浅谈认识地面数字电视单频网广播范文

摘要：广播电视无线数字化覆盖进程中，地面数字电视广播单频网技术得到广泛应用。认识单频网，掌握地面数字电视广播单频网系统组成、相关技术要求、覆盖模型，了解在工程实践应用案例和分析问题、解决问题的办法，为单频网建设、管理、维护提供一些参考。

关键词：地面数字电视；单频网；技术要求；覆盖模型；工程实践应用

根据国家广电总局《地面数字电视广播覆盖网发展规划》，到2018年基本实现地面无线电视广播向数字化过渡，2020年关闭地面模拟电视信号。为加快推进地面数字电视无线覆盖进程，国家广电总局结合700MHz以上频率重新指配划分要求，对地面数字电视广播频率规划进行了调整，为满足发射台站不同覆盖等级的要求，在频率规划中选取了省域单频网、地市域单频网和县域多频网或跨县单频网组网进行频率规划的办法。地面数字电视广播单频网在工程运用中，由原来仅在局部区域进行组网扩展到了省域（地市域）组网的规模，并将得到广泛应用。为让更多的工程技术人员认识地面数字电视广播单频网，掌握单频网工作原理，更好地指导工程实践应用，笔者就单频网基本概念、相关技术要求、覆盖模型及工程实例进行探讨。在对单频网进行技术探讨之前，首先对使用单频网进行广播电视数字化无线覆盖的必要性、可行性作一简单介绍。在任一接收点，假设会同时接收到处于不同地点（相邻）的发射机发射的信号前提下，在多频网中，采取的是频分复用的方式，通过接收设备选择不同的接收频率实现对不同发射点信号的接收，实现一定区域内相同节目的无线覆盖。采用多频网覆盖方式不考虑不同站点间的同步问题，技术上很容易实现。但多频网覆盖方式也存在很多问题：由于相同节目在不同地域覆盖频率不同，要实现移动接收，必须根据不同覆盖区域不同覆盖频率，对接收设备作出相应的接收频率调整，其实现技术复杂，接收设备成本较高；最重要的一点是频率资源浪费严重，在广播电视规划频谱资源有限情况下，覆盖节目套数大大降低，特别是700MHz以上频率商用后，留给广电无线覆盖频谱资源有限情况下，多频网的劣势更是暴露无遗。为节约频率资源，同时解决站间干扰，实现移动接收，单频网覆盖技术应运而生。任一能同时接收到处于不同地点（相邻）发射机发射信号的接收点，只要保证接收到的两路或多路信号（包括多径传播信号）其射频频率严格同步，且载波调制码流相同、时间同步（时延达到一定要求），就不影响信号接收和解调。所以，只要在一定区域内使处于不同地点（相邻）的发射机同步工作，以相同的频率、在相同的时刻发射相同的已调制射频信号，只要在任一接收点其接收到的多路信号时延（在严格同步情况下，因不同发射点到接收点的距离不同，势必造成接收点接收到各路信号存在不同的时延）不超过一定范围，就不会影响正常接收。下面，从地面数字电视单频网系统组成、相关技术要求、覆盖模型、工程应用实践几方面加以探讨。

1地面数字电视广播单频网系统组成

单频网（SFN）即由多个位于不同地点、处于同步状态的发射机组成的地面数字电视覆盖网络，网络中的各个发射机以相同的频率、在相同的时刻发射相同的（码流）已调制射频信号（比特），以实现对特定服务区的可靠覆盖。根据单频网技术原理，地面数字电视广播单频网系统结构示意图如图1所示。由图1可见，单频网系统主要由单频网适配器、信号分配网络、地面数字电视发射机、基准时钟信号源等几部分组成。下面根据单频网实现方式、技术要求分别对单频网系统结构中的各模块进行说明。

1.1单频网适配器

单频网适配器是单频网系统同步机制的核心设备，其主要功能就是在节目播出中心输出的每一路符合GB/T17975.1-2010的TS流（需要播出的信号码流）中，周期性地精确插入包含标准频率（用于载波频率同频）和时间信息（用于传输码流同步）的秒帧初始化包（SIP）,输出一路或者多路具有同步信息的传输流信号。

