【精品】复杂地形条件下地面数字电视单频网重叠覆盖区接收性能研究

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本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2017年第11期。

作者：郭嘉1，尹学功1，李雷雷2，冯景锋2（云南省新闻出版广电局）1（国家新闻出版广电总局广播电视规划院）2

【摘 要】

地面数字电视广播单频网重叠覆盖区接收性能研究是单频网覆盖优化技术的重要基础和依据，对于单频网的应用和推广具有重要而现实的意义。本文对单频网重叠覆盖区接收性能进行理论分析、数学建模和覆盖仿真，通过调整发射系统的时延、功率等参数，减小重叠覆盖区长时延、强多径信号的影响，从而改善单频网重叠覆盖区的接收性能，并提出单频网重叠覆盖区接收性能调整和优化的基本方法。

【关键词】

地面数字电视广播，单频网，重叠覆盖区，接收性能

0 引言

我国广播影视已进入更多依靠科技推动发展的新阶段，特别是数字技术、网络技术的快速发展给广播影视带来自诞生以来最大的一次技术变革，推动着广播影视系统的技术转型和升级换代。单频网是在地面电视广播数字化、网络化的基础上发展起来的，具有节省频率资源、功率效率高、覆盖效果好、便于移动接收的特点。对于单频网有关网络规划、组网系统模式、重叠覆盖区接收性能与覆盖优化、以及节目传输分配网络等关键技术的研究，已成为推动地面数字电视应用和发展的重要议题，受到国内外广播电视业界的广泛关注。

按照《地面数字电视广播覆盖网发展规划》相关要求，我国将于2020年底全面完善地面数字电视广播覆盖网，全面关闭地面模拟电视信号，完成地面电视向数字化过渡。特别是2014年底以来，随着中央广播电视节目无线数字化覆盖工程的快速推进，基于卫星传输的地面数字电视广播单频网做为主要的覆盖组网模式，在全国大范围地部署和推广。在这样的背景下，对于复杂地形条件下单频网重叠覆盖区接收性能的研究，特别是复杂地形条件下长时延、强多径信号对重叠覆盖区接收性能的影响，直接决定了单频网的覆盖质量和建设水平。

1 单频网重叠覆盖区接收信号建模与仿真

1.1 单频网重叠覆盖区的定义

位于单频网有效覆盖区内的接收设备通常都可以接收到多个发射台站以相同的频率、在相同的时刻发送的相同射频已调信号。广义的单频网重叠覆盖区是指地面数字电视单频网中各个发射台有效覆盖区的重叠区域。

当主发射台与副发射台处于同步工作状态，重叠覆盖区内的多径信号处于抗多径时延范围内，在单频网重叠覆盖区不会产生同频干扰。当上述发射台处于失步状态，在单频网重叠覆盖区内就会产生同频干扰。当有用信号与干扰信号的功率之差大于射频保护率时，接收机仍然可以正常接收。反之，当有用信号与干扰信号的功率之差小于射频保护率时，接收机就无法正常接收。狭义的单频网重叠覆盖区是指单频网失步时有用信号与干扰信号的功率之差小于射频保护率的区域，位于该区域的接收机将无法正常接收。本文以狭义的单频网重叠覆盖区作为研究对象。

1.2 单频网重叠覆盖区接收信号建模

对于多载波系统而言，保护间隔的长度决定了系统所能处理的多径信号的最大延迟时间，限定了单频网发射设备的最大组网距离。保护间隔增加，单频网的最大延迟时间增加，最大组网距离也增加，处理多径的能力就越强，但是系统的传输效率也随之降低。换言之，单频网抗多径能力的提高是以降低传输效率为代价换取的。

如图1所示，主发射台与副发射台之间的距离满足单频网最大组网距离的要求，并设主发射台的数字平均输出功率为P1，副发射台的数字平均输出功率为P2，P1和P2的单位为kW， xy坐标系的单位为km。

如图1所示，由于主发射台和副发射台之间的距离满足单频网最大组网距离的要求，接收端传输路径的距离差引起的时延扩展总是小于保护间隔，各个发射台之间的信号不会出现同频干扰。单频网重叠覆盖区性能仿真分析主要从单频网的设台距离，信道冲击响应，发射时延和信号传播损耗等方面进行建模。

