5G 700Mhz對(duì)廣電DVB同軸傳輸信號(hào)干擾的研究

鐘世強(qiáng) 陳 峰 張 慧

（1.浙江廣播電視發(fā)展總公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省廣播電視監(jiān)測評(píng)議中心，浙江 杭州 310005；3.先臨三維科技股份有限公司，浙江 杭州 311200）

導(dǎo)語

5G指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，具備低時(shí)延、高速率和大容量等特征。5G 技術(shù)是全球新一輪產(chǎn)業(yè)革命和科技的關(guān)鍵性技術(shù)，為社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。之所以電信運(yùn)營商看好700MHz頻段，是因?yàn)樵擃l段頻點(diǎn)低，有良好的傳播特性，高穿透性和大覆蓋能力，將使得5G建網(wǎng)成本大大降低。目前，中國移動(dòng)和中國廣電正在大規(guī)模合力建設(shè)700 MHz的5G網(wǎng)絡(luò)。

700MHz頻段網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，用戶體驗(yàn)佳，被國際上稱為“紅利頻段”，具有重大的商業(yè)和戰(zhàn)略價(jià)值。700MHz頻段是有線電視數(shù)字信號(hào)使用的頻段，之前大量文章都集中在地面數(shù)字廣播電視DVB-T對(duì)移動(dòng)通信的干擾，目前隨著700MHz清頻工作的推進(jìn)，這個(gè)問題已經(jīng)不是主要矛盾。但移動(dòng)通信的無線信號(hào)，會(huì)不會(huì)對(duì)同軸傳輸?shù)挠芯€數(shù)字電視產(chǎn)生干擾，影響用戶正常收看呢？

工信部發(fā)文將703-743/758-798MHz（上下行各40M帶寬）用于4G和5G，基站可以使用最大40M帶寬，但手機(jī)最多只能用30M帶寬，并且這30M帶寬已經(jīng)被定死了703-733MHz，或者718-748MHz這兩段，目前廣電使用的是FDD方式，上下行各30M，上行使用703-733MHz，下行則是758-788MHz。

圖1 廣電700Mhz頻譜使用現(xiàn)狀

基于以上頻率分配，我們先做定性分析，首先5G是無線的，通常功率不會(huì)很大，而有線電視是同軸傳輸，有屏蔽層，應(yīng)該是不會(huì)受到干擾；其次目前正在清頻的DVB-T地面數(shù)字廣播電視之前也用到了700MHz頻段，并沒有對(duì)有線電視產(chǎn)生干擾；其三，5G 700MHz基站實(shí)際上已經(jīng)部署很多了，目前尚無批量用戶投訴700MHz頻段的頻道受到影響。但總有人對(duì)此不太認(rèn)可，覺得萬一呢，所以本文對(duì)此開展了研究，又做了定量分析。

1.DVB數(shù)字電視基本知識(shí)介紹

DVB的英文是Digital Video Broadcast，是數(shù)字視頻廣播的意思，基于基礎(chǔ)的通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。DVB是基于基礎(chǔ)信道的點(diǎn)對(duì)面大眾傳播技術(shù)，是公共文化服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，具有很大的傳輸帶寬，基礎(chǔ)物理信道可以是無線、同軸，也可以是光纖。我們通常把DVB理解成同軸電纜上的傳輸技術(shù)，實(shí)際上，從DVB前端機(jī)房到樓道，現(xiàn)在已經(jīng)都是采用光纖傳輸了，只是入戶的時(shí)候會(huì)采用同軸電纜。經(jīng)典的DVB技術(shù)傳輸效率是非常高的，而且在硬件實(shí)現(xiàn)上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化分工，電視機(jī)內(nèi)置的高頻頭就可以接收解碼有線電視DVB，只是因?yàn)槭召M(fèi)和個(gè)性化的原因，目前通行的方式是加裝一個(gè)機(jī)頂盒。

DVB有線電視在入戶時(shí)，通常采用阻抗為75歐姆的同軸電纜傳輸，傳輸?shù)男盘?hào)頻率 為110MHz-860MHz之間，每8MHZ為1個(gè)頻點(diǎn)，經(jīng)過調(diào)制后，有效傳輸速率為38.134Mbps。其計(jì)算過程為：使用64QAM調(diào)制時(shí)，α=0.16。頻道利用率N=log64=6，頻道物理帶寬W=8MHz，其 符 號(hào) 率D=W/（1+α）=8/1.16=6.8966Ms/s；總傳輸速率S=D×N=6.8966×6=41.379Mbps；DVB-C的信道編碼是RS（204，188）， RS的編碼效率是：188/204，所以有效傳輸速率SS=S×188/204=38.134BPS。

