DTMB組建單頻網技術探討

谷緒華，馬曉明，趙衍清

（山東省平陰縣融媒體中心（平陰廣播電視臺），山東 濟南 250400）

0 引 言

近年來，隨著我國地面數字廣播電視技術的飛速發展，單頻網組網技術逐步取代了傳統模式的多頻網組網技術，成為當前數字電視廣播數字系統中最主流的組網技術方法，也成為應用范圍和覆蓋范圍最廣的核心組網方法。根據《山東省縣域單頻網頻率規劃方案》對于長清區、平陰縣組建跨縣單頻網這一要求，平陰縣認真落實、積極準備，經過近一年多的前期準備階段，將于2022年進入具體實施階段。在此背景下，本文對地面數字廣播電視系統中單頻網組網技術的探討和研究，具備重要理論意義和現實價值。

1 DTMB簡介

地面數字多媒體廣播（Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB）有多重副載波和單一副載波兩種模式，是我國自主研發的地面數字視頻廣播傳輸標準，主要用于規范我國地面數字電視傳輸系統中單頻網組網的組建過程，不僅有利于傳統模式下節省多頻網組網技術的頻譜資源，直接提升我國頻譜資源的利用效率，更能夠借助單頻網組網技術，降低整個地面數字系統的信號輻射，減少整個電視系統中的電磁污染，增加覆蓋強度，拓寬覆蓋范圍，進一步增強該技術實踐和應用的廣泛性[1]。

2 單頻網概述

單頻網（Single Frequency Network，SFN）是指由多個位于不同地點、處于同步狀態的發射機所組成的無線傳輸網絡。單頻網是地面數字電視和多媒體廣播系統中一種重要的組網技術，其突出的優勢是可以利用處于不同地點但卻處于同步運行狀態的發射機組成的地面數字電視的覆蓋網絡，在相同的頻率、相同的時刻發射傳送同一套節目信號，實現地面數字電視信息系統對特定服務區的完全覆蓋和數據傳遞。在此過程中，單頻網組網的發射機直接使用同一頻率對地面數字信息系統中的具體服務區參數點進行覆蓋，以此提高對無線頻譜資源的利用效率。

單頻網技術中，多個發射臺同步工作，能夠使發射臺的覆蓋效率得到提升，同時也能提升多個發射臺的工作效率，提高發射臺在同一時間接受其他位置發送數據的可靠性和科學性，使用戶能夠在單頻網覆蓋區域實現對同一頻道不同電視節目的收聽、收看。

單頻網組網技術能夠較大程度地降低整個地面數字電視網絡系統中發射機的最小發射功率，能夠應用諸多小功率發射機在多個布點條件下的組網方式，使組網后的總體發射功率遠遠大于同一臺多頻網發射機的發射功率，增加其發射效率，隨之降低了對發射機的最小發射功率要求。

單頻網組網技術能夠采取多臺發射機一體的并行工作模式，進一步擴大其覆蓋范圍，且能在多臺發射機并行工作的條件下，在覆蓋范圍內實現地面數字電視信息系統中360°的無縫銜接全覆蓋[1]。

單頻網組網技術采用統一的發射頻率，能夠使用戶在整個單頻網網絡覆蓋范圍內實現頻率的轉換，并不需要用戶變換其頻道信號數據或改變其參數，降低了對用戶端安裝接收機的要求，使接收機的信號處理難度得到進一步降低。

3 單頻網設計的基本原理

單頻網建設是一項復雜的、具有一定難度的系統工程。在設計某個地區的DTMB單頻網之前，首先要對覆蓋要求進行綜合分析，要充分考慮利用現有的網絡資源，對現有的網絡覆蓋情況、發射塔、天線等資源進行調查，避免重復投資。其次，還要對當地的地形、地貌、人口聚集情況以及經濟發展狀況等進行綜合考察，合理規劃每個發射臺站的位置、發射天線的方向以及發射機輸出功率等，從整體上平衡各個發射臺站的覆蓋區域。更重要的是，還要經過大量的現場信號測量和調試，對設計方案進行調整和優化，并保證網絡的開放性、可靠性以及可擴展性。

單頻網設計的原則是使來自不同發射機的同頻信號間的延時小于保護間隔。另外，相鄰的發射基站距離、高度、功率及天線方向等對單頻網中的同頻干擾會產生一定影響，所以在具體的單頻網設計中，需要根據覆蓋目標考察覆蓋區域的具體地形、地貌條件，合理規劃單頻網的參數配置，并根據實際測試情況進行調整、優化，才能得到滿意的覆蓋效果[2]。

4 DTMB單頻網同步原理

單頻網應用中，最關鍵的技術就是實現各個發射機發射信號的同步，因此單頻網也稱為同步網。為了抑制多徑干擾，單頻網發射機之間需要嚴格同步。目前解決這一問題的方法是在發射端通過單頻網適配器在傳輸流中插入時間同步信息。

