淺談中波同步廣播單頻覆蓋的優(yōu)化

湯思賢

（作者單位：廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺）

淺談中波同步廣播單頻覆蓋的優(yōu)化

湯思賢

（作者單位：廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺）

為了提高中波同步廣播單頻覆蓋的運行效果，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要點結(jié)合廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺與廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺的中波同步廣播的情況，針對性地改進同步廣播設(shè)備，逐步優(yōu)化干擾區(qū)的收聽效果，并根據(jù)工作中出現(xiàn)的問題，思考下一步改進的方向。

中波；同步廣播；單頻；頻偏；同時延

3 Hz～300 GHz的無線電波是目前利用廣泛的電磁波譜，這些頻譜資源是所有無線電業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)通道，就如同公路于車輛，航道于飛機輪船，不同之處在于無線電頻譜的利用是有限度的，可以被利用但非耗竭性的，一定的時間和地域內(nèi)利用還具有排他性。而科技信息的高速發(fā)展，帶來無線電業(yè)務(wù)與應(yīng)用爆炸式需求，迫使人們想方設(shè)法對頻譜資源進行充分開發(fā)和利用。

同步單頻廣播是頻譜資源開發(fā)利用的一種方法，它通過不同地點處于同步狀態(tài)的無線電發(fā)射臺，在同一時間、以同一頻率發(fā)射同一信號，實現(xiàn)對一定服務(wù)區(qū)的可靠覆蓋。采取了單一頻率組成同步廣播后，可以節(jié)約頻率資源，解決覆蓋盲區(qū)問題；還可以通過優(yōu)化和調(diào)整單頻網(wǎng)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)，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(jù)需要隨時改變場強圖。同步單頻廣播關(guān)鍵在干擾區(qū)的接收效果，因為來自不同發(fā)射機的信號強度差小于一定量的時候，信號間會存在相互干擾，導(dǎo)致接收效果變差。

廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺及廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺，同時擔(dān)負756kHz中國之聲和1062kHz珠江經(jīng)濟臺的中波廣播任務(wù)，并組成一個簡單的同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)絡(luò)。多年來不斷改進同步廣播的效果，積累了一些同步廣播的經(jīng)驗。

1　中波同步廣播單頻覆蓋的技術(shù)要點

參與同步廣播的各中波發(fā)射臺站（簡稱同步臺）在獨自的場強覆蓋范圍內(nèi)如同單機廣播，但在覆蓋交疊區(qū)，由于調(diào)制方式一致，頻率相近而不相同，會因干涉而產(chǎn)生同步衰落現(xiàn)象，同步衰落對于聽眾而言就是差拍叫聲，潮水聲等惡劣的收聽效果。為使人民群眾能方便清晰的接收到節(jié)目，需要各同步臺滿足三個要求。第一，“全功率，滿調(diào)制，高質(zhì)量”的一般性要求。第二，在場強覆蓋交疊區(qū)的兩個參數(shù)滿足規(guī)定要求：兩同步臺的頻偏Δf以及兩同步臺在交界處的場強之比η，這也是中波同步衰落的參數(shù)。Δf的存在是因為技術(shù)、設(shè)備和傳播等因素導(dǎo)致同步臺在交疊區(qū)的載波頻率不相同，η是各同步臺的發(fā)射功率不同、距離和場強分布不同等因素而存在的。第三，各同步臺到達干擾區(qū)的音頻同時延的要求。

中波同步衰落的兩個參數(shù)，頻偏Δf和場強比η直接決定干擾去的接受效果。要做好同步廣播，要優(yōu)先解決頻偏大的問題，頻偏越大，收聽效果越差，如表1所示，頻偏小于0.1才開始有比較正常的聲音，頻偏小于0.015Hz時收聽效果才良好，此時頻率精度可視為3×10-8。頻偏確定時，場強比需要大于某個定值收聽效果才有保障，這個值就是該頻偏Δf的同步保護率η0。場強比小于同步保護率，收聽效果就差。頻偏與同步保護率的關(guān)系如圖1所示，頻偏小于0.5Hz時，同步保護率和頻偏可視為成正比；當(dāng)各同步臺頻偏趨于0時，干擾區(qū)接收效果可以忽略的場強差的影響[1]。

