鐵路電視單頻網系統測試和性能分析

馬文峰 ，陸靖侃，2

（1.上海交通大學 上海 200233；2.上海數字電視國家工程研究中心有限公司，上海 200125）

0 引言

從2006年起，上海交通大學和上海鐵路通信公司開始推進對中國高速鐵路電視（HSRT）系統設計的研究和測試。該測試工程采用了ADTB-R（railway）系統[1]作為關鍵技術。

由于鐵路電視系統的線性和單頻網特征，相應的線性SFN覆蓋設計引入了相當復雜的信道模型[2-4]。我們在設計系統時提出了一種信道模型的簡化方法[3-4]來簡化信道模型，以降低接收機的信噪比門限。通過采用高前后比定向天線和相應的分集接收結構，將具有2條強多徑和相反多普勒頻移的鐵路電視單頻網信道模型簡化，從而大大降低對接收機的要求。

為驗證上述設計[1]的有效性，在上海和無錫間的城際鐵路線上建設了一條近100 km的試驗段進行測試和驗證。最近2年多時間里，在試驗網絡中一共進行過11次試驗，采集了大量現場實驗數據。本文將對試驗段的實測數據進行詳細分析，并證明結論的正確性。

1 鐵路電視單頻網滬錫試驗段簡介

試驗段選擇了上海到無錫間的一段城際鐵路線，共設9個基站（陸家浜—昆山—正儀—唯亭—外跨塘—蘇州—蘇州西—滸墅關—望亭），全長95 km，用來完成鐵路電視單頻網相關測試和演示。該段地理位置、基站設置和信號覆蓋形式如圖1。鐵路線每隔10 km左右架設一個等高的基站，每個基站的傳輸條件相同（如發射功率、基站天線增益），具體傳輸條件參見文獻[1]中的表1。

鐵路電視是一個涉及全國范圍的單頻網系統，在試驗系統中，采用衛星通信網作為分發網絡。系統在物理層分3個部分：衛星中繼適配發射單元、基站同步發射單元和車載移動接收單元。如圖2所示，衛星中繼適配發射單元位于鐵路沿線的其中一個基站里，而不是每個基站都需要。每個基站中都有一個衛星接收機和基站同步發射機。在地面網絡中發送和接收信號的同步傳輸單元分別對應相應的設備，各部分具體連接關系參見圖3～5。

1.1 衛星中繼適配發射單元

如圖3所示，將DVD輸出的視頻信號編碼后，進行插入全局時間標志的適配處理[5]，適配后的信號通過DVB-S衛星中繼，向MDS-T（T）基站傳送同步信號。需要設備：DVD，MDS-T（S）適配器，DVB-S調制器，上變頻器，功率放大器和 發射天線。

1.2 基站同步發射單元

試驗中的基站同步單元組成如圖4所示。此次測試在前述9個基站分別部署同步發射單元，每個基站都需要一套設備，包括衛星接收天線、衛星接收機、GPS天線、MDS-T（T）發射機和角形發射天線。

1.3 車載接收單元

如圖5所示，車載接收單元安裝于列車車廂里，設備包括分集接收天線、MDS-T（R）分集接收機、全向天線、頻譜分析儀Agilent E4402B和監視器。

圖3～5所示的3個單元構成了鐵路單頻網系統。文獻[1]闡明了可以簡化鐵路單頻網系統信道模型的定向覆蓋構架。在特定區域內，分集接收機[6]能在2根天線中轉換。由于分集接收機可以計算實時均衡器的輸出信噪比，這樣根據輸出信噪比就有如下兩種轉換構架：

1）比較兩根天線的輸出信噪比，并且總是轉換到信噪比更高的天線上；

2）當其中一根天線的輸出信噪比高于某數值而另一根天線輸出信噪比低于某數值時，轉換進行。

第一種構架總是能確保最大分集增益，而第二種構架能降低轉換頻率。

2 定向覆蓋工程化性能提升

由于基站設備的特殊設計，系統得益于兩個方面：首先，定向天線的高增益提高了接收機等效輸入信噪比；同時，定向天線的前后高抑制比降低了接收機在面臨簡化信道模型后的等效接收機SNR門限。

2.1 定向天線的高增益提高了接收機等效輸入信噪比

選擇比全向天線增益高的定向天線，在獲得更高增益同時，可減少方向性干擾的影響。因此，采取上述前后定向天線的方式之后，輸入信號的場強增大，在周圍環境噪聲（白噪聲）基本保持不變的情況下，相當于提高了接收機等效的輸入信噪比。全向天線和定向天線信噪比可由公式（1）～（3）描述

式中：K為定向天線增益；J為前向天線的前后抑制比。一般J遠大于K。

從實際測試的情況來看，噪聲功率基本維持在-90 dBm。所以，當N=-90 dBm，K=6 dB，J=16 dB時，根據電波傳播特性[4，7-8]，可計算得的相應的全向、前向和后向信噪比，如表1所示。路徑A增益為6 dB，路徑B增益為-10 dB。

表1 通過公式理論計算得到的信噪比

將表1轉換成圖6，則從圖6中可明顯看到定向天線帶來的接收機等效輸入信噪比（無論是前向或后向）都會提升，且比全向天線在部分區域的信噪比更高。如果選擇兩根定向天線中更高的一根，大部分地區的輸入信噪比都會得到提升，從而為工程實現提供更大的工程裕量。