DVB一個(gè)頻道占用8MHz帶寬，完全是沿用PAL制習(xí)慣的結(jié)果，對(duì)于數(shù)字調(diào)制而言，如果頻道帶寬寬一些，則可以容納更多的碼率，這樣可以提高TS流中單一節(jié)目的質(zhì)量或容納更多的節(jié)目，因此即使當(dāng)初將頻道寬度設(shè)為7MHz或6MHz也沒有關(guān)系，8MHz是一個(gè)習(xí)慣。

RS碼是一種能夠糾正多個(gè)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)碼，又叫里德-所羅門碼。RS（204，188）實(shí)際載荷是188字節(jié)，開銷字節(jié)段為16字節(jié)（監(jiān)督段），加起來是204字節(jié)，糾錯(cuò)能力為8個(gè)字節(jié)，所以我們寫成RS碼為（204，188，t=8），可抗突發(fā)錯(cuò)誤為長度為8×12=96個(gè)字節(jié)（交織深度設(shè)為12）。

MPEG-2是MPEG運(yùn)動(dòng)圖像專家組織在1994年制定的視頻和音頻有損壓縮標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)在系統(tǒng)和傳輸方面都做了進(jìn)一步的完善和詳細(xì)的規(guī)定，具有比較高的圖像質(zhì)量和更多的圖像格式，以及可變傳輸碼率的圖像壓縮，傳輸速率可以在3mbps-18mbps之間，高清晰電視和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視都可以采用這個(gè)壓縮方案。目前我們通常采用1999年的MPEG-4來傳輸互聯(lián)網(wǎng)視頻，但數(shù)字電視還是采用MPEG-2來傳輸，否則整個(gè)系統(tǒng)都需要升級(jí)，成本非常高。

MPEG-2兼顧了高質(zhì)量圖像和高壓縮比，從比特率為2mbps的VHS圖像質(zhì)量到比特率為18mbps的高清電視。用戶可選擇通用MPEG-2編碼器，將頻道的電視信號(hào)壓縮為2mbps- 8mbps等數(shù)字信號(hào)。實(shí)際觀察表明，壓縮到6mbps和8mbps的圖像與未壓縮的圖像之間沒有差異，但在壓縮到4mbps的快速運(yùn)動(dòng)圖像上可以看到圖像的缺陷。因此，體育節(jié)目通常使用大于5mbps的比特率，標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視（SDTV）使用4mbps的碼率，而普通電視節(jié)目通常使用2mbps-3mbps的比特率。按照一套標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目在MPEG-2壓縮的 TS流傳輸需要4mbps的帶寬，那么一個(gè)8Mhz的模擬頻道可以傳輸9套標(biāo)清數(shù)字電視（38.1÷4=9.5），為了穩(wěn)定起見，實(shí)際上我們通常是傳輸8套標(biāo)清，或4套高清，或1套4K節(jié)目。

2.數(shù)字電視信號(hào)指標(biāo)基本知識(shí)

有線電視維護(hù)時(shí)，裝維人員習(xí)慣使用場強(qiáng)儀去測量頻道的電平強(qiáng)弱， 配發(fā)的場強(qiáng)儀的RBW帶寬一般為30萬赫茲。因?yàn)樵谀M時(shí)代，“載波電平”隨圖像內(nèi)容的變化會(huì)改變，所以場強(qiáng)儀采用“峰值保持采樣”的方法，可以測量圖像的“載波峰值電平”。到了數(shù)字電視時(shí)代，電視峰值電平概念和測量手段，與模擬時(shí)代完全不同，平均功率在數(shù)字電視時(shí)代，用于表征頻道信號(hào)的功率強(qiáng)弱，即信道功率，通過換算可表征頻道的電平強(qiáng)弱。