表1　不同頻偏時的聽覺感受

圖1　不同頻偏時的同步保護率

另外，節(jié)目接收良好并不代表人的主觀聽覺感受良好，各同步臺的音頻信號從接收機解調(diào)出來是不同步的，若時間差過大則形成回聲。參照聲學(xué)中的哈斯效應(yīng)（又稱優(yōu)先效應(yīng)），兩個強度相等而其中一個經(jīng)過延遲的聲音同時到人耳中時，如果延遲在30 ms以內(nèi)，聽覺上將感到聲音好像只來自未延遲的聲源，并不感到經(jīng)延遲的聲源存在。為此，各同步臺信號時延差也應(yīng)控制在30 ms內(nèi)。

上面的分析指出中波同步單頻廣播優(yōu)化的方向：減少頻偏，降低同步保護率，減少音頻信號時延差。

2　廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺歷次建立的同步廣播和效果

廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺與廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺直線相距120km，小于衰落區(qū)始端的145km，場強交疊的干擾區(qū)屬于地波服務(wù)區(qū)。干擾區(qū)如圖2所示，縱向約20km，靠近廣州。根據(jù)中波廣播覆蓋網(wǎng)中規(guī)定（GB2017-1980）執(zhí)行如下標準：準同步時：Δf≦0.1Hz，η0=8dB；頻率制精密同步：Δf≦0.015Hz，η0=4dB；相位制精密同步：Δf≦0.015Hz，η0=3dB。

圖2　干擾區(qū)示意圖

廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺與廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺的同步廣播一開始是采用單一頻率的頻率制同步。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，舊的發(fā)射系統(tǒng)和設(shè)備總會逐步落后于時代，變得不適應(yīng)工作需要。為了更好地開展工作，提高工作效率，廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺多年工作中陸續(xù)增添設(shè)備、優(yōu)化發(fā)射系統(tǒng)。圍繞兩源一線和發(fā)射機設(shè)備不斷提升效率，改進安全播出防范能力。同步廣播系統(tǒng)也隨之不斷改進，提高收聽效果。

2.1頻率制同步

頻率制同步方式就是各臺站用高穩(wěn)定度的振蕩源(穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-8）為基礎(chǔ)生產(chǎn)出載頻提供發(fā)射機工作，并且建立校頻制度，每天新聞聯(lián)播節(jié)目時將本地載頻信號與標頻信號（穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-12）進行對比校準，做好數(shù)據(jù)記錄，定期上報報表。頻率制同步廣播的同步質(zhì)量主要依賴于振蕩源的穩(wěn)定度、標頻傳輸后穩(wěn)定度和校頻工作，理論上同頻保護率可以小于4 dB。在建網(wǎng)后例行檢查中發(fā)現(xiàn)，相干區(qū)收聽效果欠佳，區(qū)內(nèi)不同點變化很大，不少點的同頻保護率在6 dB。這一方面由于技術(shù)條件和元器件精度問題，標頻經(jīng)過模擬傳輸之后精度已經(jīng)大幅度降低，較頻工作的作用不夠理想，若提高到足夠精度則費用巨大；另一方面，相干區(qū)位于市區(qū)邊緣，各種干擾增多，降低了覆蓋效果。

這一階段廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺同步廣播效果較差，主要原因在于頻偏大且不穩(wěn)定。若要優(yōu)化收聽效果，就需要減少頻偏來降低同步保護率，改善干擾區(qū)中各同步臺場強相近之處的收聽效果。

2.2自適應(yīng)相位同步

20世紀90年代中期，廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺開始引進PSM發(fā)射機，并改進同步廣播效果，計劃增加光纖、衛(wèi)星等信號源來提高音頻信號源的安全可靠性。經(jīng)過調(diào)研，此時自適應(yīng)相位同步設(shè)備比較普遍，效果也很好，廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺和廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺對同步廣播設(shè)備也進行了全部更新改造。

自適應(yīng)相位同步是在相位制同步基礎(chǔ)上改進的同步方式。相位制同步通過鎖相環(huán)電路用同一標頻對產(chǎn)生載頻頻率的壓控振蕩器進行連續(xù)校頻同步，實行強迫鎖定。設(shè)計效果中，相位制同步指標遠優(yōu)于頻率制同步方式，各同步臺載頻頻率相同，同頻保護率逼近0dB。但實際試驗中發(fā)現(xiàn)，模擬的標頻信號傳送到各同步臺常因干擾出現(xiàn)相位抖動情況，引起被同步的載頻發(fā)生快速相位漂移；若標頻接收中斷，鎖相環(huán)缺失外部輸入的參考信號失鎖，導(dǎo)致壓控振蕩器輸出異常。這些情況導(dǎo)致相干區(qū)的收聽質(zhì)量嚴重劣化，甚至無法收聽，令相位制同步方式在實踐中表現(xiàn)遠低于理論。

