移动数字电视相关技术研究(三)

作者：信广信传媒实业有限责任公司　胡伟军 博士
成都新光微波工程有限责任公司　汤旭光 享受政府津贴的高级工程师

3、单频网技术

移动数字系统扩大覆盖范围的途径目前主要有三种：差转(Distribute Translator)，同频转发(On Channel Repeater, OCR)和单频组网(Single Frequency Network， SFN)。在此我们只讨论单频网。

所谓单频网，即在一定的地理区域内若干部发射机同时在同一个频段上发射同样的信号，以实现对该区域的可靠覆盖。由于接收机可以接收来自不同发射机的信号，多点发射的单频网将在覆盖区产生强多径效应。这对模拟电视系统就会导致重影问题，因此只能采用极其消耗频谱资源且频谱规划复杂的多频网组网方式(MFN)，对信号在频率上隔离，避免覆盖区重叠。对于数字电视系统来说，由于它具有强大的抗干扰能力和数字处理能力，单频网却是非常有利的扩大覆盖的方式。它允许覆盖区的重叠，将大大改善原有覆盖边缘的峭壁效应，提高覆盖质量，扩大覆盖范围。

3.1 DVB-T 单频网技术

单频网的提出是和OFDM这样的多载波调制方式紧密联系在一起的。OFDM调制方式的一个特点是符号带有保护间隔(Guard Interval)，落在保护间隔内的多径信号，在经过处理以后，不但不会产生前后符号间的干扰，甚至可以加强有效信号的功率。使用OFDM调制，可以较容易地处理这些复杂的多径干扰，使单频网的应用容易实现。目前单频网已经广泛应用于数字音频广播(DAB)、数字电视地面广播(DVB-T)中[5]。

单频网应用中最重要的技术，就是要求各个发射机所广播的信号在频率和时间上都保持同步。频率同步即要求每个单频网发射机的工作频率都相同；对于多载波调制而言，还要求每个子载波的频率相等。频率同步可以通过与同一个参考频率(一般使用来自GPS卫星的10MHz参考频率)锁相同步来实现。

OFDM调制中保护间隔的长度决定了系统所能处理的多径信号的最大延迟时间，超出保护间隔的多径信号，对于接收机而言是干扰，将影响系统性能。保护间隔越长，发射机间的距离就可以越大，但是系统的传输效率就越低，这就限制了单频网发射机之间的最大距离。在DVB-T和ISDB-T标准中，都提供了保护间隔大的8k模式以实现大规模的单频网，从而覆盖一个国家或者一个地区。表2列出DVB-T标准中不同保护间隔下能处理的最大延时与最大发射机间距离。为了让保护间隔在处理多径干扰上发挥作用，而不是消耗在补偿发射机之间的同步误差上，要求发射机在相同的时间发射完全相同的OFDM符号，以实现时间同步。在DVB-T系统中，发射机之间的时间同步是通过与一个共同的参考信号(一般使用来自GPS卫星的秒脉冲信号-pps)同步来实现。

表2 不同保护间隔下的最大延时扩展和发射机距离（DVB-T）

在单频网的实际应用中，还有一类称为"补点器"(Gap Filler)的发射台。它们主要分布在由于距离远或者信号衰减严重而无法接收信号的较小区域，对这些区域"弥补"覆盖。出于经济方面的考虑，这些补点器在同步的要求上与一般的发射机相比不是很严格，在发射功率上往往也比一般的单频网发射机低得多。

3.2 DMB-T单频网技术

前文已经提到，我国自主提出的地面数字电视传输方案DMB-T采用时域同步的TDS-OFDM技术，系统的信号帧与绝对时间同步，系统帧结构在同一绝对时间是相同的。由于系统采用OFDM调制及信号帧与绝对时间同步这两个特点，因此在实现单频网上具有先天的优势。DMB-T的单频网系统主要由单频网适配器、GPS接收机、支持单频网的调制器三部分组成。在中心发射站，单频网适配器在MPEG-2码流中插入控制包，控制包中携带与GPS接收机相关的同步时间标签和到各个中继站的系统最大延时等信息。在各个中继站，同步系统检测控制包，从中读出时间标签和最大延时，同时测量接收信号延时，计算出附加延时，并按照附加延时适当延迟码流，调整发射机的发射时间，使得所有发射机在同一时间发射信号。DMB-T单频网系统的结构框图如图5所示。在中心发射站，DMB-T的单频网适配器每隔一个大帧(560ms)在传输流中插入一个控制包，控制包包含同步时间标签和到下一级发射站的最大延时。在每一个辅助发射点，DMB-T调制器检测控制包，并与本地GPS的1pps信号相比较(测量pps延时)。在单频网系统中，同步系统能够处理的不同中继站的最大延时为0.999s。