1. 设台距离

《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》（GB 20600-2006）标准中规定了PN945、PN595 和PN420三种不同格式的帧头模式。其中，PN945的单频网最大延迟时间为125μs，最大组网距离为37.5km；PN595的单频网最大延迟时间为78.7μs，最大组网距离为23.6km ；PN420 的单频网最大延迟时间为55.6μs，最大组网距离为16.7km。按照《地面数字电视广播单频网技术要求》（GB/T28433-2012），本文的建模和仿真都是基于上述三种帧头模式，即单频网的最大设台距离小于或等于单频网对应帧头模式规定的最大组网距离。

2. 信道冲击响应

从时域的角度分析，信号由于传播路径的不同导致到达接收端的时间不同。如果发射端发送一个脉冲信号，则接收端信号中不仅接收该脉冲信号，同时还接收该信号的时延信号。假设主发射台和副发射台到达接收端的信道冲击响应相同，可表示为：

am为第m条多径的信号幅度，τm为第m条多径的信号时延，M为到达接收端的多径数。

3. 附加时延和路径时延

设副发射台相对于主发射台的附加时延为Tadd，路径时延为Tpath。路径时延与接收端所在的位置有关，由主发射台和副发射台之间传播路径的距离差引起，由（11）式可知：

相对于主发射台，副发射台到达接收端的时延Tr 副可表示为：

4. 接收端的总功率

以无线电波的自由空间传播模型为参考，可知接收端信号功率与发射功率成正比，与电波传播距离的平方成反比，即：

其中，Pr为接收端的接收功率，P为发射端数字平均输出功率，S为接收端到发射端的距离。

因为主发射台与副发射台之间的距离小于单频网最大组网距离，所以接收终端收到的并非同频干扰，来自两个发射台的信号在接收端形成空间分集接收效果，都具有建设性。由于Pr1和Pr2的大小仅与功率衰减因子1 和2 有关，并且接收功率是相互独立的标量。因此Pr1和Pr2的合成可采用非随机变量的功率合成法，所以接收端总的接收功率是来自两个发射台的功率做标量相加。接收端接收到主发射台和副发射台的功率可分别表示为：

将Pr1 做为归一化因子，且无线电波在自由空间传播，可令1= 2，则Pr2 可表示为：

接收端接收到主发射台的信号为：

由（1）式知， m 为第m 条多径的信号幅度，τm为第m条多径的信号时延，M为到达接收端的多径数。 接收端接

收到副发射站的信号为：

为便于建模分析，简化计算，令信号时延都是码元周期的整数倍，即令t = n·T，τm= km·T，Tadd= kadd·T，Tpath= kpath·T。单频网要求网内发射设备在相同的时间以相同的频率发射相同的射频已调信号，但是从接收端的角度分析，其接收到的各个发射台站的信号是相互独立的。在满足单频网有关保护间隔的前提下，接收端接收到的信号并非同频干扰，而是具有建设性的信号，即接收端的总功率Pr可表示为：

2 单频网重叠覆盖区性能仿真系统

2006年以来，德国LS公司研发的基于地理信息系统（GIS）的无线电频率规划和覆盖仿真系统（以下简称：LS 系统）被国家工业和信息化部无线电管理局、国家新闻出版广电总局等部门广泛运用于全国VHF/UHF 频段的无线电频率规划和管理，以及国际无线电频率协调工作，该软件具有强大的覆盖仿真、干扰分析和频率规划功能。

相对于Matlab等软件而言，以LS系统为代表的基于GIS的无线电频率规划和覆盖仿真软件能够快速地建立单频网系统，便捷地调整系统参数，较好地满足单频网对台站数据管理、覆盖网规划、场强计算、覆盖分析、干扰分析和频率指配的需求，客观、真实地仿真复杂地形条件下无线电传播覆盖情况，显示干扰分析和覆盖效果。不足之处在于该系统无法提供无线电传播过程中的信噪比、载噪比和调制误差率等指标。

在工程实践中，无论用哪一种传播模型来完成无线电波的规划和场强预测，都是基于理论和测试结果统计的近似计算。在城镇化快速发展的背景下，城市密集建筑物的反射、绕射和阻挡，都给电波传播模型的选取和校正带来了很大的困难。在昆明、文山单频网应用示范网项目规划和建设中，通过对覆盖地区电波模型的实测和选型，并结合不同的信号覆盖区域的地形特点，在昆明北部、文山地区选用了适合山区地形条件的ITU-R P.526模型，在昆明市主城区等大中型城市则选用了适合建筑物密集地区覆盖预测的Okumura-Hata模型。

