樂山地區(qū)DTMB地面數(shù)字電視無線覆蓋建設方案

劉毅生，陳思源，童 彬

(樂山廣播電視臺，四川 樂山 614100)

樂山市位于四川省西南部，北鄰眉山，東接自貢，南連宜賓、涼山，西相雅安，下轄市中、五通橋、沙灣、金口河4個區(qū)及犍為、井研、夾江、沐川4個縣和峨邊、馬邊2個彝族自治縣，代管峨眉山市，平均海拔約500 m，地形地貌為三江平壩區(qū)、丘陵區(qū)和山區(qū)。由于受地形地貌條件限制，有50%以上的廣大邊緣農(nóng)村電視用戶有線電視信號無法到達，提供的單一無線模擬電視節(jié)目無法滿足人民群眾多樣化、個性化的精神文化需求。

1 地面無線數(shù)字電視覆蓋組網(wǎng)

地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)支持多頻網(wǎng)和單頻網(wǎng)兩種組網(wǎng)模式。針對本地實際情況，樂山地區(qū)采用光纖時延共源單頻和小區(qū)域變頻方式進行混合組網(wǎng)模式，可以節(jié)省大量的GPS、單頻網(wǎng)適配器、傳輸網(wǎng)絡適配器和激勵器等，大大降低組網(wǎng)成本，節(jié)省安裝調試時間，減少系統(tǒng)故障率，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟效益。

2 光纖時延共源單頻網(wǎng)原理

光纖時延共源單頻網(wǎng)是整個網(wǎng)絡只有一套激勵器，各發(fā)射機的信號由光纖直連送達。由于共用激勵器，保證了網(wǎng)絡的頻率同步和比特同步。時間同步則由控制到達各發(fā)射點的信號延時補償光纖來保證。其組網(wǎng)原理如圖1所示。

在同步單頻網(wǎng)中，時延是在激勵器中依靠對數(shù)字基帶信號的存儲轉發(fā)的時間間隔來實現(xiàn)的。對于RF信號，要實現(xiàn)較長時間的延時，目前光纖是最經(jīng)濟實用的選擇。首先，光纖可實現(xiàn)的時延較大，光纖可實現(xiàn)約5 μs/km的延時。其次，光纖的損耗小，在1550 nm波段，單模光纖的損耗約0.2 dB/km，加上熔接損耗，也不超過0.25 dB/km。再者，光纖的體積小，易彎曲，光纖的直徑為125 μm。

在組建同步單頻網(wǎng)中，光纖作時延雖然解決了信號同步問題，但是由于光纖自身的色散及光衰，局限了同步單頻網(wǎng)的規(guī)模。根據(jù)實際的組網(wǎng)經(jīng)驗，超過100 km后信號嚴重劣化，如果進行色散補償或補償光柵又失去了光纖補償同步單頻網(wǎng)的經(jīng)濟性及易調性，大大降低了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性能。所以，光纖時延共源單頻網(wǎng)組網(wǎng)應控制在80 km以內。

圖1 光纖9時延共源單頻網(wǎng)組網(wǎng)原理

3 系統(tǒng)建設方案

樂山建網(wǎng)第一個階段首先考慮的是滿足提供穩(wěn)定的標準清晰度電視節(jié)目，在這基礎上加大網(wǎng)絡覆蓋，發(fā)展用戶，拓寬其他服務領域。

現(xiàn)建成后采用市中區(qū)頂高山主發(fā)射站和4個補點發(fā)射站組建基于光纖延時的共源單頻網(wǎng)。主站數(shù)字發(fā)射機的功率為單頻1 km，發(fā)射頻道用原有國家批復的16/20頻道，采用模轉數(shù)的方式，整體覆蓋樂山市市中區(qū)、五通橋區(qū)、井研縣、夾江縣、沙灣、峨眉等地區(qū)，覆蓋半徑設計為40 km。4個補點輔站的數(shù)字寬帶發(fā)射功率為200 W，采用共源光纖延時和變頻方案，補充主站未能覆蓋的市中區(qū)及周邊部份區(qū)域，覆蓋半徑設計為5～8 km。各發(fā)射塔設計覆蓋范圍見圖2和表1。

