CMMB单频网教材

第 章 单频网 地面数字电视的最大特点之一是可以使用单频网进行网络覆盖 单频网具有节约频谱资源的巨 大优势 与传统的地面无线覆盖技术相比 能够以更高的频谱利用效率覆盖更为宽广的地域范围 单频网技术的出现 使得地面无线广播系统从各个发射台的独立工作方式 向多个发射台之间相互 配合 互相补充的组网工作方式变革 新技术的产生对系统建设 设备研发 运营维护等各个方面 都提出了新的要求 本章针对单频网的技术特点进行了介绍 对工程中可能出现的情况进行了分析 力求对单频网的实际工程建设起到指导作用 1 1 地面数字电视广播单频网基本概念地面数字电视广播单频网基本概念 在传统的模拟电视广播中 为了对一定区域进行覆盖 可以通过两种方式来扩大覆盖区域 第一种方法是增加单台发射机的发射功率 但是由于无线电传播特性和地球表面曲率的影响 这种方式的覆盖范围不可能很大 并且很浪费资源 第二种方法是采用多个发射台同时发射 相邻发射台需使用不同的频率以避免相互干扰 同一频率必须在一定距离以外才能进行重用 即多频网 MFN 方式 多频网需要占用很多频点 造成了频率资源的大量浪费 1 1 1 单频网定义及基本原理 单频网 顾名思义是在不同的发射点以同一频率资源进行广播覆盖 单频网带来的最直接的 好处就是频谱利用率的提高 相对多频网而言 由于不需要频率重用 为实现同一节目在较大 范围内的覆盖只需要使用一个频率 节省了大量的频率资源 对于需要较大带宽的电视广播而 言 这一优点更为突出 多个发射台站同时工作所带来的分级效果 可以获得更好的覆盖率 通过对单频网发射网络的调整和优化 可以使用多个小功率发射机代替一个大功率的发射机 从而降低信号辐射 减小电磁污染 增强覆盖均匀度 减轻对附近其他网络的干扰 甚至根据 需要随时改变覆盖区域 由于在理论上可以无限制地扩充发射点个数 所以可以通过网络拓扑延 伸来覆盖广阔的区域 依赖接收机性能 不需要考虑不同发射点之间的同频干扰问题 并且也省去 了差频转播所带来的频率资源的浪费 1 1 2 单频网的基本架构 Comment U1 全书的图号 表号 公式号的形式要一致哦 图 X X 图 X X X 图 X X 图 X X X 2 随着先进调制解调技术的发展 如果不同发射点发射的信号 满足载波频率绝对同步 发射内 容完全一致 且发射时刻相差不大 控制在微妙范围内 不同发射点之间的同频干扰就可以被接 收机所容忍 单频网组网技术的关键是保持不同发射点发射信号的同频和同时 所谓同频 是指不 同发射点发射的射频信号在载波频率上严格保持同步 在工程实践中 最多允许几赫兹的偏差 所谓同时 是指不同发射点发射的射频信号不但要完全一样 还要严格在同一时刻发射出去 在工 程实践中 可以允许几十微妙以内的偏差 为了实现单频网的同步 在地面数字电视单频节目流中需要插入 SIP 包的信息 SIP 包的插 入是通过单频网适配器完成的 SIP 包中携带有同步时间标签信息和到各个发射台的最大时延等 信息 单频网的基本架构如图 1 1 所示 单频网适配器根据 GPS 提供的时间信息 10MHz 基准频 率和 1pps 脉冲信号 在 TS 流中周期性地 以一秒钟为单位 插入 SIP 包 SIP 包严格定义了每 个发射台站的发射时刻 单频网适配器输出的 TS 流 经过分配网络传送到各个发射台站 各个 发射台站的激励器根据本地 GPS 时间信息 配合从 TS 流冲的 SIP 包中恢复出来的发射时刻信息 自动计算出本地延迟 从而严格保证本发射台站发射的射频信号满足 SIP 包中的定义 图 1 1 单频网基本架构 1 1 3 最大站距和保护间隔 3 单频网的时间同步范围 是与接收机性能密切相关的 接收机将来自于不同发射台站的信号 看作是多径衰落 依赖接收机自带的信道均衡功能将各个多径信号合并成可以接收的信号 但是接 收机能够对抗的多径的长度是有限的 在多载波 OFDM 系统中 这个最大的长度就是 OFDM 系统 中的循环保护间隔 在单载波系统中 这个最大长度往往是接收机中的均衡器的长度 由于不同的 接收机所实现的均衡器长度不同 可以近似认为该长度等于时域训练序列的长度 因此 单频网的建设 需要考虑到接收机所能对抗的最大多径长度 由于在我国地面数字电视 标准中 最小的保护间隔为 420 个符号长度 因此可以近似地认为接收机所能对抗的最大多径长度 为 420 个符号长度 大约为 55 微秒 对应于电波传播距离为 16 6 公里左右 因此在单频网建设中 各个发射站台之间的距离 如果保持在 16 6 公里以内 原则上可以通 过调整各个发射站台的发射时延及功率 达到所有覆盖区域的无缝覆盖 