淺談地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)

陳小蘭

（作者單位：四川省廣播電視局704臺(tái)）

根據(jù)國家廣播電視總局要求，無線發(fā)射的地面模擬電視信號(hào)已全部關(guān)停，四川省域內(nèi)的發(fā)射臺(tái)站已開始播出省本級(jí)地面數(shù)字電視，取代了原省級(jí)模擬電視的覆蓋。四川省本級(jí)地面數(shù)字電視無線覆蓋工程正在四川省內(nèi)規(guī)劃的發(fā)射點(diǎn)分批次建設(shè)，目前四川省本級(jí)地面數(shù)字電視信號(hào)在多發(fā)射點(diǎn)同頻率覆蓋四川省的大部分區(qū)域的布點(diǎn)工作已完成，但覆蓋的相干區(qū)域存在同頻干擾等現(xiàn)象，影響了用戶正常收看廣播電視節(jié)目。

四川省本級(jí)廣播電視節(jié)目按規(guī)劃要實(shí)現(xiàn)在四川省指定區(qū)域同頻同步播出，圍繞這一目標(biāo)，下一步將進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)與同頻組網(wǎng)工作。本文簡要介紹我國廣播電視發(fā)展歷程、單頻網(wǎng)的特點(diǎn)以及建設(shè)無線地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的必要性，探討怎么樣實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)單頻組網(wǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，希望能對(duì)目前各地即將或正在進(jìn)行的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)提供一點(diǎn)思路。

1 無線地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)背景

1.1 我國廣播電視的發(fā)展歷程

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，近幾十年來我國的廣播電視事業(yè)取得了一定的成就，廣播電視在我國的發(fā)展經(jīng)歷了創(chuàng)始階段—發(fā)展階段—市場競爭階段—整合與數(shù)字化階段，目前進(jìn)入了數(shù)字化改造時(shí)期。

數(shù)字電視是從攝像機(jī)開始到用戶的終端機(jī)頂盒以及電視機(jī)均采用數(shù)字化技術(shù)，指采用現(xiàn)代通信技術(shù)對(duì)電視節(jié)目內(nèi)容進(jìn)行抽樣、量化及編碼等一系列的數(shù)字化處理，經(jīng)存儲(chǔ)或?qū)崟r(shí)播出，供用戶接收、收看或播放的電視系統(tǒng)。

通過壓縮、編碼及解復(fù)用等一系列過程，在原傳輸模擬電視的頻率帶寬下，一個(gè)無線電頻道能傳輸更多套的節(jié)目，較模擬電視傳輸節(jié)約了頻率資源，且具有數(shù)據(jù)再生的功能，通過此功能可以確保電視節(jié)目信號(hào)的接收質(zhì)量。

2008年奧運(yùn)會(huì)在首都北京開幕之前，在8個(gè)奧運(yùn)比賽城市正式開通無線地面數(shù)字電視標(biāo)志著我國地面廣播電視數(shù)字化的時(shí)代已經(jīng)到來。

1.2 地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)建設(shè)的必要性

目前，數(shù)字電視廣播信號(hào)主要通過以下三種方式對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行覆蓋：有線（網(wǎng)絡(luò)）數(shù)字電視、衛(wèi)星數(shù)字電視和無線地面數(shù)字電視。

在城市與通信較發(fā)達(dá)的農(nóng)村，用戶大多通過網(wǎng)絡(luò)收看電視廣播節(jié)目，在通信欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村，用戶大多采用直播衛(wèi)星與地面數(shù)字電視接收廣播電視節(jié)目。由于人們收看衛(wèi)星電視信號(hào)時(shí)，可能接收解調(diào)到國外的反動(dòng)宣傳類的節(jié)目，故未經(jīng)許可，不提倡用戶自行接收解調(diào)衛(wèi)星廣播電視節(jié)目。目前，國家正大力加強(qiáng)地面無線數(shù)字電視的覆蓋工程建設(shè)，以確保通信欠發(fā)達(dá)地區(qū)的用戶能正常收看廣播電視節(jié)目。

