地面數(shù)字電視與廣播雙向信號(hào)的干擾研究

劉雁峰

（山西省廣播電視局，山西太原，030012）

1 地面數(shù)字電視與廣播雙向信號(hào)現(xiàn)狀

■1.1 地面數(shù)字電視信號(hào)

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)主要使用的廣播標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字電視地面廣播，其傳輸系統(tǒng)使用的是時(shí)域同步正交頻分復(fù)用單多載波調(diào)制的方式，每一個(gè)頻道上的地面數(shù)字電視帶寬包括載波信號(hào)與保護(hù)帶寬，在國(guó)內(nèi)700MHz頻段上一共分成DS–37到DS–48共12個(gè)頻道，頻率的范圍在702MHz–798MHz。在一般情況下因?yàn)橹灰紤]數(shù)字機(jī)頂盒上的信號(hào)接收問(wèn)題，所以地面數(shù)字電視信號(hào)發(fā)射機(jī)的功率一般在1kw以上，發(fā)射天線的高度在100米之上。

■1.2 廣電雙向信號(hào)

隨著廣播雙向技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播雙向信號(hào)包括廣播雙向網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和廣電5G技術(shù)，其中廣播雙向網(wǎng)絡(luò)信號(hào)指的是以4G技術(shù)為基礎(chǔ)的，采用OFDM正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)、時(shí)空編碼、干擾與信道間干擾抑制和智能天線技術(shù)，能夠最大程度提升系統(tǒng)的性能[1]。下一代廣播雙向網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和廣電5G信號(hào)，在頻率上將信號(hào)的上下行頻段分開(kāi)，然后根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義。上行信號(hào)的頻率范圍在703–748MHz之前，下行信號(hào)頻率范圍在758–803MHz之間。上下行信號(hào)采用的帶寬可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整，包括載波信號(hào)和保護(hù)帶寬。根據(jù)最新的5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)廣電700MHz 5G頻段最大可以達(dá)到2＊30/40MHz。

2 OFDM系統(tǒng)特點(diǎn)

在多載波OFDM系統(tǒng)中，信道被分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，減少了子信道之間的相互干擾。對(duì)地面數(shù)字電視信號(hào)和廣播雙向信號(hào)之間產(chǎn)生的干擾因素有很多，包括同頻干擾、互調(diào)干擾、雜散干擾和鄰道干擾等[2]。其中信號(hào)之間的同頻干擾，指的是在不同城區(qū)之間的清頻工作先后開(kāi)展時(shí)，就可能出現(xiàn)同頻使用的情況。在無(wú)線數(shù)字覆蓋工程建設(shè)時(shí)，部分區(qū)域選擇單頻網(wǎng)覆蓋模式，該組網(wǎng)模式使不同區(qū)域內(nèi)同步運(yùn)行的發(fā)射臺(tái)在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)送相同的信號(hào)來(lái)覆蓋全部信號(hào)區(qū)域，但該方式容易同時(shí)接收到多臺(tái)站傳輸?shù)男盘?hào)，進(jìn)而產(chǎn)生同頻干擾問(wèn)題。在一個(gè)OFDM 傳輸系統(tǒng)中，在第l 個(gè) OFDM 符號(hào)周期內(nèi)，假設(shè) 向量 X 表示頻域各子載波上調(diào)制的符號(hào)向量，第 k 個(gè)子信道傳送的數(shù)據(jù)為 X (k )，那么：

根據(jù)前面的描述，為了消除多徑時(shí)延擴(kuò)展帶來(lái)的符號(hào)間干擾（ISI），在S(n)之前插入長(zhǎng)度為Ng的循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，這樣即可得到長(zhǎng)度為Ns的時(shí)域OFDM符號(hào)Sg(n) ：

如果不考慮多徑衰落信道的時(shí)變特性，信道可以等效成為一個(gè)有限沖擊響應(yīng)濾波器。假設(shè)信道離散域的沖擊響應(yīng)為h(l),l = 0,2...L–1，L代表信道最大延遲對(duì)應(yīng)在離散域的采樣點(diǎn)數(shù)，則接收信號(hào)為：

這里?表示線性卷積，w(n)表示加性高斯白噪聲。假設(shè)系統(tǒng)收發(fā)端定時(shí)和采樣 嚴(yán)格同步，接收端信號(hào)在去掉CP之后經(jīng)過(guò)FFT解調(diào)，得到第l個(gè)周期的頻域OFDM符號(hào)Y (k')的表達(dá)式為：

根據(jù)地面數(shù)字電視固定接收?qǐng)鼍翱芍诺拉h(huán)境屬于萊斯信道，選擇最高碼率的載波數(shù)為1，前向糾錯(cuò)碼率為0.8，調(diào)制方式為32QAM的模式，為確保信號(hào)正常調(diào)解，就需要載噪比在17dB之上。以雙向基站20W，發(fā)射天線高度20m來(lái)計(jì)算，按照頻率是700MHz，時(shí)間概率是50%、地點(diǎn)是地面、接收高度為10m的情況來(lái)計(jì)算，廣電雙向基站對(duì)地面數(shù)字電視信號(hào)的干擾范圍在10km左右。而實(shí)際上，計(jì)算雙向基站天線下傾角，地面數(shù)字電視天線方向性等條件，單個(gè)雙向基站對(duì)地面數(shù)字電視信號(hào)的干擾范圍只有5km，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾。在廣電清頻和廣電5G建設(shè)中，應(yīng)該考慮的是在不同城區(qū)之間，地面數(shù)字電視對(duì)廣電5G上行信號(hào)產(chǎn)生的干擾以及頻率范圍。以8MHz 通帶功率為例，其信號(hào)干擾等級(jí)和對(duì)應(yīng)電平范圍如表1所示。