1.2基准时钟信号源

基准时钟信号源为单频网系统各个节点设备提供统一的10MHz基准频率和1pps的基准时间。其主要作用就是为各发射点提供统一的参考时钟，便于发射端根据传输时延对信号进行相对延时校正，确保信号同步；提供基准频率便于各发射点发射机射频工作于相同的频率。

1.3信号分配网络

信号分配网络负责把具有同步信息的传输流透明地从TX网络适配器传送到各个发射台站的RX网络适配器，便于各发射点地面数字电视发射机同步调制发射。单频网TS流信号分配网络是实现网络接口或网络适配接口TS流信号到各网络适配器节目源入口透明传送的网络。由于信号传输过程中必然存在延时，所以定义信号分配网络的最大传输时延是在单频网中，信号从前端单频网适配器输出通过信号分配网络到达所有发射台站中用时最长的传输时间。

1.4各站点的地面数字电视发射机

各个发射台站的发射机受基准时钟信号源控制的同步系统控制，以相同的频率将信号分配网络送来的信号进行信道编码、同步调制、上变频、功率放大后，通过发射天线将已调制射频信号变成电磁波发射出去。

2相关技术要求

2.1同步要求

（1）频率同步。单频网中所有发射机工作在相同载波频率，其载波频率偏差不超过±1Hz。（2）时间同步。针对信号分配网络和发射机引入的传输和处理时延，单频网中所有发射机应在时域进行补偿，以实现同步调制发射。（3）比特同步。所有发射机在同一时刻发射同一字符，要求各激励器在同一时刻调制同一比特，应采用相同的信道编码方式、相同的帧结构、相同的映射方式、相同的帧体数据处理方式，即各发射台站的激励器工作模式应完全一致。这一规则应严格遵守，不存在允差。

2.2信号分配网络要求

（1）信号传输系统。信号分配网络可采用光纤、微波、卫星等系统进行传输。（2）信号分配网络的最大传输时延。符合GB20600-2006的地面数字电视广播单频网网络中，信号从前端单频网适配器输出通过信号分配网络到达所有发射台站中用时最长的传输时间，不能超过1s。（3）透明传输。要求经过信号分配网进入激励器进行调制的数据内容和时序与进入信号分配网络之前的单频网适配器输出的数据流内容和时序完全一致。

2.3时钟基准要求

单频网同步，要求全网应有一个统一的时钟基准，为全网各个发射点设备提供统一的基准频率、基准时间。基准频率采用10MHz，基准时间采用1pps。基准频率精度不低于10-9。

2.4电波极化方式要求

单频网内各发射天线的电波极化方式应保持一致。

2.5台站间距要求

单频网中，如果接收的信号延迟大于接收设备的多径处理范围，且该信号满足接收设备电平和载噪比接收门限，同时与接收到的主径信号强度差不满足同频干扰保护率要求，会出现同频干扰现象。选择较长的帧头长度可以有效降低SFN的自干扰。但是应该注意，帧头长度外的延迟信号对有用信号的干扰影响涉及接收机的设计。为了减少或消除同频干扰现象，单频网组网需要相邻发射台站满足一定的台站间距要求。

3单频网覆盖模型

单频网的组网条件是保证各个发射站点发射信号同频、同时、同内容。为了满足这些条件，可以采用多种覆盖方式和设备。一般来说，经常用到的有三种覆盖方式。

3.1基于TS分配网络的单频网覆盖

这是应用最为普遍的一种单频网组网方式，通过专用网络将单频网适配器输出的码流分配传输到不同的发射点。不同站点处的激励器通过GPS信号保障射频信号的同步和发射时刻的同步，以满足单频网的同步要求。这种方式质量稳定可靠，但由于需要的设备配置相对较多，单频网组网方式的建设成本较高。

