數字電視廣播單頻網組網實現與關鍵技術評價

【摘要】數字電視廣播是互聯網時代傳統媒體發展的變革的主要方向，利用數字化技術從而豐富電視廣播的節目內容，同時支持個性化的定制，滿足在廣大人民群眾的實際需求。隨著數字廣播電視的不斷普及，信號網絡覆蓋范圍不斷擴大，頻譜資源利用率遭遇瓶頸，為了提供更穩定的數字信號，需要優化組網方案，提升頻譜資源利用率，推動數字廣播電視的持續發展。因此，本文對數字電視廣播單頻網組網實現與關鍵技術進行研究，試圖為之提供行之有效的可行性建議。

【關鍵詞】數字電視;單頻網;組網模式;關鍵技術

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.001

現代科學技術改變了人們的生產生活方式，同時，不斷的提升對物質生活和精神生活的追求，對其依賴程度也越來越高。在數字化時代，廣播電視作為信息傳遞的重要媒介，信息傳遞的方式和內容都產生了巨大變化，傳統模式無論是在畫面質量和節目內容方面，已經無法滿足信息化時代的發展需求，地面數字電視廣播正是基于互聯網技術和數字技術的基礎上發展起來的，與傳統模擬電視相比，節目內容更加豐富，畫面更加清晰，能夠有效提升用戶的服務體驗。現階段，我國數字電視廣播技術擁有較大的發展空間，相關數字廣播電視的技術得到了迅速普及，但是在發展過程中仍然存在一些問題，例如：頻譜資源的使用就成為影響電視廣播用戶體驗的重要因素，為了能夠有效改善頻譜資源過度緊張的問題，使用單頻網組網技術，通過同頻、同時、同比特的方式傳輸電視廣播信號，在降低干擾的同時可以提升頻譜資源的利用率，使其成為數字電視廣播組網技術的首選。

1. 單頻網組網技術發展評價

在數字化時代，人們接收信息和發送信息的頻率越來寬泛，電視廣播播放媒介也不再受限于傳統模式，更多的移動終端讓信息傳播的媒介朝著更加靈活和自由的方向發展。數字電視廣播的普及，讓人們可以不受時間和地點的限制，充分利用碎片化的時間瀏覽和觀看電視廣播節目。數字電視廣播在靈活性、個性化的用戶體驗方面有著非常明顯的優勢，作為一種全新的媒體技術，信號傳輸的全過程都實現了數字信號的發射和傳輸，極大地豐富了數字電視廣播的節目內容和使用功能，同時畫面的質量也有較大提升，由此可見，數字電視廣播技術的產生順應了時代發展的潮流。下面就對數字電視廣播單頻網組網技術的發展現狀進行詳細分析：

1.1 國外發展現狀

單頻網組網技術最早起源于西方國家，目前在國際上存在的標準包括，DVB-T（Digital Video Broadcasting Terrestrial）歐洲通用地面數字電視標準、ATSC（Advanced Television Systems Committee）美國數字電視標準以及ISDB-T日本數字電視標準。數字電視廣播單頻網組網技術最開始是與正交頻復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）相互融合的一種多載波調制方式，該方式組要是將固定頻率的信號作為一個獨立的OFDM，每個OFDM單元則是由固定數據段和導頻信號組成，由于OFDM支持獨立的載波調制方式，因此，使得單頻網組網技術在保護間隔方面有較大優勢，信號在保護間隔內不會產生相互干擾，甚至能夠有效增強信號功率，發射機在同一頻率上能夠產生大量多徑，利用有效的組網方式可以清楚處理復雜的多徑信號。