數(shù)字信號(hào)在載波上，實(shí)際表征是一種噪聲，對(duì)于頻譜測試設(shè)備來說，數(shù)字信號(hào)像是隨機(jī)加入的一組脈沖，只能用平均功率來標(biāo)稱信號(hào)強(qiáng)弱。數(shù)字信號(hào)的平均功率和帶寬有關(guān)，帶寬越寬，信道平均功率越高。在頻譜中觀察，只能表征信號(hào)平坦度、幅度、頻譜、頻率再生等信息，通常也說明不了調(diào)制方式是QPSK、16QAM、64QAM還是256QAM。

256QAM調(diào)制的數(shù)字頻道，其頻道內(nèi)統(tǒng)計(jì)峰值電平比平均功率高約6dB，這樣可以避免放大器失真，一旦產(chǎn)生互調(diào)干擾，會(huì)干擾其他頻道信號(hào)。峰值-平均值比，也就是統(tǒng)計(jì)峰值電平和平均功率的比值，必須對(duì)全部時(shí)間內(nèi)的功率進(jìn)行測量，以獲得統(tǒng)計(jì)峰值電平。數(shù)字頻道的峰值電平如果調(diào)整到和模擬頻道的峰值電平差不多大小的話，數(shù)字頻道（256QAM）平均功率和模擬頻道峰值電平相比，就會(huì)低大約6dB，64QAM低大約10dB。

由于RF信號(hào)的功率會(huì)不停地變化，峰值-平均值比值越低，其峰值功率要求就越高，突發(fā)的峰值電平雖然只會(huì)生成比較低的功率，但放大器必須有能力去放大這些峰值信號(hào)，才能盡量不產(chǎn)生額外的失真。通過關(guān)注RF信號(hào)的突出特性，包括相移、電抗、耗散、噪聲、輻射、反射和非線性，可以確立一致的定義基礎(chǔ)，涵蓋多種含義，不依賴于單個(gè)方面或特定數(shù)值來區(qū)分。RF信號(hào)的特性不僅會(huì)隨著頻率變化，也會(huì)隨著信號(hào)功率電平而變化。我們?cè)诿枋龌咎匦酝ǔＳ眯⌒盘?hào)S參數(shù)表示，沒有考慮非線性效應(yīng)。但是，在一般情況下，通過RF信號(hào)的功率電平持續(xù)升高通常會(huì)帶來更明顯的非線性效應(yīng)，最終導(dǎo)致其性能下降。RF固有的另一個(gè)重要特性—噪聲。噪聲是指電信號(hào)的波動(dòng)，包含許多不同方面。根據(jù)其頻譜及其影響信號(hào)的方式以及產(chǎn)生噪聲的機(jī)制，噪聲可以分為許多不同的類型和形式，存在許多不同物理特性的噪聲源，本文對(duì)噪音的影響不深入展開。

通常情況下，數(shù)字信號(hào)的峰值電平信號(hào)在進(jìn)入放大器時(shí)可能引起放大器失真，引起頻譜再生，產(chǎn)生互調(diào)干擾產(chǎn)物，干擾其它頻道的信號(hào)，造成這些峰值信號(hào)的增益壓縮。所以通常建議數(shù)字頻道平均功率電平要求大于50dbμV，但小于80dbμV，信噪比大于28dbμV，調(diào)整為比同系統(tǒng)的模擬頻道峰值電平低10dB，對(duì)于256QAM要低6dB。

3.以全向天線的模型計(jì)算功率密度

移動(dòng)通信的頻率和有線電視信號(hào)直接重疊，理論上存在同頻干擾的可能性，這些干擾分為遠(yuǎn)場和近場干擾，近場干擾來自手持設(shè)備和小型蜂窩天線，遠(yuǎn)場干擾來自手機(jī)信號(hào)塔。在實(shí)際場景中，由于手機(jī)離廣電的DVB同軸傳輸線路可以很近（＜1米），其功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手機(jī)信號(hào)塔的遠(yuǎn)場干擾，對(duì)有線電視影響比較大，所以下面以手機(jī)為主要研究對(duì)象，手機(jī)實(shí)際上就是一個(gè)小型蜂窩天線作為全向發(fā)射天線，接下來通過公式計(jì)算量化有線電視系統(tǒng)信號(hào)接收端受到5G信號(hào)干擾的程度。

