地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)系統(tǒng)研究范文
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摘要：本文研究地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)，分析其系統(tǒng)組成和傳輸覆蓋，對(duì)工程實(shí)施和優(yōu)化完善提出建議。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)是我國廣播電視體系的重要組成部分。單頻網(wǎng)在傳輸覆蓋工程中的應(yīng)用十分常見，不僅可以提高頻率規(guī)劃效率，還可以解決覆蓋盲區(qū)問題，提高覆蓋率。
關(guān)鍵詞：地面數(shù)字電視廣播；單頻網(wǎng)；傳輸覆蓋
地面數(shù)字廣播以地面廣播傳輸數(shù)字信號(hào)。數(shù)字電視廣播最早在歐美國家使用，標(biāo)準(zhǔn)為DTTB標(biāo)準(zhǔn)，之后相繼形成了DVB-T、ATSC及ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)。我國地面數(shù)字廣播系統(tǒng)發(fā)展較晚，于2006年建立了DTMB標(biāo)準(zhǔn)，并逐漸走向國際化。隨著地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展，單頻網(wǎng)應(yīng)用逐漸廣泛。
1單頻網(wǎng)概述
地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)（SingleFrequencyNetwork，SFN）包括多個(gè)發(fā)射臺(tái)，同一時(shí)間發(fā)射的信號(hào)相同，可以實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋服務(wù)區(qū)域的效果。隨著數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越發(fā)迅速，單頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，發(fā)展前景較好[1]。需要注意的是，盡管我國多個(gè)區(qū)域都覆蓋了單頻網(wǎng)，但是不同地區(qū)的實(shí)際碼率速率不同。單頻網(wǎng)在使用時(shí)會(huì)受到各種因素影響，為推動(dòng)無線電視臺(tái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展，需要綜合考慮多種因素。
1.1信道環(huán)境
電磁波可以分為直射波、繞射波、多徑反射波及散射波等類型。地面數(shù)字電視廣播信道環(huán)境包括高斯、萊斯及瑞利這三種信道類型[1]。1.1.1高斯傳播高斯熱噪聲不受發(fā)射與接收天線、反射和散射體以及視距傳播等因素的影響，概率函數(shù)為：1.1.2萊斯傳播萊斯傳播中，路徑傳播損耗就是電磁波在空間傳播時(shí)產(chǎn)生的電平平均值。空間傳播中全向天線和無線電波會(huì)以球面波形式擴(kuò)散在四周。該信道方式受到強(qiáng)接收信號(hào)與低功率延時(shí)信號(hào)阻礙以及熱噪聲影響，一般在高層公寓與市區(qū)街道中應(yīng)用。概率函數(shù)為：1.1.3瑞利傳輸受到噪聲、多徑、電磁波反射及散射因素的影響，一般在山腳下或大樓阻擋處應(yīng)用，概率函數(shù)為：
1.2傳輸損耗
路徑傳輸損耗是指電磁波在空間傳播過程中產(chǎn)生的電平平均值。就全向天線而言，無線電波在空間中傳輸是以球面波形式擴(kuò)散到周圍，空間傳播公式為：（4）地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)使用單頻網(wǎng)組網(wǎng)是為了充分利用頻譜資源。單頻網(wǎng)能夠在同一時(shí)間以同一頻率發(fā)射若干相同信號(hào)，保證特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)全覆蓋。相對(duì)于多頻網(wǎng)而言，單頻網(wǎng)無需重復(fù)使用頻率，只需要利用某一頻率就能擴(kuò)大同一節(jié)目的覆蓋范圍，從而降低頻率資源，提高頻譜利用率。通過優(yōu)化調(diào)節(jié)單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)，用若干小功率發(fā)射機(jī)替代單一大功率發(fā)射機(jī)，可以降低信號(hào)輻射，減輕電磁波污染，提高信號(hào)覆蓋，進(jìn)一步提高單頻網(wǎng)抗鄰近網(wǎng)絡(luò)干擾性能。
地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)基本構(gòu)成：信源系統(tǒng)、同步設(shè)備、傳輸分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射系統(tǒng)、接收設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備，如圖1所示。