2.2 定向天線的前后高抑制比降低了接收機在面臨簡化信道模型后等效接收機的SNR門限

根據文獻[1]的結論，由于模型簡化后，使接收機在全程中面臨的等效信道單徑萊斯化，因此獲得了低得多的SNR門限值，從而滿足現場信噪比的要求，如表2所示。

將得到的結果轉換為圖7。可以發現，接收機在面臨簡化信道模型后的等效接收機信噪比門限大大降低。

表2 使用定向天線接收后TOV要求的接收機SNR

2.3 高增益和前后高抑制比的定向天線分集接收方式，將大大提高工程裕量

把圖6和圖7結合起來，如圖8所示，可以看到經過特殊設計后，接收機的等效輸入信噪比獲得提升，同時等效接收SNR門限卻得到有效抑制，從而使得輸入信噪比和等效接收門限之間的距離拉大，為工程實施留下充足的工程裕量。

3 滬錫試驗段的場測

在滬錫實驗段進行場測，驗證第2節的設計效果。

3.1 測試方法和測試內容

1）通過頻譜儀測試不同天線情況下的信號場強——得到相應的輸入信噪比（SNRinput）。

2）通過測試接收機測得均衡器輸出信噪比——與相應的接收信噪比門限（SNRth）存在一定關系。

測量均衡器輸出信噪比（SNREO）是考慮到由于在移動過程中不能停下來測試，而難以獲得對應位置的接收機SNR門限。實際上對于ADTB-T接收機來說，可以從均衡器的輸出信噪比來判斷是否可以正常接收（稱為均衡輸出信噪比門限（SNREOth）），而且因為均衡器的作用是將信道白化濾波，所以基本上不管在什么樣的信道下，ADTB-T的均衡輸出信噪比門限大致是固定的。因此，可以根據均衡輸出信噪比門限來估計接收機的信噪比門限（SNRth）。

由式（4）可得，在輸入信噪比相同的情況下，均衡器輸出信噪比越高，接收機信噪比門限就越低。

3.2 測試報告

測試報告由信號強度、均衡器輸出信噪比以及測試過程中的信號中斷概率3部分組成。9個測試站分別記為S1～S9（從陸家浜至望亭）。

3.2.1 信號強度

圖9表明測試得到的信號強度。圖中，SS_OA，SS_AA，SS_BA，SS_Diversity分別表示的是全向、前向、后向和采用帶有定向天線的轉換構架的分集接收機信號強度；S1～S9代表9個基站。考慮到測試過程中的噪聲功率維持在-90 dBm的水平，很容易推算出該情況下的輸入信噪比。可見，與圖6a所示的理論值相比，圖9的曲線給出了相同的趨勢。當使用定向天線時，等效輸入信噪比因定向增益而增加。

3.2.2 均衡器的輸出信噪比

均衡器輸出信噪比的近似值由測試接收機接收到的訓練序列的信噪比計算得到。這個參數實際上控制著分集接收機的轉換，因此它是最重要的一個參數。

試驗結果和相應的轉換構架詳見圖10。圖中，SNR_EQ_OA，SNR_EQ_AA，SNR_EQ_BA，SNR_EQ_Di?versity分別表示全向、前向、后向和采用定向天線轉換構架的分集接收機均衡器的輸出信噪比。如圖10所示，由均衡器輸出信噪比可知，分集接收機的平均增益為5 dB。并且，正如之前在式（4）中所解釋的，這等效于把信噪比門限降低5 dB。

3.2.3 故障概率

故障判斷主要依靠主觀感受。在測試中，當無法流暢地收看電視節目時，就將其視為故障期或失敗點。

如圖11所示，測試過程中，使用全向天線時，總會出現某些區域無法確保收到穩定的電視信號，并且這些區域往往位于兩基站的中間部分；而使用定向覆蓋和分集接收器時，除兩三個點會出現不到1 s的接收不流暢外，在整個測試過程中的性能都是非常出色的。

4 小結

圖11 故障概率（軟件截圖）

筆者給出了鐵路電視單頻網系統的試驗結果，由此證實了采用基于定向覆蓋和分集接收機的網絡設計來簡化等效信道模型是可行的。測試結果與理論分析一致，證明了所設計的鐵路電視單頻網非常適于中國鐵路電視的特殊應用。

[1]陸靖侃，馬文峰.鐵路電視單頻網信道簡化模型覆蓋設計[J].電視技術，2011，35（8）：35-38.

[2]馬文峰，歸琳，金濟華，等.用于軌道交通的單頻網信號線型覆蓋方法：中國，200710041713.2[P].2007-06-07.

[3]ZHANG Wenjun，GUI Lin，MA Wenfeng，et al.The television broadcasting network of Chinese high speed railway[C]//Proc.2008 IEEE InternationalSymposiumon BroadcastingMultimediaSystemsand Broadcasting.[S.l.]：IEEE Press，2008：1-4.

[4]GUI Lin，MA Wenfeng，LIU Bo，et al.Single frequency network coverage system design based on the simplified channel model in the Chinese high speed railway television system[Z].Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2010.

[5]歸琳，陸靖侃，馬文峰，等.鐵路電視單頻網中系統時鐘饋送和恢復方法：中國，200710041715.1[P].2007-06-07.

[6]歸琳，施洋，馬文峰，等.數字電視單頻網的分集接收終端及接收方法：中國，200710041714.7[P].2007-06-07.

[7]ITU-R P.1546-3，Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz[S].2007.

[8]GB/T 14617.1—1993，陸地移動業務和固定業務傳播特性：第一部分陸地移動業務傳播特性[S].1993.