1 1 4 单频网组网实现方式 通过单频网适配器在 TS 流中插入 SIP 时间信息包 再通过各个发射台站的激励器将这些 SIP 时间信息包中的时间信息与本地 GPS 时间信息进行比对处理 就可以实现单频网的基本原理 实 际上 单频网的组网实现方式可以灵活多样 可以在不同功率 不同信号质量 不同建设成本之间 进行灵活选择 可以采用灵活高低搭配的形式 进行单频网建设 1 1 4 1 单点大功率结合盲区补点 传统的广播电视无线覆盖网络 都是由建设大功率发射站点来完成的 这些站点往往都建设在 城区中心制高点 或者是高山上 发射功率往往很大 可以尽可能地覆盖更为广阔的区域 但是由 于无线信号的传输特性 信号往往会收到地形 建筑物的阻挡 这样就会不可避免地形成覆盖盲区 地面数字电视的建设 也可以采用单点大功率的覆盖方式 这种方式采用大功率发射机 高增 益发射天线 以及较高的发射塔 对于受地形限制所产生的覆盖盲区 可以采用小功率同频直放站 设备 或者小功率差转设备进行盲区补点 1 1 4 2 多点中功率均匀覆盖 架设大功率发射站点往往需要较为昂贵的设备 复杂的配套设施 甚至需要建设专用的电视发 射塔 所需要的成本是比较高的 在一些不具备条件的地区 也可以采用多个中 小功率发射机 进行均匀建站 每个发射站点之间保持相对均匀的分布 不同发射站点的信号之间 组成单频网 这样可以以增加发射站点个数为代价 仍可以在较大范围内实现信号的覆盖 4 1 1 4 3 单点大功率结合中小功率覆盖 单点大功率发射站点 也可以同中小功率发射站点一起建设 得益于数字电视单频网技术 中 小功率发射机发射出的射频信号 如果与大功率发射机发射的信号满足同频 同时 同内容的条件 即可以组成单频网 从而在不会产生同频干扰的前提下 有效改善覆盖质量 1 2 单频网覆盖模型单频网覆盖模型 单频网的组网条件就是保证各个发射站台发射信号的同频 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 下面就对经常使用的几种覆盖方式进行介绍 1 2 1 基于 TS 分配网络的单频网覆盖 这种方式是应用最为普遍的一种单频网组网方式 通过专用网络 例如光纤 有线电视网络 IP 网络等 将单频网适配器输出的码流分配到不同的发射站点 再由不同发射站点处的激励器 分别将适配码流调制到射频信号并发射 不同站点处的激励器通过外接 GPS 信号 保证射频信号 的载波同步和发射时刻的同步 满足单频网的同步要求 由于需要基础设施建设 这种单频网组网 方式成本昂贵 但是质量稳定可靠 1 2 2 同频再调制覆盖 这种方式是将空中接收信号接收并进行解调 然后再进行重新调制后发射 由于不需要使用光 纤等码流分发网络 建网成本大大降低 并且 重新调制后的信号质量也能得到充分的保证 但是 由于解调和重新调制需要的处理延迟比较大 不能适用于所有的数字电视标准 只能在一些单载波 系统中使用 此外 由于是同频道转发 因此会受到收 发天线隔离度不够所带来的回波干扰影响 1 2 3 同频直放站补点覆盖 这种方法是将空中信号接收后 经过功率放大后直接发射出去 对覆盖盲区进行补点 但是由 于接收 发射天线隔离度的限制 发射信号的功率无法太大 这类设备往往需要配合回波消除功能 回波消除功能是将接收天线接收到的信号变换到基带 经过数字基带回波消除处理 再经过射频放 大后再次发射出去 由于同样不需要码流分发网络 所以组网成本较低 同时由于引入了回波消除 处理 可以有效缓解同频转发所带来的收发天线隔离度问题 由于回波消除处理只引入了很小的时 延 完全满足单频网的同步要求 但是 回波消除处理会对发射信号的信噪比造成一定程度的恶化 这对于设备的研制提出了很高的要求 5 1 2 4 基于射频信号分配网络的单频网覆盖 这种方式是将射频信号通过有线网络 例如光纤 有线电视网络 分发到各个发射站点 在各 个站点处只需要对该射频信号进行放大并发射 对主塔发射信号进行补点覆盖 由于有线网络拓扑 复杂 延迟不确定 因此采用特殊设备 对射频信号进行延迟 以满足单频网的同步要求 1 3 单频网覆盖工程实践单频网覆盖工程实践 1 3 1 无线覆盖网络规划 在进行单频网建设之前 需要根据实地情况进行无线覆盖的网络规划 需要根据覆盖区域的大 小 覆盖区域的地形环境 覆盖区域内的基础设施情况 网络建设的资金预算等客观条件 灵活选 择单频网发射站点的设备类型 功率大小 站址分布 发射信号调制模式 各个发射站点的发射时 刻等等 无线覆盖的网络规划 可以配合市场上的一些专用网络规划软件来进行 但是这些网络规划软 