2.1適配系統(tǒng)構(gòu)建單頻網(wǎng)
首先要建立單頻網(wǎng)適配系統(tǒng)。單頻網(wǎng)適配利用地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器實(shí)現(xiàn)。適配器能夠?qū)崿F(xiàn)碼速率適配和秒幀初始化包（SecondFrameInitializationPacket，SIP）插入功能。適配器根據(jù)系統(tǒng)輸出碼率時(shí)鐘每隔1s向輸入的TS碼流插入SIP，其中包括最大延遲時(shí)間、工作模式及獨(dú)立調(diào)整延時(shí)等信息。在其他位置，適配器可以在前端緩沖區(qū)讀取TS碼流，并將TS碼流中所有包標(biāo)識(shí)（PacketIdentifier，PID）為0x1FFF的TS包替換為單頻網(wǎng)適配數(shù)據(jù)包，若碼流數(shù)據(jù)不在一個(gè)秒幀內(nèi)，就在其中插入TS空包，使TS流碼率能夠更好地完成適配[2]。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器輸出的TS碼流速率和由單頻網(wǎng)適配器規(guī)定的發(fā)射機(jī)工作模式要求的凈載荷速率相同，并且鎖定在10MHz參考時(shí)鐘上。此外，需要注意單頻網(wǎng)適配器TS碼流抖動(dòng)要盡量控制在100ns以內(nèi)。
2.2傳輸系統(tǒng)
地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)的節(jié)目傳輸網(wǎng)絡(luò)需要滿足兩個(gè)要求：（1）傳輸網(wǎng)絡(luò)TS碼流抖動(dòng)在100ns內(nèi)；（2）確保100%傳輸，即不可在傳輸網(wǎng)絡(luò)中改變PID和節(jié)目時(shí)鐘參考(ProgramClockReference，PCR)，也不能增加或刪除固定空包。
2.3發(fā)射系統(tǒng)
發(fā)射系統(tǒng)是單頻網(wǎng)十分重要的處理單元，一般在各發(fā)射臺(tái)調(diào)制器同步模塊中[3]，將接收的透明傳輸同步編碼調(diào)制成射頻信號(hào)，利用同一頻率在規(guī)定時(shí)間發(fā)射出去。調(diào)制器或發(fā)射機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中可以按照授時(shí)接收機(jī)所提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)同步。
3單頻網(wǎng)傳輸覆蓋
3.1選擇同步方式
3.1.1復(fù)用器CMMB復(fù)用器可以對(duì)不同發(fā)射臺(tái)站的節(jié)目進(jìn)行復(fù)用，其中包括了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視音頻編碼等內(nèi)容，利用該設(shè)備可以使傳輸流進(jìn)入到傳輸分配網(wǎng)絡(luò)，最終進(jìn)入到CMMB調(diào)制器內(nèi)。3.1.2適配器作為網(wǎng)絡(luò)傳送裝置之一，網(wǎng)絡(luò)適配器能夠?qū)Πl(fā)射臺(tái)站與分發(fā)射臺(tái)站信號(hào)實(shí)現(xiàn)透明傳輸，負(fù)責(zé)接收的適配器可以進(jìn)行相反功能轉(zhuǎn)化分配。為使傳輸能夠同步進(jìn)行，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)適配器延時(shí)問題進(jìn)行嚴(yán)格控制，延遲要低于3s[4]。3.1.3調(diào)制器CMMB調(diào)制器可以提供射頻信號(hào)發(fā)射至天線的附加時(shí)延。不同發(fā)射臺(tái)中的調(diào)制時(shí)鐘能夠?qū)崿F(xiàn)同步運(yùn)行。根據(jù)單頻網(wǎng)需求，發(fā)射機(jī)信號(hào)的所有信號(hào)都需要一致，同時(shí)也需要保證調(diào)制輸入碼流能夠同步。3.1.4定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)可以得到10MHz標(biāo)準(zhǔn)頻率、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間及時(shí)間標(biāo)簽等方面的數(shù)據(jù)信息。
3.2頻率選擇
