（通信与信息系统专业论文）dvbt网络规划与优化.pdf

摘要 d v b 作为世界3 大数字电视标准之一，目前己经有 3 0 0 多个成员。它包括了 卫星 ( d v b - s ) 、电缆电视 ( d v b - c ) 和地面广播 ( d v b - t ) 3 个主要标准。 而d v b - t 作为d v b 系统中最复杂的一个传输标准，比起其它竞争者工 s d b - t( 地面综合业 务数字广播)和a t s c( 高级电视系统委员会)更具优势。 d v b - t 系统是一种采用c o f d m 调制方式的多载波系统， 其网络规划与 优化为 实际工程的需要与计算， 是广播与通信工程迫切需要解决的现实问题。 传统意义 上的场强计算公式对某一具体的区域不具有普遍性， 这就需要我们提出新的、 适 用于各种区域的场强计算公式，以此作为d v b - t 网络规划的依据和基础。 本论文从发射天线的三维方向性算起， 采用最基本的电波传播公式， 考虑到 地面的一次反射和不同的地形损耗，提出了一种新的数学模型，由此计算得出 d v b - t 网络的三维场强分布， 然后根据选用的d v b - t 系统特性和接收机参数， 给 出不同覆盖率所需的场强闭值， 算出网络覆盖率。 此模型适用于视距范围内的各 种地形，有很广的应用范围。 对于单个发射天线不能覆盖的地区， 我们选取单频网方式进行优化， 即在合 适的地点增加辅助天线， 与主发射天线同时、同频发送同一信号， 这样可有效地 提高网络覆盖率。 为了实际工程的需要，我们用 m a t l a b 编写了基于新模型的 d v b - t 网络规划 与优化的程序。该程序应用简单，界面明了，适用范围广。 最后， 我们以上海地区d v b - t网络的规划与优化作为实例， 证明了论文提出 的数学模型的正确性以及程序的可适用性。 关键词: 数字电视广播， 分布， 覆盖率， 数字电视广播一 地面系统， 编码正交频分复用， 场强 单频网， 保护间隔， 补点器 ab s t r a c t a s o n e o f t h e t h r e e d i g i t a l t e l e v i s i o n s t a n d a r d s g l o b a ll y , d v 13 h a s m o r e t h a n 3 0 0 m e m b e r s t i l l n o w . a m o n g t h e t h r e e m a i n s t a n d a r d s , s a t e l l i t e ( d v b - s ) , c a b l e ( d v b - c ) a n d t e r r e s t r i a l ( d v b - t ) , d v b - t , a s t h e m o s t c o m p l e x t r a n s m i s s i o n s t a n d a r d i n d v b s y s t e m , e n j o y s m o r e a d v a n t a g e s t h a n i s d b - t a n d a t s c . d v b - t i s a m u l t i - c a r r i e r s y s t e m a d o p t i n g c o mm m o d u la t i o n m o d e . t h e c a l c u l a t i o n o f n e t w o r k p l a n n i n g a n d o p t i m i z a t i o n i s n e e d e d i n p r a c t i c e , w h i c h i s t h e p r o b l e m t o b e s o l v e d u r g e n t l y i n b r o a d c a s t i n g a n d c o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n g . t r a d i t i o n a l e q u a t i o n f o r f i e l d s t r e n g t h c a l c u l a t i o n c a n n o t b e g e n e r a l i z e d i n s o m e s p e c i f i c a r e a . h e n c e , a n e w v e r s a t i l e e q u a t i o n s h o u l d b e a d v a n c e d a s t h e b a s i s o f d v b - t n e t w o r k p l a n n i n g . b a s e d o n t h e 3 d d i r e c t i o n o f t r a n s m it t e r a n t e n n a a n d c o n c e r n i n g g r o u n d r e fl e c t i o n a n d d i ff e r e n t t o p o g r a p h i c l o s