行相反功能转化分配。为使传输能够同步进行，需要对网络适配器延时问题进行严格控制，延迟要低于3s[4]。

3.1.3 调制器

CMMB 调制器可以提供射频信号发射至天线的附加时延。不同发射台中的调制时钟能够实现同步运行。根据单频网需求，发射机信号的所有信号都需要一致，同时也需要保证调制输入码流能够同步。

3.1.4 定位系统

GPS 系统可以得到10 MHz 标准频率、标准时间及时间标签等方面的数据信息。

3.2 频率选择

广播电视网络是采用模拟信号和数字信号共同播出的一种混合网络，为使模拟信号和数字移动电视频道能够同时播出，在对数字移动电视信号发射装置进行分析的时候，需要选择干扰小、负担小、电磁环境干净的频道进行工作[5]。需要按照以下流程进行频率选择：

（1）参考台站的选择，其是随机在候选频道内选择一个频道使用，计算选择的台址有害场，选择的有害场相对于设定的门限参考模拟站台要保持超过状态。

（2）在选中的模拟站台做电子顺磁共振（EPR），按照模拟站台的有害场场强值，结合模拟站台与数字站台之间的间距，筛选对应的模拟站台[6]。

（3）通过数字站台干扰筛选同时分析所筛选的模拟站台。

（4）以数字台站为首站台来分析有害场，并对数字台站和模拟台站干扰性进行分析，同时对EPR 进行模拟。

3.3 传输模式

DVB-T 和2K 模块可以建立较小的单频网，其中2K 模块同步速度快且抗干扰能力较强；8K 模块同步稳定且有较强抗时延能力。3 种典型的传输模式设置及相应的特点对比如表1 所示。

表1：3 种典型的传输模式设置对比

3.4 GPS同步模式

由于多载波系统抵抗频率漂移能力比较弱，因此需要采用GPS同步，构建高度稳定的本地振荡器，发射机以GPS 频率为参考利用基本频率发射，使整体系统稳定工作[7]。主发射点接收高质量的信号后将其传送到变频器，将信号变为中频信号后进行滤波并放大，达到较好的盲点覆盖效果。

3.5 发射机与传输网络

构建单频网首先要选定发射机。发射机要能长时间不间断地工作，这是对设备的基本要求，即可靠性；同时还要保证发射器的技术性，即能在各种环境下良好运行，保证传输效果，稳定发送和接收信号。

发射台站建设完成后，多路节目可以在此基础上实现同步传输至发射台站上，最终达到客户端。信号传输主要通过光纤、卫星和射频等方式进行传输。光纤传输是将调制器安装到发射器上，电视信号可以在此基础上传输至发射机，调制器可以对信号进行统一处理、发射，这样充分利用电信网络资源[8]；而卫星传输则是利用卫星信道进行信号传输。射频传输则是利用调制器将射频信号发射出来，再经过多个微波频道将信号传给发射机，经过调制器转化最终实现发送。

3.6 测试与优化

测试结果能够起到优化单频网的作用，其能够帮助改进重叠区信号和覆盖盲区。改进重叠区信号需要对天线、发射功率、时延等方面进行优化，通过调整天线层数、倾斜度、发射功率可以控制发射点的覆盖区域，利用发射时延能够使重叠区的接收机干扰情况得到有效调整。而覆盖盲区则可以采用增加补点器或是基站达到目的。大范围的覆盖盲区是通过增加基站达到目的的。发射机形成的信号网络会产生局部的弱区或是盲区，对此可以通过加强覆盖信号或是增强信号对该问题进行解决，采用补点器能够使覆盖范围扩大，提高覆盖率。

4 结语

主要研究地面数字电视广播单频网，深入分析单频网技术、组网方式、传输网络、工程实施以及测试优化工作。当今时代，频率资源十分紧张，单频网可以大大提高频率资源利用率，确保接收信号更加稳定可靠，保障传输覆盖区域的可靠性。