4G手機(jī)的發(fā)射功率，被協(xié)議限制為最大23dBm，而5G分為FDD和TDD兩種方式，分別為23 dBm和26dBm：

5G FDD （SA模式）：最大發(fā)射功率為等級(jí)3，即23dBm；

5G TDD （SA模式）：最大發(fā)射功率為等級(jí)2，即26dBm；

目前中國廣電5G 700Mhz采用FDD模式，5G手機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度最大 23dBm ，根據(jù)公式dBm = 10 x log[ 功率/mW] ，可算出得出發(fā)射功率Pt =23dBm=0.1995 W。

我們把手機(jī)看作一個(gè)小型蜂窩天線，天線與波長比非常小，可以認(rèn)為是全向發(fā)射，那么在手機(jī)為中心的各個(gè)方向上傳播的能量是一致的。

這時(shí)候我們把輻射面看作是一個(gè)球形，球的表面積 S=4πR^2；

R是信號(hào)接收端到信號(hào)發(fā)射源的距離，當(dāng)信號(hào)接收端離信號(hào)發(fā)射源距離為1m時(shí)，R=1，S=4π（單位m2）。

設(shè)Pd是功率密度，指的是一定距離下單位面積的功率：

4.通過功率密度計(jì)算到達(dá)同軸線纜的場強(qiáng)

接著用這個(gè)功率密度來計(jì)算場強(qiáng)，這里要科普一個(gè)自由空間本征阻抗的概念。自由空間一般是所沒有損耗的填充均勻的無限大空間，電磁波在這個(gè)自由空間的傳導(dǎo)中不產(chǎn)生波的散射、反射和吸收等現(xiàn)象。為了計(jì)算方便，我們假設(shè)手機(jī)到同軸線纜是自由空間，實(shí)際上只有空氣，對(duì)電磁波輻射的計(jì)算結(jié)果幾乎沒有影響。

我們將傳輸線始端的輸入阻抗簡稱為阻抗，將信號(hào)隨時(shí)遇到的即時(shí)阻抗稱為瞬時(shí)阻抗；如果傳輸線具有恒定不變的瞬時(shí)阻抗，就稱之為傳輸線的特性阻抗。傳輸線的特性阻抗是指由于傳輸線材料自身的物理屬性引起的阻抗，它與材料有關(guān)，是一個(gè)常數(shù)。

在信號(hào)到達(dá)的某一個(gè)點(diǎn)，在傳輸線傳輸信號(hào)的過程中，參考平面和傳輸線之間會(huì)形成電場，這個(gè)電場的存在，信號(hào)是存在電壓的。這個(gè)電阻就是傳輸線的特征阻抗，也就是在信號(hào)傳輸過程中，傳輸線的每一點(diǎn)就會(huì)等效成一個(gè)電阻，例如有線電視同軸線的特征阻抗就是75Ω。

而本征阻抗是指傳輸線上任一點(diǎn)處電壓波與電流波幅值的比值，由于高頻線路中的電壓和電流是分布參數(shù)，不能測量，所以本征阻抗只是一個(gè)比值，僅有阻抗的量綱，但沒有實(shí)際物理意義。自由空間本征阻抗是一物理常數(shù)，其量綱跟電阻相同，大小等于電磁波在理想介質(zhì)中傳輸時(shí)磁場振幅和電場振幅之比，自由空間阻抗和自由空間中電磁波產(chǎn)生的電場及磁場量值有關(guān)，它是由媒質(zhì)的參數(shù)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)決定的。

自由空間本征阻抗=120πΩ=377Ω

當(dāng)信號(hào)接收端離信號(hào)發(fā)射源距離為1米時(shí)，

場強(qiáng)E2= 功率密度 Pd * 本征阻抗 = 0.0159 *377

可算出 E=2.45 （單位V/m） 。

按照國家規(guī)定，有線電視系統(tǒng)中到用戶終端設(shè)備的基礎(chǔ)電平一般在60-80 dbμV，按照目前常用的75Ω的同軸線換算，取下限60dbμV，換算后可以得到是-48.75dbm，下圖給出了換算的公式：

圖2 dbμV和dbm的換算公式

5.計(jì)算最大干擾信號(hào)強(qiáng)度

按照256 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制），理想的 SNR（Signal Noise Ratio，信噪比）為35dB，