3 单频网重叠覆盖区接收性能仿真分析

以信号覆盖昆明市主城区的昆明市太华山广播电视发射台（以下简称：太华山发射台）和云南广播电视台昙华寺发射站（以下简称：昙华寺发射站）组建的地面数字电视广播单频网为例。

太华山发射台和昙华寺发射站的直线距离约为14.8km，由（2）式知，昙华寺发射站的最大路径时延Tpath约为49.3μs。相对于PN595 和PN945，太华山发射台和昙华寺发射站的地形分布更接近于PN420 帧头模式的要求。采用PN420帧头模式，设置太华山发射台的数字平均输出功率为2kW，昙华寺发射站的数字平均输出功率为1kW。相对于太华山发射台，昙华寺发射站的附加时延Tadd 为0μs。上述发射转播台站的发射参数相同，即发射频道为DS-24，天馈增益为8dB，天线下倾角为2°，发射天线采用垂直极化偶极子全向天线。

利用LS系统，仿真单频网信号场强分布和干扰情况如图2和图3所示。在昙华寺发射站的附加时延为0μs时，上述发射台组成的单频网，满足PN420帧头模式单频网最大延迟时间为55.6μs，最大组网距离为16.7km的要求。由于三角形的两边之差总是小于第三边，在昆明市主城区的任意接收点的路径时延差Tpath总是小于49.3μs，因此未出现单频网重叠覆盖区，覆盖区内未出现信号干扰。

单频网内的同频干扰一般分为2 类：失步干扰和超距干扰。当单频网内的各发射台站组网失败，各激励器的信号无法同步，并且重叠覆盖区内不同发射台站信号电平差小于该工作模式下的同频保护率时，将会导致失步干扰而接收机将无法正常接收。当单频网部分重叠覆盖区内来自不同发射台站信号的路径时延差大于55.6μs（PN420 帧头模式），从而导致接收机将另一台发射机的信号认定为同频干扰信号，并且重叠覆盖区内不同发射台站信号电平差小于该工作模式下的同频保护率时，将会导致超距干扰而接收机将无法正常接收。在这样的情况下，即使单频网中各发射台保持同步工作状态，也无法消除单频网重叠覆盖区内的超距干扰。本文对单频网重叠覆盖区接收性能的分析是基于昆明市主城区无线电波复杂多径传播环境下的仿真，主要研究单频网中时延、功率等核心技术参数的调整，对于单频网内超距干扰的影响。

3.1 单频网时延调整干扰分析

上述发射台站的数字平均输出功率、发射参数保持不变，将昙华寺发射站的附加时延Tadd分别设置为80μs、40μs 和20μs时，利用LS系统仿真的单频网重叠覆盖区干扰情况。图4、图5和图6中绿色部分为正常接收区域，红色部分为单频网的重叠覆盖区内接收机无法正常接收的区域。

从图4、图5 和图6可知，在发射功率和参数不变的情况下，将昙华寺发射站的附加时延Tadd由80μs、40μs，逐渐减小为20μs，单频网重叠覆盖区的面积明显缩小，说明当信道存在强多径，并且多径信号的时延较大时，通过调整时延，使得信道冲激响应的强多径之间的时延变小，可以有效地改善单频网重叠覆盖区的接收性能，压缩重叠覆盖区的面积，优化单频网的覆盖效果。

3.2 单频网发射功率调整干扰分析

上述发射转播台站的发射参数保持不变，太华山发射台的数字平均输出功率为2kW、昙华寺发射站的附加时延Tadd为20μs，将昙华寺发射站的数字平均输出功率P昙华寺分别设置为1.4kW、1kW 和0.6kW 时，利用LS 系统仿真的单频网重叠覆盖区干扰情况。

从图7、图8 和图9 可知，在太华山发射台发射功率，太华山发射台、昙华寺发射站发射参数不变的情况下，并且昙华寺发射站的附加时延Tadd为20μs时，将昙华寺发射站的数字平均输出功率P昙华寺由1.4kW、1kW，逐渐降低为0.6kW时，单频网重叠覆盖区的面积明显缩小，说明当信道存在强多径信号，并且强多径信号的时延较长时，通过调整发射功率，降低多径信号的强度，可以有效地改善单频网重叠覆盖区的接收性能，压缩重叠覆盖区的面积，优化单频网的覆盖效果。但是降低发射功率的同时，也会降低单频网接收端的空间分集接收效果，接收功率和网络的覆盖面积都会随之减小。