利用2個頻點轉播32套節(jié)目用于用戶固定接收。系統(tǒng)采用地面數(shù)字電視國標工作模式中的C=3780+PN945+16QAM+0.8LDPC多載波的調制模式，該模式具有19.251 Mbit/s的傳輸凈載荷。同時加入EPG、CAS/SMS及插入EPG(電子節(jié)目指南)等網(wǎng)管信息，該模式能達到較好質量的標清效果，可在單個頻道內為用戶傳送16套數(shù)字電視廣播節(jié)目。

圖2 各發(fā)射塔覆蓋范圍圖

表1 各發(fā)射塔設計覆蓋范圍

地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)構成框圖如圖3所示。

圖3 地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)構成框圖

3.1 數(shù)字前端

數(shù)字前端主要包括數(shù)字衛(wèi)星接收機、解調器(收地方節(jié)目)、編碼器、網(wǎng)絡交換機、復用器、加擾機、用戶管理系統(tǒng)、條件接收系統(tǒng)、DTMB數(shù)字激勵器及1550 nm光發(fā)射和接收設備等。

前端系統(tǒng)主要功能是:把來自不同的節(jié)目信號源(如MPEG－2/SDI/AV/IP)，不管是模擬或數(shù)字按統(tǒng)一標準進行編碼、復用、加擾等處理，形成所需要的多節(jié)目傳輸流。按頻道將安排的節(jié)目傳輸流送入頻道DTMB數(shù)字激勵器進行信號調制，調制后射頻數(shù)字信號源通過頻道混合，經(jīng)光發(fā)、光放、光分和光接收等傳輸環(huán)節(jié)，送入單頻或寬頻數(shù)字發(fā)射機發(fā)射播出。

前端系統(tǒng)為確保節(jié)目的安全播出對關鍵復用加擾采用熱備份，而編碼器和光傳輸設備采用冷備份。系統(tǒng)采用了易事特15 kV·A的UPS電源，停電逆變工作時間設計值大于30 min;配備了100 kV·A柴油發(fā)電機。

樂山地區(qū)在節(jié)目編碼器選擇上，采用了編碼效率高的四合一H.264編碼器，每套節(jié)目視頻占用0.8～1.0 Mbit/s碼率(中央5臺適當加大到1.2 Mbit/s)，采用480格式;音頻采用48 kHz、96 kbit/s單聲道編碼(中央3臺為48 kHz、192 kbit/s立體聲編碼)以節(jié)省頻道帶寬。經(jīng)調研和試用比較，一些國產(chǎn)編碼器在同等編碼效率(0.8～1.0 Mbit/s碼率)下工作，圖像常出現(xiàn)馬賽克或死機現(xiàn)象，編碼效率和工作穩(wěn)定性較差。因此，本臺選用湯姆遜品牌和哈雷品牌。

復用加擾和光傳輸主設備選用哈雷的最新產(chǎn)品和ACE，備用設備選用國產(chǎn)品牌。

系統(tǒng)框圖如圖4所示。

3.2 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)

網(wǎng)絡管理系統(tǒng)是由條件接收系統(tǒng)(CAS)、用戶管理系統(tǒng)(SMS)、前端設備網(wǎng)絡管理軟件等組成。為了保證信息傳輸?shù)陌踩约熬S護電視臺有效控制用戶授權的合法利益，降低網(wǎng)絡建設成本，組建了一套(虛擬專用網(wǎng)VPN)網(wǎng)絡。

樂山地區(qū)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)安裝在城區(qū)廣電中心大樓。CAS/SMS系統(tǒng)服務器和網(wǎng)管主機都通過光纖數(shù)據(jù)傳送器連接頂高山主站數(shù)字衛(wèi)星接收機、編碼器、復用加擾器和1 kW數(shù)字電視發(fā)射機等前端設備，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理監(jiān)測功能。

系統(tǒng)安裝了廣播電視發(fā)射機監(jiān)控軟件，市中區(qū)輔站各200 W發(fā)射站可通過移動通信網(wǎng)絡短信功能，實施對發(fā)射設備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。

