地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與覆蓋的技術(shù)研究

劉志超

【摘要】隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活得到極大豐富，對精神文化需求不斷增加，這也對廣播電視行業(yè)提出了更高的要求。但傳統(tǒng)的模擬信號傳輸方式已經(jīng)無法滿足我國廣播電視行業(yè)未來的發(fā)展需求，迫切希望能夠提升廣播電視節(jié)目的播出質(zhì)量。地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可以有效提高廣播電視網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，改變地方電視臺頻率資源短缺的困境，提高頻率資源的利用效率，從而為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的廣播電視節(jié)目。但由于數(shù)字地面電視廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)十分復(fù)雜，容易受到多種因素的影響，目前在覆蓋網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)階段，依然存在著許多問題，這不利于我國廣播電視行業(yè)未來的發(fā)展。鑒于此，本文對數(shù)字地面電視廣播網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與覆蓋的技術(shù)進行研究，希望能為我國廣播電視行業(yè)未來的可持續(xù)發(fā)展提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】地面數(shù)字電視;覆蓋網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃;單頻網(wǎng)

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.011.005

地面數(shù)字電視廣播是指廣播信號通過地面進行傳播，這種傳播方式與傳統(tǒng)的模擬信號傳輸方式相比具有以下優(yōu)勢：一是可以在同一個頻率中進行多套廣播電視節(jié)目的傳輸，可以有效提高頻譜資源的使用效率;二是采用數(shù)字傳輸技術(shù)來進行地面廣播信號的傳播，可以有效增強信號傳輸?shù)目垢蓴_能力，能為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的廣播電視節(jié)目;三是可以為用戶提供固定和移動兩種接收方式，滿足不同用戶的不同需求;四是與傳統(tǒng)覆蓋方式相比，數(shù)字傳輸技術(shù)的覆蓋范圍更廣，覆蓋效果更佳。我國數(shù)字電視廣播標準的頒布時間相對較晚，在2006年才正式頒布我國的數(shù)字電視廣播國家技術(shù)標準。在標準中明確電視和廣播業(yè)務(wù)的清晰標準，這也對我國的廣播電視行業(yè)提出了更高的要求。

現(xiàn)階段，在城市范圍內(nèi)數(shù)字電視地面廣播主要采用單頻網(wǎng)覆蓋的模式，這種模式是多臺發(fā)射機在同一頻率上發(fā)射相同的廣播電視內(nèi)容，所構(gòu)建的覆蓋網(wǎng)絡(luò)被稱為單頻網(wǎng)。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國地方電臺頻譜資源越發(fā)緊張，單頻網(wǎng)的使用可以有效提高頻率資源的利用效率，只需要占用一個頻率資源就可以實現(xiàn)同一個節(jié)目的大范圍覆蓋。這種覆蓋模式也適合模擬電視向數(shù)字電視的過渡，可以節(jié)省大量的頻率資源，有效緩解我國頻率資源緊張的問題，為我國廣播電視行業(yè)未來的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。此外，單頻網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢還體現(xiàn)在覆蓋方式的優(yōu)化，可以有效增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積和覆蓋效果。在實際應(yīng)用時，對發(fā)射站點的位置、數(shù)量、功率以及天線參數(shù)進行合理設(shè)置，就可以有效減少發(fā)射機的輸出功率，減輕相鄰覆蓋網(wǎng)絡(luò)的干擾問題，使網(wǎng)絡(luò)覆蓋更加平滑。

1. 地面數(shù)字電視廣播覆蓋技術(shù)

1.1 組網(wǎng)模式

廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的規(guī)劃區(qū)域，可以采用多頻網(wǎng)、單頻網(wǎng)以及混合網(wǎng)三種模式。

