DTMB接收機對單頻網覆蓋地點概率估計的影響研究

李彩偉，張曉林，張 展，李 鈾，李 辰，于志堅

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院 國家數字電視工程重點實驗室，北京 100191；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

DTMB接收機對單頻網覆蓋地點概率估計的影響研究

李彩偉1，張曉林1，張 展1，李 鈾1，李 辰1，于志堅2

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院 國家數字電視工程重點實驗室，北京 100191；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

提出一種DTMB接收機抗單頻網回波干擾性能實驗室測試方法。首先，測量系統工作模式下的射頻保護率PR、0 dB回波最大延時dmax以及延時超過dmax時回波幅度最小衰減量Dmin，然后根據射頻保護率PR定義計算出延時超過dmax時有用信號功率所占回波總功率的百分比。并基于理論六邊形單頻網模型研究了固定接收和移動接收下DTMB接收機抗單頻網回波干擾性能在不同FFT窗口同步方法下對單頻網覆蓋地點概率估計的影響，仿真結果表明接收機特性對單頻網覆蓋率有重要影響。

DTMB；單頻網；網絡規劃；地點概率

University,Beijing100191,China;2.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100094,China)

在單頻網中，接收機同時接收來自SFN中不同發射機的多個信號，當接收信號達到時間相對于FFT窗口同步時間的時延大于保護間隔GI時，將產生同頻干擾，干擾功率占接收功率的百分比取決于接收機抗SFN回波干擾性能，因此，在地面數字電視單頻網規劃中，接收機抗單頻網回波干擾性能是SFN覆蓋地點概率估計的一個重要的方面。文獻[1]和[2]中給出了DAB-T、DVB-T以及DVB-T2接收機理論干擾模型，這些干擾模型都是在假設理想的信道估計和均衡下的推導式，在我國地面數字電視相關規劃標準中沒有給出DTMB接收機干擾模型[3-4]，本文基于國家數字電視工程重點實驗室測試平臺通過DTMB單頻網實驗室測試研究DTMB接收機抗單頻網回波干擾性能。另一方面，接收機FFT窗口同步方法決定了單頻網中各發射機在接收地點處的時延差，文獻[5]基于理論六邊形模型研究了DTMB單頻網頻率分配規劃方法，本文基于理論六邊形模型研究了不同FFT窗口同步方法對SFN覆蓋率的影響。

1 DTMB接收機抗單頻網回波干擾性能測試

1.1 系統測試框圖

對于地面數字電視系統而言，目前國際上衡量系統可靠性可以采用兩種評價方法：主觀評價方法和客觀評價方法[6]。本文采用客觀評價方法：在1 min之內，統計總的誤碼率高于3×10-6，即為接收失敗，反之則為正常接收。系統測試框圖如圖1所示。測試設備如表1所示。測試變量為系統工作模式下的射頻保護率PR、0 dB回波最大延時dmax以及延時超過dmax時回波幅度最小衰減量為Dmin。

圖1 系統測試框圖

表1 測試儀器列表

1.2 測試方法

設備連接如圖1a所示，射頻保護率PR測試步驟為：

1) 將數字電視調制器2輸出信號設置在與被測數字電視傳輸系統相同的頻道。

2) 將數字電視調制器2的衰減器衰減值設定為最大，調整被測調制器的衰減器衰減值，使頻譜儀上測得數字電視傳輸信號功率為-60 dBm，記為信號功率C。

3) 減小數字電視調制器2的衰減器衰減值直至接收失敗。

4) 以0.1 dB為步進增加數字電視調制器2的衰減器衰減值，直到系統傳輸優于失敗判據，記錄此時的誤比特率BER。

5) 將被測調制器的衰減器衰減值設定為最大，使用頻譜儀測量此時數字電視調制器2信號在其所在頻道內的功率，記為功率I。

6) 計算C/I，記錄為同頻數字干擾數字信號的C/I門限。

設備連接如圖1b所示，0 dB回波最大延時dmax以及延時超過dmax時回波幅度最小衰減量Dmin測試步驟為：

1) 將多徑信道仿真器的信道模型設置為2徑模型，回波衰減為0 dB，回波時延為1 μs，調整傳輸信號衰減器的衰減量，使頻譜儀上測量信號功率為-53 dBm。

2) 調整多徑仿真器的信道模型，回波衰減保持原值，增大回波延時直到接收機不能正常接收。

3) 以1 μs為步進逐步減小多徑時延的長度，直至系統傳輸優于失敗判據，記錄此時的BER；記錄此時的回波時延，作為0 dB回波最大時延dmax。

4) 將多徑信道仿真器的信道模型設置為單徑模型，調整傳輸信號衰減器的衰減量，使頻譜儀上測量信號功率為-53 dBm。

5) 將多徑信道仿真器的信道模型設置為兩徑模型，設置回波時延大于最大0 dB回波延時dmax，以0.1 dB為步進，逐步增加回波衰減直至系統傳輸優于失敗判據，記錄此時的BER。