4 单频网重叠覆盖区接收性能优化方案

由于地面数字电视广播业务主要规划在UHF频段，载波频率较高，信号传播的光学特性明显，接收到的信号以直射波、反射波及其合成波为主，是典型的视距内覆盖。从时域的角度分析，太华山发射台和昙华寺发射站的信号通过不同的传播路径到达接收端，传播路径不同导致信号到达接收端的时间不同，引起多径效应。多径效应在接收端会导致所谓的时延扩展，从而引起频率选择性衰落和码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。

当信道第i 径的相对时延差为Ti (i=1，2，3…)，设P(τ)为归一化的功率时延分布，则多径平均时延τ-为P(τ) 的一阶矩，时延扩展σ 为P(τ) 的均方根，即：

由上式可知，时延扩展σ 与功率时延分布P(τ)、多径时延τ和多径平均时延τ-有关。多径时延是随机分布的，但是多径平均时延 的取值与该地区的地形有关。参考同为城市复杂地形条件的美国纽约市测得的市区多径平均时延约为1.5 ～ 2.5μs，时延在90%的地点不超过6μs，在郊区90%的地点不超过4μs。为简化分析和计算，将昆明市主城区的多径平均时延 取值为2 ，则（6）式可简化为：

由（13）、（14）式可知，在复杂地形条件下减小来自发射端的强多径信号的时延和发射功率能够有效地降低接收端的时延扩展σ，增大其相干带宽Bc，从而降低频率选择性衰落的影响，避免由于信道频域响应在整个系统带宽中剧烈变化导致的信号严重衰落和失真。

在单频网覆盖优化的工程实践中，通过调整发射系统的时延，尽可能降低信道冲激响应强多径信号之间的时延，从而改善重叠覆盖区的接收性能；通过调整发射系统的功率，尽可能降低长时延的强多径信号的强度，同样可以有效地改善重叠覆盖区的接收性能。但是在实际的工程实践中降低发射系统的功率，接收端的空间分集接收效果和接收功率也将随之降低，并且将损失单频网的覆盖面积。因此在单频网覆盖优化工程实践中，应以调整时延做为主要的技术手段，调整发射系统功率、天线参数等措施作为辅助的技术手段。

5 总结与展望

随着中央广播电视节目无线数字化覆盖工程的实施，复杂地形条件下地面数字电视广播单频网的运用和推广已进入了快速的发展阶段，对单频网覆盖优化技术的研究虽然取得了一定的成果，但是还有许多实际问题需要解决。未来的工作中，复杂地形条件下单频网覆盖优化技术应重点从以下几个方面去研究。

1. 目前对于单频网覆盖优化技术的研究主要是从信号发射和覆盖组网的角度，即通过调整传输覆盖网络中各个发射系统的时延和发射系统参数，降低长时延、强多径信号对重叠覆盖区接收性能的影响。随着单频网的应用和发展，还应该从改善接收终端的信道估计和均衡算法，特别是自适应均衡技术，以及接收分集技术的应用等角度，对单频网的覆盖优化技术做进一步的研究和探讨。

2. 随着单频网的应用和推广，涉及的网络规模将不断扩大，覆盖范围将不断延伸，发射转播台站的数量也将不断的增加，单频网覆盖优化的难度将越来越高。依靠规划工程师操作覆盖仿真系统对重叠覆盖区时延、发射系统参数进行调整，以实现单频网覆盖优化的难度会不断地增加。在今后研究中，应该坚持规划与优化并重的原则，运用遗传算法、神经网络等最优化理论和方法，通过计算机系统对单频网的时延、功率，以及发射系统技术参数进行配置和调整，以减低复杂地形条件下单频网重叠覆盖区接收性能优化的难度。

参考文献

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［8］张国庭，杨威，刘丙周. 地面数字电视广播信号在城市建筑物密集地区的传播特性[J]. 广播与电视技术，2006，（12）：113-115.

作者简介 郭嘉， 男，1981 年出生，硕士研究生，高级工程师，主要从事广播电视数字化、广播电视无线传输覆盖网规划和管理、视听新媒体传播与监管等方面的研究，曾参与中央、省级节目无线覆盖工程、西新工程、地面数字电视广播覆盖网总体技术规划、广播影视科技创新条件平台等重大项目的规划、设计和研究工作。

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