图5 DMB-T单频网系统基本结构框图

3.3 单频网实施中亟待解决的问题

正如前文所述，实施单频网有两个基本优势：节约频谱资源；扩大有效覆盖范围，改善覆盖区内的接收效果。因而，可利用有限的频道资源，提供更多的节目，开展更多的增值业务；更为广大的覆盖范围和更完美的覆盖效果，一方面确保了更加稳定、可靠的高清节目的固定接收效果，另一方面有利于大区域移动业务的顺利开展。但是，为这些优势所付出的代价，也是运营商们值得考虑和商榷的问题。首先，系统在单频网的环境下是否能真正增大覆盖范围，改善覆盖区内的接收效果？其次，单频网为多点发射，这势必增加发射地点及发射机等发射设备，而为保障单频网中各信号发射点发送相同的信号，发射台必须配备保障信号同步的设备装置。最后，多点覆盖带来了类似于电信"蜂窝"覆盖的思路，各点发射功率的协调、地区信号覆盖和接收点场强的设计思路都将发生变化。从全球范围看，目前数字电视单频网试验中，上述问题在各地区系统运行和业务运营过程中均有所反映，并影响到覆盖效果 [6]。

信号覆盖问题。数字电视地面广播的覆盖和广播发射条件直接相关，如发射功率、发射塔高度、发射塔位置等；也和覆盖区的地理环境直接相关，如平原，山丘等；还和城市建筑特点直接相关，如楼群的多少、疏密程度、高度等；更和覆盖区的面积直接相关。因此，是否要使用单频网覆盖、如何设计和调整单频网的参数，必须根据实际广播发射条件、地理环境、城市建筑特点、覆盖范围等情况做具体分析。在实际应用中，使用基于DVB-T的单频网技术，增大覆盖与改善覆盖重叠区的接收效果二者似乎无法两全[6]。基于COFDM的DVB-T系统在单频网环境下，一方面由于多个发射点覆盖，使得一些原本单个发射点无法提供足够信号强度的地方(盲区)因为收到其他发射点的覆盖而得以改善；另一方面，在信号较强的重叠覆盖区，由于C/N门限被抬高而接收效果反而变差。可见，DVB-T系统在使用单频网技术增大覆盖范围和改善重叠区的接收效果上是矛盾的，数目庞大的发射点并不能彻底改善接收效果。

同步机制可靠性问题。目前DVB-T单频网中，频率和时间同步都是通过附加专用设备--单频网适配器而实现的。从GPS卫星得到基准频率和秒脉冲信号(1pps)，针对频率同步要求，用GPS的基准频率驱动每部发射机内所有的级联振荡器；并通过节目源所在地的单频网适配器在MPEG-2 TS码流中加入包含时间标签的MIP包；然后通过初级分布网络(PDN)将节目码流发送到各个发射站；各发射站的单频网同步系统从码流的MIP包中提取时间标签，对比本地收到的秒脉冲信号，对码流进行附加的延时调整，之后将码流送入调制器，在一个共同的时间发射信号，以实现时间同步。这类精确的同步要求，确实可以通过上述配套的单频网适配器来满足。目前，单频网组网技术及配套设备已比较成熟，但由于除了数字电视传输系统之外还有一个独立的GPS系统，在实际中发现，一旦缺失了GPS信息，系统将处于瘫痪状态，人工干预也无法挽救，这是非常不可靠和不安全的举措。另外，额外的设备不仅增加了发射成本，而且致使各发射点之间的组网联调更加复杂。

组网协调问题。多点发射给广播带来了"蜂窝"的概念，当然，它不同于电信的蜂窝移动的小区/用户/双向/切换等特征。除了同步问题之外，单频网的"蜂窝"概念，就是每个发射点根据接收场强的要求来协调各点的发射功率和信号发射延迟。前者对应多径的强度，后者对应多径延时，两者一并考验接收机的抗信道衰落能力。由于各地的地理环境、城市楼宇分布、覆盖范围及广播发射条件的差异，在保证信号覆盖的前提下，各地必须根据自身的特点进行组网协调，在发端预处理信号，以保证收端的接收条件尽可能在接收机的能力范围，确保覆盖区的接收效果。并且，协调工作要求简单、可靠、应急自恢复能力强。可见，这又是一个明显由系统技术本身决定的问题，尤其是系统抗多径干扰的能力。这个问题也由于移动接收越来越被重视，而变得更为突出。因为发端预处理是无法针对动态变化的信道而事先设计和考虑的。可见，基于DVB-T的单频网技术的组网协调复杂而又低效，而且并不可靠。