5G 700Mhz对广电DVB同轴传输信号干扰的研究

钟世强 陈 峰 张 慧

（1.浙江广播电视发展总公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省广播电视监测评议中心，浙江 杭州 310005；3.先临三维科技股份有限公司，浙江 杭州 311200）

导语

5G指的是第五代移动通信技术，具备低时延、高速率和大容量等特征。5G 技术是全球新一轮产业革命和科技的关键性技术，为社会进步与发展提供了强有力的支持。之所以电信运营商看好700MHz频段，是因为该频段频点低，有良好的传播特性，高穿透性和大覆盖能力，将使得5G建网成本大大降低。目前，中国移动和中国广电正在大规模合力建设700 MHz的5G网络。

700MHz频段网络覆盖范围广，用户体验佳，被国际上称为“红利频段”，具有重大的商业和战略价值。700MHz频段是有线电视数字信号使用的频段，之前大量文章都集中在地面数字广播电视DVB-T对移动通信的干扰，目前随着700MHz清频工作的推进，这个问题已经不是主要矛盾。但移动通信的无线信号，会不会对同轴传输的有线数字电视产生干扰，影响用户正常收看呢？

工信部发文将703-743/758-798MHz（上下行各40M带宽）用于4G和5G，基站可以使用最大40M带宽，但手机最多只能用30M带宽，并且这30M带宽已经被定死了703-733MHz，或者718-748MHz这两段，目前广电使用的是FDD方式，上下行各30M，上行使用703-733MHz，下行则是758-788MHz。

图1 广电700Mhz频谱使用现状

基于以上频率分配，我们先做定性分析，首先5G是无线的，通常功率不会很大，而有线电视是同轴传输，有屏蔽层，应该是不会受到干扰；其次目前正在清频的DVB-T地面数字广播电视之前也用到了700MHz频段，并没有对有线电视产生干扰；其三，5G 700MHz基站实际上已经部署很多了，目前尚无批量用户投诉700MHz频段的频道受到影响。但总有人对此不太认可，觉得万一呢，所以本文对此开展了研究，又做了定量分析。

1.DVB数字电视基本知识介绍

DVB的英文是Digital Video Broadcast，是数字视频广播的意思，基于基础的通讯网络实现。DVB是基于基础信道的点对面大众传播技术，是公共文化服务的基础设施，具有很大的传输带宽，基础物理信道可以是无线、同轴，也可以是光纤。我们通常把DVB理解成同轴电缆上的传输技术，实际上，从DVB前端机房到楼道，现在已经都是采用光纤传输了，只是入户的时候会采用同轴电缆。经典的DVB技术传输效率是非常高的，而且在硬件实现上，已经实现了产业化分工，电视机内置的高频头就可以接收解码有线电视DVB，只是因为收费和个性化的原因，目前通行的方式是加装一个机顶盒。

DVB有线电视在入户时，通常采用阻抗为75欧姆的同轴电缆传输，传输的信号频率 为110MHz-860MHz之间，每8MHZ为1个频点，经过调制后，有效传输速率为38.134Mbps。其计算过程为：使用64QAM调制时，α=0.16。频道利用率N=log64=6，频道物理带宽W=8MHz，其 符 号 率D=W/（1+α）=8/1.16=6.8966Ms/s；总传输速率S=D×N=6.8966×6=41.379Mbps；DVB-C的信道编码是RS（204，188）， RS的编码效率是：188/204，所以有效传输速率SS=S×188/204=38.134BPS。

DVB一个频道占用8MHz带宽，完全是沿用PAL制习惯的结果，对于数字调制而言，如果频道带宽宽一些，则可以容纳更多的码率，这样可以提高TS流中单一节目的质量或容纳更多的节目，因此即使当初将频道宽度设为7MHz或6MHz也没有关系，8MHz是一个习惯。