1)管理系統(tǒng)功能

用戶管理系統(tǒng)(SMS)為用戶建立完整、準確的檔案，為用戶各項業(yè)務的開展提供周到、便利的服務，各項功能齊全，使用方便。

條件接收系統(tǒng)(CAS)由 SQL、控制臺、ECMG、EMMI、KM、SAS、SMSI這幾個部分組成。由控制臺來設置連接九州及哈雷加擾機的參數(shù)和各套節(jié)目的相關參數(shù)。

2)管理系統(tǒng)特點

為便于業(yè)務的開展和與省規(guī)劃保持一致，樂山地區(qū)采用長虹的CA/SMS系統(tǒng)，可管理用戶的容量為100萬，系統(tǒng)只支持長虹CA用戶終端。因此，選用了長虹、金亞機頂盒，統(tǒng)一使用省局認可的長虹CA卡。系統(tǒng)用戶軟件設計合理，界面美觀大方;操作使用方便簡單，精確控制每一個用戶權限。

圖4 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)存儲大量的用戶信息、業(yè)務信息、計費信息等，在每一個服務點，實現(xiàn)了遠程上網(wǎng)為新用戶開戶和信息查詢，確保了用戶的及時收看數(shù)字電視節(jié)目。區(qū)縣用戶管理系統(tǒng)是通過VPN設備搭建虛擬專用網(wǎng)，便于遠端有特權的機器訪問該VPN所授權的內部設備，不僅可以進行遠程管理和授權處理，從而更好地實現(xiàn)節(jié)目加擾和用戶管理。具備游動字幕(OSD)、電子郵件功能，系統(tǒng)可以對全部用戶或特定用戶發(fā)送OSD或電子郵件。在用戶即將到期時，有針對單用戶自動游動字幕提醒功能。

3.3 傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)主要功能是將數(shù)字前端形成的節(jié)目流傳送到各個發(fā)射點進行同步發(fā)射播出。

樂山頂高山前端的16/20CH數(shù)字電視節(jié)目射頻混合信號源，通過光纖直連將信號源傳輸?shù)骄W(wǎng)絡公司前端分配網(wǎng)絡，一路到市中區(qū)補點輔站，另一路通過市縣SDH網(wǎng)絡，送到區(qū)縣級分平臺(前端)。區(qū)縣將自辦電視節(jié)目和廣播節(jié)目經(jīng)編碼和數(shù)字激勵器調制到本地頻點后與市級平臺節(jié)目混合，再通過區(qū)縣的光纖直連網(wǎng)絡送到各發(fā)射點進行同步發(fā)射播出。

3.4 發(fā)射系統(tǒng)

主要由DMB－T/H數(shù)字電視激勵器、頻道濾波器、數(shù)字電視發(fā)射機、饋管、發(fā)射天線組成(見圖5)，現(xiàn)使用2個頻點發(fā)射。

圖5 發(fā)射系統(tǒng)框圖

1)主發(fā)射站采用成都康特數(shù)字廣播電視設備公司兩臺1 kW單頻DTMB地面數(shù)字電視發(fā)射機。由于16/20頻道是模改數(shù)頻道方案，原有的濾波器、多工器、天饋系統(tǒng)可繼續(xù)使用，增加光接收機、輸入濾波器等。將數(shù)字前端激勵器送來的RF信號源，經(jīng)頻道濾波器送到單頻主發(fā)射機發(fā)射。

地面數(shù)字電視廣播激勵器包括標準規(guī)定的基帶處理及D/A、頻率合成及上變頻、射頻輸出放大和監(jiān)控系統(tǒng)等功能模塊，完成從基帶TS輸入數(shù)據(jù)碼流到規(guī)定的UHF或VHF頻段地面數(shù)字電視廣播RF信號的轉換。

樂山地區(qū)選用加拿大UBS專業(yè)DTMB數(shù)字發(fā)射機激勵器。對輸入的H.264標準的TS流信號完成信道編碼、成形濾波等功能并將其調制到中頻及16/20頻道上。

2)建成的光纖延時共源單頻網(wǎng)，主輔發(fā)射站信號的同步，需增加一定長度的延時補償光纖，以確保與各補點發(fā)射站的信號同步發(fā)射。現(xiàn)有3種補點方案可供選擇:光纖直放方案、同頻轉發(fā)方案和變頻轉發(fā)方案。將3種方案的性能作比較，如表2所示。