s , t h i s p a p e r a d v a n c e s a n e w m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r t h e c a l c u l a t i o n o f 3 d fi e l d s t r e n g t h d i s t r i b u t i o n o f d v b - t n e t w o r k w i t h t h e f u n d a m e n t a l w a v e t r a n s m i s s i o n e q u a t i o n . t h e n a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c h o s e n d v b - t s y s t e m a n d p a r a m e t e r s o f r e c e i v e r , f i e l d s t r e n g t h t h r e s h o l d v a lu e f o r d i ff e r e n t c o v e r a g e i s g i v e n a n d n e t w o r k c o v e r a g e i s o b t a i n e d . t h e m o d e l d e v e l o p e d h e r e h a s w i d e a p p l i c a t i o n f o r d i ff e r e n t t o p o g r a p h y w i t h i n v i e w r a n g e f o r t h o s e a r e a s t h a t c a n n o t b e c o v e r e d b y s i n g l e a n t e n n a , t h e m o d e o f s i n g l e f r e q u e n c y n e t w o r k i s o p t im i z e d , w h ic h m e a n s i n c r e a s i n g c o m p l e m e n t a r y a n t e n n a i n a p p r o p r i a t e p l a c e t o s e n d t h e s a m e s i g n a l a s t h e m a i n a n t e n n a w it h t h e s a m e fr e q u e n c y s i m u lt a n e o u s l y . t h u s , t h e n e t w o r k c o v e r a g e i s i m p r o v e d i n h i g h - d e n s it y a r e a s e ff e c t i v e l y . f o r t h e n e e d o f p r a c t i c a l e n g i n e e r in g , a p r o g r a m i s d e s i g n e d h e r e u s i n g ma t l a b b a s e d o n t h e n e w m o d e l o f d v b - t n e t w o r k f i e l d s t r e n g t h p l a n n i n g a n d o p t i m i z a t i o n s i m p l e a n d s u c c i n c t , t h i s p r o g r a m h a s p e r s p i c u o u s i n t e r f a c e a n d e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n . i n t h e f i n a l p a r t o f t h i s p a p e r , t h e d v b - t n e t w o r k p l a m ri n g a n d o p t i m i z a t i o n i n s h a n g h a i a r e a i s c h o s e n a s a n e x a m p l e t o t e s t i f y t h e v a l i d it y o f t h e m o d e l a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h e p r o g r a m . k e y w o r d s : d i g i t a l v i d e o b r o a d c as t i n g ( d v b ) , t e r r e s t r i a l d i g it a l v i d e o b r o a d c as t i n g ( d v b - t ) , c o d e d - o f d m , f i e l d s t r e n g t h d i s t r ib u t i o n , s i n g l e f r e q u e n c y n e t w o r k ( s f n ) , g u a r d i n t e r v a l , g a p fi l l e r 第 1 章 引言 1 . 