多頻網(wǎng)。由多臺發(fā)射機組成，采用不同的頻率在同一時間傳送相同的廣播電視節(jié)目。優(yōu)點：多臺發(fā)射機所使用的頻率各不相同，這就不需要使用頻率同步設(shè)備，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。這也不需要對各發(fā)射機的輸出延時進行協(xié)調(diào)，更換廣播電視節(jié)目內(nèi)容更加便捷。缺點：多臺發(fā)射機并沒有對距離進行限制，導(dǎo)致覆蓋面積較大，所占用的頻率資源更多。同時由于各發(fā)射機的頻率不同，一個區(qū)域內(nèi)的接收終端如果想更換頻率，就需要占用更多的頻道，這會進一步加劇地方電視臺頻率緊張的問題。因此，多頻網(wǎng)一般適用于高山地區(qū)的廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

單頻網(wǎng)。在覆蓋區(qū)域內(nèi)多臺發(fā)射器只使用一個頻道，這可以節(jié)省大量的頻率資源。由于對發(fā)射機的距離進行限制，每臺發(fā)射機的發(fā)射功率相對較少，可以有效減少對能源的消耗。但是單頻網(wǎng)需要多臺發(fā)射機使用相同頻率，這就需要增加同步設(shè)備，導(dǎo)致單頻網(wǎng)的前期組網(wǎng)成本較高，同時在組網(wǎng)過程中對發(fā)射機的間距有著嚴格的要求，與多頻網(wǎng)相比廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)的范圍相對較小。單頻網(wǎng)組網(wǎng)標準中也明確規(guī)定兩臺發(fā)射機之間的距離最大不能超過37.5公里。

混合網(wǎng)。是將單頻網(wǎng)與多頻網(wǎng)組合在一起形成覆蓋網(wǎng)絡(luò)。在城區(qū)內(nèi)采用單頻網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在城市郊區(qū)或者偏遠地區(qū)采用多頻網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這種組網(wǎng)方式在達到覆蓋目標的同時，可以有效減少發(fā)射機的使用數(shù)量，并提高頻譜資源的利用效率。

單頻網(wǎng)在建設(shè)完成后，具有較高的廣播電視信號傳輸質(zhì)量和傳輸效果，符合廣播電視行業(yè)未來的發(fā)展需求，也是我國廣播電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)的重點組網(wǎng)方式，因此本文只對單頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進行探討。

1.2 規(guī)劃參數(shù)

地面數(shù)字電視廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃應(yīng)該根據(jù)實際情況進行科學(xué)合理的設(shè)計，既要滿足我國模數(shù)過度的需求，又要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源進行有效利用，因此地面數(shù)字電視廣播的規(guī)劃參數(shù)主要有以下幾點：

最小場強。是指在廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)中不存在頻率干擾的問題，只存在自然噪聲和人為噪聲的干擾，并保證接收終端可以正常接收廣播電視節(jié)目所需要的場強最小值。廣播電視信號屬于寬帶信號，信號的功率譜密度在傳輸過程中是不斷變化的，為了便于計算一般采用等效場強進行代替。為了滿足不同用戶的不同需求，需要為用戶提供多種配置參數(shù)，但不同的配置參數(shù)使系統(tǒng)的傳輸碼率和下載噪比門限也各不相同，會對系統(tǒng)的最小場強因數(shù)造成一定的影響。因此，最小場強的規(guī)劃參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)覆蓋區(qū)域的實際需求進行合理設(shè)置。

保護率。是廣播電視系統(tǒng)抵抗其他系統(tǒng)信號干擾的能力。通過保護率可以計算出接收終端信號的傷門限點，并獲得接收端輸入信號功率與干擾信號功率的比值。在廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，必須考慮各系統(tǒng)之間的信號干擾，以免在建設(shè)完成后影響廣播電視信號的傳輸質(zhì)量。

