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谈亚洲数字电视的天线/馈线系统 |
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作者：RFS广播电视产品部 曾劲波 |
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【前言】要使射频广播系统的架构能够支持数字电视系统，需要做些什么？对整个网络进行逐个站点的深入研究是必需的，RFS公司无线技术小组这样认为。RFS是刚竣工的澳大利亚数字电视网络升级计划的射频产品供应商。
随着亚洲的广播公司纷纷开始考虑使用数字电视（DTV）系统，近来被问得最多的一个问题是“我们是否需要替换现有的天线以支持数字电视技术？”这个问题的答案很复杂，且取决于各个站点的具体情况——例如现有天线的容量及状况，天线塔的承载能力——及各个广播公司特需的性能/设计目标。
现今的亚洲电视广播系统, 各种射频技术及站点设备均有涉及; 这种情况在成熟的电视广播市场并非鲜见。某些国家——如泰国、印度尼西亚和马来西亚——的广播公司，选择使用宽带阵列并拥有一系列的射频方案，包括了天线共享、紧急传输设备共享、站点出租及站点所有权独占等。而菲律宾和日本等国的广播公司，由于历史的原因则偏爱单频道射频技术及“每个天线支持一个频道”的系统解决方案。
亚洲地区现有的模拟电视系统综合了VHF及UHF频道，几乎所有国家都表示将会把早先的UHF频道分配作新的数字电视服务。现阶段，所有亚洲国家都倾向于同时提供数字和模拟的电视服务。
从某些意义上来说，澳大利亚电视广播系统的情况在亚洲是独一无二的。澳大利亚的电视广播服务在两种不同地区的发展是截然不同的——VHF模拟服务在各首府城市占主导地位，而其他地区则提供UHF模拟服务。所有的广播服务提供商都倾向于采用相邻频道数字电视系统解决方案，这是基于全国范围内宽带阵列的广泛应用及对天线共享的既定共识。如此看来，澳大利亚各首府城市的VHF频道，需要等到发展出相应的VHF相邻频道合成技术，才能提供新的数字电视服务。
澳大利亚联邦政府也规定所有广播公司必需提供独特的“三播”服务（包括现有的模拟服务，加上标准及高清晰两种数字电视服务）。
图1：在广播系统架构已经为数字电视系统准备就绪的前提下，
四种主要的射频系统方案及核心标准
共同的挑战
虽说乍看之下澳大利亚广播系统的情形显得独一无二，但是其广播公司在实现数字电视技术时所面临的挑战，和全球其他准备使用数字电视的广播公司是一样的。和其他亚太国家一样，澳大利亚的电视广播系统将会是一种良性的组合，包括了现有使用中的站点、一定数量待停用的站点、宽带及单频道系统解决方案、广播公司所有的广播塔、共享广播塔及天线、出租广播塔等等。
亚洲广播公司的最终目标和澳大利亚的基本相同，即：
·以新的数字电视服务替代现有的模拟广播服务。
·及时地实现这一目标，尤其是依据政府规定的时间表。
·以最低成本实现数字电视系统，同时兼顾对长期的数字信号传输覆盖度最优化。
·在将对现有模拟广播服务影响最小化的前提下实现数字电视系统升级。
射频“工具”及数字电视系统选择
要想成功地实现模拟到数字电视的变迁，就必须对计划中所有的广播站点有全面的了解。以澳大利亚为例，RFS曾经对超过50个电视发射站逐一进行了研究，以找出将现有系统升级为数字电视系统的最经济方案。
RFS从技术和经济两个角度对四种主要的射频系统方案进行了研究和比较，包括：
·再利用现有的天线及馈线系统；
·改装现有天线及馈线系统的关键组件，提高其功率级以支持新增的数字电视服务；
·用为同时支持模拟及数字服务所设计的新“通用”宽带设备替换老的天线及电缆系统；
·加装专用的数字式天线及馈线系统。
这些方案都是针对单个站点特性设计的——例如现有的天线容量及状况、现有天线塔的承载能力、基于天线辐射的实际升级限制，还有一些特殊的性能/设计需求，例如保证现有服务不受影响的需求及规定的系统冗余度。
当然，再利用及改装这两种方案是首选，因为它们能最大程度地降低成本。
图2：Black Mountain站塔天线的替换与升级
研究参数
为各个广播站选定最优方案的时候，需要考虑到一系列的因素，这些都要在各个站点的报告中详细写明。这些因素包括：
·天线带宽，额定功率及额定峰值电压：现有传输系统的带宽、额定功率及额定峰值电压是否足以提供新的服务？系统能否经济地升级，或能否提供紧急情况下的操作功率（例如半负载操作）？
·天线塔承载能力：天线塔是否足够高或足够坚固以承载新的天线？
·天线覆盖度：现有天线的覆盖度是否合适？塔上的第二个天线（可能安装在塔侧）与现有的天线相比是否具有适当的覆盖度？
·天线系统状况：现有天线系统的状况及预期的使用寿命如何？是否能在使用寿命结束之前很好地支持模拟电视服务？
