地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)技術(shù)及優(yōu)化方法

山西廣播電視無線管理中心石嶺關(guān)微波站：羅宇飛

單頻網(wǎng)技術(shù)除了能夠使頻譜資源得到合理的利用以外，還可使信號被干擾的程度大大降低。但在實踐過程中，需要通過調(diào)整和優(yōu)化各項技術(shù)參數(shù)，例如發(fā)射臺的位置，發(fā)射功率、時延等，以降低整體網(wǎng)內(nèi)總功耗，減少對鄰近網(wǎng)絡(luò)的干擾及空間電磁污染，增強覆蓋均勻度，盡可能提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。本文系統(tǒng)論述和分析了單頻網(wǎng)的技術(shù)特征等相關(guān)內(nèi)容。

1.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的概念

在傳統(tǒng)的地面覆蓋網(wǎng)中，為實現(xiàn)同頻道的廣播電視節(jié)目大面積覆蓋，一種方法是加大發(fā)射機的功率，但是隨著發(fā)射機功率的增加，成本會急劇增加，而且大功率的發(fā)射會對周圍電磁環(huán)境產(chǎn)生非常嚴重的污染；另外一個增加覆蓋范圍的方法是采用差轉(zhuǎn)臺，傳輸相同的電視節(jié)目在不同的地區(qū)使用不同的頻率，我們稱之為多頻網(wǎng)。在多頻網(wǎng)方案中，一個區(qū)域的周圍使用不同的頻率，而在一定距離間隔以外才能實現(xiàn)頻率重用，這樣為了實現(xiàn)對一個地區(qū)的可靠覆蓋，往往要占用多個頻點，這使得頻譜利用率很低。

2.單頻網(wǎng)定義及其優(yōu)勢

單頻網(wǎng)指的是由同步發(fā)射機構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在同一個頻道上，多部發(fā)射機所發(fā)射的信號都是相同的，它們的覆蓋區(qū)域會有重疊的部分，但是不能單獨運行。在運行單頻網(wǎng)時，從時間上看，所發(fā)射的信號基本都是同步的，頻率也大致相同，并且要求復(fù)用節(jié)目內(nèi)容完全一致。

單頻網(wǎng)的優(yōu)勢是能夠最大程度利用頻譜資源，這種好處對于占用較大帶寬的電視廣播來說更加明顯。在引入數(shù)字電視的過程中，因為大部分的電視頻譜被模擬服務(wù)占用，導(dǎo)致可用的頻譜資源較少。另外，采用單頻網(wǎng)方式節(jié)約的大量頻帶為進一步擴展其他業(yè)務(wù)提供了條件。

在單頻網(wǎng)中，許多接收地點都被一部以上的發(fā)射機覆蓋，這樣信號源就引進了一定的冗余，當接收機對一部發(fā)射機的信號由于衰減或被覆蓋物遮擋等原因無法正常接收時，接收機還可以接收到來自于其他發(fā)射機的信號，增加了服務(wù)的有效性，獲得更好的節(jié)目覆蓋率。

此外，還可通過對發(fā)射網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如發(fā)射天線的功率等進行調(diào)整，從而在確保不改變覆蓋區(qū)域的條件下使總發(fā)射功率降低，同時，還可將對周邊其他網(wǎng)絡(luò)的干擾弱化。與單部發(fā)射機覆蓋相比，其場強分布更均勻，甚至根據(jù)需要可以方便靈活的改變覆蓋區(qū)域的分布。

3.單頻網(wǎng)運行的同步要求

單頻網(wǎng)中，多部發(fā)射機的發(fā)射頻率是一致的，而且會有相同的覆蓋區(qū)域，對于接收機而言，等同于是多徑信號。地面數(shù)字電視傳輸采用正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，通過延長符號周期使系統(tǒng)對多徑干擾不敏感，加上保護間隔和信道估計等技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地消除多徑干擾，支持單頻網(wǎng)組網(wǎng)。