近年來，隨著社會(huì)文明的迅速發(fā)展，無線電頻率被廣泛應(yīng)用，國家劃給廣播電視覆蓋的頻率資源已被使用殆盡。

人民群眾對(duì)種類繁多的廣播電視節(jié)目的收聽收看需求給有限的無線電頻率資源帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由此廣電的科研人員便引入了同頻覆蓋技術(shù)，即單頻網(wǎng)技術(shù)。

由多臺(tái)位于不同發(fā)射點(diǎn)、同頻且同步播出的地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)發(fā)射的射頻信號(hào)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）。

使用我國自主研發(fā)出的地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)（Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB），可以實(shí)現(xiàn)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的組網(wǎng)。相比國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視，可以有效節(jié)約頻率資源，同時(shí)降低了電磁波輻射。所以使用中國標(biāo)準(zhǔn)的地面數(shù)字電視實(shí)現(xiàn)單頻組網(wǎng)是很有優(yōu)勢的[1]。

承德市水資源區(qū)域分布特點(diǎn)為：南部較多，北部、中部相對(duì)較少，水資源區(qū)域分布與生產(chǎn)力布局不匹配。水資源利用效率總體水平不高。從灌溉設(shè)施看，一些水庫未設(shè)主干渠，依靠河道輸水；一些灌渠只有干渠，干渠以下渠系配套不健全，配套率為40%，農(nóng)業(yè)灌溉用水方式落后，水資源利用率低，灌溉水利用系數(shù)不足0.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)程要求；工業(yè)用水方面，2005年全市工業(yè)水重復(fù)利用率為62%，市區(qū)部分為78%，鄰近的天津、唐山等城市工業(yè)用水重復(fù)利用率已達(dá)80%。

1.3 DTMB地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)優(yōu)勢

單頻網(wǎng)基本組成的單元是發(fā)射點(diǎn)、發(fā)射機(jī)和信號(hào)源等，其具有以下優(yōu)勢。

（1）節(jié)省頻率資源。傳輸帶寬允許下使用多頻覆蓋相同節(jié)目，在覆蓋區(qū)域覆蓋相同節(jié)目將占據(jù)多個(gè)頻率資源，單頻網(wǎng)模式下就只需要使用一個(gè)頻率來實(shí)現(xiàn)覆蓋，節(jié)約了多個(gè)頻率資源。節(jié)約下來的頻率資源可以實(shí)現(xiàn)更多的價(jià)值。

（2）應(yīng)用單頻網(wǎng)技術(shù)時(shí)，在臺(tái)站布局、發(fā)射機(jī)功率選擇及組網(wǎng)時(shí)的優(yōu)化程度較高。在單頻網(wǎng)的組網(wǎng)時(shí)，大功率的單一發(fā)射機(jī)被小功率發(fā)射機(jī)的不同組合取代使用后，無線覆蓋成本降低，也減少了射頻信號(hào)的輻射，減輕了環(huán)境污染。

（3）單頻網(wǎng)的應(yīng)用可靈活調(diào)整或增加覆蓋區(qū)域，也可利用“補(bǔ)點(diǎn)器”對(duì)覆蓋“盲點(diǎn)”進(jìn)行填補(bǔ)發(fā)射，以擴(kuò)大覆蓋范圍。故單頻網(wǎng)技術(shù)的多點(diǎn)與同頻覆蓋的技術(shù)可以減少覆蓋“盲點(diǎn)”。

2 地面數(shù)字電視單頻組網(wǎng)時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 不同發(fā)射點(diǎn)的同覆蓋內(nèi)容的發(fā)射機(jī)信號(hào)輸入時(shí)信號(hào)源要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步