RS码是一种能够纠正多个错误的纠错码，又叫里德-所罗门码。RS（204，188）实际载荷是188字节，开销字节段为16字节（监督段），加起来是204字节，纠错能力为8个字节，所以我们写成RS码为（204，188，t=8），可抗突发错误为长度为8×12=96个字节（交织深度设为12）。

MPEG-2是MPEG运动图像专家组织在1994年制定的视频和音频有损压缩标准。MPEG-2标准在系统和传输方面都做了进一步的完善和详细的规定，具有比较高的图像质量和更多的图像格式，以及可变传输码率的图像压缩，传输速率可以在3mbps-18mbps之间，高清晰电视和标准数字电视都可以采用这个压缩方案。目前我们通常采用1999年的MPEG-4来传输互联网视频，但数字电视还是采用MPEG-2来传输，否则整个系统都需要升级，成本非常高。

MPEG-2兼顾了高质量图像和高压缩比，从比特率为2mbps的VHS图像质量到比特率为18mbps的高清电视。用户可选择通用MPEG-2编码器，将频道的电视信号压缩为2mbps- 8mbps等数字信号。实际观察表明，压缩到6mbps和8mbps的图像与未压缩的图像之间没有差异，但在压缩到4mbps的快速运动图像上可以看到图像的缺陷。因此，体育节目通常使用大于5mbps的比特率，标准清晰度电视（SDTV）使用4mbps的码率，而普通电视节目通常使用2mbps-3mbps的比特率。按照一套标清数字电视节目在MPEG-2压缩的 TS流传输需要4mbps的带宽，那么一个8Mhz的模拟频道可以传输9套标清数字电视（38.1÷4=9.5），为了稳定起见，实际上我们通常是传输8套标清，或4套高清，或1套4K节目。

2.数字电视信号指标基本知识

有线电视维护时，装维人员习惯使用场强仪去测量频道的电平强弱， 配发的场强仪的RBW带宽一般为30万赫兹。因为在模拟时代，“载波电平”随图像内容的变化会改变，所以场强仪采用“峰值保持采样”的方法，可以测量图像的“载波峰值电平”。到了数字电视时代，电视峰值电平概念和测量手段，与模拟时代完全不同，平均功率在数字电视时代，用于表征频道信号的功率强弱，即信道功率，通过换算可表征频道的电平强弱。

数字信号在载波上，实际表征是一种噪声，对于频谱测试设备来说，数字信号像是随机加入的一组脉冲，只能用平均功率来标称信号强弱。数字信号的平均功率和带宽有关，带宽越宽，信道平均功率越高。在频谱中观察，只能表征信号平坦度、幅度、频谱、频率再生等信息，通常也说明不了调制方式是QPSK、16QAM、64QAM还是256QAM。

256QAM调制的数字频道，其频道内统计峰值电平比平均功率高约6dB，这样可以避免放大器失真，一旦产生互调干扰，会干扰其他频道信号。峰值-平均值比，也就是统计峰值电平和平均功率的比值，必须对全部时间内的功率进行测量，以获得统计峰值电平。数字频道的峰值电平如果调整到和模拟频道的峰值电平差不多大小的话，数字频道（256QAM）平均功率和模拟频道峰值电平相比，就会低大约6dB，64QAM低大约10dB。

由于RF信号的功率会不停地变化，峰值-平均值比值越低，其峰值功率要求就越高，突发的峰值电平虽然只会生成比较低的功率，但放大器必须有能力去放大这些峰值信号，才能尽量不产生额外的失真。通过关注RF信号的突出特性，包括相移、电抗、耗散、噪声、辐射、反射和非线性，可以确立一致的定义基础，涵盖多种含义，不依赖于单个方面或特定数值来区分。RF信号的特性不仅会随着频率变化，也会随着信号功率电平而变化。我们在描述基本特性通常用小信号S参数表示，没有考虑非线性效应。但是，在一般情况下，通过RF信号的功率电平持续升高通常会带来更明显的非线性效应，最终导致其性能下降。RF固有的另一个重要特性—噪声。噪声是指电信号的波动，包含许多不同方面。根据其频谱及其影响信号的方式以及产生噪声的机制，噪声可以分为许多不同的类型和形式，存在许多不同物理特性的噪声源，本文对噪音的影响不深入展开。