地點和時間概率。地點概率是指信號場強隨著測量位置的變化而發(fā)生變化，要求小區(qū)域內(nèi)的測量結(jié)果應(yīng)達到給定數(shù)值。時間概率是指信號隨著時間而發(fā)生變化，在對任意位置進行測量時，信號場強值達到給定數(shù)值。在信號覆蓋標準上，數(shù)字電視的覆蓋信號標準更為嚴格，只有達到更高的接收百分比才可以有效保證廣播電視節(jié)目的接收質(zhì)量。所以在進行系統(tǒng)規(guī)劃時應(yīng)依照國家標準采取三個覆蓋層次：一是接收地點覆蓋，在覆蓋網(wǎng)絡(luò)中最小的覆蓋單元在99%的時間內(nèi)都可以接收到達標的廣播電視節(jié)目，就可以認定這一區(qū)域已經(jīng)被覆蓋;二是小區(qū)域覆蓋，在覆蓋網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定比例的接收地點都已經(jīng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)覆蓋，就可以認定這一小區(qū)域已經(jīng)被覆蓋;三是覆蓋區(qū)，是由多個小區(qū)域覆蓋所構(gòu)成的覆蓋區(qū)域，在區(qū)內(nèi)每個小區(qū)域都已實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，就可以認定這一覆蓋區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

發(fā)射臺站參數(shù)。主要包含：一是地理位置。發(fā)射臺站具體位置需要使用經(jīng)緯度來進行表示，根據(jù)全球定位系統(tǒng)的參考框架，發(fā)射臺站的地理位置可以精確到秒，這可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，在規(guī)劃設(shè)計階段也可以提高規(guī)劃的準確性和科學(xué)性;二是天線高度。在計算天線高度時不僅需要對天線自身的高度進行計算，還需要對天線基座的海拔高度進行測量。天線在運行時具有方向性，會向著一定方向輻射電磁波，因此天線在安裝時應(yīng)注意安裝方向，在安裝結(jié)束后也需要對天線的能量集中情況進行檢查。天線方向性圖可以有效描述天線能量集中的情況并以圖形模型的形式展現(xiàn)出來，同時也可以用數(shù)學(xué)函數(shù)的形式表達出來。這種檢測方法在實際應(yīng)用時，可以用兩個相互垂直的平面來進行表示，同時也可以用極坐標來進行表示。此外，通過有效輻射功率和天線方向圖這兩個參數(shù)，可以計算出發(fā)射臺各個方向的輻射功率。

2. 單頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

2.1 單頻網(wǎng)的原理

單頻網(wǎng)是指多個發(fā)射臺在相同時間、相同頻率發(fā)射相同的廣播無線信號，并對一定區(qū)域進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。單頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需要滿足以下三個條件：一是頻率同步。在單頻網(wǎng)內(nèi)多臺發(fā)射機的載波頻率必須保持一致;二是時間同步。在單頻網(wǎng)內(nèi)接收機由于位置不同接收到的廣播信號會有一定的延時，但接收延時必須控制在一定范圍之內(nèi)，這就要求各發(fā)射機必須保持時間同步。此外，各發(fā)射機所分配的網(wǎng)絡(luò)路徑和信號處理速度也存在一定的差異，這就需要引入不同的延時，可以采用自動補償傳輸鏈路的延時方式，保持發(fā)射機輸出信號在時間上的同步，使每臺發(fā)射機可以在相同時刻發(fā)送同一信號幀;三是比特同步。單頻網(wǎng)要求發(fā)射機對所有信號幀進行逐比特的調(diào)制，使發(fā)射機可以在相同的時間內(nèi)發(fā)射相同的信號幀。為了保證比特同步，還要保證輸入信號的逐比特相同，使調(diào)制后的信號逐比特對應(yīng)相同。

2.2 單頻網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)

單頻網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)十分復(fù)雜，對規(guī)劃建設(shè)的技術(shù)要求較高，在進行設(shè)計時也需要充分考慮現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，保證單頻網(wǎng)建設(shè)完成后具有科學(xué)性、可靠性、開放性以及可持續(xù)發(fā)展性。在單頻網(wǎng)規(guī)劃之前需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和基礎(chǔ)建設(shè)進行調(diào)查，由于我國各個地區(qū)廣播電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)模各不相同，盡可能對原有的資源進行利用以避免重復(fù)投資。因此，單頻網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)遵循以下步驟：