表1 干擾信號(hào)級(jí)別劃分

3 雙向地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字電視技術(shù)具有信道容量較大的優(yōu)勢(shì)，其次數(shù)字傳輸技術(shù)抗燃的能力較好，其采用再生方式排出噪音與失真的影響，使功率的利用率得到大大提升。此外，在采用信源編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了功率和頻譜的綜合使用率。

■3.1 雙向廣播面臨的問(wèn)題

雙向地面數(shù)字電視廣播具有地面數(shù)字電視與交互電視的優(yōu)勢(shì)，與衛(wèi)星數(shù)字和有線數(shù)字電視相比，地面廣播信道環(huán)境復(fù)雜，容易受到周圍環(huán)境的影響，對(duì)于地面廣播系統(tǒng)物理層調(diào)制與接收有很大的挑戰(zhàn)，所以必須選擇合適的調(diào)制解調(diào)技術(shù)才能解決環(huán)境帶來(lái)的影響[3]。此外，目前組網(wǎng)方式采用的是大功率和高山發(fā)射臺(tái)站的結(jié)構(gòu)，基站之間的距離很遠(yuǎn)，受到地形地勢(shì)的影響大且組網(wǎng)非常復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)中存在許多干擾信號(hào)的因素，且建筑無(wú)遮擋會(huì)產(chǎn)生許多信號(hào)盲區(qū)，而發(fā)射功率高又對(duì)發(fā)射點(diǎn)有要求，在基站之間可能存在許多覆蓋區(qū)域縫隙，導(dǎo)致這些區(qū)域無(wú)法接收到信號(hào)。為確保更好的信號(hào)傳輸質(zhì)量，有必要對(duì)雙向數(shù)字電視廣播的網(wǎng)絡(luò)特性、結(jié)構(gòu)、性能以及相互之間的影響進(jìn)行研究，并在相應(yīng)調(diào)制解調(diào)模式下來(lái)提高系統(tǒng)均衡性，使系統(tǒng)能精準(zhǔn)同步。

■3.2 無(wú)線信道和調(diào)制技術(shù)

3.2.1 無(wú)線信道

無(wú)線移動(dòng)信道比其他通信信道更為復(fù)雜，電波以空間波傳播，接收設(shè)備也不是固定不變的，所以接收設(shè)備和基站間的無(wú)線信道就具有多變性、難以控制的特點(diǎn)。信號(hào)在通過(guò)無(wú)線信道時(shí)也會(huì)受到衰落的影響，無(wú)線信道對(duì)信號(hào)的影響包括大尺度衰落、陰影衰落和多徑衰落等。因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)的移動(dòng)使得無(wú)線信道具有時(shí)變性，只有進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)才能消除這些影響。

3.2.2 調(diào)制技術(shù)

多載波OFDM系統(tǒng)中的信道分成若干個(gè)正交之信道，把高速信號(hào)轉(zhuǎn)變成并行的低速子數(shù)據(jù)流，可調(diào)制到每一個(gè)子信道上完成傳輸，降低子信道間的相互干擾。這是因?yàn)槊恳粋€(gè)子信道上的信號(hào)帶寬都比信道帶寬小，所以可以有效消除碼之間的互相干擾，每一個(gè)子信道的貸款是原來(lái)信道帶寬的一小部分，因此也可以使得信道變得均衡。OFDM系統(tǒng)使用平衡調(diào)幅，將所有載波的能量平均分配到限定頻率的帶寬內(nèi)。和傳統(tǒng)單載波傳輸相比，單載波是將某一個(gè)信道帶寬上的信號(hào)全部都調(diào)制到一個(gè)載波上傳輸，所以信號(hào)傳輸速率變大以后傳輸符號(hào)的持續(xù)時(shí)間也會(huì)變短，信道多徑效應(yīng)將在通過(guò)無(wú)線信道時(shí)變得十分顯著。而采用多載波調(diào)制技術(shù)，可以使用多個(gè)子載波來(lái)滿足正交的條件，也允許子信號(hào)之間的頻譜互相重疊，OFDM調(diào)制系統(tǒng)能提高對(duì)頻譜資源的使用率。由于無(wú)線信道環(huán)境非常復(fù)雜，對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)也提出了更高的要求。考慮到無(wú)線信道多徑效應(yīng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的接收性能產(chǎn)生影響，可進(jìn)行信道估計(jì)與均衡來(lái)解決。在當(dāng)前無(wú)線系統(tǒng)中，單載波時(shí)域均衡、單載波頻域均衡和正交頻分復(fù)用多載波技術(shù)是常見(jiàn)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其中單載波時(shí)域均衡的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)也最為成熟，單載波頻域均衡則對(duì)于對(duì)抗多徑的效果較好[4]。而OFDM則是這幾年來(lái)在無(wú)線帶寬接入中比較常見(jiàn)的熱點(diǎn)技術(shù)，對(duì)其信道估計(jì)與均衡方式進(jìn)行研究分析，可對(duì)原有OFDM系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以提高終端接收信號(hào)的準(zhǔn)確性，降低接收誤碼率。