1.2 國內發展現狀

我國關于單頻網組網技術研究起步較晚，目前仍處于發展階段，對于單頻網組網技術的研究，包括PN序列幀頭的設計和保護間隔的設置方法、低密度校驗糾錯、同步可尋址多層信道幀結構、系統信息的擴頻傳輸。現行的數字電視廣播傳輸標準，包括多載波和單載波兩種模式，其中多載波模式中時域同步正交頻復用調制支持單頻網，而單載波模式可以通過信道估計和均衡算法降低多徑信號衰落問題，同樣支持單頻網組網技術。就我國目前的研究現狀來看，單頻網組網技術還處于發展階段，相關技術并不成熟，在單頻網網絡規劃、組網模式選擇、單頻網覆蓋重疊區域性能以及節目分配方面存在一些問題，這些都嚴重阻礙了單頻網組網技術的發展，因此，有必要對其關鍵技術進行深入研究，加快我國數字電視廣播的發展。

2. 數字電視廣播單頻網組網技術特點

數字電視廣播主要是將電視廣播節目信號轉化成數字信號的方式進行傳播，整個系統包括數字電視節目集成系統、地面數字電視節目傳輸系統以及發射系統三個部分，與傳統模擬電視廣播相比，可以通過節目繼承的方式優化節目傳輸內容，提升頻譜資源的利用率。單頻網作為數字電視廣播主要的組網方式，可以優化信息傳輸效率，同時正在信號覆蓋質量方面也發揮著重要作用，通過合理的網絡規劃、選擇合適的組網模式，提升覆蓋區域的信號接收效果，分配頻譜資源，讓數字電視廣播信號能夠為更穩定的傳播。

為了能夠進一步推動我國數字電視廣播的發展，需要對原有模擬傳輸系統向數字傳輸系統進行轉變，持續擴大地面無線電視廣播的網絡覆蓋范圍。與傳統模擬信號相比，數字電視廣播通過同頻率、同時間以及同比特的方式進行信號傳輸，最大限度的降低了無線信道的多徑干擾，提升電視廣播的節目質量下面就對數字電視廣播單頻網組網技術的特點進行詳細分析：

2.1 單頻組網的基本原理

單頻網組網過程中，需要確保信號發射的頻率同步、時間同步以及比特同步，因此，在組網過程中需要對這三要素進行重點部署。其中頻率同步主要是確保接收機可以接收到頻率相同的信號，為了滿足頻率同步的要求，需要將每個發射機中的振蕩器，按照統一的參考振蕩源設置相同頻率，滿足信號發射的精度。時間同步是指發射機信號與接收機之間的信號時延要能夠抵抗多徑時延的范圍內，即發射機上同一個信號在相同的時刻發送。在實際組網過程中，會存在某個特定發射機的發射時間偏差，此時可以對覆蓋區域內進行調整，確保信號時延在適當的范圍內。比特同步是指單頻網覆蓋范圍內的發射機在相同時刻發送相同頻率的信號，需要滿足每一信號幀在各個發射機中的數據逐比特相同。為了確保比特同步，需要在輸入單頻網中的各個激勵器的碼流進行調制，確保輸入的碼流分組相同，對一個信號幀調制的數據逐比特對應相同。在單頻網組網技術應用過程中，可以根據地面數字電視廣播網絡的覆蓋范圍，在滿足最大間距的情況下，利用站臺密度、間距、功率等因素組建多種單頻網傳輸模式。19EBBE15-BD39-4D6C-8397-4ECF8B1DC379

2.2 單頻網組網技術的特點

單頻網組網技術的應用，不僅可以提升數字電視廣播信號傳輸的覆蓋范圍，而且可以有效地節約頻譜資源，提升數字電視廣播頻譜資源的利用率。在單頻網組網技術中可以利用同頻直放補發的方式，解決覆蓋盲區信號接收效果較差的問題，最大限度地提升覆蓋范圍內的信號接收效果。由于數字信號在傳輸過程中可以抵抗信道帶來的多徑干擾，因此，單頻網組網技術的應用可以實現鄰頻信號傳輸，進一步節約頻譜資源。此外，單頻網技術還可以有效提升網絡的功率效率，在單頻網覆蓋范圍內，任意一個接收機可以接收來自區域內不同發射機的信號，同時也可以接收多路折射信號和反射信號，在多徑傳輸的過程中，可以通過降低某一個接收點的場強變化范圍的方式進行信號傳輸，對發射機本身的功率要求較低。由于單頻網組網技術采用全向接收天線，支持多徑傳輸，這些多徑信號可以有效解決單一信號發射點帶來的信號衰減問題，通過降低接收點周圍的場強，可以讓單頻網覆蓋區域內信號傳輸更加平滑和穩定。數字電視廣播單頻網組網技術在設計過程中，支持對原有模擬信號系統的優化和升級，通過信號編碼技術可以消除噪聲影響，提升信號傳輸的抗干擾性能，并且有效的擴大了數字電視廣播網絡覆蓋范圍，而且單頻網發射站點和同頻直放站支持靈活部署，可以滿足不同情況下單頻網的覆蓋需求。

