地面数字电视与广播双向信号的干扰研究

刘雁峰

（山西省广播电视局，山西太原，030012）

1 地面数字电视与广播双向信号现状

■1.1 地面数字电视信号

随着数字技术的发展，目前国内主要使用的广播标准为数字电视地面广播，其传输系统使用的是时域同步正交频分复用单多载波调制的方式，每一个频道上的地面数字电视带宽包括载波信号与保护带宽，在国内700MHz频段上一共分成DS–37到DS–48共12个频道，频率的范围在702MHz–798MHz。在一般情况下因为只要考虑数字机顶盒上的信号接收问题，所以地面数字电视信号发射机的功率一般在1kw以上，发射天线的高度在100米之上。

■1.2 广电双向信号

随着广播双向技术的不断发展，广播双向信号包括广播双向网络信号和广电5G技术，其中广播双向网络信号指的是以4G技术为基础的，采用OFDM正交频分复用调制技术、时空编码、干扰与信道间干扰抑制和智能天线技术，能够最大程度提升系统的性能[1]。下一代广播双向网络信号和广电5G信号，在频率上将信号的上下行频段分开，然后根据第三代合作伙伴计划的标准进行定义。上行信号的频率范围在703–748MHz之前，下行信号频率范围在758–803MHz之间。上下行信号采用的带宽可以根据实际情况进行合理调整，包括载波信号和保护带宽。根据最新的5G国际标准，国内广电700MHz 5G频段最大可以达到2＊30/40MHz。

2 OFDM系统特点

在多载波OFDM系统中，信道被分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，减少了子信道之间的相互干扰。对地面数字电视信号和广播双向信号之间产生的干扰因素有很多，包括同频干扰、互调干扰、杂散干扰和邻道干扰等[2]。其中信号之间的同频干扰，指的是在不同城区之间的清频工作先后开展时，就可能出现同频使用的情况。在无线数字覆盖工程建设时，部分区域选择单频网覆盖模式，该组网模式使不同区域内同步运行的发射台在相同时间内发送相同的信号来覆盖全部信号区域，但该方式容易同时接收到多台站传输的信号，进而产生同频干扰问题。在一个OFDM 传输系统中，在第l 个 OFDM 符号周期内，假设 向量 X 表示频域各子载波上调制的符号向量，第 k 个子信道传送的数据为 X (k )，那么：

根据前面的描述，为了消除多径时延扩展带来的符号间干扰（ISI），在S(n)之前插入长度为Ng的循环前缀作为保护间隔，这样即可得到长度为Ns的时域OFDM符号Sg(n) ：

如果不考虑多径衰落信道的时变特性，信道可以等效成为一个有限冲击响应滤波器。假设信道离散域的冲击响应为h(l),l = 0,2...L–1，L代表信道最大延迟对应在离散域的采样点数，则接收信号为：

这里⊗表示线性卷积，w(n)表示加性高斯白噪声。假设系统收发端定时和采样 严格同步，接收端信号在去掉CP之后经过FFT解调，得到第l个周期的频域OFDM符号Y (k')的表达式为：

根据地面数字电视固定接收场景可知，信道环境属于莱斯信道，选择最高码率的载波数为1，前向纠错码率为0.8，调制方式为32QAM的模式，为确保信号正常调解，就需要载噪比在17dB之上。以双向基站20W，发射天线高度20m来计算，按照频率是700MHz，时间概率是50%、地点是地面、接收高度为10m的情况来计算，广电双向基站对地面数字电视信号的干扰范围在10km左右。而实际上，计算双向基站天线下倾角，地面数字电视天线方向性等条件，单个双向基站对地面数字电视信号的干扰范围只有5km，因此不会产生干扰。在广电清频和广电5G建设中，应该考虑的是在不同城区之间，地面数字电视对广电5G上行信号产生的干扰以及频率范围。以8MHz 通带功率为例，其信号干扰等级和对应电平范围如表1所示。

表1 干扰信号级别划分

3 双向地面数字电视广播系统设计

数字电视技术具有信道容量较大的优势，其次数字传输技术抗燃的能力较好，其采用再生方式排出噪音与失真的影响，使功率的利用率得到大大提升。此外，在采用信源编码和信道编码的联合设计，进一步提升了功率和频谱的综合使用率。

■3.1 双向广播面临的问题

双向地面数字电视广播具有地面数字电视与交互电视的优势，与卫星数字和有线数字电视相比，地面广播信道环境复杂，容易受到周围环境的影响，对于地面广播系统物理层调制与接收有很大的挑战，所以必须选择合适的调制解调技术才能解决环境带来的影响[3]。此外，目前组网方式采用的是大功率和高山发射台站的结构，基站之间的距离很远，受到地形地势的影响大且组网非常复杂，网络中存在许多干扰信号的因素，且建筑无遮挡会产生许多信号盲区，而发射功率高又对发射点有要求，在基站之间可能存在许多覆盖区域缝隙，导致这些区域无法接收到信号。为确保更好的信号传输质量，有必要对双向数字电视广播的网络特性、结构、性能以及相互之间的影响进行研究，并在相应调制解调模式下来提高系统均衡性，使系统能精准同步。