單頻網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)要求在頻率、時間上各部發(fā)射機所發(fā)出的信號均要同步。

3.1 時間同步

時間同步強調(diào)的是所有發(fā)射機同時將同一碼流字符發(fā)射出去，通常限制在±1μs之內(nèi)。單頻網(wǎng)是一個較為繁瑣的系統(tǒng)，一般來說，保護間隔的長短跟系統(tǒng)抗徑能力強弱及發(fā)射機間距大小存在著顯著的正相關(guān)性。一般來說，在同一時間范圍內(nèi)，發(fā)射機所發(fā)射的符號是相同的，如果要保持時間上的一致，就需在將有限的保護間隔長度利用在處理多徑上，而不是消耗在補償發(fā)射機之間的同步誤差上。

3.2 頻率同步

頻率同步要求不同發(fā)射機的頻率，從基帶采樣時鐘到射頻變換時鐘都需要限制在一定的容限之內(nèi)。此外，OFDM調(diào)制信號的載波數(shù)較多，一般來說，采用的頻率也是相同的，對此，這就需將載波頻率的誤差把控在±Δf/1000/(Δf為子載波間隔)以內(nèi)。如果頻偏超過了10%的子載波間隔，則系統(tǒng)的性能會急速惡化，即使增加保護間隔的長度也不能得到明顯的改善，這反映了頻率同步對單頻網(wǎng)系統(tǒng)的重要性。為了讓系統(tǒng)中頻、射頻級聯(lián)后的精度還是符合特定的要求，要使所有發(fā)射機中的上變頻本振同步。

3.3 比特同步

在相同的時段內(nèi)對相同的字符進行傳輸，需所有的載波被完全一致地調(diào)制，再者，需嚴格遵守同一比特需調(diào)制在同一個載波上這一規(guī)則。在單頻網(wǎng)中，使每臺調(diào)制器跟前端的復(fù)用器對接，通過了不同分配網(wǎng)，所以，引入時間延遲也會存在明顯的差異性，一般來說，需要從系統(tǒng)外部獲得的精度較高的時間標準，需要時間誤差小于1μs，主要是從衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)(GPS)或北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中提取10MHz標準頻率和1PPS標準時間。為了實現(xiàn)遠程的多臺發(fā)射機TS流中的比特同步，在地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中引入了秒幀初始化包SIP(Second Frame Initialization Packet)的概念，將它插入到TS流中，傳輸?shù)竭h端發(fā)射機。

4.單頻網(wǎng)的基本架構(gòu)

地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)同步廣播系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，由四個部分組成：同步前端、節(jié)目分配傳輸網(wǎng)、各發(fā)射臺數(shù)字同步發(fā)射機、遠程監(jiān)控管理。一般主要是由不同的發(fā)射機構(gòu)成數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)射相同節(jié)目時，頻率、時間也是一致的，由此形成可靠覆蓋的服務(wù)區(qū)。在特定標準的單頻網(wǎng)中，先送至單頻網(wǎng)適配器進行適配的是源自于復(fù)用器的TS流。借助節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)，形成包含秒幀初始化包(SIP)的TS流會傳送到各大射臺，在同步處理后，變換成射頻(RF)信號進行發(fā)射。

5.單頻網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備

5.1 單頻網(wǎng)適配器

在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中，單頻網(wǎng)適配器是發(fā)射機之間時間同步的重要設(shè)備。根據(jù)GPS提供的1PPS信號，單頻網(wǎng)適配器在TS碼流中添加存有時間標簽的SIP包，通過網(wǎng)絡(luò)(如微波等)，可向各發(fā)射臺發(fā)送節(jié)目碼流。各發(fā)射臺發(fā)射系統(tǒng)從碼流的SIP包中提取時間標簽，而在對本地GPS的秒脈沖信號進行比較以后，對碼流進行附加的時延調(diào)整，然后將碼流送入激勵器，在特定的時間范圍內(nèi)將信號發(fā)射出去，這樣時間同步便實現(xiàn)了。