·传输机房状况：机房内是否能为额外装备（发射机，可能还有频道合成器等）提供足够空间？室内服务（例如空调）能否在增加数字服务设备后照常运作？
·停止模拟服务的需求：预计天线改装或新系统安装会对现有服务造成的影响如何？当操作工在发射塔上时，现有发射机是否必须关闭或降低其操作功率？
图3：Willoughby站点天线的升级
评判天线的关键因素
数字电视的天线和用于模拟广播的天线使用相同的生产工艺。制约现有天线胜任数字电视服务仅有的三个因素为：
·带宽
·天线额定功率
·额定峰值电压
图4：射频链，包括发射机、合成器、接插板、馈线及天线
迄今为止，在决定对于特定的天线/馈线装置是采用“再利用”还是“改装”的方案，这三个都是最重要的参数。简单来说，如果现有天线/馈线系统的带宽不足以支持新的数字服务，就必需要替换或者安装附加的天线。如果现有天线/馈线系统的功率或峰值电压无法支持附加的服务，则需要进行研究以确定升级方案是否能提升功率或峰值电压。
图5：Lookout Hill站点天线的替换
带宽及功率
如果一个天线系统是窄带或者 ’单频道’ 的，则该天线无法通过改装来实现附加的数字电视服务。在这种情况下，广播公司有两种选择：安装附加的天线以专门支持数字电视服务，同时保留现有天线支持模拟服务；或者安装新的能同时支持模拟及数字电视服务的宽带天线。
通常来说，平板天线是宽带天线（即使部分生产商过去曾为亚洲的广播公司提供专门的窄带平板天线）。而槽状天线的带宽就比较有限。
如果一个天线具有足够的带宽以支持附加的数字电视服务，则接下去必须进行评估以确定它是否能承受数字服务带来的额外功率负载。天线额定功率一方面受限于其平均功率——它会造成组件发热；另一方面受限于额定峰值电压——如果超过该值则会造成电压闪络。数字电视信号比模拟电视信号更容易影响天线的额定峰值电压。大多数生产厂商提供的天线标称额定功率通常都是厂商推荐的连续操作情况下的最大允许功率负载值。然而，增加附加数字电视服务时对额定电压的估定也是同等重要的。
额定电压
在设计高功率传输系统时，为系统组件定义恰当的额定电压也非常重要。模拟PAL及NTSC制式系统的峰值电压非常有规律且数值定义明确，使得系统的设计参数都能够相当容易地实现。
对于数字电视服务来说，情况则完全不同。由于一个数字电视信号包含了某单频段内的一大组载波信号，其可能产生的最大电压值极高。与传统的模拟电视系统不同，数字电视的峰值电压偏移值只能以统计学方式来表示。其高峰值电压的定义模糊，并以小概率无规则地发生，在较大振幅下又会迅速衰减。
保守的设计方法是将各个频道的所有峰值电压统加，这样得出的电压值永远都不会被超过。而RFS的研究指出，在多频道系统中，该方法会使得设备配置过于保守。这就提出了对于气体衰减动力学及多频道系统电压峰值统计学分布的研究。
作为分布模型的一种，Beta分布经过分析得出的计算值与RFS的电脑仿真结果非常近似。这一方法得出的设计电压值比所有电压总和值要低2至4dB。在设计支持附加数字频道的全新数字电视及升级系统时，使用这一方法可以大大降低成本。
理论最大额定电压没有考虑到某些会降低该额定值的实际因素。比如，由于阻抗补偿的缘故，某些天线组件上的高电压驻波比（VSWR）就不容易辨别，但仍会给额定电压值造成附加的压力。同样，天线组件也会由于元件寿命或环境状况而恶化。附着于绝缘体上的灰尘及工业污染物也会降低额定电压值。
基于这些因素，在系统总体设计时，应该考虑到一个额外的安全因子。RFS建议将这一安全因子设为大约百分之40。
结论
随着亚洲的广播公司开始其数字电视系统计划，从射频技术的角度来说，其最大的挑战将包括射频技术的广泛结合、系统的可用度、以及传输站所有权问题（这一问题在那些现有的电视网络中非常普遍）。
唯一的解决方案是将整个传输网络拆分成一个个单一站点，并依此得出最为经济有效的方法以实现所需的数字电视服务。该方案应该包括天线/馈线再利用、改装、替换、全新天线/馈线系统，或是这些方案的某种组合。
对于先前提出的问题““我们是否需要替换天线以支持数字电视？”，答案自然而然就成为了“这得看情况——让我们先研究一下吧！”
【结束语】
射频链分析
广播传输系统包括了发射机输出端以后的所有设备（见图4）。这包括了内部的主馈线、频道合成器（如果有安装的话），U型连接或自动同轴转换装置、室外的软质电缆及天线本身。
这个完整的传输系统可被看作是一个“链”并分析得出最薄弱环节。要为数字电视传输系统进行最优化及经济的升级，对系统所有组件容量/能力的详细分析是十分关键的。(end)
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(7/23/2005) |
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