CMMB單頻網多徑模型研究

張 帥，潘長勇，李薰春

（1.清華大學 電子工程系信息科學與技術國家實驗室，北京 100084；2.國家廣電總局 廣播科學研究院，北京 100045）

2006年10月24日，國家廣電總局頒布了中國自主研發的CMMB系統標準。CMMB采用波段大功率衛星與地面同頻增補網絡相結合的技術，兩顆高功率S波段衛星覆蓋中國多數地域，將從各廣播電臺獲取的Ku波段上行信號送至移動設備。在信號不佳的地區，架設地面補點網（單頻網），同時保證衛星信號與地面增補設備轉發信號到達接收設備時同步，以確保信號質量，形成覆蓋全國的移動多媒體廣播網絡，實現天地一體[1-3]。

本文以市場上常用的商用接收機為測試終端，在實驗室中模擬兩徑和三徑信道，得到單頻網下的載噪比門限性能數據，通過非線性擬合得到信道模型，并進行相關分析，可作為指導單頻網建設的理論依據。

1 CMMB的單頻網

單頻網（Single Frequency Network，SFN）是由多個不同位置處于同步的發射機在同一時間以同一頻率發射信號，實現對服務區域的可靠覆蓋。單頻網具有低功耗、低成本、高容錯率與抗干擾能力等優勢，且在最大限度上適應在復雜多變地形上完成高質量網絡覆蓋。與此同時，單頻網的構架決定了它是一個極易受多徑效應影響的網絡，如何高效地降低多徑效應的影響是組建單頻網的主要難題。

2 單頻網測試

2.1 測試平臺

實驗室模擬測試平臺采用R＆S SFU來產生單頻網多徑信號，并輸入接收終端進行測試。

2.2 測試內容

單頻網測試內容包括2個接收終端在4種工作模式下的兩徑和三徑C/N門限數據。4種工作模式見表1。

表1 4種工作模式

2.3 測試標準

由于接收終端沒有TS碼流輸出，本文采用主觀判別法。當多徑效應明顯時，信道惡化，信息傳輸時將出現丟包，表現為肉眼可見的塊效應，即馬賽克。當丟包過多導致解碼芯片無法正常工作時，圖像畫面和聲音將出現停頓或黑屏。因此，本文在測試時采用ITU-R BT.2035報告（11/2008）《評估數字地面電視廣播系統（包括評價其覆蓋區）的指導原則和技術》中建議的主觀TOV判別法，定義播放60 s無影響觀影效果的馬賽克、停頓等現象出現的情況為成功接收，反之為失敗。

2.4 測試方案

本文測試兩徑和三徑條件下接收終端的C/N門限值，定義能保證接收終端正常播放的最低C/N值為C/N門限值，并定義能在關閉SFU的附加噪聲條件下使接收終端異常播放的最低延時為失敗點，若在SFU能提供的最大C/N值（60 dB）下接收終端仍不能正常播放也視為失敗點。

兩徑測試方案如下：

主徑場強差0 dB，延時0 μs，第二徑場強差分別為0 dB，1 dB，2 dB，3 dB，4 dB，5 dB，10 dB，15 dB，測試第二徑延時±10 μs，±30 μs，±45 μs，±55 μs，±60 μs處的C/N門限值，同時測量失敗點。

三徑測試方案如下：

主徑場強差0 dB，延時0 μs，第二徑場強差分別為3 dB，5 dB，10 dB，延時分別為20 μs，40 μs，50 μs，測試第三徑場強差為0 dB，1 dB，2 dB，3 dB，4 dB，5 dB，10 dB，15 dB，延時為±10 μs，±30 μs，±45 μs，±55 μs，±60 μs處的C/N門限值，同時測量失敗點。

3 模型研究

理論上，信道容量由香農公式給出

式中：W表示傳輸信道帶寬；SNR(f)表示傳輸信道在頻率f處的信噪比P(f)/N(f)；H(f)表示傳輸信道傳輸函數。

根據COFDM調制方式，式（1）可寫為

根據文獻[2]，對式（2）進行簡化，得到兩徑經驗公式為

三徑經驗公式為

4 公式擬合

4.1 兩徑模型

使用式（3）對兩徑測試數據進行擬合，圖1～圖4為擬合結果。

4.2 三徑模型

用式（4）對三徑測試數據進行擬合，擬合相關系數如表2所示。

圖1 佳明兩徑Mode1擬合結果

圖2 佳明兩徑Mode2擬合結果

圖3 佳明兩徑Mode3擬合結果

圖4 佳明兩徑Mode4擬合結果

表2 擬合相關系數

從上表可以看出，式（4）的擬合相關程度不高。對數據進行分析可知，C/N門限值隨延時單調增加的幅度在低碼率時不明顯，但在高碼率時就非常顯著。式（4）能在低碼率時得到好的擬合效果，但對高碼率的擬合效果并不理想。基于上述分析，對τ1與τ2的高次項進行修正，經過篩選，使用4次多項式，最終擬合公式為

修正后擬合的相關系數如表3所示，可以看出有明顯改善。圖5～圖8為佳明接收機擬合結果，佳明兩徑擬合結果如表4所示，佳明三徑擬合結果如表5所示。

表3 公式系數

圖5 佳明三徑Mode1擬合結果

圖6 佳明三徑Mode2擬合結果

圖7 佳明三徑Mode3擬合結果

圖8 佳明三徑Mode4擬合結果

表4 佳明兩徑擬合結果

表5 佳明三徑擬合結果

4.3 結果分析

對兩徑模型，式（3）能很好地描述兩徑信道特點，相關系數均在0.95以上。通過觀察有如下結論：

1）C/N門限值與延時τ呈正相關，與場強差Δ呈反相關；

2）延時對稱點的C/N門限值大致相同；

3）隨著碼率的提高，C/N門限值升高，且C/N門限值隨延時τ的變化減緩，而隨場強差Δ的變化加大。

對三徑模型，經過修正的式（5）能更好地描述三徑信道特點，相關系數基本在0.9以上，相對式（4）有顯著提高。通過觀察有如下結論：

1）C/N門限值隨延時基本呈正相關，隨場強差呈反相關，碼率增高變化趨勢明顯。

2）第二徑對C/N門限值的影響強于第三徑。第二徑場強差對C/N門限值的影響強于第二徑延時的影響。場強差越大，信道條件越差，C/N門限值變化幅度越劇烈；

3）隨著碼率的升高，C/N門限值變化的幅度越劇烈，信道條件越差。

4）調制方式不同時，信道惡化對C/N門限值的影響程度不同，QPSK下信道惡化程度弱于16QAM下的信道惡化程度。

5 總結

本文先對CMMB系統和單頻網進行介紹，然后在實驗室模擬實際信道中的兩徑和三徑模型，并測量不同模式下的載噪比門限。得到測量數據后，按照經驗公式使用專業軟件進行非線性擬合，得到不同模式下信道載噪比門限與延時和場強差的公式，相關系數基本在0.9左右。擬合得到的公式與理論分析相比有大幅簡化，可以保證一定精確度下工程計算的要求，具有一定的指導意義。

[1]GY/T 220.1—2006，移動多媒體廣播第1部分廣播信道幀結構、信道編碼和調制[S].2006.

[2]章理為，萬戈，邸娜，等.地面數字電視單頻網多徑模型研究與性能測試[J].電視技術，2011，35（20）：21-23.

[3]解偉.移動多媒體廣播（CMMB）技術與發展[J].電視技術，2008，32（4）：4-7.