地面数字电视广播网络规划与覆盖的技术研究

刘志超

【摘要】随着我国经济的发展，人们的物质生活得到极大丰富，对精神文化需求不断增加，这也对广播电视行业提出了更高的要求。但传统的模拟信号传输方式已经无法满足我国广播电视行业未来的发展需求，迫切希望能够提升广播电视节目的播出质量。地面数字电视广播网络的建设可以有效提高广播电视网络的覆盖面积，改变地方电视台频率资源短缺的困境，提高频率资源的利用效率，从而为用户提供更加优质的广播电视节目。但由于数字地面电视广播覆盖网络的规划和建设十分复杂，容易受到多种因素的影响，目前在覆盖网络规划与建设阶段，依然存在着许多问题，这不利于我国广播电视行业未来的发展。鉴于此，本文对数字地面电视广播网络规划与覆盖的技术进行研究，希望能为我国广播电视行业未来的可持续发展提供一些参考。

【关键词】地面数字电视;覆盖网络;网络规划;单频网

中图分类号：TN92                            文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.011.005

地面数字电视广播是指广播信号通过地面进行传播，这种传播方式与传统的模拟信号传输方式相比具有以下优势：一是可以在同一个频率中进行多套广播电视节目的传输，可以有效提高频谱资源的使用效率;二是采用数字传输技术来进行地面广播信号的传播，可以有效增强信号传输的抗干扰能力，能为用户提供更加优质的广播电视节目;三是可以为用户提供固定和移动两种接收方式，满足不同用户的不同需求;四是与传统覆盖方式相比，数字传输技术的覆盖范围更广，覆盖效果更佳。我国数字电视广播标准的颁布时间相对较晚，在2006年才正式颁布我国的数字电视广播国家技术标准。在标准中明确电视和广播业务的清晰标准，这也对我国的广播电视行业提出了更高的要求。

现阶段，在城市范围内数字电视地面广播主要采用单频网覆盖的模式，这种模式是多台发射机在同一频率上发射相同的广播电视内容，所构建的覆盖网络被称为单频网。随着我国经济的发展，我国地方电台频谱资源越发紧张，单频网的使用可以有效提高频率资源的利用效率，只需要占用一个频率资源就可以实现同一个节目的大范围覆盖。这种覆盖模式也适合模拟电视向数字电视的过渡，可以节省大量的频率资源，有效缓解我国频率资源紧张的问题，为我国广播电视行业未来的发展奠定技术基础。此外，单频网的技术优势还体现在覆盖方式的优化，可以有效增加网络的覆盖面积和覆盖效果。在实际应用时，对发射站点的位置、数量、功率以及天线参数进行合理设置，就可以有效减少发射机的输出功率，减轻相邻覆盖网络的干扰问题，使网络覆盖更加平滑。

1. 地面数字电视广播覆盖技术

1.1 组网模式

广播覆盖网络根据不同的规划区域，可以采用多频网、单频网以及混合网三种模式。

多频网。由多台发射机组成，采用不同的频率在同一时间传送相同的广播电视节目。优点：多台发射机所使用的频率各不相同，这就不需要使用频率同步设备，组网结构简单，成本较低。这也不需要对各发射机的输出延时进行协调，更换广播电视节目内容更加便捷。缺点：多台发射机并没有对距离进行限制，导致覆盖面积较大，所占用的频率资源更多。同时由于各发射机的频率不同，一个区域内的接收终端如果想更换频率，就需要占用更多的频道，这会进一步加剧地方电视台频率紧张的问题。因此，多频网一般适用于高山地区的广播覆盖网络建设。

单频网。在覆盖区域内多台发射器只使用一个频道，这可以节省大量的频率资源。由于对发射机的距离进行限制，每台发射机的发射功率相对较少，可以有效减少对能源的消耗。但是单频网需要多台发射机使用相同频率，这就需要增加同步设备，导致单频网的前期组网成本较高，同时在组网过程中对发射机的间距有着严格的要求，与多频网相比广播覆盖网络的范围相对较小。单频网组网标准中也明确规定两台发射机之间的距离最大不能超过37.5公里。