表2 三種方案的性能比較

規(guī)劃補點站點4個，設計發(fā)射設備為200 W寬頻發(fā)射機。發(fā)送2個頻點(16CH/20CH)，每個頻點平均發(fā)射功率為100 W。因為考慮天饋系統(tǒng)租用通信運營商鐵塔，只能采用輕型發(fā)射天線。根據(jù)補點現(xiàn)場勘測的結果，全向覆蓋才能滿足覆蓋要求，所以不選用同頻轉發(fā)方案。

由于樂山市中區(qū)茅橋、白馬及沙灣區(qū)美女峰輔站覆蓋區(qū)域屬于主輔站發(fā)射信號形成的交叉區(qū)域，機頂盒接收時受多徑干擾無法克服，影響了周邊用戶的穩(wěn)定接收。因此，組網(wǎng)時在輔站覆蓋徑5～8 km范圍內采用了變頻轉發(fā)方案，確保了用戶的穩(wěn)定接收。原理框圖如圖6所示。

圖6 輔站變頻寬帶發(fā)射系統(tǒng)框圖

3.5 終端接收

終端用戶接收采用長虹及金亞機頂盒加長虹CA卡方式，天線采用帶寬為100 Mbit/s的無源室外定向5單元接收天線(在信號較強區(qū)域也可使用室內天線)接收，具有9 dB增益。由于天線是無源方式，可有效減少雷擊損壞，但信號增益不高。如果采用8單元天線接收，雖然信號可增加2 dB增益，但由于定向性太強，天線一旦有偏動就會嚴重影響信號接收。

3.6 用戶發(fā)展與贏利模式

樂山市無線數(shù)字電視信號覆蓋區(qū)域的潛在用戶約20萬戶，市廣播電視臺負責市級整個地面數(shù)字電視系統(tǒng)的網(wǎng)絡覆蓋建設和用戶的發(fā)展及管理，為區(qū)縣提供優(yōu)質的數(shù)字電視節(jié)目源，各區(qū)、縣負責相應區(qū)域地面數(shù)字電視系統(tǒng)的網(wǎng)絡覆蓋建設和用戶的發(fā)展及管理。在市中區(qū)26鄉(xiāng)(鎮(zhèn))設置了23個用戶安裝調試及技術保障服務點，實現(xiàn)全天候技術保障服務。制定了考核管理辦法，確保了“戶戶通”目標的順利實現(xiàn)。

地面數(shù)字電視作為有線電視的補充和延伸，采用贈送用戶接收終端，市中區(qū)擬每年每戶收取120元維護服務費;區(qū)、縣擬每年每戶收取120元維護服務費，向市廣播電視臺上繳24元前端傳輸設備維護費。適當收取一定維護費有利于地面數(shù)字電視的良性運行，確保用戶看好電視，長期通、不返盲，更好構建樂山地面數(shù)字電視的公共平臺。

樂山地面數(shù)字電視系統(tǒng)對區(qū)縣采用2種模式:1)采用市前端提供公共節(jié)目信號源到區(qū)縣，由區(qū)縣加入本地節(jié)目源自行發(fā)展;2)由市廣播電視臺統(tǒng)一規(guī)劃統(tǒng)一發(fā)展。確定了地面數(shù)字電視網(wǎng)絡是有線電視網(wǎng)絡的補充，發(fā)展有線數(shù)字電視信號不能到達的廣大農(nóng)村地區(qū)用戶。

4 建設及運行中常見故障

4.1 前端常見故障

樂山地面數(shù)字電視經(jīng)過這一年多的運行，總體是很穩(wěn)定的。但由于使用的衛(wèi)星接收天線是原有的1.8 m天線，衛(wèi)星信號不是太好，使用的PBI衛(wèi)星接收機偶爾會出現(xiàn)馬賽克，而使用的國產(chǎn)衛(wèi)星接收機則沒有這種現(xiàn)象，可以看出國產(chǎn)的衛(wèi)星接收機門限值要低些。在進行前端建設中，衛(wèi)星接收天線最好使用2.4 m以上的。

