國標地面數字電視單頻網的組網與建設

郭發云

（山西泰森科技股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隨著數字電視技術的發展，數字電視產業逐漸形成了有線數字電視系統、衛星數字電視系統、地面數字電視系統互為補充，并行發展的格局。單頻網是地面數字電視產業重要的組網方式之一，它由多個位于不同地點、處于同步狀態的發射機組成數字電視覆蓋網絡，網絡中的各個發射機以相同的頻率、在相同的時刻發射相同的節目以實現對特定服務區的可靠覆蓋。單頻網組網過程中需要解決的一個關鍵問題是所有發射機的同步問題，這個問題的關鍵在于信號源到發射機的傳輸、適配。

1 地面數字電視單頻網

地面數字電視單頻網（SFN:Single Frequency Network）是由多個位于不同地點、處于同步狀態的發射機組成的數字電視覆蓋網絡，以相同頻率、在相同時刻發射相同節目，以實現對特定區域的可靠覆蓋。

單頻網具有有利于頻譜規劃、提高頻譜利用率、較好的信號覆蓋特性、降低信號輻射、減少電磁污染、增強信號覆蓋均勻度等諸多優點，對單頻網組網關鍵技術的研究將能大大促進我國數字電視產業發展，改善我國頻率資源緊張的狀況。隨著DTMB標準成為我國強制性標準以及老撾、柬埔寨等國對DTMB標準的采納，我國及采用DTMB標準的國家地面數字電視單頻網建設正處于起步階段，國內、國際市場推廣前景將非常廣闊。［1］

單頻網具有很多優點，首先是有利于頻率規劃。在我國空間頻譜資源緊張的情況下，可以大大節約寶貴的頻率資源，提高頻譜利用率。其次，由于無線電信號本身的特性，在高樓林立的城市或丘陵山地環境中，無論單個數字電視發射站點的發射功率多大都會有很多信號覆蓋不到的區域，這些覆蓋不到的區域被稱作覆蓋盲區或盲點，單頻網則可通過多點同頻發射的辦法來解決覆蓋盲區問題，獲得較好的覆蓋率。第三，單頻網技術還可降低發射機設備的成本;通過優化和調整單頻網發射網絡（基站數量、分布、發射天線高度、發射功率等），可以使用多個較小功率發射機代替一個大功率發射機，以降低信號輻射、減少電磁波污染、增強覆蓋均勻度，也可以根據需要隨時改變覆蓋意圖。

2 單頻網組網技術

同頻干擾是單頻網廣播面臨的最大問題。傳統單頻網依靠GPS同步各發射機的發射時間，靠保護間隔保證天線收到的不同信號能同時到達接收機。一旦超過保護間隔允許的距離，兩個或兩個以上的同頻信號到達接收機時間不同，將導致接收機解碼失敗。故而靠GPS同步的方式仍有很多不足。實際上，根本不需要在各發射站完全同步，只需要解決各基站同頻信號交叉覆蓋地區的同步問題即可。

我們通過研究單頻網的建站距離，不斷地進行實地檢測信號，對單頻網組網技術有了更好的認識，通過改善以下兩點即可解決同頻干擾和信號盲區的問題:（1）只需對各基站同頻信號交叉覆蓋地區，采用時延調節模塊進行相應調整;（2）相鄰基站采用不同極化方式發射信號。通過對這兩種方式的選用或全部采用，基本能保證各基站“同頻干擾”現象消失。這是單頻網得以實現的一個技術保證，并在一些地區得到成功的商業運用［3］。

2.1 國標地面數字電視單頻網組網結構圖

圖1 國標地面數字電視單頻網組成結構示意圖

這種單頻網廣播模式，可以省掉各個基站復雜昂貴的GPS時鐘同步系統，降低系統復雜性，提高安全性;妥善處理某些交叉覆蓋區的同頻干擾現象。

2.2 單頻網補點發射基站

前端處理好的數字化信號輸入微波寬頻帶發射機或光發射機（經有線電視光纜）傳輸，轉發基站接收到信號后，將微波天線上的下變頻器轉為UHF信號，或將有線電視光纜送來的地面數字電視廣播UHF波段信號，經濾波后對所有RF射頻信號進行適當延時調整后（傳統方案中是對不同頻道TS流進行延時，相對比較復雜），經小功率發射機作單頻網發射，覆蓋5～20 km范圍用戶。

按照中國數字電視地面廣播編碼標準GB 20600-2006《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》所建議的單頻網組網模式:“本標準系統也可以采用不依賴于GPS的主從結構方案，全系統自動調節各自相對于主發射機的時延，實現了整個單頻網的發送時間同步”，該方案是有權威理論支持的。由于不象傳統方式采用昂貴的GPS同步設備，故不需設置保護間隔。該方案已在內地多個地區單頻網廣播中得到很好應用，是真正質優價廉的可靠的單頻網組網技術方案。其原理圖見圖2。

圖2 單頻網補點發射基站原理框圖

信號源采用MMDS微波或光纜傳輸，而不是各接收基站接收開路地面數字電視廣播信號后另行轉發，是為了保證后面發射基站信號不至于時延過于滯后，難以保證交叉覆蓋區接收點同步接收到不同基站信號。一般來說，離前端近的基站設計時延調整多些。距離前端遠的基站時延調整少些，則比較容易平衡。