混合网。是将单频网与多频网组合在一起形成覆盖网络。在城区内采用单频网进行网络覆盖，在城市郊区或者偏远地区采用多频网进行网络覆盖，这种组网方式在达到覆盖目标的同时，可以有效减少发射机的使用数量，并提高频谱资源的利用效率。

单频网在建设完成后，具有较高的广播电视信号传输质量和传输效果，符合广播电视行业未来的发展需求，也是我国广播电视覆盖网络的重点组网方式，因此本文只对单频网的网络规划进行探讨。

1.2 规划参数

地面数字电视广播覆盖网络的规划应该根据实际情况进行科学合理的设计，既要满足我国模数过度的需求，又要对现有的网络资源进行有效利用，因此地面数字电视广播的规划参数主要有以下几点：

最小场强。是指在广播覆盖网络中不存在频率干扰的问题，只存在自然噪声和人为噪声的干扰，并保证接收终端可以正常接收广播电视节目所需要的场强最小值。广播电视信号属于宽带信号，信号的功率谱密度在传输过程中是不断变化的，为了便于计算一般采用等效场强进行代替。为了满足不同用户的不同需求，需要為用户提供多种配置参数，但不同的配置参数使系统的传输码率和下载噪比门限也各不相同，会对系统的最小场强因数造成一定的影响。因此，最小场强的规划参数设置需要根据覆盖区域的实际需求进行合理设置。

保护率。是广播电视系统抵抗其他系统信号干扰的能力。通过保护率可以计算出接收终端信号的伤门限点，并获得接收端输入信号功率与干扰信号功率的比值。在广播覆盖网络规划时，必须考虑各系统之间的信号干扰，以免在建设完成后影响广播电视信号的传输质量。

地点和时间概率。地点概率是指信号场强随着测量位置的变化而发生变化，要求小区域内的测量结果应达到给定数值。时间概率是指信号随着时间而发生变化，在对任意位置进行测量时，信号场强值达到给定数值。在信号覆盖标准上，数字电视的覆盖信号标准更为严格，只有达到更高的接收百分比才可以有效保证广播电视节目的接收质量。所以在进行系统规划时应依照国家标准采取三个覆盖层次：一是接收地点覆盖，在覆盖网络中最小的覆盖单元在99%的时间内都可以接收到达标的广播电视节目，就可以认定这一区域已经被覆盖;二是小区域覆盖，在覆盖网络中规定比例的接收地点都已经实现了网络覆盖，就可以认定这一小区域已经被覆盖;三是覆盖区，是由多个小区域覆盖所构成的覆盖区域，在区内每个小区域都已实现网络覆盖，就可以认定这一覆盖区已经实现了网络覆盖。

发射台站参数。主要包含：一是地理位置。发射台站具体位置需要使用经纬度来进行表示，根据全球定位系统的参考框架，发射台站的地理位置可以精确到秒，这可以有效提高系统的可靠性，在规划设计阶段也可以提高规划的准确性和科学性;二是天线高度。在计算天线高度时不仅需要对天线自身的高度进行计算，还需要对天线基座的海拔高度进行测量。天线在运行时具有方向性，会向着一定方向辐射电磁波，因此天线在安装时应注意安装方向，在安装结束后也需要对天线的能量集中情况进行检查。天线方向性图可以有效描述天线能量集中的情况并以图形模型的形式展现出来，同时也可以用数学函数的形式表达出来。这种检测方法在实际应用时，可以用两个相互垂直的平面来进行表示，同时也可以用极坐标来进行表示。此外，通过有效辐射功率和天线方向图这两个参数，可以计算出发射台各个方向的辐射功率。