6) 記錄此時的回波衰減值，作為延時超過dmax時回波幅度最小衰減量為Dmin。

設主徑信號的功率為P，當回波延時Δτ大于dmax時，回波的有用信號功率占總功率的百分比為w(Δτ)，由保護率PR的定義可得

(1)

因此得

(2)

部分工作模式下的抗回波性能測試結果如圖2所示。

由圖2可見，DTMB接收機抗0 dB回波的最大延時dmax近似于保護間隔GI，當回波延時Δτ大于dmax時，有用信號功率占總功率的百分比不足10%，隨著延時的逐漸增大，該信號功率全部變為干擾功率。

2 DTMB接收機對單頻網覆蓋地點概率估計的影響

除接收機抗SFN回波干擾性能外，接收機FFT窗口同步方法也是單頻網規劃中考慮的重要因素。本節基于理論六邊形SFN模型研究了式(3)和式(4)所表示的DTMB接收機抗回波干擾模型在不同FFT窗口同步方法下對SFN覆蓋地點概率估計的影響,即

(3)

(4)

圖2 DTMB接收機抗SFN回波干擾性能模型

當Δτ大于GI時，式(3)將信號功率全部視為干擾功率，式(4)將有用功率占總功率的百分比視為10%。

2.1 理論六邊形單頻網模型

眾所周知，我國南海海域遼闊，島嶼眾多。但是，目前修建有可供大型飛機起降的機場的海島不過寥寥數個。更讓人頭疼的是，大多數島嶼還并不具備修建機場的條件。一旦遇到特殊情況，如何將人員、物資、裝備等快速投送到事發地，一直困擾著我們。

如圖3所示，理論六邊形SFN由位于六邊形中心和頂點的7個發射機組成，所有的發射機使用相同有效天線高度以及有效輻射功率，發射機之間的距離為ISD(Inter Site Distance)，服務區半徑為D。根據規劃策略和規劃目的的不同，服務區域可以是由外圍6個發射機組成的六邊形區域，稱為封閉單頻網(Closed SFN)，也可以是邊長比ISD大15%的六邊形區域，這種網絡稱為開放單頻網(Open SFN)。在封閉單頻網中，中心發射機使用全向天線，外圍發射機使用指向覆蓋區域內的定向天線以減少對外部的干擾。在開放單頻網中，所有發射機使用全向天線。本文中使用開放單頻網模型。

圖3 理論六邊形SFN模型

2.2 仿真場景和參數

DTMB主要用于固定接收和移動接收，各規劃場景下的參考網絡和參考規劃配置參數如表2所示[3-4]。

表2 參考網絡和參考規劃配置參數

在單頻網中，產生覆蓋盲區的原因主要有兩個，第一個為接收機的本地噪聲，第二個為單頻網自干擾。為分析一些覆蓋預算算法在存在自干擾下對覆蓋效果的影響，發射機的有效輻射功率為不存在自干擾情況下使整個服務區滿足接收模式覆蓋要求的最小輻射功率(固定接收下覆蓋地點概率為95%，移動接收下覆蓋地點概率為99%)。

2.3 覆蓋地點概率計算方法

在SFN中，接收機同時接收到來自不同發射機的多個信號，文獻[1]中給出了5種不同發射機FFT窗口同步方法，本文中使用兩種FFT同步方法，分別為某門限以上最先到達信號(TL)和最強場強信號(SS)。假設SFN中第i個發射機在接收地點處的場強為Pi，傳播時間為ti，FFT窗口同步時間為to，則第i個發射機相對于to的延時差為Δτi=ti-t0，根據接收機抗SFN回波干擾模型，第i個信號在接收地點處產生的有用信號功率Ui和干擾信號功率Ii為

(5)

因為Pi為對數正態分布變量，Ui和Ii也可以視為對數正態變量，其對數的均值和標準方差分別為

(6)

(7)

接收地點處的有用信號功率U和干擾信號功率I是SFN中各個發射機在接收地點處產生的各有用信號功率分量Ui和各干擾信號功率分量Ii的合成，即

(8)

U和I是對數正態變量的和，可以近似為對數正態變量[9]，在對數正態信號合成方法中，t-LNM算法準確率較高，本文使用t-LNM進行信號合成[10]。

接收地點的覆蓋質量取決于接收地點處的載噪干比CINR，用γ表示，定義為

(9)

式中：N0為接收機本底噪聲。

覆蓋小區的覆蓋地點概率定義為CINR大于PR的概率，

Pc=P{γ>PR}=P{γdB>(PR)dB}

(10)

忽略陰影衰落以及自干擾引起的相關性，假設U、I獨立，則U/I對數正態分布的均值mU/I和方差σU/I分別為

(11)

因為N0和I相互獨立，則有

(12)