1 d v b - t 简介 当今电视广播技术正迅速向数字化发展，电视广播、 通信、 计算机等各领域 也在不断地渗透、 融合， 这使得原有的电视广播系统及技术有了翻天覆地的变化。 数字化的优点显而易见: 通过数字信号处理会使节目的制作过程变得简单， 制作 效果大幅度地提高， 一些模拟方法无法完成的功能， 通过数字技术与计算机的结 合， 可以 轻松地实现: 通过数字技术， 节目 的复制更加容易， 多次复制所引起的 损伤不会积累且易于修复; 在传输环节， 数字压缩技术和数字信道的采用提高了 节目的传输效率和传输质量。 可以说， 数字电视广播的优势是传统模拟方式无法 比拟的。 数字视频广播 ( d v b )是欧洲 2 0 0多个广播电视技术研究、设备生产、播出 团体和机构于9 0 年代发起， 研究未来广播电视发展的项目， 它选用m p e g - 2 作为 音频及视频的编码压缩方式，统一了信源编码，然后对m p e g - 2 码流进行了打包 形成传输流 ( t s ) ,采用多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视及地面广播 等不同 媒介传输方式进行传输 1 。因此 d v b包括了卫星 ( d v b - s ) 、电缆电 视 ( d v b - c ) 和地面广播 ( d v b - t ) 3 个主要标准，其中d v b - t 作为d v b 系统中最复 杂的一个传输标准，比 起其它竞争者i s d b - t( 地面综合业务数字广播) 和a t s c ( 高级电 视系统委员会) 更具优势。 d v b - t 现被全球2 0 多个国家采用，与传统模拟传输相比，首先其传输过程 中的失真和杂波可以做到有效控制而不累计， 大大提高了地面传输质量， 为观众 提供了高质量广播电视节目。 第二， d v b - t 可在7 . 6 m h z 带宽内传送1 7 0 5 ( 2 k 系 统) 或6 8 1 7 ( 8 k 系统) 个载波， 大大提高了广播电视频谱资源的利用率。 第三， d v b - t 采用数据复用方式可将各种图 像、 声音、 数据比 特流组合成同一格式的 数 据流传送 2 .所以d v b - t 为将来地面电视广播开展多功能业务提供了最有效的 方法。 表1 . 1 和表1 . 2 分别列出了一些国家或地区开始使用d v b - t 的时间和系统 参数。 目 前， 中国也成为d v b - t 争取的一个主要对象， 因为中国是唯一一个强制数 字卫星标准为d v b - s 的国家， 采用d v b 一可以 很好地与d v b - s 兼容， 同时目 前中 国地面广播采用8 m h z u h f 模拟信号， 而d v b - t 可以 兼容现有的8 m h z 系统， 大大 节省转换时的资金投入。可以想象 d v b - t在中国有着广阔的发展空间和发展前 途。 d v b - t 网 络规划与 优化第1 章 引言 表 1 . 1 d v b - t 在各国开始使用时间 时间其它 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0新加坡 2 0 0 1 2 0 0 2 欧洲 英国 瑞典 法国、爱尔兰、丹麦、荷兰、 挪威、葡萄牙、西班牙 德国、比利时、芬兰 瑞士、意大利、奥地利 澳大利亚、中国台湾 表 1 . 2 儿个主要国家或地区的d v b - t 系统参数 国家或地区 英国 德国 西班牙 澳大利亚 新加坡 中国台湾 d v b - t 参数 8 m h z , 2 k , 6 4 q a m , r = 2 / 3 , 2 4 . 1 3 m b p s , m f n 8 m h z , 2 k , 1 6 q a m , r = 2 / 3 , m f n 8 m h z , 8 k , 6 4 q a m , s f n 7 m h z , 8 k , 6 4 q a m , m f n 8 m h z , 2 k , 1 6 q a m / q p s k , s f n 6 m h z , 2 k , 1 6 q a m , m f n 1 . 2课题来源和贡献 d v b 数字电视广播网是一种先进的单频多载波系统， 其网络规划与优化为实 际工程的需要与计算， 是广播与通信工程迫切需要解决的现实问 题。 传统意义上 的场强计算公式对某一具体的区域不具有普遍性， 这就需要我们提出新的、 适用 于各种区域的场强计算公式，以此作为d v b - t 网络规划的依据和基础。 本论文从发射天线的三维方向性算起， 采用最基本的电波传播公式， 考虑到 地面的一次反射和不同的地形损耗，提出了一种新的数学模型，由此计算得出 d v b - t 网络的三维场强分布， 然后根据选用的d v b 一系统特性和接收机参数， 给 出不同覆盖率所需的场强闺值， 算出网络覆盖率。 此模型适用于视距范围内的各 种地形， 有很广的应用范围。 