淺析地面數字電視單頻網

臨沂市廣播電視臺 劉振華

單頻網技術已經成為國標地面數字電視覆蓋最為常用的組網方式，在整個行業中得到了廣泛地運用。文章結合了臨沂發射臺站實際情況對現階段國標地面數字電視單頻網進行相關分析，了解其系統重要組成部分，淺析單頻網技術在地面數字電視的應用。

目前，我國“省級或區域單頻網為主，多頻網為輔”的地面數字電視組網方式已基本實現無線數字化全覆蓋。單頻網技術在廣播電視頻譜資源規劃有限的情況下，較大的降低了電視節目覆蓋率，有效的提高了頻譜的利用效率。以我們臨沂廣播電視臺為例，臨沂發射臺站肩負著保障4套地面數字電視節目“不間斷、高質量、既經濟、又安全”播出的重任，4套數字電視包括標清13CH、標清16CH、標清23CH和臨沂本地高清25CH，其中16CH是中央單頻網地面數字電視，23CH是省單頻網地面數字電視。

1 地面數字電視單頻網簡述

1.1 地面數字電視單頻網的詮釋

地面數字電視單頻網是指在一個規定的網絡內由多臺地面數字電視發射機處于同步工作狀態但位于不同地點組成的覆蓋區域，網絡中的各子發射機為了實現對特定區域內的有效覆蓋，必須在相同的時間以相同的頻率發射相同的已調射頻信號。

1.2 單頻網的特點

單頻網技術不僅使廣播電視頻譜有效利用率得到很大的提升，而且網絡的功率效率也得到了較大的提高，另外單頻網有更加平滑的覆蓋面，各級發射站臺可以根據實際情況調整和增加覆蓋面，可對覆蓋盲區進行補點覆蓋等。同時單頻網也存在一定的缺點和不足，如不能像多頻網一樣對覆蓋區的某一部分提供相關的業務支持，組網技術所需要的設備比較多、建設成本要高出多頻網很多，網內各子發射臺站的覆蓋距離有限，容易會因超出接收機多徑信號處理范圍而受其他網絡干擾。

2 地面數字電視單頻網同步的要素

由于地面數字電視接收機具有多徑信號處理能力，接收天線能夠同時收到網內多個子發射臺站的信號，這就要求單頻網內必須全部是相同頻率和相同比特的數字電視信號；同時為使來自單頻網內其他相鄰子發射臺站的接收信號與欲接收信號之間的時延滿足接收機能夠抵抗的時延范圍，單頻網內還必須全部是相同時間的數字電視信號。這就要求單頻網中各子發射機都必須經過相同調制方式，并以相同的頻率在相同的時間進行無線發射。

2.1 時間同步

時間同步就是為使來自其他相鄰子地面數字電視發射臺站的接收信號與欲收信號之間的時延保持在一定的范圍內，涉及節目分配網絡傳輸過程中產生時延，單頻網中各子發射臺站在時域上采用校正補償，以達到信號在相同時間調制發射的目的。也就是說節目分配網絡和各子發射臺站都將引入時延補償，以保證相同的信號幀應在相同的時刻被各子發射臺站發送。

2.2 頻率同步

頻率同步是指單頻網內各子地面數字電視發射機無線發射相同頻率的載波，其載波頻率偏差允許值規定在±1Hz。這就要求各子地面數字電視發射機有很高的頻率精度和穩定度，為了達到這個要求，各子臺站發射機中的激勵器的都必須采用相同的調制頻率，以用來保證發射機調制到特定的射頻頻率輸出。我們臨沂臺站采用的方法是發射機激勵器部分采用省平臺統一規劃的時鐘參考源來驅動，用GPS接收機提供的10MHz信號作為時鐘參考源。

2.3 比特同步

比特同步是指單頻網中各子地面數字電視發射臺站在相同的時間發射相同字符，這就要求各子臺站必須使用完全相同的信道編碼、映射和幀體數據處理方式，以及完全相同的幀結構，即各子發射臺站的地面數字電視發射機的激勵器必須選擇相同的模式工作，并且嚴格遵守GB20600-2006規定，以保證信號調制過程中隨機化過程的比特同步。

3 地面數字電視單頻網系統結構

現在應用TS流分配網絡的單頻網覆蓋是最為普遍的單頻網組網方式，TS流分配網絡的設計和建設也是單頻網技術的核心內容。現就基于IP傳輸的地面數字電視單頻網系統簡單介紹一下，其結構如圖1所示。該單頻網系統主要是由單頻網適配器、TS Over IP網關、節目分配網絡、同步系統、發射系統等幾部分組成。系統流程：信源經總平臺前端的AVS+編碼器輸出的多路TS碼流復用進入單頻網適配器進行適配，形成了包含秒幀初始化包（SIP）的TS流，經TS Over IP技術輸出IP信號，再通過兩條地面傳輸鏈路將碼流分發到各子發射臺站以清流方式播出。對各子發射臺站傳輸鏈路產生的時延，同步系統計算出單頻網同步所需的時間并進行校正，并規定各子發射機以相同頻率發送相同節目信號。

圖1 基于IP傳輸的地面數字電視單頻網示意圖

3.1 單頻網適配器

地面數字電視單頻網系統的核心組成部分是單頻網適配器，最主要作用是利用GPS提供的秒脈沖1PPS信號和10MHz參考時鐘，對輸入的TS流插入秒幀初始化包（SIP)和碼率適配，為全局地面數字電視單頻網系統提供標準時間和頻率信號。其中SIP每1s插入一次，與GPS的1PPS對齊，國標的SIP插入方法是符合MPEG-2標準的，比DVB的MIP包更簡單可行。此外，為實現TS流的碼率適配，當TS碼流數據不在一個秒幀內時，采用把一個單頻網適配空包自動插入其中，其碼流速率以10MHz參考時鐘鎖定。

