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1、浅谈认识地面数字电视单频网广播摘要：广播电视无线数字化覆盖进程中，地面数字电视广播单频网技术得到广泛应用。认识单频网，把握地面数字电视广播单频网系统组成、相关技术要求、覆盖模型，了解在工程实践应用案例和分析问题、解决问题的办法，为单频网建设、管理、维护提供一些参考。关键词：地面数字电视；单频网；技术要求；覆盖模型；工程实践应用根据国家广电总局（地面数字电视广播覆盖网发展规划），到2018年基本实现地面无线电视广播向数字化过渡，2020年关闭地面模拟电视信号。为加快推进地面数字电视无线覆盖进程，国家广电总局结合700MHz以上频率重新指配划分要求，对地面数字电视广播频率规划进行了调整，为知足发射
2、台站不同覆盖等级的要求，在频率规划中选取了省域单频网、地市域单频网和县域多频网或跨县单频网组网进行频率规划的办法。地面数字电视广播单频网在工程运用中，由原来仅在局部区域进行组网扩展到了省域地市域组网的规模，并将得到广泛应用。为让更多的工程技术人员认识地面数字电视广播单频网，把握单频网工作原理，更好地指导工程实践应用，笔者就单频网基本概念、相关技术要求、覆盖模型及工程实例进行讨论。在对单频网进行技术讨论之前，首先对使用单频网进行广播电视数字化无线覆盖的必要性、可行性作一简单介绍。在任一接收点，假设会同时接收四处于不同地点相邻的发射机发射的信号前提下，在多频网中，采取的是频分复用的方式，通过接收设
3、备选择不同的接收频率实现对不同发射点信号的接收，实现一定区域内一样节目的无线覆盖。采用多频网覆盖方式不考虑不同站点间的同步问题，技术上很容易实现。但多频网覆盖方式也存在很多问题：由于一样节目在不同地域覆盖频率不同，要实现移动接收，必须根据不同覆盖区域不同覆盖频率，对接收设备作出相应的接收频率调整，其实现技术复杂，接收设备成本较高；最重要的一点是频率资源浪费严重，在广播电视规划频谱资源有限情况下，覆盖节目套数大大降低，十分是700MHz以上频率商用后，留给广电无线覆盖频谱资源有限情况下，多频网的劣势更是暴露无遗。为节约频率资源，同时解决站间干扰，实现移动接收，单频网覆盖技术应运而生。任一能同时接
4、收四处于不同地点相邻发射机发射信号的接收点，只要保证接收到的两路或多路信号包括多径传播信号其射频频率严格同步，且载波调制码流一样、时间同步时延到达一定要求，就不影响信号接收和解调。所以，只要在一定区域内使处于不同地点相邻的发射机同步工作，以一样的频率、在一样的时刻发射一样的已调制射频信号，只要在任一接收点其接收到的多路信号时延在严格同步情况下，因不同发射点到接收点的距离不同，势必造成接收点接收到各路信号存在不同的时延不超过一定范围，就不会影响正常接收。下面，从地面数字电视单频网系统组成、相关技术要求、覆盖模型、工程应用实践几方面加以讨论。1地面数字电视广播单频网系统组成单频网SFN即由多个位于
5、不同地点、处于同步状态的发射机组成的地面数字电视覆盖网络，网络中的各个发射机以一样的频率、在一样的时刻发射一样的码流已调制射频信号比特，以实现对特定服务区的可靠覆盖。根据单频网技术原理，地面数字电视广播单频网系统构造示意图如图1所示。由图1可见，单频网系统主要由单频网适配器、信号分配网络、地面数字电视发射机、基准时钟信号源等几部分组成。下面根据单频网实现方式、技术要求分别对单频网系统构造中的各模块进行讲明。1.1单频网适配器单频网适配器是单频网系统同步机制的核心设备，其主要功能就是在节目播出中心输出的每一路符合GB/T17975.1-2010的TS流需要播出的信号码流中，周期性地准确插入包含标
6、准频率用于载波频率同频和时间信息用于传输码流同步的秒帧初始化包SIP,输出一路或者多路具有同步信息的传输流信号。1.2基准时钟信号源基准时钟信号源为单频网系统各个节点设备提供统一的10MHz基准频率和1pps的基准时间。其主要作用就是为各发射点提供统一的参考时钟，便于发射端根据传输时延对信号进行相对延时校正，确保信号同步；提供基准频率便于各发射点发射机射频工作于一样的频率。1.3信号分配网络信号分配网络负责把具有同步信息的传输流透明地从TX网络适配器传送到各个发射台站的RX网络适配器，便于各发射点地面数字电视发射机同步调制发射。单频网TS流信号分配网络是实现网络接口或网络适配接口TS流信号到各