■3.3 雙向地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐驗(yàn)證

地面廣播雙向系統(tǒng)是能有效解決廣電雙向信號(hào)和地面數(shù)字電視信號(hào)之間干擾的方案，且該系統(tǒng)的范圍較大，容納的數(shù)量較多，具備靈活選擇的參數(shù)，使得該系統(tǒng)能適應(yīng)各種復(fù)雜的傳輸環(huán)境。在進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)下行信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)等進(jìn)行規(guī)定，然后對(duì)上行信道進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使雙向系統(tǒng)可以滿足上行與下行的傳輸要求，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)能力，系統(tǒng)也可以根據(jù)當(dāng)前信道的狀況來(lái)選擇合適的參數(shù)，并進(jìn)行傳輸優(yōu)化。現(xiàn)有系統(tǒng)下行與上行信道使用的都是OFDM調(diào)制，該調(diào)制方式頻帶的利用率較高，且具有抗多徑效應(yīng)的作用，能有效調(diào)變參數(shù)配置，使得基站和用戶都能進(jìn)行優(yōu)化傳輸。新型雙向地面廣播系統(tǒng)也采用OFDM調(diào)制方式，但是上行信道使用了單載波頻域均衡的方式替代了原來(lái)的調(diào)制方式，上行下行信道使用不同的調(diào)制方案是為能減少交互終端的成本和信號(hào)之間的干擾程度[5]。從功率和接收性能的角度分析，單載波頻域均衡的方式可以代替原來(lái)OFDM方式作為上行信道調(diào)制解調(diào)方法，但是因?yàn)閱屋d波的方式具有峰均較小、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以更能減少交互終端工作量，降低發(fā)送峰值的功率，有利于減少交互終端成本，雙向廣播電視系統(tǒng)適合采用該模式。

針對(duì)地面數(shù)字電視同頻干擾的問(wèn)題，可以通過(guò)在發(fā)射端處設(shè)置延時(shí)和功率的方式，比如將附近某一個(gè)臺(tái)站的發(fā)射功率調(diào)低，以保證交疊覆蓋區(qū)域內(nèi)各個(gè)臺(tái)站信號(hào)強(qiáng)度變化差距不大，穩(wěn)定在某一個(gè)值[6]。也可以通過(guò)在接收端位置采用網(wǎng)狀天線或針對(duì)用戶端信號(hào)接收位置進(jìn)行調(diào)整，利用附近建筑物將多個(gè)或某一個(gè)同頻信號(hào)進(jìn)行有效屏蔽。或者以某個(gè)地區(qū)為例，將其主信號(hào)設(shè)置在山上的中心機(jī)房，發(fā)射功率為1000W，信號(hào)傳輸?shù)侥硞€(gè)縣的發(fā)射站機(jī)房中，該縣的發(fā)射機(jī)功率也為1000W。在實(shí)際信號(hào)傳輸中因?yàn)閭鬏斁嚯x很長(zhǎng)，地形地貌復(fù)雜，覆蓋面積大，存在多徑效應(yīng)，在場(chǎng)強(qiáng)不明顯的地方存在同頻干擾的問(wèn)題。為此進(jìn)行雙向地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用OFDM調(diào)制與單載波相結(jié)合的方式，有效調(diào)整參數(shù)配置，優(yōu)化上下行信道，通過(guò)采用不同的調(diào)制方案來(lái)減少信號(hào)傳輸時(shí)的干擾程度。同時(shí)在接收端采取方向性較強(qiáng)的網(wǎng)狀天線，使天線主瓣方向面對(duì)信號(hào)主場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域，分析場(chǎng)強(qiáng)儀輔助值和電視收看質(zhì)量來(lái)驗(yàn)證上述方案對(duì)同頻干擾的抑制作用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出了地面數(shù)字電視和廣電雙向信號(hào)之間的干擾影響，對(duì)相關(guān)干擾因素進(jìn)行了分析，并對(duì)相關(guān)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了分析介紹。本文對(duì)已有的雙向數(shù)字地面廣播系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性能分析，證明OFDM調(diào)制可提高帶寬的利用率、增強(qiáng)抗多徑的效應(yīng)。但是因?yàn)樵撜{(diào)制方式對(duì)發(fā)射設(shè)備功率與線性度的要求較大，中每次提出新型系統(tǒng)方案，該方案改變了原來(lái)上行鏈路OFDM調(diào)制方式，將其變成單載波頻域均衡方式，但下行鏈路保持原來(lái)調(diào)制方式不變，可有效降低交互終端設(shè)備的成本和信號(hào)之間的干擾，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。