3. 數字電視廣播單頻網組網技術設計和實現

數字電視廣播單頻網組網技術中在網絡覆蓋范圍內的所有發射點，需要同時、同步發射相同內容的射頻調制信號，整個過程中必須確保信號的時間同步、頻率同步以及比特同步。組網過程中應用到的關鍵技術，包括：單頻網網絡規劃、組網模式選擇、重疊覆蓋區域信號接收、節目分配網絡。下面就對數字電視廣播單頻網組網技術實現進行詳細分析：

3.1 單頻網網絡規劃

單頻網組網過程中，首先需要對網絡進行合理規劃，確保網絡覆蓋范圍內信號傳輸的時間同步、頻率同步以及比特同步。在規劃過程中需要根據網絡覆蓋范圍內場強大小和保護率等參數優化單頻網臺站的位置、發射天線方向，減少單頻網信號傳輸造成的干擾，提高網絡覆蓋范圍內信號傳輸的質量。單頻網系統框架如下圖1所示：

3.2 組網模式選擇

考慮到數字電視廣播單頻網組網過程中信號傳輸保護間隔的問題，需要不斷調整臺站間距，在滿足最大臺站間距的情況下，進行單頻網組網，臺站密度、間距、功率大小可以進行靈活調整。此外，還可以通過對保護間隔長度、糾錯碼碼率、符號映射等關鍵參數進行調整，形成多種單頻網組網模式，滿足各種情況下的網絡覆蓋需求，極大地推動了數字電視廣播技術的發展。

3.3 重疊覆蓋區域信號接收

重疊覆蓋區域的信號接收，一直以來都是困擾數字電視廣播信號傳輸質量的重要問題。由于數字電視廣播信號在傳輸過程中支持多徑傳輸以及抗干擾的特點，使其信號在覆蓋區域內可以進行重疊，并且在信號重疊的過程中不會產生同頻干擾。但是在實際應用過程中，單頻網覆蓋范圍內仍然存在信號接收效果不理想的區域，嚴重影響了數字電視廣播的用戶體驗。因此，需要重點考慮網絡覆蓋范圍內的信號接收問題，合理規劃接收機位置、功率大小、臺站信號時延以及接收機性能等各種因素，有效的提升數字電視廣播單頻網覆蓋范圍和信號傳輸質量。

3.4 節目分配網絡

數字電視廣播單頻網組網過程中，為了確保信號的同步發射，電視廣播信號需要從源頭進行合理分配到各個發射站點。數字電視廣播的節目信號傳輸，包括直接傳送數字格式的節目信號，發射站采用相同的數字格是分散調制射頻信號，此外，還可以將調制好的射頻信號傳送至單頻網發射站點。如果使用數字格式分配節目信號，需要在數字格式的碼流中插入單頻網控制包，從而實現同時間、同頻率、同比特傳輸。現階段，數字電視廣播單頻網組網中節目分配網絡利用光纖、數字微波等多種方式，關于單頻網的組網需求對節目分配網絡的優化和升級將是數字電視廣播技術未來發展的主要方向。