不同發(fā)射點(diǎn)的發(fā)射機(jī)的輸入信號(hào)須實(shí)現(xiàn)同步。發(fā)射機(jī)輸入信號(hào)應(yīng)符合GB/T17975.1-2000的規(guī)定，可以包含多個(gè)電視節(jié)目的業(yè)務(wù)。根據(jù)《地面數(shù)字電視廣播傳輸系統(tǒng)實(shí)施指南》（GY/T2362008），發(fā)射機(jī)輸入的同步信號(hào)處理如圖1所示。

送到單頻網(wǎng)適配器的信號(hào)采用來自復(fù)用器的MPEG TS信號(hào)，在“北斗”提供的秒脈沖（1 PPS）時(shí)刻，插入一個(gè)秒幀初始化包（Second Frame Initialization Packet，SIP），即完成了從輸入的碼流到單頻網(wǎng)傳送流的轉(zhuǎn)換，將凈荷數(shù)據(jù)率（以規(guī)定的調(diào)制器工作模式所對(duì)應(yīng)的）輸出到單頻網(wǎng)傳送流。

《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》（GB 20600-2006）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從4.813～32.486 Mbps一系列可用的比特率稱為系統(tǒng)凈荷數(shù)據(jù)率。在規(guī)劃時(shí)，由于視頻編碼產(chǎn)生的損傷，與壓縮比特率、壓縮算法、壓縮級(jí)聯(lián)次數(shù)有關(guān)系，因此，對(duì)播出的最末一級(jí)采用何種碼率應(yīng)結(jié)合采集、收錄、編輯和上載等環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合考慮[2]。

隨著信源編碼技術(shù)的進(jìn)步，以及新算法的發(fā)展，以后傳輸數(shù)據(jù)所需要的比特率也將不斷降低。根據(jù)目前的測試結(jié)果，某些新的算法可以在128 kbps使節(jié)目達(dá)到較好的效果。

2.2 單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)之間相互干擾的消除

在單頻網(wǎng)中，所有的發(fā)射機(jī)調(diào)制的都是完全一致的碼流信號(hào)，且在相同時(shí)間以相同的頻率進(jìn)行無線覆蓋。因?yàn)閿?shù)字地面電視的接收解調(diào)器具有處理多徑信號(hào)的能力，所以用戶接收到信號(hào)可能來自不同發(fā)射點(diǎn)的多臺(tái)發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào)。

在進(jìn)行地面電視廣播網(wǎng)絡(luò)與單個(gè)發(fā)射臺(tái)站規(guī)劃前，應(yīng)考慮各傳輸系統(tǒng)的相互干擾，這些干擾源也可能是不相同的。

一般說來，某系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)信號(hào)的抗干擾的能力，采用保護(hù)率進(jìn)行描述。保護(hù)率為：在給定的欲接收信號(hào)的客觀或主觀損傷門限點(diǎn)，接收機(jī)輸入端欲接收信號(hào)功率與發(fā)出的干擾信號(hào)功率之比。

所有工作模式的保護(hù)率都應(yīng)該經(jīng)過實(shí)際測量確定，其測量一般在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里進(jìn)行。系統(tǒng)相應(yīng)工作模式的性能是保護(hù)率的值一個(gè)重要決定因素，另一個(gè)決定因素是系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)水平。但系統(tǒng)性能是相同頻道的保護(hù)率主要決定因素，單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)之間相互干擾的消除，主要由在欲接收信號(hào)頻道內(nèi)干擾信號(hào)的帶外成分值以及接收機(jī)的頻道濾波器指標(biāo)來決定[3]。

2.3 單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)自干擾的消除

SFN技術(shù)的應(yīng)用，目前仍存在著網(wǎng)絡(luò)自干擾的局限。假如由距離較遠(yuǎn)的發(fā)射機(jī)發(fā)射來的射頻信號(hào)，該信號(hào)的延遲不小于接收設(shè)備多徑接收信號(hào)的延遲處理的范圍，此時(shí)該信號(hào)對(duì)于有用的信號(hào)來說是干擾信號(hào)。該信號(hào)強(qiáng)度很大的決定因素就是傳播環(huán)境，而且會(huì)因時(shí)間發(fā)生變化。