7、网络适配器节目源入口透明传送的网络。由于信号传输经过中必然存在延时，所以定义信号分配网络的最大传输时延是在单频网中，信号从前端单频网适配器输出通过信号分配网络到达所有发射台站中用时最长的传输时间。1.4各站点的地面数字电视发射机各个发射台站的发射机受基准时钟信号源控制的同步系统控制，以一样的频率将信号分配网络送来的信号进行信道编码、同步调制、上变频、功率放大后，通过发射天线将已调制射频信号变成电磁波发射出去。2相关技术要求2.1同步要求1频率同步。单频网中所有发射机工作在一样载波频率，其载波频率偏差不超过1Hz。2时间同步。针对信号分配网络和发射机引入的传输和处理时延，单频网中所有发射机应在时
8、域进行补偿，以实现同步调制发射。3比特同步。所有发射机在同一时刻发射同一字符，要求各鼓励器在同一时刻调制同一比特，应采用一样的信道编码方式、一样的帧构造、一样的映射方式、一样的帧体数据处理方式，即各发射台站的鼓励器工作形式应完全一致。这一规则应严格遵守，不存在允差。2.2信号分配网络要求1信号传输系统。信号分配网络可采用光纤、微波、卫星等系统进行传输。2信号分配网络的最大传输时延。符合GB20600-2006的地面数字电视广播单频网网络中，信号从前端单频网适配器输出通过信号分配网络到达所有发射台站中用时最长的传输时间，不能超过1s。3透明传输。要求经过信号分配网进入鼓励器进行调制的数据内容和时
9、序与进入信号分配网络之前的单频网适配器输出的数据流内容和时序完全一致。2.3时钟基准要求单频网同步，要求全网应有一个统一的时钟基准，为全网各个发射点设备提供统一的基准频率、基准时间。基准频率采用10MHz，基准时间采用1pps。基准频率精度不低于10-9。2.4电波极化方式要求单频网内各发射天线的电波极化方式应保持一致。2.5台站间距要求单频网中，假如接收的信号延迟大于接收设备的多径处理范围，且该信号知足接收设备电安然平静载噪比接收门限，同时与接收到的主径信号强度差不知足同频干扰保护率要求，会出现同频干扰现象。选择较长的帧头长度能够有效降低SFN的自干扰。但是应该注意，帧头长度外的延迟信号对有
10、用信号的干扰影响涉及接收机的设计。为了减少或消除同频干扰现象，单频网组网需要相邻发射台站知足一定的台站间距要求。3单频网覆盖模型单频网的组网条件是保证各个发射站点发射信号同频、同时、同内容。为了知足这些条件，能够采用多种覆盖方式和设备。一般来讲，经常用到的有三种覆盖方式。3.1基于TS分配网络的单频网覆盖这是应用最为普遍的一种单频网组网方式，通过专用网络将单频网适配器输出的码流分配传输到不同的发射点。不同站点处的鼓励器通过GPS信号保障射频信号的同步和发射时刻的同步，以知足单频网的同步要求。这种方式质量稳定可靠，但由于需要的设备配置相对较多，单频网组网方式的建设成本较高。3.2同频直放站补点覆
11、盖同频直放站补点覆盖方式是接收射频信号直接放大，多用于对覆盖盲区进行补点。由于不需要码流分发网络，其组网成本相对较低。但受收发天线隔离度限制，发射功率无法做大，一般需要配合回波消除功能。但回波消除处理必然会对发射信号的信噪比造成一定程度的恶化。3.3基于射频信号分配网络的单频网覆盖就是将射频信号通过有线网络直接分发到各个发射点，由各发射点直接放大并发射，对主发射点信号进行补点覆盖。由于当前有线网线拓扑构造复杂，且时延不确定，因而必须采用特殊设备，对射频信号进行延迟以知足单频网的同步要求。4四川单频网覆盖工程应用实践四川省省级广播电视节目无线数字化覆盖项目下面简称“本项目采取统一规划、设计，分步
12、施行的办法，拟在全省改造建设200座地面数字电视发射点，使用一个频道采用标清形式播出8套省级电视节目。根据总局频率规划要求，采取全省省域单频网的规划方案。根据国家、行业相关规范，结合覆盖区接收场强、保护率、天线鉴别和电波传播模型等实际综合考虑，选取系统工作形式C/N门限值和系统净码率如表1所示。根据前面提到的单频网技术要求，结合四川省地形地貌分布及当前拟建设站点的分布情况，目前主要采用基于TS分配网络的单频网覆盖形式。而单频网组网要解决的重点难点主要是信号分配网络时延和台站站间距不能知足相关要求情况下的干扰消除减小问题。因其具有一定的代表性，下面分别进行介绍，供读者参考。4.1传输时延问题及工
13、程实践4.1.1信号分配网络的选取本项目为大幅降低基础设施和技术系统配套建设成本，优先选取前期已经完成高山台基础设施改造，相关技术配套设施相对完善，通过中央台广播电视节目无线数字化覆盖项目建设，相关技术系统相对完备的省、地市、州、县发射台承当相应的覆盖任务。在信号的传输方面，单频网组网信源通过卫星进行信号传输是最有效的解决方案，但由于卫星资源有限，本项目只能考虑其他传输方式。结合当前拟建设台站分布及传输网络资源配置情况，本项目采用了微波传输和省广电网络公司下面简称“省网公司传输网络传输相结合的方式解决信号分配问题。其中微波传输网络建成且未接入省网公司网络的41个台站，采用微波传输方式解决信号源
