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地面数字电视广播工程实践中的几个问题
作者:清华大学 潘长勇 董鑫
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关键词:数字地面电视发射天线工作频率覆盖GPSC/N

数字电视是电视技术发展的趋势。一些国家已经开始从模拟电视转向数字电视广播,并将逐步停止播出模拟电视节目。美国已经在多个电视台进行了高清晰度电视地面广播;英国已经在多个地区开展了无线数字电视广播业务;在德国柏林,部分无线模拟电视频道已经关闭并转向数字播出。在我国,目前已经有10多个省市在进行地面数字电视广播的播出试验。长沙广电集团2003年开始立项进行数字移动电视试验,两年来我们不断探索,有了一些收获,在此与同行进行探讨。

发射天线

发射天线的作用是向空间辐射电磁波,电磁波由交变的电场和磁场构成。为了方便分析,工程上通常规定:用电场的方向表示天线极化方向。一般使用的天线都是单极化的。附图给出了两种基本线极化天线的极化情况:垂直极化和水平极化。

电磁波极化传输方式

在传统的模拟电视无线覆盖中,考虑无线电波的视距(无遮挡)传播方式,天线采用高塔(高山)悬挂。由于水平极化天线具有良好的远区场强分布,在同样的发射功率下可以覆盖更大的范围,所以发射天线基本上都是水平极化天线。但是,水平极化天线的近区场强分布劣于垂直极化,特别是在潮湿、多水、多树林等环境条件下,由于水平极化天线极化偏转的原因,垂直极化天线的近地接收效果优势明显;另外,由于垂直极化接收天线很容易实现水平面内360°接收,因此在移动接收时垂直极化的天线更合适。清华大学数字电视技术研究中心技术人员的实际试验结果也表明,在发射天线采用垂直极化、接收天线也采用垂直极化天线时,移动接收效果明显优于其它组合方式。建议各电视发射台在安装新的用于移动接收的天线时,尽可能优先考虑采用垂直极化。这样在接收机端可以采用结构简单的鞭状车载吸盘天线,其好处是,除了可以解决雨雪天气下接收性能恶化的问题,还便于车载安装,降低接收端的造价等。

天线选址

目前,大部分电视发射天线的位置的选址有两种情况:高山低发射塔和平地(楼房)高发射塔。在长沙市的场地实践中,我们发现天线选址非常重要。对于UHF频段内的无线传输,雨衰不是传输损耗中最重要的部分,当发射天线采用水平极化时,在春夏暴雨季节,部分离发射塔很近、平常接收效果很好的地点其接收效果显著变坏,而场强较天晴时还略有增加。通过对接收到的无线信号进行测试分析,可以看到在雨天多径情况明显恶化。造成这种情况的原因,我们认为与发射天线的位置有关。长沙市广播电视发射塔位于岳麓山(295m)上海拔270m的地方,塔高88m,移动电视发射天线中心位于离塔基70m的位置,属典型的高山低塔。春夏两季,岳麓山上阔叶林茂盛;而在雨雪天,由于山体的含水量发生变化,使得天线和大地之间的介电常数发生变化,电磁波的传输特性也随之发生改变;加上阔叶林叶面附水后的镜面反射等因素的影响。虽然采用垂直极化可以改善这一状况,但是不可能从根本上解决这一问题。建议在南方多雨水的城市,在进行地面数字电视天线选址时尽可能避免高山低发射塔,而优先考虑高塔的模式。

由于传统模拟电视考虑的是大范围覆盖,而移动电视现阶段主要考虑的是城域覆盖,所以在移动电视发射天线的选择上,重点要根据具体服务区的地形地貌特点,以均匀覆盖为目的。天线位置不一定要求非常高,天线的高增益也不是重点追求的目标。一般以选择不超过4层左右的偶极板天线为宜。