現(xiàn)有資源調(diào)查。對現(xiàn)有資源狀況進行調(diào)查從而確定單頻網(wǎng)的建設(shè)目標。

選擇系統(tǒng)模式。根據(jù)我國公布的技術(shù)標準，并依據(jù)建設(shè)區(qū)域的服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)范圍合理進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，并選擇適合的系統(tǒng)模式。

選擇發(fā)射點。根據(jù)建設(shè)目標對現(xiàn)有的發(fā)射點和建設(shè)區(qū)域的地理信息進行考察，合理設(shè)置接收地的臺站參數(shù)。同時還需要對各發(fā)射點的視距進行計算，并使用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件對網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果進行預(yù)測。

評估發(fā)射機功率。發(fā)射站點的天饋系統(tǒng)需要嚴格依據(jù)單頻網(wǎng)的要求進行設(shè)計，也需要對發(fā)射機的功率進行準確評估。

前端系統(tǒng)設(shè)計。在前端系統(tǒng)中廣播電視節(jié)目的音頻和視頻質(zhì)量會受到編碼器的影響，因此需要選擇質(zhì)量過關(guān)的編碼器。在前端系統(tǒng)中如果適配器和GPS時鐘出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致整個廣播電視系統(tǒng)發(fā)生混亂，為了有效解決這一問題，設(shè)計人員可以增加備用設(shè)備，一旦主設(shè)備發(fā)生故障，就可以及時啟動備用設(shè)備來保證系統(tǒng)的正常運行。此外，為了保證廣播電視系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在廣播節(jié)目傳輸時也應(yīng)建立備份系統(tǒng)，從而有效保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋的質(zhì)量。

傳送網(wǎng)設(shè)計。在傳送網(wǎng)設(shè)計時，盡可能對現(xiàn)有資源進行重用和升級，同時新站點的設(shè)立需要根據(jù)傳送網(wǎng)的實際需求進行設(shè)置。如采用SDH環(huán)網(wǎng)，就需要使用配套的適配器來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換;如采用微波傳送方式，就需要采用TS over IP的方式，實現(xiàn)信號的相互轉(zhuǎn)換。

發(fā)射機的選擇。在發(fā)射機選擇上應(yīng)盡可能選擇技術(shù)指標較高的型號，設(shè)備在運行時能具有較高的可靠性。為了保證覆蓋網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，在使用老款發(fā)射設(shè)備時，需要與新款發(fā)射設(shè)備進行配合使用，盡可能對老款發(fā)射設(shè)備進行升級和換代。在新老設(shè)備混合使用時需要事先做大量的實驗來保證覆蓋網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和效果。

發(fā)射臺站的設(shè)計。為了保證發(fā)射臺站配電系統(tǒng)的安全性和可靠性，需要做好防潮、防汛、防雨以及安裝散熱設(shè)備。如果是無人值守的機房還要安裝配套的監(jiān)控設(shè)備，可以遠程對機房內(nèi)的電子設(shè)備進行監(jiān)控，了解設(shè)備實時的運行狀態(tài)。

對單頻網(wǎng)的建設(shè)投入進行預(yù)算，并制定最終的工程實施方案。在工程建設(shè)完成后還需要對單頻網(wǎng)的性能進行測試，不斷調(diào)整和優(yōu)化并使其達到最佳狀態(tài)。

2.3 單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的本質(zhì)是對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部參數(shù)的合理配置，從而實現(xiàn)對頻率資源的科學(xué)規(guī)劃，并達到理想的網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，提升頻率資源的利用效率。對于單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計本文提出以下幾種系統(tǒng)模式作為參考規(guī)劃配置。

RN1大服務(wù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃。根據(jù)大服務(wù)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)需求特點，共安裝7臺發(fā)射機，其中一臺位于中心，其余六臺呈六角形圍繞中心發(fā)射機排列，這種組網(wǎng)模式可以實現(xiàn)對服務(wù)區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，覆蓋面積較廣，但這種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模式各發(fā)射機之間會產(chǎn)生一定的電磁干擾，對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量有一定影響。

