地面数字电视单频网技术及优化方法

山西广播电视无线管理中心石岭关微波站：罗宇飞

单频网技术除了能够使频谱资源得到合理的利用以外，还可使信号被干扰的程度大大降低。但在实践过程中，需要通过调整和优化各项技术参数，例如发射台的位置，发射功率、时延等，以降低整体网内总功耗，减少对邻近网络的干扰及空间电磁污染，增强覆盖均匀度，尽可能提高网络覆盖效果。本文系统论述和分析了单频网的技术特征等相关内容。

1.地面数字电视单频网的概念

在传统的地面覆盖网中，为实现同频道的广播电视节目大面积覆盖，一种方法是加大发射机的功率，但是随着发射机功率的增加，成本会急剧增加，而且大功率的发射会对周围电磁环境产生非常严重的污染；另外一个增加覆盖范围的方法是采用差转台，传输相同的电视节目在不同的地区使用不同的频率，我们称之为多频网。在多频网方案中，一个区域的周围使用不同的频率，而在一定距离间隔以外才能实现频率重用，这样为了实现对一个地区的可靠覆盖，往往要占用多个频点，这使得频谱利用率很低。

2.单频网定义及其优势

单频网指的是由同步发射机构成的网络系统，在同一个频道上，多部发射机所发射的信号都是相同的，它们的覆盖区域会有重叠的部分，但是不能单独运行。在运行单频网时，从时间上看，所发射的信号基本都是同步的，频率也大致相同，并且要求复用节目内容完全一致。

单频网的优势是能够最大程度利用频谱资源，这种好处对于占用较大带宽的电视广播来说更加明显。在引入数字电视的过程中，因为大部分的电视频谱被模拟服务占用，导致可用的频谱资源较少。另外，采用单频网方式节约的大量频带为进一步扩展其他业务提供了条件。

在单频网中，许多接收地点都被一部以上的发射机覆盖，这样信号源就引进了一定的冗余，当接收机对一部发射机的信号由于衰减或被覆盖物遮挡等原因无法正常接收时，接收机还可以接收到来自于其他发射机的信号，增加了服务的有效性，获得更好的节目覆盖率。

此外，还可通过对发射网络参数，如发射天线的功率等进行调整，从而在确保不改变覆盖区域的条件下使总发射功率降低，同时，还可将对周边其他网络的干扰弱化。与单部发射机覆盖相比，其场强分布更均匀，甚至根据需要可以方便灵活的改变覆盖区域的分布。

3.单频网运行的同步要求

单频网中，多部发射机的发射频率是一致的，而且会有相同的覆盖区域，对于接收机而言，等同于是多径信号。地面数字电视传输采用正交频分复用调制技术，通过延长符号周期使系统对多径干扰不敏感，加上保护间隔和信道估计等技术的应用，可以有效地消除多径干扰，支持单频网组网。

单频网系统技术要求在频率、时间上各部发射机所发出的信号均要同步。

3.1 时间同步

时间同步强调的是所有发射机同时将同一码流字符发射出去，通常限制在±1μs之内。单频网是一个较为繁琐的系统，一般来说，保护间隔的长短跟系统抗径能力强弱及发射机间距大小存在着显著的正相关性。一般来说，在同一时间范围内，发射机所发射的符号是相同的，如果要保持时间上的一致，就需在将有限的保护间隔长度利用在处理多径上，而不是消耗在补偿发射机之间的同步误差上。

3.2 频率同步

频率同步要求不同发射机的频率，从基带采样时钟到射频变换时钟都需要限制在一定的容限之内。此外，OFDM调制信号的载波数较多，一般来说，采用的频率也是相同的，对此，这就需将载波频率的误差把控在±Δf/1000/(Δf为子载波间隔)以内。如果频偏超过了10%的子载波间隔，则系统的性能会急速恶化，即使增加保护间隔的长度也不能得到明显的改善，这反映了频率同步对单频网系统的重要性。为了让系统中频、射频级联后的精度还是符合特定的要求，要使所有发射机中的上变频本振同步。

3.3 比特同步

在相同的时段内对相同的字符进行传输，需所有的载波被完全一致地调制，再者，需严格遵守同一比特需调制在同一个载波上这一规则。在单频网中，使每台调制器跟前端的复用器对接，通过了不同分配网，所以，引入时间延迟也会存在明显的差异性，一般来说，需要从系统外部获得的精度较高的时间标准，需要时间误差小于1μs，主要是从卫星全球定位系统(GPS)或北斗卫星导航系统中提取10MHz标准频率和1PPS标准时间。为了实现远程的多台发射机TS流中的比特同步，在地面数字电视广播系统中引入了秒帧初始化包SIP(Second Frame Initialization Packet)的概念，将它插入到TS流中，传输到远端发射机。