自適應(yīng)相位同步針對這些情況進行改進，不再跟蹤標頻信號的快速相位變化和隨機抖動，加入微機進行計算和分析的功能，將本地頻率與標頻進行長期統(tǒng)計準確度，不斷進行修正本地頻率使其趨近標頻的精度并保持下來，當(dāng)標頻信號劣化、中斷時，本地頻率仍然保持標頻斷開前的精確度，避免了相位制同步的弊端。

設(shè)備改造中，廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺采用安徽省廣播電視科研所的AV3200智能同步廣播激勵系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用微處理機進行實時數(shù)據(jù)處理和智能測控，保持載頻信號和相位穩(wěn)定。當(dāng)標頻信號出現(xiàn)質(zhì)量劣化或中斷時，系統(tǒng)能夠自動從相位制變換為頻率制工作；而當(dāng)標頻信號恢復(fù)正常時，系統(tǒng)又能自動進入相位制同步運行。該系統(tǒng)分為兩部分，一部分ISU單元，作用是與CCTV節(jié)目信號中場逆程期插入的1MHz時頻基準為標頻（1×10-8）進行自適應(yīng)相位同步，并輸出9kHz的方波信號，另一部分FSU單元，作用是將ISU單元輸出的9kHz進行多路信號倍頻，輸出廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺4個頻率的載頻：648 kHz，756 kHz、1 062 kHz和1 341 kHz。由此不僅僅同步廣播的兩個頻率獲得了穩(wěn)定的同步載頻，其他兩個不進行同步廣播的頻率也獲得了穩(wěn)定精確的載頻信號。

廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺進行自適應(yīng)相位同步廣播前后，在干擾區(qū)選取了七個點進行收測對比，如圖2所示，其中最有代表性的是位于干擾區(qū)中部受場強差較小的的衛(wèi)星地球站，以及位于干擾區(qū)邊緣的番禺東涌，他們的收測結(jié)果見表2。

從表2可以看出，設(shè)備改造后兩臺頻率差大大降低，同步保護率在2 dB以下。為驗證相位制同步效果，特意將兩臺場強在衛(wèi)星地球站處調(diào)整為79 dB，番禺東涌處調(diào)整為82dB，收聽效果仍然良好，證明改用自適應(yīng)相位同步設(shè)備后同步保護率趨于0，符合理論設(shè)計數(shù)值。另外，將某一臺標頻去掉，此時收聽效果不變，反映了系統(tǒng)的自適應(yīng)效果良好。同時在測試點附近，在近100m范圍尋找衰落失真谷點，在距測試點40～50m處有衰落失真現(xiàn)象，只要調(diào)整好收音機方向，衰落、失真即消失，可以收聽清楚。

這一階段的同步廣播效果大大提升，2臺采用自適應(yīng)相位制智能同步廣播技術(shù)以后，頻率精度增加，頻偏趨于0Hz，同頻保護率趨于0dB，收聽質(zhì)量較好。

表2　不同頻偏時的同步保護率

2.3衛(wèi)星導(dǎo)航信號獲取標頻

進入21世紀，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電視技術(shù)成熟并全面推行，模擬電視信號的傳輸即將停止。同步廣播中采取CCTV節(jié)目信號中場逆程期插入的1 MHz時頻基準為標頻，導(dǎo)致原有同步廣播系統(tǒng)的基準信號源也不復(fù)存在，必須尋找新的方式作為同步廣播的標頻。

此時最方便、實用的辦法就是接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號來獲取標準頻率。一方面，衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋面廣且精度高。它的信號精度依賴于星載原子鐘，其信號采用偽隨機碼擴頻傳輸，同時引入了電離層修正、多普勒及相對論效應(yīng)修正等一系列措施，使用專用接收機獲得頻標的穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-13，比原來電視節(jié)目提供的標頻更為穩(wěn)定。而中波同步廣播的精度需求1×10-8，避開復(fù)雜運算部分采用低成本的處理技術(shù)就可以達到。另一方面，衛(wèi)星導(dǎo)航信號可以免費獲取，而且獲取渠道有我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐盟GALILEO這四個聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會已認定的供應(yīng)商，多個獲取渠道可以盡量避免再次遇到標頻信號停傳的情況。

圖3　同頻同延時架構(gòu)