廣播電視網(wǎng)絡(luò)是采用模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)共同播出的一種混合網(wǎng)絡(luò)，為使模擬信號(hào)和數(shù)字移動(dòng)電視頻道能夠同時(shí)播出，在對(duì)數(shù)字移動(dòng)電視信號(hào)發(fā)射裝置進(jìn)行分析的時(shí)候，需要選擇干擾小、負(fù)擔(dān)小、電磁環(huán)境干凈的頻道進(jìn)行工作[5]。需要按照以下流程進(jìn)行頻率選擇：（1）參考臺(tái)站的選擇，其是隨機(jī)在候選頻道內(nèi)選擇一個(gè)頻道使用，計(jì)算選擇的臺(tái)址有害場，選擇的有害場相對(duì)于設(shè)定的門限參考模擬站臺(tái)要保持超過狀態(tài)。（2）在選中的模擬站臺(tái)做電子順磁共振（EPR），按照模擬站臺(tái)的有害場場強(qiáng)值，結(jié)合模擬站臺(tái)與數(shù)字站臺(tái)之間的間距，篩選對(duì)應(yīng)的模擬站臺(tái)[6]。（3）通過數(shù)字站臺(tái)干擾篩選同時(shí)分析所篩選的模擬站臺(tái)。（4）以數(shù)字臺(tái)站為首站臺(tái)來分析有害場，并對(duì)數(shù)字臺(tái)站和模擬臺(tái)站干擾性進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)EPR進(jìn)行模擬。
3.3傳輸模式
DVB-T和2K模塊可以建立較小的單頻網(wǎng)，其中2K模塊同步速度快且抗干擾能力較強(qiáng)；8K模塊同步穩(wěn)定且有較強(qiáng)抗時(shí)延能力。3種典型的傳輸模式設(shè)置及相應(yīng)的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。
3.4GPS同步模式
由于多載波系統(tǒng)抵抗頻率漂移能力比較弱，因此需要采用GPS同步，構(gòu)建高度穩(wěn)定的本地振蕩器，發(fā)射機(jī)以GPS頻率為參考利用基本頻率發(fā)射，使整體系統(tǒng)穩(wěn)定工作[7]。主發(fā)射點(diǎn)接收高質(zhì)量的信號(hào)后將其傳送到變頻器，將信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)后進(jìn)行濾波并放大，達(dá)到較好的盲點(diǎn)覆蓋效果。
3.5發(fā)射機(jī)與傳輸網(wǎng)絡(luò)
構(gòu)建單頻網(wǎng)首先要選定發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)要能長時(shí)間不間斷地工作，這是對(duì)設(shè)備的基本要求，即可靠性；同時(shí)還要保證發(fā)射器的技術(shù)性，即能在各種環(huán)境下良好運(yùn)行，保證傳輸效果，穩(wěn)定發(fā)送和接收信號(hào)。發(fā)射臺(tái)站建設(shè)完成后，多路節(jié)目可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)同步傳輸至發(fā)射臺(tái)站上，最終達(dá)到客戶端。信號(hào)傳輸主要通過光纖、衛(wèi)星和射頻等方式進(jìn)行傳輸。光纖傳輸是將調(diào)制器安裝到發(fā)射器上，電視信號(hào)可以在此基礎(chǔ)上傳輸至發(fā)射機(jī)，調(diào)制器可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一處理、發(fā)射，這樣充分利用電信網(wǎng)絡(luò)資源[8]；而衛(wèi)星傳輸則是利用衛(wèi)星信道進(jìn)行信號(hào)傳輸。射頻傳輸則是利用調(diào)制器將射頻信號(hào)發(fā)射出來，再經(jīng)過多個(gè)微波頻道將信號(hào)傳給發(fā)射機(jī)，經(jīng)過調(diào)制器轉(zhuǎn)化最終實(shí)現(xiàn)發(fā)送。
3.6測試與優(yōu)化
測試結(jié)果能夠起到優(yōu)化單頻網(wǎng)的作用，其能夠幫助改進(jìn)重疊區(qū)信號(hào)和覆蓋盲區(qū)。改進(jìn)重疊區(qū)信號(hào)需要對(duì)天線、發(fā)射功率、時(shí)延等方面進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整天線層數(shù)、傾斜度、發(fā)射功率可以控制發(fā)射點(diǎn)的覆蓋區(qū)域，利用發(fā)射時(shí)延能夠使重疊區(qū)的接收機(jī)干擾情況得到有效調(diào)整。而覆蓋盲區(qū)則可以采用增加補(bǔ)點(diǎn)器或是基站達(dá)到目的。大范圍的覆蓋盲區(qū)是通過增加基站達(dá)到目的的。發(fā)射機(jī)形成的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生局部的弱區(qū)或是盲區(qū)，對(duì)此可以通過加強(qiáng)覆蓋信號(hào)或是增強(qiáng)信號(hào)對(duì)該問題進(jìn)行解決，采用補(bǔ)點(diǎn)器能夠使覆蓋范圍擴(kuò)大，提高覆蓋率。
4結(jié)語
主要研究地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)，深入分析單頻網(wǎng)技術(shù)、組網(wǎng)方式、傳輸網(wǎng)絡(luò)、工程實(shí)施以及測試優(yōu)化工作。當(dāng)今時(shí)代，頻率資源十分緊張，單頻網(wǎng)可以大大提高頻率資源利用率，確保接收信號(hào)更加穩(wěn)定可靠，保障傳輸覆蓋區(qū)域的可靠性。
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作者：程培剛 單位：臨沂市廣播電視臺(tái)