在DTMB系統中，單頻網主要由單頻網適配器、發射機、GPS接收機、支持單頻網組網技術的調制器等諸多設備組成。其中，單頻網適配器的位置在網絡前端，是地面數字電視體系中單頻網實現同步數據傳遞和范圍覆蓋的關鍵設備，其主要功能是向復用器輸出的TS流中插入SIP數據包，形成秒幀。單頻網適配器向電視信息系統的TS碼流中插入相應的適配器SIP數據包，數據包插入時和GPS接收機的脈沖信號對接，在接收機脈沖信號上升后對整個SIP數據包對齊。SIP數據包不同字節的定義如表1所示。

表1 SIP數據包不同字節的定義

SIP數據包中，SIP頭部數據和TS流包頭數據相同，符合地面數字國標體系的相關規定，由32位組成，其中PID號碼為0x001552xxp，進一步重新定義了地面數字電視國標中的信息系統數據參數。最大延遲參數由24位數據組成，實際范圍為 0～0.299 999 99 s，實際單位為100 ns，所設置的參數值應大于整個地面數字廣播信息系統中的最大路徑延遲時間。廣播尋址參數中，尋址范圍網內的任意一個發射機實際的尋址信號由16位參數組成，全零狀態則表示該發射機為尋址結構覆蓋范圍內的所有發射機。獨立調整時延參數由24位數據信息顯示，在最大延時的基礎上通過地面數字廣播信息技術廣播地址選擇，指定發射機獨立調整時延結構的設置，使單頻網中不同發射器的發生信號能夠滿足延時關系。頻偏設置參數由24位數據編碼組成，為特定發射機添加頻偏值，實際單位為1 Hz[3]。功率控制參數由16位數據結構組成，控制地面數字電視信息系統中的發射功率。填充字節作為TS流，數據包共169個字節。在DTMB單頻網組網技術中，適配器主要是為了插入SIP結構數據包，因此，在數據結構中每隔一個大幀數據結構，在TS流結構中插入初始化完成后的SIP數據結構包，其構成必須符合TS數據流的具體標準。

5 DTMB組網方案及可行性分析

單頻網組網中，最首要的問題是網內發射機的同步問題。由于節目傳輸網絡的差異性，傳輸的TS流從單頻網適配器到各個調制器的時間可能并不相同，并且由于網絡傳輸環境的時變性，同一網絡在不同時刻的傳輸延時也會相差很多。完全意義上的單頻網發射機同步，應包含頻率同步、時間同步及工作模式同步[4]。

單頻網組網模式包括GPS接收機、單頻網適配器、頻譜分析儀器等諸多設備。在對DTMB組網方案可行性進行分析前，首先應保證不同的單頻網適配器設備所提供的頻率數據和時間數據基本吻合，與GPS接收設備相同，都處于已鎖定狀態。其次，使用的頻率計要能夠在3 min時間內測試不同的GPS接收區設備偏差，且能夠保證該偏差在誤差允許值范圍內。此外，在設計DTMB組網方案時，調制器輸出的頻率必須保持一致，所使用的頻率的射頻偏差必須小于1 Hz，實際輸出的功率大小也必須保持一致。

6 DTMB單頻網的未來和發展趨勢

隨著DTMB技術及單頻網組網技術水平的快速提升和地面數字信息系統需求的變化，地面數字電視應用進一步增加了對便攜可移動終端設備信號接收的要求，使HDTV、SDTV等諸多射頻技術的發射范圍和傳播范圍進一步擴大。另外，伴隨著智能手機、智能終端等便攜終端使用范圍的進一步拓寬，終端用戶覆蓋范圍同步擴大，將進一步提高DTMB地面數字技術對移動便攜終端的使用要求[5]。另一方面，就固定終端而言，家用型的固定終端在DTMB數字技術的使用和有線數據技術的服務內容上，呈現出互補的基本特質，不論是在城鎮還是在農村，地面數字電視和有線數字電視的結合，使電視產業實現了全覆蓋，而DTMB將隨著技術的不斷成熟，成本不斷下降，使更多家庭進一步選擇DTMB作為其固定收視終端，從而大幅提升我國地面數字技術的市場競爭力。

7 結 語

隨著寬帶無線通信和廣播電視業務的快速增長，運營商不得不面對頻率短缺的現實，因此需要使用頻譜效率更高的傳輸技術。單頻網由于高頻譜效率和易于規劃，在提高頻譜效率方面的優勢越來越被人們所重視，在很多基于DTMB的傳輸系統中都已經得到廣泛應用。

2022年，平陰縣、長清區組建跨縣單頻網將進入具體實施階段，相信通過這次跨縣DTMB單頻網的組建實施，定能進一步提升平陰縣廣播電視基本公共服務的質量和水平，大大提高平陰廣播電視臺自辦節目的覆蓋范圍，實現中央和省、市、縣廣播電視節目的無線數字化全覆蓋，使平陰縣廣播電視公共服務體系建設邁上新臺階，為持續推進平陰縣經濟社會高質量發展提供強大的精神動力和文化支撐。