对于单个发射天线不能覆盖的地区， 我们选取单频 网 方式进行优化， 即在合适的地点增加辅助天线， 与主发射天线同时、 同 频发 送 同一信号，这样可有效地提高人口高密度地区的网络覆盖率。 d v b - t网 -规划与 优让_ _第1 章 引言 论文所建立的数学模型， 对某一城市规划所得的场强平均值与实际测量的平 均值，误差不超过5 % ，证明该模型能够支持d v b - t 网络的场强和覆盖率计算， 具有很强的可靠性与适用性。 本论文完成了以下的研究工作 ( 1 )根据d v b - t 系统的特征， 采用分区分块的方法建立了上海地区地形数 据库。 计算出东方明 珠电 视塔的发射天线方向图， 给出了上海地区d v b - t 网络的 三维场强分布， 从而得出网络的覆盖情况， 最后对计算结果进行了分析， 为上海 地区d v b - t网络建设提供了可靠的参考依据。 ( 2 ) 根据上海地区情况， 选取单频网( s f n ) 的方式对现有d v b - t 网络进行 优化， 给出 上海d v b - t 单频网的组网方式与场强， 覆盖率计算结果。 ( 3 ) 在具体实现中。 我们将设计和优化模型程序化， 在m a t l a b 平台上编写 出d v b - t 网络规划与优化程序。该程序达到工程软件的三级标准:具有模块化、 可移植性、一致性、计算速度快及良 好的人机界面等特点。 第2 章 d v b - t 系统原理及性能 2 . 1 d v b - t 系统原理 由于地面的传输条件最差， 所以d v b - t 是d v b 中最复杂的传输系统。 因为已 有的一些地面传输服务产生较大的同频和临频干扰， d v b - t 采用了更多的抗干扰 和防误码的措施，它采用c o f d m( 编码正交频分复用)调制技术，并在相邻的信 号间插入保护间距 ( 1 / 4 , 1 / 8 , 1 / 1 6 或 1 / 3 2 信号时间)以避免信号间干扰及回 波干扰， 因此具有很强的抗多径干扰的能力。 当回波落在保护间距内， 会加强信 号强度， 为在大范围地区内组建单频网( s f n ) 提供了可能性， 这将大大缓解u h f 频段紧张的现状。d v b - t 允许不同的工作参数， 使数据传输速率和信号的稳定性 能达到最佳组合。同时它与 d v b - s , d v b - c之间有很多相同特性，信号可方便地 从一个系统传入另一个系统，大大节省了开支。 根据子载波个数的不同， d v b - t 系统可分为2 k 模式和 8 k 模式，它们对应的 子载波数分别是 1 7 0 5 和6 8 1 7 。存在两种模式的主要原因在于人们对s k 子载波 模式存有怀疑， 而2 k 系统是8 k 系统的简化版本， 其中只需要 1 / 4 的子载波数量， 因此保护间隔也缩小了4 倍， 故在单频网内2 k 系统的最大发射机间距离只有8 k 的1 / 4 ，组网所需的花费也将增加。 一针 扰 码 洲 rs外 s a 外交织 n x wl 一 一 一 51 dk fftll es同 一盯一 巨 - - 丫 d / a 转 l 图2 . 1 d v b - t 系统的发射机框图 图2 . 1 给出d v b - t 发射机的框图【 3 1 。输入数据被分为若干组，每组内 包含 1 8 8 个字节，它们进过扰码以及外码 r - s ( 2 0 4 , 1 8 8 , t = 8 ) 编码，能在2 0 4 个字 节帧内 纠错8 个错误字节。 然后， 经过外码编码的比 特再由交织器进行交织， 在 1 2 字节深度内按字节进行交织。并且再按编码效率位1 / 2 ， 约束长度为7 ， 生成 多项式为 ( 1 7 1 , 1 3 3 ) 的卷积码进行编码。 通过凿空操作， 卷积编码的效率可以 被提升到 2 / 3 , 3 / 4 , 5 / 6 , 7 / 8 。最后卷积编码比特再经过内交织器的交织，被 映射为q p s k , 1 6 q a m 或6 4 q a m 符号。 d v b - t 网 络规 划与 优化第2 章 d v b - t 系 统原理及 性能 一织拙 交砰 解百，译 率一积 一频一卷 一料1!1十 匕|， ft 冲 一 模拟前端信号 a / d 转换 降频转换 帧同步 一 ee 一 |目州| 信道估计 粗频串 偏差估计 一上 州一 译码器 1.甲 图2 . 4 d v b - t 系统的接收机框图 2 . 2 d v b - t 系统信道特性 实际的数字电视地面广播系统是在非理想的环境下进行工作的， 尤其是地面 广播的 信道特性变化剧烈， 信号幅度与相位的变化、多径的时延和幅度的变化速 度都远比卫星和有线电缆信道复杂。系统能稳定工作的区域有限， 对系统信号处 理能力尤其是对处理速度及稳定性要求苛刻， 再加上地面广播要求与现有模拟电 视广播兼容， 大功率非线性发射使相邻频道间的干扰加剧， 这些都会引起信道中 信号强度的骤然降低即所谓衰落的发生， 使比 特误码率( b e r ) 大大增加。 d v b 一广 播信道中的干扰主要有以下 3种: ( 1 ) 多径干扰:多径干扰在地面广播中最为普 遍， 地面广播中发射的信号电磁波遇到山脉、 树木及楼房而产生反射， 反射信号 进入接收机中就会造成多径干扰， 它对数字电视系统中的影响是造成数字通信中 所谓的“ 符号间干扰( i s i ) ， 它是一种乘性的干扰。( 2 ) 噪声千扰:数字地面广 播信道中的噪声干扰有两类: 高斯白噪声干扰和冲激噪声千扰， 它是一种加性干 扰。 