中衛(wèi)市農(nóng)村數(shù)字電視無線覆蓋方案

邵 云

（寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)廣播電視臺，寧夏 中衛(wèi) 755000）

1 引言

中衛(wèi)市是寧夏西部的一個地級市，也是我國西部的一個樞紐城市。在中衛(wèi)地區(qū)，信息獲取手段的落后已經(jīng)成為構(gòu)建和諧社會和建設(shè)新農(nóng)村的嚴重障礙。針對目前中衛(wèi)市農(nóng)村地區(qū)廣播電視覆蓋現(xiàn)狀，中衛(wèi)市廣播電視臺和成廣電視設(shè)備有限公司（下稱成廣公司）在市中心和東部勝金關(guān)農(nóng)村地區(qū)建設(shè)了一套國標數(shù)字電視無線覆蓋規(guī)劃系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)主要解決農(nóng)村地區(qū)電視信號覆蓋問題。根據(jù)地理位置，在轄區(qū)的東部和西部城區(qū)中心各建一個發(fā)射站，以實現(xiàn)對西發(fā)射站的東南部180°，半徑20 km范圍內(nèi)，北部半徑9 km范圍內(nèi)和東發(fā)射站的南部偏東180°，半徑15 km范圍內(nèi)，85%以上地區(qū)廣播電視節(jié)目地面數(shù)字電視信號的良好覆蓋，信號場強在上述范圍內(nèi)不低于30 dBμV。并通過發(fā)射天線的偏置設(shè)計，有效避免對本縣以外地區(qū)廣播電視信號的干擾，界外場強低于20 dBμV。

本系統(tǒng)的前端信源系統(tǒng)設(shè)在城區(qū)廣電大樓，包括編碼復(fù)用系統(tǒng)、加擾系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)和光纖傳輸系統(tǒng)。利用5個電視頻道，采用國標地面數(shù)字電視技術(shù)，傳輸電視節(jié)目35套以上，廣播節(jié)目8套以上，電視節(jié)目每套碼率平均不低于2.35 Mbit/s。5路TS流信號經(jīng)加擾、激勵器調(diào)制，在射頻上合成后通過既有光纖傳至各發(fā)射站，經(jīng)光接收機接收后傳至發(fā)射機，發(fā)射機進行選頻并將每一個頻道信號功率放大到100 W后發(fā)射，系統(tǒng)原理如圖1所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)要求，在中衛(wèi)市城區(qū)東部和西部共建2個發(fā)射主站，各使用5臺單頻道100 W發(fā)射機，覆蓋境內(nèi)的大部分農(nóng)村地區(qū)，并根據(jù)覆蓋情況在邊遠鎮(zhèn)再建設(shè)2個或更多直放站進行補點發(fā)射，以實現(xiàn)對中衛(wèi)市城區(qū)境內(nèi)所有農(nóng)村地區(qū)地面數(shù)字電視信號的良好覆蓋。

圖1 數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)圖

3.1 100 W單頻道發(fā)射機

系統(tǒng)中，2個發(fā)射站各配置5臺100 W發(fā)射機，使用5個相同的電視頻道，發(fā)射5路數(shù)字電視信號。5臺發(fā)射機采用組合設(shè)計方式，將2個和3個頻道的發(fā)射機分別裝入1個機柜，在發(fā)射機輸出端采用數(shù)字式帶通濾波器構(gòu)成的雙工器和三工器進行頻道合成，通過2副天線發(fā)射出去。

系統(tǒng)采用成廣公司生產(chǎn)的DMB-100-I型100 W數(shù)字電視廣播發(fā)射機。主要由頻道選擇器、激勵放大器、功放單元、顯示單元、控制單元、輸出濾波器、電源系統(tǒng)以及風(fēng)冷系統(tǒng)等組成。100 W數(shù)字電視廣播發(fā)射機原理如圖2所示。

圖2 100 W數(shù)字電視發(fā)射機原理圖

發(fā)射系統(tǒng)中，雙工器和三工器裝在一個機柜內(nèi)，這樣發(fā)射站的主要發(fā)射設(shè)備被設(shè)計裝在3個機柜內(nèi)，發(fā)射系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 5×100 W數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)圖