2. 单频网的网络规划

2.1 单频网的原理

单频网是指多个发射台在相同时间、相同频率发射相同的广播无线信号，并对一定区域进行网络覆盖。单频网的网络覆盖需要满足以下三个条件：一是频率同步。在单频网内多台发射机的载波频率必须保持一致;二是时间同步。在单频网内接收机由于位置不同接收到的广播信号会有一定的延时，但接收延时必须控制在一定范围之内，这就要求各发射机必须保持时间同步。此外，各发射机所分配的网络路径和信号处理速度也存在一定的差异，这就需要引入不同的延时，可以采用自动补偿传输链路的延时方式，保持发射机输出信号在时间上的同步，使每台发射机可以在相同时刻发送同一信号帧;三是比特同步。单频网要求发射机对所有信号帧进行逐比特的调制，使发射机可以在相同的时间内发射相同的信号帧。为了保证比特同步，还要保证输入信号的逐比特相同，使调制后的信号逐比特对应相同。

2.2 单频网系统的规划建设

单频网的规划建设十分复杂，对规划建设的技术要求较高，在进行设计时也需要充分考虑现有的网络资源，保证单频网建设完成后具有科学性、可靠性、开放性以及可持续发展性。在单频网规划之前需要对现有的网络资源和基础建设进行调查，由于我国各个地区广播电视覆盖网络的建设规模各不相同，尽可能对原有的资源进行利用以避免重复投资。因此，单频网系统的规划建设应遵循以下步骤：

现有资源调查。对现有资源状况进行调查从而确定单频网的建设目标。

选择系统模式。根据我国公布的技术标准，并依据建设区域的服务内容和服务范围合理进行网络规划，并选择适合的系统模式。

选择发射点。根据建设目标对现有的发射点和建设区域的地理信息进行考察，合理设置接收地的台站参数。同时还需要对各发射点的视距进行计算，并使用网络规划软件对网络覆盖效果进行预测。

评估发射机功率。发射站点的天馈系统需要严格依据单频网的要求进行设计，也需要对发射机的功率进行准确评估。

前端系统设计。在前端系统中广播电视节目的音频和视频质量会受到编码器的影响，因此需要选择质量过关的编码器。在前端系统中如果适配器和GPS时钟出现故障，会导致整个广播电视系统发生混乱，为了有效解决这一问题，设计人员可以增加备用设备，一旦主设备发生故障，就可以及时启动备用设备来保证系统的正常运行。此外，为了保证广播电视系统的稳定运行，在广播节目传输时也应建立备份系统，从而有效保证网络覆盖的质量。

传送网设计。在传送网设计时，尽可能对现有资源进行重用和升级，同时新站点的设立需要根据传送网的实际需求进行设置。如采用SDH环网，就需要使用配套的适配器来实现信号的转换;如采用微波傳送方式，就需要采用TS over IP的方式，实现信号的相互转换。

发射机的选择。在发射机选择上应尽可能选择技术指标较高的型号，设备在运行时能具有较高的可靠性。为了保证覆盖网络的稳定，在使用老款发射设备时，需要与新款发射设备进行配合使用，尽可能对老款发射设备进行升级和换代。在新老设备混合使用时需要事先做大量的实验来保证覆盖网络的质量和效果。

发射台站的设计。为了保证发射台站配电系统的安全性和可靠性，需要做好防潮、防汛、防雨以及安装散热设备。如果是无人值守的机房还要安装配套的监控设备，可以远程对机房内的电子设备进行监控，了解设备实时的运行状态。

对单频网的建设投入进行预算，并制定最终的工程实施方案。在工程建设完成后还需要对单频网的性能进行测试，不断调整和优化并使其达到最佳状态。

2.3 单频网网络规划

网络规划的本质是对网络结构和内部参数的合理配置，从而实现对频率资源的科学规划，并达到理想的网络覆盖效果，提升频率资源的利用效率。对于单频网网络规划设计本文提出以下几种系统模式作为参考规划配置。

