地面數字電視系統中的人為噪聲容差研究

張靜琦，李薰春

(1.浙江廣播電視集團 廣播電視傳輸發射中心，浙江 杭州 310008;2.國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院，北京 100866)

地面數字電視系統中的人為噪聲容差研究

張靜琦1，李薰春2

(1.浙江廣播電視集團 廣播電視傳輸發射中心，浙江 杭州 310008;2.國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院，北京 100866)

分析了我國地面電視頻譜使用情況，提出了研究人為噪聲的重要性和緊迫性，歸納了地面數字電視系統中的人為噪聲容差和最小中值等效場強的計算方法，為我國地面數字電視覆蓋網規劃計算和將來米波頻段的數字化規劃提供了技術參考。

地面數字電視系統；人為噪聲容差；天線噪聲系數

我國的地面電視廣播頻段可分為兩段：一段位于米波頻段，簡稱為VHF，共有12個頻道(DS1-DS12)；米波段某些頻道的使用受到一定制約，其中3頻道在沿海地區與其他業務共用，4頻道需要考慮對調頻業務的制約影響，5頻道已經被調頻業務使用。另一段位于分米波頻段，簡稱為UHF，共有36個廣播業務專用頻道(DS13-DS48)。在經歷了“兩級辦”、“四級辦”、各種專項工程(如西新工程、農村廣播電視節目無線覆蓋工程、中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程等)對頻率資源的反復挖掘和使用后，我國地面電視頻率資源已變得非常擁擠。模數過渡期間，由于地面數字電視業務發展及模數同播的需要，需在分米波頻段內增加地面高清晰度電視、標準清晰度電視、移動多媒體廣播和車載移動電視等數字電視頻道。模數過渡后，米波頻段的數字化規劃也是一個重要研究課題。然而，米波頻段與分米波頻段相比，受較高的人為噪聲電平影響。

人為噪聲是指各種電氣裝置中電流或電壓發生急變而形成的電磁輻射。人為噪聲的來源包括汽車點火系統、輸電線路、開關電源、微波爐和計算機等。潛在的人為噪聲源的變化也導致了各種人為的噪聲特性，如白噪聲、窄帶干擾或強脈沖噪聲。目前，幾乎所有國家的地面廣播電視系統都是基于多載波調制，它特別容易受脈沖噪聲的影響[1]。

人為噪聲容差是地面數字電視系統覆蓋規劃場強計算重要參數之一，本文對人為噪聲容差的計算方法進行研究，給出了地面數字電視系統中人為噪聲容差和最小中值等效場強計算方法，對比了人為噪聲對電視各頻段的影響，為地面數字電視覆蓋網規劃試算提供了技術參考。

1 人為噪聲容差計算方法

人為噪聲容差計算公式如下[2]

n=kT0B

(1)

Pa=n+i

(2)

(3)

(4)

Fa=10lgfa

(5)

(7)

(8)

P=pr+n+i

(9)

(10)

(11)

式中：n為熱噪聲(單位為W)；k為玻爾茲曼常數k=1.38×10-23(J/K)；T0為絕對溫度=290 K；B為接收機噪聲帶寬(單位為Hz)；i為人為噪聲功率；Pa為噪聲功率和；fa為天線噪聲因子；Fa為天線噪聲系數；fr為接收機噪聲因子；Fr為接收機的噪聲系數；P為總功率(單位為W)；Pr為接收機噪聲(單位為W)；mmn為人為噪聲因子；Pmmn為人為噪聲容差。

2 地面數字電視系統人為噪聲容差計算

建議書ITU-R P.372給出了天線噪聲系數的中值Fa,med與頻率的函數關系[3]，如圖1所示。圖1中A表示城市，B表示住宅區，C表示農村，D表示寧靜農村，E表示銀河。計算天線噪聲系數的公式為

Fa,med=c-dlgf(dB)

(12)

圖1 天線噪聲系數中值與頻率函數關系

對于不同的場景，變量c和d的值如表1所示。

表1 不同場景條件下的變量c和d取值

不同場景條件下的人為噪聲偏差范圍如表2所示。歐洲在2006—2007年對室外和室內人為噪聲進行了測試，結果見表3和表4。日本在2009—2011年的測試結果見表5。

表2 不同場景條件下的人為噪聲偏差范圍

表3 歐洲室外人為噪聲測試結果

表4 歐洲室內人為噪聲測試值

表5 日本室外人為噪聲測試結果

對于地面數字電視系統，其接收場景主要為城市、住宅區和農村3種，根據式(11)，其典型頻率的天線噪聲系數Fa,med計算結果見表6。

表6 天線噪聲系數中值Fa,med

依據《地面數字電視廣播傳輸系統實施指南(GB/T 26666—2011)》標準，對于波段Ⅰ和Ⅱ，Fr=5dB;對于波段Ⅲ、波段Ⅳ和波段Ⅴ，Fr=7 dB;代表波段Ⅰ/Ⅱ、波段Ⅲ、波段Ⅳ和波段Ⅴ的4種參考頻率分別為65 MHz、200 MHz、 500 MHz 和700 MHz。同時，根據公式12，Pmmn即可算出，結果見表7。

表7 不同場景下的人為噪聲容差Pmmn

3 地面數字電視系統最小中值等效場強計算

計算地面數字電視系統最小中值等效場強，需要綜合考慮人為噪聲容差、地點校正、高度損耗、建筑物穿透損耗等諸多因素，根據GB/T 26252《VHF/UHF頻段地面數字電視廣播頻率規劃準則》附錄A，推導最低中值計算公式為