在發(fā)射站，光接收機解調(diào)輸出的多個頻道射頻信號，經(jīng)發(fā)射機采用多級頻道濾波器后，分離出單一頻道的射頻信號進入各頻道發(fā)射機。本系統(tǒng)中，選頻器負責(zé)將合成射頻信號里的每個頻道信號取出。對于隔頻信號，分離過程簡單，但實現(xiàn)相鄰頻道數(shù)字電視信號的分離，則必須采取變頻濾波方式才能獲得良好的技術(shù)指標，選頻器原理如圖4所示。

圖4 選頻器原理圖

在相鄰頻道信號分離處理過程中，采用變頻技術(shù)和聲表面濾波技術(shù)，這是成廣公司根據(jù)本系統(tǒng)的特點獨創(chuàng)的射頻處理技術(shù)，實現(xiàn)過程復(fù)雜，成本較高，最大特點是實現(xiàn)了相鄰頻道高隔離度的要求。

3.2 多工器系統(tǒng)

多工器包括1個雙工器和1個三工器，DS-43和DS-46進行雙工，DS-41，DS-44和DS-48進行三工，合成后的2路射頻信號通過2副天線發(fā)射出去。多工器采用星型結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)指標：1）頻率范圍為470～862 MHz（DS-43/46 雙工，DS-41/44/48 三工）；2）功率容量為 2×1 kW/3×1 kW；3）插入損耗不大于0.5 dB（工作頻帶內(nèi)）；4）隔離度不小于35 dB；5）駐波比不大于1.10；6）輸出接口為IF70；7）輸入接口為L27。

3.3 發(fā)射天線

本系統(tǒng)使用2副天線進行發(fā)射，采用6層偶極子筒型垂直極化天線。該天線設(shè)計功率容量3 kW，頻率帶寬100 MHz，可滿足多工使用的要求。發(fā)射天線單元采用筒形結(jié)構(gòu)，天線系統(tǒng)進行了適當(dāng)?shù)南辔谎a償優(yōu)化，同時功率分配器采用多級切比雪夫變換以獲得更好的寬帶特性。該天線采用不銹鋼制作，具有防腐能力強、使用壽命長的特點。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡練輕巧、易于制作和運輸，駐波比特性好，頻率帶寬較寬，可滿足100 MHz間隔范圍內(nèi)的多工器的要求。

6層筒形垂直極化天線系統(tǒng)由6對筒形天線振子、3根分饋線、1只3∶1功率分配器和1只λ/4調(diào)配線組成。主要技術(shù)指標：1）頻率范圍為 470～800 MHz/指定電視頻道中心頻率±50 MHz；2）功率容量為 1.4 kW；3）天線增益為9.8 dB；4）駐波比不大于1.10；5）方向性為全向（220°弱向）；6）極化方式為垂直；7）波束填充大于 8%；8）系統(tǒng)重量為100 kg。

3.4 數(shù)字電視激勵器

本系統(tǒng)5個頻道的國標數(shù)字電視激勵器設(shè)置在電視大樓中心機房，采用成廣公司激勵器CGDE-I。激勵器滿足標準GB20600-2006和GY/T229.2-2008的技術(shù)要求，可以實現(xiàn)國標要求的330種工作模式。激勵器的主要性能指標：1）工作頻段為VHF/UHF任一指定電視頻道；2）帶寬為8 MHz；3）頻率穩(wěn)定度中，內(nèi)置頻率基準不大于 1×10-8，外接頻率基準不大于 1×10-10；4）輸出功率可調(diào)范圍為-10～0 dBm；5）帶肩比（中心頻率±4.2 MHz）小于-50 dB；6）帶內(nèi)波動不大于0.3 dB；7）MER優(yōu)于36 dB；8）帶外雜散和諧波抑制不大于-65 dB；9）相位噪聲≤-65 dBc/Hz@10 Hz，≤-80 dBc/Hz@100 Hz，≤-90 dBc/Hz@1 kHz，≤-100 dBc/Hz@10 kHz，≤-115 dBc/Hz@100 kHz，≤-125 dBc/Hz@1 MHz。

4 系統(tǒng)試驗

4.1 系統(tǒng)工作模式

本系統(tǒng)支持國標的330種工作模式，在選擇發(fā)射機工作模式時，應(yīng)根據(jù)各地的實際情況進行規(guī)劃設(shè)計，才能保證地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)覆蓋效果最佳。