在復用器配置時，國產(chǎn)的復用器最好配置好幾套復用后再逐套增加，筆者曾一次配置16套節(jié)目進行復用，結果導致國產(chǎn)的復用器死機不能恢復，最后只能返廠維修。國產(chǎn)的復用器在使用中出現(xiàn)某一路輸入端口突然損壞(表現(xiàn)為該路輸入的信號有馬賽克或無信號)，如果無備用的設備時則使用其他端口輸入，再在管理軟件中重新配置復用這幾路節(jié)目。所以，建議前端的復用加擾設備選用進口品牌。

用戶管理系統(tǒng)(SMS)和條件加擾系統(tǒng)(CAS)是比較穩(wěn)定的，在日常維護中要設置好SQL數(shù)據(jù)庫的自動備份，如果有條件可做熱備同步處理，使數(shù)據(jù)庫及服務器安全可靠。同時購買一個服務器硬盤把服務器系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫GHOST到該硬盤上，一旦服務器系統(tǒng)不能啟動時可接上該硬盤啟動應急。樂山地面數(shù)字電視服務器使用的是Windows Server 2003系統(tǒng)，運行中也出現(xiàn)過系統(tǒng)報錯死機，重啟后系統(tǒng)啟動到一半就卡住，在這種情況下可重啟服務器，在出現(xiàn)Windows Server 2003滾動條之前按F8鍵，選“最后一次正確配置”來啟動系統(tǒng)。在對各服務點的網(wǎng)絡連接VPN設置中，在服務器的VPN設置去掉DNS，使各服務點一旦連接了VPN之后就不能再訪問互聯(lián)網(wǎng)的各項服務，增強網(wǎng)絡的安全性。

4.2 傳輸

傳輸采用光纖傳輸，光發(fā)采用ACE光發(fā)，最常見的就是光纖在工地施工中被挖斷，在光纖信號中斷去排查故障時可根據(jù)光時域反射儀測出的距離直接到線路附近位置，先檢查有工程施工的地方，可減少故障排除時間。

4.3 發(fā)射站

發(fā)射站點常見故障為空調損壞或停止引起的發(fā)射機溫度過高保護，所以在平時應該每天通過短信監(jiān)控各發(fā)射站點機器狀況，如果發(fā)現(xiàn)溫度上升時及時處理。各發(fā)射站的機殼接地和高頻接地一定要做好，這樣可避免雷擊對機器的損壞。

4.4 接收終端

由于樂山地理環(huán)境特殊，大山、深丘、淺丘、平原交錯構成，導致接收時信號多徑干擾、各站交叉干擾嚴重，所以在接收終端天線安裝時要根據(jù)地形盡量避開較弱信號的干擾。如果有信號干擾時機頂盒會出現(xiàn)信號強度較強，但沒有信號質量或信號強度強但不斷的閃斷、接收中起馬賽克或機頂盒死機等現(xiàn)象。根據(jù)樂山對接收機頂盒實測，在16QAM，PN945，0.8調制模式下，凌訊 LGS －8G42 信道芯片抗多徑干擾及時延干擾能力較弱，一旦時延干擾超過60 μs就無法接收，凌訊9X系列的抗多徑干擾較為優(yōu)越，時延差在125 μs內都能接收。

5 總結

樂山市開展地面數(shù)字電視節(jié)目收視業(yè)務以來，確保了32套數(shù)字電視節(jié)目的播出，并已經(jīng)具備了1個主站，4個補點發(fā)射輔站。樂山市建設廣播電視綜合覆蓋網(wǎng)絡，實現(xiàn)全市100%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、70%以上的行政村與市、縣主干傳輸網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，按照省“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一建設、統(tǒng)一管理”的原則，在“十二五”期間建成全市地面數(shù)字電視統(tǒng)一的傳輸信號平臺，覆蓋全市7個縣(市、區(qū))和部分邊遠山區(qū);完善市級和縣級分平臺建設和發(fā)射，建立起以市、縣廣播電視傳輸統(tǒng)一網(wǎng)絡，連接中央、省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)一綜合性的廣播電視傳輸網(wǎng)絡。下一步發(fā)展農(nóng)村地面數(shù)字廣播電視用戶15萬戶，收入突破1500萬元;規(guī)劃4個電視頻道，傳輸中央、省、市、縣4級56套數(shù)字電視節(jié)目和5套數(shù)字廣播節(jié)目，基本實現(xiàn)農(nóng)村廣播村村響、電視戶戶通。