3.2 TS Over IP網關

目前，我國現階段已經建成的地面數字電視單頻網系統中，為了傳輸省、市、縣各級電視臺節目，滿足省內各級電視臺節目播出的迫切需求，IP網絡傳輸MPEG-2 TS流（即TS Over IP）技術越來越廣泛的應用于數字電視廣播領域。TS Over IP的重要作用是實現地面數字電視相關業務模式和傳輸協議的數據轉換，其優點組網靈活、資源占用少、兼容性強、擴容成本低。

3.3 節目分配網絡

節目分配網絡是指以總平臺為核心節點的點對多點的數字電視傳輸專用網絡，其功能是把包含SIP包的節目碼流全透明地從總平臺傳送到各子發射臺站，以供地面數字電視發射機進行無線發射。根據節目分配網絡的類型可以分為基于衛星、光纖、微波以及IP傳輸的單頻網技術方案，其中基于IP傳輸主要有“光纖+IP”和“數字微波+IP”兩種形式。以我們臨沂臺站為例，省系統網絡采用IP+PTN的傳輸架構，總平臺側移動、廣電網絡公司均以雙路由接入的方式建設，即同一時間三個方向的光纜損壞不影響播出。臨沂臺（分臺站）側以移動雙路由、廣電網絡公司單路由的接入方式建設，即同一時間兩個方向的光纜損壞不影響播出。

3.4 同步系統

為保證廣播電視節目全透明傳輸，單頻網內各子發射臺站必須采用統一的基準時間和基準頻率，這便要求網內應有一個統一的基準時鐘。目前該系統大多采用GPS參考源作為基準時鐘信號來解決各子發射臺站的同步問題，各子發射臺站將GPS的1PPS秒脈沖信號和單頻網適配器的信息，解決各子發射臺站的時間同步，絕對精度需要保持在100nS以內，這在全世界均是相同的；利用GPS的10MHz信號作為外部參考時鐘，解決各子發射臺站的頻率同步，鎖定狀態下可優于1E-11，同時1PPS秒脈沖信號與10MHz參考時鐘相互對應。

3.5 發射系統

發射系統的主要功能是通過發射機將節目分配網絡送來的碼流信號進行信道編碼、同步調制、上變頻以及功率放大，再經過濾波器和多工器送給發射天線將已調制射頻信號變成電磁波發送出去。國標地面數字電視發射機是地面數字電視單頻網發射系統的重要設備，臨沂臺單頻網16CH、23CH目前均采用的是吉兆1KW地面數字電視發射機，其本身是由主備兩激勵器共同組成，一旦某一激勵器出現了故障，就會自動切換到備激勵器播出，確保電視節目正常播出。GPS接收機是單頻網信號同步的重要保障，單頻網內各子發射臺站的地面數字電視發射機通過GPS接收機實現信號同步。此外，單頻網內各子發射臺站天線應發射或接收規定相同極化的電磁波，相鄰各子發射臺站也要滿足一定的臺站間距要求。

3.6 其他配套系統

在地面數字電視單頻網系統中，為了保障整個系統正常運行，還需要配備其他相關設備，臨沂發射臺站根據省總平臺單頻網要求安裝的松豐智能一體化UPS電源系統可全方位滿足地面數字電視單頻網系統及播出機房要求，提高發射相關設備的播出質量；北京博匯遠程監控系統通過深度SIP包分析及關鍵設備參數采集，能實時監測單頻網的運行狀態，并且可以實現單頻網內各級臺站數據的統一調配。

4 地面數字電視單頻網測試與分析

地面數字電視單頻網建成之后，必須要進行測試才能知道單頻網的覆蓋效果，然后通過分析找到單頻網建設中存在的缺陷和不足，對單頻網內各臺站進行設備調整和技術改造。

單頻網信號收測指標主要有接收信號強度指示（RSSI）、信噪比(SNR)、調制誤差比(MER)、調制精度-誤差矢量幅度(EVM)、低密度校驗碼(LDPC)誤塊率以及同步情況等。單頻網信號收測主要依靠國標地面數字電視廣播測試系統，臨沂臺站目前使用的是S7000電視信號綜合分析儀，S7000為模塊化的設計理念，包含DTMB功能模塊、碼流分析功能模塊等，視頻監測功能支持標清和高清視頻的解碼。DTMB功能模塊可以測量DTMB頻道相關參數，如功率電平、MER、BER等；S7000的嵌入式碼流分析模塊支持DVB標準和ATSC標準（擴展）的TS流分析，包括實時TS流和離線TS流文件以及后續擴展的IPTV，主要功能有：實時解碼、實時碼流錄制、頻道編輯、離線碼流解碼、TR101 290三級監測、PID瀏覽、PSSI數據捕獲、三級監測報警參數設置等。此外，S7000的地面系統頻譜分析功能可以實現對地面信號的動態監控，發現可能存在的干擾信號，利用星座圖提供的關于網絡干擾的來源與種類的線索，作為輔助工具排除故障，可以輕松的發現各種調制問題。

地面數字電視單頻網的運用最大限度地提高了頻譜的使用率，節省了大量的無線頻譜資源，解決了覆蓋盲區問題，獲得較好的覆蓋效果。本文結合臨沂發射臺站相關情況，對地面數字電視單頻網作了部分淺析，不足之處，敬請指正。