通常情况下，数字信号的峰值电平信号在进入放大器时可能引起放大器失真，引起频谱再生，产生互调干扰产物，干扰其它频道的信号，造成这些峰值信号的增益压缩。所以通常建议数字频道平均功率电平要求大于50dbμV，但小于80dbμV，信噪比大于28dbμV，调整为比同系统的模拟频道峰值电平低10dB，对于256QAM要低6dB。

3.以全向天线的模型计算功率密度

移动通信的频率和有线电视信号直接重叠，理论上存在同频干扰的可能性，这些干扰分为远场和近场干扰，近场干扰来自手持设备和小型蜂窝天线，远场干扰来自手机信号塔。在实际场景中，由于手机离广电的DVB同轴传输线路可以很近（＜1米），其功率密度远远大于手机信号塔的远场干扰，对有线电视影响比较大，所以下面以手机为主要研究对象，手机实际上就是一个小型蜂窝天线作为全向发射天线，接下来通过公式计算量化有线电视系统信号接收端受到5G信号干扰的程度。

4G手机的发射功率，被协议限制为最大23dBm，而5G分为FDD和TDD两种方式，分别为23 dBm和26dBm：

5G FDD （SA模式）：最大发射功率为等级3，即23dBm；

5G TDD （SA模式）：最大发射功率为等级2，即26dBm；

目前中国广电5G 700Mhz采用FDD模式，5G手机的信号强度最大 23dBm ，根据公式dBm = 10 x log[ 功率/mW] ，可算出得出发射功率Pt =23dBm=0.1995 W。

我们把手机看作一个小型蜂窝天线，天线与波长比非常小，可以认为是全向发射，那么在手机为中心的各个方向上传播的能量是一致的。

这时候我们把辐射面看作是一个球形，球的表面积 S=4πR^²；

R是信号接收端到信号发射源的距离，当信号接收端离信号发射源距离为1m时，R=1，S=4π（单位m²）。

设Pd是功率密度，指的是一定距离下单位面积的功率：

4.通过功率密度计算到达同轴线缆的场强

接着用这个功率密度来计算场强，这里要科普一个自由空间本征阻抗的概念。自由空间一般是所没有损耗的填充均匀的无限大空间，电磁波在这个自由空间的传导中不产生波的散射、反射和吸收等现象。为了计算方便，我们假设手机到同轴线缆是自由空间，实际上只有空气，对电磁波辐射的计算结果几乎没有影响。

我们将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗，将信号随时遇到的即时阻抗称为瞬时阻抗；如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗，就称之为传输线的特性阻抗。传输线的特性阻抗是指由于传输线材料自身的物理属性引起的阻抗，它与材料有关，是一个常数。

在信号到达的某一个点，在传输线传输信号的过程中，参考平面和传输线之间会形成电场，这个电场的存在，信号是存在电压的。这个电阻就是传输线的特征阻抗，也就是在信号传输过程中，传输线的每一点就会等效成一个电阻，例如有线电视同轴线的特征阻抗就是75Ω。

而本征阻抗是指传输线上任一点处电压波与电流波幅值的比值，由于高频线路中的电压和电流是分布参数，不能测量，所以本征阻抗只是一个比值，仅有阻抗的量纲，但没有实际物理意义。自由空间本征阻抗是一物理常数，其量纲跟电阻相同，大小等于电磁波在理想介质中传输时磁场振幅和电场振幅之比，自由空间阻抗和自由空间中电磁波产生的电场及磁场量值有关，它是由媒质的参数磁导率和介电常数决定的。