3.2同频直放站补点覆盖

同频直放站补点覆盖方式是接收射频信号直接放大，多用于对覆盖盲区进行补点。由于不需要码流分发网络，其组网成本相对较低。但受收发天线隔离度限制，发射功率无法做大，一般需要配合回波消除功能。但回波消除处理必然会对发射信号的信噪比造成一定程度的恶化。

3.3基于射频信号分配网络的单频网覆盖

就是将射频信号通过有线网络直接分发到各个发射点，由各发射点直接放大并发射，对主发射点信号进行补点覆盖。由于当前有线网线拓扑结构复杂，且时延不确定，因此必须采用特殊设备，对射频信号进行延迟以满足单频网的同步要求。

4四川单频网覆盖工程应用实践

四川省省级广播电视节目无线数字化覆盖项目（以下简称“本项目”）采取统一规划、设计，分步实施的办法，拟在全省改造建设200座地面数字电视发射点，使用一个频道采用标清模式播出8套省级电视节目。根据总局频率规划要求，采取全省省域单频网的规划方案。根据国家、行业相关规范，结合覆盖区接收场强、保护率、天线鉴别和电波传播模型等实际综合考虑，选取系统工作模式C/N门限值和系统净码率如表1所示。根据前面提到的单频网技术要求，结合四川省地形地貌分布及当前拟建设站点的分布情况，目前主要采用基于TS分配网络的单频网覆盖模式。而单频网组网要解决的重点难点主要是信号分配网络时延和台站站间距不能满足相关要求情况下的干扰消除（减小）问题。因其具有一定的代表性，下面分别进行介绍，供读者参考。

4.1传输时延问题及工程实践

4.1.1信号分配网络的选取本项目为大幅降低基础设施和技术系统配套建设成本，优先选取前期已经完成高山台基础设施改造，相关技术配套设施相对完善，通过中央台广播电视节目无线数字化覆盖项目建设，相关技术系统相对完备的省、地（市、州）、县发射台承担相应的覆盖任务。在信号的传输方面，单频网组网信源通过卫星进行信号传输是最有效的解决方案，但由于卫星资源有限，本项目只能考虑其他传输方式。结合当前拟建设台站分布及传输网络资源配置情况，本项目采用了微波传输和省广电网络公司（以下简称“省网公司”）传输网络传输相结合的方式解决信号分配问题。其中微波传输网络建成且未接入省网公司网络的41个台站，采用微波传输方式解决信号源分配问题，其他台站利用省网公司网络进行传输。

4.1.2单频网组网对信号分配网络的要求及解决办法地面数字电视广播单频网组网中对信号分配网络有两个特别重要的要求：透明传输和最大传输时延小于1秒。而本项目前端机房（位置设在成都）距最远的发射点直线距离接近600公里（因光纤、微波链路路由在空间分布上并非理想的直线，实际传输路由长度更长），且部分偏远的台站由于省网公司网络未覆盖，还存在租用第三方（通信运营商）网络进行传输的情况（特别是边远的“三州”尤为明显）。由于整个信号分配传输网络构成的复杂性，相应提高了本项目单频网组网复杂程度。微波传输方面，目前本项目使用的是日本富士通公司FRX系列基于SDH技术的微波干线，解决透明传输问题的前提下，最远站点传输经过18跳微波共931.7千米（考虑环网保护最极端情况），经实际测试时延在100ms左右，满足单频网对传输时延的要求。而省网公司的信号分配网络采用树形架构为主，干线网络传输技术采用OTN技术，距最远传输台站线路长度为上千千米。最极端情况下，距最远台站的干线传输长度为1400千米，经过8个网络单元，如采取公众互联网（IP）技术，一是透明传输不能保障，二是传输时延也无法保障（估算超过5s），不能满足要求时延小于1s的要求。综合省网公司网络现状，采用了广电网络专线业务传输方式，既解决透明传输问题，也对时延进行了很好的控制。在干线网络传输节点至发射台站在没有省网光缆的情况下，采取租用第三方光纤或新布光缆的办法解决传输问题，经计算在最极端情况下最远发射点的传输时延小于500ms符合单频网对信号分配网络的要求。