4.单频网的基本架构

地面数字电视单频网同步广播系统是一个网络化的系统，由四个部分组成：同步前端、节目分配传输网、各发射台数字同步发射机、远程监控管理。一般主要是由不同的发射机构成数字电视覆盖网络，在发射相同节目时，频率、时间也是一致的，由此形成可靠覆盖的服务区。在特定标准的单频网中，先送至单频网适配器进行适配的是源自于复用器的TS流。借助节目分配网络，形成包含秒帧初始化包(SIP)的TS流会传送到各大射台，在同步处理后，变换成射频(RF)信号进行发射。

5.单频网关键设备

5.1 单频网适配器

在数字电视广播系统中，单频网适配器是发射机之间时间同步的重要设备。根据GPS提供的1PPS信号，单频网适配器在TS码流中添加存有时间标签的SIP包，通过网络(如微波等)，可向各发射台发送节目码流。各发射台发射系统从码流的SIP包中提取时间标签，而在对本地GPS的秒脉冲信号进行比较以后，对码流进行附加的时延调整，然后将码流送入激励器，在特定的时间范围内将信号发射出去，这样时间同步便实现了。

5.2 传输和接收网络适配器

网络适配器提供从主前端到分发射机或者是从主发射机到分发射机的透明传输。一般情况下，网络的时延要控制在1秒以内，这样才可同步实现后面的同步系统。实践中，ASIDS3/ES3、ASI-RF转换器是运用比较广泛的网络适配器。

5.3 全球定位系统(GPS)

GPS接收机可提供的参考信号一共有2个，其中，10MHz的时钟信号为各部发射机提供了频率参考信号，在本地GPS的10MHz时钟上锁定单频网适配器的码流输出时钟，而DTMB的激励器时钟信号也是锁定在本地的GPS时钟上，因此GPS的时钟为单频网系统提供了共同的时钟参考信号，实现了单频网频率和时间同步的要求。

6.时间同步原理

比较本地时间跟插入的SIP包中的STS同步的时间标识，然后将同步所需的额外时间准确的计算出来，之后可补偿网络传输时间。通常在激励器中内置该部分。

GPS接收机提供的脉冲信号即1PPS信号，每间隔1秒会有一个脉冲出现，持续时间为10MHz的一个周期即100ns。因为1PPS信号与格林威治是对齐的，所以，在单频网系统中可将其视为是一个时间参考信号。

在DTMB单频网系统中，在中心发射台在传送流(TS)时，单频网适配器会插入SIP包，而SIP中包中含有很多的信息。其中SIP包构成符合MPEG-2的TS流标准。将插入同步信息后的TS流通过合适的网络(例如光纤网)向不同的中继站传送出去。在各个中继站，同步系统检测SIP包，从中读出时间标签和最大时延，同时测量接收信号时延，计算出附加时延，并按照附加时延并适当延迟TS流，使得各个中继站再次发射的信号同步。一般地，同步在激励器中实现。

每间隔1秒钟，地面数字电视单顿网适配器会将一个SIP插入到输入的TS码流中，GPS的1PPS与插入的时刻是对齐的。

7.单频网的相干区

在单频网覆盖重叠区，当来自不同发射机的信号强度相差一定量级时，可以忽略弱信号的存在。接收机只识别和接收强信号，不产生信号间的相互干扰。当来自不同发射机的信号强度相差小于一定的量级时，不可忽略弱信号的存在。接收机要同时处理两个或两个以上的信号。这一区域称作“等场强区”或“相干区”，可能产生信号间的相互干扰。单频网组网的成败就在于是否能实现相干区的正常接收。空间参数与时间参数的配合是实现相干区正常接收的关键所在。要求来自不同发射台的电波同时到达相干区的中点，利用帧头的保护间隔，克服等场强信号的相互干扰。这就是空间参数与时间参数的配合。

空间上，通过合理的设计和天线调整，控制好覆盖场形，包括对覆盖场区的了解、站点的选择、发射功率的确定、天线的配置、场形的控制等；时间上，要求激励器在实现网络系统时间同步的基础上，还具有独立时延调整功能。组网时根据实际测试结果在激励器上人工设置独立时延调整参数，使之与空间参数在相干区内相互匹配。