5.2 傳輸和接收網(wǎng)絡(luò)適配器

網(wǎng)絡(luò)適配器提供從主前端到分發(fā)射機或者是從主發(fā)射機到分發(fā)射機的透明傳輸。一般情況下，網(wǎng)絡(luò)的時延要控制在1秒以內(nèi)，這樣才可同步實現(xiàn)后面的同步系統(tǒng)。實踐中，ASIDS3/ES3、ASI-RF轉(zhuǎn)換器是運用比較廣泛的網(wǎng)絡(luò)適配器。

5.3 全球定位系統(tǒng)(GPS)

GPS接收機可提供的參考信號一共有2個，其中，10MHz的時鐘信號為各部發(fā)射機提供了頻率參考信號，在本地GPS的10MHz時鐘上鎖定單頻網(wǎng)適配器的碼流輸出時鐘，而DTMB的激勵器時鐘信號也是鎖定在本地的GPS時鐘上，因此GPS的時鐘為單頻網(wǎng)系統(tǒng)提供了共同的時鐘參考信號，實現(xiàn)了單頻網(wǎng)頻率和時間同步的要求。

6.時間同步原理

比較本地時間跟插入的SIP包中的STS同步的時間標識，然后將同步所需的額外時間準確的計算出來，之后可補償網(wǎng)絡(luò)傳輸時間。通常在激勵器中內(nèi)置該部分。

GPS接收機提供的脈沖信號即1PPS信號，每間隔1秒會有一個脈沖出現(xiàn)，持續(xù)時間為10MHz的一個周期即100ns。因為1PPS信號與格林威治是對齊的，所以，在單頻網(wǎng)系統(tǒng)中可將其視為是一個時間參考信號。

在DTMB單頻網(wǎng)系統(tǒng)中，在中心發(fā)射臺在傳送流(TS)時，單頻網(wǎng)適配器會插入SIP包，而SIP中包中含有很多的信息。其中SIP包構(gòu)成符合MPEG-2的TS流標準。將插入同步信息后的TS流通過合適的網(wǎng)絡(luò)(例如光纖網(wǎng))向不同的中繼站傳送出去。在各個中繼站，同步系統(tǒng)檢測SIP包，從中讀出時間標簽和最大時延，同時測量接收信號時延，計算出附加時延，并按照附加時延并適當延遲TS流，使得各個中繼站再次發(fā)射的信號同步。一般地，同步在激勵器中實現(xiàn)。

每間隔1秒鐘，地面數(shù)字電視單頓網(wǎng)適配器會將一個SIP插入到輸入的TS碼流中，GPS的1PPS與插入的時刻是對齊的。

7.單頻網(wǎng)的相干區(qū)

在單頻網(wǎng)覆蓋重疊區(qū)，當來自不同發(fā)射機的信號強度相差一定量級時，可以忽略弱信號的存在。接收機只識別和接收強信號，不產(chǎn)生信號間的相互干擾。當來自不同發(fā)射機的信號強度相差小于一定的量級時，不可忽略弱信號的存在。接收機要同時處理兩個或兩個以上的信號。這一區(qū)域稱作“等場強區(qū)”或“相干區(qū)”，可能產(chǎn)生信號間的相互干擾。單頻網(wǎng)組網(wǎng)的成敗就在于是否能實現(xiàn)相干區(qū)的正常接收?？臻g參數(shù)與時間參數(shù)的配合是實現(xiàn)相干區(qū)正常接收的關(guān)鍵所在。要求來自不同發(fā)射臺的電波同時到達相干區(qū)的中點，利用幀頭的保護間隔，克服等場強信號的相互干擾。這就是空間參數(shù)與時間參數(shù)的配合。