RN2小服務(wù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃。根據(jù)小服務(wù)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)需求特點，共安裝3臺發(fā)射機，3臺發(fā)射機以三角形的形狀，安裝在服務(wù)區(qū)內(nèi)部。這種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方式，可以有效滿足小服務(wù)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，能有效提升廣播信號的傳輸質(zhì)量和傳輸效果。

RN3半封閉小服務(wù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃。根據(jù)半封閉小服務(wù)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)需求特點，為保證區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，共安裝3臺發(fā)射機，三臺發(fā)射機以三角形狀，布置在服務(wù)區(qū)邊界，這種布置方式通過選取特定的方向可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果，減少網(wǎng)絡(luò)的溢出干擾。

2.4 系統(tǒng)模式的選擇

單頻網(wǎng)需要根據(jù)覆蓋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各站點之間的距離、覆蓋面積、凈碼率以及接收終端類型來選擇適合的系統(tǒng)模式。同時系統(tǒng)的性能還會受到載波數(shù)量、糾錯率、映射方式以及幀頭模式4個參數(shù)影響，所以單頻網(wǎng)在進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時需要充分考慮這4個參數(shù)對系統(tǒng)整體性能的影響。單頻網(wǎng)支持單載波和多載波兩種方式，單載波對接收終端的處理要求較高，適用于大范圍固定的廣播信號接收;多載波對接收終端的處理要求較低，移動終端設(shè)備就可以接收到廣播信號。單頻網(wǎng)信號幀主要由幀頭和幀體組成，幀頭由PN序列組成，可以實現(xiàn)廣播信號的快速同步和信道估計，同步時間很短具有較強的自相關(guān)性，在系統(tǒng)同步方面具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。同時，PN序列還具有一定的隨機性可以對均衡器進行準確訓(xùn)練，能有效補償信號在信道傳輸過程中產(chǎn)生的失真。PN序列在系統(tǒng)中進行應(yīng)用可以提高頻譜資源的利用效率。不同的幀頭模式所包含的幀頭長度也不同，這會直接影響到單頻網(wǎng)發(fā)射臺之間的間距。目前幀頭模式主要分為PN420、PN595以及PN945，其中PN420的幀頭最長，PN945的幀頭最短。間距越短覆蓋網(wǎng)絡(luò)之間的干擾性就越強，不同的幀頭模式所對應(yīng)的保護間隔長度也不同，在實際應(yīng)用時幀頭越長抗干擾能力就越強。但如果幀頭過長會影響廣播系統(tǒng)的凈荷碼率，需要根據(jù)覆蓋區(qū)域的需求來進行合理選擇。

從圖5中可以看出，當保護間隔大于時，接收端在接收廣播信號時信號質(zhì)量就不會受到多路徑信號的干擾，通常情況下，發(fā)射機在發(fā)出廣播信號時都設(shè)置了一定的延時，時間間隔設(shè)置在保護間隔之內(nèi)，所以在選擇發(fā)射站點時就需要充分考慮各站點之間的間距。

3. 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國數(shù)字地面電視廣播業(yè)務(wù)不斷增加，人們也對廣播電視節(jié)目的內(nèi)容質(zhì)量和數(shù)量提出了更高的要求。但原有的系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足實際的業(yè)務(wù)需求，在未來還要不斷提高廣播電視網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，提高覆蓋技術(shù)水平以滿足人們的需求。同時與模擬電視節(jié)目相比，數(shù)字電視節(jié)目有效提高了頻率資源的節(jié)目容量，這時采用便捷的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對廣播覆蓋網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)整和優(yōu)化，可以有效改善城區(qū)范圍內(nèi)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)效果，廣播電視節(jié)目的畫質(zhì)也更加清晰。并且地面數(shù)字電視的建設(shè)成本更低，信號覆蓋面積更廣，可以同時滿足固定接收和移動接收用戶的需求。從地面數(shù)字電視廣播的技術(shù)特點來看，它在抗干擾和抗破壞方面具有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢，不易受到工程施工、自然災(zāi)害以及人為因素的影響，在未來將會有更加廣泛的應(yīng)用前景。

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