RN1大服务区网络覆盖规划。根据大服务区的网络需求特点，共安装7台发射机，其中一台位于中心，其余六台呈六角形围绕中心发射机排列，这种组网模式可以实现对服务区内的网络覆盖，覆盖面积较广，但这种网络规划模式各发射机之间会产生一定的电磁干扰，对网络的覆盖质量有一定影响。

RN2小服务区网络覆盖规划。根据小服务区的网络需求特点，共安装3台发射机，3台发射机以三角形的形状，安装在服务区内部。这种网络规划方式，可以有效满足小服务区的网络覆盖需求，能有效提升广播信号的传输质量和传输效果。

RN3半封闭小服务区网络覆盖规划。根据半封闭小服务区的网络需求特点，为保证区域内的网络覆盖效果，共安装3台发射机，三台发射机以三角形状，布置在服务区边界，这种布置方式通过选取特定的方向可以有效提高网络的覆盖效果，减少网络的溢出干扰。

2.4 系统模式的选择

单频网需要根据覆盖网络内各站点之间的距离、覆盖面积、净码率以及接收终端类型来选择适合的系统模式。同时系统的性能还会受到载波数量、纠错率、映射方式以及帧头模式4个参数影响，所以单频网在进行网络规划时需要充分考虑这4个参数对系统整体性能的影响。单频网支持单载波和多载波两种方式，单载波对接收终端的处理要求较高，适用于大范围固定的广播信号接收;多载波对接收终端的处理要求较低，移动终端设备就可以接收到广播信号。单频网信号帧主要由帧头和帧体组成，帧头由PN序列组成，可以实现广播信号的快速同步和信道估计，同步时间很短具有较强的自相关性，在系统同步方面具有较强的技术优势。同时，PN序列还具有一定的随机性可以对均衡器进行准确训练，能有效补偿信号在信道传输过程中产生的失真。PN序列在系统中进行应用可以提高频谱资源的利用效率。不同的帧头模式所包含的帧头长度也不同，这会直接影响到单频网发射台之间的间距。目前帧头模式主要分为PN420、PN595以及PN945，其中PN420的帧头最长，PN945的帧头最短。间距越短覆盖网络之间的干扰性就越强，不同的帧头模式所对应的保护间隔长度也不同，在实际应用时帧头越长抗干扰能力就越强。但如果帧头过长会影响广播系统的净荷码率，需要根据覆盖区域的需求来进行合理选择。

从图5中可以看出，当保护间隔大于时，接收端在接收广播信号时信号质量就不会受到多路径信号的干扰，通常情况下，发射机在发出广播信号时都设置了一定的延时，时间间隔设置在保护间隔之内，所以在选择发射站点时就需要充分考虑各站点之间的间距。

3. 结语

随着我国经济的发展，我国数字地面电视广播业务不断增加，人们也对广播电视节目的内容质量和数量提出了更高的要求。但原有的系统已经很难满足实际的业务需求，在未来还要不断提高广播电视网络的覆盖面积，提高覆蓋技术水平以满足人们的需求。同时与模拟电视节目相比，数字电视节目有效提高了频率资源的节目容量，这时采用便捷的网络技术对广播覆盖网络进行调整和优化，可以有效改善城区范围内的覆盖网络效果，广播电视节目的画质也更加清晰。并且地面数字电视的建设成本更低，信号覆盖面积更广，可以同时满足固定接收和移动接收用户的需求。从地面数字电视广播的技术特点来看，它在抗干扰和抗破坏方面具有着巨大的技术优势，不易受到工程施工、自然灾害以及人为因素的影响，在未来将会有更加广泛的应用前景。

参考文献：

[1]刘鑫.广播电视台地面数字电视无线覆盖系统研究[J].电子技术与软件工程，2021（17）：2.

[2]葛伟.地面数字电视广播单频网组网技术的实现[J].2020.