無論多載波工作模式，還是單載波工作模式，均在時域同步正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM）幀結(jié)構(gòu)下進行子載波參數(shù)選擇。國標DTMB的統(tǒng)一性表現(xiàn)在系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、擾碼糾錯、系統(tǒng)時鐘、時域交織、調(diào)制方式、信號帶寬等，國標DTMB的融合性表現(xiàn)在時域和頻域相結(jié)合的信號處理方式上，在此基礎(chǔ)上的單載波和多載波信號可以統(tǒng)一用硬件處理。

根據(jù)成廣公司承擔(dān)的大量工程項目經(jīng)驗，在相同測試環(huán)境下，邊緣接收場強時，單載波16QAM模式的性能要比多載波的32QAM模式好；對發(fā)射機而言，相同輸出功率情況下，發(fā)射機單載波工作時的帶肩比要比多載波工作高約2～3 dB，而在相同帶肩比情況下，單載波工作時的輸出功率約比多載波工作高約20%～30%。

在選擇發(fā)射機工作模式時，還應(yīng)作如下基本考慮：

1）達到最低碼流要求。35套標清節(jié)目平均每套碼流控制在2.35 Mbit/s，每個頻道7套節(jié)目，碼流合計為16.5～17.5 Mbit/s，留有近20%裕量，可有效防止碼流溢出。

2）本項目主要面向農(nóng)村固定用戶覆蓋，選擇C=1有如下好處：更低的峰平比，在16QAM時，單載波的峰平比要低1.5～2 dB，這樣發(fā)射機的成本可以降低，效率也可以得到5%以上的提高，運行成本降低了；接收成本更低，由于接收芯片的成本差異，同一個廠家的機頂盒，通常單載波的價格要略低一點。

根據(jù)廣電總局推薦的7種主要工作模式，本系統(tǒng)選用了如下4種工作模式進行試驗，最后根據(jù)接收效果確定了表1中的第2種模式為常規(guī)工作模式。

表1 4種工作模式參數(shù)

4.2 發(fā)射系統(tǒng)的測試

系統(tǒng)安裝完畢后，對整個發(fā)射系統(tǒng)進行測試。內(nèi)容包括激勵器測試、信號分配系統(tǒng)測試、發(fā)射機系統(tǒng)測試和天饋系統(tǒng)測試。經(jīng)測試，各子系統(tǒng)均達到了設(shè)計要求，可以投入使用。特別是發(fā)射機的帶肩比指標，均在-36 dB以下，包括相鄰頻道的2臺發(fā)射機均能達到這一要求，因此，本系統(tǒng)設(shè)計合理。

系統(tǒng)建成后，對每個發(fā)射系統(tǒng)的信號分布情況進行詳細的道路測試，進行多點測試，包括主要覆蓋區(qū)的近端（10 km以內(nèi)）、遠端（場強覆蓋的邊緣20 km），考察測試點的場強和實際接收效果。同時在國標的不同模式下進行測試，包括發(fā)射機的效率、覆蓋場強和接收效果，最終確定上述第2種模式為最佳的覆蓋模式。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)了中衛(wèi)市城區(qū)境內(nèi)大部分農(nóng)村地區(qū)的數(shù)字電視無線覆蓋。由于系統(tǒng)具有良好的擴展性，易于實現(xiàn)其他地方的補點覆蓋。只要廣電系統(tǒng)光纖能夠到達的地方，大范圍補點時可采用本系統(tǒng)的單頻道發(fā)射方案，小范圍補點時可采用多頻道寬帶放大方案。

采用了射頻同源發(fā)射技術(shù)，所有相同頻道的發(fā)射機使用同一臺激勵器信號，該方案具有以下兩大優(yōu)勢：第一，能有效解決干擾問題，因為在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)盡量減少交叉覆蓋區(qū)域，就算出現(xiàn)交叉覆蓋區(qū)域，也不會影響數(shù)字電視的接收。第二，節(jié)省系統(tǒng)成本，由于第一個發(fā)射臺站建設(shè)完畢后，新增發(fā)射臺站的發(fā)射機不再需要激勵器，這樣發(fā)射機系統(tǒng)的成本則會大大節(jié)省。