■3.2 无线信道和调制技术

3.2.1 无线信道

无线移动信道比其他通信信道更为复杂，电波以空间波传播，接收设备也不是固定不变的，所以接收设备和基站间的无线信道就具有多变性、难以控制的特点。信号在通过无线信道时也会受到衰落的影响，无线信道对信号的影响包括大尺度衰落、阴影衰落和多径衰落等。因为移动台的移动使得无线信道具有时变性，只有进行合理的设计才能消除这些影响。

3.2.2 调制技术

多载波OFDM系统中的信道分成若干个正交之信道，把高速信号转变成并行的低速子数据流，可调制到每一个子信道上完成传输，降低子信道间的相互干扰。这是因为每一个子信道上的信号带宽都比信道带宽小，所以可以有效消除码之间的互相干扰，每一个子信道的贷款是原来信道带宽的一小部分，因此也可以使得信道变得均衡。OFDM系统使用平衡调幅，将所有载波的能量平均分配到限定频率的带宽内。和传统单载波传输相比，单载波是将某一个信道带宽上的信号全部都调制到一个载波上传输，所以信号传输速率变大以后传输符号的持续时间也会变短，信道多径效应将在通过无线信道时变得十分显著。而采用多载波调制技术，可以使用多个子载波来满足正交的条件，也允许子信号之间的频谱互相重叠，OFDM调制系统能提高对频谱资源的使用率。由于无线信道环境非常复杂，对于信号传输的调制解调也提出了更高的要求。考虑到无线信道多径效应会对系统的接收性能产生影响，可进行信道估计与均衡来解决。在当前无线系统中，单载波时域均衡、单载波频域均衡和正交频分复用多载波技术是常见的调制解调技术，其中单载波时域均衡的应用最为广泛，技术也最为成熟，单载波频域均衡则对于对抗多径的效果较好[4]。而OFDM则是这几年来在无线带宽接入中比较常见的热点技术，对其信道估计与均衡方式进行研究分析，可对原有OFDM系统进行改进优化，以提高终端接收信号的准确性，降低接收误码率。

■3.3 双向地面数字电视广播系统设计和实践验证

地面广播双向系统是能有效解决广电双向信号和地面数字电视信号之间干扰的方案，且该系统的范围较大，容纳的数量较多，具备灵活选择的参数，使得该系统能适应各种复杂的传输环境。在进行实际系统设计时，首先应对下行信号的标准、参数等进行规定，然后对上行信道进行设计优化，使双向系统可以满足上行与下行的传输要求，提高系统的动态自适应能力，系统也可以根据当前信道的状况来选择合适的参数，并进行传输优化。现有系统下行与上行信道使用的都是OFDM调制，该调制方式频带的利用率较高，且具有抗多径效应的作用，能有效调变参数配置，使得基站和用户都能进行优化传输。新型双向地面广播系统也采用OFDM调制方式，但是上行信道使用了单载波频域均衡的方式替代了原来的调制方式，上行下行信道使用不同的调制方案是为能减少交互终端的成本和信号之间的干扰程度[5]。从功率和接收性能的角度分析，单载波频域均衡的方式可以代替原来OFDM方式作为上行信道调制解调方法，但是因为单载波的方式具有峰均较小、结构较为简单的特点，所以更能减少交互终端工作量，降低发送峰值的功率，有利于减少交互终端成本，双向广播电视系统适合采用该模式。

针对地面数字电视同频干扰的问题，可以通过在发射端处设置延时和功率的方式，比如将附近某一个台站的发射功率调低，以保证交叠覆盖区域内各个台站信号强度变化差距不大，稳定在某一个值[6]。也可以通过在接收端位置采用网状天线或针对用户端信号接收位置进行调整，利用附近建筑物将多个或某一个同频信号进行有效屏蔽。或者以某个地区为例，将其主信号设置在山上的中心机房，发射功率为1000W，信号传输到某个县的发射站机房中，该县的发射机功率也为1000W。在实际信号传输中因为传输距离很长，地形地貌复杂，覆盖面积大，存在多径效应，在场强不明显的地方存在同频干扰的问题。为此进行双向地面数字电视广播系统设计，采用OFDM调制与单载波相结合的方式，有效调整参数配置，优化上下行信道，通过采用不同的调制方案来减少信号传输时的干扰程度。同时在接收端采取方向性较强的网状天线，使天线主瓣方向面对信号主场强区域，分析场强仪辅助值和电视收看质量来验证上述方案对同频干扰的抑制作用。

4 结语

综上所述，本文提出了地面数字电视和广电双向信号之间的干扰影响，对相关干扰因素进行了分析，并对相关调制技术进行了分析介绍。本文对已有的双向数字地面广播系统进行了系统性能分析，证明OFDM调制可提高带宽的利用率、增强抗多径的效应。但是因为该调制方式对发射设备功率与线性度的要求较大，中每次提出新型系统方案，该方案改变了原来上行链路OFDM调制方式，将其变成单载波频域均衡方式，但下行链路保持原来调制方式不变，可有效降低交互终端设备的成本和信号之间的干扰，提升系统的稳定性。