經(jīng)過市場調(diào)查，選中安徽省廣電數(shù)碼科技有限公司制造的ASE-06-SR中波同步基準源。該基準源也是自適應(yīng)相位同步的產(chǎn)品，與AV3200智能同步廣播激勵系統(tǒng)的區(qū)別在于他接入的不再是電視信號，而是接入衛(wèi)星信號。該產(chǎn)品本地晶振頻率精度達到1×10-8，頻率日穩(wěn)定度5×10-9，衛(wèi)星導(dǎo)航信號鎖定時頻率精度達到1×10-10，頻率日穩(wěn)定度1*10-10，滿足中波同步廣播的精度和穩(wěn)定度要求。廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺和廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺各購置一臺中波同步基準源，將其輸出的9kHz信號接入原系統(tǒng)的FSU部份。更換設(shè)備后按圖2地點進行再次收測，收聽效果良好。

3　進一步優(yōu)化改造的設(shè)想

自從自適應(yīng)相位同步設(shè)備投入使用后，頻率同步問題已經(jīng)解決，同步保護率趨于0，影響收聽效果的因素只有音頻同時延問題。沿用的方法是采用同一傳輸方式的信號源，由于兩同步臺的音頻鏈路相同，干擾區(qū)的音頻信號時延基本相等，收聽效果良好。例如，采用頻率制同步時，廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺和廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺同時采用音頻電纜傳輸音頻信號，沒有影響同步效果。

但隨著設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，光纖、數(shù)字衛(wèi)星傳輸以可靠安全的數(shù)字傳輸特性，逐步成為主用音頻信號源傳輸方式。光纖與數(shù)字衛(wèi)星傳輸?shù)膮^(qū)別在于成本、可靠性和時延。光纖傳輸成本高但最為可靠，數(shù)字衛(wèi)星傳輸成本低但存在日凌時間影響接收效果；光纖傳輸從北京傳送到廣州2 000km時延幾十毫秒，衛(wèi)星信號的上行下行30 000km時延幾百毫秒。這些情況使得各廣播臺有條件的情況下都選取光纖傳輸作為首選音頻信號源傳輸方式。但廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺與廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺的音頻傳輸改造的進度并不一致。2000年后，廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺已經(jīng)增加了光纖和數(shù)字衛(wèi)星傳輸兩種方式，但廣東省廣播電視技術(shù)中心909臺只增加了數(shù)字衛(wèi)星傳輸，這導(dǎo)致只能使用衛(wèi)星信號作為同步廣播音頻信號源。

光纖、衛(wèi)星信號源時延差距可達幾百毫秒，兩者混用就會出現(xiàn)嚴重的回聲。嘗試使用ms級起調(diào)的音頻延時器，將光纖和衛(wèi)星的信號時延統(tǒng)一起來。但由于中星6B廣播衛(wèi)星不是在靜止軌道上，衛(wèi)星信號時延隨離地距離不斷變化，并且軌道變化過大，超過30ms的時延范圍。發(fā)現(xiàn)調(diào)整完成后一段時間收聽效果就劣化。若不改造設(shè)備的情況下要將光纖、衛(wèi)星信號源混用，就需要定期監(jiān)聽光纖、衛(wèi)星信號源的同步情況，將兩者進行校正使其時延一致。但這種人工調(diào)整方法就是以前校頻工作的舊路，兩次校正之間的質(zhì)量不保證，并且各種鏈路中由于設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)、編解碼、路由變化等情況，造成時延變化不規(guī)律。

若要真正解決多種傳輸渠道的音頻信號源同步問題，就需要改造設(shè)備，增加時間碼或者同步控制信號，使各同步臺的各種音頻信號源接收端可以將多種渠道的音頻信號進行同步。這需要在節(jié)目制作前端、信號傳輸通道和中波、短波、調(diào)頻等多個節(jié)目播出末端同時進行改造，在編解碼的兩個過程中完成同步音頻信號的處理，是個跨部門工程，如圖3所示。這樣的架構(gòu)關(guān)鍵處在于獲取射頻和時間兩個信號。經(jīng)過初步調(diào)查，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了相關(guān)設(shè)備，采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號獲取時間參數(shù)進行同步，但綜合各方面的情況，這方面的改造仍需繼續(xù)觀察。

以上是廣東省廣播電視技術(shù)中心522臺關(guān)于中波同步廣播覆蓋的實踐和改進歷程，從歷次改進的效果來看，技術(shù)進步帶來的效果優(yōu)化是非常明顯的，下一步的改良方向也有了技術(shù)支撐，射頻、音頻自動同步的中波同步廣播單頻覆蓋指日可待。

[1]何大中,馮錫增.廣播電視技術(shù)手冊第一分冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1996.