最大干擾信號(hào)強(qiáng)度= -45.75-35db=-80.75 dbm

根據(jù) ANSI-SCTE48-1 2007 的要求，用戶端產(chǎn)品對(duì)700Mhz的屏蔽要求不得低于83.4dB。

所以環(huán)境最大干擾信號(hào)強(qiáng)度為

-80.75dbm + 83.4db= 2.65 dbm = 1.84 mw

功率密度Pd75= 0.0159*377/75=0.08 w/m2 =80mw/m2

通過最大干擾信號(hào)可以反推出，如果輻射面積大于 S=1.84/80= 0.023m2，就是230平方厘米，被近距離輻射到這么大面積，才會(huì)造成干擾。同軸電纜是很細(xì)的，輻射到這么大面積顯然不太可能，所以理論上是不會(huì)造成干擾的。

但以上是理論計(jì)算，根據(jù)調(diào)查，70%的有線電視信號(hào)屏蔽不良，尤其是從主干分支設(shè)備到用戶端。原因包括老化、外部干擾、物理創(chuàng)傷、連接器連接松動(dòng)、電纜質(zhì)量差以及無源產(chǎn)品（分支裝置或分配器）或連接器質(zhì)量差。700MHz頻段是有線電視信號(hào)泄漏最嚴(yán)重的頻段，泄漏表明密封不良，可能是同軸連接器的連接處有開口，或者電纜的屏蔽層損壞或開裂。

在沒有屏蔽的情況下，-80.75dbm = 0.00000841mw，S=0.00000841/80=1.05e-7m2，也就是0.1平方毫米，這么小的裂縫如果有信號(hào)泄漏進(jìn)去，就會(huì)導(dǎo)致干擾。

這也解釋了，在現(xiàn)實(shí)場景中，確實(shí)有發(fā)現(xiàn)手機(jī)信號(hào)會(huì)通過裂縫干擾有線電視信號(hào)，反過來泄漏的有線電視系統(tǒng)信號(hào)也會(huì)干擾手機(jī)信號(hào)，不僅是上行信號(hào)，也會(huì)干擾到手機(jī)的下行信號(hào)。

6.改進(jìn)工藝提高屏蔽效能

圖3 同軸連接器

有線電視系統(tǒng)典型的用戶端屏蔽問題是同軸連接器的連接處松動(dòng)，由于同軸電纜的使用和安裝不當(dāng)，信號(hào)泄漏將難以想象，這將不可避免地影響電視信號(hào)的接收效果和用戶體驗(yàn)。薄金屬涂層和片狀導(dǎo)體在所有頻率下都具有良好的電場屏蔽效果，然而，由于孔和裂紋的存在，實(shí)際屏蔽效果比預(yù)期差。

這些裂紋表現(xiàn)為室內(nèi)外使用時(shí)連接器螺紋鎖緊功能差造成的松動(dòng)、同軸電纜編織密度差、受時(shí)間和氣候影響的鋁箔屏蔽層損壞和孔洞、放大器和分配器后蓋密封不嚴(yán)造成的裂紋。因此，為了加強(qiáng)有線電視系統(tǒng)的屏蔽效能，除了關(guān)注連接設(shè)備自身的材料和生產(chǎn)加工質(zhì)量外，我們還需要從設(shè)計(jì)的角度對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行細(xì)化。常規(guī)電纜的屏蔽層由鋁箔和編織線層組成，因此可以考慮通過改進(jìn)編織線的密度、加工方法、材料和鋁厚度以及將鋁箔層改為銅箔層，采取適當(dāng)?shù)姆椒p少物理損傷造成的裂紋和孔洞。在處理放大器分配器后蓋和其他部件密封不良導(dǎo)致的裂紋問題時(shí)，除了使用焊絲和焊膏進(jìn)行密封外，還可以考慮在外殼內(nèi)部添加屏蔽層，以減少信號(hào)泄漏。

結(jié)語

綜上，筆者認(rèn)為5G 700Mhz對(duì)有線電視播出的干擾是較小的，完全可以通過工藝改進(jìn)來避免。但如果因?yàn)槠毡榈氖┕べ|(zhì)量問題，造成大范圍投訴，那么建議這些有線網(wǎng)絡(luò)公司直接把受干擾的700Mhz頻道 DS44-DS45， DS47遷移至 DS21-DS22、 Z-9 低頻頻道上，避免影響包括央視在內(nèi)的高清頻道直播電視的傳輸，或者把一些不重要的內(nèi)容換到這些高頻頻道來。