4.2保护间距问题及工程实践

在本项目省域单频网建设中，综合考虑站点位置、功率设置等方面因素，为尽量减小单频网内同频干扰现象。采用了帧头较长的PN945模式，于是可计算出单频网中的站间距应小于37.5千米（PN420帧头：t=55.56μs，L=16.67km；PN595帧头：t=78.7μs，L=23.61km；PN945帧头：t=125μs，L=37.5km）。而实际上，由于四川地貌复杂，以山地为主，具有山地、丘陵、平原和高原4种地貌类型，西部多为高原、山地，东部、南部多为丘陵；人口分布方面，盆地地带人口相对密集，东部丘陵地带人口分布较为密集，而西部、西北及西南部高原和山地地带人口分布则相对稀疏。为最大程度地增加覆盖区域和覆盖人口，同时尽量减小单频网内相干区的影响，在频率规划中，在发射站点分布设置方面，在人口密集区域尽量保证发射台站站间距要求，但实际发射站点分布情况并不能完全满足要求。在人口稀疏的山地地带，站间距超长表现尤为突出。在网络优化设计中，主要做到以下几点：一是在人口相对密集地带且站间距不满足要求的情况下，根据发射站点地理位置和主要覆盖区域采取时延调整与天线场形优化相结合的方式，调整相干区，解决有效覆盖的同时，尽量减少覆盖区域的站间干扰；二是在人口稀疏的山地、高原地带，根据发射站点地理分布及主要覆盖区域多位于较低的沟壑地带的实际状况，提前进行覆盖仿真计算，通过采用时延调整的办法，解决覆盖区域覆盖，同时减少网间干扰；三是对极少部分边远地区，根据地形，甚至可以采取同频播出而暂不考虑单频网工作模式，在解决覆盖的同时，避免了此类边远地区传输时延可能存在的超长问题；四是在信号接收点存在网间干扰无法消除的区域，可考虑在接收端通过使用高增益室外定向天线、考虑接收天线极化调整和利用周边建筑物做干扰源遮挡的办法尽量减少站间干扰和多径传播干扰。

4.3其他问题

由于本项目建设分三期（3年）由不同的建设主体负责建设，为确保整个地面数字电视单频网正常运行，在完成一期65个台站建设任务并进行联网统调的基础上，在二、三期建设中，将面临发射站点的多次联网统调，增大了工程建设难度；由于发射台站既有省直属台站，也有地方台站，受实施的主体、采购环节影响，将导致整个地面数字电视广播单频网播出系统设备型号呈现多样性、难统一，这将增加全省单频网组网及联网统调的难度；此外，在单频网建成后，为确保整个网络正常运行，还面临全网台站的统一调度指挥的问题。在提前预见存在困难的基础上，须在项目建设及今后的维护过程中想法予以解决。笔者将以上这些问题列举出来，既为广播电视工程技术人员提供参考，也希望对即将实施地面数字电视广播单频网组网建设的地方提供借鉴。

5结语

地面数字电视广播单频网在实际组网运用中，结合覆盖站点分布、覆盖区域地形地貌、重点覆盖区域分布还有很多综合运用措施。本文仅对部分技术关键点作了一些浅析，并就具体工程实践作了举例说明，供广大广播电视无线覆盖技术工作人员及管理者参考。不足之处，敬请指正。

参考文献：

[1]数字电视地面传输国家标准特别工作组.数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制：GB20600-2006[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.地面数字电视广播单频网技术要求：GB/T28433-2012[S].北京:中国标准出版社,2012.

[3]国家广播电影电视总局.VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则：GB/T26252-2010[S].北京:中国标准出版社,2010.

[4]国家广播电影电视总局.VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则：GY/T237-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.信息技术运动图像及伴音信息的通用编码：GB/T17975.1-2010[S].北京:中国标准出版社,2010.

[6]数字电视国家工程实验室.地面数字电视发射系统与覆盖网络[M].北京:科学出版社,2016.

作者：张祖才 单位：四川省广播电视发射传输中心