4. 數字電視廣播單頻網組網技術的應用

現階段，節目分配網絡方式包括光纖、數字微波等，如果節目分配網絡達不到單頻網組網要求，則無法實現信號頻率、時間、比特的同步，從而影響單頻網覆蓋范圍和信號傳輸的效果。使用單頻網組網模式，要求發射機信號頻率、時間、比特同步，根據最低接收場強和保護率規劃參數的情況下，提高單頻網覆蓋范圍內的信號傳輸質量，最大限度的避免信號干擾，提高網絡覆蓋范圍。

目前，現行的數字電視廣播標準的基本傳輸單元為信號幀，即數據鏈路層的協議單元，分為幀頭、數據部分以及幀尾三個部分，幀頭是提供快速同步和高效信道的PN隨機序列，該序列具有良好的自相關性，相關運算在時域內進行，可以在短時間內完成同步傳輸。幀頭序列越長，抵抗多徑傳播時延的效果越好，但是，序列長度的增加，也會降低信號傳輸的凈荷數據率。數據部分包括電視廣播節目的數據包，幀尾包含同步信息、地址信息以及其他控制信息等。數字電視廣播單頻網中信號發送端完成從輸入數據碼流到信道傳輸全過程的轉換，輸入的數據碼流經過擾碼器、向前糾錯編碼，完成比特流的映射，在進行交織形成基本的數據塊，數據塊與系統信息復用后，經過幀體數據處理，幀體與相應的幀頭復接組成信號組幀，經過基帶處理后轉換成基帶信號。數字電視廣播在信號傳輸過程中會遇到多種復雜的情況，包括不同建筑、不同地形造成的反射信號，在單頻網覆蓋范圍內，多徑信號會對發射機的信號接收效果產生較大影響，嚴重時會影響正常的信號接收。例如：從遠距離發射機傳來的信號時延大于接收機多徑時延承受范圍時，需要選擇合適長度的幀頭序列，降低單頻網內的信號干擾，對于多進制數字調制，當信道頻帶受限時，進行數字調制的方式增加信息傳輸速率，提高頻譜資源利用率。數字電視廣播單頻網需要通過節目分配網絡，將電視廣播信號傳送到發射站點。單頻網節目分配網絡包括射頻信號集中產生和分散產生兩種方式。采用集中傳輸時為了確保每個發射站點信號同頻、同步，可以使用同一個調制器來發射主站信號，通過無線傳輸的方式發送至各個站點。分散信號傳輸是目前常用的單頻網節目分配網絡形式，通過數字基帶將節目傳輸分配網傳送到各個發射站點。

5. 總結

綜上所述，在數字化時代，科學技術的不斷更新給人們的生活方式帶來了巨大的變化，信息交流變得更加密切，信息交互的方式和設備也更加智能，人們追求高質量的生活方式。在大眾媒體方面，數字電視廣播技術的應用滿足了人們對節目內容以及畫面質感的要求。在數字電視廣播發展過程中，單頻網組網技術憑借其頻譜資源利用率以及廣域的覆蓋面積成為數字電視廣播組網模式的首選。因此，本文分析了數字電視單頻網組網技術在國內外發展的現狀，了解到目前同步可尋址多層信道幀結構、系統信息的擴頻傳輸是國內關于數字電視廣播領域研究的主要方向。通過介紹單頻網組網技術的特點，闡述了單頻網技術可以有效擴大數字電視廣播網絡的覆蓋范圍，而且可以有效地節約頻譜資源，提升數字電視廣播頻譜資源的利用率。最后，總結數字電視廣播單頻網組網過程中應用到的關鍵技術，包括的單頻網網絡規劃、組網模式選擇、重疊覆蓋區域信號接收、節目分配網絡。通過科學合理的網絡規劃以及單頻網模式的選擇，提升數字信號傳輸的質量和效率，靈活高效的組網模式，可以適應不同的應用場景，有利于數字電視廣播技術的整體發展。

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作者簡介：李瑋，山東乳山人，副高級工程師，研究方向：廣播電視發射.19EBBE15-BD39-4D6C-8397-4ECF8B1DC379