自由空间本征阻抗=120πΩ=377Ω

当信号接收端离信号发射源距离为1米时，

场强E²= 功率密度 Pd * 本征阻抗 = 0.0159 *377

可算出 E=2.45 （单位V/m） 。

按照国家规定，有线电视系统中到用户终端设备的基础电平一般在60-80 dbμV，按照目前常用的75Ω的同轴线换算，取下限60dbμV，换算后可以得到是-48.75dbm，下图给出了换算的公式：

图2 dbμV和dbm的换算公式

5.计算最大干扰信号强度

按照256 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制），理想的 SNR（Signal Noise Ratio，信噪比）为35dB，

最大干扰信号强度= -45.75-35db=-80.75 dbm

根据 ANSI-SCTE48-1 2007 的要求，用户端产品对700Mhz的屏蔽要求不得低于83.4dB。

所以环境最大干扰信号强度为

-80.75dbm + 83.4db= 2.65 dbm = 1.84 mw

功率密度Pd75= 0.0159*377/75=0.08 w/m² =80mw/m²

通过最大干扰信号可以反推出，如果辐射面积大于 S=1.84/80= 0.023m²，就是230平方厘米，被近距离辐射到这么大面积，才会造成干扰。同轴电缆是很细的，辐射到这么大面积显然不太可能，所以理论上是不会造成干扰的。

但以上是理论计算，根据调查，70%的有线电视信号屏蔽不良，尤其是从主干分支设备到用户端。原因包括老化、外部干扰、物理创伤、连接器连接松动、电缆质量差以及无源产品（分支装置或分配器）或连接器质量差。700MHz频段是有线电视信号泄漏最严重的频段，泄漏表明密封不良，可能是同轴连接器的连接处有开口，或者电缆的屏蔽层损坏或开裂。

在没有屏蔽的情况下，-80.75dbm = 0.00000841mw，S=0.00000841/80=1.05e-7m²，也就是0.1平方毫米，这么小的裂缝如果有信号泄漏进去，就会导致干扰。

这也解释了，在现实场景中，确实有发现手机信号会通过裂缝干扰有线电视信号，反过来泄漏的有线电视系统信号也会干扰手机信号，不仅是上行信号，也会干扰到手机的下行信号。

6.改进工艺提高屏蔽效能

图3 同轴连接器

有线电视系统典型的用户端屏蔽问题是同轴连接器的连接处松动，由于同轴电缆的使用和安装不当，信号泄漏将难以想象，这将不可避免地影响电视信号的接收效果和用户体验。薄金属涂层和片状导体在所有频率下都具有良好的电场屏蔽效果，然而，由于孔和裂纹的存在，实际屏蔽效果比预期差。

这些裂纹表现为室内外使用时连接器螺纹锁紧功能差造成的松动、同轴电缆编织密度差、受时间和气候影响的铝箔屏蔽层损坏和孔洞、放大器和分配器后盖密封不严造成的裂纹。因此，为了加强有线电视系统的屏蔽效能，除了关注连接设备自身的材料和生产加工质量外，我们还需要从设计的角度对产品进行细化。常规电缆的屏蔽层由铝箔和编织线层组成，因此可以考虑通过改进编织线的密度、加工方法、材料和铝厚度以及将铝箔层改为铜箔层，采取适当的方法减少物理损伤造成的裂纹和孔洞。在处理放大器分配器后盖和其他部件密封不良导致的裂纹问题时，除了使用焊丝和焊膏进行密封外，还可以考虑在外壳内部添加屏蔽层，以减少信号泄漏。

结语

综上，笔者认为5G 700Mhz对有线电视播出的干扰是较小的，完全可以通过工艺改进来避免。但如果因为普遍的施工质量问题，造成大范围投诉，那么建议这些有线网络公司直接把受干扰的700Mhz频道 DS44-DS45， DS47迁移至 DS21-DS22、 Z-9 低频频道上，避免影响包括央视在内的高清频道直播电视的传输，或者把一些不重要的内容换到这些高频频道来。