處理方案是對(duì)于已定的發(fā)射機(jī)之間的距離，可以使用較長的幀頭長度來有效降低SFN的自干擾。但是應(yīng)該注意的是，接收機(jī)的設(shè)計(jì)將決定幀頭長度外的延遲信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾影響。為了使網(wǎng)絡(luò)自干擾被完全消除，可以用幀頭長度所對(duì)應(yīng)的距離，來映射兩個(gè)發(fā)射臺(tái)之間的距離，而這是一種非常保守的處理方式，該方式組網(wǎng)效率不高。然而這種方式下的幀頭長度內(nèi)的延遲信號(hào)，也可能導(dǎo)致正常接收時(shí)所需要的載噪比的劣化[4]。

2.4 覆蓋“盲區(qū)”的消除辦法

對(duì)于單頻網(wǎng)技術(shù)，只要在適當(dāng)位置增加新的同頻道“補(bǔ)點(diǎn)器”，就能夠填補(bǔ)單頻網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的覆蓋“盲區(qū)”，并不需要占用額外的頻率資源[5]。

如果服務(wù)區(qū)內(nèi)存在縫隙，且存在較深的地下設(shè)施、隧道、峽谷或者在室內(nèi)及覆蓋陰影區(qū)，可以使用信號(hào)“放大器”和轉(zhuǎn)發(fā)器等“補(bǔ)點(diǎn)器”，利用地面數(shù)字電視廣播對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行處理的能力來有效地提供填補(bǔ)射頻信號(hào)。

“補(bǔ)點(diǎn)”基本思路如下：在覆蓋縫隙區(qū)與未覆蓋區(qū)域以外，使用定向天線接收解調(diào)其他站點(diǎn)發(fā)射的地面數(shù)字電視廣播信號(hào)，再經(jīng)過濾波與放大后將信號(hào)送入“補(bǔ)點(diǎn)器”（在相同頻點(diǎn)上）發(fā)射到需要覆蓋的縫隙區(qū)、未覆蓋區(qū)域?！把a(bǔ)點(diǎn)器”原理如圖2所示[6]。

通過上述分析，實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)時(shí)，任意一個(gè)發(fā)射點(diǎn)的邊界接收點(diǎn)，接收到的幾個(gè)不同發(fā)射點(diǎn)的同頻播出信號(hào)要時(shí)間同步，不能在同頻覆蓋的同時(shí)又造成同頻干擾。鑒于此，實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)的關(guān)鍵在于輸入所有該節(jié)目覆蓋的發(fā)射機(jī)信號(hào)要時(shí)間同步，所有發(fā)射設(shè)備開關(guān)機(jī)要時(shí)間同步，網(wǎng)絡(luò)互干擾、自干擾以及覆蓋“盲區(qū)”要消 除等[7]。

3 結(jié)語

地面數(shù)字電視是公益性電視廣播節(jié)目主要利用地面無線覆蓋的形式實(shí)現(xiàn)單頻組網(wǎng)播出，這也是未來的主要發(fā)展方向。在組建單頻時(shí)，只要克服了本文依據(jù)廣播電視單頻網(wǎng)技術(shù)所分析得出的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的技術(shù)難題，組網(wǎng)就基本完成了。

由于數(shù)字壓縮編碼技術(shù)水平仍然有限，在不影響正常收聽收看的前提下，一個(gè)頻道8 MHz帶寬下只能傳輸幾套節(jié)目。為了實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)目覆蓋，便需要多個(gè)單頻網(wǎng)來聯(lián)合組網(wǎng)，相信隨著信源編碼技術(shù)的提高與新算法的成熟，開展各種業(yè)務(wù)所需比特率也將不斷降低，在同一個(gè)頻道下無線傳輸更多套廣播電視節(jié)目將很快能夠?qū)崿F(xiàn)[8]。