件往往只能起到计算信号辅助计算的作用 对于实际的设备类型选择 网络优化 还需要进一步更 专业的工程实践检验 1 3 2 网络覆盖优化 单频网设备搭建完成后 往往都需要对网络覆盖进行优化调整 单频网性能的优化 是建立在 覆盖区域内的信号接收质量测量基础之上的 因为数字电视单频网的原理是同接收机对抗多径的能 力密切相关 因此在覆盖区域信号测量中 多径分布特征是非常重要的指标 在单频网覆盖区域信号性能测量中 最重要的性能指标是接收场强和多径分布特征 现在市场 上有很多路测仪都具备测试上述两项指标的功能 如果接收场强太低 则证明该地区受到了严重遮 挡 需要增加覆盖功率 如果多径分布特征不利于接收机正常工作 则需要考虑对各个发射站点发 射信号的功率 延迟等进行调整 1 3 2 1 网络优化常用方法 根据单频网覆盖区域信号测试的结果 就可以对单频网进行网络优化 如果在该地区 信号的接收场强比较弱 导致接收机无法正常工作 则需要对该区域进行信号 增强 比较常用的手段是架设直放站设备 或者在该区域附近再架设新的单频网发射站点 根据接 收场强较弱地区的范围 可以灵活选择所采用的建站类型和设备功率大小 如果在该地区 信号的接收场强较强 但是接收机仍然无法工作 则导致这个问题的原因往往 6 是因为多径信号的分布特征不利于接收机正常工作 这就需要对多径信号的分布特征的分析 根据 分析的结果 需要对各个发射站点发射信号的功率 发射延迟等进行调整 调整发射站点的功率和 延迟 实际上就可以改变覆盖区域的多径分布特征 因此网络优化的目地就是要让覆盖区域的接收 信号在场强 多径信号分布特征上 都满足接收机正常工作的条件 1 3 2 2 网络优化分析 单频网网络优化分析 主要是指在覆盖区域内的多径信号分布特征的分析 需要同接收机接收 性能结合起来 往往比较复杂 在工程实践上简化一下 大致上可以同保护间隔联系起来 一般认 为如果多径的最大延迟长度能够限制在保护间隔之内 则接收机一般都可以正常工作 但是仍然有 例外的情况 例如对于单载波调制方式下 接收机对抗多径的能力更加依赖于接收机所采用的算法 即便多径的最大延迟长度能够保持在保护间隔以内 多径的强度 分布等其它特征都能严重影响接 收机的接收性能 所以需要更为专业的分析 1 3 2 3 TXID 在网络优化中的作用 在单频网网络优化中 往往需要对多个不同的站点进行参数调整 由于各个站点的信号之间相 互影响 所以站点越多 优化的复杂度越高 这就带来一个对各个发射站点进行远程调控的功能需 求 在地面数字电视单频网适配流的 SIP 包中 定义了 TXID 即发射机标识 通过该标识 可以 分别调整不同发射机的发射参数 从而简化了单频网网络优化中的远程控制问题 1 3 3 单频网常见故障分析及排除 单频网布网过程中 会经常碰到各种问题 其实只要掌握了单频网的基本原理 单频网并不是 那么神秘 下面我们将工程中经常出现的一些问题进行罗列分析 希望对未来的工程实践起到参考 作用 1 3 3 1 TS 流 单频网建设中经常碰到的问题 就是不同站点所接收到的 TS 复用流不完全一致 造成这种情 况的原因有多种 例如 如果单频网适配器输出的适配 TS 流 经过光纤网络进行传输 如果光纤网络传输中采用了一 些适配设备 例如常用的 DS3 光网络适配器 而这些设备往往会对输入 TS 流进行一些插空包 PCR 校正等处理 这些处理 破坏了适配流的原始配置 使得进入不同发射站点的 TS 复用流不再 相同 从而破坏了单频网组网中内容必须相同的条件 如果单频网适配器输出的 TS 流 经过微波等无线方式进行传输 由于微波传输中也需要插入 7 空包 而该空包同单频网复用流中的空包混淆 从而造成码流溢出 单频网组网失败 如果在单频网 TS 复用流传输的过程中 发生了传输错误 就会造成到达各个发射站点的复用 流不一致 从而造成单频网组网失败 1 3 3 2 GPS 单频网组网中的时间 频率同步 都需要 GPS 时钟来保证 然而 GPS 设备非常容易受到干 扰 造成 GPS 时钟的不稳定 GPS 时钟如果产生了频率漂移 对单频网的正常运行带来的影响是 致命的 会导致发射出去的信号成为整个网络中的强干扰源 会对其它站点的正常发射信号造成严 重干扰 所以 在单频网建设和正常运行中 GPS 是我们需要非常重视的环节 实际上 单频网组网中 最容易发生故障的环节 就是在 GPS 上 建议采购质量稳定的 GPS 产品 并且在网络的运行维护 过程中 应对 GPS 的工作状态进行密切监控 1 3 3 3 激励器 单频网组网中的核心设备 就是单频网适配器和激励器 在各个发射站点 激励器需要