高斯白噪声主要来源于其它频道中的电磁辐射以及设备外部的噪声千扰; 有 源器件中电 子或载流子运动的起伏变化、电阻的 热噪声等设备内 部的噪声干扰。 冲激噪声干扰是一种突发性的噪声干扰，它的 特点是不经常发生， 但一旦发生， 在其持续时间内强度远大于高斯白噪声， 此时对系统的影响也较大。 冲激噪声主 要来源于闪电、各种工业电火花和电器开关的通断等。( 3 ) 同频干扰:同频千扰 存在于数字地面同播方式中， 如果数字地面广播中不采用同播方式是不存在这种 千扰的。 所谓 “ 同播”是指在数字电视的地面广播中， 将数字电视放置在 “ 禁用 d v b . t 网 络规 划与 优化第2 章 d v s - t系 统原理及 性能 频道” 上进行广播。 禁用频道为相邻服务区的模拟电视所使用， 当本地的模拟电 视不用时， 可用禁用频道广播本地数字电视， 以提高地面广播的频谱资源利用率， 但此时相邻服务区的模拟电视发射信号却可能会对d v b - t 接收机造成干扰， 这种 干扰称为 “ 同频干扰” 。同频干扰也是一种加性的干扰。 d v b - t系统设计中抵御干扰影响的技术有: ( 1 ) 系统采用两级纠错的方法来 进一步提高纠错能力，内层卷积编码抗噪声性能很好，外层r s 编码可以解决冲 激噪声引起的突发误码和卷积解码后的码流中产生的连续误码。( 2 ) 交织技术可 以抵抗时域脉冲噪声干扰。( 3 ) 保护间隔的使用可以避免符号间的干扰，它主要 用于抵抗回声和发射，即引起室内 模拟电视假象的多路信号。( 4 ) c o f d m技术可 以抵抗o d b 的回波、 长时间延迟的静态和动态多径失真， 能可靠地克服延时信号 的干扰，包括地势或建筑物反射的回波、单频网环境中远方发射机发射的信号。 ( 5 ) 系统具有许多可选择的参数，以适应大范围的载噪比和信道特性。 2 . 3 d v b 一 系统的c o f d m 调制 一般的通信系统采用的都是单载波调制方式， 这种方式在数据传输率不高的 情况下， 多径效应对信号造成的干扰比较小， 系统可以正常工作. 然而对于数字 电 视信号传输来说，由于数据传输率比 较高，时延造成数据符号间的相互交叠， 从而产生符号间干扰 ( 工 s 工 ) 。 从频域的角度来说， 多径信号的时延会导致同一信 号中不同的频率成分出现不同的衰落特性， 即频域选择性衰落。 多载波传输可以 解决高速数据传输出现的种种问 题。 多载波传输将载波按照不同的频段分成多个 子载波， 将数据流分成多个子比特流， 这样形成的低速率多状态符号再去调制相 应的子载波， 从而形成多个低速率符号并行传输系统。 多载波调制技术一般分为 正交频分复用 ( o f d m ) ,离散多音调制 ( d m t )和多载波调制 ( m c m ) . d v b - t 系统采用c o f d m ，即编码的正交频分复用， 基本原理就是把高速的 数 据流通过串并变换， 分配到传输速率较低的若干子信道中 进行传输。 c o f d m 中的 编码( c是指信道编码采用编码率可变化的卷积编码方式( 可删除型卷积编码) ， 以适应不同重要性的数据的保护要求。 正交频分( o f d ) 是指使用大量的载波( 又 称副载波)以代替通常使用的单个载波， 这些副载波有相同的频率间隔， 所有的 副载波的 频率都是一个基本震荡频率的 整数倍， 在频谱关系上是彼此正交的。 复 用 ( m ) 是指许多套节目 相互交织的分布在上述的大量副载波上， 形成一个频道。 c o f d m采用频率和时间交织组合的网格编码调制 ( t c m ) 作为其信道编码， 它通过组合编码和调制来达到高编码增益而又不影响信号的宽度。 信号的连续比 特在经过网格编码调制之后。 将分布在分别以时间和频率为横纵轴的网格上， 从 d v b - t网 络规划与 优化第2 章 d v b - t系统原理放性能 而有效的提高系统在多径传播环境中的传输质量。c o f d m的网格编码如图2 . 5 . s u 6 - a h u ime l s t f 口 仑 i e a v 石 。 扭 图2 . 5 c o f d m 的网格编码 c o f d m 将一串连续的基带数据流分配到一个个单独的载波上， 这些在特定时 间里处理的载波集合通常称为 “ c o f d m符号” 。一个 c o f d m符号内包括多个经过 调制的子载波的 合成信号，其中每个子载波都可以 受到相移键控 ( p s k ) 或者正 交幅度调制 ( q a m ) 符号的调制。如果n 表示子信道的个数， t 表示o f d m 符号的 宽 度， f 是 第0 个 子 载 波的 载 波 频 率， r e c t ( t ) = 1 , l t l _ 9 0 0 或15 0 s 2 7 0 0 时，d ( b ) = 0 ， 而 且相同 距离上的电 磁波 的相位是相同的， 但实际上发射板的尺寸不是无 限大的， 所以上述计算公式只是一种近似，而且 各方向上相同距离的电磁波不是同相的，随着b 绝对值的增加， 其相位会有滞后。 其滞后的程度， 随天线的几何尺寸和频率而不同。在实际设计中，图3 . 3 偶 极板 天 线的 方向 图 厂 商 一 般由 测量 来 取 得具 体 数据， 或 用经 验公 式以 印二 a s i n b 来表 示。 的 单 位 为度。 1 . 2多面偶极板的水平方