通過在多個單頻網交叉覆蓋區測試數據，調整補點基站的不同時延，可保證在交叉覆蓋區的信號能基本同步到達接收機，接收機即可正常接收解碼，消除同頻干擾的影響。

圖3 2個基站交叉覆蓋區同頻干擾的時延調整示意圖

如圖3所示，在2個交叉覆蓋區內（可事先估算出位置），用一條直線畫出2交叉覆蓋區域中同頻干擾最嚴重的地方，到該地實測確定后，對2個轉播基站中的一個進行時延調整，一般在5～20 μs之間。經過這樣的調整，相鄰發射基站的發射時間不一定嚴格同步，但只要保證在交叉覆蓋區中心點收到的兩個不同基站的信號能同時到達接收機，同頻干擾現象就會消失。測試時可以采用儀器與機頂盒接收相結合的辦法進行。一般通過幾次調整，就可以解決問題，以后也基本不需要再調試。如有多個基站信號交叉覆蓋區，相鄰的基站可以采用不同的極化方式（水平或垂直），這樣能最大限度降低同頻干擾的影響。因為用戶主要是固定接收，只要采用相同的天線架設方式即可，不會影響其日常收看電視。在一些農村地區，有時僅需采用不同極化方式安裝轉發基站，不需調整基站發射時延也可以保證交叉覆蓋區的良好接收效果。

另外，采用定向發射或降低某個相鄰基站的發射功率等辦法，也可以進一步降低同頻干擾。

2.3 單頻網組網優點［4］

（1）有利于頻率規劃。在我國頻譜資源有限的情況下，可以大大節約寶貴的頻率資源，提高頻譜利用率。

（2）可解決覆蓋盲區問題。在高樓林立的大城市，單臺數字電視發射發射機無論功率多大，都會有一定信號盲區或盲點，單頻網則可通過多點同頻發射的辦法來獲得較好的覆蓋率。

（3）單頻網組網可降低發射機設備的成本。通過優化和調整單頻網發射網絡（基站數量、分布、發射天線高度、發射功率等），使用多個較小功率發射機代替一個超大功率發射機。

（4）單頻網組網有利于降低信號輻射、減少電磁波污染、增強覆蓋均勻度。

（5）便于移動接收。

2.4 實測單頻網信號頻譜圖

圖4 實測的組網成功的單頻網信號頻譜圖

圖4中，波瓣越多，多路信號的時延差越大，波瓣越深，多路信號的電平差越小。良好的單頻網信號的頻譜應該是波瓣少而且深。

3 單頻網建站距離

地面數字電視單頻網最大建站距離是單頻網的重要參數，它決定了單頻網的發射站點的選取、建設成本以及建網的復雜性。地面數字電視單頻網的最大設臺距離主要取決于地面數字電視系統抗回波（多徑）干擾的能力，系統如果可承受的回波延時越長，單頻網設臺距離可以越大。符合GB20600-2006的地面數字電視系統抗回波干擾的能力依賴于發射端信號的幀結構以及接收端的信道估計與均衡算法。目前的測試結果表明:地面數字電視傳輸系統各種工作模式的抗0 dB回波干擾延時長度一般都能做到與各自信號幀結構中的幀頭長度基本相當。隨著地面數字電視系統接收端算法的改進，以及發射天線和接收天線的設計，也可以接收超過幀頭長度的多徑信號，這樣符合GB20600-2006的地面數字電視廣播單頻網設臺距離也將進一步增大［5］。

地面數字電視廣播單頻網設臺距離可根據GB20600-2006規定的信號幀結構的幀頭持續時間來考慮，幀頭持續時間即是抗多徑干擾的保護時間，在保護時間內接收到的不同信號可以被接收選擇出最佳電平的信號。

如系統采用PN420幀頭，GB20600-2006規定的基帶符號率為 7.56 Msps，幀頭長度t=420 ×1/7.56 μs=55.56 μs，射頻信號在此時間內的傳輸距離l=55.56 μs×3×108m/s=16.67 km，這也是單頻網設臺的最大距離。

對于 PN595 幀頭，t=78.7 μs，l=23.61 km，

對于 PN945 幀頭，t=125 μs，l=37.5 km，

因此，單頻網設臺的最大距離最好選為16.67 km。

4 山西地面數字電視單頻網的建設情況

我公司在太原、晉中、運城、晉城、長治、忻州等地已建好多個基于雙國標的單頻網。

太原:DS-31，4臺1 kW發射機;

晉中:DS-30，4臺1 kW發射機;

運城:DS-33，3臺1 kW發射機;

長治:DS-16，3臺1 kW發射機;

忻州:DS-21，3臺1 kW發射機。

5 結束語

綜上所述，合理地對地面數字電視單頻網進行組網，不僅能解決信號覆蓋問題，同時節約成本。本文闡述的國標地面數字電視單頻網組網技術已經在山西省得到了成功的應用，與其他的GPS同步各基站發射時間的單頻網組網方案相比，更加簡單和實用。

［1］白微微.DTMB單頻網組網概述［J］.電視技術，2010（8）:17-19.

［2］于麗娟.山西國標地面數字電視技術規劃初探［J］.山西電子技術，2010（5）:77-79.

［3］宋曦彤，張曉林，文慧霞，等.一種國標地面數字電視單頻網覆蓋的規劃方法［J］.電視技術，2009（11）:9-11.

［4］許振峰.單頻網技術及其在移動電視網中的應用［J］.有線電視技術，2009（6）:50-53.

［5］王建松.國際地面數字電視單頻網重疊覆蓋區性能研究［D］.中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2010.03:13-25.