式中：Q(·)為標準正態分布的互補累積分布函數，表示為

(13)

2.4 仿真結果

固定接收和移動接收下不同的接收機FFT窗口同步方法對SFN覆蓋率的影響分別如圖4和圖5所示。同時也給出了不同的接收抗回波干擾性能對SFN覆蓋率的影響。為了使對比更鮮明，表3給出了各覆蓋地點概率區間內接收地點的百分比。

由圖4和圖5可以看出，接收機FFT窗口同步算法對單頻網覆蓋率有很大影響，在固定接收和移動接收下，TL同步算法具有比SS同步算法較高的覆蓋率。同步算法決定了各發射機在接收地點的延時差，TL同步算法將FFT窗口末端與門限(低于最強場強6 dB)以上最先到達信號的第N個符號的末端對齊，SS同步算法將FFT窗口的中心位置同步到第N個符號的中心，在該理論單頻網模型中最先到達信號具有最強場強，因此相對于TL而言，SS的FFT窗口同步時間提前GI/2，各回波延時增大GI/2，因此干擾較大，覆蓋率較低。當接收機處理時延大于GI的回波性能稍有提高，覆蓋率將有所提高。

圖4 固定接收下覆蓋地點概率分布圖

圖5 移動接收下覆蓋地點概率分布圖

表3 固定接收和移動接收下各覆蓋地點概率區間內接收地點的百分比 %

3 小結

本文通過DTMB單頻網實驗室測試研究了DTMB接收機抗單頻網回波干擾性能，并基于理論六邊形單頻網模型研究了該性能在不同FFT窗口同步方法下對SFN覆蓋地點概率的影響，仿真結果表明在固定接收和移動接收下TL同步算法具有比SS同步算法較高的覆蓋率，但是本文研究基于均勻地形，SFN中沒有前回波，SS同步算法在移動接收信道下的可用性有待進一步研究。接收機處理長時延回波性能的提高將進一步提高SFN覆蓋率。

[1] HEMINGWAY D，BRUGGER R. OFDM receivers-Impact on coverage of inter-symbol interference and FFT window positioning[R]. [S.l.]：EBU，2003.

[2] EBU. Tech. 3348 frequency and network planning aspects of DVB-T2[R]. Geneva：[s.n.]，2012.

[3] GB/T 26666—2011,地面數字電視廣播傳輸系統實施指南[S].2011.

[4] GB/T 26252—2010,VHF/UHF頻段地面數字電視廣播頻率規劃準則[S].2010.

[5] 岳巧麗，何劍輝，門愛東.DTMB單頻網頻率分配規劃方法研究[J].廣播與電視技術，2010(9)：34-38.

[6] 張曉林.數字電視設計原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

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[10] EBU. Tech report 24-planning and implementation for T-DAB and DVB-T[R]. Geneva：[s.n.]，2013.

張曉林(1951— )，博士生導師，主研方向為地面數字電視標準與系統、集成電路、飛行器遙控遙測、衛星導航系統；

張 展(1981— )，博士后，主研地面數字電視傳輸系統研制、集成電路SoC設計、航空電子系統與飛行器測控通信；

李 鈾(1981— )，博士后，主研OFDM通信系統峰均比抑制及功放線性化、地面數字電視傳輸系統測試方法；

李 辰(1983— )，博士生，主研地面數字電視接收機設計與實現；

于志堅(1960— )，博士生導師，主研方向為航天測控系統工程、通信、信息系統。

責任編輯：許 盈

Research on Impact of DTMB Receiver Characteristics on SFN Coverage Location Probability

LI Caiwei1, ZHANG Xiaolin1, ZHANG Zhan1, LI You1, LI Chen1, YU Zhijian2

(1.KeyLaboratoryonStateDigitalTelevisionEngineering,SchoolofElectronicandInformationEngineering,Beihang

A method based on laboratory SFN simulation tests for DTMB receiver performance measurement with SFN echo is proposed. Firstly, protection ratio (PR), the maximum delaydmaxfor 0 dB echo and the minimum amplitude attenuationDminfor echo with delay larger thandmaxare measured for a given transmission mode. Secondly, the ratio between the useful contribution and the total power is calculated according to the formula ofPRdefinition. The effects of DTMB receiver characteristics, including the interfering model and FFT window synchronization methods, on coverage location probability are studied based on the theoretical hexagon model for mobile and fixed reception. The results show that the receiver characteristics have a relevant impact on the final coverage percents within the service area.

DTMB; SFN; network planning; location probability

【本文獻信息】李彩偉，張曉林，張展,等.DTMB接收機對單頻網覆蓋地點概率估計的影響研究[J].電視技術,2015，39(11).

北京市重點學科基金項目(XK100070525)

TN949.197

A

10.16280/j.videoe.2015.11.020

李彩偉(1984— )，女，博士生，主研地面數字電視單頻網網絡規劃及測試技術；

2014-12-26