场地测试的经验数据表明：

(1)单频网能够对信号场强进行改善，对功率有增益效果，但对改善载噪比和接收灵敏度没有作用。

(2)在应用单频网的过程中，需将信号覆盖区尽量的变小，同时，还要控制在重合区域的多径延时。再者，通过合理的限定发射台的天线场形，防止形成干扰。

(3)如果在重叠区域内出现的发射台信号延时不止一个，那么为了避免受到干扰可采取多种方式，比如：使用定向天线或设置合适的功率。

8.最大站距和保护间隔

单顿网的时间同步范围，是与接收机性能密切相关的。接收机将来自于不同发射台的信号看作是多径衰落，依赖接收机自带的信道均衡功能将各个多径信号合并成可以接收的信号。但是接收机能够对抗的多径的长度是有限的，在多载波OFDM系统中，这个最大的长度就是OFDM系统中的保护间隔：在单载波系统中，这个最大长度往往是接收机中的均衡器的长度，由于不同的接收机所实现的均衡器长度不同，可以近似认为该长度等于时域训练序列的长度。

在我国地面数字电视标准中，最小的保护间隔为420个符号长度，因此可以近似地认为接收机所能对抗的最大多径长度为420个符号长度，大约为55μs，对应于电波传播距离为16.6公里左右。

9.单频网网络优化方法

对于单额网系统来说，为了减小甚至消除网内干扰，实施前需要进行详尽地试算分析和工程设计。通过调整和优化各项技术参数，如发射台的位置和个数，各发射台站的发射功率、时延、天线方向图等，以降低整体网内总功耗，减少对邻近网络的干扰及空间电磁污染，增强覆盖均匀度，根据需要灵活地改变覆盖区域的分布。

单频网试算分析这项工作较为繁琐，主要是由于包含的计算任务多，而且耗时耗力。一般为了得到最佳网络建设方案，在正式着手之前必须利用专业的软件进行分析，据此再进行合理的投资。

在单顿网设计过程中引入优化算法，可以较好地解决上述问题，是提高工作效率、降低工程成本的有效途径。不但可以减轻工作量，而且客观评价的方式也比人工主观评价更为准确可靠。

常用的经典优化算法通过分析各种算法构成要素、实现流程等不同特点，基于组网需求的目标函数，进行单频网组网分析，由此可将高效的优化算法确定出来，该种计算方法的主要特点跟中国的国情吻合，是以多目标函数等为重要基础，借其通过优化组合各种技术参数，在考虑客户个性化需求的情况下，使目标函数的要求得到充分的满足。

传统的单频网网络优化按照步骤可以分为覆盖计算、网内干扰分析、参数调整三个阶段。

覆盖计算是单频网优化的前提。通常首先需要将网内各发射台的技术参数导入到专业优化软件中，参数包括各发射台的工作模式、台站经纬度、海拔高度、发射功率、发射时延、频道、天线挂高、天线增益、馈线损耗、发射天线方向图等。基于网内各发射台给定技术参数的基础上，对各发射台进行覆盖计算分析，保存各个发射台在各自可覆盖区域内每点的场强及传输时延，从而为单频网分析提供参考。

网内干扰分析是评价覆盖效果的主要指标。通过计算选定模式下，可覆盖区域内各点是否满足多径信号间保护间隔或C/N需求，进而得到覆盖网内可接收区域。在此基础上进行覆盖评价，当达到设计要求的覆盖面积或人口比例时，得到当前网内各发射台的技术参数。

通常多个发射台的单频覆盖网内会产生部分劣化区域，此时需要综合考虑网内劣化区域的位置及产生原因，调整网内个别发射台的功率、时延、天线方向图等参数，减少劣化区域的范围，或将其控制在工程设计允许的范围内。

优化过程中可以借鉴优化算法提高工作效率。通过算法原理和仿真测试比对，模拟退火算法迭代过程的每一步都较简单，但迭代次数过多，相当于串行操作，从解空间中的单个点出发，效率较低；而遗传算法相当于种群内的并行操作，它从多方面求解，将局部收敛的概率降低；此外，遗传算法还具有隐含的并行性，也就是说它以使用数量相对较少的个体来检验数量极大区域的适应性，这使得尽管它的每次循环过程复杂，但循环次数和层数比模拟退火显著减少。

在二者的优化结果没有太大的差异时，遗传算法所消耗的时间会更短，所以，遗传算法为单频网的优化算法的重要基础之一。传统设计方式也存在不少缺点，如当网络较为复杂时，技术方案设计的工作量将会呈几何式增长，该种设计方法由于对人力的依赖性较大，所以工作时间较长，会影响工程进度，并且主观评价方式某些时候不够准确，也较难完整地搜索最优或次优解空间。所以，产生了基于目标区域的单频网优化方法，从优化网络覆盖和减轻干扰的角度，在预定的设计目标和参数区间内，利用优化算法结合人口分布、经济、政治因素等数据进行加权计算，设计适宜的覆盖质量和干扰区域，使用专业软件计算最佳组网方案，相对于传统的单频网优化方法，不仅更具针对性，覆盖范围更广，将干扰区域减小，此种优化方法得到的结果更符合实际需要，而且有效提高地面数字电视覆盖工程效率。