空間上，通過合理的設(shè)計和天線調(diào)整，控制好覆蓋場形，包括對覆蓋場區(qū)的了解、站點的選擇、發(fā)射功率的確定、天線的配置、場形的控制等；時間上，要求激勵器在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時間同步的基礎(chǔ)上，還具有獨立時延調(diào)整功能。組網(wǎng)時根據(jù)實際測試結(jié)果在激勵器上人工設(shè)置獨立時延調(diào)整參數(shù)，使之與空間參數(shù)在相干區(qū)內(nèi)相互匹配。

場地測試的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明：

(1)單頻網(wǎng)能夠?qū)π盘枅鰪娺M行改善，對功率有增益效果，但對改善載噪比和接收靈敏度沒有作用。

(2)在應(yīng)用單頻網(wǎng)的過程中，需將信號覆蓋區(qū)盡量的變小，同時，還要控制在重合區(qū)域的多徑延時。再者，通過合理的限定發(fā)射臺的天線場形，防止形成干擾。

(3)如果在重疊區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的發(fā)射臺信號延時不止一個，那么為了避免受到干擾可采取多種方式，比如：使用定向天線或設(shè)置合適的功率。

8.最大站距和保護間隔

單頓網(wǎng)的時間同步范圍，是與接收機性能密切相關(guān)的。接收機將來自于不同發(fā)射臺的信號看作是多徑衰落，依賴接收機自帶的信道均衡功能將各個多徑信號合并成可以接收的信號。但是接收機能夠?qū)沟亩鄰降拈L度是有限的，在多載波OFDM系統(tǒng)中，這個最大的長度就是OFDM系統(tǒng)中的保護間隔：在單載波系統(tǒng)中，這個最大長度往往是接收機中的均衡器的長度，由于不同的接收機所實現(xiàn)的均衡器長度不同，可以近似認為該長度等于時域訓(xùn)練序列的長度。

在我國地面數(shù)字電視標準中，最小的保護間隔為420個符號長度，因此可以近似地認為接收機所能對抗的最大多徑長度為420個符號長度，大約為55μs，對應(yīng)于電波傳播距離為16.6公里左右。

9.單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法

對于單額網(wǎng)系統(tǒng)來說，為了減小甚至消除網(wǎng)內(nèi)干擾，實施前需要進行詳盡地試算分析和工程設(shè)計。通過調(diào)整和優(yōu)化各項技術(shù)參數(shù)，如發(fā)射臺的位置和個數(shù)，各發(fā)射臺站的發(fā)射功率、時延、天線方向圖等，以降低整體網(wǎng)內(nèi)總功耗，減少對鄰近網(wǎng)絡(luò)的干擾及空間電磁污染，增強覆蓋均勻度，根據(jù)需要靈活地改變覆蓋區(qū)域的分布。

單頻網(wǎng)試算分析這項工作較為繁瑣，主要是由于包含的計算任務(wù)多，而且耗時耗力。一般為了得到最佳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，在正式著手之前必須利用專業(yè)的軟件進行分析，據(jù)此再進行合理的投資。

在單頓網(wǎng)設(shè)計過程中引入優(yōu)化算法，可以較好地解決上述問題，是提高工作效率、降低工程成本的有效途徑。不但可以減輕工作量，而且客觀評價的方式也比人工主觀評價更為準確可靠。

常用的經(jīng)典優(yōu)化算法通過分析各種算法構(gòu)成要素、實現(xiàn)流程等不同特點，基于組網(wǎng)需求的目標函數(shù)，進行單頻網(wǎng)組網(wǎng)分析，由此可將高效的優(yōu)化算法確定出來，該種計算方法的主要特點跟中國的國情吻合，是以多目標函數(shù)等為重要基礎(chǔ)，借其通過優(yōu)化組合各種技術(shù)參數(shù)，在考慮客戶個性化需求的情況下，使目標函數(shù)的要求得到充分的滿足。

傳統(tǒng)的單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化按照步驟可以分為覆蓋計算、網(wǎng)內(nèi)干擾分析、參數(shù)調(diào)整三個階段。