14、分配问题，其他台站利用省网公司网络进行传输。4.1.2单频网组网对信号分配网络的要求及解决办法地面数字电视广播单频网组网中对信号分配网络有两个十分重要的要求：透明传输和最大传输时延小于1秒。而本项目前端机房位置设在成都距最远的发射点直线距离接近600公里因光纤、微波链路路由在空间分布上并非理想的直线，实际传输路由长度更长，且部分偏僻的台站由于省网公司网络未覆盖，还存在租用第三方通信运营商网络进行传输的情况十分是边远的“三州尤为明显。由于整个信号分配传输网络构成的复杂性，相应提高了本项目单频网组网复杂程度。微波传输方面，目前本项目使用的是日本富士通公司FRX系列基于SDH技术的微波干线，解决透明
15、传输问题的前提下，最远站点传输经过18跳微波共931.7千米考虑环网保护最极端情况，经实际测试时延在100ms左右，知足单频网对传输时延的要求。而省网公司的信号分配网络采用树形架构为主，干线网络传输技术采用OTN技术，距最远传输台站线路长度为上千千米。最极端情况下，距最远台站的干线传输长度为1400千米，经过8个网络单元，如采取公众互联网IP技术，一是透明传输不能保障，二是传输时延也无法保障估算超过5s，不能知足要求时延小于1s的要求。综合省网公司网络现状，采用了广电网络专线业务传输方式，既解决透明传输问题，也对时延进行了很好的控制。在干线网络传输节点至发射台站在没有省网光缆的情况下，采取租用
16、第三方光纤或新布光缆的办法解决传输问题，经计算在最极端情况下最远发射点的传输时延小于500ms符合单频网对信号分配网络的要求。4.2保护间距问题及工程实践在本项目省域单频网建设中，综合考虑站点位置、功率设置等方面因素，为尽量减小单频网内同频干扰现象。采用了帧头较长的PN945形式，于是可计算出单频网中的站间距应小于37.5千米PN420帧头：t=55.56s，L=16.67km；PN595帧头：t=78.7s，L=23.61km；PN945帧头：t=125s，L=37.5km。而实际上，由于四川地貌复杂，以山地为主，具有山地、丘陵、平原和高原4种地貌类型，西部多为高原、山地，东部、南部多为丘陵
17、；人口分布方面，盆地地带人口相对密集，东部丘陵地带人口分布较为密集，而西部、西北及西南部高原和山地地带人口分布则相对稀疏。为最大程度地增加覆盖区域和覆盖人口，同时尽量减小单频网内相干区的影响，在频率规划中，在发射站点分布设置方面，在人口密集区域尽量保证发射台站站间距要求，但实际发射站点分布情况并不能完全知足要求。在人口稀疏的山地地带，站间距超长表现尤为突出。在网络优化设计中，主要做到下面几点：一是在人口相对密集地带且站间距不知足要求的情况下，根据发射站点地理位置和主要覆盖区域采取时延调整与天线场形优化相结合的方式，调整相干区，解决有效覆盖的同时，尽量减少覆盖区域的站间干扰；二是在人口稀疏的山地
18、、高原地带，根据发射站点地理分布及主要覆盖区域多位于较低的沟壑地带的实际状况，提早进行覆盖仿真计算，通过采用时延调整的办法，解决覆盖区域覆盖，同时减少网间干扰；三是对极少部分边远地区，根据地形，甚至能够采取同频播出而暂不考虑单频网工作形式，在解决覆盖的同时，避免了此类边远地区传输时延可能存在的超长问题；四是在信号接收点存在网间干扰无法消除的区域，可考虑在接收端通过使用高增益室外定向天线、考虑接收天线极化调整和利用周边建筑物做干扰源遮挡的办法尽量减少站间干扰和多径传播干扰。4.3其他问题由于本项目建设分三期3年由不同的建设主体负责建设，为确保整个地面数字电视单频网正常运行，在完成一期65个台站建
19、设任务并进行联网统调的基础上，在二、三期建设中，将面临发射站点的屡次联网统调，增大了工程建设难度；由于发射台站既有省直属台站，也有地方台站，受施行的主体、采购环节影响，将导致整个地面数字电视广播单频网播出系统设备型号呈现多样性、难统一，这将增加全省单频网组网及联网统调的难度；此外，在单频网建成后，为确保整个网络正常运行，还面临全网台站的统一调度指挥的问题。在提早预见存在困难的基础上，须在项目建设及今后的维护经过中想法予以解决。笔者将以上这些问题列举出来，既为广播电视工程技术人员提供参考，也希望对即将施行地面数字电视广播单频网组网建设的地方提供借鉴。地面数字电视广播单频网在实际组网运用中，结合覆盖站点分布、覆盖区域地形地貌、重点覆盖区域分布还有很多综合运用措施。本文仅对部分技术关键点作了一些浅析，并就详细工程实践作了举例讲明，供广大广播电视无线覆盖技术工作人员及管理者参考。缺乏之处，敬请指正。