发射频率

目前各地开展地面数字电视实验,一般在工作频率上选择范围不大。但就地面数字电视这项技术而言,对工作频率还是有一定要求的。首先,现在地面数字电视发射机一般都采用LDMOS功放模块,为了获得较大的线性动态范围,基本都选择其工作频率在UHF频段内。其二,目前数字电视信道解调的FFT都依赖速度有限的芯片完成,它的处理能力是有限的,对多径信号的时延越短,处理愈快;而对于速度相同的移动接收而言,频率愈低,多普勒频移越小,因此工作频率相对低一些对高速移动接收是有利的。其三,水、湿地、树林等对无线数字信号的吸收,随着频率的增高而增大。其四,目前UHF频段的低端,电磁干扰严重。根据国外有关专家的意见,开展以移动接收为主要业务的地面数字电视广播,其工作频率一般选择在550~700MHz之间较为适宜。特别是在水、湿地、树林偏多的地区,开展数字移动电视广播以工作频率偏低端为宜。

单频网与多频网

单频网(SFN)是指同一区域内的若干个发射台同时在同一个频段上发射同样的无线信号,以实现对一定服务区域的可靠覆盖。在传统的模拟电视中,相邻发射台需要使用不同的频率播放节目以避免相互干扰(差转),在一定距离以外才能进行频率重用,即多频网(MFN)方式。在MFN方式下,一套模拟电视电视节目要覆盖较大区域,就必须占用几个频道的带宽,消耗了大量的频谱资源。在电视广播中引入单频网的概念,是电视技术数字化带来的结果,采用数字调制和数字信号处理技术,使单频网的应用成为可能。

相对于传统的多频网,单频网带来的最直接的一个好处是频谱效率提高。由于同频率使用,在同一服务区一个频道上采用数字电视技术可传送多套电视节目,可以节省大量的频率资源,多个发射台同时工作所带来的分集效果,也使得接收的可靠性大大增强,从而获得更好的节目覆盖率。此外,通过对发射网络(如发射机的数量、分布、单个发射机的天线高度、发射功率等)的调整和优化,还可以降低总的功耗,减轻对附近其它网络的干扰,甚至可以根据需要方便灵活地改变覆盖区域的分布。

长沙地面数字电视网络覆盖目前采用的就是单频网形式,该网络由3台工作在同一频道的德国RS公司生产的发射机组成,主发射机位于长沙市岳麓山,发射功率为1.3kW;2个子发射点分别位于长沙市南边和东北面,发射功率均为400W。目前,在长沙市区覆盖率在96%以上。在调试过程中我们发现:如果按照各基站严格同步的方式(同一时刻发射同一码元),当增加发射机后,虽然可以改善辅助发射机附近的场强覆盖,改善接收效果,但是通过大面积测试发现,辅助发射的引入带来了新的问题:辅助发射机与相邻发射机的信号在中心交界区有影响;理论上,每引入一个单频网发射点,就等效于对原来的发射机引入一个多径,必须采用改变各基站发射机同步时刻来优化。因此对于覆盖半径要求不大的地区,或者在市区地形不是非常复杂的城市,如果能用一个发射机完成覆盖,尽可能采用适当功率的单点覆盖,个别盲区则采用同频转发器(Gap Filler)加高指向性天线来完善。单频网从某种意义上讲是为了实现对环境特别恶劣的覆盖或者超大范围覆盖而采取的一种办法,技术上也还有待进一步完善,并不非常适合中小范围内覆盖。

GPS

GPS是单频网建设中非常有效也是非常必需的一个设备。GPS的作用就是方便地提供一个在任何地点都同步的系统时钟10MHz和参考时间信息1PPS。虽然这些也可以通过SDH网络等而得到,但通过GPS是最快也是性能较好的一种选择。通过与天上GPS卫星同步,可以获得高达1E-11的高稳定信号。在选择GPS接收机的时候,有以下注意事项:

(1)目前很多GPS接收机都宣称拥有自动切换功能,一旦当GPS接收机不能同步接收到天上GPS卫星信号时,GPS接收机可以自动切换到内部振荡器。需要注意的是,一些型号的GPS接收机在切换时,采取的是一种类似硬切换的方式,会导致系统重新同步。

(2)GPS内部配置的晶体的型号与价格密切相关,为了获得更好的系统性能,建议在选购GPS接收机时,在允许的情况下尽可能选择性能好的内置双重恒温晶体。

(3)GPS天线的安装位置也是十分重要。首先,GPS天线四周应该有良好的净空(没有什么阻挡),GPS天线能接收到的卫星数目越多,GPS接收机输出信号的性能就越好。如果GPS天线安装位置受到客观环境的限制,建议首先观察天空GPS卫星分布的情况,选择一个位置使得可以看到尽可能多的卫星。另外,在GPS接收天线周围不要有很强的信号干扰,在安装天线时应该尽可能远离各种发射天线。

能量与载噪比

在传统的模拟电视覆盖时,考核覆盖性能的一个很重要的指标就是场强。场强高就意味着覆盖好。在进行数字电视覆盖时,我们在考虑场强的同时,更要考虑另一个非常重要的指标——载噪比(C/N)。测试数据表明,在一定条件下C/N是可以与能量互换的。从ITU文献中可以看到,地面数字电视广播系统的实验室闭路测试系统的性能都非常优异,其灵敏度很高,例如:对于常用的QPSK低码率模式,其C/N为4dB,接收灵敏度约-87dBm;但是在实际的开路接收中,对其最小接收电平要求增加约17dB。究其原因,在实际开路系统中,除多径的引入可能造成信噪比需求增加外,另一个很重要的原因就是发射天线处的信噪比由于功放非线性、滤波器群时延等影响,使得输出信号的信噪比急剧下降。虽然各个发射机厂家都有相应的非线性校正技术,但是一般同激励器输出相比都会引入不低于10dB的损失,这是开路环境下最小接收电平大幅度增加的重要原因。因此,在进行无线覆盖时,如果在大部分地区场强足够,就不要进一步增加发射机功率,否则可能效果适得其反。

接收系统的安装

(1)地面数字电视的移动接收终端,目前一般以车载(图3)为主。根据新加坡、上海等地的运营模式,首先应该考虑城市公交平台。但全国城市公交目前都面临一个共同的问题,即所有公交车基本上都在亏电状态下运行,特别是中小省会城市和以汽油为主要能源的公交系统更为明显。因为城市公交一般都处在短途低速运行之中,汽油车的转速都不高,发电量不大。如果安装移动电视终端接收设备,随着用电量的增大,造成公交车正常运行困难。因此,有条件的城市,应该选择在电车或以柴油为能源的公交车上安装移动电视终端接收设备,以避免将来开机率受到影响。

(2)公交车是一种大众交通工具,乘客对乘车环境的要求千差万别,如何处理好终端接收系统的音量是一个复杂的问题。既要考虑乘客的心情,又要保护广告客户的利益;既要考虑不同时段、乘客量及周围环境的影响,又要考虑公交报站系统的影响,等等。根据长沙的经验,除在节目上尽量避免音量的大幅度起伏外,尽可能在车厢内多安装喇叭,使音量小而均匀。并尽可能使音量能根据周围环境的变化自动调节。

(3)城市公交系统是一个流动的系统,驾驶员经常倒班,责任很难明确,这就要求我们在安装公交接收终端时充分认识防盗的必要性,特别是LCD屏等贵重设备。根据我们这两年的实践摸索,所有设备的安装固定,最好采用专用的异型紧固件,尽量避免采用常规通用的紧固件。

长沙市移动数字电视网络从开播到现在,运行基本趋于稳定。在这两年中我们遇到了很多问题,以上是在解决这些问题的过程中总结的一些经验,希望对今后开展地面数字电视业务能有所借鉴。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2/4/2006)
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