Pn=Fr+10lg(kT0B)

(13)

Ps,min=(C/N)min+Pn

(14)

Aa(dBm2)=10lg(1.64λ2/4π)+G

(15)

φmin=Ps,min-Aa+Lf

(16)

Emin=φmin+10lg(120π)+120=

φmin+145.8

(17)

地面數字電視系統的最小中值等效場強計算公式如下

Emed=Emin+Pmmn+Cl(室外固定接收)

(18)

Emed=Emin+Pmmn+Cl+Lh(移動接收)

(19)

Emed=Emin+Pmmn+Cl+Lh+Lb(室內固定接收)

(20)

Cl=μ×σt

(21)

(22)

式中：Pn為接收機噪聲輸入功率(單位為dBW)；Fr為接收機噪聲系數(單位為dB)；Ps，min為接收機最小輸入功率(單位為dBW)；C/N為系統接收機輸入端射頻載噪比(單位為dB)；Aa為接收天線有效孔徑(dBm2)；G為接收天線相對于半波偶極子的天線增益(dBd)；λ信號波長(m)；φmin為接收地點的最小功率通量密度(dB(W/m2))；Lf為饋線損耗(dB)；Emin為接收地點的最小等效場強值(dB(μV/m))；Emed為最小中值等效場強，規劃值(dB(μV/m))；Pmmn為人為噪聲容限(單位為dB)；Lh為高度損耗(接收點在地面以上1.5 m)(單位為dB)；Lb為建筑物和車輛穿透損耗(單位為dB)；Cl為地點校正因子(單位為dB)；σt為總均方差(單位為dB)；σm為大尺度準偏差(σm=5.5 dB)；σb為建筑物穿透損耗標準差(單位為dB)；μ為分布因子，對于70%地點概率為0.52，90%地點概率為1.28，95%地點概率為1.64，99%地點概率為2.33。

4 分析與結論

假定地面數字電視系統選取工作模式為：載波數量C=3 780， 幀頭模式PN945，交織模式720，FEC編碼0.8，映射方式16QAM，系統凈荷19.251 Mbit/s。對于室外固定接收，根據GB/T 26252—2010《VHF/UHF地面數字電視廣播頻率規劃準則》，萊斯信道對應的C/N門限為15 dB。根據表7計算結果和式(18)，可以計算出不同接收場景下的室外固定接收最小中值等效場強，結果見表8。

表8 不同接收場景下的室外固定接收最小中值等效場強對比

原有的模擬電視在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的覆蓋門限分別為46 dBμV/m、48 dBμV/m、49 dBμV/m、53 dBμV/m、58 dBμV/m， 由此可見，同等功率模數同播條件下，對于農村/郊區場景下室外固定接收，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的數字覆蓋門限裕量分別為2 dB、4 dB、5 dB、5 dB、7 dB；對于住宅區場景下室外固定接收，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的數字覆蓋門限裕量分別為-3 dB、-1 dB、2 dB、5 dB、7 dB；對于城市場景下室外固定接收，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段的數字覆蓋門限裕量分別為-8 dB、-6 dB、-1 dB、5 dB、7 dB。由此可見，第Ⅰ/Ⅱ波段的地面數字電視系統最小中值等效場強由于受人為噪聲的影響，比其他電視波段(第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ波段)高得多。此外，第Ⅰ/Ⅱ波段還受到不規則電離層傳播的影響，這將導致數字電視接收系統在很短的一部分時間內突然失效。因此，國際上普遍認為第Ⅰ/Ⅱ波段不如其他電視波段更適合地面數字電視業務，需要考慮頻譜的重新分配[4]。

我國目前擁有數量眾多的米波段大小功率模擬發射機(占現有模擬電視發射機的1/3)，建議我國對米波頻段的數字化覆蓋開展相關測試研究，為將來如何有效地使用米波頻段資源提供技術依據。

[1] ZOELLNER J，ROBERT J，SLIMANI M. Analysis of the impact of man-made noise on DVB-T and DVB-T2[C]//Proc. 2012 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB).Seoul，Korea：IEEE Press，2012：1-6.

[2] ITU-R BS.2214, planning parameters for terrestrial digital sound broadcasting systems in VHF bands[S].2011.

[3] ITU-R P.372-11,radio noise[S].2013.

[4] ITU. Handbook on digital terrestrial television broadcasting in the VHF/UHF bands[S].2002.

李薰春(1977— )，高級工程師，主要研究方向為廣播電視覆蓋網規劃與設計等。

責任編輯：任健男

Research on Man-made Noise Allowance for Digital Terrestrial Television Broadcasting System

ZHANG Jingqi1, LI Xunchun2

(1.ZhejiangRadioandTelevisionGroupofBroadcastingandTelevisionTransmittingCenter,Hangzhou310008,China;2.AcademyofBroadcastingScience,SARPPFT,Beijing100866,China)

In this paper, terrestrial television spectrum usage in China is analyzed. The importance and urgency of man-made noise research are also put forward. The methods of man-made noise allowance and equivalent minimum median field strength for coverage calculations are studied. This paper provides a technical basis and reference for the coverage planning calculation and the digitization of VHF Digital Terrestrial Television Broadcasting System.

digital terrestrial television broadcasting system; allowance for man-made noise; antenna noise factor

【本文獻信息】張靜琦，李薰春.地面數字電視系統中的人為噪聲容差研究[J].電視技術,2015，39(13).

TN949

B

10.16280/j.videoe.2015.13.033

張靜琦(1982— )，女，工程師，主要研究方向為通信、計算機、廣播電視傳輸發射等；

2015-05-10