覆蓋計算是單頻網(wǎng)優(yōu)化的前提。通常首先需要將網(wǎng)內(nèi)各發(fā)射臺的技術(shù)參數(shù)導(dǎo)入到專業(yè)優(yōu)化軟件中，參數(shù)包括各發(fā)射臺的工作模式、臺站經(jīng)緯度、海拔高度、發(fā)射功率、發(fā)射時延、頻道、天線掛高、天線增益、饋線損耗、發(fā)射天線方向圖等?；诰W(wǎng)內(nèi)各發(fā)射臺給定技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對各發(fā)射臺進行覆蓋計算分析，保存各個發(fā)射臺在各自可覆蓋區(qū)域內(nèi)每點的場強及傳輸時延，從而為單頻網(wǎng)分析提供參考。

網(wǎng)內(nèi)干擾分析是評價覆蓋效果的主要指標。通過計算選定模式下，可覆蓋區(qū)域內(nèi)各點是否滿足多徑信號間保護間隔或C/N需求，進而得到覆蓋網(wǎng)內(nèi)可接收區(qū)域。在此基礎(chǔ)上進行覆蓋評價，當達到設(shè)計要求的覆蓋面積或人口比例時，得到當前網(wǎng)內(nèi)各發(fā)射臺的技術(shù)參數(shù)。

通常多個發(fā)射臺的單頻覆蓋網(wǎng)內(nèi)會產(chǎn)生部分劣化區(qū)域，此時需要綜合考慮網(wǎng)內(nèi)劣化區(qū)域的位置及產(chǎn)生原因，調(diào)整網(wǎng)內(nèi)個別發(fā)射臺的功率、時延、天線方向圖等參數(shù)，減少劣化區(qū)域的范圍，或?qū)⑵淇刂圃诠こ淘O(shè)計允許的范圍內(nèi)。

優(yōu)化過程中可以借鑒優(yōu)化算法提高工作效率。通過算法原理和仿真測試比對，模擬退火算法迭代過程的每一步都較簡單，但迭代次數(shù)過多，相當于串行操作，從解空間中的單個點出發(fā)，效率較低；而遺傳算法相當于種群內(nèi)的并行操作，它從多方面求解，將局部收斂的概率降低；此外，遺傳算法還具有隱含的并行性，也就是說它以使用數(shù)量相對較少的個體來檢驗數(shù)量極大區(qū)域的適應(yīng)性，這使得盡管它的每次循環(huán)過程復(fù)雜，但循環(huán)次數(shù)和層數(shù)比模擬退火顯著減少。

在二者的優(yōu)化結(jié)果沒有太大的差異時，遺傳算法所消耗的時間會更短，所以，遺傳算法為單頻網(wǎng)的優(yōu)化算法的重要基礎(chǔ)之一。傳統(tǒng)設(shè)計方式也存在不少缺點，如當網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜時，技術(shù)方案設(shè)計的工作量將會呈幾何式增長，該種設(shè)計方法由于對人力的依賴性較大，所以工作時間較長，會影響工程進度，并且主觀評價方式某些時候不夠準確，也較難完整地搜索最優(yōu)或次優(yōu)解空間。所以，產(chǎn)生了基于目標區(qū)域的單頻網(wǎng)優(yōu)化方法，從優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋和減輕干擾的角度，在預(yù)定的設(shè)計目標和參數(shù)區(qū)間內(nèi)，利用優(yōu)化算法結(jié)合人口分布、經(jīng)濟、政治因素等數(shù)據(jù)進行加權(quán)計算，設(shè)計適宜的覆蓋質(zhì)量和干擾區(qū)域，使用專業(yè)軟件計算最佳組網(wǎng)方案，相對于傳統(tǒng)的單頻網(wǎng)優(yōu)化方法，不僅更具針對性，覆蓋范圍更廣，將干擾區(qū)域減小，此種優(yōu)化方法得到的結(jié)果更符合實際需要，而且有效提高地面數(shù)字電視覆蓋工程效率。